JP2005003472A - 薄膜ガスセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜ガスセンサの選択燃焼層を剥がれ難くし、製造歩留まりの低下を抑止する。
【解決手段】薄膜状の支持膜の外周部または両端部をシリコンウエハーにより支持し、外周部または両端部が厚く中央部が薄く形成されたダイアフラム様の支持基板１，２上に薄膜のヒーター３を形成し、この薄膜のヒーター３を絶縁層４で覆い、その上に一対のガス感知膜用の電極６を形成し、さらに半導体薄膜からなるガス感知膜（ＳｎＯ２）７を形成し、このガス感知膜７を被覆するように選択燃焼層８を形成した薄膜ガスセンサを製造するに当たり、ガス感知膜７を半導体プロセスで形成後に選択燃焼層８をスクリーン印刷法により形成し、低温で仮焼成した後にダイアフラム加工を行ない、その後に高温で本焼成を行なう。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型薄膜ガスセンサ、特にその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ガスセンサはガス漏れ警報器などの用途に用いられ、或る特定のガス、例えばＣＯ，ＣＨ_４，Ｃ_３Ｈ_８，ＣＨ_３ＯＨ等に選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度，高選択性，高応答性，高信頼性，低消費電力化が必要不可欠である。ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的とするものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的とするもの、または両方の機能を併せ持ったものなどがあるが、いずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くはない。
【０００３】
このような事情から、普及率の向上を図るべく設置性の改善、具体的には電池駆動としコードレス化することが望まれている。電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、２００℃〜５００℃の高温に加熱して検知する必要がある。このことから、ＳｎＯ_２などの粉体を燒結する従来の方法では、スクリーン印刷等の方法を用いたとしても厚みを薄くするには限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大きすぎる。そこで、ヒーター，感知膜を１μｍ以下の薄膜で形成し、さらに、深堀エッチング加工プロセスによりダイアフラム構造などの低熱容量，断熱構造とした薄膜ガスセンサの出現が待たれている。
【０００４】
図１に、この発明も適用される薄膜ガスセンサの一般的な断面構造を示す。
図示のように、両面に熱酸化膜が付いたシリコンウエハー１上に、ダイアフラム構造の支持層及び熱絶縁層２としてＳｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２膜を順次プラズマＣＶＤ法にて形成する。次にヒーター層３、ＳｉＯ_２絶縁層４の順にスパッタ法で形成する。その上に接合層５、感知層電極６および感知層７を形成する。成膜はＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行なう。成膜条件は接合層（ＴａまたはＴｉ）５、感知層電極（ＰｔまたはＡｕ）６とも同じで、Ａｒガス圧力１Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２、膜厚は接合層５／感知層電極６＝５００Å／２０００Åである。
【０００５】
次に、感知層７であるＳｎＯ_２を成膜する。成膜にはＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリング法によって行なう。ターゲットにはＳｂを０．５重量パーセント％（ｗｔ％）と、Ｐｔ６．０ｗｔ％を有するＳｎＯ_２を用いる。成膜条件はＡｒガス圧力２Ｐａ、基板温度１５０〜３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２である。感知層７の大きさは５０ないし２００μｍ角程度、厚さは０．２ないし１．６μｍ程度が望ましい。感知層７の上にはＡｌ_２Ｏ_３，Ｃｒ_２Ｏ_３などの多孔質金属酸化物からなる選択燃焼層８が形成される。
【０００６】
上記選択燃焼層８の形成に当たっては、従来は半導体プロセスで感知層７を形成した後、スクリーン印刷法により選択燃焼層８の原料（Ａｌ_２Ｏ_３，Ｃｒ_２Ｏ_３などの多孔質金属酸化物にＰｄ，Ｐｔなどの貴金属触媒を担持し、無機バインダでペースト状にしたもの）を塗布し、５００℃で１時間以上焼成する。なお、上記と同様の薄膜ガスセンサが、例えば特許文献１に開示されている。
【０００７】
上記選択燃焼層８の大きさは、感知層７を十分に覆えること、焼成後の厚さは２０ないし３０μｍ程度であることが望ましい。最後に、シリコンウエハーの裏面よりエッチングによりシリコンを除去し、ダイアフラム構造とする。図２に選択燃焼層を塗布，焼成し、エッチングによりダイアフラム構造としたシリコンウエハーの例を示す。
半導体プロセスによりシリコンウエハー２１上に感知層７を形成した後、図３に示すような穴１１とマーカ１２を有するメタルマスク１３をシリコンウエハー２１の上に覆いかぶせ、マーカ１２を基準としてメタルマスク１３をシリコンウエハー２１上で位置決めし、メタルマスク１３とシリコンウエハー２１を接触させた状態で、ペースト状の選択燃焼層原料をスキッジで塗布する。
【０００８】
その後、５００℃で１時間以上焼成して選択燃焼層を完成させ、エッチングによりシリコンウエハーにダイアフラム構造を形成すれば、図２のような選択燃焼層２２、ダイアフラム２３を有するシリコンウエハー２１が得られる。ダイアフラム２３の部分は薄くなっており、図２ではダイアフラム２３の外周部が点線で示されている。したがって、シリコンウエハー２１上には図１に示すような薄膜ガスセンサが、マトリックス状に並んでいることになる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２２１５０６号公報（図１、第３頁）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような工程で選択燃焼層を塗布すると、エッチングでダイアフラム構造を加工した後に選択燃焼層が剥がれ落ちて、薄膜ガスセンサの製造歩留まりが悪化するという問題がある。
すなわち、図１のようにシリコンウエハー１に支持層および熱絶縁層２を形成すると、それらの熱膨張係数の差により、支持層および熱絶縁層２に圧縮応力が働く。その状態でダイアフラム構造を加工すると、加工後に圧縮応力によって図４のようにダイアフラム３１が凸面状、または図５のように凹面状に変形する。この変形は、加工時のダイアフラム上下の圧力差によって座屈現象として突発的に発生するため、ダイアフラム３１上の選択燃焼層３２に突発的な力が加わる。焼成後の選択燃焼層３２は固いためダイアフラム３１の変形についていけず、図４または図５に示すように、ダイアフラム３１と焼成後の選択燃焼層３２の界面に「はがれ」が発生し、薄膜ガスセンサの製造歩留まりが悪化するというわけである。
したがって、この発明の課題は、選択燃焼層が剥がれ落ちないようにし、薄膜ガスセンサの製造歩留まりを向上させることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、薄膜状の支持膜の外周部または両端部をシリコンウエハーにより支持し、外周部または両端部が厚く中央部が薄く形成されたダイアフラム様の支持基板上に薄膜のヒーターを形成し、この薄膜のヒーターを電気絶縁膜で覆い、その上に所定間隔を置いて一対の感知膜電極を形成し、この感知膜電極に接して半導体プロセスによりガス感知膜を形成し、さらにこのガス感知膜を覆うように選択燃焼層を形成した薄膜ガスセンサを製造するに当たり、
前記ガス感知膜を半導体プロセスにより形成した後に、前記選択燃焼層をスクリーン印刷法により形成し、この選択燃焼層を低温で仮焼成した後にダイアフラム加工を行ない、その後に高温で本焼成を行なうことを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記選択燃焼層の形成を、前記スクリーン印刷法に代えてディスペンサ塗布方式またはインクジェット方式で行なうことができる（請求項２の発明）。
【００１２】
すなわち、選択燃焼層をスクリーン印刷した後に低温で仮焼成し、選択燃焼層が柔らかいうちにシリコンウエハーのダイアフラム加工を行なうので、ダイアフラムが座屈により突発的に凸面状または凹面状に変形しても、選択燃焼層はその形状に追従する。その後に改めて高温で選択燃焼層を焼成することにより、ダイアフラムに追従して変形した選択燃焼層の形状を保持した状態で薄膜ガスセンサを完成できるため、製造歩留まりを向上させることができる。また、選択燃焼層をスクリーン印刷する代わりに、ディスペンサ塗布方式またはインクジェット方式で塗布し焼成して形成すれば、スクリーン印刷の場合に生じた選択燃焼層の不均一がなくなり、スクリーン印刷のための高価な装置を不要にできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第１例〕
この例では、半導体プロセスにより図１に示すガス感知層７を形成した後、この感知層７を完全に覆うようにペースト状の選択燃焼層８をスクリーン印刷法により塗布する。選択燃焼層８の材料としては、従来と同じくＡｌ_２Ｏ_３，Ｃｒ_２Ｏ_３などの多孔質金属酸化物にＰｄ，Ｐｔなどの貴金属触媒を担持し、シリカゾル，アルミナゾルなどの無機バインダでペースト状にしたものを用いた。
その後、１２０℃で２０分間仮焼成を行ない、選択燃焼層８が柔らかい状態でシリコンウエハーのダイアフラム加工を行なった。その結果、図１の支持層および熱絶縁層２、図６ではダイアフラム３１が凸面状に、または、図７のように凹面状に変形しても、図６，図７に示すように柔らかい状態の焼成前選択燃焼層３３はダイアフラム３１の変形に追随し、界面での「はがれ」は発生しない。
ダイアフラム加工後、エッチング装置から取りだし、５００℃で１時間以上焼成すると、選択燃焼層３３はダイアフラム３１の形状に追随した形状で固まり、不注意により選択燃焼層３３に触れることがない限り、剥がれることは無く薄膜ガスセンサの製造歩留まりを飛躍的に向上させることができた。
【００１４】
〔第２例〕
この例では、半導体プロセスにより図１に示すガス感知層７を形成した後、この感知層７を完全に覆うようにペースト状の選択燃焼層８を、上記第１例のようなスクリーン印刷法ではなく、ディスペンサ塗布方式またはインクジェット方式で形成する点が特徴である。また、選択燃焼層８の材料としては、第１例と同じくＡｌ_２Ｏ_３，Ｃｒ_２Ｏ_３などの多孔質金属酸化物にＰｄ，Ｐｔなどの貴金属触媒を担持し、シリカゾル，アルミナゾルなどの無機バインダでペースト状にしたものを用いたが、ペースト条件がディスペンサまたはインクジェット方式で最適となるよう粘度，流動性を調整することはいうまでもない。
【００１５】
ペースト状の選択燃焼層８を形成した後、１２０℃の低温で２０分間仮焼成し、選択燃焼層８が柔らかい状態でシリコンウエハーのダイアフラム加工を行ない、エッチング装置から取りだし、５００℃で１時間以上焼成した。このようにしても、ガスセンサの製造歩留まりを飛躍的に向上させることができる。
低温での仮焼成の温度と時間、高温での本焼成の温度と時間は、この発明の目的が達成されるのであれば、任意に選定することができる。
【００１６】
【発明の効果】
この発明によれば、ペースト状の選択燃焼層を形成した後、１２０℃の低温で２０分間仮焼成し、選択燃焼層が柔らかい状態でシリコンウエハのダイアフラム加工を行ない、エッチング装置から取り出して５００℃で１時間以上焼成するので、選択燃焼層はダイアフラムの変形に追随して変形し、その後、変形状態を保持したまま固まるため、薄膜ガスセンサの製造歩留まりを飛躍的に向上させることができる。
また、選択燃焼層をスクリーン印刷する代わりに、ディスペンサ塗布方式またはインクジェット方式で塗布し焼成して形成すれば、スクリーン印刷の場合に生じた選択燃焼層の不均一がなくなり、スクリーン印刷のための高価な装置を不要にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明が適用される一般的な薄膜ガスセンサの断面構成図
【図２】選択燃焼層を塗布，焼成し、エッチングによりダイアフラム構造を加工したシリコンウエハの平面図
【図３】選択燃焼層のスクリーン印刷に使われるメタルマスクの平面図
【図４】従来の方法で凸面状に製造される薄膜ガスセンサの断面図
【図５】従来の方法で凹面状に製造される薄膜ガスセンサの断面図
【図６】この発明による方法で凸面状に製造される薄膜ガスセンサの断面図
【図７】この発明による方法で凹面状に製造される薄膜ガスセンサの断面図
【符号の説明】
１，２１…シリコンウエハー（ダイアフラム）、２…支持層及び熱絶縁層（支持層／熱絶縁層）、３…ヒーター層、４…絶縁層、５…接合層、６…感知層電極、７…感知層、８，２２…選択燃焼層、１１…穴、１２…マーカ、１３…メタルマスク、２３，３１…ダイアフラム、３２…焼成後選択燃焼層、３３…焼成前選択燃焼層。

Claims (2)

1. 薄膜状の支持膜の外周部または両端部をシリコンウエハーにより支持し、外周部または両端部が厚く中央部が薄く形成されたダイアフラム様の支持基板上に薄膜のヒーターを形成し、この薄膜のヒーターを電気絶縁膜で覆い、その上に所定間隔を置いて一対の感知膜電極を形成し、この感知膜電極に接して半導体プロセスによりガス感知膜を形成し、さらにこのガス感知膜を覆うように選択燃焼層を形成した薄膜ガスセンサを製造するに当たり、
   前記ガス感知膜を半導体プロセスにより形成した後に、前記選択燃焼層をスクリーン印刷法により形成し、この選択燃焼層を低温で仮焼成した後にダイアフラム加工を行ない、その後に高温で本焼成を行なうことを特徴とする薄膜ガスセンサの製造方法。
2. 前記選択燃焼層の形成を、前記スクリーン印刷法に代えてディスペンサ塗布方式またはインクジェット方式で行なうことを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサの製造方法。

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