JP2011149889A

JP2011149889A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2011149889A
Application number: JP2010012854A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Aranishi; 一哉新西
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【構成】 Si基板の空洞を架橋するように脚により支持された架橋部に、下層の第１層パターンと上層の第２層パターンとから成るヒータパターンを設ける。第１層パターンと第２層パターンとの間に中間絶縁膜が有り、第１層パターンと第２層パターンは、中間絶縁膜が無い部分で、電気的に直列に接続されている。第１層パターンの一端と第２層パターンの一端とが、Si基板上で第１及び第２のパッドに接続されている。
【効果】ヒータ抵抗を約２倍にできる。
【選択図】図２

Description

この発明は、Si基板を微細加工したガスセンサに関する。

Si基板上にアンダーカットエッチングにより架橋部を設け、架橋部にヒータパターンを設けたガスセンサが知られている。ヒータパターンにはPt膜等が用いられるが、３Ｖ程度の駆動電圧とするためには、ヒータパターンを長くあるいは細くし、ヒータ抵抗を大きくする必要がある。そこで発明者は、架橋部のサイズを増さずにヒータ抵抗を大きくすることにより、この問題を解決することを検討した。なお特許文献１（JP2008-76260A）は、ガスセンサの配線パターンを２層にすることを提案している。

JP2008-76260A

この発明の課題は、架橋部のサイズを増さずに、ガスセンサのヒータ抵抗を大きくすることにある。
この発明での補助的な課題は、第１のヒータパターンと第２層のヒータパターンとを確実に接続することにある。

この発明のガスセンサは、下地絶縁膜を備えたSi基板の空洞を架橋するように脚により支持された架橋部に、ヒータパターンを設けたガスセンサにおいて、
前記ヒータパターンが下層の第１層パターンと上層の第２層パターンとから成り、第１層パターンと第２層パターンとの間に中間絶縁膜が有り、第１層パターンと第２層パターンは、中間絶縁膜が無い部分で、電気的に直列に接続され、第１層パターンの一端と第２層パターンの一端とが、Si基板上で第１及び第２のパッドに接続されていることを特徴とする。

この発明ではヒータパターンを上下２層にすることにより、ヒータ抵抗を約２倍にできる。従ってヒータの駆動電圧を大きくする、あるいはヒータパターンを短くしてより小さな架橋部とすることができる。

好ましくは、第２層パターンを覆うように酸化触媒膜が設けられ、前記脚が架橋部当たり４本設けられて、１本の脚で第１層パターンの一端を引き出して第１のパッドへ接続し、他の１本の脚で第２層パターンの一端を引き出して第２のパッドへ接続し、残る２本の脚で、第１層パターンと第２層パターンをSi基板上に引き出し、Si基板上で第１層パターンと第２層パターンとを重ねることにより、電気的に直列に接続されている。このようにすると、Si基板上で大きな面積を用いて、第１層パターンと第２層パターンを接続できるので、中間絶縁膜の端部で第２層パターンが断線する可能性が小さくなる。

好ましくは、第１のパッドと第２のパッドはPt-Auの膜からなり、第１層パターンと第２層パターンはPt膜からなり、第１層パターンと第２層パターンとの接続部がPt-Au膜からなる。ヒータパターンをPt膜とする場合、パッドもPt膜で作成するのが自然であるが、パッドへのボンディングを容易にするため、表面をAu膜で被覆することが好ましい。するとパッドはPtとAuが合金化した膜、あるいはPtとAuの２層の膜となり、これらをPt-Au膜と呼ぶ。第１層パターンと第２層パターンとの接続部もパッドと同時にAu膜で被覆すると、接続部はPt-Au膜となり、Au膜で被覆した分だけ、中間絶縁膜の端部で第２層パターンが断線する可能性が小さくなる。

実施例での第１層のヒータパターンを示す平面図実施例での第２層のヒータパターンを示す平面図第１層と第２層のヒータパターンの接合部を示す断面図半導体ガスセンサに関する実施例での電極パターンを示す平面図図４のV−V方向断面図接触燃焼式ガスセンサに関する実施例での、パッドを用いた第１層と第２層の接合を示す平面図図６のVII-VII方向断面図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図７に、実施例のガスセンサ２，６２を示す。図１〜図５は接触燃焼式と半導体式の双方に対応する実施例を示す。図において、２はガスセンサで、図示しないSi基板上に、酸化タンタル，シリカ，窒化ケイ素などから成る下地絶縁膜４を設け、架橋部６を脚１０〜１３で下地絶縁膜４に接続する。７は空洞部で、アンダーカットエッチングにより架橋部６と脚１０〜１３の底面まで延びている。８は架橋部６に設けたホールで、設けなくてもよい。架橋部６は、例えば４本の脚１０〜１３により、下地絶縁膜４により支持され、下地絶縁膜４，架橋部６，脚１０〜１３は同一材料から成る。架橋部６と脚１０とにヒータの第１層パターン１４を設け、例えば基板上でパッド２０に接続する。架橋部６は例えば一辺が20〜60μｍ程度の正方形で、空洞部７により下地絶縁膜４で覆われたSi基板から5〜20μｍ程度分離されている。

図２に示すように、第１層パターン１４を被覆する中間絶縁膜１６を設け、その材質は、酸化タンタル，シリカ，窒化ケイ素などである。そして中間絶縁膜１６上に第２層パターン１５を設け、例えば脚１２を介してパッド２１へ接続する。第１層パターン１４の先端部と第２層パターン１５の起端部とを重ねた位置で、中間絶縁膜１６に孔１７を設け、パターン１４，１５を接合し接合部１８とする。第１層パターン１４，第２層パターン１５は例えばそれぞれPt膜などで構成し、膜厚は例えば100〜1000nm程度とする。下地絶縁膜４、中間絶縁膜１６への付着性を増すため、Pt膜と絶縁膜４，１６の間にTi膜などを設けても良い。

図３に接合部１８の周囲を示す。中間絶縁膜１６の端部のため、第２層パターン１５に段差が生じ、断線の原因となることがある。このため、例えば第２層パターン１５をスパッタリングで作成し、段差を乗り越えやすくする。なお実施例では、パターン１４，１５を共にスパッタリングで作成する。パッド２０，２１等では、パターン１４，１５と同様のPt膜を下地膜とし、ワイヤボンディング、フリップチップボンディング等を容易にするため、膜厚100nm〜1000nm程度のAu膜でパッドを被覆する。接合部１８も、パッド２０，２１等と同時に膜厚100nm〜1000nm程度のAu膜３０で被覆し、中間絶縁膜１６の端部で断線する可能性を小さくする。Au膜は下地のPt膜と合金化することがあり、特に架橋部６上では加熱のために合金化が進みやすい。

図１〜図３のようにして、第２層パターン１５と接合部１８を作成すると、γ-アルミナ＋Ptなどから成り、膜厚100nm〜100μｍ程度の酸化触媒の膜で架橋部６を被覆し、接触燃焼式ガスセンサとする。なお酸化触媒の膜と第２層パターン１５の間に、別の絶縁膜を設けても良い。SnO₂などの膜で架橋部６を被覆し半導体ガスセンサとする場合、図４，図５のように、第３層絶縁膜２４と電極２５，２６などを設け、膜厚100nm〜100μｍ程度の半導体２８で被覆する。図４に示すように、酸化タンタル，シリカ，窒化ケイ素などの第３層絶縁膜２４で第２層パターン１５を被覆し、Ptなどの電極２５，２６を設け、それらの端部をパッド２２，２３へと引き出す。そして架橋部６を酸化第２スズ、酸化インジウム、酸化タングステン等の半導体２８で被覆する。被覆後の架橋部６を図５に模式的に示す。ここでホール８を設けると、半導体２８が架橋部６の裏面側にも回り込むので、雰囲気との接触面積が増す。この結果ガス感度が向上する。なおホール８の作用は、接触燃焼式ガスセンサの場合も同様である。また第２層パターン１５の配置によっては、パターン１５を電極に兼用し、第３層絶縁膜２４を省略し、また電極２５，２６の一方を省略できる。

接触燃焼式ガスセンサの場合、２個のパッドが必要であるが、架橋部６を安定して支持するために４本の脚１０〜１３を設ける。そこで余った２本の脚を用いて、第１層パターン１４と第２層パターン１５をSi基板上に引き出すと、基板上の大きなパッドでパターン１４，１５を接続できる。このような例を図６，図７に示す。６２は接触燃焼式ガスセンサで、脚１１から第１層パターン１４を基板上へ引き出し、脚１２から第２層パターン１５を引き出す。６４は接続用パッドで、パターン１４と同時に成膜した下層パターン６６と、パターン１５と同時に成膜した上層パターン６８とからなり、上層パターン６８の底面の一部にのみ中間絶縁膜１６がある。ここで中間絶縁膜１６の端部に凹凸を設け、図６では端部を基板表面に平行な方向に突き出させて、パッド６４内での中間絶縁膜１６の周長を大きくする。中間絶縁膜１６の端部のパッド６４内の周長は、パッド６４の短辺方向の幅よりも長くする。これによって上層パターン６８が中間絶縁膜１６の端部で断線する可能性をさらに小さくする。７０は第２層パターン１５に接続したパッドで、パッド２０，７０間にヒータ電圧を加える。

図７に接続用パッド６４の積層構造を示す。下層パターン６６上に上層パターン６８が重ねられており、間に中間絶縁膜１６が有る。図６のようにして中間絶縁膜１６の端部の周長を長くし、上層パターン６８の断線の可能性を小さくする。また他のパッドと同様にAu膜７４で被覆し、上層パターン６８の断線の可能性を小さくする。なお他の点では、図１〜図３の実施例と同様である。

接触燃焼式ガスセンサの場合、検出片と補償片のように、２個の架橋部が必要である。図６，図７のように、１基板当たり１個の架橋部６を設けても良く、あるいは１つの基板に２個の架橋部を設けても良い。

実施例では以下の効果が得られる。
(1) ヒータ抵抗を約２倍にできる。従って駆動電圧を大きくでき、あるいはヒータパターンを短くして架橋部６を小さくできる。架橋部６を小さくすると、Si基板も小さくできる。例えば膜厚500nm程度で、線幅と線間の間隙が共に３μｍ程度のPtヒータを、一辺が40μｍ程度の架橋部６に配線すると、１層の場合、室温での抵抗値が100Ω程度の場合が多いが、２層にすると200Ω程度にできる。
(2) 接続用パッド６４を設けることにより、Si基板上の大きな面積を用いてパターン１４，１５を接続し、第２層パターン１５が断線する可能性を小さくできる。
(3) Au膜３０，７４により、接合部１８及び接続用パッド６４を被覆することにより、断線の可能性をさらに小さくできる。

２ガスセンサ
４下地絶縁膜
６架橋部
７空洞部
８ホール
１０〜１３脚
１４第１層パターン
１５第２層パターン
１６中間絶縁膜
１７孔
１８接合部
２０〜２３パッド
２４第３層絶縁膜
２５，２６電極
２８半導体
６２接触燃焼式ガスセンサ
６４接続用パッド
６６下層パターン
６８上層パターン
７０パッド
７２ Si基板
３０，７４ Au膜

Claims

下地絶縁膜を備えたSi基板の空洞を架橋するように脚により支持された架橋部に、ヒータパターンを設けたガスセンサにおいて、
前記ヒータパターンが下層の第１層パターンと上層の第２層パターンとから成り、
第１層パターンと第２層パターンとの間に中間絶縁膜が有り、
第１層パターンと第２層パターンは、中間絶縁膜が無い部分で、電気的に直列に接続され、
第１層パターンの一端と第２層パターンの一端とが、Si基板上で第１及び第２のパッドに接続されていることを特徴とする、ガスセンサ。
第２層パターンを覆うように酸化触媒膜が設けられ、
前記脚が架橋部当たり４本設けられて、１本の脚で第１層パターンの一端を引き出して第１のパッドへ接続し、他の１本の脚で第２層パターンの一端を引き出して第２のパッドへ接続し、残る２本の脚で、第１層パターンと第２層パターンをSi基板上に引き出し、Si基板上で第１層パターンと第２層パターンとを重ねることにより、電気的に直列に接続されていることを特徴とする、請求項１のガスセンサ。
第１のパッドと第２のパッドはPt-Auの膜からなり、第１層パターンと第２層パターンはPt膜からなり、第１層パターンと第２層パターンとの接続部がPt-Au膜からなることを特徴とする、請求項１のガスセンサ。