JP2016134246A - ヒータ装置および物理量検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータ配線の長さ方向である第１の方向におけるヒータ加熱による均熱となる領域を大きくすることを目的とする。
【解決手段】基板と、基板の主面上に形成され、基板の主面における第１の方向に延在する複数の第１のヒータ配線部と、第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数の第２のヒータ配線部と、を有し、第１および第２のヒータ配線部のそれぞれが端部で接続されヒータを形成し、ヒータに流れる電流による第１の方向における中央部側での発熱が小さく、端部側での発熱が大きくなるように第１のヒータ配線部が決定されるヒータ装置である。
【選択図】図１

Description

基板上に形成されたヒータを有するヒータ装置およびヒータ装置と基板上に形成された検知膜を用いて物理量を検知する物理量検知装置に関するものである。

被検知ガスのガス濃度を検知するガス検知装置は、半導体式、接触燃焼式、熱伝導式など様々な手法が試みられている。これらのガス検知装置は、半導体基板あるいは絶縁性基板上に被検知ガスのガス濃度を検知する第１の検知素子を利用する。また、接触燃焼式の場合、目的とする被検知ガスを検知するに当たり被検知ガスと酸素を反応させ反応熱を検知するためには、一対の電極を有する第１の検知素子に隣接して被検知ガスを吸着するための触媒が利用され、さらに、触媒および第１の検知素子を加熱するためのヒータが第１の検知素子および触媒に隣接して配置される。また、熱伝導式の場合、触媒は不要であるが、第１の検知素子上のガスを加熱するためのヒータが第１の検知素子に隣接して配置される。

ここで、ヒータは通常、基板上に第１の検知素子と一体に形成されることが多い。ここで、基板上にヒータと第１の検知素子が順に積層されて形成されることがある。ヒータ加熱による温度を第１の検知素子内で均熱化するために、特許文献１によれば、ヒータの配線ピッチを第１の検知素子の中央部側では疎とし、第１の検知素子の端部側では密とし、配線幅を変える構造が採用される開示がある。特許文献１では実際の温度分布に関して基板の中央部が均熱化されているとしている。しかし、配線ピッチ方向には温度分布の改善があるものの、配線の長さ方向に改善されているとまでは言えない。

特開２００７−６４９０８号公報

そこで、本発明はヒータ配線の長さ方向である第１の方向におけるヒータ加熱による均熱となる領域を大きくすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、基板と、基板の主面上に形成され、基板の主面における第１の方向に延在する複数の第１のヒータ配線部と、第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数の第２のヒータ配線部と、を有し、第１および第２のヒータ配線部のそれぞれが端部で接続されヒータを形成し、ヒータに流れる電流による第１の方向における中央部側での発熱が小さく、端部側での発熱が大きくなるように第１のヒータ配線部が決定されるヒータ装置
である。

本発明によれば、ヒータに流れる電流による第１の方向における中央部側での発熱が小さく、端部側での発熱が大きくなるように第１のヒータ配線部が決定されるので、第１の方向におけるヒータ加熱による均熱となる領域を大きくすることが可能となる。

また、本発明は、第１のヒータ配線部は、第１の方向における両端部に近い側で線幅が狭い部分を有し、中央部に近い側で線幅が広い部分を有するヒータ装置としてもよい。

また、本発明は、ヒータの第２の方向における中央部から端部に向かうにしたがい線幅が広い部分の線幅が細くなるヒータ装置としてもよい。

また、本発明は、第１のヒータ配線部は、第２の方向に対して異なるピッチを有し、異なるピッチは、第２の方向における第１のヒータ配線部の端部に近い側のピッチをＡ、中央部に近い側のピッチをＢとした時、Ｂ＞Ａである部分を有するヒータ装置としてもよい。

また、本発明は、ヒータの第２の方向における中央部から端部に向かうにしたがい線幅が狭い部分の第１の方向における長さが長くなるヒータ装置としてもよい。

また、本発明は、線幅が広い部分は、第１の方向に連続的に線幅が異なる部分を有するヒータ装置としてもよい。

また、本発明は、線幅が広い部分は、所定の長さを有する２以上の線幅が同一となる部分を有するヒータ装置としてもよい。

また、本発明は、基板に支持されたヒータ装置と、検知膜と、を有し、基板の主面に射影した第１のヒータ配線部と検知膜とが、重なる部分を有する物理量検知装置としてもよい。

また、本発明は、検知膜の第１の方向の長さが第２の方向より長い物理量検知装置としてもよい。

また、本発明は、検知膜に接する一対の電極を有し、基板の主面に射影した一対の電極と検知膜とが、重なる部分を有し、一対の電極が第１の方向に延在する物理量検知装置としてもよい。

また、本発明は、一対の電極が櫛歯状である物理量検知装置としてもよい。

ヒータ配線の長さ方向である第１の方向におけるヒータ加熱による均熱となる領域を大きくすることが可能となる。

実施形態１のヒータ装置１００の平面図である。 比較形態１のヒータ装置２００の平面図である。 実施形態２のヒータ装置３００の平面図である。 実施形態３のヒータ装置４００の平面図である。 比較形態２のヒータ装置５００の平面図である。 比較形態３のヒータ装置６００の平面図である。 実施形態４のヒータ装置７００の平面図である。 物理量検知装置８００の平面図である。 物理量検知装置８００のＡ−Ｂにおける断面図である。 実施形態１のヒータ装置１００のシミュレーション結果の面内温度分布を示すである。 比較形態１のヒータ装置２００のシミュレーション結果の面内温度分布を示すである。 実施形態２のヒータ装置３００のシミュレーション結果の面内温度分布を示すである。 実施形態３のヒータ装置４００のシミュレーション結果の面内温度分布を示すである。 比較形態２のヒータ装置５００のシミュレーション結果の面内温度分布を示すである。 比較形態３のヒータ装置６００のシミュレーション結果の面内温度分布を示すである。 実施形態４のヒータ装置７００のシミュレーション結果の面内温度分布を示すである。 実施形態５のヒータ装置９００の平面図である。 実施形態１のヒータ装置１００のシミュレーション結果の第１の方向と第２の方向の温度傾斜を示す図である。 比較形態１のヒータ装置２００のシミュレーション結果の第１の方向と第２の方向の温度傾斜を示す図である。 実施形態２のヒータ装置３００のシミュレーション結果の第１の方向と第２の方向の温度傾斜を示す図である。 実施形態３のヒータ装置４００のシミュレーション結果の第１の方向と第２の方向の温度傾斜を示す図である。 比較形態２のヒータ装置５００のシミュレーション結果の第１の方向と第２の方向の温度傾斜を示す図である。 比較形態３のヒータ装置６００のシミュレーション結果の第１の方向と第２の方向の温度傾斜を示す図である。 実施形態４のヒータ装置７００のシミュレーション結果の第１の方向と第２の方向の温度傾斜を示す図である。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。

図１は、実施形態１におけるヒータ装置１００の平面図である。ヒータ装置１００は、ヒータ１０および基板１４を有し、ヒータ１０は基板１４の第１の主面に支持されている。また、基板１４とヒータ１０との間には絶縁膜（図示せず）が形成されている。また、基板１４はヒータ１０が存在する領域では熱容量を小さくするために基板１４の一部を第２の主面側からエッチングなどにて除去し、キャビティ（図示せず）が形成されている。ここで、基板１４に支持されるとは、キャビティが存在する領域上に基板１４が存在しなくとも基板１４に支持される場合も含むこととする。

ヒータ１０は複数の第１のヒータ配線部１１と複数の第２のヒータ配線部１２とを有している。ここで、複数の第１のヒータ配線部１１は第１の方向（紙面の横方向）に延在し、複数の第２のヒータ配線部１２は第１の方向と直交する第２の方向（紙面の縦方向）に延在している。また、複数の第１のヒータ配線部１１と複数の第２のヒータ配線部１２とはそれぞれの配線部の端部同士が接続され、一本のヒータ１０を形成している。また、第２の方向における両方の最端部側の第１のヒータ配線部（１１Ｃ、１１Ｄ）の一方の端部にはそれぞれ第１および第２のパッド（１３Ａ、１３Ｂ）が形成されている。従って、第１および第２のパッド（１３Ａ、１３Ｂ）間に電流を流すことによりヒータ１０に電流が流れ、ヒータ１０および基板１４が加熱される。ここで、第２のヒータ配線部１２は直線であるとは限らず、曲率を有する形状であってもよい。また、第２の方向とは第２のヒータ配線部１２のそれぞれの配線部の中心を結ぶ線分の接線の方向を指す。従って、曲率を有する形状の場合は、接線は無数に存在するので第２の方向は無数に存在する。

次に第１のヒータ配線部１１の線幅について説明する。第１の方向に延在する第１のヒータ配線部１１の線幅は、それぞれの配線部の第１の方向における両端部に近い側には、線幅が狭い部分１１Ｂを、中央部に近い側には、線幅が広い部分１１Ａを有している。また、第１のヒータ配線部１１のそれぞれは第１および第２のパッド（１３Ａ、１３Ｂ）に接続される第１のヒータ配線部（１１Ｃ、１１Ｄ）を除き、第１の方向における中央部を中心として線対称となっている。また、第２のヒータ配線部１２と第１のヒータ配線部１１のそれぞれのヒータ配線部（１１、１２）の接続箇所である端部では同じ線幅となっている。従って、第１のヒータ配線部１１の中央部および中央部の近傍部である線幅が狭い部分１１Ｂと第２の配線部１２とは同一の線幅となっており、第１のヒータ配線部１１の中央部および中央部の近傍部の線幅が広くなっており、線幅が広い部分１１Ａを形成している。ここで、線幅が広い部分１１Ａの第１の方向の長さは全体の６０％程度である。但し、この限りではない。

図２は比較形態１のヒータ２００装置の平面図である。ヒータ装置２００は、第１の配線部２１および第２の配線部２２を有するヒータ２０と、第１および第２の電極パッド（２３Ａ、２３Ｂ）と、基板２４とを有している。実施形態１と異なるのは、第１のヒータ配線部２１の構造である。第１のヒータ配線部２１の線幅は同一であり、実施形態１と比較形態１の第２のヒータ配線部２２の構造は同一であり、第２のヒータ配線部２２と同一の線幅で第１のヒータ配線部２１が形成されている。

実施形態１と比較形態１を比較すると、実施形態１では、線幅が広い部分１１Ａが存在するため抵抗値が低くなるので、同一電流値に対する発熱が小さくなる。従って、比較例１と比較すると、基板１４の第１の方向の中央部および中央部の近傍部では発熱が小さくなる。しかし、第１の方向における基板の中央および中央部の近傍部では周囲の第１および第２の配線部（１１、１２）からの発熱の影響を受けるので、加熱されやすい状況にある。従って、線幅が広い部１１Ａが存在することによって線幅が広い部分１１Ａの発熱を抑えることにより第１の方向における均熱となる領域を広げることが可能となっている。

図３は実施形態２のヒータ３００装置の平面図である。ヒータ装置３００は、第１の配線部３１および第２の配線部３２を有するヒータ３０と、第１および第２の電極パッド（３３Ａ、３３Ｂ）と、基板３４とを有している。実施形態１と異なるのは、第１の配線部３１の線幅が広い部分３１Ａの線幅である。以下に説明する。実施形態２では、第２の方向におけるヒータ３００の中央部および中央部の近傍部では線幅が広い部分３１Ａの線幅が広く、第２の方向におけるヒータ３００の両側に近くなるに従い、線幅が広い部分３１Ａの線幅が狭くなっている。なお、図３では、第１の配線部３１の最端部の線幅は同一となっており、線幅が狭い部分３１Ｂと同一となっている。

実施形態２と実施形態１を比較すると、実施形態２では、線幅が広い部分３１Ａの幅がヒータ３００の第２の方向における中央部および中央部の近傍では実施形態１より広くなっているので、発熱を小さくすることが可能となっている。ヒータ３００の第１の方向における中央部および中央部の近傍部では周囲の第１および第２の配線部（３１、３２）からの発熱の影響を受けるので、加熱されやすい状況にある。また、第２の方向における両端部側に近くなるに従い周囲の第１および第２の配線部（３１、３２）からの影響は小さくなる。従って、第２の方向における基板の中央部および中央部の近傍部では第１の配線部３１の線幅が広い部分３１Ａを広く、基板３４の両端部に近くなるに従い第１の配線部３１の線幅が広い部分３１Ａの線幅を狭くすることによって線幅が広い部分３１Ａの発熱を第１の方向における基板３４の中央部と基板３４の中央部の近傍部でより小さくすることにより、第１の方向における均熱となる領域をより広くすることが可能となっている。

図４は実施形態３のヒータ４００装置の平面図である。ヒータ装置４００は、第１の配線部４１および第２の配線部４２を有するヒータ４０と、第１および第２の電極パッド（４３Ａ、４３Ｂ）と、基板４４とを有している。実施形態１と異なるのは、第１の配線部４１の第２の方向におけるピッチである。以下、説明する。なお、ピッチとは第１の配線２１の第１の方向におけるそれぞれの第１のヒータ配線部２１の一方の側の端部の第２の方向における第１のヒータ配線部４１の間隔を指すものとする。第１のヒータ配線部４１は第２の方向における端部に近い側のピッチをＡ、中央部に近い側のピッチをＢとした場合、Ｂ＞Ａの関係を満たす。つまり、第２の方向において、両端部側でピッチが狭く、中央部側でピッチが広くなっている。また、第１の配線部４１のそれぞれの配線における線幅が広い部分４１Ａは同一の線幅となっている。

図５は比較形態２のヒータ５００装置の平面図である。ヒータ装置５００は、第１の配線部５１および第２の配線部５２を有するヒータ５０と、第１および第２の電極パッド（５３Ａ、５３Ｂ）と、基板５４とを有している。実施形態３と異なるのは、第１のヒータ配線部５１の構造である。第１のヒータ配線部５１の線幅は同一であり、実施形態３と比較形態２の第２のヒータ配線部５２の構造は同一であり、第２のヒータ配線部５２と同一の線幅で第１のヒータ配線部５１が形成されている。

まず、比較形態１と比較形態２を比較すると、比較形態２では、第２の方向における第１の配線部５１のピッチが異なっている。ヒータ装置５００の第１の方向における中央部および中央部の近傍部では周囲の第１および第２の配線部（５１、５２）からの発熱の影響を受けるので、加熱されやすい状況にある。また、第２の方向における両端部側に近くなるに従い周囲の第１および第２の配線部（５１、５２）からの影響は小さくなる。従って、第１のヒータ配線部５１は第２の方向における端部に近い側のピッチをＡ、中央部に近い側のピッチをＢとした場合、Ｂ＞Ａの関係とする。つまり、第２の方向におけるピッチを基板の中央部および中央部の近傍部でピッチを広くすることにより、第１の配線部５１の発熱を第２の方向における基板３４の中央部と基板３４の中央部の近傍部でより小さくすることが可能となっている。従って、比較形態２は比較形態２より第２の方向における均熱となる領域をより広くすることが可能となっている。

次に、実施形態３と比較形態２を比較すると、実施形態３では、線幅が広い部分４１Ａが存在するため抵抗値が低くなるので、同一電流値に対する発熱が小さくなる。従って、比較形態２と比較すると、基板４４の第１の方向の中央部および中央部の近傍部では発熱が小さくなる。しかし、第１の方向における基板の中央および中央部の近傍部では周囲の第１および第２の配線部（４１、４２）からの発熱の影響を受けるので、加熱されやすい状況にある。従って、線幅が広い部４１Ａが存在することによって線幅が広い部分４１Ａの発熱を抑えることにより第１の方向における均熱となる領域を広げることが可能となっている。従って、実施形態３では、比較形態１より第１および第２の方向における均熱となる領域をより広くすることが可能となっている。また、実施形態３では、比較形態２より第１の方向における均熱となる領域をより広くすることが可能となっている。

図６は比較形態３のヒータ６００装置の平面図である。ヒータ装置６００は、第１の配線部６１および第２の配線部６２を有するヒータ６０と、第１および第２の電極パッド（６３Ａ、６３Ｂ）と、基板６４とを有している。実施形態２と異なるのは、第１のヒータ配線部６１の構造である。第１のヒータ配線部６１の線幅は第２の方向における基板の中央部および中央部の近傍部で広く、基板の両端部に近くなるに従い第１のヒータ配線部６１の線幅は狭くなっている。実施形態２と比較形態３の第２のヒータ配線部６２の構造は同一である。

実施形態２と比較形態３を比較すると、実施形態２では、線幅が狭い部分３１Ｂが存在するため抵抗値が高くなるので、同一電流値に対する発熱が大きくなる。従って、比較形態３と比較すると、基板６４の第１の方向の両端部側では発熱が大きくなる。しかし、第１の方向における基板の中央および中央部の近傍部では周囲の第１および第２の配線部（６１、６２）からの発熱の影響を受けるので、加熱されやすい状況にある。従って、線幅が狭い部分３１Ｂが存在することによって線幅が狭い部分３１Ｂの発熱を上げることより第１の方向における均熱となる領域を広げることが可能となっている。

図７は実施形態４のヒータ装置７００の平面図である。ヒータ装置７００は、第１の配線部７１および第２の配線部７２を有するヒータ７０と、第１および第２の電極パッド（７３Ａ、７３Ｂ）と、基板７４とを有している。実施形態１と異なるのは、第１の配線部７１の第１の方向における細い部分の長さすなわち、線幅が狭い部分７１Ｂである。以下に説明する。第１の配線部７１のそれぞれのヒータ配線部７１は第２の方向の両端部側に近くなるに従い、線幅が狭い部分７１Ｂの長さが長くなり、中央部および中央部の近傍部では、線幅が狭い部分７１Ｂの長さが短くなっている。

実施形態４と実施形態１を比較すると実施形態４では第１の配線部７１の線が狭い部分７１Ｂが第２の方向における両端部側に近くなるに従い長くなっているので、抵抗が大きくなり、同一電流値に対する発熱が大きくなる。しかし、第１の方向における基板の中央および中央部の近傍部では周囲の第１および第２の配線部（７１、７２）からの発熱の影響を受けるので、加熱されやすい状況にある。従って、線幅が狭い部分７１Ｂが第２の方向における両端部側で長くすることによって線幅が狭い部分７１Ｂの発熱を上げることより第１の方向における均熱となる領域を広げることが可能となっている。

次に、実施形態１ないし４のヒータを使用する物理量検知装置８００について説明する。図８は物理量検知装置８００の平面図であり、図９は物理量検知装置８００のＡ−Ｂにおける断面図である。ここで、図１に示されるヒータを使用する場合について説明する。物理量検知装置８００は基板８４に支持されたヒータ８１、ヒータ８１上に支持された一対の第１の電極（８７Ａ、８７Ｂ）と第１の検知膜８６を有している。第１の検知膜８６は一対の第１の電極（８７Ａ、８７Ｂ）上および一対の第１の電極（８７Ａ、８７Ｂ）間に連続的に形成されている。ここで、第１の検知膜８６とは検知対象となる物理量に応じて抵抗値が変化するものである。また、ヒータ８１によって、第１の検知膜８６を加熱することも可能となっている。従って、ヒータ８１によって加熱される第１の検知膜８６は加熱された温度において対象となる物理量を検知することになる。

基板８４の第１の主面８４Ａ上の第１の絶縁層８８Ａ上に形成されたヒータ８１は第１の方向（紙面の横方向）に延在するとともに、線幅が広い部分８１Ａと線幅が狭い部分８１Ｂとを有する複数の第１の配線部８１と、第１の配線部の端部と接続されるとともに第１の方向と直交する第２の方向に延在する複数の第２の配線部８２とを有する。また、ヒータ８１の第２の方向における両端部である第１の配線部（８１Ｃ、８１Ｄ）の一方の端部は一対の第１の電極パッド（８３Ａ、８３Ｂ）に接続されている。従って、一対の第１の電極パッド（８３Ａ、８３Ｂ）間に電流が流れることでヒータ８１が加熱され、基板８４、第１の検知膜８６が加熱される。ここで、基板８４は絶縁基板、半導体基板、金属基板などが適用可能であり、特にその形態が問われるものではない。また、第１の絶縁層（８８Ａ、８８Ｂ）は酸化物、窒化物などが適用可能である。例えば、基板８４がシリコン基板の場合、第１の絶縁層８８Ａは熱酸化膜としてもよい。

ヒータ８１上には第２の絶縁層８８Ｂが形成され、第２の絶縁層８８Ｂ上に形成された一対の第１の電極（８７Ａ、８７Ｂ）の一方の端部はそれぞれ第２の方向の延在し、一対の第２の電極パッド（８３Ｃ、８３Ｄ）に接続される。また、一対の第１の電極（８７Ａ、８７Ｂ）の他方の端部同士は第１および第２の方向に対向している。従って、一対の第２の電極パッド（８３Ｃ、８３Ｄ）間に電圧を印加することにより、第１の検知膜８６の抵抗変化を検知することが可能となっている。ここで、ヒータ８１は基板８４の第１の主面８４Ａ上に形成可能であれば、金属、金属窒化物、金属酸化物などが適用可能であり、また、多層構造とすることも可能である。一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）も同様であり、金属、金属窒化物、金属酸化物などが適用可能であり、また、多層構造とすることも可能である。また、第２の絶縁層８８Ｃは酸化物、窒化物などが適用可能である。また、一対の第１の電極（８７Ａ、８７Ｂ）の対向する面積を増加させるために櫛歯状であることが好ましい。

ここで、第１の検知膜８６は、対象となる物理量に対して抵抗変化するものであれば良く、例えば、検知対象となるガス濃度に応じて抵抗値が変化する酸化錫に代表される半導体層であったり、温度によって抵抗値が変化するサーミスタ層であってもよく、特にその形態が問われるものではない。また、ヒータ８１の加熱による第１の方向における均熱となる領域は第２の方向における均熱となる領域より長いので、第１の検知膜８６は第１の方向の長さが第２の方向の長さより長く形成されることが好ましい。また、一対の第１の電極（８７Ａ、８７Ｂ）が櫛歯状の場合、対向する部分に存在する第１の検知膜８６は均熱となる領域に存在することが好ましく、第２の方向より第１の方向に長いことが好ましい。

第１の検知膜８６上には第１の検知膜８６を保護するための第３の絶縁層が形成されている。また、第３の絶縁層８８Ｄは酸化物、窒化物などが適用可能である。但し、第１の検知膜８６を直接大気に接触させる場合には第３の絶縁層８６は必須ではない。

また、基板８４には第２の主面８４Ｂ側からエッチングなどの方法によって、キャビティ８９が形成されている。キャビティ８９の形成に当たっては、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ―Ｉｏｎ−Ｅｔｃｈｉｎｇ）が使用されることが多い。キャビティ８９が形成されることで、全体の熱容量が小さくなるので、ヒータ８０のオンオフ動作に対してキャビティ８９が存在しない場合と比較して温度の追従性が速くなる。また、キャビティ８９上の構造物はメンブレンと呼ばれる。

図示してはいないが、第１の検知膜８６が酸化錫などの酸化物半導体の場合には、第１の検知膜８６上には機能層（図示せず）が存在してもよい。例えば、検知対象となるガスに対して選択性を持たせるためのパラジウム、あるいは白金およびアルミナ、酸化珪素などの絶縁物を含む触媒層を形成してもよい。

なお、検知膜８６はキャビティ８９より小さく、キャビティ８９上に形成されメンブレンとなっているが、検知膜８６はキャビティ８９より大きく形成されてもよい。また、ヒータ８１の両端部である第１のヒータ配線部（８１Ｃ、８１Ｄ）はキャビティ８９上に形成されているが、キャビティ８９の外側に形成されてもよい。また、一対の第１の電極（８７Ａ、８７Ｂ）の対向する場所は回転対称となることが好ましく、回転対称の中心は第１のヒータ配線部８１の第１の方向における中心およびヒータ８１の両端部第１のヒータ配線部（８１Ｃ、８１Ｄ）間の中心であることが好ましい。また、第１の検知膜８６上の機能層（図示せず）は、キャビティ８９上に形成されることが好ましい。また、検知膜８６は５度以内となる均熱となる領域上のみに存在することが、検出感度を安定とする上で更に好ましい。但し、機能層（図示せず）の端部はキャビティ８９の外側に形成されてもよい。

（実施例）
以下に物理量装置８００の製造方法について説明する。物理量装置８００として使用するため、図１に示されるヒータ装置１００を採用した。

基板８４として、基板表面の面方位が（１００）である（１００）Ｓｉ基板を用意し、基板８４の第１の主面８４Ａに第１の絶縁膜８８ＡとしてＳｉ酸化膜を成膜する。また、第２の主面８４Ｂに第１の絶縁膜８８ＡとしてＳｉ酸化膜を成膜する。Ｓｉ酸化膜を成膜するには、例えば、熱酸化法等を適用すればよい。第１の絶縁膜（８８Ａ、８８Ｂ）の膜厚は、基板８４との絶縁性が確保される程度に調整すればよく、例えば、０．１μｍ〜１．０μｍ程度が好適である。本実施例では第１の絶縁膜（８８Ａ、８８Ｂ）として、二酸化珪素膜を０．５μｍ形成した。

次に、基板８４における第１の主面８４Ａ上の第１の絶縁膜８８Ａ上にヒータ１０を形成する。ヒータ１０を形成するには、例えば、スパッタ法等を用いて第１の絶縁膜８８Ａ上に１５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度のヒータ１０となる金属薄膜１０を堆積し、フォトリソグラフィ工程によってエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングでこの金属薄膜を所定のヒータ形状に加工して、ヒータ１０を形成する。なお、金属薄膜であるヒータ１０と第１の絶縁膜８８Ａとの間の密着性を高めるには、チタン（Ｔｉ）等の密着層を５〜１０ｎｍ程度介在させるのが好ましい。本実施例ではヒータ１０としてＰｔ／Ｔｉ膜を使用した。Ｐｔはスパッタ法にて０．５μｍ形成し、密着層として、二酸化珪素と相性の良い、Ｔｉを選択した。なお、Ｔｉはスパッタ法にて１０ｎｍ形成した。この後、ドライエッチングを用いて、ヒータ１０を形成した。ここで、後述する第１のヒータ露出部のそれぞれの端部が、対応するキャビティ８９の外部に存在するように形成した。また、ヒータ１０と、ヒータ露出部とが線対称となるように構成した。

ここで、ヒータ１０は第１のヒータ配線部８１と第２のヒータ配線部８２で形成されている。第１のヒータ配線部８１は第１の方向に延在し、第２のヒータ配線部８２は第１の方向と直交する第２の方向に延在している。第１のヒータ配線部は線幅が２５μｍ長さ１００μｍの線幅が狭い部分８１Ｂが第１の方向の両端部側に形成され、第１の方向の中央部および中央部の近傍部では線幅が４０μｍ長さ４００μｍの線幅が広い部分８１Ａが線幅が狭い部分８１Ｂに接続されて形成されている。また、第１の配線部８１は同一ピッチであり、ピッチは１４５μｍでとしている。第２のヒータ配線部８２は同一の線幅であり線幅は２５μｍとして、第１のヒータ配線部の端部で接続されている。

第２の絶縁層８８Ｂとして二酸化珪素膜を形成する。第２の絶縁層８８Ｂとしては二酸化珪素や窒化珪素等、絶縁性、耐湿性を有する膜であれば良い。本実施例では、テトラエトキシシランという有機金属材料を用いたＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により、０．４μｍの膜厚で二酸化珪素を基板全面に成膜した。

次に、第１の主面８１Ａ上の第２の絶縁膜８８Ｂ上に検知膜８６に対応する一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）を形成する。一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）を形成するには、例えば、スパッタ法等を用いて第２の絶縁膜８８Ｂ上に１５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）となる金属薄膜（（８７Ａ、８７Ｂ）を堆積し、フォトリソグラフィ工程によってエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングでこの金属薄膜を所定の一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）に加工して、一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）を形成する。なお、金属薄膜である一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）と第２の絶縁膜８８Ｂとの間の密着性を高めるには、チタン（Ｔｉ）等の密着層を５〜１０ｎｍ程度介在させるのが好ましい。本実施例では一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）としてＰｔ／Ｔｉ膜（８７Ａ、８７Ｂ）を使用した。Ｐｔはスパッタ法にて０．５μｍ形成し、密着層として、二酸化珪素と相性の良い、Ｔｉを選択した。なお、Ｔｉはスパッタ法にて１０ｎｍ形成した。この後、ドライエッチングを用いて、一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）を形成した。ここで、後述する一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）露出部のそれぞれの端部が、対応するキャビティ８９の外側に存在するように形成した。また、一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）と、一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）露出部とがそれぞれ線対称となるように構成した。なお、検知膜８６がその上部に形成される一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）は櫛歯状に形成し、櫛歯状の最最終部の大きさは、第１の方向の線幅が広い部分８１Ａの長さと同等の４００μｍ、第２の方向では後述するシミュレーションの５度以内の均熱となる領域となる１６０μｍに設定した。

次に、検知膜８６であるサーミスタ薄膜８６としての複合金属酸化膜８６を、スパッタ法により一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）上および一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）間に堆積し、ウェットエッチングにより複合金属酸化膜８６を所定形状にパターニングする。ここで、サーミスタ薄膜８６は一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）上の一部および一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）間の一部に連続した形状でパターニングする。また、のサーミスタ薄膜８６端部が対応キャビティ８６の内部に存在するようにパターニングした。すなわち、一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）間を印加することにより発生する電流はサーミスタ薄膜８６に流れる。本実施例では、基板温度６００℃、成膜圧力１．０Ｐａ、ＲＦパワー２００Ｗのスパッタ条件でＡｒガスを用い、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｎｉ系酸化物を一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）上に０．４μｍ堆積した。次に、塩化第二鉄水溶液を用いたウェットエッチングで所定形状に加工し、焼成炉を用いてＭｎ−Ｃｏ−Ｎｉ系酸化物膜に大気雰囲気で６００℃、２時間の熱処理を施した。なお、検知膜８６の大きさは第１の方向で４００μｍ、第２の方向で１６０μｍに設定した。

第３の絶縁層８８Ｃとして二酸化珪素膜を形成する。第３の絶縁層８８Ｃとしては二酸化珪素や窒化珪素等、絶縁性、耐湿性を有する膜であれば良い。本実施例では、テトラエトキシシランという有機金属材料を用いたＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により、０．４μｍの膜厚で二酸化珪素を基板全面に成膜した。

次に、第２および第３の絶縁層（８８Ｂ、８８Ｃ）の一部を反応性ドライエッチングにより除去し、一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）露出部および一対のヒータ１０露出部を形成し、第１および第２の取り出し電極（８７Ａ、８７Ｂ）露出部上にＰＡＤ電極（８３Ｃ、８３Ｄ）をリフトオフ法により形成した。同様に、ヒータ１０露出部上にＰＡＤ電極（８３Ａ、８３Ｂ）をリフトオフ法により形成した。第１から第４のＰＡＤ電極（８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ、８３Ｄ）の材料はアルミニウム（Ａｌ）を使用した。ここで、第１から第４のＰＡＤ電極８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ、８３Ｄ）はメンブレン領域８５の外部に形成した。

最後に、基板８４の第２の主面８４Ｂ側に、フォトリソグラフィ工程によってエッチングマスクを形成した後、フッ化物系ガスを用いたＤ−ＲＩＥ法等の反応性イオンエッチングによって、基板８４を第２の主面８４Ｂに対して垂直に深堀し、キャビティ８９を開口する。Ｄ−ＲＩＥ法とは、Ｃ４Ｆ８ガスを用いて反応抑止膜（フルオロカーボン系ポリマー）をキャビティ８９の側壁に堆積させることにより、主としてＦラジカルによる化学的なサイドエッチングを抑制するためのプラズマデポジション工程と、ＳＦ６ガスを用いてＦラジカルによる基板８４の化学的エッチングとＦイオンによる反応抑止膜の物理的エッチングとにより、基板１を略垂直に異方性エッチングするためのプラズマエッチング工程とを交互に繰り返して基板８４を深堀する方法である。なお、キャビティ８９の大きさは１０００μｍ□に設定した。

ヒータ１０の一端はヒータ制御部（図示せず）に接続され、制御する。ヒータ１０の他端はＧｎｄ電位に接続した。ここで、ヒータ１０に流れる電流は１０ｍＡ前後とし、検知膜（サーミスタ膜）８６の温度が設計上、１５０度〜２００度になるように設定した。

一対の電極（８７Ａ、８７Ｂ）の一端は第１の電位に接続され、他端は補償素子（図示せず）の一端に接続され、補償素子の他端はＧｎｄ電位に接続した。また、接続点である一対の電極の他端からの出力である第１の信号を信号制御部（図示せず）に入力し、温度を算出することが可能となる。

ここで、第１の信号を温度補正する処理を行い、被検知ガスのガス濃度を算出する。なお、温度検知については、基板８４近傍に配置された温度検知素子（図示せず）からの出力である第２の信号を使用する。

物理量装置８００では、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｎｉ系酸化物膜である検知膜８６の大きさは第１の方向で４００μｍ、第２の方向で１６０μｍに設定している。つまり、最高温度を約１００度に設定した場合のヒータ１０に流れる電流による５度以内の均熱となる領域に検知膜８６を配置しているので、検知膜１０の温度が均熱となっている。従って、ヒータ１０に設定する最高温度を同一の温度にする場合、均熱が担保されるので物理量を検知するに当たり、検出感度を上げることが可能となっている。検知膜８６の大きさを第１の方向で４００μｍ、第２の方向で１６０μｍに設定して、実施形態１のヒータ１０を使用する場合と比較形態１のヒータ２０を使用する場合、つまり、ヒータ１０を使用する場合では検知膜８６の温度範囲は５度以内となり、ヒータ２０を使用する場合では検知膜８６の温度範囲は５度以上となる。この場合、水素を０．０％から０．５％流した区間における検知膜８６の感度は実施形態１では、３．０μＶ／ｐｐｍであり、比較形態１では、２．８μＶ／ｐｐｍであった。従って、温度が均熱となる領域が広ければ、高感度になることが分かった。なお、実施形態２から４でも同様の結果であり、特に実施形態４では、３．２μＶ／ｐｐｍとなり感度が最も高くなった。

次に、図１０から図１６は実施形態１から実施形態４、比較形態１から比較形態３のそれぞれのヒータパターンに電圧を印加した場合の熱分布を示すシミュレーション結果の面内温度分布を示す図である。また、図１８から図２４はそれぞれ図１０から図１６に対応する（ａ）第１の方向と、（ｂ）第２の方向の温度傾斜を示す図である。ここで、図１８から図２４における各点の間は中央を基準として温度差５度間隔を示している。従って、各点間が５度以内の温度範囲を示している。シミュレーシンの条件として、第１のヒータ配線部の線幅、長さおよび厚みは以下の通りである。

実施形態１では、第１のヒータ配線は６本で構成され、長さは４００μｍ、線幅が４０μｍ、ピッチは１４５μｍである。第１方向の長さが６５０μｍでその中央部分の線幅が広い部分が第１のヒータ配線で、第１方向の両端部と第２方向が第２のヒータ配線部で線幅は２５μｍである。厚みは１μｍである。

実施形態２では、第１のヒータ配線は６本で構成され、長さは４００μｍ、ピッチは１４５μｍである。線幅は中央２本が５０μｍ、その外側２本が４５μｍ、さらに外側２本が４０μｍである。第１方向の長さが６５０μｍでその中央部分の線幅が広い部分が第１のヒータ配線で、第１方向の両端部と第２方向が第２のヒータ配線部で線幅は２５μｍである。厚みは１μｍである。

実施形態３では、第１のヒータ配線は６本で構成され、長さは４００μｍ、線幅が４０μｍである。ピッチは中央２本間が２００μｍ、その外側２本間が１５０μｍ、さらに外側２本間が１００μｍである。第１方向の長さが６５０μｍでその中央部分の線幅が広い部分が第１のヒータ配線で、第１方向の両端部と第２方向が第２のヒータ配線部で線幅は２５μｍである。厚みは１μｍである。

実施形態４では、第１のヒータ配線は６本で構成され、線幅が４０μｍ、ピッチは１４５μｍである。長さは中央２本が４００μｍ、その外側２本が３１０μｍ、さらに外側２本が２２０μｍである。第１方向の長さが６５０μｍでその中央部分の線幅が広い部分が第１のヒータ配線で、第１方向の両端部と第２方向が第２のヒータ配線部で線幅は２５μｍである。厚みは１μｍである。

比較形態１では、第１のヒータ配線は６本で構成され、長さは６００μｍ、線幅が２５μｍ、ピッチは１４５μｍである。第１方向の長さが６５０μｍでその中央部分の線幅が広い部分が第１のヒータ配線で、第１方向の両端部と第２方向が第２のヒータ配線部で線幅は２５μｍである。厚みは１μｍである。

比較形態２では、第１のヒータ配線は６本で構成され、長さは６００μｍ、線幅が２５μｍである。ピッチは中央２本間が２００μｍ、その外側２本間が１５０μｍ、さらに外側２本間が１００μｍである。第１方向の長さが６５０μｍでその中央部分の線幅が広い部分が第１のヒータ配線で、第１方向の両端部と第２方向が第２のヒータ配線部で線幅は２５μｍである。厚みは１μｍである。

比較形態３では、第１のヒータ配線は６本で構成され、長さは６００μｍ、ピッチは１４５μｍである。線幅は中央２本が５０μｍ、その外側２本が４５μｍ、さらに外側２本が４０μｍである。第１方向の長さが６５０μｍでその中央部分の線幅が広い部分が第１のヒータ配線で、第１方向の両端部と第２方向が第２のヒータ配線部で線幅は２５μｍである。厚みは１μｍである。

実施形態１から実施形態４および比較形態１から比較形態３におけるヒータ配線以外のシミュレーションモデルについて説明する。基板（１５００μｍ□、厚み２５０μｍ）があり、基板上に絶縁層（１５００μｍ□、厚み１０μｍ）形成される。基板の中央にキャビティ（１０００μｍ□）が形成されて、絶縁層によるメンブレンが形成される。ヒータ配線はメンブレンの中央に位置するように配置される。シミュレーションモデルの基板、絶縁層、ヒータ配線の厚みは実施形態１から実施形態４および比較形態１から比較形態３で同一としてヒータパターンの違いによる影響のみを比較する。ここで基板はＳｉ、絶縁層はＳｉＯ２、ヒータ配線はＰｔとした。各材料に則した密度（Ｋｇ／ｍ３）、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、比熱（Ｊ／Ｋｇ・Ｋ）を設定した。計算モデルの周囲は空気で覆われていて周囲温度は２２℃に設定した。また、Ｓｉ基板のヒータ配線の反対側の面を熱的なＧＮＤとして設定した。熱分布を発生させるためヒータ配線の両端に電圧０．５Ｖを印加した。以上の条件でシミュレーションを行った。各図（Ａ）に対応するヒータパターンに応じた熱分布は（Ｂ）に示されている。ここで、等高線の間隔は同一であり、温度範囲が５度以内であることを示している。シミュレーションはヒータパターンの違いによる影響のみを比較しているので、基板、絶縁層、ヒータ配線の厚みはここでシミュレーションした値に限定されない。基板、絶縁層、ヒータ配線の厚みが変動しても熱分布の関係は維持される。ただし、厚みによって熱容量が変動するのでヒータ配線の両端に印加する電圧は調整して温度範囲を合わせる必要がある。

実施形態１から４と実施形態１から３を比較すると、実施形態１から４は第１の方向における温度差５度以内となる均熱となる領域は明らかに広い。また、第１の配線部の線幅が同一であり、第２の方向における配線ピッチが異なる比較形態１と比較形態２を比較すると第２の方向における温度差５度以内となる均熱となる領域は比較形態２の方が広い。従って、本シミュレーション結果は妥当性があると言える。よって、実施形態１から４に示される通り、線幅が広い領域と線幅が狭い領域を有する第１のヒータ配線部を有するヒータを使用することで、第１の方向における均熱となる領域を広くすることが可能である。また、実施形態２から４は実施形態１より、第２の方向に均熱となる領域が大きくなる点でより好ましい。

また、実施形態１から４では、線幅の狭い部分の抵抗が高く、線幅が広い部分の抵抗が低いので、比較形態１から３と比較して第１の方向における均熱となる領域を広くすることが可能となるとともに、同一電圧に対する消費電力を低くすることが可能となる。特に、実施形態４では、第２の方向における両端部側に近くになるに従い線幅の狭い領域が増えるので実施形態１から３と比較して更なる消費電力の低減も可能となっている。

また、図２３および図２４より、実施形態４と比較形態３を比較すると、比較形態３の方が第２の方向における均熱となる領域は若干大きいものの、実施形態４の方が第１の方向における均熱となる領域が大きい。従って、全体の均熱となる領域をほぼ同程度の大きさとすることが可能である。よって、実施形態４では、比較形態３と比較すると均熱となる検知膜が同等の面積であっても、一対の電極が均熱となる領域を大きくするために第１の方向と平行に対向する一対の電極とすることで、つまり、一対の電極を第１の方向に延在させることで一対の電極間の間隔が同一であっても一対の電極の対向する長さを長くすることが可能となり、検知膜の変化を高感度で検知することが可能となっている。これは、第１の方向における均熱となる一対の電極の長さの幅が第２の方向における均熱となる一対の電極の長さの幅より長いため、第２の方向の均熱となる一対の電極の長さの幅を長くしたとしても均熱となる一対の電極の長さを第１の電極の長さの幅より長くすることが困難であるからである。また、検知膜についても同様であり、同一面積の検知膜であっても第１の方向の長さを第２の方向より長くすることが可能である。さらに、第１の方向と平行に対向する一対の電極とすることで、検知膜の変化をさらなる高感度で検知することが可能となっている。また、実施形態１から３についても同様である。

図１７は実施形態５のヒータ装置９００の平面図である。ヒータ装置９００は、第１の配線部９１および第２の配線部９２を有するヒータ９０と、第１および第２の電極パッド（９３Ａ、９３Ｂ）と、基板９４とを有している。実施形態１と異なるのは、第１のヒータ配線部９１の構造であり以下に説明する。第１のヒータ配線部９１をミアンダ形状として、さらに、第１の方向における両端部側では第１の方向のピッチを狭く（９１Ｂ）、中央部側では第１の方向のピッチを広く（９１Ａ）する構成とする。この場合、第１の方向における単位面積当たりの発熱が両端部側で大きくなり、中央部側で小さくなる。このような構成としても、第１の方向における均熱となる領域を広げることが可能である。

本実施形態１から４では、線幅が広い部分と線幅の狭い部分を直接的に接続する構成としたが、線幅が広い部分は、第１の方向に連続的に線幅が異なる部分を有する構成としてもよく、第１の方向における均熱となる領域を広げることが可能である。

本実施形態１から４では、線幅が広い部分と線幅の狭い部分を直接的に接続する構成としたが、線幅が広い部分は、所定の長さを有する２以上の線幅が同一となる部分を有する構成としてもよく、第１の方向における均熱となる領域を広げることが可能である。

本実施形態１から５は適宜組み合わせることが可能であり、第１の方向における均熱となる領域を広げることが可能である。

ヒータおよびヒータを用いるガス濃度などの物理量検知装置に適用できる。

１０ ヒータ
１１ 第１のヒータ配線部
１２ 第２のヒータ配線部
１３Ａ １３Ｂ 電極ＰＡＤ
１４ 基板
１００ ヒータ装置
８００ 物理量検知装置

Claims (11)

1. 基板と、前記基板の主面上に形成され、前記基板の主面における第１の方向に延在する複数の第１のヒータ配線部と、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数の第２のヒータ配線部と、を有し、
   前記第１および第２のヒータ配線部のそれぞれが端部で接続されヒータを形成し、
   前記ヒータに流れる電流による前記第１の方向における中央部側での発熱が小さく、端部側での発熱が大きくなるように前記第１のヒータ配線部が決定されるヒータ装置。
2. 前記第１のヒータ配線部は、前記第１の方向における両端部に近い側で線幅が狭い部分を有し、中央部に近い側で線幅が広い部分を有する請求項１に記載のヒータ装置。
3. 前記ヒータの第２の方向における中央部から端部に向かうにしたがい前記線幅が広い部分の線幅が細くなる請求項２に記載のヒータ装置。
4. 前記第１のヒータ配線部は、前記第２の方向に対して異なるピッチを有し、
   前記異なるピッチは、前記第２の方向における前記第１のヒータ配線部の端部に近い側のピッチをＡ、中央部に近い側のピッチをＢとした時、Ｂ＞Ａである部分を有する請求項１ないし３のいずれか一項に記載のヒータ装置。
5. 前記ヒータの第２の方向における中央部から端部に向かうにしたがい前記線幅が狭い部分の第１の方向における長さが長くなる請求項２ないし４のいずれか一項に記載のヒータ装置。
6. 前記線幅が広い部分は、前記第１の方向に連続的に線幅が異なる部分を有する請求項２ないし５のいずれか一項に記載のヒータ装置。
7. 前記線幅が広い部分は、所定の長さを有する２以上の線幅が同一となる部分を有する請求項２ないし５のいずれか一項に記載のヒータ装置。
8. 前記基板に支持された前記請求項１ないし７のいずれか一項に記載のヒータ装置と、検知膜と、を有し、
   前記基板の主面に射影した前記第１のヒータ配線部と前記検知膜とが、重なる部分を有する物理量検知装置。
9. 前記検知膜の前記第１の方向の長さが前記第２の方向より長い請求項８に記載の物理量検知装置。
10. 前記検知膜に接する一対の電極を有し、
    前記基板の主面に射影した前記一対の電極と前記検知膜とが、重なる部分を有し、
    前記一対の電極が前記第１の方向に延在する請求項８または９に記載の物理量検知装置。
11. 前記一対の電極が櫛歯状である請求項１０に記載の物理量検知装置。
    

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