JP2020522674A - 片持ち梁型ガスセンサ、センサアレイ及びセンサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は片持ち梁型ガスセンサを開示する。この片持ち梁型ガスセンサは、順に積み重ねて配置されたシリコン基板、支持膜、加熱抵抗、分離膜、及び検出電極を含む。ガスセンサは「Ｔ」字形を呈し、基体構造及びアーム部構造を有する。アーム部構造の端部には感ガス材料が設けられる。本発明は、片持ち梁型ガスセンサにより構成されたセンサアレイを更に提供し、そのガスセンサの製造方法を提供する。方法は、（１）シリコン基板を選択するステップと、（２）支持膜を作製するステップと、（３）加熱抵抗を作製するステップと、（４）分離膜を作製するステップと、（５）検出電極を作製するステップと、（６）薄膜を解放するステップと、（７）感ガス材料をロードするステップとを含む。本発明は、センサが低消費電力、小型、高集積、簡単な生産プロセス、容易な位置決めを有し、そして生産効率を効果的に向上させるという利点を有する。
Description
本発明は、微小電気機械システム及びガス検出技術の分野に関し、特に、片持ち梁型ガスセンサ、センサアレイ及びセンサの製造方法に関する。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術に基づくガスセンサは、それらの小さいサイズ、低い消費電力、高い感度及び高速応答などの特徴のため、徐々に大きな応用可能性を示しており、従来技術に基づくガスセンサを置き換え、IoT（Internet of Things）、移動端末、及び人工知能などの分野に幅広く使用されることが期待されている。また、ＭＥＭＳガスセンサであって金属酸化物半導体（ＭＯＳ）材料を使用したものは、広い検出範囲を有し、将来の大規模な応用においてより広い市場空間を有する。
現在、ＭＥＭＳ ＭＯＳガスセンサについてはサスペンション膜型マイクロヒーターに基づく研究が多い。その構造のセンサは、比較的低い消費電力を有し、一般に２０ｍＷ程度に低くなり得る。例えば、第２０１５２０７５９０５４．６号の実用新案は、４支持梁４層構造を有する抵抗式ガスセンサを提供する。そのセンサは、下から上に順に配置されたシリコン基板フレーム、加熱膜層、加熱電極層及び感応膜層を有する。加熱膜層は加熱膜領域を含み、その加熱膜領域は４つの梁を介してシリコン基板フレームに接続される。また、第ＣＮ２０１５２０７５９０５５．０号の実用新案は、２支持梁４層構造を有する抵抗式ガスセンサを提供する。そのセンサも、下から上に順に配置されたシリコン基板フレーム、加熱膜層、加熱電極層及び感応膜層を有する。加熱膜層は加熱膜領域を含み、その加熱膜領域は２つの梁を介してシリコン基板フレームに接続される。それらの多梁型ガスセンサは、消費電力が低いが、移動端末やIoTの急速な発展によりニーズを満たすことができない。同時に、多梁型ガスセンサを製造するとき、プロセスが複雑であり、位置決めが困難であり、効率が低いという問題がある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、梁型ガスセンサの消費電力を削減する方法である。
上記技術的課題を解決するために、本発明は以下の技術的解決策を採用する。
片持ち梁型ガスセンサは、基体構造と梁構造とを有し、順に積み重ねて配置されたシリコン基板と、支持膜と、加熱抵抗と、分離膜と、検出電極とを含み、
前記支持膜は、第１基部、及び第１基部の一方の側に接続された第１アーム部を含み、
前記加熱抵抗は、第２基部、及び第２基部の一方の側に接続された第２アーム部を含み、第２基部の第２アーム部に反対する側には第１窓部が開設され、前記第２アーム部には、第２アーム部の長さ方向に沿って延在する第２窓部が設けられ、前記第２窓部は第１窓部と連通し、第２基部の第１窓部の両側の位置には第１リードがそれぞれ設けられ、
前記分離膜は、第３基部、及び第３基部の一方の側に接続された第３アーム部を含み、前記第３基部の第１リードに対応する位置に貫通孔が設けられ、前記第１リードは、対応する貫通孔を貫通して外に露出し、前記分離膜の厚さは加熱抵抗の厚さよりも厚く、
前記検出電極は、第４基部、及び第４基部の一方の側に接続された第４アーム部を含み、第４基部の第４アーム部から離れる側には第３窓部が設けられ、第４アーム部には、第４アーム部の長さ方向に沿って延在し第４アーム部を分割した第４窓部が設けられ、前記第４窓部は第３窓部と連通し、検出電極を２つの部分に分割し、検出電極は前記貫通孔を覆っておらず、前記検出電極の第３窓部の両側の位置には第２リードが設けられ、
前記シリコン基板、第１基部、第２基部、第３基部、及び第４基部は、前記基体構造を形成するように、対応して配置され、前記第１アーム部、第２アーム部、第３アーム部、及び第４アーム部は、前記梁構造を形成するように、対応して配置され、
前記第４アーム部の基体構造から離れる一端には感ガス材料が設けられる。
片持ち梁型ガスセンサは、基体構造と梁構造とを有し、順に積み重ねて配置されたシリコン基板と、支持膜と、加熱抵抗と、分離膜と、検出電極とを含み、
前記支持膜は、第１基部、及び第１基部の一方の側に接続された第１アーム部を含み、
前記加熱抵抗は、第２基部、及び第２基部の一方の側に接続された第２アーム部を含み、第２基部の第２アーム部に反対する側には第１窓部が開設され、前記第２アーム部には、第２アーム部の長さ方向に沿って延在する第２窓部が設けられ、前記第２窓部は第１窓部と連通し、第２基部の第１窓部の両側の位置には第１リードがそれぞれ設けられ、
前記分離膜は、第３基部、及び第３基部の一方の側に接続された第３アーム部を含み、前記第３基部の第１リードに対応する位置に貫通孔が設けられ、前記第１リードは、対応する貫通孔を貫通して外に露出し、前記分離膜の厚さは加熱抵抗の厚さよりも厚く、
前記検出電極は、第４基部、及び第４基部の一方の側に接続された第４アーム部を含み、第４基部の第４アーム部から離れる側には第３窓部が設けられ、第４アーム部には、第４アーム部の長さ方向に沿って延在し第４アーム部を分割した第４窓部が設けられ、前記第４窓部は第３窓部と連通し、検出電極を２つの部分に分割し、検出電極は前記貫通孔を覆っておらず、前記検出電極の第３窓部の両側の位置には第２リードが設けられ、
前記シリコン基板、第１基部、第２基部、第３基部、及び第４基部は、前記基体構造を形成するように、対応して配置され、前記第１アーム部、第２アーム部、第３アーム部、及び第４アーム部は、前記梁構造を形成するように、対応して配置され、
前記第４アーム部の基体構造から離れる一端には感ガス材料が設けられる。
好ましくは、本発明の片持ち梁型ガスセンサでは、前記第１アーム部、第２アーム部、第３アーム部、及び第４アーム部の形状はいずれも矩形を呈する。
好ましくは、本発明の片持ち梁型ガスセンサでは、前記第１アーム部、第２アーム部、第３アーム部、及び第４アーム部の形状はいずれも等脚台形を呈し、基体構造から離れる方向に沿って、前記第１アーム部、第２アーム部、第３アーム部、及び第４アーム部の幅徐々に小さくなっている。
好ましくは、本発明の片持ち梁型ガスセンサは、前記第１アーム部に第１アーム部の長さ方向に沿って延在する第１孔が設けられる。
好ましくは、本発明の片持ち梁型ガスセンサでは、前記第３アーム部に第２孔が設けられ、前記第２孔は、第３アーム部の長さ方向に沿って延在し、第１孔に対応して配置される。
好ましくは、本発明の片持ち梁型ガスセンサでは、前記シリコン基板、第１基部、第２基部、第３基部、及び第４基部はいずれも矩形である。前記第４基部の第４アーム部が設けられる側辺の長さは、第１窓部の第２アーム部から離れる側辺の長さよりも短い。または、第３窓部の第４アーム部から離れる側辺の長さは、第２基部の第２アーム部が設けられる側辺の長さよりも長い。
好ましくは、本発明による片持ち梁型ガスセンサでは、前記支持膜は、単層の酸化ケイ素層と単層の窒化ケイ素層から形成された複合膜であり、酸化ケイ素層と窒化ケイ素層はシリコン基板上に順に配置され、窒化ケイ素層の厚さは酸化ケイ素層の厚さよりも厚く、前記分離膜は、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜である。
本発明はセンサアレイを更に提供する。このセンサアレイは、複数の上記片持ち梁型ガスセンサアレイにより構成される。
本発明は、上記の片持ち梁型ガスセンサを製造するためのセンサの製造方法を提供する。この方法は、以下のステップ（１）〜（７）を含む。
（１）では、シリコン基板を選択し、薄膜を解放するために等方性ドライエッチング又はウェットエッチングを採用する場合、シリコン基板の結晶方向についての要件がなく、薄膜を解放するために異方性ウェットエッチングを採用する場合、＜１００＞結晶方向のシリコンチップを選択し、
（２）では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、シリコン基板上に支持膜を作製し、
（３）では、リフトオフプロセスによって、加熱抵抗を作製し、
（４）では、分離膜を作製し、まずプラズマ増強化学気相成長により分離膜を作製し、次に加熱抵抗を露出させるように反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングにより分離膜をエッチングして貫通孔を形成し、
（５）では、リフトオフプロセスによって、検出電極を作製し、
（６）では、薄膜を解放し、まず露出した支持膜を反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって完全にエッチングして、シリコン基板を露出させ薄膜解放窓部を形成し、次にテトラメチルアンモニウムヒドロキシド或いは水酸化カリウム異方性ウェットエッチング液を使用するか、又は、フッ化水素酸、硝酸及び水からなる等方性ウェットエッチング液或いはＸｅＦ２等方性ドライエッチングガスを使用して、支持膜の下のシリコン基板をくり抜き、薄膜構造を解放し、
（７）では、前記梁構造の端部に感ガス材料を付着させた後に高温で焼結して、感ガス材料をロードする。
（１）では、シリコン基板を選択し、薄膜を解放するために等方性ドライエッチング又はウェットエッチングを採用する場合、シリコン基板の結晶方向についての要件がなく、薄膜を解放するために異方性ウェットエッチングを採用する場合、＜１００＞結晶方向のシリコンチップを選択し、
（２）では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、シリコン基板上に支持膜を作製し、
（３）では、リフトオフプロセスによって、加熱抵抗を作製し、
（４）では、分離膜を作製し、まずプラズマ増強化学気相成長により分離膜を作製し、次に加熱抵抗を露出させるように反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングにより分離膜をエッチングして貫通孔を形成し、
（５）では、リフトオフプロセスによって、検出電極を作製し、
（６）では、薄膜を解放し、まず露出した支持膜を反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって完全にエッチングして、シリコン基板を露出させ薄膜解放窓部を形成し、次にテトラメチルアンモニウムヒドロキシド或いは水酸化カリウム異方性ウェットエッチング液を使用するか、又は、フッ化水素酸、硝酸及び水からなる等方性ウェットエッチング液或いはＸｅＦ２等方性ドライエッチングガスを使用して、支持膜の下のシリコン基板をくり抜き、薄膜構造を解放し、
（７）では、前記梁構造の端部に感ガス材料を付着させた後に高温で焼結して、感ガス材料をロードする。
好ましくは、本発明によるセンサの製造方法において、前記ステップ（３）では、加熱抵抗はプラチナ抵抗であり、厚さは１０００A〜３０００Aである。前記ステップ（４）では、分離膜の厚さは１０００A〜１００００Aであり、前記ステップ（５）では、検出電極はプラチナ電極又は金電極であり、その厚さは１０００A〜３０００Aである。
本発明の技術の有益な効果は以下のとおりである。
本発明の技術案は、片持ち梁構造を採用して、有効領域を梁の端部に配置し、有効領域の面積及び梁の数を減少させることによって、センサの消費電力を１ｍＷに低減する。
片持ち梁型センサは、より小さいサイズ及びより高い集積度を有し、集積度は、既存の多梁型構造よりも一桁高い。
本発明による片持ち梁型ガスセンサの製造方法は、簡単なプロセス及び容易な位置決めを有し、生産効率を効果的に向上させるとともに、複合構造を有する感ガス材料のロードもさらに容易にする。
本発明の技術案は、片持ち梁構造を採用して、有効領域を梁の端部に配置し、有効領域の面積及び梁の数を減少させることによって、センサの消費電力を１ｍＷに低減する。
片持ち梁型センサは、より小さいサイズ及びより高い集積度を有し、集積度は、既存の多梁型構造よりも一桁高い。
本発明による片持ち梁型ガスセンサの製造方法は、簡単なプロセス及び容易な位置決めを有し、生産効率を効果的に向上させるとともに、複合構造を有する感ガス材料のロードもさらに容易にする。
当業者の本発明の技術的解決案に対する理解を容易にするために、添付の図面を参照しながら本発明の技術的解決案を説明する。
図１と図２を参照すると、本発明による片持ち梁型ガスセンサは、シリコン基板１と、支持膜２と、加熱抵抗３と、分離膜４と、検出電極５と、感ガス材料６とを含む。
このセンサは基体構造及び梁構造を備える。一般的に、前記基体構造は矩形を呈し、前記梁構造は、基体構造の１つの長辺の中央部に配置され、それにより「Ｔ」字形の片持ち梁構造を形成する。前記シリコン基板１、支持膜２、加熱抵抗３、分離膜４、及び検出電極５は下から上に順に積み重ねて配置され、具体的な構造は以下のとおりである。
前記シリコン基板１の上、下端面は矩形を呈する。
前記シリコン基板１の上、下端面は矩形を呈する。
前記支持膜２は、梁構造全体を支持するために使用される。支持膜２は矩形の第１基部２１を含む。前記第１基部２１の一方の長辺の中央部には、外方に延在する第１アーム部２２が設けられる。
前記加熱抵抗３は、金属又は半導体材料により構成され、センサの動作に必要な温度を提供するために使用される。加熱抵抗３は、矩形の形状を有する第２基部３１を含む。前記第２基部３１の一方の長辺の中央部には第２アーム部３２が設けられる。第２基部３１の第２アーム部３２に対向する側には第１窓部３３が開設される。前記第２アーム部３２には、第２アーム部３２の長さ方向に沿って延在する第２窓部３４が開設される。前記第２窓部３４は第１窓部３１と連通する。加熱抵抗３には、２つの第１リード（図示せず）が設けられる。前記２つの第１リードはそれぞれ第２基部３１の第２アーム部３２から離れる側辺に配置され、第１窓部３３の両側に位置する。
前記分離膜４は、窒化ケイ素又は酸化ケイ素などの絶縁媒体により構成され、加熱抵抗３と検出電極５とを電気的に分離するために使用される。分離膜４は矩形の第３基部４１を含む。前記第３基部４１の第１リードに対応する位置にそれぞれ貫通孔４４が設けられる。第１リードは、対応する貫通孔４４を通して外に露出する。前記第３基部４１の一方の長辺の中央部には第３アーム部４２が設けられる。前記分離膜４の厚さは前記加熱抵抗３の厚さよりも厚い。
前記検出電極５は、一般的に、例えば金属プラチナ又は金などの貴金属材料の電極である。検出電極５は、矩形の形状を有する第４基部５１を含む。前記第４基部５１の一方の長辺の中央部には第４アーム部５２が設けられる。第４基部５１の第４アーム部５２に反対する側には第３窓部５３が設けられる。前記第４アーム部５２には第４窓部５４が設けられる。第４窓部５４は、第４アーム部５２の長さ方向に沿って延在し、第４アーム部５２を分割する。前記第４窓部５４は第３窓部５３と連通する。検出電極５には２つの第２リード（図示せず）が設けられ、前記２つの第２リードはそれぞれ第４基部５１の第３窓部５３から離れる側辺に配置され、第３窓部５３の両側に位置する。なお、第４基部５１は貫通孔４４を覆ってはならない。
前記シリコン基板１、第１基部２１、第２基部３１、第３基部４１、及び第４基部５１は、基体構造を形成するように対応して配置される。第１アーム部２２、第２アーム部３２、第３アーム部４２、及び第４アーム部５２は、梁構造を形成するように対応して配置される。
前記感ガス材料６は、二酸化スズ、酸化亜鉛又は他の酸化物などのナノスケールの金属酸化物半導体材料により構成される。感ガス材料６は、検出電極５に電気的に接続されるように、第４アーム部５２の基体構造から離れる端部に設けられる。感ガス材料６が特定のガス分子を吸着すると、その抵抗率は変化し、それによりガス検出の目的が達成される。
前記感ガス材料６は、二酸化スズ、酸化亜鉛又は他の酸化物などのナノスケールの金属酸化物半導体材料により構成される。感ガス材料６は、検出電極５に電気的に接続されるように、第４アーム部５２の基体構造から離れる端部に設けられる。感ガス材料６が特定のガス分子を吸着すると、その抵抗率は変化し、それによりガス検出の目的が達成される。
ガスセンサの核心部分は梁構造であり、また、感ガス材料をロードするための有効領域は、梁構造の基体構成から離れる端部のみにある。有効領域の面積を減少することによって、熱対流及び熱放射による熱損失が低減される。一方、梁構造は狭くかつ長く、熱伝導時の熱損失が大幅に低減されるので、センサの消費電力は極めて小さい。
なお、本実施例では、基体構造が矩形を呈し梁構造が矩形の基体構造の長辺の中央部に配置されることを例として説明しているが、これは厳密な規定ではない。 そして、実際の生産中に、基体構造の具体的な形状及び梁構造の配置位置は必要に応じて設定される。
図２に示すように、このセンサの構造では、前記第１アーム部２２、第２アーム部３２、第３アーム部４２、及び第４アーム部５２の形状はいずれも矩形を呈する。
図３に示すように、センサの別の構造において、前記第１アーム部２２、第２アーム部３２、第３アーム部４２、及び第４アーム部５２の形状はいずれも等脚台形を呈し、基体構造から離れる方向に沿って、前記第１アーム部２２、第２アーム部３２、第３アーム部４２、及び第４アーム部５２の幅は徐々に小さくなっている。梁構造と基体構造との接続幅が広がることによって、片持ち梁構造の低消費電力が維持されるとともに、センサ全体の機械的強度が向上する。
前記第１アーム部２２には、第１アーム部２２の長さ反向に沿って延在する第１孔２３が設けられる。前記第３アーム部４２には、第３アーム部４２の長さ方向に沿って延在する第２孔４３が設けられ、前記第１孔２３は第２孔４３に対応して配置される。狭く長い第１孔２３及び第２孔４３を設けることによって、熱伝導時の熱損失がさらに低減される。
さらに具体的には、前記第４基部５１の長辺の長さは、第１窓部３３の第２アーム部３２から離れる側辺の長さよりも短い。または、他の実施例には、他の配置方式が採用されてもよく、例えば、第３窓部５３の第３アーム部５２から離れる側辺の長さは、第２基部３１の長辺の長さより長い。
前記支持膜２は、単層の酸化ケイ素層と単層の窒化ケイ素層から形成された複合膜である。酸化ケイ素層と窒化ケイ素層はシリコン基板１上に順に配置される。窒化ケイ素層の厚さは酸化ケイ素層の厚さよりも厚い。前記分離膜４は、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜である。
本実施例では、第１窓部３３は対称構造を有してもよい。第１窓部３３及び第２窓部３４を配置することによって、加熱抵抗３は対称構造となる。第３窓部５３は対称構造を有し、第３窓部５３と第４窓部５４により検出電極５は対称の２つの部分に分割される。なお、実際の生産中、必要に応じて、第１窓部３３と第３窓部５３は対称でない構造であってもよい。この場合、加熱抵抗３及び検出電極５も非対称の構造である。
匂いを認識する際は、往々にして、多数のセンサを統合して一緒に動作させる必要がある。本実施例による片持ち梁センサは、その独特の構造のため、複数のセンサを統合してセンサアレイを構成することが容易である。図４に示すように、本実施例はセンサアレイを更に提供する。このセンサアレイは、上記の片持ち梁センサを平面配列してなる。各センサの梁構造は、基体構造の同じ側に配置される。当然のことながら、ニーズに応じて、各センサの梁構造を基体構造の両側に配置又は他の方式で配置してもよい。
本実施例の前記片持ち梁型ガスセンサの製造方法は、従来の多梁型センサの製造方法と比較して、容易な位置決め、簡単なプロセスの特徴を有する。下記では、具体的な実施例を用いて、本発明を説明する。
〈実施例１〉
〈実施例１〉
片持ち梁型ガスセンサの製造方法は、以下のステップ（１）〜（７）を含む。
（１）では、＜１００＞結晶方向のシリコンチップを基板として選択した。抵抗率は３〜８Ω ｃｍであり、シリコンチップの厚さは３５０±１０ μｍであり、トリミングの角度誤差＜１％であった。
（２）では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、基板上に３０００Aの厚さを有する酸化ケイ素層及び１００００Aの厚さを有する窒化ケイ素層を順に成長させた。
（３）では、加熱抵抗３を作製した。リフトオフプロセスにより、２０００Aの厚さを有するプラチナ抵抗の加熱抵抗線を作製した。
（４）では、分離膜４を作製した。プラズマ増強化学気相成長により、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を分離膜４として作成した。分離膜４の厚さは４０００Aであった。その後、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって分離膜４をエッチングし、貫通孔４４を形成して下の加熱抵抗３を露出させた。
（５）では、検出電極５を作製した。リフトオフプロセスにより、２０００Aの厚さを有するプラチナの検出電極５を作製した。
（６）では、薄膜を解放した。まず、ＲＩＥ又はＩｏｎ−ｂｅａｍを用いて、露出した支持膜２を完全にエッチングし、シリコン基板１を露出させて、薄膜を解放するための窓部を形成した。次に、２５％濃度のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを用いてウェットエッチングを行った。エッチング時間は８時間であった。
（７）では、感ガス材料６をロードした。前記梁構造の端部に適量のコロイド状二酸化スズ感ガス材料を付着させ、６００℃で２時間焼結して感ガス材料６をロードした後に、片持ちアーム型ガスセンサを形成した。次に、対応する位置に第１リード及び第２リードを配置した。
〈実施例２〉
（１）では、＜１００＞結晶方向のシリコンチップを基板として選択した。抵抗率は３〜８Ω ｃｍであり、シリコンチップの厚さは３５０±１０ μｍであり、トリミングの角度誤差＜１％であった。
（２）では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、基板上に３０００Aの厚さを有する酸化ケイ素層及び１００００Aの厚さを有する窒化ケイ素層を順に成長させた。
（３）では、加熱抵抗３を作製した。リフトオフプロセスにより、２０００Aの厚さを有するプラチナ抵抗の加熱抵抗線を作製した。
（４）では、分離膜４を作製した。プラズマ増強化学気相成長により、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を分離膜４として作成した。分離膜４の厚さは４０００Aであった。その後、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって分離膜４をエッチングし、貫通孔４４を形成して下の加熱抵抗３を露出させた。
（５）では、検出電極５を作製した。リフトオフプロセスにより、２０００Aの厚さを有するプラチナの検出電極５を作製した。
（６）では、薄膜を解放した。まず、ＲＩＥ又はＩｏｎ−ｂｅａｍを用いて、露出した支持膜２を完全にエッチングし、シリコン基板１を露出させて、薄膜を解放するための窓部を形成した。次に、２５％濃度のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを用いてウェットエッチングを行った。エッチング時間は８時間であった。
（７）では、感ガス材料６をロードした。前記梁構造の端部に適量のコロイド状二酸化スズ感ガス材料を付着させ、６００℃で２時間焼結して感ガス材料６をロードした後に、片持ちアーム型ガスセンサを形成した。次に、対応する位置に第１リード及び第２リードを配置した。
〈実施例２〉
片持ち梁型ガスセンサの製造方法は、以下のステップ（１）〜（７）を含む。
（１）シリコンチップを基板として取った。その抵抗率は３−８Ωｃｍであり、シリコンチップの厚さは３５０±１０μｍであり、トリミングの角度誤差＜１％であった。
（２）では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、基板上に２０００Aの厚さを有する酸化ケイ素層及び６０００Aの厚さを有する窒化ケイ素層を順に成長させた。
（３）では、加熱抵抗３を作製した。リフトオフプロセスにより、１０００Aの厚さを有するプラチナ抵抗の加熱抵抗線を作製した。
（４）では、分離膜４を作製した。プラズマ増強化学気相成長により、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を分離膜４として作成した。分離膜４の厚さは１０００Aであった。その後、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって分離膜４をエッチングし、貫通孔４４を形成して下の加熱抵抗３を露出させた。
（５）では、検出電極５を作製した。リフトオフプロセスにより、１０００Aの厚さを有するプラチナの検出電極５を作製した。
（６）では、薄膜を解放した。まず、ＲＩＥ又はＩｏｎ−ｂｅａｍを用いて、露出した支持膜２を完全にエッチングし、シリコン基板１を露出させて、薄膜を解放するための窓部を形成した。次に、ドライエッチングガスである二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を用いて、シリコン基板１をエッチングした。エッチング時間は３０分であった。
（７）では、感ガス材料６をロードした。前記梁構造の端部に適量のコロイド状三酸化物感ガス材料を付着させ、６００℃で２時間焼結して感ガス材料６をロードした後に、片持ちアーム型ガスセンサを形成した。次に、対応する位置に第１リード及び第２リードを配置した。
〈実施例３〉
（１）シリコンチップを基板として取った。その抵抗率は３−８Ωｃｍであり、シリコンチップの厚さは３５０±１０μｍであり、トリミングの角度誤差＜１％であった。
（２）では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、基板上に２０００Aの厚さを有する酸化ケイ素層及び６０００Aの厚さを有する窒化ケイ素層を順に成長させた。
（３）では、加熱抵抗３を作製した。リフトオフプロセスにより、１０００Aの厚さを有するプラチナ抵抗の加熱抵抗線を作製した。
（４）では、分離膜４を作製した。プラズマ増強化学気相成長により、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を分離膜４として作成した。分離膜４の厚さは１０００Aであった。その後、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって分離膜４をエッチングし、貫通孔４４を形成して下の加熱抵抗３を露出させた。
（５）では、検出電極５を作製した。リフトオフプロセスにより、１０００Aの厚さを有するプラチナの検出電極５を作製した。
（６）では、薄膜を解放した。まず、ＲＩＥ又はＩｏｎ−ｂｅａｍを用いて、露出した支持膜２を完全にエッチングし、シリコン基板１を露出させて、薄膜を解放するための窓部を形成した。次に、ドライエッチングガスである二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を用いて、シリコン基板１をエッチングした。エッチング時間は３０分であった。
（７）では、感ガス材料６をロードした。前記梁構造の端部に適量のコロイド状三酸化物感ガス材料を付着させ、６００℃で２時間焼結して感ガス材料６をロードした後に、片持ちアーム型ガスセンサを形成した。次に、対応する位置に第１リード及び第２リードを配置した。
〈実施例３〉
片持ち梁型ガスセンサの製造方法は、以下のステップ（１）〜（７）を含む。
（１）シリコンチップを基板として取った。その抵抗率は３〜８Ωｃｍであり、シリコンチップの厚さは３５０±１０μｍであり、トリミングの角度誤差＜１％であった。
（２）では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、基板上に３０００Aの厚さを有する酸化ケイ素層及び１００００Aの厚さを有する窒化ケイ素層を順に成長させた。
（３）では、加熱抵抗３を作製する。リフトオフプロセスにより、３０００Aの厚さを有するプラチナ抵抗の加熱抵抗線を作製する。
（４）では、分離膜４を作製した。プラズマ増強化学気相成長により、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を分離膜４として作成した。分離膜４の厚さは１００００Aであった。その後、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって分離膜４をエッチングし、下の加熱抵抗３を露出させた。
（５）では、検出電極５を作製した。リフトオフプロセスにより、３０００Aの厚さを有するプラチナの検出電極５を作製した。
（６）では、薄膜を解放した。まず、ＲＩＥ又はＩｏｎ−ｂｅａｍを用いて、露出した支持膜２を完全にエッチングし、シリコン基板１を露出させて、薄膜を解放するための窓部を形成した。次に、等方性のウェットエッチング液を用いて、シリコン基板１をウェットエッチングした。エッチング時間は４時間であった。
（７）では、感ガス材料６をロードした。梁構造の端部に適量のコロイド状二酸化スズ感ガス材料を付着させ、５５０℃で３時間焼結して感ガス材料６をロードした後に、片持ちアーム型ガスセンサを形成した。次に、対応する位置に第１リード及び第２リードを配置した。
（１）シリコンチップを基板として取った。その抵抗率は３〜８Ωｃｍであり、シリコンチップの厚さは３５０±１０μｍであり、トリミングの角度誤差＜１％であった。
（２）では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、基板上に３０００Aの厚さを有する酸化ケイ素層及び１００００Aの厚さを有する窒化ケイ素層を順に成長させた。
（３）では、加熱抵抗３を作製する。リフトオフプロセスにより、３０００Aの厚さを有するプラチナ抵抗の加熱抵抗線を作製する。
（４）では、分離膜４を作製した。プラズマ増強化学気相成長により、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を分離膜４として作成した。分離膜４の厚さは１００００Aであった。その後、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって分離膜４をエッチングし、下の加熱抵抗３を露出させた。
（５）では、検出電極５を作製した。リフトオフプロセスにより、３０００Aの厚さを有するプラチナの検出電極５を作製した。
（６）では、薄膜を解放した。まず、ＲＩＥ又はＩｏｎ−ｂｅａｍを用いて、露出した支持膜２を完全にエッチングし、シリコン基板１を露出させて、薄膜を解放するための窓部を形成した。次に、等方性のウェットエッチング液を用いて、シリコン基板１をウェットエッチングした。エッチング時間は４時間であった。
（７）では、感ガス材料６をロードした。梁構造の端部に適量のコロイド状二酸化スズ感ガス材料を付着させ、５５０℃で３時間焼結して感ガス材料６をロードした後に、片持ちアーム型ガスセンサを形成した。次に、対応する位置に第１リード及び第２リードを配置した。
片持ち梁型ガスセンサを片持ち梁型ガスセンサアレイとして製造する方法は、基本的に上記持ち梁ガスセンサの製造プロセスと同じであり、ステップ（６）において、エッチング条件を設定することによって、薄膜を解放した後に複数の基体構造を順に接続されるように形成し、各基体構造には１つの梁構造のセンサアレイがある。次に、各梁構造の端部にそれぞれ異なる配合の二酸化スズ感ガス材料を付着させて、片持ち梁型ガスセンサアレイを形成する。
以上、添付の図面を参照しながら本発明の技術的解決策により、発明を例示的に説明したが、本発明の具体的な実現は上記の方法によって限定されないことが明らかである。本発明の方法の概念や技術的解決策を用いて行われる様々な実質的でない改良、又は発明の概念や技術的解決策を修正せずに他の場合に直接適用することは、いずれも本発明の保護範囲内である。
Claims (10)
- 片持ち梁型ガスセンサであって、基体構造と梁構造とを有し、順に積み重ねて配置されたシリコン基板と、支持膜と、加熱抵抗と、分離膜と、検出電極とを含み、
前記支持膜は、第１基部、及び第１基部の一方の側に接続された第１アーム部を含み、
前記加熱抵抗は、第２基部、及び第２基部の一方の側に接続された第２アーム部を含み、第２基部の第２アーム部に反対する側には第１窓部が開設され、前記第２アーム部には、第２アーム部の長さ方向に沿って延在する第２窓部が設けられ、前記第２窓部は第１窓部と連通し、第２基部の第１窓部の両側の位置には第１リードがそれぞれ設けられ、
前記分離膜は、第３基部、及び第３基部の一方の側に接続された第３アーム部を含み、前記第３基部の第１リードに対応する位置に貫通孔が設けられ、前記第１リードは、対応する貫通孔を貫通して外に露出し、前記分離膜の厚さは加熱抵抗の厚さよりも厚く、
前記検出電極は、第４基部、及び第４基部の一方の側に接続された第４アーム部を含み、第４基部の第４アーム部から離れる側には第３窓部が設けられ、第４アーム部には、第４アーム部の長さ方向に沿って延在し第４アーム部を分割した第４窓部が設けられ、前記第４窓部は第３窓部と連通し、検出電極を２つの部分に分割し、検出電極は前記貫通孔を覆っておらず、前記検出電極の第３窓部の両側の位置には第２リードが設けられ、
前記シリコン基板、第１基部、第２基部、第３基部、及び第４基部は、前記基体構造を形成するように、対応して配置され、前記第１アーム部、第２アーム部、第３アーム部、及び第４アーム部は、前記梁構造を形成するように、対応して配置され、
前記第４アーム部の基体構造から離れる一端には感ガス材料が設けられる、ことを特徴とする片持ち梁型ガスセンサ。 - 前記第１アーム部、第２アーム部、第３アーム部及び第４アーム部の形状はいずれも矩形を呈する、ことを特徴とする請求項１に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記第１アーム部、第２アーム部、第３アーム部、及び第４アーム部の形状はいずれも等脚台形を呈し、基体構造から離れる方向に沿って、前記第１アーム部、第２アーム部、第３アーム部、及び第４アーム部の幅は徐々に小さくなっている、ことを特徴とする請求項１に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記第１アーム部には、第１アーム部の長さ方向に沿って延在する第１孔が設けられる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記第３アーム部には第２孔が設けられ、前記第２孔は、第３アーム部の長さ方向に沿って延在し、第１孔に対応して配置される、ことを特徴とする請求項４に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記シリコン基板、第１基部、第２基部、第３基部、及び第４基部はいずれも矩形であり、前記第４基部の第４アーム部が設けられる側辺の長さは、第１窓部の第２アーム部から離れる側辺の長さよりも短く、または、第３窓部の第４アーム部から離れる側辺の長さは、第２基部の第２アーム部が設けられる側辺の長さよりも長い、ことを特徴とする請求項４に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記支持膜は、単層の酸化ケイ素層と単層の窒化ケイ素層から形成された複合膜であり、酸化ケイ素層と窒化ケイ素層はシリコン基板上に順に配置され、窒化ケイ素層の厚さは酸化ケイ素層の厚さよりも厚く、前記分離膜は、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜である、ことを特徴とする請求項１に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 複数の請求項１〜７のいずれか一項に記載の片持ち梁型ガスセンサにより構成される、ことを特徴とするセンサアレイ。
- 請求項１〜７のいずれか一項に記載の片持ち梁型ガスセンサを製造するためのセンサの製造方法であって、以下のステップ（１）〜（７）を含み、
（１）では、シリコン基板を選択し、薄膜を解放するために等方性ドライエッチング又はウェットエッチングを採用する場合、シリコン基板の結晶方向についての要件がなく、薄膜を解放するために異方性ウェットエッチングを採用する場合、＜１００＞結晶方向のシリコンチップを選択し、
（２）では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、シリコン基板上に支持膜を作製し、
（３）では、リフトオフプロセスによって、加熱抵抗を作製し、
（４）では、分離膜を作製し、まずプラズマ増強化学気相成長により分離膜を作製し、次に加熱抵抗を露出させるように反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングにより分離膜をエッチングして貫通孔を形成し、
（５）では、リフトオフプロセスによって、検出電極を作製し、
（６）では、薄膜を解放し、まず露出した支持膜を反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって完全にエッチングして、シリコン基板を露出させ薄膜解放窓部を形成し、次にテトラメチルアンモニウムヒドロキシド或いは水酸化カリウム異方性ウェットエッチング液を使用するか、又は、等方性ウェットエッチング液或いはＸｅＦ２等方性ドライエッチングガスを使用して、支持膜の下のシリコン基板をくり抜き、薄膜構造を解放し、
（７）では、前記梁構造の端部に感ガス材料を付着させ焼結して、感ガス材料をロードする、ことを特徴とするセンサの製造方法。 - 前記ステップ（３）では、加熱抵抗はプラチナ抵抗であり、厚さは１０００A〜３０００Aであり、前記ステップ（４）では、分離膜の厚さは１０００A〜１００００Aであり、前記ステップ（５）では、検出電極はプラチナ電極又は金電極であり、その厚さは１０００A〜３０００Aである、ことを特徴とする請求項９に記載のセンサの製造方法。
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