JP3033143B2 - ガスセンサの製造方法 - Google Patents

ガスセンサの製造方法

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JP3033143B2 JP2166294A JP16629490A JP3033143B2 JP 3033143 B2 JP3033143 B2 JP 3033143B2 JP 2166294 A JP2166294 A JP 2166294A JP 16629490 A JP16629490 A JP 16629490A JP 3033143 B2 JP3033143 B2 JP 3033143B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はLPガスや都市ガス等のガスもれ警報器等に
使用されるガスセンサの製造方法に係り、特に消費電力
の少ないガスセンサの容易な製造方法に関する。
〔従来の技術〕
酸化スズ,酸化亜鉛等のn型金属酸化物半導体は、大
気中で300〜500℃の温度に加熱されると粒子表面に大気
中の酸素が活性化吸着して高抵抗化しているが、可燃性
ガスが接触すると吸着酸素と可燃性ガスとが反応して吸
着酸素が除去され抵抗値が減少する。このような性質を
利用して、酸化スズを用いたガスセンサがLPガス,都市
ガス等のガス漏れ警報器に広く用いられている。
従来のガスセンサは例えば第9図に示すように基板1,
電極5,6、感ガス層2A,酸化層3A,ヒータ4等から構成さ
れたものが用いられる。
このような従来のガスセンサは、熱容量が大きくて消
費電力が数100mWであり、また立上がり時間が長く熱平
衡に達するのに時間がかかりパルス駆動ができないとい
った問題があり、システム機器内蔵型のガス警報器,プ
ロセスモニタを構成する上で大きな障害があった。
この問題を解決するために特開昭59−143946号公報に
開示されているように、シリコンチップにSiO2絶縁層の
張出部を設け、この張出部にヒータ,電極,感ガス層を
積層した超小型のガスセンサが知られるに至った。この
ガスセンサは半導体技術を用いて製造されるが特に絶縁
層の張出部の製造にシリコンの異方性エッチングを応用
して絶縁層の下側に存在するシリコン基板のアンドカッ
トが行われる。このアンドカットに際しては絶縁層がマ
スクとして用いられる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかながら上述のようなアンダカットにおいてはマス
クである絶縁層がシリコン基板のエッチングの間、常時
エッチングが溶液にさらされ、少ないながらもエッチン
グされそのために損傷を受けやすく良好な張出部が形成
されないという問題があった。SiO2絶縁層は膜厚が薄い
からである。
この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は絶縁
層張出部の調製法に改良を加えることにより、消費電力
の少ない小型のガスセンサの容易な製造方法を提供する
ことにある。
〔課題を解決するための手段〕
上述の目的はこの発明によれば、第1工程により切欠
部50,50Aるを設けた第1のシリコン基板11と絶縁層22を
形成した第2のシリコン基板12を融着させ、第2のシリ
コン基板のシリコン層を除去して第1の絶縁層22からな
る張出部を形成し、第2工程により前記張出部の上に所
定のパターンでヒータ層13,13Aを形成し、第3工程によ
り、前記ヒータ層を被覆して第2の絶縁層24を形成し、
第4工程により1対の金属電極31,32を前記第2の絶縁
層の上に形成し、第5工程により感ガス層40を前記1対
の電極上および前記第2の絶縁層の上に選択的に形成す
ることにより達成される。
〔作用〕
シリコン層は選択的に除去されるのでなく、エッチン
グで全面除去されののでシリコン除去後にエッチング溶
液が絶縁層と接触することとなり絶縁層とエッチング溶
液との接触時間が短くなる。
〔実施例〕
次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。第1
図はこの発明の実施例に係るガスセンサの平面図、第2
図はこの発明の実施例に係るガスセンサにつき、感ガス
層近傍の要部拡大平面図、第3図はこの発明の実施例に
係るガスセンサにつき、感ガス層近傍の要部拡大A−A
矢視断面図である。シリコン基板11は貫通孔50を有し、
SiO2である第1の絶縁層22がシリコン基板11の主面が形
成され貫通孔50に張出す。ポリシリコン層13が第1の絶
縁層の上に選択的に形成され、その上に第2の絶縁層24
がパッド35,36のための窓を形成してシリコン基板の全
面に設けられる。第2の絶縁層24の上にはパッド35,36
と金属電極31,32とが設けられ、さらに感ガス層40が円
形に形成される。金属電極31,32、感ガス層40は、シリ
コン基板11の貫通孔50に張出した円形の第1の絶縁層22
の中心部分に位置する。21は酸化膜絶縁層である。ポリ
シリコン層13はヒータであり、感ガス層40のうちのヒー
タ直上の部分を有効に加熱する。金属電極31,32は感ガ
ス層40の抵抗を検知する。ポリシリコン層13はパッド3
5,36の形成される部分を除いて、第1および第2の絶縁
層によってサンドウィッチされる。第1および2の絶縁
層はSiO2であり、熱の不良導体で基板11への熱の伝導を
防ぐ。パッド35,36と金属電極31,32の所定部にリード線
(図示せず)が接続される。主要部の寸法は第1および
第2の絶縁層22,24が厚さ約1μm、ポリシリコン層13
は厚さ0.5μm、最狭部の幅20μm、金属電極31,32はPt
またはAuからなり厚さ0.1〜0.3μm、最狭部の幅20μm
である。感ガス層40はSnO2,ZnO2等を主成分とする酸化
物半導体であり、厚さ0.1〜1μmである。シリコン基
板の貫通孔50は直径150〜250μmである。
このようなガスセンサは以下の方法で製造することが
できる。
第4図はこの発明の実施例に係るガスセンサの製造手
順を示す工程図である。厚さ0.1〜0.8mmのシリコン基板
11にYAGレーザを用いて貫通孔50が設けられる。同様な
シリコン基板12と前記貫通孔を有するシリコン基板11は
水蒸気酸化法で絶縁層21,22,23を形成する。水蒸気酸化
は1100℃で行われ、時間により膜厚が制御される。酸化
処理されたシリコン基板11,12は第4図(a)に示すよ
うに重合され、900℃で1h加熱し融着される。つづい
て、酸化膜23をフッ酸を用いてエッチング除去し、シリ
コンウエハ12の部分もHF:HNO3:H2O=1:1:1の溶液を用い
てエッチング除去される(第4図(b)参照)。
第1の絶縁層22の上にポリシリコン層13が減圧CVD法
で形成される。ポリシリコン層13にはイオンインプラン
テーションによりBが1018〜1019cm-3濃度に打ちこま
れ、所定抵抗値を示すヒータが得られる。このあとホト
エッチングにより、所定のパターンに加工される(第4
図(c)参照)。
ポリシリコン層13の上には第2の絶縁層であるSiO2
縁層24がプラズマCVD法で形成される(第4図(d)参
照)。
第2の絶縁層24の上にPtあるいはAuが電子ビーム蒸着
され、続いてホトリソグラフィーにより金属電極31,3
2、パッド35,36が形成される(第4図(e)参照)。
感ガス層40がSnO2を用いて電子ビーム蒸着法により成
膜される。感ガス層は選択マスクを用いて直接的に形成
される。
このようにして3mm角のシリコン基板を有するガスセ
ンサが得られる。消費電力10mWで感ガス層の温度が400
℃に達する。この発明によれば小型センサが容易に得ら
れ、製造歩留りは90%に達する。またこの発明の製造方
法によるときは、特定の結晶方位のシリコン基板を必要
とせず、また絶縁層の張出部の形成に特定のマスクを必
要とせず、製造コストが安価になるという効果も得られ
る。
第5図ないし第8図は本発明の異なる実施例を示し、
第5図はガスセンサの平面図、第6図は感ガス層近傍の
要部拡大平面図、第7図は感ガス層近傍の要部拡大A−
A矢視断面図である。
シリコン基板11は溝部50Aを有し、SiO2である1の絶
縁層22がシリコン基板11の主面が形成され溝部50Aに張
出す。ヒータ層13Aが第1の絶縁層の上に選択的に形成
され、その上に第2の絶縁層24がパッド35,36のための
窓を形成してシリコン基板の全面に設けられる。第2の
絶縁層24の上にはパッド35,36と金属電極31,32とが設け
られ、さらに感ガス層40が円形に形成される。金属電極
31,32、感ガス層40は、シリコン基板11の溝部50Aに張出
した円形の第1の絶縁層22の中心部分に位置する。21は
酸化膜絶縁層である。ヒータ層13Aは、感ガス層40のう
ちのヒータ直上の部分を有効に加熱する。金属電極31,3
2は感ガス層40の抵抗を検知する。ヒータ層13Aはパッド
35,36の形成される部分を除いて、第1および第2の絶
縁層によってサンドウィッチされる。第1および第2の
絶縁層はSiO2であり、熱の不良導体で基板11への熱の伝
導を防ぐ。パッド35,36と金属電極31,32の所定部にリー
ド線(図示せず)が接続される。主要部の寸法は第1お
よび第2の絶縁層22,24が厚さ約1μm、ヒータ層13Aは
厚さ0.2μm、最狭部の幅10μm、金属電極31,32はPtま
たはAuからなり厚さ0.1〜0.3μm、最狭部の幅10μmで
ある。感ガス層40はSnO2,ZnO2等を主成分とする酸化物
半導体であり、厚さ0.1〜1μmである。シリコン基板
の溝部50Aの溝幅は150〜250μmで、深さは50μmであ
る。
このようなガスセンサは以下の方法で製造することが
できる。
第8図はこの発明の異なる実施例に係るガスセンサの
製造手順を示す工程図である。厚さ0.3〜0.8mmのシリコ
ン基板11に選択エッチング技術を用いて溝部50Aが設け
られる。同様なシリコン基板12と前記溝部を有するシリ
コン基板11は水蒸気酸化法で絶縁層21,22,23を形成す
る。水蒸気酸化は1100℃で行われ、時間により膜厚が制
御される。酸化処理されたシリコン基板11,12は第8図
(a)に示すように重ね合され、900℃で1h加熱し融着
される。つづいて、酸化膜23をフッ酸を用いてエッチン
グ除去し、シリコンウエハ12の部分もHF:HNO3:H2O=1:
1:1の溶液を用いてエッチング除去される(第8図
(b)参照)。
第1の絶縁層22の上にヒータ層13Aが形成される。ヒ
ータ層は、蒸着法あるいはスパッタリング法により、Pt
あるいはNiの薄膜を形成し、このあと、ホトエッチング
技術を用いてパターン加工して所定の抵抗値を持つヒー
タが得られる(第8図(c)参照)。
ヒータ層13Aの上には第2の絶縁層であるSiO2絶縁層2
4がプラズマCVD法で形成される(第8図(d)参照)。
第2の絶縁層24の上にPtあるいはAuが電子ビーム蒸着
され、続いてホトリソグラフィーにより金属電極31,3
2、パッド35,36が形成される(第8図(e)参照)。
感ガス層40がSnO2を用いて電子ビーム蒸着法により成
膜される。感ガス層は選択マスクを用いて直接的に形成
される。
このようにして3mm角のシリコン基板を有するガスセ
ンサが得られる。消費電力10mWで感ガス層の温度が400
℃に達する。この発明によれば小型センサが容易に得ら
れ、製造歩留りは90%に達する。またこの発明の製造方
法によるときは、特定の結晶方位のシリコン基板を必要
とせす、また絶縁層の張出部の形成に特定のマスクを必
要とせず、製造コストが安価になるという効果も得られ
る。
〔発明の効果〕
この発明によれば、第1工程により切欠部を設けた第
1のシリコン基板と絶縁層を形成した第2のシリコン基
板を融着させ、第2のシリコン基板のシリコン層を除去
して第1の絶縁層からなる張出部を形成し、第2工程に
より前記張出部の上に所定のパターンでヒータ層を形成
し、第3工程により、前記ヒータ層を被覆して第2の絶
縁層を形成し、第4工程により1対の金属電極を前記第
2の絶縁層の上に形成し、第5工程により感ガス層40を
前記1対の電極上および前記第2の絶縁層の上に選択的
に形成するのでシリコン層の全面除去により絶縁層の張
出部が形成されることとなりそのために絶縁層がエッチ
ング溶液と接触する時間が短く絶縁層張出部の損傷がな
くなって消費電力の少ない小型の製造が容易になる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例に係るガスセンサを示す平面
図、第2図はこの発明の実施例に係るガスセンサの要部
拡大平面図、第3図はこの発明の実施例に係るガスセン
サの要部拡大A−A矢視断面図、第4図(a)〜(e)
はそれぞれこの発明の実施例に係るガスセンサの製造手
順を示す工程図、第5図ないし第8図はそれぞれ本発明
の異なる実施例を示し、第5図はガスセンサを示す平面
図、第6図はガスセンサの要部拡大平面図、第7図はガ
スセンサの要部拡大A−A矢視断面図、第8図(a)〜
(e)はそれぞれガスセンサの製造手順を示す工程図、
第9図は従来のガスセンサを示す断面図である。 11:基板、13A:ヒータ層、21:絶縁層、22:第1の絶縁
層、24:第2の絶縁層、31,32の金属電極、40:感ガス
層、13:ポリシリコン層、50:貫通孔、50A:溝部。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/12 H01C 7/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】切欠部を設けた第1のシリコン基板と絶縁
    層を形成した第2のシリコン基板を融着させ、第2のシ
    リコン基板のシリコン層を除去して第1の絶縁層からな
    る張出部を形成する第1工程と、前記張出部の上に所定
    のパターンでヒータ層を形成する第2工程と、前記ヒー
    タ層を被覆して第2の絶縁層を形成する第3工程と、1
    対の金属電極を前記第2の絶縁層の上に形成する第4工
    程と、感ガス層を前記1対の電極上および前記第2の絶
    縁層の上に選択的に形成する第5工程からなることを特
    徴とするガスセンサの製造方法。
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