JP3333948B2 - ガス式センサの製造方法 - Google Patents

ガス式センサの製造方法

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    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
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    • G01F1/6845Micromachined devices

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  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、センサ本体に作用する
角速度や加速度または流量などを、ガスを媒介とする熱
の移動状態としてヒートワイヤによって検出するガス式
センサの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、例えば、センサ本体に角速度が作
用したときのガス室内を流れるガスの偏向状態を感熱抵
抗素子としてのヒートワイヤによって検出するようにし
たガス式センサにあっては、ガス室およびそのガス室に
かかるヒートワイヤブリッジからなるセンサ本体が、半
導体基板を用いたIC製造技術によるマイクロマシニン
グ加工によって形成されたものが開発されている(特開
昭58−56476号公報参照)。
【0003】このようなガス式センサでは、下側半導体
基板上に窒化シリコン(SiN)、白金(Pt)、窒化
シリコン(SiN)を順次重ねて三層に成膜し、その成
膜部分を所定のパターンにエッチングすることによって
ヒートワイヤ部を形成したうえで、その下側半導体基板
をエッチングして前記ヒートワイヤ部がブリッジ状にか
かる溝を形成したうえで、エッチングにより溝が形成さ
れた上側半導体基板を溝同志がつき合わさるように下側
基板に接合して、ガス室およびそのガス室にかかるヒー
トワイヤブリッジを製造するようにしている。
【0004】このようなガス式センサを製造するに際し
て、半導体基板上にSiN、Pt、SiNを順次重ねて
三層に成膜する場合、SiNをCVD法によって成膜
し、Ptをスパッタリング法によって成膜するなど、各
層の成膜方法が異なると、別々のチャンバに移し変えな
がら成膜する必要があり、そのためチャンバへの移し変
えに際して空気に触れてSiNが酸化してしまう。ま
た、スパッタリング時の雰囲気中に酸素が含まれている
ことによってもSiNが酸化してしまう。そのため、S
iN層とPt層との密着性が悪くなり、性能が劣化して
しまうことになる。
【0005】しかして、従来では、SiN層とPt層と
の密着性を向上させるために、各層の間に接着増強層を
設けるようにしている(特開平2−226017号参
照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、ガス式センサを製造するに際して、半導体基板上
にヒートワイヤブリッジを形成するべくSiN、Pt、
SiNを順次重ねて三層に成膜する場合、SiN層とP
t層との密着性を向上させるために各層の間に接着増強
層を設けるのでは、その成膜のためのプロセスが増えて
作業性が悪くなってしまうことである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、下側半導体基
板上にSiN、Pt、SiNを順次重ねて三層に成膜
し、その成膜部分を所定のパターンにエッチングするこ
とによってヒートワイヤ部を形成したうえで、その下側
半導体基板をエッチングして前記ヒートワイヤ部がブリ
ッジ状にかかる溝を形成したうえで、エッチングにより
溝が形成された上側半導体基板を溝同志がつき合わさる
ように下側基板に接合して、ガス室およびそのガス室に
かかるヒートワイヤブリッジを製造するようにしたガス
式センサにあって、何ら格別な接着手段を別途設けるこ
となくSiN層とPt層との間の密着性を向上させるべ
く、下側半導体基板上にSiN、Pt、SiNの各膜を
スパッタリングによって連続して形成する工程と、その
成膜後に600℃以下で加熱処理する工程とをとるよう
にしている。
【0008】
【実施例】図1は、ガス式センサのセンサ本体の製造プ
ロセスを示している。
【0009】まず、プロセスとして、洗浄されて酸化
膜が除去された下側のSi半導体基板1(厚さ700μ
m)の上面に、SiN層2(1.2μm)、Pt層3
(0.4μm)、SiN層4(0.2μm)を順次スパ
ッタリングによって成膜する。下面にもSiN層5
(0.5μm)を成膜する。
【0010】その際、スパッタリングによるSiNの成
膜を、アルゴン(Ar)と窒素(N)とが1対2の割
合で混合されたガスの雰囲気下で行う。また、スパッタ
リングによるPtの成膜を、Arガスの雰囲気下で行
う。
【0011】次に、プロセス、として、Ptパター
ンニングを行うべく、その三層の成膜上にレジスト12
をかけたうえで、RIE法によってSiN層4およびP
t層3のエッチングを行う。その際、SiN層4のエッ
チングをCFガス中で、Pt層3のエッチングをAr
ガス中で行う。そして、レジスト12を除去する。
【0012】次に、プロセスとして、SiNをArと
の混合ガス(1対2)中でスパッタリングによりオ
ーバコート(1.0μm)して新たにSiN層6を形成
する。
【0013】そして、密着性を良くするべく、Nガス
中で500〜600℃で1時間ほど高温アニールを行
う。
【0014】次に、プロセスとして、SiNパターン
ニングを行うべく、レジストパターンをかけたうえで、
RIE法によってCFガス中でSiN層6,2のエッ
チングを行う。そして、レジストを除去する。
【0015】次に、プロセスとして、電極形成を行う
べく、下側にCr(100nm)、上側にAu(1.5
μm)を蒸着し、レジストパターンをかけたうえで、ウ
ェットエッチングによりパターニングを行って電極部7
を形成する。そして、レジストを除去する。
【0016】次に、プロセスとして、ヒートワイヤブ
リッジ8を形成するべく、KOH水溶液(42.5%)
を用いて、Si半導体基板1を異方性エッチング(80
℃、エッチレート0.8μm/秒)して溝9を形成す
る。
【0017】次に、界面に残っている応力を緩和させる
べく、Nガス中で350℃で1時間ほど低温アニール
を行う。
【0018】最終的に、プロセスとして、同じくエッ
チングにより溝が形成された上側半導体基板10を溝同
志がつき合わさるように下側の半導体基板1に接着し
て、ガス室11を形成する。その接着は、シート状エポ
キシ系接着剤を用いて、荷重下で150℃キュアによっ
て行う。
【0019】このようなガス式センサのセンサ本体の製
造プロセスにあって、本発明では、Si半導体基板1の
上面に、SiN層2、Pt層3、SiN層4をスパッタ
リングによって連続して成膜するようにしたことを特徴
としている。
【0020】したがって、同一のチャンバ内で三層の成
膜を行わせることができ、その成膜に際して空気に触れ
る機会がなく、SiN層2、4が酸化することなく、S
iN層2、4とPt層3との各間の密着性が良くなる。
【0021】そして、三層の連続成膜によりSiN層
2、4とPt層3との各間の密着性が良くなることはア
ニール中の耐性が向上することになり、スパッタリング
により成膜される結晶の粒の界面の安定化を図るために
アニール処理を行わせるに際して、高温でのアニールが
可能になる。その際、密着性が悪いと高温アニールから
KOHエッチングを行うプロセス中に、SiN層2とP
t層3との界面およびPt層3とSiN層4との界面で
はく離が生じてしまう。
【0022】その場合、600℃以下でのアニールが有
効であり(500〜600℃が最適範囲)、それ以上の
高温はあまり効果がなく必要ではない。600℃の高温
アニールで、ヒートワイヤ抵抗値は約7%減少し、Pt
結晶の高品質化が進行している。
【0023】図2はサンプルを580℃でアニールした
ときの抵抗変化率の特性を示すもので、最大7.6%の
抵抗値の減少が得られた。また、図3は同一のサンプル
を700℃でアニールしたときの抵抗変化率の特性を示
すもので、アニール時間が2時間以上になると抵抗値の
増加が始まる。
【0024】また、通常のスパッタリング条件ではガス
中にO成分が混入しやすく、特にSiNについてはS
iがOとの反応性が高いために容易に酸化されてSi
NOになりやすい。このことは、成膜の密着性が悪く、
KOHエッチレートが大きくなるなど、安定性を低下さ
せることになり、ヒートワイヤ性能に悪影響を与えるこ
とになる。
【0025】そのため、本発明では、SiN層2,4の
成膜に際してスパッタリング条件を改善することによっ
てSiNの酸化を有効に防止するようにしている。
【0026】すなわち、Ar/Nの混合ガスの比を、
従来2程度であったものを0.5程度に小さくする。ス
パッタリング圧力を、従来0.75Pa程度であったも
のを0.14Pa程度に小さくする。そして、スパッタ
リング温度を、従来200℃程度であったものを300
℃程度に高める。
【0027】このようなスパッタリング条件の改善によ
って、成膜されるSiN中のO濃度が1桁以上低下し、
ヒートワイヤ性能が大幅に向上したことが実験によって
確認された。
【0028】SiN層2、Pt層3、SiN層4の三層
成膜中には、異種材料の接合部の界面に内部応力が存在
し、それがためにその三層成膜にそりが発生する。その
内部応力が大きく存在すると、動作時の熱応力が問題と
なり、300℃程度で高温動作するヒートワイヤの抵抗
値に変化をきたしてしまう。
【0029】その解決方法として、SiN層2とPt層
3との界面およびPt層3とSiN層4との界面での各
応力の値を等しくするとともに、各々の応力自体を小さ
くする必要がある。
【0030】SiN層2とPt層3との界面およびPt
層3とSiN層4との界面での各応力の値を等しくする
ためには、Pt層3の下側のSiN層2とその上側のS
iN層4とを同等の条件下で成膜する必要がある。この
点、本発明によれば、同一のスパッタリング条件下でS
iN層2とSiN層4とを成膜させることができ、Si
N層2とPt層3との界面およびPt層3とSiN層4
との界面での各応力の値が等しくなる。
【0031】また、本発明では、ヒートワイヤブリッジ
8の形成後にNガス中で350℃で1時間ほど低温ア
ニールを行うことにより、各界面に残っている応力を緩
和させている。ヒートワイヤブリッジ8の形成後に、ヒ
ートワイヤの動作温度300℃よりもやや高い温度35
0℃でアニールしてヒートワイヤブリッジ8内の残留応
力を緩和してやると、短いエージング時間でヒートワイ
ヤ抵抗値のドリフトが安定する。
【0032】通常、ヒートワイヤとなるPt層3は0.
1〜0.2μm程度の膜厚であるが、この程度の膜厚で
は、界面の影響によるヒートワイヤ抵抗率の上昇、温度
抵抗係数の低下および高温動作時の抵抗値変化の増大が
無視できない。
【0033】そのため本発明では、Pt層3の膜厚を
0.4μmまで増やして改善を図るようにしている。そ
して、前述したプロセスにおける段差部を埋めるため
のSiNのオーバコートの処理を行わせるようにしてい
る。
【0034】これにより、ヒートワイヤ抵抗値変化のド
リフト性能が、エージング時間10〜20時間にて、3
00℃通電使用時に1ppm/時間以下となって長時間
室温放置後の特性を含めて大幅に改善するとともに、ヒ
ートワイヤの温度抵抗係数も0.2μmの膜厚で320
0ppm/℃であったものが3600ppm/℃に改善
し、それによりセンサ感度が向上した。
【0035】
【発明の効果】以上、本発明によるガス式センサの製造
方法によれば、ヒートワイヤブリッジを製造するべく、
半導体基板上にSiN、Pt、SiNを順次重ねて三層
に成膜する場合、何ら格別な接着手段を別途設けること
なく、スパッタリングと加熱工程の最適化を図るだけで
SiN層とPt層との各間の密着性を向上させることが
できるとともに界面に生ずる応力をも有効に低減するこ
とができ、性能の良いガス式センサを製造することがで
きるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるガス式センサのセンサ本体の製造
プロセスを示す図である。
【図2】半導体基板上にSiN、Pt、SiNを重ねて
三層に成膜したサンプルを580℃でアニールしたとき
の抵抗変化率の特性を示す図である。
【図3】半導体基板上にSiN、Pt、SiNを重ねて
三層に成膜したサンプルを700℃でアニールしたとき
の抵抗変化率の特性を示す図である。
【符号の説明】
1 下側半導体基板 2 SiN層 3 Pt層 4 SiN層 6 SiN層 7 電極部 8 ヒートワイヤブリッジ 9 溝 10 上側半導体基板 11 ガス室
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−226017(JP,A) 特開 平3−29858(JP,A) 特開 平4−370767(JP,A) 特開 平1−195327(JP,A) 特開 平5−79876(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 21/00 G01F 1/68 G01P 5/12

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下側半導体基板上に窒化シリコン、白
    金、窒化シリコンを順次重ねて三層に成膜し、その成膜
    部分を所定のパターンにエッチングすることによってヒ
    ートワイヤ部を形成したうえで、その下側半導体基板を
    エッチングして前記ヒートワイヤ部がブリッジ状にかか
    る溝を形成したうえで、エッチングにより溝が形成され
    た上側半導体基板を溝同志がつき合わさるように下側基
    板に接合して、ガス室およびそのガス室にかかるヒート
    ワイヤブリッジを製造するようにしたガス式センサにあ
    って、下側半導体基板上に窒化シリコン、白金、窒化シ
    リコンの各膜をスパッタリングによって連続して形成す
    る工程と、その成膜後に600℃以下で加熱処理する工
    程とをとるようにしたことを特徴とするガス式センサの
    製造方法。
  2. 【請求項2】 スパッタリングによる成膜を、アルゴン
    と窒素とが1対2の割合で混合されたガスの雰囲気下で
    行うことを特徴とする前記第1項の記載によるガス式セ
    ンサの製造方法。
  3. 【請求項3】 スパッタリングによる成膜温度を300
    ℃程度としたことを特徴とする前記第1項の記載による
    ガス式センサの製造方法。
  4. 【請求項4】 白金の成膜の膜厚を0.4μm以上とし
    たことを特徴とする前記第1項の記載によるガス式セン
    サの製造方法。
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