JP3555739B2 - 薄膜ガスセンサの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガス漏れ警報器などに搭載される薄膜ガスセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス漏れ警報器などの用途に用いられるガスセンサは、一般的には、ＣＯ，ＣＨ_４ ，Ｃ_３ Ｈ_８ ，ＣＨ_２ ＯＨ等を選択的に検知することを目的として作られたデバイスであり、特に、家庭用ガス漏れ警報器として用いられる場合には、高感度かつ高信頼性で低消費電力であることなどが要求され、加えてコストや設置性なども非常に重要な観点とされる。
ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガスの検知を目的としたもの、燃焼機器の不完全燃焼ガスの検知を目的としたもの、または、その両方の機能を合わせ持ったものなどがあるが、いずれも普及率はそれ程高くない。コストや設置性の悪さが普及の足かせになっていると考えられるが、コストの観点からはＩＣプロセスと同様なＳｉウエハー上への微細加工によるセンサ形成方法を用いれば、大量生産によるコストの大幅な引下げが期待される。また、従来の焼結タイプやスクリーン印刷による厚膜センサに比べてより小さくすることが比較的容易であることから、低消費電力という点においても優れている。
【０００３】
一般的に、微細加工方法にはウエットエッチ法とドライエッチ法があるが、ガスセンサの加工としては特殊な設備が不要でかつ簡便なウエットエッチ法が、通常良く用いられる。ウエットエッチ法の中には、通常のフォトエッチング法のほかに、通常のフォトエッチングやドライエッチでは困難な場合に広く用いられるリバースエッチ法（リフトオフ法：図１（ｂ）参照）がある。通常のフォトエッチング法の場合は、レジストをマスクとして被エッチング物質を酸やアルカリ溶液によりエッチングする。これに対しリフトオフ法の場合は、一旦レジストやＡｌ等のマスクをパターン形成した上部に被加工物質をスパッタ等により形成した後、マスクを除去するといった方法をとる。つまり、エッチング溶液としてはレジストやＡｌの除去溶液さえ準備すれば良いので、適用範囲が広い。ガスセンサの加工では、通常のフォトエッチングによりＰｔヒータ層，ＳｉＯ_２ 絶縁層，Ｐｔ電極層を順次積層して行き、さらにＳｉＯ_２ 膜をリフトオフ法により形成した後、最後に裏面からＳｉをダイアフラム様にＫＯＨ溶液等を用いてくり抜く。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ヒータや電極としてよく用いられるＰｔ及びＰｔ合金は、王水等を用いることによりエッチングが可能である。しかし、被エッチング物質の断面形状が逆台形となるために、この上に膜を積層していった場合に重ねあわせ部において破断しやすい。さらに、Ｐｔ以外の材料をヒータに用いた場合に、例えば、ＮｉＣｒやＦｅＮｉ系合金、高融点金属シリサイドなどは適当なエッチング溶液が見当たらないか選択的にヒータのみを所定線幅にエッチングすることが極めて困難である。そこで、所定幅にパターニングされたレジストなどのマスクを用いてエッチングを行なうリフトオフ法が検討されたが、前述したＰｔの王水エッチングと同様に、被エッチング物質の断面形状が逆台形となり、上部積層膜にて破断するといった問題が生じた。したがって、この発明の課題は、適当なエッチャントがない場合でも、破断を生じることなく積層を可能にし得る製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決すべく、請求項１の発明では、Ｓｉ基板の一側面中央部がダイアフラム様にくり抜かれた基板面上に、ＳｉＯ₂膜，窒化Ｓｉ膜を含む支持膜を介して、薄膜ヒータをスパッタ法または蒸着法によって形成した後、ＳｉＯ₂膜，窒化Ｓｉ膜を含む電気絶縁膜を介して感知膜電極をＰｔまたはＡｕによって形成した上にＳｎＯ₂からなる感知膜電極を形成した薄膜ガスセンサにおいて、
前記薄膜ヒータを形成するに当たっては、まずＡｌからなる第１層を形成したのち、ＣｒまたはＡｕからなる第２層を積層し、所定の線幅にパターン加工した前記第２層をマスクとして前記第１層をオーバエッチングした２層構造体をマスクとしてスパッタまたは蒸着により形成することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示す工程図である。同図（ａ）はこの発明による方法、同図（ｂ）は従来のリフトオフ法を示す。以下、両者を比較して説明する。
すなわち、従来のリフトオフ法では、Ａｌ等の金属をエッチングしマスクとして用いるために、このマスク上に被加工物質を形成してマスクを取り除くと、被加工物質は逆台形を形成し、さらに薄膜を積層して行く過程においては破断の原因となるおそれがある。マスクとしてレジストを用いる方法も考えられるが、あまり良い解決方法とは言えない。というのは、被加工物質の成膜温度が制約を受ける、つまり、スパッタで形成する場合室温成膜が必要であろうし、室温成膜が可能な物質は極めて限られるからである。
【０００８】
これに対し、図１（ａ）に示すこの発明の方法では、ＣｒやＡｕ等の第２層をパターンニングした時点では、従来のリフトオフ法のＡｌマスクと同様に台形をしているが（▲２▼参照）、さらに、第２の層をマスクとしてオーバエッチングすることにより、きのこ状のかさを持つ構造体を▲３▼のように形成することが出来る。そして、この構造体をマスクとして用いると、かさ（第１層）の部分がスパッタや蒸着による物質の回り込みを抑える作用をし、被加工物質はスロープを持った台形状のパターンとなる（▲５▼参照）。
【０００９】
図２に以上のようにして製造された薄膜ガスセンサ例を示す。
まず、Ｓｉ基板１の両面にＳｉＯ_２ 熱酸化膜２１，２２を３０００Å形成し、さらに、表面にのみ低応力スパッタ法によるＳｉＯ_２ 薄膜３１を１μｍ形成し、ダイアフラムの支持層とした。この基板上に、ヒータ層としてＮｉＣｒスパッタ膜４をこの発明による方法に従って５０００Å形成し、ＳｉＯ_２ 絶縁膜３２を再び低応力スパッタ法により２０００Å形成した。ＮｉＣｒヒータと電極パッド部の導通を確保するために、ＮｉＣｒヒーター上部のＳｉＯ_２ 膜を通常のフォトエッチングにより窓あけ加工を行なった。
【００１０】
次に、電極層５１，５２としてＰｔ／Ｔｉ膜をスパッタによりそれぞれ２０００Å／５００Å形成し、通常のフォトエッチング加工によりパターニングした。ここで、Ｔｉ膜はＰｔ層とＳｉＯ_２ 層との密着力を高めるために用いている。次に、Ａｌ膜をマスクとしたリフトオフ法によりＳｎＯ_２ スパッタ層６を形成し、最後に、裏面からＳｉ基板をドライエッチ法により加工し、ダイアフラム構造を形成した。
なお、上記支持層にはＣＶＤ（化学的気相成長法または化学的蒸着法）によるＳｉＯ_２ 層、または窒化Ｓｉ膜とすることができ、ヒータは蒸着法で形成しても良い。電極にはＰｔに代えてＡｕを用いることもできる。
【００１１】
図３にこの発明によるセンサの動作温度に対する消費電力の関係を示す。図示のように、リニアな関係になっていることが分かる。
図４にこの発明におけるヒーターの応答性を示す。約５ｍｓｅｃで４５０℃まで昇温し、その際の消費電力は図３から約１８．５ｍＷとなり、焼結タイプや厚膜タイプのものに比べて著しく低いことが分かる。
【００１２】
【発明の効果】
この発明によれば、ＡｌとＣｒまたはＡｕからなるきのこ状のかさを持つ２層構造体をマスクとして用いることで、従来被エッチング物質が逆台形に生成されることによって生じる膜破断の問題が解決されて信頼性が向上するだけでなく、ヒーター層としてＰｔ以外の特殊な金属やセラミックス層をその種類によらず、正確な線幅で形成することが可能となる利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による製造工程を従来のものと比較して説明する説明図である。
【図２】図１（ａ）の過程で製造された薄膜ガスセンサ例を示す断面図である。
【図３】この発明によるセンサの温度−消費電力の関係を示す説明図である。
【図４】この発明におけるヒータの応答性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…Ｓｉ層、２１，２２…熱酸化ＳｉＯ_２ 層、３１，３２…ＳｉＯ_２ スパッタ層、４…ヒータ層、５１，５２…電極層、６…ＳｎＯ_２ 層。

Claims (1)

1. Ｓｉ基板の一側面中央部がダイアフラム様にくり抜かれた基板面上に、ＳｉＯ₂膜，窒化Ｓｉ膜を含む支持膜を介して、薄膜ヒータをスパッタ法または蒸着法によって形成した後、ＳｉＯ₂膜，窒化Ｓｉ膜を含む電気絶縁膜を介して感知膜電極をＰｔまたはＡｕによって形成した上にＳｎＯ₂からなる感知膜を形成した薄膜ガスセンサにおいて、
   前記薄膜ヒータを形成するに当たっては、まずＡｌからなる第１層を形成したのち、ＣｒまたはＡｕからなる第２層を積層し、所定の線幅にパターン加工した前記第２層をマスクとして前記第１層をオーバエッチングした２層構造体をマスクとしてスパッタまたは蒸着により形成することを特徴とする薄膜ガスセンサの製造方法。

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