JP3751801B2

JP3751801B2 - 熱型センサ

Info

Publication number: JP3751801B2
Application number: JP2000199535A
Authority: JP
Inventors: 隆彦笹原; 和弘豊田; 裕己石原
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: JP2002014070A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等の熱型センサに関し、特に、薄膜ヒータの熱衝撃及び熱応力破壊耐性を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェハを基板としたセンサは、薄膜製作技術や半導体微細加工技術を応用して作製されるため、比較的低コストで小型化でき、しかも大量生産が可能である。
【０００３】
このようなシリコンウェハを用いたセンサのうち、フローセンサ、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ等のセンサでは、検出の機構上、検出部を加熱する必要がある。このような加熱が必要な熱型センサでは検出部付近に薄膜ヒータ（マイクロヒータ）が設けられている。この薄膜ヒータは通常、耐久性（耐酸化性）、性能安定性などの性能から白金で作製される。
【０００４】
また、前記検出部は、通常、シリコン酸化膜／あるいはシリコン窒化膜から形成され、かつ、ヒータ加熱される部分の熱容量を小さくし、同時に他の部分への熱伝導を少なくするために、厚さが薄くなった部分（ダイアフラム）に形成される。
【０００５】
図９（ａ）にこのような白金からなる薄膜ヒータを有する熱型センサの一例（可燃ガスセンサ）についてその断面図を示す。シリコン基板１の一部に空間を設けて薄肉状に形成されたダイアフラム８上にはシリコン酸化膜等の酸化膜２、シリコン窒化膜等の窒化膜３、さらにシリコン酸化膜等の酸化膜２´が形成され、また、検出部として白金ヒータ５ａ及びガス感応膜６が形成されている。
【０００６】
また、図９（ｂ）には他の熱型センサの例（可燃性ガスセンサ）の断面図を示す。この熱型センサは図９（ａ）に示すセンサから酸化膜２´を省いたものである。なお、これらのセンサの上面図はともに図９（ｃ）にモデル的に示したようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の熱型センサにあっては、ヒータの駆動温度が高い場合に薄膜ヒータの剥離が生ずる、あるいは、ヒータのパルス駆動（間歇駆動）時にダイアフラムの破壊（割れ、ひび等の発生）が生ずる等の問題がある。また、このような破壊に至らない場合でも、ヒータの動作に起因すると考えられるセンサ特性の経時変化（ヒータの電気抵抗の変化、あるいはセンサ出力の変動）があった。
【０００８】
本発明は、高温でのヒータ駆動やパルス駆動や直流駆動を行ってもヒータの剥離やダイアフラムの破壊がなく、経時変化の少ない安定した熱型センサを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成とした。請求項１の発明は、基板と、この基板の一部に空間を設けて薄肉状に形成されたダイアフラムと、このダイアフラム上に形成された白金ヒータと、前記ダイアフラム上で且つ前記ダイアフラムと前記基板との境界部分に形成されたダイアフラム保護部と、前記ダイアフラム上にダイアフラムに接触した状態で形成された窒化膜と、この窒化膜上に窒化膜と前記白金ヒータと前記ダイアフラム保護部とに接触した状態で形成され且つ前記窒化膜と前記白金ヒータと前記ダイアフラム保護部とを密着させる酸化ハフニウムとを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明によれば、高温でのヒータ駆動またはパルス駆動または直流駆動した場合に、白金ヒータの熱応力がダイアフラムと基板との境界部分に集中するが、ダイアフラム上で且つダイアフラムと基板との境界部分にはダイアフラム保護部が形成されているので、ダイアフラム保護部が境界部分に集中した白金ヒータの熱応力を吸収する。このため、ダイアフラムの破壊が極めて少なくなる。また、窒化膜と白金ヒータとダイアフラム保護部とを密着させる酸化ハフニウムが形成されているので、白金ヒータと窒化膜との密着性、ダイアフラム保護部と窒化膜との密着性が向上し、白金ヒータをパルス駆動や直流駆動させても、白金ヒータ及びダイアフラム保護部の剥離やダイアフラムの破壊がなく、経時変化の少ない安定した熱型センサを提供できる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載の熱型センサにおいて、前記ダイアフラム保護部は、前記白金ヒータの熱応力を吸収するパターンからなることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明によれば、ダイアフラム保護部が白金ヒータの熱応力を吸収するパターンからなるので、該パターンが境界部分に集中したヒータの熱応力を吸収する。このため、ダイアフラムの破壊が極めて少なくなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱型センサのいくつかの実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態の熱型センサは、白金ヒータとこの下地膜である窒化膜との密着性を改善することにより、高温での使用やパルス駆動を行ってもヒータの剥離やダイアフラムの破壊がなく、経時変化の少ない安定した熱型センサを提供することを特徴とする。
【００２５】
図１（ａ）は第１の実施の形態の熱型センサの上面図、図１（ｂ）は第１の実施の形態の熱型センサの断面図である。第１の実施の形態の熱型センサは、接触燃焼式ガスセンサであり、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１、このシリコン基板１の表面に接触して形成された酸化膜２、この酸化膜２上で酸化膜２に接触して形成された窒化膜３、この窒化膜３上で窒化膜３に接触して形成された酸化ハフニウム膜４、この酸化ハフニウム膜４上で酸化ハフニウム膜４に接触して形成された白金ヒータ５ａ、この白金ヒータ５ａ上で白金ヒータ５ａに接触した状態で形成され且つ白金ヒータ５ａに対して触媒層として作用するガス感応膜６、シリコン基板１の裏面にエッチングにより形成されたダイアフラム８を備えて構成される。また、白金ヒータ５ａは、ダイアフラム８上に形成され、白金ヒータ５ａには白金パッド７ａが接続されている。ガス感応膜６としては、パラジウム等の白金族触媒を担持したアルミナ等の担体を用いることができる。
【００２６】
酸化膜２は、シリコン基板１の表面を熱酸化処理することにより得られた酸化シリコンであり、厚みが例えば約６０００Åである。窒化膜３は、シリコン窒化膜等であり、窒化膜厚みが例えば約２５００Åであり、酸化ハフニウム膜４は、厚みが例えば約５００Åである。
【００２７】
このような構成の接触燃焼式ガスセンサによれば、白金ヒータ５ａと窒化膜３との間に、酸化ハフニウム膜４を形成したので、高温における白金ヒータ５ａと下地膜である窒化膜３との密着性が向上し、白金ヒータ５ａの白金の剥離をなくすことができるとともに、センサの経時劣化特性及びセンサの破壊耐久特性を向上することができる。
【００２８】
また、酸化ハフニウムの熱膨張率は、白金ヒータ５ａの熱膨張率と下地膜である窒化膜３の熱膨張率との中間的な値であり、ヒータによる加熱温度が高い場合、あるいはヒートサイクル等で生ずる熱応力を緩和し、その結果、ヒータの剥離やダイアフラム８の破壊が生じない、経時変化の少ない安定した熱型センサを得ることができる。
【００２９】
さらに、酸化ハフニウム膜４の膜応力は小さいため、薄膜からなるダイアフラム８の残留応力を小さくできるから、センサを製造するときの歩留まりを向上することができる。
【００３０】
また、酸化ハフニウム膜４の熱伝導率は、非常に小さいため、熱拡散を抑制し、白金ヒータ５ａの消費電力を小さくすることができる。さらに、酸化ハフニウムは、水、強酸、強アルカリにはほとんど溶解しないため、製造工程中の他の膜やＳｉ基板のウェットエッチングプロセスに強い耐性を示すことができる。また、酸化ハフニウムは、１０^−１４（Ω^−１・ｃｍ^−１）以上と導電率が小さいため、白金ヒータからの電流リークがほとんどなくなる。このため、正確な測定が可能となる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態の熱型センサを説明する。第１の実施の形態の熱型センサでは、ダイアフラム８の周辺部（すなわち、ダイアフラム８とシリコン基板１との境界部分）に、白金ヒータ５ａの熱膨張による応力が集中する。このため、高温でのヒータ駆動やヒータをパルス駆動した場合、低温（室温）と高温との繰り返しによる熱衝撃により、ダイアフラム８の周辺部からクラックが入り、ダイアフラム８が破壊する。また、パルス駆動を用いずに、ヒータを直流駆動（ＤＣ駆動）した場合、高温になるほど白金ヒータ５ａがダイアフラム８に与える熱応力が大きくなり、ダイアフラム８が歪んで破壊する。
【００３２】
そこで、第２の実施の形態の熱型センサは、第１の実施の形態の熱型センサに対して、ヒータの熱衝撃及び熱応力破壊耐性を向上させることによりダイアフラムの破壊を極めて少なくしたことを特徴とする。図２（ａ）は第２の実施の形態の熱型センサの上面図、図２（ｂ）は第２の実施の形態の熱型センサの断面図である。
【００３３】
図２に示す熱型センサは、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等であり、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１、このシリコン基板１の表面に接触して形成された酸化膜２、この酸化膜２上で酸化膜２に接触して形成された窒化膜３、この窒化膜３上で窒化膜３に接触して形成された酸化ハフニウム膜４、この酸化ハフニウム膜４上で酸化ハフニウム膜４に接触して形成された白金ヒータ５、シリコン基板１の裏面にエッチングにより形成されたダイアフラム８、ダイアフラム８上で且つダイアフラム８とシリコン基板１との境界部分に形成されたダイアフラム保護部９を備えて構成される。
【００３４】
また、白金ヒータ５は、ダイアフラム８上に形成され、互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターンからなる。ダイアフラム８は、正方形をなし、ダイアフラム保護部９は、ダイアフラム８の四つの角部分に形成されてなり、白金ヒータ５と同一材料の白金からなる三角形状の保護パターンである（図２（ｂ））。
【００３５】
また、白金ヒータ５には白金パッド７が接続され、この２つの白金パッド７には、ＤＣ電圧またはパルス電圧が印加されるようになっていて、ＤＣ駆動またはパルス駆動により白金ヒータ５が発熱するようになっている。
【００３６】
酸化膜２及び窒化膜３のそれぞれは、絶縁膜を構成する。酸化膜２は、シリコン基板１の表面を熱酸化処理することにより得られた酸化シリコンであり、厚みが例えば約６０００Åである。窒化膜３は、厚みが例えば約２５００Åであり、酸化ハフニウム膜４は、厚みが例えば約５００Åである。
【００３７】
白金ヒータ５は、厚さが例えば約５０００Åである。この白金ヒータ５は、白金の他に、抵抗温度係数が大きく、高温まで熱的に安定な金属または化合物であれば良く、例えば、ニッケル、タングステン、モリブデン等を用いることもできる。
【００３８】
次に、熱型センサの製造方法を説明する。まず、シリコンウェハを熱酸化し、その表面に酸化ケイ素層（厚さ：１００〜１００００Å（通常）、本例では６０００Å）を形成する（図３（ａ））。
【００３９】
次に、減圧ＣＶＤにより窒化膜３（厚さ：１００〜５０００Å（通常）、本例では２５００Å）を形成し（図３（ｂ））、検出部裏側のダイアフラム形成部の酸化膜２及び窒化膜３とを、フォトリソグラフィ工程とウェットエッチング法とを組み合わせ、あるいはドライエッチング法により、所定のパターンにエッチングする（図３（ｃ））。
【００４０】
さらに、検出部形成側の窒化膜３上に酸化ハフニウム層（厚さ：１００〜５０００Å（通常）、本例では５００Å）を形成し（図３（ｄ））、この酸化ハフニウム層の上に、薄膜の白金ヒータ（厚さ：１００〜１００００Å（通常）、本例では５０００Å）及びダイアフラム保護部９をスパッタリング、電子ビーム蒸着等の真空応用技術により成膜する（図３（ｅ））。
【００４１】
最後に裏面からシリコン基板１をＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）等でエッチングしてダイアフラム８を形成する（図３（ｆ）。
【００４２】
このように構成された第２の実施の形態の熱型センサによれば、高温でのヒータ駆動またはパルス駆動またはＤＣ駆動した場合には、ヒータの熱応力がダイアフラム８の周辺やダイアフラムの４つの角に集中する。第２の実施の形態の熱型センサでは、ダイアフラム８上で且つダイアフラム８とシリコン基板１との境界部分のうち、ダイアフラム８の四つの角部分に、ダイアフラム保護部９が形成されているので、弾性に富む白金からなるダイアフラム保護部９が、ダイアフラムの４つの角に集中したヒータの熱応力を吸収する。このため、第１の実施の形態の熱型センサよりもさらに、ダイアフラム８の破壊が極めて少なくなる。
【００４３】
また、ダイアフラム保護部９は、白金ヒータ５と同一材料からなるので、図３（ｅ）に示すように、１回のパターニングによりヒータ部とダイアフラム保護部とを同時に形成できる。これによって、熱型センサの製造工数を低減することができる。
【００４４】
なお、ダイアフラム保護部９は、白金以外に、弾性に富む金属材料であればその他の材料、例えば真鍮、銅等を用いても良い。
【００４５】
また、ダイアフラム保護部９の形状は、図２に示す三角形状に限定されることなく、例えば、Ｌ字状（図４（ａ））、四角形状（図４（ｂ））、円状（図４（ｃ））、扇状（図４（ｄ））のいずれかであっても、同様な効果を得ることができる。
【００４６】
また、熱型センサは、図２に示す熱型センサの構成に加え、図５に示すように、白金ヒータ５に接触した状態で白金ヒータ５上に形成され且つ白金ヒータ５の発熱量に応じて発熱して可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層としてのガス感応膜６を設けて接触燃焼式ガスセンサを構成することもできる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態の熱型センサを説明する。図６（ａ）は第３の実施の形態の熱型センサの上面図、図６（ｂ）は第３の実施の形態の熱型センサの断面図である。
【００４８】
第３の実施の形態の熱型センサは、図２に示す第２の実施の形態の熱型センサのダイアフラム保護部９に代えて、ダイアフラム保護部１０を設けた点が異なる。ダイアフラム保護部１０は、白金からなる２つの保護パターンからなり、それぞれの保護パターンがコの字状をなしており、白金ヒータ５を挟んで、ダイアフラム８上で且つダイアフラム８とシリコン基板１との境界部分を覆うように形成されている。
【００４９】
なお、その他の構成は、第２の実施の形態の熱型センサの構成と同一構成であるので、同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
このように構成された第３の実施の形態の熱型センサによれば、白金ヒータ５を挟んで、ダイアフラム８上で且つダイアフラム８とシリコン基板１との境界部分を覆うように２つのダイアフラム保護部１０が形成されているので、弾性に富むダイアフラム保護部１０が、ダイアフラムの周辺部に集中したヒータの熱応力を吸収する。このため、第２の実施の形態の熱型センサよりもさらに、ダイアフラム８の破壊が極めて少なくなる。
【００５１】
次に、本出願人は第１の実施の形態の熱型センサ（保護パターンなし）と第３の実施の形態の熱型センサ（保護パターンあり）とを準備し、以下の検討を行った。なお、第３の実施の形態の熱型センサの代わりに、第２の実施の形態の熱型センサを用いても良い。
【００５２】
図７に保護パターンありの熱型センサ及び保護パターンなしの熱型センサを同一条件でパルス駆動したときのヒータの抵抗の経時変化の結果を示す。なお、ヒータは、１秒毎に１回だけ１００ｍｓオンするパルス駆動で使用され、ヒータの駆動温度が例えば６００℃である。
【００５３】
実線で示す保護パターンなしの熱型センサでは、実験開始からわずか１０分〜２０分後にダイアフラム８が破壊した。破線で示す保護パターンありの熱型センサでは、実験開始から１０００時間までヒータの抵抗に変化が見られず、ダイアフラム８が破壊することなく駆動できた。すなわち、第３の実施の形態の熱型センサは、繰り返して入力されるパルスの熱衝撃に対して強くなった。
【００５４】
また、図８に保護パターンありの熱型センサ及び保護パターンなしの熱型センサを同一条件でＤＣ駆動したときのダイアフラムの耐温度特性を示す。図８において横軸は直流電源の電圧を表し、縦軸はダイアフラムの耐久温度を表す。
【００５５】
前記電圧を上昇させることによりヒータの温度を徐々に上げていくと、保護パターンなしの熱型センサでは、約９００℃でダイアフラム８が破壊した。また、保護パターンありの熱型センサでは、約１２００℃までダイアフラム８が破壊することなく駆動できた。すなわち、ＤＣ駆動した場合、ヒータ及びダイアフラムが破壊する温度が向上した。
【００５６】
これらの実験結果から第２及び第３の実施の形態の熱型センサでは、ダイアフラム８とシリコン基板１との境界部分にダイアフラム保護部を設けたので、第１の実施の形態の熱型センサよりもさらにヒータの熱衝撃及び熱応力破壊耐性を向上することができる。これによって、高温でのヒータ駆動またはパルス駆動またはＤＣ駆動時のダイアフラムの破壊も極めて少なくなる。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、高温でのヒータ駆動またはパルス駆動または直流駆動した場合に、白金ヒータの熱応力がダイアフラムと基板との境界部分に集中するが、ダイアフラム上で且つダイアフラムと基板との境界部分にはダイアフラム保護部が形成されているので、ダイアフラム保護部が境界部分に集中した白金ヒータの熱応力を吸収する。このため、ダイアフラムの破壊が極めて少なくなる。また、窒化膜と白金ヒータとダイアフラム保護部とを密着させる酸化ハフニウムが形成されているので、白金ヒータと窒化膜との密着性、ダイアフラム保護部と窒化膜との密着性が向上し、白金ヒータをパルス駆動や直流駆動させても、白金ヒータ及びダイアフラム保護部の剥離やダイアフラムの破壊がなく、経時変化の少ない安定した熱型センサを提供できる。
【００５９】
請求項２の発明によれば、ダイアフラム保護部が白金ヒータの熱応力を吸収するパターンからなるので、該パターンが境界部分に集中したヒータの熱応力を吸収する。このため、ダイアフラムの破壊が極めて少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の実施の形態の熱型センサの上面図、（ｂ）は第１の実施の形態の熱型センサの断面図である。
【図２】（ａ）は第２の実施の形態の熱型センサの上面図、（ｂ）は第２の実施の形態の熱型センサの断面図である。
【図３】第２の実施の形態の熱型センサの製造方法を示す図である。
【図４】第２の実施の形態の熱型センサに設けられたダイアフラム保護部のその他の例を示す図である。
【図５】第２の実施の形態の熱型センサの一例である接触燃焼式ガスセンサの断面図である。
【図６】（ａ）は第３の実施の形態の熱型センサの上面図、（ｂ）は第３の実施の形態の熱型センサの断面図である。
【図７】保護パターンありの熱型センサ及び保護パターンなしの熱型センサを同一条件でパルス駆動したときのヒータの抵抗の経時変化の結果を示す図である。
【図８】保護パターンありの熱型センサ及び保護パターンなしの熱型センサを同一条件でＤＣ駆動したときのダイアフラムの耐温度特性を示す図である。
【図９】（ａ）は従来の熱型センサの断面図、（ｂ）は従来のその他の熱型センサの断面図、（ｃ）は従来の熱型センサの上面図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２酸化膜
３窒化膜
４酸化ハフニウム膜
５白金ヒータ
６ガス感応膜
７白金パッド
８ダイアフラム
９，１０ダイアフラム保護部

Claims

基板と、この基板の一部に空間を設けて薄肉状に形成されたダイアフラムと、このダイアフラム上に形成された白金ヒータと、前記ダイアフラム上で且つ前記ダイアフラムと前記基板との境界部分に形成されたダイアフラム保護部と、前記ダイアフラム上にダイアフラムに接触した状態で形成された窒化膜と、この窒化膜上に窒化膜と前記白金ヒータと前記ダイアフラム保護部とに接触した状態で形成され且つ前記窒化膜と前記白金ヒータと前記ダイアフラム保護部とを密着させる酸化ハフニウムとを有することを特徴とする熱型センサ。
前記ダイアフラム保護部は、前記白金ヒータの熱応力を吸収するパターンからなることを特徴とする請求項１記載の熱型センサ。