JP5152271B2

JP5152271B2 - 薄膜メンブレン構造体及び半導体式薄膜ガスセンサ

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Publication number: JP5152271B2
Application number: JP2010177539A
Authority: JP
Inventors: 恭行景山; 秀哉山寺; 憲昭杉本
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: JP2012037374A

Description

本発明は、薄膜メンブレン構造体及び半導体式薄膜ガスセンサに係り、特に薄膜メンブレンと保持基板とを有する薄膜メンブレン構造体と、その薄膜メンブレン上にガスセンサ体を形成する半導体式薄膜ガスセンサに関する。

ガス検知装置としては、家庭用のガス漏れ検知のための他、燃焼機器の不完全燃焼の検出、車両の排気ガスの成分の検出等広く用いられている。ガス検知には、ガス吸着の酸化還元反応による抵抗変化の大きい酸化物半導体薄膜であるＳｎＯ_X、ＴｉＯ_X、ＷＯ_X等が用いられる。そして、ガス吸着の酸化還元反応を効率的に進めるため、これらの酸化物半導体薄膜を加熱することが行われる。

加熱動作のための消費電力を抑制するため、ヒータを含むガス検出センサ部の熱容量を低減する構造として、ダイアフラムあるいは薄膜メンブレンと呼ばれる構造が用いられる。これは、Ｓｉ基板の中央部に薄膜メンブレンを形成し、その薄膜メンブレン上にヒータを含むガス検出センサ部を設けるものである。

例えば、特許文献１には、ダイアフラム構造の薄膜ガスセンサが述べられている。ここでは、両面に熱酸化膜が付いたＳｉ基板上に、ダイアフラム構造の支持膜および熱絶縁膜となるＳｉＮとＳｉＯ₂膜を順次プラズマＣＶＤ法で形成し、その上にヒータ層を形成し、ＳｉＯ₂絶縁膜を介してヒータ電極とガス感応膜電極を形成し、ついでガス感応膜となるＳｎＯ₂膜を形成し、最後に基板裏面からエッチングによりＳｉを除去してダイアフラム構造とすることが述べられている。

このように、ヒータを含むガスセンサ体との間の熱絶縁性をできるだけ向上させながらガスセンサ体を保持するものとして、薄膜メンブレン構造体が用いられる。薄膜メンブレン構造は、Ｓｉ基板上に薄膜を形成し、裏面であるＳｉ基板側からエッチングを行い、Ｓｉの異方性エッチング特性を利用して、薄膜に対し、ほぼ垂直の開口部を形成して、薄膜の周縁部を筒状Ｓｉで保持するものである。

Ｓｉのエッチングを薄膜のところでちょうど止めるために、薄膜に対するエッチングレートとＳｉに対するエッチングレートとが異なるエッチング材が用いられる。このように、Ｓｉのエッチングの際に、薄膜がエッチングストップ層となることが好ましい。

本発明に関連する技術として、特許文献２にはエッチングストップ層に関する記載がある。すなわち、特許文献２には、外力検知センサの製造方法として、シリコンの素子基板の裏面に凹部を形成してメンブレンを形成し、凹部の天面にエッチングストップ層を設けた後、シリコンの素子基板とガラスの支持基板とを陽極接合し、素子基板の表面側からエッチングストップ層に向かってドライエッチングで貫通部を作ることが述べられている。そして、ドライエッチングのエッチングガス中のプラスイオンがエッチングストップ層に衝突してエッチングストップ層がプラスに帯電すると、エッチングガスのプラスイオンが大きく曲げられて、シリコンをエッチングストップ層に沿ってエッチングするいわゆるノッチが生じ、設計どおりの寸法が得られないことを述べている。ここでは、エッチングストップ層を導電性材料として、帯電を防ぎ、これによってノッチのない真直ぐな貫通部が形成することが開示されている。

特開２０００−２１４１１９号公報特開２００１−７３４６号公報

従来技術の薄膜メンブレン構造体は、特許文献２にもあるように、ノッチ等の発生を抑制して、薄膜メンブレンに対し、垂直となる深堀エッチングを行っている。このようにすることで、設計どおりの寸法とすることができるが、一方で、このように周縁部のみで薄膜メンブレンを保持することは、機械的強度の問題から、薄膜メンブレンの面積を大きくすることに限度がある。つまり、大面積の薄膜メンブレンを製作しても、例えばダイシング工程で与えられるわずかな衝撃等で破壊しやすくなり、歩留まりが低くなる。このように薄膜メンブレンの面積に限度があることから、ヒータ等を用いる熱型センサを薄膜メンブレンに搭載するときに制約が生じる。

例えば、熱効率を重視する場合はセンサの大きさが制限されて十分な信号効率を得られないことがある。また信号効率を重視する場合にはセンサが大きくすることになり、薄膜メンブレンからの発熱が大きく熱効率を犠牲にすることがある。また、薄膜メンブレンの面積に限度があることから、特に、アレイ状に複数のガスセンサを搭載することが困難となっている。

本発明の目的は、薄膜メンブレンの保持性をさらに向上させる薄膜メンブレン構造体を提供することである。他の目的は、ヒータを含むセンサを搭載する際に、薄膜メンブレンの熱絶縁性をさらに向上させながら、薄膜メンブレンの保持性をさらに向上させる薄膜メンブレン構造体を提供することである。また、本発明の目的は、複数のガスセンサ体を１つの薄膜メンブレン構造体に搭載することを可能とする半導体式薄膜ガスセンサを提供することである。以下の手段は、上記目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る薄膜メンブレン構造体は、薄膜メンブレンと、薄膜メンブレンを保持する保持基板と、を備え、保持基板は、薄膜メンブレンの上下面のいずれか一方側の面を保持面として保持面の周縁部を保持する周壁部と、薄膜メンブレンの周縁部の内側である内側部の少なくとも１箇所で薄膜メンブレンの保持面を保持する内側保持部と、周壁部と内側保持部とを接続しながら薄膜メンブレンの保持面との間に空隙を有する接続部と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る薄膜メンブレン構造体において、保持基板は、薄膜メンブレンを保持する側の保持側と反対側を基部側として、周壁部は、基部側で一様な壁厚である基部側壁厚を有し、保持側で基部側壁厚から次第に薄い壁厚となる傾斜壁厚を有することが好ましい。

また、本発明に係る薄膜メンブレン構造体において、保持基板は、内側保持部として、薄膜メンブレンの内側部の中央部の１箇所で薄膜メンブレンを保持する中央保持部を有し、接続部として、周壁部と中央保持部とを複数の仕切壁で接続して隣接する仕切壁の間に薄膜メンブレンの保持面まで到達する空洞部を形成する複数空洞部形成仕切壁を有することが好ましい。

また、本発明に係る半導体式薄膜ガスセンサは、薄膜メンブレンと、薄膜メンブレンの上下面のいずれか一方側の面をセンサ面として、センサ面に設けられるガスセンサ体と、薄膜メンブレンを保持する保持基板と、を備え、保持基板は、薄膜メンブレンの上下面のセンサ面と反対側の面を保持面として、保持面の周縁部を保持する周壁部と、薄膜メンブレンの周縁部の内側である内側部の少なくとも１箇所で薄膜メンブレンの保持面を保持する内側保持部と、周壁部と内側保持部とを接続しながら薄膜メンブレンの保持面との間に空隙を有する接続部と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体式薄膜ガスセンサにおいて、保持基板は、薄膜メンブレンを保持する側の保持側と反対側を基部側として、周壁部は、基部側で一様な壁厚である基部側壁厚を有し、保持側で基部側壁厚から次第に薄い壁厚となる傾斜壁厚を有することが好ましい。

また、本発明に係る半導体式薄膜ガスセンサにおいて、保持基板は、内側保持部として、薄膜メンブレンの内側部の中央部の１箇所で薄膜メンブレンを保持する中央保持部を有し、接続部として、周壁部と中央保持部とを複数の仕切壁で接続して隣接する仕切壁の間に薄膜メンブレンの保持面まで到達する空洞部を形成する複数空洞部形成仕切壁を有し、ガスセンサ体は、保持基板の複数空洞部形成仕切壁によって形成される複数の空洞部に対応する薄膜メンブレンの複数の領域にそれぞれ形成されるアレイ状の複数のガスセンサ体であることが好ましい。

上記構成の少なくとも１つにより、薄膜メンブレンを保持する保持基板は、薄膜メンブレンの周縁部を保持する周壁部と、薄膜メンブレンの周縁部の内側である内側部の少なくとも１箇所で薄膜メンブレンの保持面を保持する内側保持部と、周壁部と内側保持部とを接続しながら薄膜メンブレンの保持面との間に空隙を有する接続部とを含む。これにより、薄膜メンブレンは、周縁部の他に内側保持部で保持され、その際に、周縁部と内側保持部との間を接続する接続部とは薄膜メンブレンとの間には空隙が有る。これにより、薄膜メンブレンの保持性をさらに向上させることができ、また、ヒータを含むセンサを搭載する際に、薄膜メンブレンの熱絶縁性をさらに向上させながら、薄膜メンブレンの保持性をさらに向上させることができる。

また、保持基板は、薄膜メンブレンを保持する側の保持側と反対側を基部側として、周壁部は、基部側で一様な壁厚である基部側壁厚を有し、保持側で基部側壁厚から次第に薄い壁厚となる傾斜壁厚を有する。これにより、薄膜メンブレンと保持基板との接触面積を最小限とでき、例えば、ヒータを含むセンサを搭載する際に、薄膜メンブレンの熱絶縁性をさらに向上させながら、薄膜メンブレンの保持性をさらに向上させることができる。

また、保持基板は、内側保持部として、薄膜メンブレンの内側部の中央部の１箇所で薄膜メンブレンを保持する中央保持部を有し、接続部として、周壁部と中央保持部とを複数の仕切壁で接続して隣接する仕切壁の間に薄膜メンブレンの保持面まで到達する空洞部を形成する複数空洞部形成仕切壁である。これにより、例えば、この複数の空洞部に対応させて１つずつガスセンサ体を配置することで、１つの薄膜メンブレン構造体に複数のガスセンサ体をアレイ状に搭載することができる。

本発明に係る薄膜メンブレン構造体の断面図である。図１の保持基板の薄膜メンブレン側の様子を示す平面図である。図１の保持基板の基部側の様子を示す平面図である。図１の保持基板の模式的斜視図である。図１と比較するための従来技術の薄膜メンブレン構造体の断面図である。図５の保持基板の様子を示す平面図である。本発明に係る半導体式薄膜ガスセンサの平面図と断面図である。図７の保持基板の薄膜メンブレン側の様子を示す平面図である。図７の保持基板の基部側の様子を示す平面図である。本発明に係る半導体式薄膜ガスセンサで、複数のガスセンサ体を搭載する例の平面図と断面図である。図７と比較するための従来技術の半導体式薄膜ガスセンサの平面図と断面図である。図５の保持基板の様子を示す平面図である。図１と比較するための従来技術の薄膜メンブレン構造体の他の例を示す図である。４インチＳｉウエハに薄膜メンブレン構造体を複数形成するときの配置の様子を説明する図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、薄膜メンブレン構造体として、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ／ＳｉＯ₂の積層膜の薄膜メンブレンを保持基板に保持する構造体を説明するが、これ以外の構造の電気絶縁性薄膜の薄膜メンブレンを用いることもできる。例えば、さらに多層の積層構造を用いることもでき、逆に場合によってはＳｉＯ₂またはＳｉＮ単層の薄膜メンブレンを用いてもよい。

また、薄膜メンブレン構造体に搭載するものとして、ガスセンサを説明するが、これ以外にヒータを用いる熱線流量計、熱型赤外線ヒータ等の熱型センサ、あるいはヒータを用いない分布流量計等を搭載するものとしてもよい。なお、ガスセンサの感ガス膜として、ＳｎＯ₂膜を説明するが、これ以外の組成の感ガス膜であってもよい。一般的にＳｎＯ_Xの組成であってもよく、また、アニール処理を経て得られる感ガス膜であれば、ＴｉＯ_X、ＷＯ_X等の組成であってもよい。

以下で説明する寸法、膜厚、材質、製造条件等は、説明の一例であり、半導体式薄膜ガスセンサの仕様に応じ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１から図４は、薄膜メンブレン構造体１０の様子を説明する図である。薄膜メンブレン構造体１０は、薄膜メンブレン２０と、これを保持する保持基板３０とを含んで構成される。ここで、図１は、薄膜メンブレン構造体１０の断面図の一例で、図２のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図２と図３は平面図であるが、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿って切断したときの平面図で、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿って切断したときの平面図である。つまり、図２は、保持基板３０において、薄膜メンブレン２０の保持側にごく近い部分の平面図であり、図３は、保持基板３０において、薄膜メンブレン２０の保持側から離れた基部側の平面図である。図４は、薄膜メンブレン２０を取り外したとしたときの保持基板３０の保持側から見た斜視図である。

上記のように、薄膜メンブレン構造体１０は、薄膜メンブレン２０とこれを保持する保持基板３０とを含んで構成されている複合体である。寸法の一例を述べると、平面寸法が約０．５ｍｍ角、高さが約０．３ｍｍ程度であるが、勿論これ以外の形状、寸法であってもよい。

薄膜メンブレン２０は、３層構造の薄膜積層体で、保持基板３０側を下面側とすると、上面側が例えばガスセンサ体が搭載されるセンサ面側で、下面側が保持基板３０に保持される保持面側である。薄膜メンブレン２０は、保持面側からセンサ面側に、ＳｉＯ₂膜２６、ＳｉＮ膜２４、ＳｉＯ₂膜２２の順に積層される。それぞれの膜の膜厚の一例を述べると、ＳｉＯ₂膜２２，２６は、それぞれ約４００ｎｍ、ＳｉＮ膜２４は、約２００ｎｍ程度である。

このように、薄膜メンブレン２０は、絶縁膜積層体である。薄膜メンブレン２０が複数層の絶縁膜で構成されるのは、保持基板３０に空洞部を形成するためのＳｉエッチングのストッパと、保持基板３０のエッチング保護膜として機能させるためと、メンブレンとして、適当な膜張力を有するように、複数層の応力が合計で引張応力となるようにするためである。

薄膜メンブレン２０は、保持基板３０であるＳｉ基板がまだエッチングによる空洞部を形成する前の状態である平坦Ｓｉ基板の上に、熱酸化によってＳｉＯ₂膜２６を形成し、その上に減圧下のＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）でＳｉＮ膜２４を形成し、次に常圧下のＣＶＤでＳｉＯ₂膜２２を形成する方法で得ることができる。勿論、これ以外の膜形成技術を用いてもよい。

保持基板３０は、薄膜メンブレン２０を保持する機能を有する筒型の部材で、図１から図４の例では、複数の空洞部を有する角型の形状を有する。このような保持基板３０は、薄膜メンブレン２０と別体で作って、その上に薄膜メンブレン２０を貼付したものではない。保持基板３０の出発部材であるＳｉ基板の上に、薄膜メンブレン２０である３層構造の薄膜を形成し、その薄膜付きＳｉ基板の裏側からエッチングを行い、複数の空洞部を形成して、薄膜メンブレン構造体１０が形成されるものであり、単独で保持基板３０が形成されるものではない。

保持基板３０が形成される元のＳｉ基板としては、面方位（１００）、比抵抗が約１Ω・ｃｍで、厚さが約０．３ｍｍのものを用いることができる。

保持基板３０は、薄膜メンブレン２０下面である保持面の周縁部を保持する周壁部３２，３４と、薄膜メンブレン２０の周縁部の内側である内側部の中央部の１箇所で薄膜メンブレン２０の保持面を保持する内側保持部３６，３８と、周壁部３４と内側保持部３６とを接続しながら薄膜メンブレン２０の保持面との間に空隙３１を有する接続部４０，４２，４４，４６を含んで構成される。

周壁部３２と周壁部３４の区別は、薄膜メンブレン２０の下面に接触する部分が周壁部３４で、その下部であって保持基板３０の薄膜メンブレン２０から離れた基部側の部分が周壁部３２である。図４に示されるように、保持基板３０の周壁部の壁厚は、基部側で一様であるが、上面側で傾斜部３３を有し、頂部では薄膜メンブレン２０に接触する面積を減少させている。この基部側の壁厚が厚い部分が周壁部３２で、上面側で傾斜部３３を有して頂部の接触面積が減少した部分が周壁部３４である。この周壁部３２の壁厚を図３ではｔ₁として示してある。

内側保持部３６と内側保持部３８の区別も同様であって、薄膜メンブレン２０の下面に接触する部分が内側保持部３８で、その下部であって保持基板３０の薄膜メンブレン２０から離れた基部側の部分が内側保持部３６である。図４に示されるように、保持基板３０の内側保持部は、柱状であって、その柱の太さは基部側で一様であるが、上面側において丸みを帯びながら次第に細くなって、いわば半球状の膨らみ部となっている。薄膜メンブレン２０には、この膨らみ部の頂部で接触するので、接触面積が小さくなっている。この基部側の太い柱部分が内側保持部３６で、上面側の膨らみ部の接触面積が小さくなっている部分が内側保持部３８である。この内側保持部３６の柱の太さを、図３ではｔ₂×ｔ₂として示してある。

接続部４０，４２，４４，４６は、周壁部３４と内側保持部３６とを接続しながら薄膜メンブレン２０の保持面との間に空隙３１を有する部分で、周壁部３４で囲まれる１つの直方体空間を４つに仕切る仕切壁である。図３では、この仕切壁としての壁厚をｔ₃として示してある。ここで、壁厚ｔ₃は、内側保持部３６の壁の太さであるｔ₂よりも小さく設定される。周壁部３２の壁厚ｔ₁は、薄膜メンブレン２０の保持力等に基いて適当に設定することができる。単位保持面積当たりの保持力が十分ある場合には、ｔ₁をｔ₃と同程度としてもよい。

このように、保持基板３０は、壁厚ｔ₁の周壁部３２を有する矩形筒状の部材で、中央部に柱の太さｔ₂×ｔ₂の内側保持部３６を備え、この内側保持部３６と周壁部３２との間を壁厚ｔ₃の接続部４０，４２，４４，４６で接続された構造を有する。特徴的なことは、薄膜メンブレン２０側で、これらの壁厚はいずれも薄くなり、特に内側保持部３６の頂部は膨らみ部である半球状の内側保持部３８となり、接続部４０，４２，４４，４６の頂部は、壁の両側から薄くなって高さを減少して薄膜メンブレン２０との間に隙間ができ、薄膜メンブレン２０とは接触しない。すなわち、保持基板３０は、薄膜メンブレン２０と、壁厚がｔ₁よりも薄くなった周壁部３４と、膨らみ部である内側保持部３６とのみ接触し、接続部４０，４２，４４，４６とは接触しない。

接続部４０，４２，４４，４６によって仕切られる空洞部４８，５０，５２，５４は、薄膜メンブレン２０が保持基板３０と接触していない部分に相当するので、特に、薄膜メンブレン２０と保持基板３０との間の熱絶縁性がよい。したがって、後述するように、半導体式薄膜ガスセンサを構成する際には、ガスセンサ体の発熱部がこの空洞部４８，５０，５２，５４に対応する薄膜メンブレン２０の上面位置に配置されることが好ましい。

なお、それぞれの空洞部４８，５０，５２，５４の大きさは、一例をあげると、約２００μｍ×約２００μｍとすることができる。接続部４０，４２，４４，４６の壁厚の一例を示すと、約５０μｍとすることができる。したがって、４つの空洞部の平面図における輪郭の大きさは、約４５０μｍ×約４５０μｍとすることができる。

このような保持基板３０は、次のようにして形成される。まず、Ｓｉ基板を準備し、その両側表面に、熱酸化膜、減圧ＣＶＤによるＳｉＮ膜、常圧ＣＶＤによる酸化膜を順次形成して積層絶縁膜とする（積層絶縁膜形成工程）。この両側の積層絶縁膜のうち、一方側表面の積層絶縁膜が薄膜メンブレン２０として利用されることになる。

そして、図３に示した寸法のマスクを用いて、他方側の積層絶縁膜をエッチングし、マスクを除去して、図３に示したパターンの積層絶縁膜を形成する。この図３のパターンを有する積層絶縁膜が、Ｓｉ基板のエッチング用のマスクとなる（エッチング用マスク形成工程）。勿論、積層絶縁膜をＳｉ基板の一方側に形成するものとし、その反対側である他方側に別途図３に示したパターンのエッチング用のマスクを形成するものとしてもよい。

次に、エッチング用のマスクを用いて、Ｓｉ基板の他方側から、いわゆる深堀エッチングを行う（深堀エッチング工程）。エッチングとしては、例えばリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ＳＦ₆＋Ｏ₂ガスを用いたドライエッチングを行うことができる。ＲＩＥは、条件設定によって、エッチング用のマスク通りに、垂直方向にＳｉをエッチングでき、垂直方向に対する横方向のエッチングであるサイドエッチングがほとんどない異方性エッチング条件とすることができる。

したがって、ＲＩＥによる異方性エッチングを進めて、薄膜メンブレン２０をエッチングストッパとして用いて、ちょうど薄膜メンブレン２０の下面のところでエッチングを止めれば、従来技術通りの垂直壁を有する空洞部が形成される。これがいわゆるジャストエッチングでエッチングを止める方法である。図１から図４の構造のためには、このジャストエッチングのタイミングからさらにエッチングを続ける（追加エッチング工程）。これによって、Ｓｉのエッチングは、薄膜メンブレン２０の下面に沿ってさらに進行させることができる。

この追加エッチングによって、周壁部３２の頂部は傾斜部３３が付き、薄膜メンブレン２０との接触面積が減少する。また、内側保持部３６の頂部は、四方からエッチングが進むために半球状の膨らみ部となる。また、接続部４０，４２，４４，４６は、両側からエッチングが進むので、その壁厚ｔ₃を適当に設定することによって、内側保持部３６の頂部においては膨らみ部として薄膜メンブレン２０に接触させ、周壁部３２の頂部においては薄膜メンブレン２０を保持する状態としながら、接続部４０，４２，４４，４６では、その高さを減少させて、薄膜メンブレン２０との間に隙間を開けることができる。つまり、接続部４０，４２，４４，４６は、複数の空洞部を形成する仕切壁としての機能、内側保持部３６を保持する機能は有するが、薄膜メンブレン２０を保持する機能は有しないようにできる。

上記では、ジャストエッチングからさらにエッチング時間を延ばす追加エッチングによって保持基板３０の形状を形成するものとしたが、ジャストエッチングの後で、エッチング条件を変更して、エッチングが横方向に進行するものとしてもよい。

図１から図４の構造の特徴は、ジャストエッチングでＳｉ基板のエッチングを止める従来技術と比較するとよく理解できる。図５と図６は、従来技術による薄膜メンブレン構造体２１０を示す図である。この薄膜メンブレン構造体２１０は、薄膜メンブレン２０と、保持基板２３０を備える。薄膜メンブレン２０は、図１から図４において説明した薄膜メンブレン２０と同じものである。図５は、図６のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図６に示されるように、保持基板２３０は、高さ方向に同じ形状を有する。したがって、保持基板２３０は、周壁部２３２、内側保持部２３６、接続部２４０，２４２，２４４，２４６のいずれとも接触する。

このように、従来技術の薄膜メンブレン構造体２１０は、図１から図４の構造の薄膜メンブレン構造体１０に比べ、薄膜メンブレン２０と保持基板２３０との間の接触面積が広い。換言すれば、図１から図４の構造の薄膜メンブレン構造体１０は、従来技術の薄膜メンブレン構造体２１０に比べ、薄膜メンブレン２０と保持基板３０との間の熱絶縁性が大幅に改善される。

上記では、１つの保持基板について、内側保持部を１つとし、接続部を４つとして、４つの空洞部を形成するものとして説明したが、内側保持部の数は複数でもよく、内側保持部の数に応じて接続部の数を増加させてもよい。これによって、１つの保持基板が保持できる薄膜メンブレンの面積をより広くでき、また、より多くの空洞部を形成できるので、より多くのガスセンサ体等を薄膜メンブレンの上に搭載することができる。

図７から図９は、図１から図４の構造の薄膜メンブレン構造体１０を用いた半導体式薄膜ガスセンサ５６を説明する図である。半導体式薄膜ガスセンサ５６は、薄膜メンブレン２０と、保持基板６０と、薄膜メンブレン２０の上面に設けられるガスセンサ体８６を含んで構成される。図７は、平面図と、Ｅ−Ｅ線およびＦ−Ｆ線に沿った断面図を示し、図８は、図２に対応する図で、保持基板６０の薄膜メンブレン２０の保持面のすぐ下の部分の様子を示す平面図、図９は、図３に対応する図で、保持基板６０の基部側の様子を示す平面図である。

薄膜メンブレン２０は、図１から図４で説明したものと同じである。保持基板６０は、周壁部６２，６４の壁厚を十分に取って、薄膜メンブレン２０の周縁部の保持力を十分に確保するようにした以外は、図１から図４で説明した内容と同じである。

ガスセンサ体８６は、薄膜メンブレン２０の最上面のＳｉＯ₂膜２２の上面に、薄膜ヒータ８８、層間絶縁膜９０、感ガス膜９２が積層され、薄膜ヒータ８８からヒータ電極部９４，９５、感ガス膜９２から感ガス電極部９６，９７が層間絶縁膜９０の上に引き出される構成を有する。

薄膜ヒータ８８は、減圧下のＣＶＤ法で形成されたポリシリコン層に、例えば、イオン注入によって３族元素であるＢが所定の不純物濃度となるように打ち込まれ、その後活性化熱処理が行われた高抵抗ポリシリコン層である。薄膜ヒータ８８の厚さは、例えば、約３００ｎｍである。

層間絶縁膜９０は、減圧下のＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ₂である。層間絶縁膜９０の厚さは、例えば約４００ｎｍである。感ガス膜９２は、スパッタ法で形成されたＳｎ薄膜を、適当な酸素雰囲気中の加熱によってアニール処理したものである。感ガス膜９２の膜厚は、例えば、約１００ｎｍである。ヒータ電極部９４，９５、感ガス電極部９６，９７としては、例えばＰｔ薄膜を所定の形状に形成したものを用いることができる。例えば、Ｐｔ／ＴｉＮ／Ｔｉの積層膜をこれらの電極部の材料として用いることができる。この場合の膜厚の１例としては、Ｐｔ膜が約２００ｎｍ、ＴｉＮ膜が約２０ｎｍ、Ｔｉ膜が約２０ｎｍとすることができる。

半導体式薄膜ガスセンサ５６は、ガスセンサ体８６の薄膜ヒータ８８、感ガス膜９２が、図９で示される４つの空洞部７８，８０，８２，８４のうちの１つの空洞部７８に対応する位置に、薄膜メンブレン２０の上に配置される。これによって、ガスセンサ体８６と保持基板６０との間の熱絶縁性を向上させることができる。

図１０は、図７から図９で説明した構造において、２つのガスセンサ体１０２，１１２を搭載した半導体式薄膜ガスセンサ１００の様子を説明する図である。ここでは、薄膜メンブレン２０と保持基板６０は、図７から図９で説明したものと同じである。２つのガスセンサ体１０２，１１２の構造も図７で説明したものと同じであるが、１つのガスセンサ体１０２の薄膜ヒータ８８と感ガス膜９２は、図９で説明した空洞部７８に対応する位置に配置され、もう１つのガスセンサ体１１２の薄膜ヒータ８８と感ガス膜９２は、図９で説明した空洞部８２に対応する位置に配置される。

このように、保持基板６０によって保持される薄膜メンブレン２０は、複数のガスセンサ体を搭載するのに十分な面積を有する。そして、その保持は、保持基板６０の周壁部６４と、内側保持部３８によって十分な保持強度で行われる。また、接続部７０，７２，７４，７６は薄膜メンブレン２０と接触していないので、ガスセンサ体の薄膜ヒータからの熱に対する薄膜メンブレン２０と保持基板６０との間の熱絶縁性もよい。図１０では、２つのガスセンサ体の搭載を説明したが、さらに多くの数のガスセンサ体の搭載も可能である。

図７から図１０の構造の特徴は、図５、図６で説明した従来技術の薄膜メンブレン構造体を用いる半導体式薄膜ガスセンサの構造と比較するとよく理解できる。図１１と図１２は、従来技術による薄膜メンブレン構造体を用いる半導体式薄膜ガスセンサ２５６の様子を示す図である。この半導体式薄膜ガスセンサ２５６は、図７から図９で説明したものと保持基板２６０が異なるのみで、薄膜メンブレン２０と、ガスセンサ体８６は同じである。図１１は、この半導体式薄膜ガスセンサ２５６の平面図と、Ｇ−Ｇ線およびＨ−Ｈ線に沿った断面図で、図１２は、保持基板２６０の平面図である。

保持基板２６０は、図７から図９で説明したものと同様に、薄膜メンブレン２０の周縁部における保持を十分とするために周壁部２６２の壁厚を厚くしている。保持基板２６０は、図５、図６で説明したように、ジャストエッチングのタイミングでＳｉ基板のエッチングを止める従来技術を用いているので、接続部２７０，２７２，２７４，２７６は、薄膜メンブレン２０と接触している。

接続部２７０，２７２，２７４，２７６は、仕切壁としての機能を有し、４つの空洞部２７８，２８０，２８２，２８４を形成する。ガスセンサ体８６は、そのうちの１つの空洞部２７８に対応する位置に配置されることは、図７の場合と同様である。

ここで、図７から図１０の半導体式薄膜ガスセンサ５６の性能と、図１１、図１２の従来技術の半導体式薄膜ガスセンサ２５６の性能とを比較した。比較は、薄膜ヒータ８８を所望の温度に加熱する際に必要とされる電力の大小によって行った。

薄膜ヒータ８８の温度は、薄膜ヒータ８８の抵抗温度係数を求めることで推定した。すなわち、薄膜ヒータ８８とは別の外部ヒータを用いて、ガスセンサ体８６を搭載した薄膜メンブレン２０と保持基板を加熱し、このときの薄膜ヒータ８８の抵抗値を自己加熱に至らない程度の微弱な電流量で測定した。測定は、半導体式薄膜ガスセンサ５６の薄膜ヒータ８８と、半導体式薄膜ガスセンサ２５６の薄膜ヒータ８８とそれぞれについて行った。抵抗温度係数は、薄膜ヒータ８８の材料であるポリシリコン固有の値であるため、薄膜ヒータ８８の抵抗値はヒータ形状と温度とが決定されれば一意に決定される。したがって、逆に１つの形状の薄膜ヒータ８８の抵抗値を測定すれば、上記の関係によって、その薄膜ヒータ８８の温度が推定できる。

このようにして、半導体式薄膜ガスセンサ５６の薄膜ヒータ８８と、半導体式薄膜ガスセンサ２５６の薄膜ヒータ８８とをそれぞれ４００℃に加熱した際のそれぞれの薄膜ヒータ８８の所要電力を求めた。結果は、図７から図９の構造の半導体式薄膜ガスセンサ５６の薄膜ヒータ８８の所要電力は２５ｍＷであり、図１１、図１２の従来技術の半導体式薄膜ガスセンサ２５６の薄膜ヒータ８８の所要電力は４０ｍＷであった。このことより、図７から図９の構造の方が、図１１、図１２の構造に比べ、熱効率が良いことが分かった。

次に機械的強度の比較をするために、図１から図４の構造の薄膜メンブレン構造体１０に対応する従来技術の構造として、図１３に示す薄膜メンブレン構造体３００を準備した。この薄膜メンブレン構造体３００は、図１から図４の構造と薄膜メンブレン２０は同じもので、保持基板３１０が異なるものである。

図１３の薄膜メンブレン構造体３００の保持基板３１０は、図１から図４で説明した保持基板３０と異なり、周壁部３１０は有するが、内側保持部も接続部も有しない。また、周壁部３１０は、基部側も薄膜メンブレン２０の保持側とで壁厚が同じである。

図１から図４で説明した薄膜メンブレン構造体１０と、図１３の薄膜メンブレン構造体３００の外形を同じとした。そして、薄膜メンブレン構造体１０を１３個まとめて１つの９ｍｍ×８．６ｍｍのブロックとし、これを図１４に示すように、４インチのＳｉウェハ１枚に８０個形成した。同様に、薄膜メンブレン構造体３００を１３個まとめて１つの９ｍｍ×８．６ｍｍのブロックとし、これをやはり、４インチのＳｉウェハ１枚に８０個形成した。

そして、この８０個のブロックを切り出すために、ダイシング装置を用いた。ダイシング装置は、図１４に示すブロックの区画線に沿って切削工具によるカッティングが行われる装置である。切削工具によるカッティングは、図１４に示されるように、縦１１回、横１１回行われる。なお、ダイシング装置による切削中にはウェハの洗浄等のために冷却水がウェハに吹きかけられる。

このダイシング装置の切削工程によって、薄膜メンブレンの機械的強度が弱いときは、切削あるいは冷却水の衝撃等で破壊が生じる。したがって、破壊した薄膜メンブレン構造体の数を比較することで、図１から図４の構造の薄膜メンブレン構造体１０と図１３の薄膜メンブレン構造体３００の機械的強度を比較できる。

結果は、図１から図４の構造の薄膜メンブレン構造体１０において破壊した個数は１０個であり、これに対し、図１３の薄膜メンブレン構造体３００において破壊した個数は３００個であった。このことから、図１から図４の構造、つまり、内側保持部と接続部とを有する構造の方が、図１３の構造のように周壁部のみの構造に比べ、格段に優れた機械的強度を有することが分かった。

本発明に係る薄膜メンブレン構造体は、熱式センサを搭載するために利用できる。また、本発明に係る半導体式薄膜ガスセンサは、例えば、アレイ状に複数のガスセンサ体を搭載するガスセンサとして利用できる。

１０，２１０，３００薄膜メンブレン構造体、２０薄膜メンブレン、２２，２６ＳｉＯ₂膜、２４ＳｉＮ膜、３０，６０，２３０，２６０，３１０保持基板、３１空隙、３２，３４，６２，６４，２３２，２６２，３１０周壁部、３３傾斜部、３６，３８，２３６内側保持部、４０，４２，４４，４６，７０，７２，７４，７６，２４０，２４２，２４４，２４６，２７０，２７２，２７４，２７６接続部、４８，５０，５２，５４，７８，８０，８２，８４，２７８，２８０，２８２，２８４空洞部、５６，１００，２５６半導体式薄膜ガスセンサ、８６，１０２，１１２ガスセンサ体、８８薄膜ヒータ、９０層間絶縁膜、９２感ガス膜、９４，９５ヒータ電極部、９６，９７感ガス電極部。

Claims

薄膜メンブレンと、
薄膜メンブレンを保持する保持基板と、
を備え、
保持基板は、
薄膜メンブレンの上下面のいずれか一方側の面を保持面として保持面の周縁部を保持する周壁部と、
薄膜メンブレンの周縁部の内側である内側部の少なくとも１箇所で薄膜メンブレンの保持面を保持する内側保持部と、
周壁部と内側保持部とを接続しながら薄膜メンブレンの保持面との間に空隙を有する接続部と、
を含むことを特徴とする薄膜メンブレン構造体。
請求項１に記載の薄膜メンブレン構造体において、
保持基板は、
薄膜メンブレンを保持する側の保持側と反対側を基部側として、
周壁部は、基部側で一様な壁厚である基部側壁厚を有し、保持側で基部側壁厚から次第に薄い壁厚となる傾斜壁厚を有することを特徴とする薄膜メンブレン構造体。
請求項２に記載の薄膜メンブレン構造体において、
保持基板は、
内側保持部として、薄膜メンブレンの内側部の中央部の１箇所で薄膜メンブレンを保持する中央保持部を有し、
接続部として、周壁部と中央保持部とを複数の仕切壁で接続して隣接する仕切壁の間に薄膜メンブレンの保持面まで到達する空洞部を形成する複数空洞部形成仕切壁を有することを特徴とする薄膜メンブレン構造体。
薄膜メンブレンと、
薄膜メンブレンの上下面のいずれか一方側の面をセンサ面として、センサ面に設けられるガスセンサ体と、
薄膜メンブレンを保持する保持基板と、
を備え、
保持基板は、
薄膜メンブレンの上下面のセンサ面と反対側の面を保持面として、保持面の周縁部を保持する周壁部と、
薄膜メンブレンの周縁部の内側である内側部の少なくとも１箇所で薄膜メンブレンの保持面を保持する内側保持部と、
周壁部と内側保持部とを接続しながら薄膜メンブレンの保持面との間に空隙を有する接続部と、
を含むことを特徴とする半導体式薄膜ガスセンサ。
請求項４に記載の半導体式薄膜ガスセンサにおいて、
保持基板は、
薄膜メンブレンを保持する側の保持側と反対側を基部側として、
周壁部は、基部側で一様な壁厚である基部側壁厚を有し、保持側で基部側壁厚から次第に薄い壁厚となる傾斜壁厚を有することを特徴とする半導体式薄膜ガスセンサ。
請求項５に記載の半導体式薄膜ガスセンサにおいて、
保持基板は、
内側保持部として、薄膜メンブレンの内側部の中央部の１箇所で薄膜メンブレンを保持する中央保持部を有し、
接続部として、周壁部と中央保持部とを複数の仕切壁で接続して隣接する仕切壁の間に薄膜メンブレンの保持面まで到達する空洞部を形成する複数空洞部形成仕切壁を有し、
ガスセンサ体は、保持基板の複数空洞部形成仕切壁によって形成される複数の空洞部に対応する薄膜メンブレンの複数の領域にそれぞれ形成されるアレイ状の複数のガスセンサ体であることを特徴とする半導体式薄膜ガスセンサ。