JP5212286B2 - 薄膜ガスセンサおよび薄膜ガスセンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型の薄膜ガスセンサ、および、この薄膜ガスセンサの製造方法に関するものである。

一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器等の用途に用いられ、ある特定ガス、例えば、ＣＯ，ＣＨ_４，Ｃ_３Ｈ_８，ＣＨ_３ＯＨ等の還元性ガスに選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。
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、これら両方の機能を併せ持ったもの等があるが、何れもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。
このため、ガス漏れ警報器の普及率を向上させる観点から、設置性の改善、具体的には、ガス漏れ警報器を電池駆動としてコードレス化することが望まれている。

電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８を検知する場合は、４００℃〜５００℃の高温に加熱して検知する必要がある。このため、ガス感知膜としてＳｎＯ_２等の粉体を焼結する従来の方法では、スクリーン印刷等の方法を用いても厚みを薄くするには限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大き過ぎるという問題があった。そこで、微細加工プロセスを用いてダイヤフラム構造等により超低熱容量構造とした薄膜ガスセンサの実現が待たれている。

このような薄膜ガスセンサの従来技術としては、例えば、特許文献１（特開２００８−４６００７号公報）に記載されたダイヤフラム構造の薄膜ガスセンサがある。
ここで、図３は、例えば特許文献１の図１に記載された薄膜ガスセンサとほぼ同様の、一般的なダイヤフラム構造の薄膜ガスセンサのＢ−Ｂ線断面図であり、図４は同じく薄膜ガスセンサの平面図である。

薄膜ガスセンサ１００は、図３のＢ−Ｂ線断面図で示すように、Ｓｉ基板１の上側に、熱酸化ＳｉＯ_２層２１、ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層２３によってダイヤフラム構造の熱絶縁支持層２が形成されている。また、ヒータ層３は、Ｐｔ−Ｗにより形成されており、熱絶縁支持層２の上側に設けられる。熱絶縁支持層２およびヒータ層３は、スパッタＳｉＯ_２層からなる電気絶縁層４により覆われる。Ｐｔによる一対の感知電極層５２の下側には、下地酸化膜である電気絶縁層４に対する中間層として、Ｔａによる接合層５１も形成されている。一対の感知電極層５２にはＳｎＯ_２からなるガス感知層５３が渡される。電気絶縁層４の一部、一対の感知電極層５２およびガス感知層５３はガス選択燃焼層５４により覆われている。

また、薄膜ガスセンサ１００は、図４の平面図で示すように、ガス検出信号出力部６が形成されている。ガス検出用導電層６１を通じてガス感知層５３からの検出信号を伝え、ガス検出用端子部６２に接続される導線（図示せず）を介して、ガス感知層５３における検出信号を図示しない信号処理部へ出力する。また、薄膜ガスセンサ１００は、ヒータ駆動信号入力部７も設けられており、図示しないヒータ駆動部からの駆動信号が導線を通じてヒータ駆動用端子部７２から入力され、ヒータ駆動用導電層７１を通じてヒータ駆動信号がヒータ層３に入力されてヒータ駆動を行う。そして、ヒータ層３により上記した温度まで加熱された状態でガス感知層５３がガスに接触し、変化する電気抵抗値を検出信号として出力することでセンサとして機能する。前述した特許文献１の薄膜ガスセンサでも同様な原理によりセンシングを行う。従来技術はこのようなものである。

特開２００８−４６００７号公報（図１等）

ダイヤフラム構造で低熱容量構造とした薄膜ガスセンサは、薄い膜状に形成されたダイヤフラム部の中心から半径方向外側へ向かって伝熱していくが、途中でダイヤフラム部に損傷（割れ・欠けなど）があると、機械的な歪みから均等に熱が伝わらず温度ムラが生じてセンサ特性が変化してしまうという問題があった。しかしながら、従来技術ではこのようなダイヤフラム部の損傷を検出する点については考慮されていなかった。この点は特許文献１の薄膜ガスセンサでも同様であった。

本発明はこのような課題を解決するためになされものであり、その目的は、ダイヤフラム部に生じる歪(熱による歪・割れによって生じた歪)を検出し、故障を自己診断するようにして、検出特性の変化により発生する事故の未然防止に寄与する薄膜ガスセンサを提供することにある。
更に本発明は、このような薄膜ガスセンサを製造する薄膜ガスセンサの製造方法も併せて提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、
貫通孔を有するＳｉ基板と、
前記貫通孔の開口部に張られるダイヤフラム様の熱絶縁支持層と、
前記熱絶縁支持層上に設けられるヒータ層と、
前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
前記電気絶縁層上に設けられる一対の感知電極層と、前記電気絶縁層および前記一対の感知電極層の上に設けられ、吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感知層と、前記電気絶縁層の一部とともに前記一対の感知電極層および前記ガス感知層を覆うガス選択燃焼層と、を有するガス検出部と、
前記電気絶縁層の上に設けられて歪みによりその電気抵抗値が変化する歪感知層と、前記電気絶縁層の一部とともに前記歪感知層を覆うように設けられる保護層と、を有する歪検出部と、
前記歪感知層に電気的に接続される歪検出用導電層と、
を備えることを特徴とする薄膜ガスセンサである。
ここに前記ヒータ層は、前記熱絶縁支持層上に直接設けられるか、または、接合層を介して設けられる。また、前記一対の感知電極層および前記歪検出用導電層は、前記電気絶縁層上に直接設けられるか、または、接合層を介して設けられる。

また、請求項２に記載した発明は、
請求項１に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記歪検出部は、前記貫通孔の開口部を覆うダイヤフラム部の上側に位置することを特徴とする薄膜ガスセンサである。

また、請求項３に記載した発明は、
請求項１または請求項２に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
ｎ個の前記歪検出部が同一円上において３６０°／ｎ毎に等角配置されることを特徴とする薄膜ガスセンサである。

また、請求項４に記載した発明は、
請求項３に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
４個の前記歪検出部が同一円上に９０°毎に等角配置され、かつホイートストンブリッジ回路が形成されるように前記歪検出用導電層が接続されることを特徴とする薄膜ガスセンサである。

また、請求項５に記載した発明は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記ガス感知層および前記歪感知層は、ＳｎＯ_２により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。

また、請求項６に記載した発明は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記電気絶縁層および前記保護層は、ＳｉＯ_２により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。

また、請求項７に記載した発明は、
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記一対の感知電極層および前記歪検出用導電層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。

また、請求項８に記載した発明は、
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記ガス選択燃焼層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金を触媒として担持したＡｌ_２Ｏ_３焼結材による層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。

また、請求項９に記載した発明は、
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記歪感知層は、前記ガス感知層と同時形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。

また、請求項１０に記載した発明は、
請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記歪検出用導電層は、前記一対の感知電極層と同時形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。

また、請求項１１に記載した発明は、
シリコンウェハ上に熱絶縁支持層、ヒータ層、および、電気絶縁層が順次形成される工程と、
前記電気絶縁層上に一対の感知電極層と歪検出用導電層とが同時に形成される工程と、
前記一対の感知電極層を跨いでガス感知層が、および、前記歪検出用導電層に接するように歪感知層が、それぞれ同時に形成される工程と、
前記歪感知層を覆うように保護層が形成される工程と、
前記ガス感知層の表面を覆うようにガス選択燃焼層が形成される工程と、
を有することを特徴とする薄膜ガスセンサの製造方法である。

本発明によれば、ダイヤフラム部に生じる歪(熱による歪・割れによって生じた歪)を検出し、故障を自己診断するようにして、検出特性の変化により発生する事故の未然防止に寄与する薄膜ガスセンサを提供することができる。
更に本発明によれば、このような薄膜ガスセンサを製造する薄膜ガスセンサの製造方法も併せて提供することができる。

本発明の実施形態を示す薄膜ガスセンサのＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施形態を示す薄膜ガスセンサの平面図である。 従来技術の薄膜ガスセンサのＢ−Ｂ線断面図である。 従来技術の薄膜ガスセンサの平面図である。

以下、図に沿って本発明を実施するための形態について説明する。
図１は本形態の薄膜ガスセンサのＡ−Ａ線断面図、図２は本形態の薄膜ガスセンサの平面図である。この図１，図２を参照しながら、本形態の構成を製造方法と共に説明する。ここに本形態の薄膜ガスセンサ１０は、先に図３，図４を用いて説明した薄膜ガスセンサ１００と比較すると、特に歪検出部８，歪検出信号出力部９が追加されている点が相違する。本形態の説明では、従来技術の図３と同一の構成要素には同一の番号を付すが、各部については改めて詳細に説明する。

この本形態の薄膜ガスセンサ１０は、図１，図２に示すように、シリコン基板（以下Ｓｉ基板）１、熱絶縁支持層２、ヒータ層３、電気絶縁層４、ガス検出部５、ガス検出信号出力部６、ヒータ駆動信号入力部７、歪検出部８、歪検出信号出力部９を備える。熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化ＳｉＯ_２層２１、ＣＶＤ―Ｓｉ_３Ｎ_４層２２、ＣＶＤ―ＳｉＯ_２層２３の三層構造となっている。ガス検出部５は、詳しくは、接合層５１、感知電極層５２、ガス感知層５３、ガス選択燃焼層５４を備える。このガス感知層５３はアンチモン（Ｓｂ）をドープした二酸化スズ層（以下、ＳｎＯ_２層）であり、ガス選択燃焼層５４は、詳しくはパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、または、パラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）とを含む合金の何れか触媒として担持した触媒担持多孔質アルミナ（触媒担持Ａｌ_２Ｏ_３焼結材）である。

そして、ヒータ層３は、ヒータ駆動信号入力部７を介して、図示しない信号処理・駆動部に電気的に接続されている。また、ガス検出部５（詳しくは一対の感知電極層５２を介してガス感知層５３）は、ガス検出信号出力部６を介して、図示しない信号処理・駆動部に電気的に接続されている。

続いて各部構成について説明する。
Ｓｉ基板１はシリコン（Ｓｉ）により形成され、貫通孔を有するように形成される。
熱絶縁支持層２はこの貫通孔の開口部に張られてダイヤフラム様に形成されており、Ｓｉ基板１の上側に設けられる。以下、貫通孔の上側で不支持状態で張り渡されている薄い熱絶縁支持層２および電気絶縁層４による薄膜部は、ダイヤフラム部であるとして説明する。

この熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化ＳｉＯ_２層２１、ＣＶＤ―Ｓｉ_３Ｎ_４層２２、ＣＶＤ―ＳｉＯ_２層２３の三層構造となっている。
熱酸化ＳｉＯ_２層２１は、熱絶縁層として形成され、ヒータ層３で発生する熱をＳｉ基板１側へ熱伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。また、この熱酸化ＳｉＯ_２層２１はプラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、後述するプラズマエッチングによるＳｉ基板１への貫通孔の形成を容易にする。
ＣＶＤ―Ｓｉ_３Ｎ_４層２２は、熱酸化ＳｉＯ_２層２１の上側に形成される。
ＣＶＤ―ＳｉＯ_２層２３は、ＣＶＤ―Ｓｉ_３Ｎ_４層２２の上側に形成される。ＣＶＤ―ＳｉＯ_２層２３は、ヒータ層３との密着性を向上させるとともに電気的絶縁を確保する。ＣＶＤ（化学気相成長法）によるＳｉＯ_２層は内部応力が小さい。

ヒータ層３は、薄膜状のＰｔ−Ｗ（白金−タングステン）ヒータであって、熱絶縁支持層２のほぼ中央の上面に設けられる。ヒータ層３には、図２で示すように、ヒータ駆動信号入力部７が接続される。詳しくは、ヒータ駆動信号入力部７の二個のヒータ駆動用導電層７１がヒータ層３に電気的に接続されている。ヒータ駆動用導電層７１は電源供給ラインとなる。ヒータ駆動用導電層７１の一端は電気絶縁層４内に埋設して二方向からヒータ層３に接続されるように設けられる。この二個のヒータ駆動用導電層７１の他端はそれぞれヒータ駆動用端子部７２に接続される。ヒータ駆動用端子部７２は外界に露出する電極パッドとなる。このヒータ駆動用端子部７２からワイヤ等で配線されて信号処理・駆動部（図示せず）に電気的に接続される。なお、ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７と、熱絶縁支持層２と、の間にＴａ膜（タンタル膜）による接合層を介在させ、接合強度を高めている。

電気絶縁層４は、電気的に絶縁を確保するスパッタＳｉＯ_２層からなり、熱絶縁支持層２、ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７のヒータ駆動用導電層７１を覆うように設けられる。また、電気絶縁層４は、ヒータ層３と一対の感知電極層５２との間に電気的な絶縁を確保しつつガス感知層５３との密着性を向上させる。

接合層５１は、電気絶縁層４の上に設けられたＴａ膜（タンタル膜）である。このＴａ膜による接合層５１は、感知電極層５２と電気絶縁層４との間に介在して接合強度を高める機能を有している。この接合層５１は左右一対となるように二箇所に設けられる。

感知電極層５２は、接合層５１の上面に、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金により形成される層を設けたものである。以下、本形態では例示的にＰｔであるものとして説明する。このような感知電極層５２も、ガス感知層５３の感知電極となるように左右一対に二箇所に設けられる。一対の感知電極層５２には、図２で示すように、ガス検出信号出力部６が接続される。詳しくは、ガス検出信号出力部６の二個のガス検出用導電層６１が一対の感知電極層５２にそれぞれ電気的に接続されている。ガス検出用導電層６１は信号ラインとなる。ガス検出用導電層６１は電気絶縁層４の上面で二方向へ設けられる。この二個のガス検出用導電層６１はそれぞれガス検出用端子部６２に接続される。ガス検出用端子部６２は外界に露出する電極パッドとなる。このガス検出用端子部６２からワイヤ等で配線されて信号処理・駆動部（図示せず）に電気的に接続される。ここで、ガス検出用導電層６１は電気絶縁層４の表面にあるため、埋設されるヒータ駆動用導電層７１とは間違えにくいという利点もある。

ガス感知層５３は、ＳｂをドープしたＳｎＯ_２層からなり、図１，図２に示すように、一対の感知電極層５２を渡されるように電気絶縁層４の上に形成される。

ガス選択燃焼層５４は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、または、白金（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）とを含む合金である触媒を担持した焼結体であり、先に説明したように触媒担持多孔質アルミナである。本形態では例示的にＰｄを担持するＰｄ担持Ａｌ_２Ｏ_３焼結材であるとして説明する。多孔質体であるガス選択燃焼層５４では、孔を通過する検出対象ガスが触媒に接触する機会を増加させており、燃焼反応を促進させる。ガス選択燃焼層５４は、電気絶縁層４の一部、一対の感知電極層５２およびガス感知層５３の表面を覆うように設けられる。
このような薄膜ガスセンサ１００はダイヤフラム構造により高断熱，低熱容量の構造としている。

つづいて、本発明の特徴をなす部分であり、歪みを検出する構成について説明する。
歪検出部８は、歪感知層８１と、保護層８２と、を有する。
歪検出信号出力部９は、８箇所の歪検出用導電層９１、４個の歪検出用端子部９２を備える。

歪検出部８の歪感知層８１は、ＳｂをドープしたＳｎＯ_２層からなり、図１に示されるように、電気絶縁層４の上に形成される。歪感知層８１は、電気絶縁層４から受ける歪みによりその電気抵抗値が変化する。これは物体に応力を加えたときに電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を利用するものであり、歪感知層８１はピエゾ抵抗素子となる。
歪検出部８の保護層８２は、電気的に絶縁を確保するスパッタＳｉＯ_２層からなる。保護層８２は、歪感知層８１を覆うように電気絶縁層４の一部および歪感知層８１上に設けられる。

そしてこのような歪検出部８は、図２でも明らかなように、４個設けられており、４個の歪検出部８が矢印Ｃで示される同一円の上にて９０°毎に等角配置される。歪検出部８の配置であるが、図２で示すように、歪検出部８の長手方向が同一円の接線方向と同じ方向になるようにする。または、図示はしないが、歪検出部８の長手方向が同一円の半径方向と同じ方向になるようにしても良い。何れの場合であっても、長手方向を統一して配置する。なお、この円の中心にはガス感知層５３・ヒータ層３が位置している。

４個の歪検出部８には、図２で示すように、歪検出信号出力部９が接続される。詳しくは、歪検出信号出力部９の二個の歪検出用導電層９１が歪感知層８１にそれぞれ電気的に接続されている。この歪検出用導電層９１は電気絶縁層４上であって外側付近に設けられる。歪検出用導電層９１はいずれも略Ｌ字状に形成される信号ラインとなる。殆どの歪検出用導電層９１が外側付近に位置し、歪感知層８１との接続箇所のみ半径方向に伸びる歪検出用導電層９１が接続されることとなる。これにより、歪検出用導電層９１はダイヤフラム部の外側の厚みが大きい箇所に位置するため、歪検出用導電層９１への歪みの影響を受けにくくしている。

この二個の歪検出用導電層９１はそれぞれ歪検出用端子部９２に接続される。歪検出用端子部９２は外界に露出する電極パッドとなる。この歪検出用端子部９２から図示しないワイヤ等で配線されて信号処理・駆動部（図示せず）に電気的に接続される。
歪感知層８１にダイヤフラム部を通じて応力が加わったときに歪感知層８１は電気抵抗が変化するピエゾ抵抗素子として機能する。このため、４個の歪検出部８および歪検出信号出力部９は、歪検出を行う歪みセンサとして機能する。

そして、ダイヤフラム上に配置された４個の歪感知層８１に対し８個の歪検出用導電層９１を接続したときは、図２からも明らかなように、ホイートストンブリッジ回路を形成している。このホイートストンブリッジ回路では例えば、１８０°対向する位置にある２個の歪検出用端子部９２に電圧を印加し、１８０°対向する位置にある残る２個の歪検出用端子部９２を流れる電流を検知すれば歪みの発生を検出できるようになる。

ホイートストンブリッジ回路の性質上高感度（僅かな歪み）の検出が可能となる。初期状態では対向位置にある２個の歪検出用端子部９２を流れる電流を０となるようにするか、または、初期状態でも流れる電流値を予め測定の上で登録しておけば、電流値の変化の有無から通常状態が異常状態かを検出できる。

このように構成される歪検出部８では、特に貫通孔により機械的不支持となっているダイヤフラム部の上にのみ４個の歪感知層８１が配置されるようにして、ダイヤフラム部の歪みを検出し易いように配慮している。また、矢印Ｃで示される同一円の上に配置しているが、これは半径位置により歪みが変化する傾向（一般にダイヤフラム部の中央の歪みが最も大きく、また、貫通孔の内壁近傍の歪みが小さい）に影響されないようにするためである。これにより検出精度を向上させている。

また、前述のような歪感知層８１の向きを統一したため、歪感知層８１の電気抵抗値の増減は全て同じになる。したがって、ダイヤフラム部に歪が発生して歪感知層８１の電気抵抗値が変化してもダイヤフラム部に異常がなければ直ちにブリッジ出力に大幅な変化は生じない。しかしダイヤフラム部に故障が存在して抵抗値の変化に大幅な違いが出てくると、ブリッジ出力も大幅に変化して直ちに故障を検知できるようになる。
また、図２からも明らかなように、４個の歪感知層８１と、２個のガス検出用導電層６１や２個のヒータ駆動用導電層７１と、はそれぞれ交互に配置されるため機械的に無駄のない配置を実現している。

ここに、ガス感知層５３および歪感知層８１は、ともにＳｎＯ_２により形成される層とした。これにより、製造時にガス感知層５３および歪感知層８１を一括して形成できるため、製造工程の削減によりコストの大幅な削減に寄与する。

また、電気絶縁層４および保護層８２は、ともにＳｉＯ_２により形成される層とした。これにより、電気絶縁層４と保護層８２とは、密着性を向上させて、歪みからの影響を受けにくくしている。

また、一対の感知電極層５２および歪検出信号出力部９は、Ｐｔ（白金）により形成される層とした。これにより、製造時に一対の感知電極層５２および歪検出信号出力部９を一括して形成できるため、やはり製造工程の削減によりコストの大幅な削減に寄与する。なお、Ｐｔに代えてＰｄ（パラジウム）またはＰｄとＰｔとを含む合金としても良いが、一対の感知電極層５２および歪検出信号出力部９を共通の材料にて形成すれば良い。

また、ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７は、同じＰｔ−Ｗ（白金−タングステン）により形成される層とした。これにより、製造時にヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７を一括して形成できるため、やはり製造工程の削減によりコストの大幅な削減に寄与する。

続いて薄膜ガスセンサ１０の使用について説明する。本形態のヒータ層３やガス感知層５３は１μｍ以下の薄膜で形成し、かつダイヤフラム構造などを採用したため、低熱容量構造を実現しているが、電池駆動を実現するためには更なる低消費電力化が必要である。そこで、薄膜ガスセンサのパルス駆動が必須となる。通常、ガス漏れ警報器は３０〜１５０秒の一定周期に一回の検知が必要であり、この周期に合わせて薄膜ガスセンサ１０のガス感知層５３を室温から４００℃〜５００℃の高温に加熱する。上述したように電池駆動実現のため、この加熱時間は数１００ｍｓ以下が目標となる。

パルス駆動の薄膜ガスセンサ１０においても、低消費電力化のためには、検出温度の低温化、検出時間の短縮、検出サイクルの長期化（通電をｏｆｆする時間を長くする）が重要である。薄膜ガスセンサ１０における検出温度は、検出対象のガス種に対する検出感度等から、例えばＣＨ_４センサでは４００℃〜５００℃程度（例えば４５０℃）とされ、検出時間はセンサの応答性から５００ｍｓ以下、検出サイクルは、例えばＣＨ_４センサでは３０秒とされている。このように昇温と降温とを繰り返すため、ダイヤフラム部にはストレスが加わることになる。

また、このような薄膜ガスセンサ１０の使用時において、ホイートストンブリッジ回路として形成される歪検出部８と歪検出信号出力部９により入力側の二個の歪検出用端子部９２に電圧を印加し、また、残る出力側の二個の歪検出用端子部９２から検出信号を取得した状態とし、図示しない駆動・信号処理部が電流値の変化を抵抗値の変化として検出し、割れなどのダイヤフラム部の異常として検出する。薄膜ガスセンサ１０の使用はこのようなものである。

続いて薄膜ガスセンサ１０の製造について説明する。
最初は、シリコンウェハ上に熱絶縁支持層、ヒータ層、および、電気絶縁層が形成される工程が行われる。
まず、シリコンウェハ（図示せず）の表裏両面に熱酸化法により熱酸化が施されて例えば膜圧０．３μｍの熱酸化ＳｉＯ_２膜が形成される。熱酸化ＳｉＯ_２層２１は一方の面に形成された熱酸化ＳｉＯ_２膜が該当する。

このシリコンウェハの一方の面の熱酸化ＳｉＯ_２層２１に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層２２を形成する。このＣＶＤ―Ｓｉ_３Ｎ_４層２２は、例えば平行平板型プラズマＣＶＤ装置で約３００℃の温度でＳｉＨ_４＋ＮＨ_３＋Ｎ_２ガスの雰囲気下で堆積して形成した膜圧０．１０μｍのＣＶＤ―Ｓｉ_３Ｎ_４膜である。

ＣＶＤ―ＳｉＯ_２層２３は、ＣＶＤ―Ｓｉ_３Ｎ_４層２２の上面に設けられる。このＣＶＤ―ＳｉＯ_２層２３は、プラズマＣＶＤ法を用いるものであり、詳しくは平行平板型プラズマＣＶＤ装置において約３００℃の温度でＳｉＨ_４＋Ｎ_２Ｏ＋Ｎ_２ガスの雰囲気下で堆積して形成した膜圧１μｍのＣＶＤ―ＳｉＯ_２膜である。

ここまで製造したシリコンウェハは、管状炉で５５０℃×１時間（２０％Ｏ_２／Ｎ_２）でアニールされる。このアニールによりシリコンウェハは、脱ガスされる。
これら熱酸化ＳｉＯ_２層２１、ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層２３により熱絶縁支持層２が形成される。

そして、ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層２３の表面に、Ｐｔ−Ｗからなるヒータ駆動信号入力部７およびＰｔ−Ｗからなるヒータ層３が形成される。まず熱絶縁支持層２の上面に接合層として機能するＴａを１０ｎｍの膜厚に形成する。次いでこの接合層の上面にヒータ駆動信号入力部およびヒータ層として機能するＰｔ−Ｗ（Ｐｔ＋４^ｗｔ％Ｗ）膜を４００ｎｍの膜厚に形成する。これらＴａ，Ｐｔ−Ｗの成膜はＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング方法によって行う。Ａｒガス圧力は１．０Ｐａ、成膜温度は３００℃、ＲＦパワーは２Ｗ／ｃｍ^２である。

このようにして形成したＴａ／Ｐｔ−Ｗ層に対し、さらに微細加工によりヒータパターンとなるヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７を形成する。ヒータパターンとして、中央のヒータ層３、電源供給ラインとしてのヒータ駆動信号入力部７のヒータ駆動用導電層７１、電極パッドとしてのヒータ駆動信号入力部７のヒータ駆動用端子部７２を含む。ウェットエッチングのエッチャントとして、Ｔａには水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液、Ｐｔ−Ｗには王水をそれぞれ９０℃に加熱して用いた。

続いて電気絶縁層４を形成する。ヒータパターンとなるヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７が形成されたＴａ／Ｐｔ−Ｗ層の上面に、スパッタ法によりＳｉＯ_２絶縁膜を１０００ｎｍの膜厚に形成してスパッタＳｉＯ_２層を設ける。これらの成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。そして、このスパッタＳｉＯ_２層にＨＦにてエッチングによる微細加工によってヒータの電極パッドとなるヒータ駆動用端子部７２部分を窓開けする。次いで窓内には、導通の確保とワイヤボンディング性を向上するため、水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液で除去して電極パッドとなるヒータ駆動用端子部７２を完成させる。

次に、電気絶縁層４上に一対の感知電極層５２と歪検出信号出力部９とが同時に形成される工程が行われる。
まず、下地の電気絶縁層４との密着性を向上させるため、電気絶縁層４の上に接合層となるＴａ層を形成する。この成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。これらスパッタリング法によるＴａの成膜条件は、Ａｒガス圧力１．０Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２とした。Ｔａの膜圧は１０ｎｍとした。

続いてＴａ層の上にＰｔ層を形成する。この成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。これらスパッタリング法によるＰｔの成膜条件は、Ａｒガス圧力１．０Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２とした。Ｐｔの膜圧は２００ｎｍとした。

そして、このようにして形成したＴａ／Ｐｔ層に対し、さらに微細加工により感知電極パターンを形成することで一対の接合層５１、一対の感知電極層５２、および、歪検出信号出力部９（歪検出用導電層９１・歪検出用端子部９２）を一括して形成する。このように感知電極パターンに歪検出信号出力部パターンを追加して、同時に形成する。

ウェットエッチングのエッチャントとして、Ｔａには水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液、Ｐｔには王水をそれぞれ９０℃に加熱して用いた。最終的に、膜厚が１０ｎｍの接合層５１、および、この接合層５１の上に膜圧が２００ｎｍの感知電極層５２が形成されるとともに、膜厚が１０ｎｍの接合層、およびこの接合層の上に膜圧が２００ｎｍの歪検出信号出力部９が形成される。すなわち、一対の接合層５１、一対の感知電極層５２、および、歪検出信号出力部９（歪検出用導電層９１・ガス検出用端子部９２）が一括形成される。

そして、一対の感知電極層５２を跨いでガス感知層５３が、および、歪検出用導電層９１に接するように歪感知層８１が、それぞれ同時に形成される工程が行われる。
一対の感知電極層５２を跨ぎつつその間の電気絶縁層４の表面を覆うようにガス感知層５３を成膜し、また、同時に二本の歪検出用導電層９１の両方の端部を跨ぐように歪感知層８１が形成される。ガス感知層５３および歪感知層８１は、Ｓｂ―ｄｏｐｅｄ ＳｎＯ_２膜である。これらはガス検知膜成膜時に歪感知膜用のパターンを追加して、同時に形成する。

このガス感知層５３の形成方法は、まず、レジストで全面を覆った後に、微細加工でガス感知層５３を成膜する部分（一対の感知電極層５２の上面、および、一対の感知電極層５２の間の部分）と歪感知層８１を成膜する部分（二本の歪検出用導電層９１の端部の上側部分）のレジストを除去する。これにより、開口部以外をレジストで被覆したパターンを形成する。この開口部のサイズは、例えば、ガス感知層５３で１００μｍ□、また、歪感知層８１で５０μｍ□となる。なお、数値は一例である。

次に、上記のパターニングが施されたウェハをスパッタチャンバにセットし、ガス感知層５３および歪感知層８１となるＳｎＯ_２薄膜をスパッタ成膜する。成膜条件はＡｒ＋Ｏ_２ガス圧力が２Ｐａ、基板温度が１５０℃〜３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２である。ＣＨ_４センサ用のガス感知層５３を含むＳｎＯ_２膜全体としては、Ｓｂを０．５ｗｔ％含有する４００ｎｍ厚のＳｎＯ_２膜（Ｓｂ−ＳｎＯ_２膜）を成膜する。

所定厚みとなるようにＳｎＯ_２薄膜をスパッタで成膜した後、レジストリフトオフ法でレジストの除去と同時に不要部分（レジスト上）に付着したＳｎＯ_２薄膜を除去する。そして４００ｎｍ厚みのＳｎＯ_２薄膜が成膜される。このようにして形成されたガス感知層５３の大きさは１００μｍ□程度、歪感知層８１の大きさは５０μｍ□となる。

次にダイヤフラム加工を行う前に、歪感知層８１を覆うように保護層８２が形成される工程が行われる。歪感知層８１のみ露出するようなパターンを有するメタルマスクを使用してＳｎＯ_２薄膜がスパッタリングにより成膜される。この成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。これらスパッタリング法による成膜条件は、Ａｒガス圧力１．０Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２とした。また、保護層であるＳｉＯ_２の膜厚は１０００ｎｍである。

次いで、シリコンウェハー（図示せず）の裏面よりその裏面から微細加工プロセスとしてドライエッチングにより円柱状のＳｉを除去し、ダイヤフラム構造を形成する。例えば、４００μｍ径の貫通孔が形成される。

その後、Ｐｄによる触媒を担持したアルミナ粉末、バインダおよび有機溶剤を混合調製した印刷ペーストをスクリーン印刷でガス感知層５３の表面を覆うように塗布印刷し、室温で乾燥後、空気中において５５０℃で１時間焼き付け、焼成（厚み２０〜３０μｍ）してガス選択燃焼層５４を形成する。ガス選択燃焼層５４は、電気絶縁層４の一部、一対の感知電極層５２、ガス感知層５３を覆うように形成される。なお、触媒としてＰｄに代えてＰｔ、または、ＰｄとＰｔとを含む合金としてもよい。

ここで先に説明したように下地となる熱絶縁支持層２はアニールにより５５０℃まで脱ガスが施されており、このガス選択燃焼層５４の焼成時に膨れ・剥離の発生は起こらない。このようにして形成したガス選択燃焼層５４の大きさは、約３０μｍ厚であり、ガス感知層５３を十分に覆うような大きさとする。このガス選択燃焼層５４により感度、ガス種選択性、信頼性が向上する。

その後にシリコンウェハ（図示せず）からチップを切り出してシリコンウェハ（図示せず）はＳｉ基板１となり、ダイヤフラム（ＤＰ）構造の薄膜ガスセンサ１０となる。例えばＣＨ_４センサチップとしてパッケージに組み込むことによりＣＨ_４センサとなる。薄膜ガスセンサ１０の製造方法はこのようなものである。

この薄膜ガスセンサ１０の製造方法において、歪感知層８１は、ガス感知層５３と同時形成される層としており、工程の簡略化に寄与する。
また、歪検出用導電層９１は、一対の感知電極層５２と同時形成される層であり、やはり工程の簡略化に寄与する。このように従来技術の薄膜ガスセンサの製造コストと比較してもコスト増大を抑止した薄膜ガスセンサとしている。

このような薄膜ガスセンサでは以下のような改良形態が可能である。
先に説明した歪検出部８は、図２でも明らかなように、４個設けられており、４個の歪検出部８が矢印Ｃで示される同一円の上にて９０°毎に等角配置されるものとして説明した。しかしながら、この歪検出部８は４個に限定する趣旨ではなく、例えば、ｎ個の歪検出部８が同一円上において３６０°／ｎ毎に等角配置されるようにしても良い。ｎ個とは例えば２個、３個、６個などである。この場合、例えば、ホイートストンブリッジ回路を形成しなくても、ｎ個の歪検出部８の歪感知層８１を電気的に直列接続するような形式でも抵抗の変化の検出自体は可能である。このような薄膜ガスセンサとしても良い。

また、ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７の下側には密着性を向上させるため接合層（Ｔａ層）を併せて形成する構成とした。しかしながら、この接合層（Ｔａ層）を省略してもある程度の密着性を確保できるため、下地となるＣＶＤ―ＳｉＯ_２層２３に直接ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７を形成した構成としても良い。

また、感知電極層５２および歪検出信号出力部９の下側にも密着性を向上させるため接合層（Ｔａ層）を併せて形成する構成とした。しかしながら、この接合層（Ｔａ層）を省略してもある程度の密着性を確保できるため、下地となる電気絶縁層４に直接感知電極層５２および歪検出信号出力部９を形成した構成としても良い。

以上本発明の薄膜ガスセンサについて説明した。このような薄膜ガスセンサによれば、特にダイヤフラム上に形成した歪感知層８１で構成された回路（例えばホイートストンブリッジ回路）により歪を検出することにより、ダイヤフラム部に発生した故障が自己診断できるようになるので、信頼性の高い薄膜ガスセンサを提供する事ができる。

本発明は、特にガス漏れ警報器等の適用が好ましい薄膜ガスセンサおよびこの薄膜ガスセンサの製造方法とした。

１：Ｓｉ基板
２：熱絶縁支持層
２１：熱酸化ＳｉＯ_２層
２２：ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層
２３：ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層
３：ヒータ層
４：電気絶縁層
５：ガス検出部
５１：接合層
５２：感知電極層
５３：ガス感知層
５４：選択燃焼層
６：ガス検出信号出力部
６１：ガス検出用導電層
６２：ガス検出用端子部
７：ヒータ駆動信号入力部
７１：ヒータ駆動用導電層
７２：ヒータ駆動用端子部
８：歪検出部
８１：歪感知層
８２：保護層
９：歪検出信号出力部
９１：歪検出用導電層
９２：歪検出用端子部

Claims (11)

1. 貫通孔を有するＳｉ基板と、
   前記貫通孔の開口部に張られるダイヤフラム様の熱絶縁支持層と、
   前記熱絶縁支持層上に設けられるヒータ層と、
   前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
   前記電気絶縁層上に設けられる一対の感知電極層と、前記電気絶縁層および前記一対の感知電極層の上に設けられ、吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感知層と、前記電気絶縁層の一部とともに前記一対の感知電極層および前記ガス感知層を覆うガス選択燃焼層と、を有するガス検出部と、
   前記電気絶縁層の上に設けられて歪みによりその電気抵抗値が変化する歪感知層と、前記電気絶縁層の一部とともに前記歪感知層を覆うように設けられる保護層と、を有する歪検出部と、
   前記歪感知層に電気的に接続される歪検出用導電層と、
   を備えることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
2. 請求項１に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
   前記歪検出部は、前記貫通孔の開口部を覆うダイヤフラム部の上側に位置することを特徴とする薄膜ガスセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
   ｎ個の前記歪検出部が同一円上において３６０°／ｎ毎に等角配置されることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
4. 請求項３に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
   ４個の前記歪検出部が同一円上に９０°毎に等角配置され、かつホイートストンブリッジ回路が形成されるように前記歪検出用導電層が接続されることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
   前記ガス感知層および前記歪感知層は、ＳｎＯ_２により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
   前記電気絶縁層および前記保護層は、ＳｉＯ_２により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
   前記一対の感知電極層および前記歪検出用導電層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
   前記ガス選択燃焼層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金を触媒として担持したＡｌ_２Ｏ_３焼結材による層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
9. 請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
   前記歪感知層は、前記ガス感知層と同時形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
10. 請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
    前記歪検出用導電層は、前記一対の感知電極層と同時形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
11. シリコンウェハ上に熱絶縁支持層、ヒータ層、および、電気絶縁層が順次形成される工程と、
    前記電気絶縁層上に一対の感知電極層と歪検出用導電層とが同時に形成される工程と、
    前記一対の感知電極層を跨いでガス感知層が、および、前記歪検出用導電層に接するように歪感知層が、それぞれ同時に形成される工程と、
    前記歪感知層を覆うように保護層が形成される工程と、
    前記ガス感知層の表面を覆うようにガス選択燃焼層が形成される工程と、
    を有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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