JP5686050B2 - マイクロヒータ素子 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン化合物等の支持膜の表面に形成された発熱体を有するマイクロヒータ素子に関する。本マイクロヒータ素子は、例えば、赤外線検知センサのための光源又はガス量等を検知するセンサを加熱するというような用途に用いられる。

膜状の発熱体を有するヒータが知られている。例えば、特許文献１には、パターン溝を有する支持膜のパターン溝上にヒータを形成して、ガスセンサを作製することが記載されている。特許文献２には、薄膜抵抗体を成膜した基板の中央部に空洞部を設けた検出装置が記載されている。特許文献３には、基板に形成された空洞部を架橋するように設けられた薄膜発熱部を有する構成のマイクロヒータが記載されている。

特開平８−２７８２７４号公報 特開平８−２９２２０２号公報 特開平１１−２７１１２３号公報

支持膜の表面に発熱体等の膜を形成した構造は、いわゆるメンブレン構造と呼ばれるものである。メンブレン構造は、温度変動、圧力変動又は落下等の衝撃に対してメンブレン構造の耐久性低下を招きやすいという課題がある。これは、支持膜及び支持膜の表面に形成される発熱体等の膜に発生する応力の有無に係わらず、メンブレン構造を有するデバイスに共通の課題である。本発明は、メンブレン構造を有するマイクロヒータ素子の耐久性低下を抑制することを目的とする。

本発明は、両方の表面に複数の凹凸を有する支持膜と、前記支持膜の一方の表面に設けられる発熱体と、前記支持膜の周囲を支持し、かつ前記発熱体と対向する部分が取り除かれた基板と、を含むことを特徴とするマイクロヒータ素子である。

このマイクロヒータ素子は、表面に発熱体を有する支持膜を、前記発熱体と対向する部分が取り除かれた枠形状の基板によって支持した、メンブレン構造を有する素子である。メンブレン構造とは、Ｓｉ（シリコン）等の基板上に薄膜により発熱体その他の薄膜デバイス等を作製した後、ドライエッチング法又はウェットエッチング法等の除去手法を用いて、基板の一部を取り除くことによって得られた薄膜デバイスの部分をいう。このマイクロヒータ素子は、発熱体を支持し、かつ基板に支持される支持膜が複数の凹凸を有している。この凹凸により、このマイクロヒータ素子は、温度変動、圧力変動又は落下等の衝撃に対してメンブレン構造、すなわち、枠形状の基板によって支持された支持膜及びこの支持膜が支持する発熱体を含む構造の耐久性低下を抑制することができる。また、支持膜は、発熱体の熱が伝導し、発熱体が設けられていない部分からも赤外線が放射される。このマイクロヒータ素子は、支持膜に凹凸を設けることにより、赤外線の放射に寄与する支持膜の表面積を増大させることができるので、出力が増加する。

本発明において、前記凹部の深さ又は前記凸部の高さは、５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすることで、メンブレン構造を有するマイクロヒータ素子の耐久性低下をより確実に抑制できる。また支持膜の表面積を増大させることにより、マイクロヒータ素子の出力が大きくなる。

本発明において、前記発熱パターンは、所定の配線パターンが繰り返されることが好ましい。このようにすることにより、発熱体から支持膜が露出する面積が大きくなるので、マイクロヒータ素子の出力が大きくなる。また、マイクロヒータ素子が落下等したときにおいては、衝撃を吸収しやすくなる。

本発明において、前記発熱体が設けられる前記支持膜は、前記発熱体が存在する部分よりも前記発熱体が存在しない部分の方が突出又は凹んでいることが好ましい。支持膜が衝撃又は熱膨張等を受けた場合、凹部と凸部との間で支持膜は伸縮することにより、衝撃又は熱膨張等を吸収する。発熱体が凹部と凸部との両方にまたがって形成されると、発熱体は、衝撃等による支持膜の伸縮の影響を受けて変形し、発熱体の耐久性の低下を招くおそれがある。支持膜を、発熱体が存在する部分よりも発熱体が存在しない部分の方を突出又は凹ませることにより、凹部と凸部との両方を発熱体が跨がないようにすることができる。その結果、発熱体は、衝撃等に起因して発生する支持膜の伸縮による変形が低減されるので、発熱体の耐久性低下を抑制できる。さらには支持膜に凹凸を設けることにより、赤外線の放射に寄与する支持膜の表面積を増大させることができるので、出力が増加する。

本発明において、前記発熱体は、表面に被覆層として赤外線放出膜又は保護膜を有することが好ましい。このようにすることで、マイクロヒータ素子が赤外線を放出する効率を向上させることができる。また、保護層により、発熱体を保護することができる。

本発明において、前記発熱体は、センサを形成する薄膜の層を表面に有することが好ましい。このようにすることで、発熱体を保護できるとともに、ガス濃度を検知する等のセンサ素子として用いることができる。

このマイクロヒータ素子は、支持膜に凹凸を有するので、温度変動、圧力変動又は落下等の衝撃に対してメンブレン構造の耐久性低下を抑制することができる。また、このマイクロヒータ素子は、前記凹凸により赤外線の放射に寄与する支持膜の表面積を増大させることができるので、出力が増加する。

本発明は、メンブレン構造を有するマイクロヒータ素子の耐久性低下を抑制することができる。

図１は、実施形態１に係わるマイクロヒータ素子の平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。 図３は、実施形態２に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。 図４は、実施形態４に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。 図５は、実施形態５に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。 図６は、マイクロヒータ素子のメンブレン構造全体に作用する応力が引張応力である例を示す断面図である。 図７は、実施形態６に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。 図８は、比較例１に係わるマイクロヒータ素子の構造を示す断面図である。 図９は、比較例２に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係わるマイクロヒータ素子の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。なお図２においては、基板３の横方向（基板３の板面と平行な方向）の寸法倍率に対して、垂直方向（基板３の板面と直交する方向）の寸法倍率を大きくして示している。これは堆積する薄膜の厚みが薄いため、構造を理解するためには寸法倍率を上げて示す必要があるからである。これは図３から図９についても同様である。マイクロヒータ素子１は、支持膜２と、発熱体４と、基板３とを有する。本実施形態においては、マイクロヒータ素子１は、発熱体４に電力を供給するための端子電極５Ａ、５Ｂ及び端子電極５Ａ、５Ｂと発熱体４の両端とを電気的に接続する配線６Ａ、６Ｂを有している。

図１、図２に示すように、支持膜２は、平面視が長方形（正方形を含む）形状の部材であり、発熱体４を有する。支持膜２は、例えば、ＳｉＯ_２（二酸化シリコン）、ＳｉＮ_ｘ（窒化シリコン）、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）等の薄膜を用いることができるが、本実施形態では、ＳｉＯ_２である。発熱体４は、支持膜２の表面に接する第１発熱体４Ｉと、第１発熱体４Ｉの表面に接する第２発熱体４Ｓとを有する。本実施形態において、第１発熱体４ＩはＴｉの薄膜であり、第２発熱体４ＳはＰｔの薄膜である。この他にも、第１発熱体４Ｉ及び第２発熱体４Ｓは、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ａｕ（金）、Ｓｉ（シリコン）、ＮｉＣｒ（ニッケルクロム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｗ（タングステン）等の導電性材料が用いられる。

支持膜２は、基板３に支持される。基板３は、例えば、Ｓｉ（シリコン）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等を用いることができるが、本実施形態では、Ｓｉである。本実施形態において、基板３は、支持膜２の発熱体が形成された領域Ｂと対向する部分が除去されて、４本の棒状部材をそれぞれのなす角度が９０度になるように、それぞれの端部で組み合わせた形状となっている。このように、基板３は、平面視が枠状の部材である。支持膜２は、周囲が基板３に支持され、発熱体が形成された領域Ｂは基板３に支持されていない。このように、マイクロヒータ素子１は、発熱体が形成された領域Ｂがメンブレン構造になっている。

発熱体４は、支持膜２の表面に、ミアンダ（ジグザグ形状のパターン）状に形成されている。本実施形態において、発熱体４は、所定の配線パターンが繰り返されて、ミアンダ状になっている。このようにすることにより、マイクロヒータ素子１が落下等したときにおいて、衝撃を吸収しやすくなる。また、発熱体４から露出する支持膜２が後述するように凸部となり平面状態のときより面積が大きくなるので、マイクロヒータ素子１の出力が大きくなる。

図２に示すように、支持膜２は、複数の凹部２Ｖと複数の凸部２Ｍとを有しており、凹部２Ｖと凸部２Ｍとが交互に配置されている。すなわち、支持膜２は、複数の凹凸を有している。凹部２Ｖと凸部２Ｍとは、支持膜２の厚みは変化させずに、支持膜２の両面に形成される。すなわち、支持膜２の一方の表面に凸部が形成されている部分は、他方の表面において凹部となり、支持膜２の一方の表面に凹部が形成されている部分は、他方の表面において凸部となる。このように、支持膜２は、一方の面と他方の面とが平行な状態で、複数の凹部２Ｖと凸部２Ｍとを有する。

マイクロヒータ素子１は、凹部２Ｖに発熱体４を有している。すなわち、ミアンダ状の発熱体４は、凹部２Ｖ（隣接する凸部２Ｍの間）に形成されている。このように、支持膜２は、発熱体４が存在する部分よりも発熱体４が存在しない部分の方が基板３と逆側（基板３から支持膜２の表面２Ｓに向かう方向側）に突出している。すなわち、支持膜２は、凹部２Ｖに発熱体４を有し凸部２Ｍには発熱体４を有していない。

支持膜２が衝撃又は熱膨張等を受けた場合、凹部２Ｖと凸部２Ｍとの間で支持膜２は伸縮することにより、衝撃又は熱膨張等を吸収する。発熱体４が凹部２Ｖと凸部２Ｍとの両方にまたがって形成されると、発熱体４は、衝撃等による支持膜２の伸縮の影響を受けて変形し、耐久性低下を招くおそれがある。マイクロヒータ素子１は、上述したような構造により、発熱体４を凹部２Ｖと凸部２Ｍとの両方にまたがって形成しない。このようにすることで、発熱体４は、衝撃等に起因して発生する支持膜２の伸縮による変形が低減される。その結果、マイクロヒータ素子１は、発熱体４の耐久性低下を抑制することができる。

また、支持膜２が凹部２Ｖ及び凸部２Ｍを有することにより、支持膜２は、発熱体４が形成されている面の表面積を増加させることができる。このようにすることで、マイクロヒータ素子１の出力が増加する。すなわち、マイクロヒータ素子１が放射する赤外線の量が増加する。これは、支持膜２の表面積が増えることにより赤外線を放射する面積が増加するために、同一の投入電力であれば表面積が大きいほど赤外線の出力が大きくなるからであると考えられる。

マイクロヒータ素子１は、製造過程において生じる支持膜２の応力（本実施形態では圧縮応力）と、発熱体４の応力（本実施形態では引張応力）とはほぼ相殺されている。このため、支持膜２は、その表面２Ｓに向かって凸形状であるが、Ｚ方向における支持膜２の頂部２Ｔの位置は、基板３が支持膜２を支持している部分（支持部分）３Ｓにおける支持膜２の表面２Ｓの位置とほぼ同一になる。なお、支持膜２の表面２Ｓは、支持膜２が基板３と接する面の反対面であり、発熱体４が形成される面である。Ｚ方向とは、支持部分３Ｓにおいて、基板３の板面と直交する方向である。また、支持膜２の頂部２Ｔは、基板３と直交し、かつ凸部２Ｍと凹部２Ｖとの配列方向と平行な平面でマイクロヒータ素子１を切った断面において、凸部２Ｍの先端部と、凹部２Ｖの底部との距離の１／２の位置を結んだ曲線が最も突出している部分である。

凸部２Ｍの高さ（凸部高さ）ｈｍは、発熱体４の表面を基準とした、Ｚ方向と平行な方向における凸部２Ｍの寸法である。凸部高さｈｍは、５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好ましい。この範囲であれば、マイクロヒータ素子１が放射する赤外線の量を増加させつつ、支持膜２の表面に形成された発熱体４の薄膜の剥離も抑制できる。

実施形態１のマイクロヒータ素子１は、例えば、次のようにして作製することができる。まず、基板３として、例えば、Ｓｉ基板を用意する。そして、基板３の表面に、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってＳｉＯ_２を支持膜２として成膜する。次に、支持膜２の表面に、第１発熱体４Ｉ、第２発熱体４Ｓの順に成膜する。これは、例えば、スパッタ法を用いることができる。

その後、例えば、フォトレジストを用いて発熱体４のパターンを第２発熱体４Ｓの表面に形成してから、例えば、ドライエッチングによって不要な第１発熱体４Ｉ及び第２発熱体４Ｓを除去し、最後にフォトレジストを除去する。支持膜２、第１発熱体４Ｉ及び第２発熱体４Ｓを成膜する過程において、これらを成膜した後の応力は相殺されてほぼ０となるようにした。

次に、基板３の裏面、すなわち、支持膜２が成膜されている面とは反対面にフォトレジストパターンを形成した後、例えば、Ｄ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって基板３をエッチングする。基板３のエッチングでは、発熱体４が形成されている領域と対向する部分に存在する基板３を除去し、この部分の支持膜２を残す。このような工程により、支持膜２と発熱体４とのメンブレン構造を得た。基板３のエッチングが終了した後、フォトレジストは除去される。この製法において、支持膜２の成膜時に生じる圧縮応力と、発熱体４の成膜時に生じる引張応力とはほぼ相殺される。すなわちメンブレン構造の全体の応力は０となる。

マイクロヒータ素子１は、例えば、赤外線検知センサのための光源又はガス量などを検知するセンサを加熱するというような用途に用いられる。

（実施形態２）
図３は、実施形態２に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。図３は、図１のＡ−Ａ矢視の断面に相当する。実施形態２のマイクロヒータ素子１ａは、実施形態１のマイクロヒータ素子１と同様であるが、発熱体４の表面に、被覆層７として赤外線放射膜を設けた点が異なる。

赤外線放出膜としては金黒、白金黒等がある。金黒及び白金黒は、金又は白金を多孔質状態で成膜したものであり、赤外線放射率が高い材料である。それゆえに、赤外線放出膜を素子上に成膜することにより、マイクロヒータからの赤外線放出量が増加する。すなわち、マイクロヒータへの投入電力が同じ場合、赤外線放出膜があれば放射する赤外線量が増し、被加熱物を効率的に加熱することができる。

なお、発熱体４の表面にのみ赤外線放出膜を形成してもよい。この場合、赤外線放出膜を成膜する際に生じる応力が緩和できるという利点がある。また赤外線放出膜として導電性材料を使用できるという利点がある。

（実施形態３）
実施形態３は、実施形態２と同様であるが、被覆層として、赤外線放射膜の代わりに保護膜を設けた点が異なる。図３に示すマイクロヒータ素子１ａにおいて、赤外線放射膜の代わりに被覆層７として保護膜を設ける。

保護膜は、水分や水素等のガスを遮断する役割を担う。発熱体４の表面に保護膜を設けることにより、水分又は水素等のガスが発熱体４に到達することを防ぐことができるため、マイクロヒータ素子１ａの信頼性を向上させることができる。保護膜としては、例えば、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ_２（二酸化シリコン）、ＳｉＮ_ｘ（窒化シリコン）、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）、Ｔａ_２Ｏ_５（酸化タンタル）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の絶縁性材料の薄膜が用いられる。

なお、保護層は、赤外線放射膜と組み合わせてもよい。この場合、保護層により、発熱体４のみならず赤外線放出膜についても水分や水素等のガスを遮断できるため、発熱体４上に赤外線放出膜を積層した後保護層を成膜することが望ましい。

（実施形態４）
図４は、実施形態４に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。図４は、図１のＡ−Ａ矢視の断面に相当する。実施形態４のマイクロヒータ素子１ｂは、実施形態１のマイクロヒータ素子１とは異なり、支持膜２は、その表面２Ｓとは反対方向に向かって凸形状である。支持膜２は、Ｚ方向における支持膜２の底部２Ｂの位置が、支持部分３Ｓにおける支持膜２の表面２Ｓの位置とほぼ同一になる。支持膜２の底部２Ｂは、基板３と直交し、かつ凸部２Ｍと凹部２Ｖとの配列方向と平行な平面でマイクロヒータ素子１を切った断面において、凸部２Ｍの先端部と、凹部２Ｖの底部との距離の１／２の位置を結んだ曲線が、支持膜２から基板３へ向かう方向に最も突出している部分である。

凹部２Ｖの深さ（凹部深さ）ｈｖは、発熱体４と支持膜２との界面を基準とした、Ｚ方向と平行な方向における凹部２Ｖの寸法である。より具体的には、凹部深さｈｖは、凸部２Ｍの支持膜２の先端部と、凹部２Ｖの底部における支持膜２表面との距離である。凹部深さｈｖは、５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好ましい。この範囲であれば、マイクロヒータ素子１が放射する赤外線の量を増加させつつ、支持膜２の表面に形成された発熱体４の薄膜の剥離も抑制できる。

支持膜２を成膜する際にこれを引張応力に、発熱体４を成膜する際にこれを圧縮応力にすることにより、発熱体４と支持膜２との界面に対して支持膜２を凹ませることができる。ただし、メンブレン構造における全体の応力は０とする。支持膜２の成膜において、成膜機の都合（例えば、成膜時の投入電力又は圧力の制御範囲に制限がある等）で引張応力でしか成膜できない場合、本実施形態のように支持膜２を凹ませることで、実施形態１のマイクロヒータ素子１と同等の衝撃緩和効果及び出力増加を図ることができる。

（実施形態５）
図５は、実施形態５に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。図５は、図１のＡ−Ａ矢視の断面に相当するマイクロヒータ素子１ｃの断面を示している。マイクロヒータ素子１ｃは、製造過程において生じる支持膜２の応力（本実施形態では圧縮応力）の方が、発熱体４の応力（本実施形態では引張応力）に対して優っている。すなわち、メンブレン全体の応力が圧縮応力となる。このため、支持膜２は、その表面２Ｓに向かって凸形状であり、Ｚ方向における支持膜２の頂部２Ｔの位置は、基板３が支持膜２を支持している部分（支持部分）３Ｓにおける支持膜２の表面２Ｓの位置に対して基板と反対側に位置する。Ｈｍは頂部高さであり、２Ｓに対する２ＴのＺ方向における高さを示す。メンブレンに生じる応力が大きい場合、すなわちＨｍが大きいと、メンブレンに亀裂が生じるなどの不具合が発生する。一方、Ｈｍがある程度の値までは、メンブレンに不具合が生じることなく、実施形態１と同様に、発熱体４の耐久性低下を抑制し、マイクロヒータの出力が向上するという作用・効果が確認された。

図６は、マイクロヒータ素子のメンブレン構造全体に作用する応力が引張応力である例を示す断面図である。マイクロヒータ素子１ｄのメンブレン構造全体に引張応力が作用する場合、支持膜２は、その表面２Ｓに向かって凹形状であり、Ｚ方向における支持膜２の頂部２Ｂの位置は、基板３が支持膜２を支持している部分（支持部分）３Ｓにおける支持膜２の表面２Ｓの位置に対して基板側に位置する（凹部深さ：Ｈｖ）。このようにメンブレン構造全体に作用する応力が引張応力である場合、Ｈｖがいかなる値であっても、メンブレンに亀裂が生じるなどの不具合が生じやすい状態であった。このような不具合はＨｖの値が大きくなると増加した。

（実施形態６）
図７は、実施形態６に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。図７は、図１のＡ−Ａ矢視の断面に相当する。実施形態６のマイクロヒータ素子１ｅは、実施形態１のマイクロヒータ素子１と同様であるが、さらに、センサを形成するための薄膜の層（保護膜８、固体電解質層９、補助層１０、端子電極５Ａ、５Ｂ）を有する点が異なる。

図７では、実施形態１と同様にマイクロヒータを作製したのち、保護層８を成膜する。保護膜８としては、例えば、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３等の絶縁性材料の薄膜が用いられる。さらに保護層８の表面に固体電解質層９を成膜する。固体電解質層９としては、ＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ_３Ｚｒ_２Ｓｉ_２ＰＯ_１２）、ＬＡＴＰ（Ｌｉ_{（１＋ｘ）}Ａｌ_ｘＴｉ_{（２−ｘ）}（ＰＯ_４）_３）又はベータアルミナ等を、スパッタ法又はゾルゲル法等を用いて成膜する。続いて、固体電解質層９の表面の一部に補助層１０を形成する。補助層１０は、炭酸リチウム又は炭酸ナトリウム等の炭酸塩、さらには硫酸リチウムや硝酸ナトリウム等をペーストにして印刷法で塗布したり、スパッタ法等の真空成膜法で成膜したりすることにより形成することができる。さらに、端子電極５Ａ、５Ｂを作製する。端子電極５Ａ、５ＢとしてはＰｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ等を単独又は組み合わせて用いることができる。

このようにすることで、マイクロヒータ素子１ｅは、例えば、発熱体４と固体電解質とを組み合わせたＣＯ_２（二酸化炭素）センサ、発熱体４と薄膜サーミスタとを組み合わせた湿度センサ等になる。図７のような構造を持つセンサでは、温度変動、圧力変動又は落下等の衝撃に対してメンブレン構造の耐久性低下を抑制することができる。

上述した実施形態及びその変形例のマイクロヒータ素子１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｅ及び比較例のマイクロヒータ素子を作製し、評価した。次に、それぞれの実施例について説明する。

＜実施例１＞
実施例１は、図２に示す実施形態１のマイクロヒータ素子１である。上述したように、マイクロヒータ素子１は、メンブレン構造を有し、支持膜２に凹凸を設けた。マイクロヒータ素子１の構成は、Ｓｉの基板３側から、基板３としてのＳｉ基板／支持膜４としてのＳｉＯ_２膜／第１発熱体４ＩとしてのＴｉヒータ密着層／第２発熱体４ＳとしてのＰｔヒータとなっている。図２に示すマイクロヒータ素子１は、次のようにして作製された。まずＳｉ基板上に支持膜としてＣＶＤ法によってＳｉＯ_２を成膜した。ＳｉＯ_２はＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスを用いて、投入電力５００Ｗ、圧力４０Ｐａで６分及び投入電力３００Ｗ、圧力１２０Ｐａの条件で６分４５秒、ＣＶＤ法によって成膜した。この結果、膜厚１.２５μｍで１４０ＭＰａの圧縮応力が生じた。

次に、Ｔｉヒータ密着層とＰｔヒータとで構成されるＰｔ／Ｔｉの２層膜によって発熱体４を作製する。Ｐｔ／Ｔｉ発熱体は、投入電力Ｔｉ：１００Ｗ、Ｐｔ：５０Ｗ（ＤＣ）、圧力２Ｐａ、成膜温度６００℃でスパッタ法によって成膜した結果、Ｔｉが５ｎｍ、Ｐｔが２００ｎｍ堆積した。成膜後において、発熱体４には８６０ＭＰａの引張応力が生じた。このＳｉＯ_２及びＰｔ／Ｔｉの成膜条件を実施例１での標準条件とする（表１の実施例１におけるｃ）。

その後、フォトレジストによって必要部分をカバーしてからドライエッチング法で不要なＰｔ／Ｔｉを除去し、最後にフォトレジストを除去する。ＳｉＯ_２とＰｔ／Ｔｉのすべての膜を成膜した後の応力は相殺されてほぼ０となるようにした。次にＳｉ基板裏面にフォトレジストパターンを作製した後、Ｄ−ＲＩＥによってＳｉ基板のエッチングを行う。エッチングではＳｉ基板を除去しＳｉＯ_２を残すことにより、メンブレン構造とした。エッチング後、フォトレジストは除去する。

ＳｉＯ_２の成膜時に生じる圧縮応力と、Ｐｔ／Ｔｉ発熱体の成膜時に生じる引張応力とはほぼ相殺される。すなわちメンブレン部分の全体の応力は０となる。これは図２の断面図において、頂部２Ｔが、基板３の上の支持膜２（ＳｉＯ_２）の表面２ＳとＺ軸方向で同じ位置にあることにより確認できる。Ｄ−ＲＩＥ後のメンブレンの表面状態を測定すると、図２に示すようにＳｉＯ_２が露出する部分でＳｉＯ_２が表面に凸状になることが観察された。突起高さｈｍは、発熱体４のＰｔの表面から７００ｎｍ程度突出していた。

＜実施例２＞
実施例２は、実施形態２のマイクロヒータ素子１ａである。マイクロヒータ素子１ａの構造は、Ｓｉ基板側から、Ｓｉ基板／ＳｉＯ_２支持膜／Ｔｉヒータ密着層／Ｐｔヒータ／金黒（赤外線放出層）となっている。本実施例では、実施例１の標準条件によってＳｉＯ_２及びＰｔ／Ｔｉを作製後に、リフトオフ法によって金黒蒸着膜をマイクロヒータ上に赤外線放出膜として成膜した。なお金黒の応力は０であった。したがってメンブレンの全体の応力も０である。

＜実施例３＞
実施例３は、実施形態３に係わるマイクロヒータ素子である。具体的には、実施形態２のマイクロヒータ素子１ａの表面に、赤外線放出膜の代わりに保護膜を設けたものである。素子構成はＳｉ基板側より、Ｓｉ基板／ＳｉＯ_２支持膜／Ｔｉヒータ密着層／Ｐｔヒータ／ＳｉＯ_２保護膜となっている。本実施例では、実施例１の標準条件によってＳｉＯ_２及びＰｔ／Ｔｉを作製後に、保護膜としてＳｉＯ_２を成膜した。保護膜の成膜条件は、投入電力２５０Ｗ、圧力１２０Ｐａで成膜した。この結果、保護膜のＳｉＯ_２における成膜後の応力が０となった。
＜実施例４＞
実施例４は、実施形態４に係わるマイクロヒータ素子１ｂである。マイクロヒータ素子１ｂの構造は、Ｓｉ基板側より、Ｓｉ基板／ＳｉＯ_２支持膜／Ｔｉヒータ密着層／Ｐｔヒータで実施例１と同様である。実施例１と異なり、支持膜２を引張応力で、また発熱体４を圧縮応力で作製した。メンブレンの全体の応力は０である。

＜実施例５＞
実施例５は、実施形態５に係わるマイクロヒータ素子１ｃ及びマイクロヒータ素子１ｄである。実施例５では、メンブレン上の膜全体の応力を圧縮応力及び引張応力として、素子を作製した。具体的には、実施例１の標準条件から成膜条件を変えることにより、ＳｉＯ_２とＰｔ／Ｔｉの応力を変化させ、メンブレン上の膜全体の応力を変えた。なお本素子の構成は、Ｓｉ基板側より、Ｓｉ基板／ＳｉＯ_２支持膜／Ｔｉ密着層／Ｐｔ電極となっている。

＜実施例６＞
実施例６は、実施形態６に係わるマイクロヒータ素子１ｅである。マイクロヒータ素子１ｅの構造は、Ｓｉ基板側より、Ｓｉ基板／ＳｉＯ_２支持膜／Ｔｉ密着層／Ｐｔ電極／ＳｉＯ_２保護膜／固体電解質ＬＡＴＰ／炭酸リチウム補助層／Ｔｉ密着層／Ｐｔ電極となっている。マイクロヒータ素子１ｅは、次のように作製された。まずＳｉ基板上にメンブレンとしてＳｉＯ_２膜をＣＶＤ法によって成膜した。ＳｉＯ_２膜は実施例１と同様の方法で作製し、成膜後は圧縮応力を示した。

次に発熱体４（金属電極）をＰｔ／Ｔｉの２層膜によって作製する。具体的にはＴｉが５ｎｍ及びＰｔが１００ｎｍをスパッタ法によって成膜した後、フォトレジストによって必要部分をカバーしてからドライエッチング法で不要なＰｔ／Ｔｉ電極を除去し、最後にフォトレジストを除去する。次に、保護層としてＳｉＯ_２膜をＣＶＤ法によって成膜する。ＳｉＯ_２上に固体電解質膜を作製する。固体電解質膜としてはリチウムイオン導電性固体電解質ＬＡＴＰを用いた。ＬＡＴＰは、スピンコートを用いた湿式法によって作製した。まずＬｉ、Ａｌ、Ｔｉの各イオンを含むクエン酸溶液を作製する。エチレングリコールを加えた後、アンモニア水でｐＨを調整後７５℃で加熱してコーティング溶液とした。得られたコーティング溶液は、スピンコーターで塗布し乾燥させた。この工程を数回繰り返したのち、６００℃〜７００℃で３時間焼成し、ＬＡＴＰ薄膜を得た。

次にＬＡＴＰ上に補助層である炭酸リチウム層を成膜する。粉末の炭酸リチウムについて、テオピネオールを用いてペーストにして、スクリーン印刷により所定の箇所に塗布する。その後１５０℃で乾燥した後、５００℃〜６５０℃で焼成する。さらに電極に関して、メタルマスクを用いて真空成膜法によって作製した。具体的にはＴｉが５ｎｍ及びＰｔが１００ｎｍをスパッタ法によって成膜した。なおマイクロヒータ及びＬＡＴＰ上のＰｔ／Ｔｉ電極については、メンブレン構造の周囲にまで導通する引き出し電極が作製してある。

この引き出し電極の先端にワイヤボンド等で導通を得るために、リフトオフ法を用いて膜厚１μｍのＡｌパッドを形成した。なお、Ａｌパッド形成前にマイクロヒータの引き出し電極上に存在する保護膜及びＬＡＴＰに関してはエッチングにより取り除いた。この後、Ｓｉ基板裏面にフォトレジストパターンを作製した後、アルカリ溶液によってＳｉ基板のエッチングを行った（メンブレン構造の形成）。エッチング後、フォトレジストは除去した。

図８は、比較例１に係わるマイクロヒータ素子の構造を示す断面図である。図９は、比較例２に係わるマイクロヒータ素子の断面図である。実施例１〜４の比較例として比較例１のマイクロヒータ素子を作製した。また、実施例６の比較例として比較例２のマイクロヒータ素子を作製した。

＜比較例１＞
比較例１は、支持膜に凹凸がない状態にして、膜構成は実施例１と同様のマイクロヒータ素子を作製した。具体的には、ＳｉＯ_２とＰｔ／Ｔｉの成膜条件を以下のように変更した。すなわち、ＳｉＯ_２については、ＴＥＯＳガスを用いて投入電力２５０Ｗ、圧力１２０Ｐａで成膜した。この結果、ＳｉＯ_２の成膜後の応力が０となった。Ｐｔ／Ｔｉヒータは、投入電力Ｔｉ：１００Ｗ、Ｐｔ：５０Ｗ（ＤＣ）、圧力２Ｐａ、成膜温度２５℃でスパッタ法により成膜した。この結果、Ｔｉが５ｎｍ及びＰｔが２００ｎｍ堆積し、堆積した後の応力が０となった。したがって、ＳｉＯ_２及びＰｔ／Ｔｉ成膜後に、全体の応力も０となった。これにより、ＳｉＯ_２露出部分の突起が発生しなかった。

＜比較例２＞
比較例２は、実施例６と同様に、発熱体の表面にセンサを形成する薄膜の層（保護膜８、固体電解質層９、補助層１０、端子電極５Ａ、５Ｂ）を形成したものであるが、支持膜に凹凸を設けない点が実施例５と異なる。具体的には、支持膜を比較例１と同様の方法で作製したため、成膜後の応力が０である点が実施例６と異なる。支持膜状のＰｔ／Ｔｉヒータ及び発熱体表面のセンサを形成する薄膜の層（保護膜８、固体電解質層９、補助層１０、端子電極５Ａ、５Ｂ）もそれぞれ応力が０となるように成膜されるため、メンブレン構造全体の応力も０となった。

＜評価結果＞
実施例１〜５及び比較例１の評価結果を表１に示す。評価は、マイクロヒータの出力及び耐衝撃性について行った。評価方法は、マイクロヒータの出力については、マイクロヒータに一定の電圧を加えた際に、一定距離でＰｂＳｅの赤外線検出器を用いてマイクロヒータ出力の測定を行った。一方耐衝撃性については、落下試験を行った。評価基準として、マイクロヒータ出力に関してはＰｂＳｅの赤外線検出器の示す値を、また耐衝撃性については落下試験時の歩留りを使用した。

＜実施例１＞
このマイクロヒータ素子１を筒状の金属治具の片端に取り付け、他方の端にＰｂＳｅの赤外線検出器を取り付けた。この状態でマイクロヒータ素子１に２Ｖの電圧を印加して、赤外線検出器の出力を測定したところ、０.３Ｖの値を得た。

また、マイクロヒータ素子１を金属パッケージに実装した後、１ｍの高さから鋼板上に落とすことで落下試験を行った。１０００個の素子について実施したところ、メンブレン構造、すなわち、支持膜２と発熱体４とで得られる構造体に、割れやメンブレン構造全体の剥離などの不具合が確認されたマイクロヒータ素子１は存在しなかった。

次に突起量の変更について述べる。ＳｉＯ_２とＰｔ／Ｔｉとの膜応力を調整して、突起高さｈｍを変更する。メンブレン構造全体の応力はほぼ０とした。成膜条件については表１に示す通りである。図２で示した突起高さｈｍについて、突起高さｈｍが３００ｎｍまでは、突起のない比較例１と同じ値で、出力の増加は見込めなかった。一方、突起高さｈｍが５００ｎｍ、７００ｎｍ、１０００ｎｍ、１５００ｎｍでは、それぞれ出力は、突起高さｈｍが高くなるにしたがって増加する傾向であった。突起高さｈｍを大きくするためには、ＳｉＯ_２を成膜するときに生じる圧縮応力と、Ｐｔ／Ｔｉの発熱体４を成膜するときに生じる引張応力との双方を大きくする必要がある。双方を制御して突起高さｈｍを高くしようとした場合、突起高さｈｍが１５００ｎｍを超えると薄膜の剥離、より具体的には、支持膜２と発熱体４との剥離又はＴｉの薄膜とＰｔの薄膜との剥離が生じた。なお表１に示したマイクロヒータ素子いずれも、落下試験において、メンブレン構造に損傷のある素子は確認されなかった。

比較例１について、実施例１と同様の測定を行ったところ、０.２４Ｖであり、実施例１のマイクロヒータの出力と比較したところ２０％出力が減少した。また実施例１と同様の落下試験を行ったところ、１０００個の素子に対して１２個の素子で、メンブレンに割れやメンブレン全体の剥離などの不具合が確認された。

＜実施例２＞
出力は０.６Ｖとなった。落下試験は不良０個／１０００個であった。

＜実施例３＞
実施例３のマイクロヒータ素子について測定を行ったところ、出力は０.４Ｖとなった。落下試験は不良０個／１０００個であった。

＜実施例４＞
本実施例の場合、図４に示すＳｉＯ_２の凹み深さＨｖが５００ｎｍ以上のとき、比較例１の値に比べて出力の増加が見られた（表１参照）。いずれの場合にも、実施例１で行ったのと同様の落下試験において、メンブレンに損傷のある素子は確認されなかった。

＜実施例５＞
全体の応力が引張応力となると、素子作製後に（素子に衝撃を加えなくても）メンブレンに割れや破れが生じた。この割れや破れは引張応力が増すと増加した。一方、全体の圧力が圧縮応力の場合、応力が高まりＳｉ基板に対してメンブレンの中心が約３０μｍ以上に凸となっても（図５のＨｍに相当）、メンブレンに割れや破れは生じなかった（表１参照）。ただし、この状態ではメンブレンにしわがより、圧縮応力が小さい場合に比べて、出力が若干弱くなることが確認された、全体の圧力としては、ほぼ０から弱圧縮が良い。

＜実施例６＞
実施例６について、各層（膜）を成膜する際に、成膜条件により膜に生じる応力を制御できることはこれまでに述べた通りである。各層成膜時に応力が０となるように成膜した場合（比較例２）と、支持膜のみ圧縮応力で成膜し他の層は応力が０となるように成膜した場合との２つの素子を作製した。この場合、支持膜に凹凸をつけた場合とつけない場合とを比べると、凹凸をつけた場合の方が素子全体を所定温度まで加熱するために必要な電力が小さいことが確認された。

また支持膜に凹凸をつけた場合とつけない場合（比較例２）を比べると、凹凸をつけた場合は落下試験で不良は生じなかった（不良０個／１０００個）が、凹凸をつけない場合は不良が生じた（不良１５個／１０００個）。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｅ、１０１ マイクロヒータ素子
２、１０２ 支持膜
２Ｂ 底部
２Ｍ 凸部
２Ｔ 頂部
２Ｖ 凹部
２Ｓ 表面
３ 基板
３Ｓ 支持部分
４、１０４ 発熱体
４Ｉ 第１発熱体
４Ｓ 第２発熱体
５Ａ、５Ｂ、１０５Ａ、１０５Ｂ 端子電極
６Ａ、６Ｂ 配線
７、１０７ 被覆層
８、１０８ 保護層
９、１０９ 固体電解質層
１０、１１０ 補助層

Claims (6)

1. 両方の表面に複数の凹凸を有する支持膜と、
   前記支持膜の一方の表面に設けられる発熱体と、
   前記支持膜の周囲を支持し、かつ前記発熱体と対向する部分が取り除かれた基板と、
   を含むことを特徴とするマイクロヒータ素子。
2. 前記凹部の深さ又は前記凸部の高さは、５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である請求項１に記載のマイクロヒータ素子。
3. 前記発熱パターンは、所定の配線パターンが繰り返される請求項１又は２に記載のマイクロヒータ素子。
4. 前記発熱体が設けられる前記支持膜は、前記発熱体が存在する部分よりも前記発熱体が存在しない部分の方が突出又は凹んでいる請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロヒータ素子。
5. 前記発熱体は、表面に被覆層として、赤外線放出膜又は保護膜を有する請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロヒータ素子。
6. 前記発熱体は、センサを形成する薄膜の層を表面に有する請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロヒータ素子。

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