JP6804173B2 - 片持ち梁型ガスセンサ、センサアレイ及びセンサの製造方法 - Google Patents
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Description
片持ち梁型ガスセンサは、基体構造と梁構造とを有し、順に積み重ねて配置されたシリコン基板と、支持膜と、加熱抵抗と、分離膜と、検出電極とを含み、
前記支持膜は、第1基部、及び第1基部の一方の側に接続された第1アーム部を含み、
前記加熱抵抗は、第2基部、及び第2基部の一方の側に接続された第2アーム部を含み、第2基部の第2アーム部に反対する側には第1窓部が開設され、前記第2アーム部には、第2アーム部の長さ方向に沿って延在する第2窓部が設けられ、前記第2窓部は第1窓部と連通し、第2基部の第1窓部の両側の位置には第1リードがそれぞれ設けられ、
前記分離膜は、第3基部、及び第3基部の一方の側に接続された第3アーム部を含み、前記第3基部の第1リードに対応する位置に貫通孔が設けられ、前記第1リードは、対応する貫通孔を貫通して外に露出し、前記分離膜の厚さは加熱抵抗の厚さよりも厚く、
前記検出電極は、第4基部、及び第4基部の一方の側に接続された第4アーム部を含み、第4基部の第4アーム部から離れる側には第3窓部が設けられ、第4アーム部には、第4アーム部の長さ方向に沿って延在し第4アーム部を分割した第4窓部が設けられ、前記第4窓部は第3窓部と連通し、検出電極を2つの部分に分割し、検出電極は前記貫通孔を覆っておらず、前記検出電極の第3窓部の両側の位置には第2リードが設けられ、
前記シリコン基板、第1基部、第2基部、第3基部、及び第4基部は、前記基体構造を形成するように、対応して配置され、前記第1アーム部、第2アーム部、第3アーム部、及び第4アーム部は、前記梁構造を形成するように、対応して配置され、
前記第4アーム部の基体構造から離れる一端には感ガス材料が設けられる。
(1)では、シリコン基板を選択し、薄膜を解放するために等方性ドライエッチング又はウェットエッチングを採用する場合、シリコン基板の結晶方向についての要件がなく、薄膜を解放するために異方性ウェットエッチングを採用する場合、<100>結晶方向のシリコンチップを選択し、
(2)では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、シリコン基板上に支持膜を作製し、
(3)では、リフトオフプロセスによって、加熱抵抗を作製し、
(4)では、分離膜を作製し、まずプラズマ増強化学気相成長により分離膜を作製し、次に加熱抵抗を露出させるように反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングにより分離膜をエッチングして貫通孔を形成し、
(5)では、リフトオフプロセスによって、検出電極を作製し、
(6)では、薄膜を解放し、まず露出した支持膜を反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって完全にエッチングして、シリコン基板を露出させ薄膜解放窓部を形成し、次にテトラメチルアンモニウムヒドロキシド或いは水酸化カリウム異方性ウェットエッチング液を使用するか、又は、フッ化水素酸、硝酸及び水からなる等方性ウェットエッチング液或いはXeF2等方性ドライエッチングガスを使用して、支持膜の下のシリコン基板をくり抜き、薄膜構造を解放し、
(7)では、前記梁構造の端部に感ガス材料を付着させた後に高温で焼結して、感ガス材料をロードする。
〜3000オングストロームである。前記ステップ(4)では、分離膜の厚さは1000オングストローム〜10000オングストロームであり、前記ステップ(5)では、検出電極はプラチナ電極又は金電極であり、その厚さは1000オングストローム〜3000オングストロームである。
本発明の技術案は、片持ち梁構造を採用して、有効領域を梁の端部に配置し、有効領域の面積及び梁の数を減少させることによって、センサの消費電力を1mWに低減する。
片持ち梁型センサは、より小さいサイズ及びより高い集積度を有し、集積度は、既存の多梁型構造よりも一桁高い。
本発明による片持ち梁型ガスセンサの製造方法は、簡単なプロセス及び容易な位置決めを有し、生産効率を効果的に向上させるとともに、複合構造を有する感ガス材料のロードもさらに容易にする。
前記シリコン基板1の上、下端面は矩形を呈する。
前記感ガス材料6は、二酸化スズ、酸化亜鉛又は他の酸化物などのナノスケールの金属酸化物半導体材料により構成される。感ガス材料6は、検出電極5に電気的に接続されるように、第4アーム部52の基体構造から離れる端部に設けられる。感ガス材料6が特定のガス分子を吸着すると、その抵抗率は変化し、それによりガス検出の目的が達成される。
〈実施例1〉
(1)では、<100>結晶方向のシリコンチップを基板として選択した。抵抗率は3〜8Ω cmであり、シリコンチップの厚さは350±10 μmであり、トリミングの角度誤差<1%であった。
(2)では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、基板上に3000オングストロームの厚さを有する酸化ケイ素層及び10000オングストロームの厚さを有する窒化ケイ素層を順に成長させた。
(3)では、加熱抵抗3を作製した。リフトオフプロセスにより、2000オングストロームの厚さを有するプラチナ抵抗の加熱抵抗線を作製した。
(4)では、分離膜4を作製した。プラズマ増強化学気相成長により、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を分離膜4として作成した。分離膜4の厚さは4000オングストロームであった。その後、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって分離膜4をエッチングし、貫通孔44を形成して下の加熱抵抗3を露出させた。
(5)では、検出電極5を作製した。リフトオフプロセスにより、2000オングストロームの厚さを有するプラチナの検出電極5を作製した。
(6)では、薄膜を解放した。まず、RIE又はIon−beamを用いて、露出した支持膜2を完全にエッチングし、シリコン基板1を露出させて、薄膜を解放するための窓部を形成した。次に、25%濃度のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを用いてウェットエッチングを行った。エッチング時間は8時間であった。
(7)では、感ガス材料6をロードした。前記梁構造の端部に適量のコロイド状二酸化スズ感ガス材料を付着させ、600℃で2時間焼結して感ガス材料6をロードした後に、片持ちアーム型ガスセンサを形成した。次に、対応する位置に第1リード及び第2リードを配置した。
〈実施例2〉
(1)シリコンチップを基板として取った。その抵抗率は3−8Ωcmであり、シリコンチップの厚さは350±10μmであり、トリミングの角度誤差<1%であった。
(2)では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、基板上に2000オングストロームの厚さを有する酸化ケイ素層及び6000オングストロームの厚さを有する窒化ケイ素層を順に成長させた。
(3)では、加熱抵抗3を作製した。リフトオフプロセスにより、1000オングストロームの厚さを有するプラチナ抵抗の加熱抵抗線を作製した。
(4)では、分離膜4を作製した。プラズマ増強化学気相成長により、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を分離膜4として作成した。分離膜4の厚さは1000オングストロームであった。その後、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって分離膜4をエッチングし、貫通孔44を形成して下の加熱抵抗3を露出させた。
(5)では、検出電極5を作製した。リフトオフプロセスにより、1000オングストロームの厚さを有するプラチナの検出電極5を作製した。
(6)では、薄膜を解放した。まず、RIE又はIon−beamを用いて、露出した支持膜2を完全にエッチングし、シリコン基板1を露出させて、薄膜を解放するための窓部を形成した。次に、ドライエッチングガスである二フッ化キセノン(XeF2)を用いて、シリコン基板1をエッチングした。エッチング時間は30分であった。
(7)では、感ガス材料6をロードした。前記梁構造の端部に適量のコロイド状三酸化物感ガス材料を付着させ、600℃で2時間焼結して感ガス材料6をロードした後に、片持ちアーム型ガスセンサを形成した。次に、対応する位置に第1リード及び第2リードを配置した。
〈実施例3〉
(1)シリコンチップを基板として取った。その抵抗率は3〜8Ωcmであり、シリコンチップの厚さは350±10μmであり、トリミングの角度誤差<1%であった。
(2)では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、基板上に3000オングストロームの厚さを有する酸化ケイ素層及び10000オングストロームの厚さを有する窒化ケイ素層を順に成長させた。
(3)では、加熱抵抗3を作製する。リフトオフプロセスにより、3000オングストロームの厚さを有するプラチナ抵抗の加熱抵抗線を作製する。
(4)では、分離膜4を作製した。プラズマ増強化学気相成長により、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を分離膜4として作成した。分離膜4の厚さは10000オングストロームであった。その後、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって分離膜4をエッチングし、下の加熱抵抗3を露出させた。
(5)では、検出電極5を作製した。リフトオフプロセスにより、3000オングストロームの厚さを有するプラチナの検出電極5を作製した。
(6)では、薄膜を解放した。まず、RIE又はIon−beamを用いて、露出した支持膜2を完全にエッチングし、シリコン基板1を露出させて、薄膜を解放するための窓部を形成した。次に、等方性のウェットエッチング液を用いて、シリコン基板1をウェットエッチングした。エッチング時間は4時間であった。
(7)では、感ガス材料6をロードした。梁構造の端部に適量のコロイド状二酸化スズ感ガス材料を付着させ、550℃で3時間焼結して感ガス材料6をロードした後に、片持ちアーム型ガスセンサを形成した。次に、対応する位置に第1リード及び第2リードを配置した。
Claims (10)
- 片持ち梁型ガスセンサであって、基体構造と梁構造とを有し、順に積み重ねて配置されたシリコン基板と、支持膜と、加熱抵抗と、分離膜と、検出電極とを含み、
前記支持膜は、第1基部、及び第1基部の一方の側に接続された第1アーム部を含み、
前記加熱抵抗は、第2基部、及び第2基部の一方の側に接続された第2アーム部を含み、第2基部の第2アーム部に反対する側には第1窓部が開設され、前記第2アーム部には、第2アーム部の長さ方向に沿って延在する第2窓部が設けられ、前記第2窓部は第1窓部と連通し、第2基部の第1窓部の両側の位置には第1リードがそれぞれ設けられ、
前記分離膜は、第3基部、及び第3基部の一方の側に接続された第3アーム部を含み、前記第3基部の第1リードに対応する位置に貫通孔が設けられ、前記第1リードは、対応する貫通孔を貫通して外に露出し、前記分離膜の厚さは加熱抵抗の厚さよりも厚く、
前記検出電極は、第4基部、及び第4基部の一方の側に接続された第4アーム部を含み、第4基部の第4アーム部から離れる側には第3窓部が設けられ、第4アーム部には、第4アーム部の長さ方向に沿って延在し第4アーム部を分割した第4窓部が設けられ、前記第4窓部は第3窓部と連通し、検出電極を2つの部分に分割し、検出電極は前記貫通孔を覆っておらず、前記検出電極の第3窓部の両側の位置には第2リードが設けられ、
前記シリコン基板、第1基部、第2基部、第3基部、及び第4基部は、前記基体構造を形成するように、対応して配置され、前記第1アーム部、第2アーム部、第3アーム部、及び第4アーム部は、前記梁構造を形成するように、対応して配置され、
前記第4アーム部の基体構造から離れる一端には感ガス材料が設けられる、ことを特徴とする片持ち梁型ガスセンサ。 - 前記第1アーム部、第2アーム部、第3アーム部及び第4アーム部の形状はいずれも矩形を呈する、ことを特徴とする請求項1に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記第1アーム部、第2アーム部、第3アーム部、及び第4アーム部の形状はいずれも等脚台形を呈し、基体構造から離れる方向に沿って、前記第1アーム部、第2アーム部、第3アーム部、及び第4アーム部の幅は徐々に小さくなっている、ことを特徴とする請求項1に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記第1アーム部には、第1アーム部の長さ方向に沿って延在する第1孔が設けられる、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記第3アーム部には第2孔が設けられ、前記第2孔は、第3アーム部の長さ方向に沿って延在し、第1孔に対応して配置される、ことを特徴とする請求項4に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記シリコン基板、第1基部、第2基部、第3基部、及び第4基部はいずれも矩形であり、前記第4基部の第4アーム部が設けられる側辺の長さは、第1窓部の第2アーム部から離れる側辺の長さよりも短く、または、第3窓部の第4アーム部から離れる側辺の長さは、第2基部の第2アーム部が設けられる側辺の長さよりも長い、ことを特徴とする請求項4に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 前記支持膜は、単層の酸化ケイ素層と単層の窒化ケイ素層から形成された複合膜であり、酸化ケイ素層と窒化ケイ素層はシリコン基板上に順に配置され、窒化ケイ素層の厚さは酸化ケイ素層の厚さよりも厚く、前記分離膜は、酸化ケイ素膜又は窒化ケイ素膜である、ことを特徴とする請求項1に記載の片持ち梁型ガスセンサ。
- 複数の請求項1〜7のいずれか一項に記載の片持ち梁型ガスセンサにより構成される、ことを特徴とするセンサアレイ。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の片持ち梁型ガスセンサを製造するためのセンサの製造方法であって、以下のステップ(1)〜(7)を含み、
(1)では、シリコン基板を選択し、(6)において、等方性ドライエッチング又はウェットエッチングを採用する場合、シリコン基板の結晶方向についての要件がなく、(6)において、異方性ウェットエッチングを採用する場合、<100>結晶方向のシリコンチップを選択し、
(2)では、熱酸化及び低圧化学気相成長法によって、シリコン基板上に支持膜を作製し、
(3)では、リフトオフプロセスによって、加熱抵抗を作製し、
(4)では、分離膜を作製し、まずプラズマ増強化学気相成長により分離膜を作製し、次に加熱抵抗を露出させるように反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングにより分離膜をエッチングして貫通孔を形成し、
(5)では、リフトオフプロセスによって、検出電極を作製し、
(6)では、まず露出した支持膜を反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングによって完全にエッチングして、シリコン基板を露出させ薄膜解放窓部を形成し、次にテトラメチルアンモニウムヒドロキシド或いは水酸化カリウム異方性ウェットエッチング液を使用するか、又は、等方性ウェットエッチング液或いはXeF2等方性ドライエッチングガスを使用して、支持膜の下のシリコン基板をくり抜き、
(7)では、前記梁構造の端部に感ガス材料を付着させ焼結して、感ガス材料をロードする、ことを特徴とするセンサの製造方法。 - 前記ステップ(3)では、加熱抵抗はプラチナ抵抗であり、厚さは1000
〜3000オングストロームであり、前記ステップ(4)では、分離膜の厚さは1000オングストローム〜10000オングストロームであり、前記ステップ(5)では、検出電極はプラチナ電極又は金電極であり、その厚さは1000オングストローム〜3000オングストロームである、ことを特徴とする請求項9に記載のセンサの製造方法。
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