JPH06222040A - Fabrication of solid electrolyte oxygen concentration sensor - Google Patents

Fabrication of solid electrolyte oxygen concentration sensor

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Publication number
JPH06222040A
JPH06222040A JP5009535A JP953593A JPH06222040A JP H06222040 A JPH06222040 A JP H06222040A JP 5009535 A JP5009535 A JP 5009535A JP 953593 A JP953593 A JP 953593A JP H06222040 A JPH06222040 A JP H06222040A
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JP
Japan
Prior art keywords
film
solid electrolyte
electrode film
pinhole
upper electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP5009535A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Matsuhiro
泰 松広
Tasuke Makino
太輔 牧野
Masataka Naito
正孝 内藤
Yasunari Sugito
泰成 杉戸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Soken Inc
Original Assignee
Nippon Soken Inc
NipponDenso Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Soken Inc, NipponDenso Co Ltd filed Critical Nippon Soken Inc
Priority to JP5009535A priority Critical patent/JPH06222040A/en
Publication of JPH06222040A publication Critical patent/JPH06222040A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide a novel method for fabricating a solid electrolyte oxygen concentration sensor. CONSTITUTION:A lower electrode film 2, a solid electrolyte film 3, and an upper electrode film 4 are formed sequentially on a silicon substrate 1. A pinhole 5 is then made through the lower electrode film 2, the solid electrolyte film 3, and the upper electrode film 4. Furthermore, a sacrifice film 7 is formed on the upper electrode film 4 followed by formation of a hollow wall film 8 covering the sacrifice film 7. Etching is then performed from the rear side of the silicon substrate 1 to the pinhole 5 and the sacrifice film 7 above the upper electrode film 4 is removed by etching through the pinhole 5 thus forming a hollow part 12.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、固体電解質酸素濃度
センサの製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a solid electrolyte oxygen concentration sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質酸素濃度センサの製造方法
が、例えば、特開平4−291144号公報に開示され
ている。このセンサは、図10に示すように、被測定ガ
スがピンホール35を通過してセンサ内部の空洞36に
導入され、ピンホール35によってガスの拡散は制限さ
れる。電極膜37,38間に電圧を印加して被測定ガス
中の酸素ガスは電極37(陰極)でイオン化し固体電解
質39中を通って電極膜38(陽極)に達し再び気体化
する。ここでの電極37,38間の電流を測定すること
により酸素濃度が検出される。
2. Description of the Related Art A method for manufacturing a solid electrolyte oxygen concentration sensor is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-291144. In this sensor, as shown in FIG. 10, the gas to be measured passes through the pinhole 35 and is introduced into the cavity 36 inside the sensor, and the diffusion of the gas is restricted by the pinhole 35. When a voltage is applied between the electrode films 37 and 38, the oxygen gas in the gas to be measured is ionized at the electrode 37 (cathode), passes through the solid electrolyte 39, reaches the electrode film 38 (anode), and is gasified again. The oxygen concentration is detected by measuring the current between the electrodes 37 and 38.

【0003】このセンサの製造方法として、基板の上面
に膜形成とエッチングを繰り返して上下を電極膜に挟ま
れた固体電解質を形成し、基板の下面を周縁部を除いて
下側電極に至るまでエッチング除去して空洞を形成し、
その後、基板上面を貫通して空洞に至るピンホールを形
成し、基板の下面周縁部を台座に接合している。
As a method of manufacturing this sensor, film formation and etching are repeated on the upper surface of the substrate to form a solid electrolyte sandwiched between electrode films on the upper and lower sides, and the lower surface of the substrate is removed to the lower electrode except the peripheral portion. Etching away to form cavities,
After that, a pinhole is formed penetrating the upper surface of the substrate to reach the cavity, and the peripheral portion of the lower surface of the substrate is joined to the pedestal.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところが、空洞を形成
するために台座を接合する必要があるために通常のIC
製造技術工程に組み込み難い等の問題があった。
However, since it is necessary to join the pedestal to form the cavity, a normal IC is used.
There was a problem that it was difficult to incorporate into the manufacturing technology process.

【0005】そこで、この発明の目的は、新規な方法を
用いて固体電解質酸素濃度センサを製造することができ
る固体電解質酸素濃度センサの製造方法を提供すること
にある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a solid electrolyte oxygen concentration sensor which can manufacture a solid electrolyte oxygen concentration sensor using a novel method.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】第1の発明は、半導体基
板上に下部電極膜と固体電解質薄膜と上部電極膜とを順
に積層する第1工程と、前記下部電極膜と固体電解質薄
膜と上部電極膜とを貫通するピンホールを形成する第2
工程と、前記上部電極膜の上に犠牲膜を形成する第3工
程と、前記犠牲膜を覆う空洞壁材を配置する第4工程
と、前記半導体基板の裏面側から前記ピンホールに至る
エッチングを行うとともに同ピンホールを通して前記上
部電極膜の上部の犠牲膜をエッチング除去して空洞部を
形成する第5工程とを備えた固体電解質酸素濃度センサ
の製造方法をその要旨とするものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a first step of sequentially laminating a lower electrode film, a solid electrolyte thin film and an upper electrode film on a semiconductor substrate, the lower electrode film, the solid electrolyte thin film and an upper layer. Secondly, forming a pinhole penetrating the electrode film
A step, a third step of forming a sacrificial film on the upper electrode film, a fourth step of disposing a cavity wall material covering the sacrificial film, and an etching from the back surface side of the semiconductor substrate to the pinhole. A method of manufacturing a solid electrolyte oxygen concentration sensor, which comprises a fifth step of performing a sacrifice film on the upper electrode film by etching and forming a cavity through the pinhole.

【0007】第2の発明は、半導体基板上に犠牲膜を形
成するとともに、その上に下部電極膜と固体電解質薄膜
と上部電極膜とを順に積層する第1工程と、前記下部電
極膜と固体電解質薄膜と上部電極膜とを貫通するピンホ
ールを形成する第2工程と、前記ピンホールを通して前
記下部電極膜の下部の犠牲膜をエッチング除去して空洞
部を形成する第3工程とを備えた固体電解質酸素濃度セ
ンサの製造方法をその要旨とするものである。
A second aspect of the present invention is to form a sacrificial film on a semiconductor substrate and stack a lower electrode film, a solid electrolyte thin film and an upper electrode film on the sacrificial film in that order, and the lower electrode film and the solid film. The method comprises a second step of forming a pinhole penetrating the electrolyte thin film and the upper electrode film, and a third step of forming a cavity by etching away the sacrificial film below the lower electrode film through the pinhole. The gist of the invention is a method for manufacturing a solid electrolyte oxygen concentration sensor.

【0008】[0008]

【作用】第1の発明は、第1工程により半導体基板上に
下部電極膜と固体電解質薄膜と上部電極膜とが順に積層
され、第2工程により下部電極膜と固体電解質薄膜と上
部電極膜とを貫通するピンホールが形成され、第3工程
により上部電極膜の上に犠牲膜が形成され、第4工程に
より犠牲膜を覆う空洞壁材が配置され、第5工程により
半導体基板の裏面側からピンホールに至るエッチングが
行われるとともに同ピンホールを通して上部電極膜の上
部の犠牲膜がエッチング除去されて空洞部が形成され
る。
According to the first invention, the lower electrode film, the solid electrolyte thin film and the upper electrode film are sequentially laminated on the semiconductor substrate by the first step, and the lower electrode film, the solid electrolyte thin film and the upper electrode film are formed by the second step. A pinhole penetrating the sacrificial film is formed, a sacrificial film is formed on the upper electrode film in the third step, a cavity wall material covering the sacrificial film is arranged in the fourth step, and a fifth step is performed from the back surface side of the semiconductor substrate. The etching to reach the pinhole is performed, and the sacrificial film on the upper electrode film is removed by etching through the pinhole to form a cavity.

【0009】第2の発明は、第1工程により半導体基板
上に犠牲膜が形成されるとともに、その上に下部電極膜
と固体電解質薄膜と上部電極膜とが順に積層され、第2
工程により下部電極膜と固体電解質薄膜と上部電極膜と
を貫通するピンホールが形成され、第3工程によりピン
ホールを通して下部電極膜の下部の犠牲膜がエッチング
除去されて空洞部が形成される。
According to a second aspect of the present invention, a sacrificial film is formed on the semiconductor substrate by the first step, and a lower electrode film, a solid electrolyte thin film and an upper electrode film are sequentially laminated on the sacrificial film,
A pinhole penetrating the lower electrode film, the solid electrolyte thin film, and the upper electrode film is formed by the step, and the sacrificial film below the lower electrode film is removed by etching through the pinhole to form a cavity.

【0010】[0010]

【実施例】【Example】

(第1実施例)以下、この発明を具体化した一実施例を
図面に従って説明する。
(First Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0011】図1〜図5には、本実施例の固体電解質酸
素濃度センサの製造工程を示す。図1に示すように、表
面が平坦な単結晶シリコン基板1を用意し、シリコン基
板1の表面上に下部電極膜2、固体電解質薄膜3、絶縁
膜40をスパッタリング法,CVD法,蒸着法等の真空
成膜法を用いて順次成膜する。ここで、下部電極膜2と
しては白金を、固体電解質薄膜3としてはYSZ(イッ
トリア安定化ジルコニア)を、絶縁膜40としてプラズ
マSiNx やSiO2 を使用している。
1 to 5 show the manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of this embodiment. As shown in FIG. 1, a single crystal silicon substrate 1 having a flat surface is prepared, and a lower electrode film 2, a solid electrolyte thin film 3 and an insulating film 40 are formed on the surface of the silicon substrate 1 by a sputtering method, a CVD method, a vapor deposition method or the like. The films are sequentially formed using the vacuum film forming method. Here, platinum is used as the lower electrode film 2, YSZ (yttria-stabilized zirconia) is used as the solid electrolyte thin film 3, and plasma SiN x or SiO 2 is used as the insulating film 40.

【0012】そして、絶縁膜40をエッチング加工し
て、後工程でヒータ6となる部分の下地とする。次に、
上部電極膜4をスパッタリング法,CVD法,蒸着法等
の真空成膜法を用いて成膜する。
Then, the insulating film 40 is etched to form a base for the portion which will become the heater 6 in a later step. next,
The upper electrode film 4 is formed using a vacuum film forming method such as a sputtering method, a CVD method, or a vapor deposition method.

【0013】そして、上部電極膜4,固体電解質薄膜
3,下部電極膜2を順次エッチング加工してピンホール
5を形成する。同時に、電極の所定の形状への加工を行
う。又、上部電極膜4に対して同上部電極膜4の一部を
分離し、帯状にし、かつ、蛇行形状とすることにより上
部電極膜4の一部をヒータ6に加工する。さらに、不必
要部を除去する。ヒータ6は固体電解質薄膜3を加熱す
るためのものである。
Then, the upper electrode film 4, the solid electrolyte thin film 3, and the lower electrode film 2 are sequentially etched to form a pinhole 5. At the same time, the electrode is processed into a predetermined shape. Further, a part of the upper electrode film 4 is separated from the upper electrode film 4, formed into a strip shape, and formed into a meandering shape, thereby processing a part of the upper electrode film 4 into the heater 6. Further, unnecessary parts are removed. The heater 6 is for heating the solid electrolyte thin film 3.

【0014】そして、図2に示すように、ピンホール5
内を含む上部電極膜4上に、犠牲層7をスパッタリング
法,CVD法,蒸着法等の真空成膜法とエッチング法と
を用いて成形する。ここで、犠牲層7としては、ポリシ
リコンやアモルファスシリコンやアルカリ金属やアルカ
リ土類金属が使用される。
Then, as shown in FIG.
The sacrificial layer 7 is formed on the upper electrode film 4 including the inside by a vacuum film forming method such as a sputtering method, a CVD method, a vapor deposition method, and an etching method. Here, as the sacrificial layer 7, polysilicon, amorphous silicon, alkali metal, or alkaline earth metal is used.

【0015】さらに、図3に示すように、シリコン基板
1上において犠牲層7を覆うように空洞壁膜8をスパッ
タリング法,CVD法,蒸着法等の真空成膜法で成膜す
る。この空洞壁膜8としては、プラズマSiNx 膜やS
iO2 膜が使用される。そして、空洞壁膜8に対してエ
ッチングにより電極9へのコンタクトホール10を形成
する。
Further, as shown in FIG. 3, a cavity wall film 8 is formed on the silicon substrate 1 so as to cover the sacrifice layer 7 by a vacuum film forming method such as a sputtering method, a CVD method or a vapor deposition method. As the cavity wall film 8, a plasma SiNx film or S
An iO 2 film is used. Then, a contact hole 10 to the electrode 9 is formed in the cavity wall film 8 by etching.

【0016】引き続き、図4に示すように、シリコン基
板1の裏面においてシリコン窒化膜11を所定領域に形
成し、KOHやNaOHや有機系のアルカリ水溶液をエ
ッチング液として用いて、このシリコン窒化膜11をマ
スクとしてシリコン基板1を裏面側からウェットエッチ
ングする。そして、このウェットエッチングにより下部
電極膜2、ピンホール5を露出させ、さらに、ピンホー
ル5を通して犠牲層7を選択的にエッチング除去する。
その結果、空洞部9が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 4, a silicon nitride film 11 is formed in a predetermined region on the back surface of the silicon substrate 1, and the silicon nitride film 11 is formed by using KOH, NaOH or an organic alkaline aqueous solution as an etching solution. Using the as a mask, the silicon substrate 1 is wet-etched from the back surface side. Then, the lower electrode film 2 and the pinhole 5 are exposed by this wet etching, and the sacrifice layer 7 is selectively removed by etching through the pinhole 5.
As a result, the hollow portion 9 is formed.

【0017】尚、このようなセンサ素子はシリコンウェ
ハ(シリコン基板1)内に複数形成されているものであ
り、図4に示す状態からダイシングされて各チップに裁
断される。
A plurality of such sensor elements are formed in a silicon wafer (silicon substrate 1) and are diced from the state shown in FIG. 4 to be cut into chips.

【0018】このように製造されたセンサチップを、図
5のようにパッケージする。つまり、ステム13上に台
座14を接着し、この台座14上にシリコン基板1の裏
面側を接着する。又、ステム13にはシリコン基板1等
を覆うようにシェル15を被せる。ステム13にはガス
導入管16が貫通した状態で固定され、このガス導入管
16が台座14の貫通孔17を介してピンホール5と連
通している。さらに、ステム13には複数のリード端子
18が貫通した状態で固定され、電極9とリード端子1
8とがワイヤ19にて接続されている。
The sensor chip thus manufactured is packaged as shown in FIG. That is, the pedestal 14 is bonded onto the stem 13, and the back surface side of the silicon substrate 1 is bonded onto the pedestal 14. The stem 13 is covered with a shell 15 so as to cover the silicon substrate 1 and the like. A gas introducing pipe 16 is fixed to the stem 13 in a penetrating state, and the gas introducing pipe 16 communicates with the pinhole 5 through a through hole 17 of the pedestal 14. Further, a plurality of lead terminals 18 are fixed to the stem 13 in a penetrating state, and the electrodes 9 and the lead terminals 1 are
8 is connected by a wire 19.

【0019】このように製造された固体電解質酸素濃度
センサにおいては、被測定ガスがピンホール5を通過し
て空洞部12に導入され、ピンホール5によってガスの
拡散が制限される。又、下部及び上部電極膜2,4間に
電圧を印加して被測定ガス中の酸素ガスが上部電極膜4
(陰極)でイオン化し固体電解質膜3中を通って下部電
極膜2(陽極)に達し再び気体化する。ここでの下部及
び上部電極膜2,4間の電流を測定することにより酸素
濃度が検出される。
In the solid electrolyte oxygen concentration sensor manufactured as described above, the gas to be measured passes through the pinhole 5 and is introduced into the cavity 12, and the diffusion of the gas is restricted by the pinhole 5. Further, a voltage is applied between the lower and upper electrode films 2 and 4 so that the oxygen gas in the gas to be measured is changed to the upper electrode film 4.
It is ionized at the (cathode), passes through the solid electrolyte membrane 3, reaches the lower electrode membrane 2 (anode), and is vaporized again. The oxygen concentration is detected by measuring the current between the lower and upper electrode films 2 and 4 here.

【0020】尚、下部電極膜2,固体電解質薄膜3,上
部電極膜4,犠牲層7,空洞壁膜8は真空成膜法により
成膜しエッチング加工により形状加工することとした
が、常圧・加圧CVD法、常圧・加圧酸化法、ゾル・ゲ
ル法等の方法を用いて成膜・加工したり、あるいはリフ
トオフ法,メタルマスク法等により初めから所定の形状
に形成してもよい。
The lower electrode film 2, the solid electrolyte thin film 3, the upper electrode film 4, the sacrifice layer 7, and the cavity wall film 8 are formed by vacuum film forming and are formed by etching. -A film may be formed / processed by a method such as a pressure CVD method, an atmospheric pressure / pressure oxidation method, a sol-gel method, or formed into a predetermined shape from the beginning by a lift-off method, a metal mask method, or the like. Good.

【0021】図5に示すように製造された固体電解質酸
素濃度センサおいては、ピンホール5とコンタクトホー
ル10がセンサ素子の上下に完全に分離して存在するた
め、例えば素子を小型のチップとした場合に例えば図5
のようにセンサ素子を台座14に気密に実装すれば電気
配線部が被測定気体に全く触れることのないセンサ構造
が容易に実現される。この構造は、例えば燃焼制御用セ
ンサのようにセンサが比較的きびしい気体環境に置かれ
る場合に有効である。
In the solid electrolyte oxygen concentration sensor manufactured as shown in FIG. 5, since the pinhole 5 and the contact hole 10 are completely separated above and below the sensor element, for example, the element is a small chip. If you do
If the sensor element is airtightly mounted on the pedestal 14 as described above, a sensor structure in which the electrical wiring portion does not come into contact with the gas to be measured can be easily realized. This structure is effective when the sensor is placed in a relatively harsh gas environment such as a combustion control sensor.

【0022】又、図4においてヒータ6を高温にした場
合に、薄膜(絶縁膜40,下部電極膜2,固体電解質薄
膜3)を介してしか熱がシリコン基板1に伝わらず、シ
リコン基板1を低温に保つことができるため、耐熱性の
パッケージ材を使用する等の工夫を必要としない。換言
すれば、例えば、センサ素子を小型のチップとした場合
に接着・共晶・ろう付け・半田付け・溶接等の手段でセ
ンサパッケージの台座や基板に容易に実装することがで
き、その方法・形態によってセンサ特性が影響されるこ
とがない。
Further, in FIG. 4, when the heater 6 is heated to a high temperature, heat is transferred to the silicon substrate 1 only through the thin film (insulating film 40, lower electrode film 2, solid electrolyte thin film 3), and the silicon substrate 1 is Since it can be kept at a low temperature, no ingenuity such as using a heat-resistant packaging material is required. In other words, for example, when the sensor element is a small chip, it can be easily mounted on the pedestal or substrate of the sensor package by means of bonding, eutectic, brazing, soldering, welding, etc. The sensor characteristics are not affected by the morphology.

【0023】又、同構造は目的に応じてピンホール5、
空洞部12の面積・容積を調節したり電極(下部電極膜
2、上部電極膜4)を複数に分割して設ける等の手段を
用いることにより、上記の利点を損なうことなく、いわ
ゆる限界電流方式の酸素センサや、あるいはセンサセル
・ポンプセルを用いた酸素センサ等複数の種類のセンサ
素子とすることができる。
Further, the same structure has a pinhole 5,
By using means such as adjusting the area and volume of the cavity 12 and providing the electrodes (lower electrode film 2 and upper electrode film 4) by dividing them into a plurality of parts, the so-called limiting current method can be used without impairing the above advantages. It is possible to use a plurality of types of sensor elements such as the oxygen sensor described above, or an oxygen sensor using a sensor cell / pump cell.

【0024】このように本実施例では、シリコン基板1
(半導体基板)上に下部電極膜2と固体電解質薄膜3と
上部電極膜4とを順に積層し(第1工程)、下部電極膜
2と固体電解質薄膜3と上部電極膜4とを貫通するピン
ホール5を形成し(第2工程)、上部電極膜4の上に犠
牲膜7を形成し(第3工程)、犠牲膜7を覆う空洞壁膜
8(空洞壁材)を形成し(第4工程)、シリコン基板1
の裏面側からピンホール5に至るエッチングを行うとと
もに同ピンホール5を通して上部電極膜4の上部の犠牲
膜7をエッチング除去して空洞部12を形成した(第5
工程)。よって、通常のIC製造技術を用い、かつ、新
規な方法にて固体電解質酸素濃度センサを製造すること
ができることとなる。
As described above, in this embodiment, the silicon substrate 1
A lower electrode film 2, a solid electrolyte thin film 3, and an upper electrode film 4 are sequentially stacked on a (semiconductor substrate) (first step), and a pin penetrating the lower electrode film 2, the solid electrolyte thin film 3, and the upper electrode film 4 is formed. A hole 5 is formed (second step), a sacrificial film 7 is formed on the upper electrode film 4 (third step), and a cavity wall film 8 (cavity wall material) that covers the sacrifice film 7 is formed (fourth step). Process), silicon substrate 1
Etching is performed from the back surface side to the pinhole 5 and the sacrificial film 7 on the upper electrode film 4 is removed by etching through the pinhole 5 to form a cavity 12 (fifth portion).
Process). Therefore, it is possible to manufacture the solid electrolyte oxygen concentration sensor by using a normal IC manufacturing technique and a new method.

【0025】尚、本実施例の応用例としては、空洞壁膜
8はシリコン基板1,犠牲層7上に成膜するのではな
く、例えば、予め所定の構造に加工したガラス,セラミ
ック,金属等のキャップを接着,共晶,ろう付け,半田
付け,溶接等の手段でシリコン基板1・犠牲層7上に装
着する方法で形成してもよい。 (第2実施例)次に、第2実施例を第1実施例との相違
点を中心に説明する。
As an application example of this embodiment, the cavity wall film 8 is not formed on the silicon substrate 1 and the sacrificial layer 7, but, for example, glass, ceramics, metal, etc. which are processed into a predetermined structure in advance. The cap may be formed on the silicon substrate 1 / sacrificial layer 7 by a method such as adhesion, eutectic, brazing, soldering, and welding. (Second Embodiment) Next, the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment.

【0026】図6〜図9には、本実施例の固体電解質酸
素濃度センサの製造工程を示す。図6に示すように、表
面が平坦な単結晶シリコン基板20を用意し、その基板
20上に犠牲層21および空洞側壁層22をスパッタリ
ング法、CVD法、蒸着法等の真空成膜法とエッチング
法を用いて所定の位置に成形する。この犠牲層21およ
び空洞側壁層22は、犠牲層21の周辺部に空洞側壁層
22が配置されたものである。ここで、犠牲層21とし
ては、ポリシリコンやアモルファスシリコンやアルカリ
金属やアルカリ土類金属が使用され、空洞側壁層22と
しては、プラズマSiNx 膜やSiO2 膜が使用され
る。
6 to 9 show the manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of this embodiment. As shown in FIG. 6, a single crystal silicon substrate 20 having a flat surface is prepared, and a sacrifice layer 21 and a cavity sidewall layer 22 are formed on the substrate 20 by a vacuum film forming method such as a sputtering method, a CVD method, a vapor deposition method, and etching. Mold in place using the method. The sacrifice layer 21 and the cavity side wall layer 22 are obtained by disposing the cavity side wall layer 22 in the peripheral portion of the sacrifice layer 21. Here, the sacrificial layer 21 is made of polysilicon, amorphous silicon, alkali metal or alkaline earth metal, and the cavity side wall layer 22 is made of plasma SiNx film or SiO 2 film.

【0027】そして、図7に示すように、犠牲層21お
よび空洞側壁層22の上に、下部電極膜23、固定電解
質薄膜24、絶縁層25をスパッタリング法,CVD
法,蒸着法等の真空成膜法を用いて順次成膜し、絶縁層
25をエッチング加工する。ここで、下部電極膜23と
しては白金が使用され、固定電解質薄膜24としてはY
SZ(イットリア安定化ジルコニア)が使用され、絶縁
層25としてはプラズマSiNx 膜やSiO2 膜が使用
される。
Then, as shown in FIG. 7, a lower electrode film 23, a fixed electrolyte thin film 24, and an insulating layer 25 are formed on the sacrificial layer 21 and the cavity side wall layer 22 by a sputtering method and a CVD method.
And the insulating layer 25 are etched by a vacuum film forming method such as a vapor deposition method and a vapor deposition method. Here, platinum is used as the lower electrode film 23, and Y is used as the fixed electrolyte thin film 24.
SZ (yttria-stabilized zirconia) is used, and as the insulating layer 25, a plasma SiNx film or a SiO 2 film is used.

【0028】その後、固定電解質薄膜24および絶縁層
25の上に、上部電極膜26を形成する。上部電極膜2
6としては、白金が使用される。さらに、図8に示すよ
うに、上部電極膜26,固定電解質薄膜24,下部電極
膜23を順次エッチング加工して、ヒータ27、配線膜
28、ピンホール29を形成する。ピンホール29は、
上部電極膜26と固定電解質薄膜24と下部電極膜23
とを貫通している。
After that, an upper electrode film 26 is formed on the fixed electrolyte thin film 24 and the insulating layer 25. Upper electrode film 2
Platinum is used as 6. Further, as shown in FIG. 8, the upper electrode film 26, the fixed electrolyte thin film 24, and the lower electrode film 23 are sequentially etched to form a heater 27, a wiring film 28, and a pinhole 29. The pinhole 29 is
Upper electrode film 26, fixed electrolyte thin film 24, and lower electrode film 23
Penetrates through.

【0029】引き続き、図9に示すように、KOHやN
aOHや有機系のアルカリ水溶液をエッチング液として
用いて、ピンホール29を通して犠牲層21を選択的に
エッチング除去して空洞部30を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 9, KOH and N
The sacrificial layer 21 is selectively removed by etching through the pinhole 29 by using aOH or an organic alkaline aqueous solution as an etching solution to form the cavity 30.

【0030】尚、犠牲層21,空洞側壁層22,下部電
極膜23,固定電解質薄膜24,絶縁層25,上部電極
膜26は、真空成膜法により成膜しエッチング加工によ
り形状加工することとしたが、常圧・加圧CVD法、常
圧・加圧酸化法、ゾル・ゲル法等の方法を使用して成膜
・加工したり、あるいはリフトオフ法,メタルマスク法
等により初めから所定の形状に形成してもよい。又、犠
牲層21,空洞側壁層22は、シリコン基板20上に成
膜するのではなく、例えば不純物拡散や、あるいは電子
ビーム照射,イオンビーム照射等の粒子ビーム照射によ
ってシリコン基板20の表面の性質を改質し、犠牲層2
1とシリコン基板20・空洞側壁層22のエッチングレ
ート比を十分に大きくさせる方法で形成してもよい。
The sacrificial layer 21, the cavity side wall layer 22, the lower electrode film 23, the fixed electrolyte thin film 24, the insulating layer 25, and the upper electrode film 26 are formed by a vacuum film forming method and processed by etching. However, film formation / processing using atmospheric pressure / pressurization CVD method, atmospheric pressure / pressurization oxidation method, sol-gel method, etc., or a predetermined method from the beginning by lift-off method, metal mask method, etc. It may be formed in a shape. The sacrificial layer 21 and the cavity side wall layer 22 are not formed on the silicon substrate 20, but are formed on the surface of the silicon substrate 20 by, for example, impurity diffusion or particle beam irradiation such as electron beam irradiation or ion beam irradiation. To modify the sacrificial layer 2
1 and the etching rate ratio of the silicon substrate 20 and the cavity side wall layer 22 may be made sufficiently large.

【0031】さらに、図9に示す状態から前記第1実施
例での図5と同じようにパッケージする。このように製
造された固体電解質酸素濃度センサにおいては、ヒータ
27を高温にしても、薄膜(下部電極膜23,固定電解
質薄膜24,配線膜28)を介してしか熱がシリコン基
板20に伝わらないため、シリコン基板20は低温に保
たれ、またセンサ素子の下部には機能部や配線が存在し
ないため、例えばセンサ素子を小型のチップとした場合
に接着,共晶,ろう付け,半田付け,溶接等の手段でセ
ンサパッケージの台座や基板に容易に実装することがで
き、その方法・形態によってセンサ特性が影響されるこ
とがない。又、同構造は目的に応じてピンホール29、
空洞部30の面積・容積を調節したり下部電極膜23,
上部電極膜26を複数に分割して設ける等の手段を用い
ることにより、上記の利点を損なうことなく、いわゆる
限界電流方式の酸素センサや、あるいはセンサセル・ポ
ンプセルを用いた酸素センサ等複数の種類のセンサ素子
とすることができる。
Further, the state shown in FIG. 9 is packaged in the same manner as in FIG. 5 in the first embodiment. In the solid electrolyte oxygen concentration sensor manufactured in this way, heat is transferred to the silicon substrate 20 only through the thin films (lower electrode film 23, fixed electrolyte thin film 24, wiring film 28) even when the heater 27 is heated to a high temperature. Therefore, since the silicon substrate 20 is kept at a low temperature and there is no functional portion or wiring under the sensor element, for example, when the sensor element is a small chip, adhesion, eutectic, brazing, soldering, welding It can be easily mounted on the pedestal or the substrate of the sensor package by such means, and the sensor characteristics are not affected by the method and form. In addition, the same structure has pinholes 29,
The area and volume of the cavity 30 can be adjusted, the lower electrode film 23,
By using a means such as providing the upper electrode film 26 by dividing it into a plurality of parts, a plurality of types such as a so-called limiting current type oxygen sensor or an oxygen sensor using a sensor cell / pump cell can be used without impairing the above advantages. It can be a sensor element.

【0032】このように本実施例では、シリコン基板2
0(半導体基板)上に犠牲膜21を形成するとともに、
その上に下部電極膜23と固体電解質薄膜24と上部電
極膜26とを順に積層し(第1工程)、下部電極膜23
と固体電解質薄膜24と上部電極膜26とを貫通するピ
ンホール29を形成し(第2工程)、ピンホール29を
通して下部電極膜23の下部の犠牲膜21をエッチング
除去して空洞部30を形成した(第3工程)。よって、
通常のIC製造技術を用い、かつ、新規な方法にて固体
電解質酸素濃度センサを製造することができることとな
る。
As described above, in this embodiment, the silicon substrate 2 is used.
While forming the sacrificial film 21 on 0 (semiconductor substrate),
The lower electrode film 23, the solid electrolyte thin film 24, and the upper electrode film 26 are sequentially stacked on top of this (first step).
Then, a pinhole 29 penetrating the solid electrolyte thin film 24 and the upper electrode film 26 is formed (second step), and the sacrificial film 21 under the lower electrode film 23 is removed by etching through the pinhole 29 to form a cavity 30. (Third step). Therefore,
The solid electrolyte oxygen concentration sensor can be manufactured by a new method using a normal IC manufacturing technique.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
新規な方法を用いて固体電解質酸素濃度センサを製造す
ることができる優れた効果を発揮する。
As described above in detail, according to the present invention,
The excellent effect that a solid electrolyte oxygen concentration sensor can be manufactured using a novel method is exhibited.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1実施例の固体電解質酸素濃度センサの製造
工程を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a solid electrolyte oxygen concentration sensor of a first embodiment.

【図2】第1実施例の固体電解質酸素濃度センサの製造
工程を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of the first embodiment.

【図3】第1実施例の固体電解質酸素濃度センサの製造
工程を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of the first embodiment.

【図4】第1実施例の固体電解質酸素濃度センサの製造
工程を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of the first embodiment.

【図5】第1実施例の固体電解質酸素濃度センサの製造
工程を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of the first embodiment.

【図6】第2実施例の固体電解質酸素濃度センサの製造
工程を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of the second embodiment.

【図7】第2実施例の固体電解質酸素濃度センサの製造
工程を示す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of the second embodiment.

【図8】第2実施例の固体電解質酸素濃度センサの製造
工程を示す断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of the second embodiment.

【図9】第2実施例の固体電解質酸素濃度センサの製造
工程を示す断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the solid electrolyte oxygen concentration sensor of the second embodiment.

【図10】固体電解質酸素濃度センサの動作を示す断面
図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the operation of the solid electrolyte oxygen concentration sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板としてのシリコン基板 2 下部電極膜 3 固体電解質薄膜 4 上部電極膜 5 ピンホール 7 犠牲膜 8 空洞壁材としての空洞壁膜 12 空洞部 20 半導体基板としてのシリコン基板 21 犠牲膜 23 下部電極膜 24 固体電解質薄膜 26 上部電極膜 29 ピンホール 30 空洞部 1 Silicon Substrate as Semiconductor Substrate 2 Lower Electrode Film 3 Solid Electrolyte Thin Film 4 Upper Electrode Film 5 Pinhole 7 Sacrificial Film 8 Cavity Wall Film as Cavity Wall Material 12 Cavity 20 Silicon Substrate as Semiconductor Substrate 21 Sacrificial Film 23 Lower Electrode Membrane 24 Solid electrolyte thin film 26 Upper electrode membrane 29 Pinhole 30 Cavity

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内藤 正孝 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 杉戸 泰成 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電 装 株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Masataka Naito 14 Iwatani, Shimohakaku-cho, Nishio-shi, Aichi Japan Auto Parts Research Institute (72) Inventor Yasunari Sugito 1-1, Showa-cho, Kariya city, Aichi Japan Denso Co., Ltd.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上に下部電極膜と固体電解質
薄膜と上部電極膜とを順に積層する第1工程と、 前記下部電極膜と固体電解質薄膜と上部電極膜とを貫通
するピンホールを形成する第2工程と、 前記上部電極膜の上に犠牲膜を形成する第3工程と、 前記犠牲膜を覆う空洞壁材を配置する第4工程と、 前記半導体基板の裏面側から前記ピンホールに至るエッ
チングを行うとともに同ピンホールを通して前記上部電
極膜の上部の犠牲膜をエッチング除去して空洞部を形成
する第5工程とを備えたことを特徴とする固体電解質酸
素濃度センサの製造方法。
1. A first step of sequentially stacking a lower electrode film, a solid electrolyte thin film and an upper electrode film on a semiconductor substrate, and forming a pinhole penetrating the lower electrode film, the solid electrolyte thin film and the upper electrode film. A second step, a third step of forming a sacrificial film on the upper electrode film, a fourth step of disposing a cavity wall material covering the sacrificial film, and a rear surface side of the semiconductor substrate to the pinhole. And a fifth step of etching away the sacrificial film above the upper electrode film through the pinhole to form a cavity, and a method for manufacturing a solid electrolyte oxygen concentration sensor.
【請求項2】 半導体基板上に犠牲膜を形成するととも
に、その上に下部電極膜と固体電解質薄膜と上部電極膜
とを順に積層する第1工程と、 前記下部電極膜と固体電解質薄膜と上部電極膜とを貫通
するピンホールを形成する第2工程と、 前記ピンホールを通して前記下部電極膜の下部の犠牲膜
をエッチング除去して空洞部を形成する第3工程とを備
えたことを特徴とする固体電解質酸素濃度センサの製造
方法。
2. A first step of forming a sacrificial film on a semiconductor substrate and sequentially laminating a lower electrode film, a solid electrolyte thin film and an upper electrode film on the sacrificial film, and the lower electrode film, the solid electrolyte thin film and the upper part. A second step of forming a pinhole penetrating the electrode film, and a third step of forming a cavity by etching away the sacrificial film below the lower electrode film through the pinhole. Method for manufacturing solid electrolyte oxygen concentration sensor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2014136329A1 (en) * 2013-03-08 2014-09-12 ローム株式会社 Limiting current gas sensor, method for producing limiting current gas sensor, and sensor network system
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