JPH0765937B2 - センサ素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は赤外線検出器の温度センサやガス検知器の検知
素子等のセンサ素子およびその製造方法に関し、特にマ
イクロブリッジ型のセンサ素子に関する。

従来の技術 従来から感熱センサを利用してエネルギー量等の測定を
することが行われており、これらの感熱センサを小型化
しまた高感度化するための手段が種々提案されている。

そして、半導体素子製造のためのミクロ加工技術が進歩
したことから、かかる感熱センサの小型化がミクロ加工
技術を利用することによって実現されている。また更
に、かかる小型センサの感度を一層高めるために、基板
に空洞を設けて架橋状にセンサ素子の感熱部位を形状し
た架橋構造（以下単にマイクロブリッジという）とする
手段が、たとえば特開昭57−178149号に開示されてい
る。

この方法は、エッチングされ易く絶縁性を有する素材か
らなる基板、たとえばシリコン基板の上面に熱酸化法、
CVD法（化学的蒸着法）、PVD法（物理的蒸着法）等によ
りSiO₂の組成を有する絶縁層を形成したものなどの上に
タングステン、モリブデン、チタン若しくはクロム等を
蒸着またはスパッタリング等により膜形成して下地層と
し、次いでこの下地層上に同様の膜形成技術によりたと
えばニッケル−クロム合金、白金もしくは白金合金等の
選定材料層を形成する。次に選定材料層上にホトレジス
トを塗布し、ホトリソグラフィー技術によりパターン露
光し、不要部分を除去して選定材料層上にホトレジスト
パターンを形成する。そして、このパターンをマスクと
して選定材料層、下地層および絶縁層をエッチングし、
所定のパターン形状に形成し、さらに基板のシリコン部
分を選択的にエッチングしてパターン形状の下部の部分
に空洞部を形成すると共に絶縁層や下地層をも除去して
マイクロブリッジとする。このようにして形成されたマ
イクロブリッジは、感熱部分の熱容量が小さく、高感度
のセンサ素子を実現するのに有効である。

ところが、このような技術にあっては、シリコン基板を
選択的にエッチングして空洞部分を形成するに当っては
エッチングの精度および再現性に難があり、電気的特性
のバラツキが大きくなって量産上の問題があるほか、材
料の面でもコストがかかるという問題があった。

一方、電子素子等を形成するに当り基板として熱良導性
の金属たとえば銅やアルミニウム等の上に絶縁層を設け
て用いることが提案されており、サーミスタ材料を利用
した光センサ素子をこのような金属基板上に形成してマ
イクロブリッジとする方法が特開昭61−30730号に開示
されている。

この方法においては、第３図に示すように、銅基板ａの
上にプラズマCVD法によって約300℃の温度で窒化ケイ素
の絶縁層ｂを形成し、その上にたとえばプラズマCVD法
によってたとえばアモルファスシリコンなどのサーミス
タ材料層ｃを形成し、さらにホトリソグラフィー技術に
よって所定のパターンを有するサーミスタエレメントを
エッチングして形成する。その後、銅基板部をエッチ液
によって部分的に除去して空洞部ｄとしマイクロブリッ
ジを形成するものである。この方法は、エッチ液として
たとえば塩化第２鉄水溶液などを用いることができ、精
度のよいエッチングが可能であるから、シリコン基板を
用いる場合にくらべて寸法精度がよくかつ電気特性のバ
ラツキの少い製品を得ることを可能としたものである。

しかしながら、この方法によると、マイクロブリッジに
おける架橋状の積層された絶縁層及びサーミスタ材料層
等の電子エレメントは、その基板と絶縁層との熱膨張係
数の差異による歪みが熱処理工程やエッチング工程等の
製造工程で蓄積されて変形したり、またその端部にクラ
ックが発生しあるいは折損を生ずることが多く、不良品
の発生率が高く、材料が安価でも生産コストが低下しな
いという問題が残った。

解決しようとする問題点 本発明は、空洞部が形成された金属性基板に架橋状に電
子エレメントを形成したマイクロブリッジ型のセンサ素
子の製造を行うに当たって、従来技術における欠点を解
消しようとして研究を行った結果完成されたものであ
る。すなわち、本発明の目的は、欠陥の発生が少なくて
電気特性がそろっており、かつ高信頼性で経済的に有利
なマイクロブリッジ型のセンサ素子を提供し、またかか
るセンサ素子を製造する方法を提供しようとするもので
ある。

問題点を解決するための手段 前記の如き本発明の目的は、金属性基板の上に熱膨張係
数が１×10^-5〔K^-1〕以下の金属の薄層を設けさらにそ
の上に絶縁層を設けてなる基体上に電子エレメントを形
成し、次いで該基体をエッチング処理して該金属性基板
の一部のみを除去することにより該電子エレメントの下
方に空洞部を形成することにより、金属層と絶縁層と電
子エレメントとが順に積層されてなる電子素子部が該空
洞部上に橋架されたマイクロブリッジ型センサ素子を実
現することによって達成できる。

本発明において作用される金属性基板としては、たとえ
ば銅、アルミニウム、ニッケル、鉄等の金属の薄板、ま
たは適宜の無機または有機絶縁材料から形成された板体
の表面に前記のような金属の層を設けた基板などが用い
られる。

また、このような金属性基板上に設けられる金属の薄層
は、熱膨張係数が１×10^-5〔K^-1〕以下の金属たとえば
タングステン、モリブデン、チタン、クロムなどを材料
として得たもので、たとえばマグネトロン・スパッタ法
などの比較的低い温度条件で金属層を形成できる手段を
用いて均一な薄層として形成される。層の厚さは特に制
限はないが、薄すぎては効果がなく、また厚すぎると経
済的に不利であるから、10μｍ以下とするのが好まし
い。

このような金属層の上に設けられる絶縁層は、どのよう
な手法で設けてもよいが、たとえばプラズマCVD法など
により、たとえば窒化ケイ素や酸化ケイ素などの薄層を
形成することによって得られる。絶縁層の厚さは特に制
限はないが、経済的な観点から10μｍ以下であるのが好
ましい。

このようにして金属性基板上に熱膨張係数が１×10
^-5〔K^-1〕以下の金属層と絶縁層とを順に積層して基体
が得られるが、この基板上には、目的とするセンサ用途
に適した電子エレメントを、公知の方法に従って形成す
る。すなわち、ガスセンサ等の目的のためには、たとえ
ばニッケル−クロム合金や白金またはその合金などの発
熱体として適した材料を、また、温度センサ等の目的の
ためには、たとえばアモルファスシリコン、炭化ケイ
素、あるいはマンガン、コバルト、ニッケル等の金属の
酸化物などのサーミスタとして適した材料を使用し、そ
れぞれの材料に適した手法、たとえばスパッタリング、
イオンプレーティング、プラズマCVDなどの手法を利用
して電子材料層を形成し、次いでたとえばホトレジスト
などを塗布してホトリソグラフィー技術によってパター
ン露光し、現像してホトレジストパターンを形成する。
そして、このパターンをマスクとして電子材料層、絶縁
層および金属層をエッチングして電子エレメントが空洞
部を設けた金属性基板からなる支持層の上に積層された
電子素子部を形成する。このような電子エレメントの形
成は、それぞれの使用目的に応じた構造のセンサ素子を
得るために、それぞれ適宜の手段および手順を採用して
実施してよく、何等制限されるものではない。

かくして金属性基板上に金属層と絶縁層と電子エレメン
トが順に積層された電子素子部が形成されたものが得ら
れるが、次いで電子素子部の側方に露出した金属性基板
の部分を深さ方向にエッチングし電子素子部の下方の基
板部分を除去して空洞部を形成する。こうして基板上に
形成された空洞部の上に金属層と絶縁層と電子エレメン
トとが順に積層されてなる電子素子部が架橋されたマイ
クロブリッジ型センサ素子が得られるが、基板の金属部
分に空洞部を形成するためのエッチング手法としては、
従来公知の方法が使用でき、基板を構成する金属材料に
適した方法を適宜選択して用いてもよいことは言うまで
もない。

以下、実施例について説明するが、本発明はこれにより
何等制限されるものではない。

実施例１ 第１図は本発明のセンサ素子の例の構造であり、同図
（ａ）は平面図であり、そのＡ−Ａ断面を同図（ｂ）に
示す。図において、１は銅を素材とした基板であり、２
はタングステンターゲットを用い、マグネトロン・スパ
ッタ法によって得られた厚さ４μｍのタングステンの金
属層、３はプラズマCVD法によって形成された厚さ７μ
ｍの窒化ケイ素の絶縁層である。この窒化ケイ素層を形
成する際、基板温度は約300℃であった。４はガス検知
用センサ素子として用いるためのニッケル−クロム合金
発熱体の電子エレメントであり、絶縁層３の上にスパッ
タ法により積層したのち、パターンエッチングにより金
属層２、絶縁層３と共に所定形状に形成したものであ
る。また、５は空洞部であり、さきのエッチングによっ
て発熱体からなる電子エレメント４の両側方に露出した
銅基板１の上面にホトレジストを塗布し、パターン露光
して空洞部予定部分以外をマスクしたのち塩化第二鉄エ
ッチング溶液を用いて銅基板部分を溶出して形成したも
のである。

このような構造を有する発熱体エレメントの上にガス吸
着物質層を設けてなるガス検知用センサ素子は、三層と
なった電子素子部６がマイクロブリッジとなって空洞部
５の上に橋架されており、電子素子部の熱容量が小さく
また熱損失も少く、高感度である。

実施例２ 第２図は本発明のセンサ素子の他の例であり、同図
（ａ）は平面図であり、そのＢ−Ｂ断面を同図（ｂ）に
示す。この例では、銅基板１、金属層２および絶縁層３
は実施例１の場合と全く同様にして形成したが、その上
に光センサ用の電子エレメント７を設けたものである。

この電子エレメント７は、クロムの蒸着膜からなるオー
ム性電極71,72、プラズマCVD法により形成されたアモル
ファスシリコンのサーミスタ層73、ホトレジスト膜から
なる電気絶縁層74および光を吸収して熱に変換するため
の金黒からなる光吸収層75を順に積層して形成されてい
る。

このような電子エレメント７を金属層２および絶縁層３
の上に積層して設けて構成された電子素子部８は、銅基
板１の上に実施例１の場合と同様にして形成された空洞
部５を跨いで橋架され、マイクロブリッジを形成してい
る。

発明の作用 従来のマイクロブリッジ型の素子にあっては、金属性基
板上に絶縁層を介して電子素子を設けたのちに基板をエ
ッチングして空洞部を設けるという方法によって製造が
行われていたため、製造時に欠陥が多く発生して不良品
率が高く、また製品の信頼性が低かったのに対して、本
発明のセンサ素子では、金属性基板上に先ず熱膨張係数
が１×10^-5〔K^-1〕以下の金属の薄層を設け、次いで絶
縁層を介して電子エレメントを設けると共に、前記の金
属の薄層を残すようにして基板の金属のみをエッチング
することにより空洞部を形成するようにしたものであ
る。そして、このようにすることによってマイクロブリ
ッジ部分の変形やクラックの発生などの不良品発生の原
因を著しく減少させることができたものである。

このような、金属基板上へ特定の性質を有する金属層を
設け、かつその金属層を除去しないという方法が予期し
ない効果を生むに至った理由に関しては、必ずしも明確
ではない。しかしながら、基板上に絶縁層や電子素子を
構成する種々の材料を積層し加工するに当って、その工
程中で反復される加熱、冷却によって内部歪が生じ、マ
イクロブリッジが形成されたときに開放された歪応力
が、種々の変形や破壊を引き起すものであるとすれば、
本発明において、かかる特定の性質を有する金属層の存
在が歪の発生を防止し、または応力の開放を抑止するの
に有効に作用するものであろうと考えられる。

発明の効果 本発明は、以上述べたような、特定の手順に従ってマイ
クロブリッジ型のセンサ素子を製造するものであり、製
造時の不良品の発生が少いので、歩留よく高信頼性の素
子を量産することが可能となった。

そしてまた、基板として比較的に安価な金属材料を用い
ることができ、エッチング手段も簡単で精度の高い方法
が採用できることもあって、電気的特性のバラツキの少
い素子が経済的に得られる利点をも有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るセンサ素子の一つの例としてガ
ス検知用センサ素子を示すものであり、同図（ａ）はそ
の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における
断面図である。 第２図は、同じく本発明に係るセンサ素子の他の例とし
ての光検出用センサ素子を示すものであり、同図（ａ）
はその平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線にお
ける断面図、第３図は従来のセンサ素子の一例を示す断
面図である。 １……基板、２……金属層、３……絶縁層、4,7……電
子エレメント、５……空洞部、6,8……電子素子部、ａ
……基板、ｂ……絶縁層、ｃ……サーミスタ材料層、ｄ
……空洞部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空洞部を設けた金属性基板に、該空洞部を
   跨いで架橋状に熱膨張係数が１×10^-5〔K^-1〕以下の金
   属層と絶縁層と電子エレメントとが順に積層されてなる
   電子素子部を形成したことを特徴とするセンサ素子。
2. 【請求項２】前記電子エレメントが発熱体、アモルファ
   スシリコン、炭化ケイ素または金属酸化物サーミスタの
   何れか一つである特許請求の範囲第１項記載のセンサ素
   子。
3. 【請求項３】金属性基板の上に熱膨張係数が１×10
   ^-5〔K^-1〕以下の金属の薄層を設けさらに該薄層上に絶
   縁層を設けてなる基体上に電子エレメントを形成した
   後、該金属性基板の一部を除去して該電子エレメントの
   下方に空洞部を形成し架橋状の電子素子部を形成するこ
   とを特徴とするセンサ素子の製造方法。