WO2020079966A1 - Ｍｅｍｓガスセンサ及びｍｅｍｓガスセンサの製造方法 - Google Patents

Ｍｅｍｓガスセンサ及びｍｅｍｓガスセンサの製造方法 Download PDF

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WO2020079966A1
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WO
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protective film
gas
heater
gas sensor
mems
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PCT/JP2019/033636
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Inventor
木村　哲平
弘明 鈴木
和雄 寺澤
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Ｎｉｓｓｈａ株式会社
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits
    • G01N27/123—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/28—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor embedded in insulating material

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor, in particular, a MEMS gas sensor and a manufacturing method thereof.
  • the gas sensitive material of the semiconductor gas sensor is made of a metal oxide semiconductor (tin oxide, etc.).
  • tin oxide metal oxide semiconductor
  • a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) gas sensor which is a type of semiconductor gas sensor, mainly includes a semiconductor chip and a package that houses the semiconductor chip.
  • a cavity is formed in the semiconductor chip.
  • An insulating film is formed in the opening of the cavity, and a gas sensitive portion is provided in the insulating film.
  • the gas sensitive portion has a gas sensitive material and a thin film heater.
  • the gas sensing portion further has wiring. The wiring is drawn out from the gas sensitive material and the thin film heater to the outside of the cavity and is connected to the electrode pad (for example, refer to Patent Document 1).
  • Pt is used for the heater layer of the MEMS gas sensor.
  • a NiCr heater has been studied.
  • the inventor studied the use of a SiN film as the interlayer insulating film.
  • the productivity is not good. Therefore, the inventor studied the use of a SiO 2 film as the interlayer insulating film in order to increase the film formation rate.
  • the SiO 2 film has a large change in resistance value and thus has a short life.
  • the purpose of the present invention is to extend the life of the MEMS gas sensor.
  • a MEMS gas sensor includes an insulator, a gas-sensitive material, a first protective film and a second protective film, a heater wiring, and a gas barrier layer.
  • the insulator has a cavity.
  • the gas sensitive material is provided corresponding to the cavity.
  • the first protective film and the second protective film are provided on the insulator and are arranged so as to overlap each other in a plan view.
  • the heater wiring is for heating the gas sensitive material, and is arranged between the first protective film and the second protective film.
  • the gas barrier layer closely covers both sides and side surfaces of the heater wiring.
  • At least a part of the side surface of the heater wiring may extend obliquely in a side view.
  • the side surface of the heater wiring since the side surface of the heater wiring is oblique, it is easy to form the gas barrier layer on the side surface of the wiring of the heater, and thus the adhesion of the gas barrier layer is increased.
  • the first protective film and the second protective film may be made of SiO 2 .
  • the film formation rate of the first protective film and the second protective film is high, and a thick film can be easily formed.
  • the heater wiring may be made of NiCr. This sensor extends the life of the heater.
  • the gas barrier layer may be a metal oxide film.
  • the gas barrier layer can be formed by sputtering, and the gas barrier layer has a significantly higher insulating property or resistance value than the heater wiring.
  • the gas barrier layer may be made of Ta 2 O 5 .
  • the gas barrier layer has high adhesion.
  • the heater wiring may be annularly formed in a plan view at a position corresponding to the gas-sensitive material.
  • the heater has no central portion. Therefore, the temperature difference between the central side and the outer peripheral side of the heater is reduced. As a result, the heater life is extended and the sensor characteristics are stable.
  • the pattern was dense in the central part of the heater, the temperature of the central part was high, which resulted in poor temperature distribution.
  • a method of manufacturing a MEMS gas sensor includes the following steps.
  • the order of executing the steps is not particularly limited.
  • ⁇ Step of forming a first protective film on an insulator having a cavity ⁇ Step of forming a first gas barrier layer on the first protective film ⁇ Heater wiring for heating a gas-sensitive material on the first gas barrier layer Step of forming ⁇ Step of forming a second gas barrier layer that covers the upper surface and the side surface of the heater wiring ⁇ Step of forming a second protective film so as to sandwich the heater wiring with the first protective film ⁇
  • Corresponding step of forming gas-sensitive material In this method, by covering both sides and side surfaces of the heater wiring with the first and second gas barrier layers, it is possible to reduce the change in the resistance value of the heater and thus prolong the service life.
  • the reason is that even if the gas barrier properties of the first protective film and the second protective film are low, or the gas components such as hydrogen and oxygen inside the first protective film go out to the outside, the first and second gas barrier layers are This is because the heater wiring is not affected by the gas because the movement of the gas is limited.
  • the manufacturing method of the MEMS gas sensor may further include the following steps. ⁇ Step of processing at least a part of the side surface of the heater wiring so as to extend obliquely in a side view
  • ⁇ Step of processing at least a part of the side surface of the heater wiring so as to extend obliquely in a side view since the side surface of the heater wiring is oblique, the second gas barrier layer is formed on the side surface of the heater wiring. It is easy to form, so that the adhesion of the second gas barrier layer is increased.
  • the MEMS gas sensor according to the present invention has a long life.
  • the top view of the MEMS gas sensor as a 1st embodiment of the present invention The top view which has a cross section in a part of MEMS gas sensor.
  • the schematic cross section of a MEMS gas sensor Sectional drawing of the heater wiring of a MEMS gas sensor. Sectional photograph of the heater wiring of the MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor.
  • Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. Sectional drawing which shows the manufacturing process of a MEMS gas sensor. The schematic diagram explaining the principle of the milling process by Ar ion. The top view which has a cross section in a part of MEMS gas sensor as 2nd Embodiment.
  • the top view of a heater wiring pattern The top view of the heater wiring pattern of 3rd Embodiment. The top view of the heater wiring pattern of 4th Embodiment. The top view of the heater wiring pattern of 5th Embodiment. The top view of the heater wiring pattern of 6th Embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view of a MEMS gas sensor as a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view having a cross section in a part of the MEMS gas sensor.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of the MEMS gas sensor.
  • the gas sensor 1 has a base 3 (an example of an insulator).
  • the base 3 has a first main surface 3a and a second main surface 3b facing each other in the thickness direction.
  • the material of the base 3 is, for example, silicon, sapphire glass, quartz glass, a ceramic wafer, or SiC.
  • the thickness of the base 3 is 100 to 800 ⁇ m.
  • the base 3 has a cavity 3c (an example of a cavity).
  • the cavity 3c has an opening 5 that opens toward the first main surface 3a.
  • the depth of the cavity 3c is 100 to 800 ⁇ m.
  • the cavity 3c has a quadrangular pyramid shape whose cross-sectional area increases from the bottom toward the opening.
  • the shape of the cavity may be a vertical hole, or the plane shape may be a square, a rectangle, or a circle.
  • a first oxide film 6 (an example of a first protective film) is formed on the first major surface 3a of the base 3.
  • a second oxide film 8 is formed on the second main surface 3b of the base 3. The thickness of each of the first oxide film 6 and the second oxide film 8 is 0.05 to 2 ⁇ m.
  • the gas sensor 1 has an insulating base layer 7.
  • the insulating base layer 7 is formed on the first major surface 3 a of the base 3.
  • the base insulating layer 7 has an interlayer insulating film 13 (an example of a second protective film).
  • the interlayer insulating film 13 is arranged as the insulating base layer 7 so as to overlap the first oxide film 6 in a plan view.
  • the thickness of the interlayer insulating film 13 is 1 to 5 ⁇ m.
  • the material of the interlayer insulating film 13 is, for example, SiO 2 , SiON, SiOC, or SiOCN.
  • the interlayer insulating film 13 is made of SiO 2 , the film forming rate of the interlayer insulating film 13 is high and a thick film can be easily formed.
  • the insulating base layer 7 is fixed to the first main surface 3 a of the base 3, and is fixed to the fixed portion 15 so as to be positioned corresponding to the opening 5 of the base 3.
  • a thin plate-shaped bridge portion 17 is a thin film support film formed on the base 3 so as to close the opening 5 of the cavity 3c.
  • the bridge portion 17 has a central portion 19 and four connecting portions 21 that connect the central portion 19 and the fixed portion 15 in a plan view.
  • a notch 21a is formed between the connecting portions 21.
  • the notch 21a is a portion that communicates the opening 5 of the cavity 3c with the outside.
  • the bridge shape of the four connecting portions 21 is approximately an X shape, and more accurately, it is a four-cross corner rounding type. This is preferable from the results of push strength and temperature distribution.
  • the connecting portion is, for example, 2 to 5, and has a swastika shape, an x shape, a + shape, or the like.
  • the thin plate-shaped portion may be a membrane portion having no notch instead of the bridge portion.
  • the gas sensor 1 has a heater wiring pattern 23 (an example of a heater wiring).
  • the heater wiring pattern 23 is for heating a gas sensitive material 33 (described later).
  • the heater wiring pattern 23 is arranged between the first oxide film 6 and the interlayer insulating film 13.
  • the layer structure of the heater wiring pattern 23 has a heater layer 23a as shown in FIG.
  • the heater layer 23a has a thickness of 0.1 to 1 ⁇ m.
  • the material of the heater layer 23a is, for example, NiCr, Pt, Mo, Ta, W, NiCrFe, NiCrFeMo, NiCrAl, FeCrAl, NiFeCrNbMo.
  • the life of the heater is extended.
  • a heater layer adhesion film may be provided.
  • the material of the heater layer adhesion film is, for example, Ti, Ta, Ta 2 O 5 , or Al 2 O 3 .
  • the thickness of the heater layer adhesion film is 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • FIGS. 4 and 5 the heater wiring pattern 23 is covered by the lower protective film 11 (an example of a gas barrier layer, a first gas barrier layer) and the upper protective film 20 (an example of a gas barrier layer, a second gas barrier layer).
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the heater wiring of the MEMS gas sensor.
  • FIG. 5 is a cross-sectional photograph of the heater wiring of the MEMS gas sensor.
  • the heater wiring pattern 23 has an upper surface 23c, a lower surface 23d and a side surface 23e, the lower surface 23d is covered with the lower protective film 11, and the upper surface 23c and the side surface 23e are covered with the upper protective film 20.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the heater wiring of the MEMS gas sensor.
  • FIG. 5 is a cross-sectional photograph of the heater wiring of the MEMS gas sensor.
  • the heater wiring pattern 23 has an upper surface 23c, a lower surface 23d and a side surface 23e, the lower surface 23d is covered with the
  • NiCr corresponds to the heater wiring pattern 23
  • TEOS-SiO 2 corresponds to the first oxide film 6 and the interlayer insulating film 13
  • Ta 2 O 5 corresponds to the lower protective film 11.
  • the upper protective film 20 is, for example, Ta 2 O 5, Al 2 O 3 , SiN, SiO, SiC, SiCN, TiN, TiC, TiB 2 , Cr 2 O 3 , HfO 2 , Nb 2 O. 5 , ZrO 2 , CrN, and AlN.
  • the thickness of the lower protective film 11 and the upper protective film 20 is in the range of 0.05 to 0.20 ⁇ m.
  • the change in the resistance value of the heater wiring pattern 23 can be reduced, and therefore the life can be extended.
  • the reason is that even if the gas barrier properties of the first oxide film 6 and the interlayer insulating film 13 are low, or the gas components such as hydrogen and oxygen inside the first oxide film 6 go out to the outside, the lower protection of the gas barrier layer is performed. This is because the film 11 and the upper protective film 20 limit the movement of gas, so that the heater wiring pattern 23 is not affected by gas.
  • the side surface 23e extends obliquely when viewed from the side, that is, an inclined surface. Therefore, it becomes easy to form the upper protective film 20 on the side surface 23e of the heater wiring pattern 23, and thus the degree of adhesion of the upper protective film 20 is high.
  • the inclination angle of the side surface 23e is, for example, 30 to 80 degrees.
  • the upper protective film 20 is made of, for example, a metal oxide film
  • the upper protective film 20 can be formed by sputtering. Further, the upper protective film 20 has an insulating property or a resistance value higher than that of the heater wiring pattern 23. Will be significantly higher. It is preferable that the upper protective film 20 is mainly made of Ta 2 O 5 . In this case, the adhesion of the upper protective film 20 to the heater wiring pattern 23 is high.
  • the heater wiring pattern 23 has an electric heater portion 25 in the central portion 19 of the bridge portion 17.
  • the electric heater portion 25 is connected to the pair of heater electrode pads 27, 27.
  • the electric heater unit 25 has a function of heating a gas-sensitive material 33 (described later), promoting a reaction between the measurement gas and the gas-sensitive material 33, and promptly releasing the adsorbed gas and moisture after the reaction.
  • the electric heater portion 25 has an annular portion 52 corresponding to the center of the central portion 19 of the bridge portion 17. Specifically, the annular portion 52 has an annular shape in which each connecting portion 54 (described later) is branched and connected at the central portion. As described above, the electric heater portion 25 has no central portion. Therefore, the temperature difference between the central side and the outer peripheral side of the electric heater portion 25 is reduced. As a result, the heater life is extended and the sensor characteristics are stable.
  • the electric heater part 25 has a connecting part 54 extending in the circumferential direction of about 270 degrees in the central part 19 of the bridge part 17. One end of the connecting portion 54 is connected to the annular portion 52.
  • the gas sensor 1 has an electrode wiring pattern 29.
  • the layer structure of the electrode wiring pattern 29 is a sense layer 29a and a sense layer adhesion film 29b (see FIG. 20).
  • the thickness of the sense layer 29a is 0.1 to 1 ⁇ m.
  • the thickness of the sense layer adhesion film 29b is 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • the material of the sense layer 29a is, for example, Pt, W, Ti.
  • the material of the sense layer adhesion film 29b is, for example, Ti, Ta, Ta 2 O 5 , or Al 2 O 3 .
  • the electrode wiring pattern 29 constitutes a detection electrode portion 31 in the central portion 19 of the bridge portion 17.
  • the detection electrode portion 31 is formed on the surface of the interlayer insulating film 13.
  • the detection electrode portion 31 is connected to the pair of detection electrode pads 28, 28.
  • the detection electrode portion 31 has a function of detecting a change in resistance value inside the gas sensor 1 when a gas to be detected adheres to the gas sensitive material 33 (de
  • the gas sensor 1 has a gas sensitive material 33.
  • the gas sensitive material 33 has a property of being sensitive (reacting) to the gas to be measured. Specifically, the resistance value of the gas sensitive material 33 changes according to the change in the concentration of the gas to be measured.
  • the gas sensitive material 33 is formed on the central portion 19 of the bridge portion 17 so as to cover the detection electrode portion 31. That is, the gas sensitive material 33 is provided corresponding to the cavity 3c.
  • the gas sensitive material 33 has a thickness of 3 to 50 ⁇ m.
  • the material of the gas sensitive material 33 is, for example, SnO 2 , WO 3 , ZnO, NiO, CuO, FeO, In 2 O 3 .
  • the method for forming the gas-sensitive material 33 is, for example, screen printing, dispenser coating, inkjet coating, or sputtering.
  • a surface protective film 30 is formed on the surface of the insulating base layer 7.
  • the surface protective film 30 is made of a known material.
  • FIGS. 6 to 20 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the MEMS gas sensor.
  • the same reference numerals may be given to components corresponding to the respective components of the finished product.
  • a large-area wafer 3A made of, for example, a silicon single crystal substrate is introduced as the material of the base 3.
  • the wafer 3A has a first main surface 3a and a second main surface 3b.
  • first oxide film 6 and second oxide film 8 are formed on first main surface 3a and second main surface 3b of wafer 3A, respectively.
  • the oxide film is formed by, for example, a thermal oxidation method.
  • FIG. 7 the lower protective film 11 is further formed by sputtering. However, in FIG. 7, the lower protective film 11 is not shown. Further, in FIG. 7, the heater solid layer 23A is formed on the lower protective film 11.
  • a resist 48 having a predetermined pattern is formed on the heater solid layer 23A.
  • the predetermined pattern is formed by resist coating, exposure, and development steps.
  • the heater solid layer 23A is dry-etched. Further, the resist 48 is removed. As a result, the heater wiring pattern 23 is obtained.
  • FIG. 21 is a schematic diagram illustrating the principle of milling processing using Ar ions.
  • the ion milling device 41 is a device that performs etching by irradiating the surface of an object with a weak argon ion beam.
  • the ion milling device 41 has a chamber 46, an Ar ion source 45, and a wafer holder 47.
  • the Ar ion source 45 and the wafer holder 47 are arranged in the chamber 46.
  • the wafer holder 47 faces the Ar ion source 45 and carries a plurality of wafers 3A.
  • the wafer holder 47 rotates while being inclined with respect to the irradiation direction of Ar ions.
  • the side surface 23e of the heater wiring pattern 23 becomes a slope as shown in FIG.
  • the upper protective film 20 is formed on the heater wiring pattern 23 by sputtering. However, in FIG. 9, the upper protective film 20 is not shown. As shown in FIG. 4, the upper protective film 20 is formed on the upper surface 23c and the side surface 23e of the heater wiring pattern 23. At this time, since the side surface 23e is an inclined surface, the adhesion of the upper protective film 20 is good.
  • the interlayer insulating film 13 is formed of TEOS on the heater wiring pattern 23. Further, the electrode wiring solid layer 29A is formed on the interlayer insulating film 13. As shown in FIG. 11, a resist 49 having a predetermined pattern is formed on the electrode wiring solid layer 29A. The predetermined pattern is formed by resist coating, exposure, and development steps.
  • the electrode wiring solid layer 29A is dry-etched. Dry etching is, for example, plasma etching. Further, the resist 49 is removed. As a result, the electrode wiring pattern 29 is obtained. As shown in FIG. 13, a surface protective film 30 is formed on the electrode wiring pattern 29.
  • a resist 50 having a predetermined pattern is formed on the surface protective film 30 except on the sense pad opening 43 and the gas sensitive portion opening. After that, the exposed portion of the surface protective film 30 is removed. The resist 50 is also removed. As shown in FIG. 15, the resist 50 newly covers the portions other than the heater pad opening 42 and the dicing line opening 44, and these are formed by etching.
  • the resist 50 is filled in the dicing line opening 44.
  • the sense pad opening 43 is formed.
  • the heater electrode pad 27 and the detection electrode pad 28 are formed by lift-off. Then, the resist 50 is removed.
  • a resist 51 is formed and further an insulating film opening of the cavity 3c is formed. That is, the notch 21a is formed between the connecting portions 21. As a result, the central portion 19 is also formed. As shown in FIG. 19, the resist 51 is removed. Furthermore, the cavity 3c is formed in the wafer 3A. Specifically, the cavity 3c having the opening 5 is formed by performing anisotropic etching.
  • the wafer 3A is diced to obtain the base 3.
  • the gas sensitive material 33 is formed.
  • the gas sensitive material 33 is formed on the detection electrode portion 31 of the central portion 19. That is, the gas sensitive material 33 is formed on the surface of the central portion 19 so as to cover the detection electrode portion 31.
  • the gas-sensitive material 33 is formed by applying a paste of a metal compound semiconductor containing In 2 O 3 as a main component to the surface of the central portion 19 and firing it at 650 ° C. or higher.
  • the gas sensitive material 33 may be formed before dicing.
  • the bridge shape of the four connecting portions 21 is an X shape, but other shapes may be used. Such an embodiment will be described with reference to FIGS. 22 and 23.
  • FIG. 22 is a plan view having a partial cross section of the MEMS gas sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 23 is a plan view of the heater wiring pattern. Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, the following description will focus on the differences.
  • the number of the connecting portions 21 is three, and the three connecting portions 21 linearly extend in the radial direction. To be precise, they are three straight type.
  • the electric heater unit 25 has a zigzag pattern.
  • the electric heater portion 25 of the heater wiring pattern 23 has a zigzag pattern, but it may have another shape. Embodiments of other shapes of the electric heater portion 25 in the following third to sixth embodiments will be described. Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, the following description will focus on the differences.
  • FIG. 24 is a plan view of a heater wiring pattern according to the third embodiment.
  • the electric heater portion 25A has an annular portion 52 corresponding to the central portion 19 of the bridge portion 17.
  • the annular portion 52 has an annular shape in which each connecting portion 53 (described later) is branched and connected at the central portion.
  • the central portion of the electric heater portion 25A is not formed. Therefore, the temperature difference between the central side and the outer peripheral side of the electric heater portion 25A is reduced. As a result, the heater life is extended and the sensor characteristics are stable.
  • the electric heater portion 25A has a pair of connecting portions 53 extending in the circumferential direction of, for example, about 250 degrees in the central portion 19 of the bridge portion 17. One end of each connecting portion 53 is connected to the annular portion 52.
  • the pair of connecting portions 53 are arranged like a triple circle with the annular portion 52 as the center.
  • the electric heater portion 25A is made of, for example, NiCr, and has a wider line width than that of Pt, for example.
  • FIG. 25 is a plan view of a heater wiring pattern according to the fourth embodiment.
  • the electric heater portion 25B has an annular portion 52 corresponding to the center of the central portion 19 of the bridge portion 17.
  • the annular portion 52 is a continuous annular shape formed by a pair of parallel lines extending from each connecting portion 55 (described later).
  • the electric heater portion 25B has no central portion. Therefore, the temperature difference between the central side and the outer peripheral side of the electric heater portion 25B is reduced. As a result, the heater life is extended and the sensor characteristics are stable.
  • the electric heater part 25B has a pair of connecting parts 55 extending in the circumferential direction and further folding back in the central part 19 of the bridge part 17. Since the connecting portion 55 is folded back in this manner, the outer peripheral side portion of the electric heater portion 25B is dense. One end of each connecting portion 55 is connected to the annular portion 52.
  • the electric heater portion 25B is made of, for example, NiCr and has a wider line width than that of Pt, for example.
  • FIG. 26 is a plan view of a heater wiring pattern according to the fifth embodiment.
  • the electric heater portion 25C has an annular portion 52 in plan view corresponding to the center of the central portion 19 of the bridge portion 17.
  • the annular portion 52 is a continuous annular shape formed of a pair of parallel lines extending from each connecting portion 57 (described later).
  • the central portion of the electric heater portion 25C is not formed. Therefore, the temperature difference between the central side and the outer peripheral side of the electric heater portion 25C is reduced. As a result, the heater life is extended and the sensor characteristics are stable.
  • the electric heater portion 25C has a pair of connecting portions 57 extending in the circumferential direction of, for example, about 290 degrees in the central portion 19 of the bridge portion 17. One end of each connecting portion 57 is connected to the annular portion 52.
  • the electric heater portion 25C is made of Pt, for example, and has a narrower line width than that of NiCr, for example.
  • FIG. 27 is a plan view of a heater wiring pattern according to the sixth embodiment.
  • the electric heater portion 25D has an annular portion 52 in plan view, corresponding to the center of the central portion 19 of the bridge portion 17.
  • the annular portion 52 is a continuous annular shape formed by a pair of parallel lines extending from each connecting portion 59 (described later).
  • the central portion of the electric heater portion 25D is not formed. Therefore, the temperature difference between the central side and the outer peripheral side of the electric heater portion 25D is reduced. As a result, the heater life is extended and the sensor characteristics are stable.
  • the electric heater portion 25D has a pair of connecting portions 59 extending in the circumferential direction and further folding back in the central portion 19 of the bridge portion 17. Since the connecting portion 59 is folded back in this manner, the outer peripheral side portion of the electric heater portion 25D is dense. One end of each connecting portion 59 is connected to the annular portion 52.
  • the electric heater portion 25D is made of Pt, for example, and has a narrower line width than that of NiCr, for example.
  • the MEMS gas sensor 1 includes an insulator (for example, the base 3), a gas-sensitive material (for example, the gas-sensitive material 33), a first protective film (for example, the first oxide film 6), and a second protective film.
  • a film for example, the interlayer insulating film 13
  • a heater wiring for example, the heater wiring pattern 23
  • a gas barrier layer for example, the lower protective film 11 and the upper protective film 20
  • the insulator has a cavity (for example, the cavity 3c).
  • the gas sensitive material is provided corresponding to the cavity.
  • the first protective film and the second protective film are provided on the insulator and are arranged so as to overlap each other in a plan view.
  • the heater wiring is for heating the gas sensitive material, and is arranged between the first protective film and the second protective film.
  • the gas barrier layer closely covers both sides (for example, the upper surface 23c and the lower surface 23d) and side surfaces (for example, the side surface 23e) of the heater wiring.
  • the annular portion of the electric heater portion is an endless annular portion composed of a pair of parallel lines extending from each connecting portion, but the annular portion has both end portions that are close to each other,
  • the shape may be such that one end extends from one connecting portion and the other end extends from the other connecting portion.
  • the cavity may be open on the lower side.
  • the gas sensitive material, the heater wiring pattern, etc. may be provided on the second main surface of the insulating material.
  • the present invention can be widely applied to the MEMS gas sensor and the manufacturing method thereof.
  • MEMS gas sensor 3 Base 3c: Cavity 5: Opening 11: Lower protective film 13: Interlayer insulating film 20: Upper protective film 23: Heater wiring pattern 23a: Heater layer 23c: Upper surface 23d: Lower surface 23e: Side surface 25: Electric heater part 27: Heater electrode pad 28: Detection electrode pad 29: Electrode wiring pattern 31: Detection electrode part 33: Gas sensitive material

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Abstract

【課題】ＭＥＭＳガスセンサの寿命を延ばす。 【解決手段】ＭＥＭＳガスセンサ１は、絶縁体３と、感ガス材３３と、第１酸化膜６及び層間絶縁膜１３と、ヒータ配線パターン２３と、下側保護膜１１及び上側保護膜２０と、を備えている。絶縁体は、キャビティ３ｃを有する。感ガス材３３は、キャビティ３ｃに対応して設けられている。第１酸化膜６及び層間絶縁膜１３は、絶縁体３に設けられ、平面視で互いに重なるように配置されている。ヒータ配線パターン２３は、感ガス材３３を加熱するためのものであり、第１酸化膜６と層間絶縁１３との間に配置されている。下側保護膜１１及び上側保護膜２０は、ヒータ配線パターン２３の上面２３ｃ、下面２３ｄ及び側面２３ｅを密着して覆っている。

Description

ＭＥＭＳガスセンサ及びＭＥＭＳガスセンサの製造方法
　本発明は、ガスセンサ、特に、ＭＥＭＳガスセンサ及びその製造方法に関する。
　半導体式ガスセンサの感ガス材は、金属酸化物半導体（酸化スズなど）からなる。還元ガスが高温状態の酸化スズに接触すると、表面の酸素が還元ガスと反応して取り去られる。その結果、酸化スズ中の電子が自由になる（つまり、酸化スズの抵抗が減少する）。以上の原理により、半導体式ガスセンサにおいてガスが検出される。
　半導体式ガスセンサの一種であるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）ガスセンサは、主に、半導体チップと、それを収容するパッケージとから構成されている。
　半導体チップには、キャビティが形成されている。キャビティの開口部には絶縁膜が形成され、絶縁膜に感ガス部が設けられている。感ガス部は、感ガス材と、薄膜ヒータとを有している。感ガス部はさらに配線を有している。配線は、感ガス材及び薄膜ヒータからキャビティの外部まで引き出され、電極パッドに接続されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１２－９８２３４号公報
　一般的にＭＥＭＳガスセンサのヒータ層にはＰｔが用いられている。しかし、Ｐｔヒータは寿命が短いので、ＮｉＣｒヒータが検討されている。
　ＮｉＣｒヒータの開発において、発明者は、層間絶縁膜にＳｉＮ膜を用いることを検討した。しかし、ＳｉＮ膜は成膜速度が低いので、生産性が良くなかった。
　そこで、発明者は、成膜速度を高めるために、層間絶縁膜にＳｉＯ２膜を用いることを検討した。しかし、ＳｉＯ２膜では、ヒータ寿命試験において、抵抗値変化が大きくそのため寿命が短いことが分かった。
　本発明の目的は、ＭＥＭＳガスセンサの寿命を延ばすことにある。
　以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
　本発明の一見地に係るＭＥＭＳガスセンサは、絶縁体と、感ガス材と、第１保護膜及び第２保護膜と、ヒータ配線と、ガスバリア層と、を備えている。
　絶縁体は、キャビティを有する。
　感ガス材は、キャビティに対応して設けられている。
　第１保護膜及び第２保護膜は、絶縁体に設けられ、平面視で重なるように配置されている。
　ヒータ配線は、感ガス材を加熱するためのものであり、第１保護膜と第２保護膜との間に配置されている。
　ガスバリア層は、ヒータ配線の両面及び側面を密着して覆っている。
　このセンサでは、ヒータ配線の両面及び側面をガスバリア層で覆うことで、ヒータの抵抗値変化を小さくでき、そのため寿命を長くできる。その理由は、第１保護膜と第２保護膜のガスバリア性が低かったり、その内部にある水素や酸素などのガス成分が外部に出ていったりする場合でも、ガスバリア層がガスの移動を制限するので、ヒータ配線がガスの影響を受けないからである。
　ヒータ配線の側面の少なくとも一部は、側方視において斜めに延びていてもよい。
　このガスセンサでは、ヒータ配線の側面が斜めになっているので、ヒータの配線の側面においてガスバリア層を形成しやすくなり、そのためガスバリア層の密着度が高くなる。
　第１保護膜及び第２保護膜はＳｉＯ２からなっていてもよい。
　このセンサでは、第１保護膜及び第２保護膜の成膜速度が速くなり、厚膜を容易に形成できる。
　ヒータ配線はＮｉＣｒからなっていてもよい。
　このセンサでは、ヒータの寿命が延びる。
　ガスバリア層は金属酸化膜でもよい。
　このセンサでは、ガスバリア層をスパッタ成膜で形成することが可能であり、さらに、ガスバリア層は、絶縁性又は抵抗値がヒータ配線に比べて大幅に高くなっている。
　ガスバリア層はＴａ２Ｏ５からなっていてもよい。
　このセンサでは、ガスバリア層の密着性が高い。
　ヒータ配線は、感ガス材に対応する位置において平面視で環状に形成されていてもよい。
　このセンサでは、ヒータは中心部分が形成されていない。したがって、ヒータの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
　従来であれば、ヒータ中心部はパターンが密集しているため、中心部の温度が高くなり、そのため温度分布が悪くなっていた。
　本発明の他の見地に係るＭＥＭＳガスセンサの製造方法は、下記のステップを備えている。なお、ステップの実行の順番は特に限定されない。
　◎キャビティを有する絶縁体に第１保護膜を形成するステップ
　◎第１保護膜の上に第１ガスバリア層を形成するステップ
　◎感ガス材を加熱するためのヒータ配線を第１ガスバリア層の上に形成するステップ
　◎ヒータ配線の上面及び側面を覆う第２ガスバリア層を形成するステップ
　◎第１保護膜との間に前記ヒータ配線を挟むように第２保護膜を形成するステップ
　◎絶縁体のキャビティに対応して感ガス材を形成するステップ
　この方法では、ヒータ配線の両面及び側面を第１及び第２ガスバリア層で覆うことで、ヒータの抵抗値変化を小さくでき、そのため寿命を長くできる。その理由は、第１保護膜と第２保護膜のガスバリア性が低かったり、その内部にある水素や酸素などのガス成分が外部に出ていったりする場合でも、第１及び第２ガスバリア層がガスの移動を制限するので、ヒータ配線がガスの影響を受けないからである。
　ＭＥＭＳガスセンサの製造方法は、下記のステップをさらに備えていてもよい。
　◎ヒータ配線の側面の少なくとも一部を、側方視において斜めに延びるように加工するステップ
　この方法では、ヒータ配線の側面が斜めになっているので、ヒータの配線の側面において第２ガスバリア層を形成しやすくなり、そのため第２ガスバリア層の密着度が高くなる。
　本発明に係るＭＥＭＳガスセンサは、寿命が長くなる。
本発明の第１実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサの平面図。 ＭＥＭＳガスセンサの一部に横断面を有する平面図。 ＭＥＭＳガスセンサの模式的断面図。 ＭＥＭＳガスセンサのヒータ配線の断面図。 ＭＥＭＳガスセンサのヒータ配線の断面写真。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図。 Ａｒイオンによるミリング加工の原理を説明する模式図。 第２実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサの一部に横断面を有する平面図。 ヒータ配線パターンの平面図。 第３実施形態のヒータ配線パターンの平面図。 第４実施形態のヒータ配線パターンの平面図。 第５実施形態のヒータ配線パターンの平面図。 第６実施形態のヒータ配線パターンの平面図。
１．第１実施形態
（１）ＭＥＭＳガスセンサ
　図１～図３を用いて、本発明の一実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサ１（以下、ガスセンサ１という）を説明する。図１は、本発明の第１実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサの平面図である。図２は、ＭＥＭＳガスセンサの一部に横断面を有する平面図である。図３は、ＭＥＭＳガスセンサの模式的断面図である。
　ガスセンサ１は、図３に示すように、ベース３（絶縁体の一例）を有している。ベース３は、厚み方向に対向する第１主面３ａ及び第２主面３ｂを有している。ベース３の材料は、例えば、シリコン、サファイヤガラス、石英ガラス、セラミックウェハ、ＳｉＣである。ベース３の厚みは、１００～８００μｍである。
　ベース３は、キャビティ３ｃ（キャビティの一例）を有している。キャビティ３ｃは、第１主面３ａ側に開口する開口部５を有している。キャビティ３ｃの深さは、１００～８００μｍである。キャビティ３ｃは、底部から開口に向かうに従って横断面積が大きくなる四角錐形状である。ただし、キャビティの形状は、垂直穴でもよいし、平面形状は正方形、長方形、丸であってもよい。
　なお、ベース３の第１主面３ａには第１酸化膜６（第１保護膜の一例）が形成されている。ベース３の第２主面３ｂには第２酸化膜８が形成されている。第１酸化膜６および第２酸化膜８それぞれの厚みは０．０５～２μｍである。
　ガスセンサ１は、ベース絶縁層７を有している。ベース絶縁層７は、ベース３の第１主面３ａに形成されている。ベース絶縁層７は、層間絶縁膜１３（第２保護膜の一例）を有している。以上のように、層間絶縁膜１３は、ベース絶縁層７として、第１酸化膜６に対して平面視で互いに重なるように配置されている。
　層間絶縁膜１３の厚みは１～５μｍである。
　層間絶縁膜１３の材料は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＣＮである。一例として、層間絶縁膜１３がＳｉＯ２からなる場合は、層間絶縁膜１３の成膜速度が高くなり、厚膜を容易に形成できる。
　ベース絶縁層７は、図２に示すように、ベース３の第１主面３ａに固定される固定部１５と、固定部１５と一体に設けられてベース３の開口部５に対応して位置する薄板状のブリッジ部１７とを有する。ブリッジ部１７は、キャビティ３ｃの開口部５を塞ぐようにベース３上に形成された薄膜状の支持膜である。ブリッジ部１７は、平面視では、図２に示すように、中央部１９と、中央部１９と固定部１５とを連結する４本の連結部２１とを有する。連結部２１同士の間は、切り欠き２１ａとなっている。切り欠き２１ａは、キャビティ３ｃの開口部５を外部に連通させる部分である。この実施形態では、図２に示すように、４本の連結部２１のブリッジ形状は概ねＸ形状であり、正確には４本クロス角丸めタイプである。これは、プッシュ強度、温度分布の結果から、好ましい。
　連結部は、例えば、２～５本であり、卍形状、×形状、＋形状などである。また、薄板状部分は、ブリッジ部の代わりに、切り欠きがないメンブレン部であってもよい。
　ガスセンサ１は、図２及び図３に示すように、ヒータ配線パターン２３（ヒータ配線の一例）を有している。ヒータ配線パターン２３は、感ガス材３３（後述）を加熱するためのものである。ヒータ配線パターン２３は、第１酸化膜６と層間絶縁膜１３との間に配置されている。
　ヒータ配線パターン２３の層構造は、図３に示すように、ヒータ層２３ａを有している。ヒータ層２３ａの厚みは、０．１～１μｍである。ヒータ層２３ａの材料は、例えば、ＮｉＣｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、ＮｉＣｒＦｅ、ＮｉＣｒＦｅＭｏ、ＮｉＣｒＡｌ、ＦｅＣｒＡｌ、ＮｉＦｅＣｒＮｂＭｏである。一例として、ヒータ層２３ａがＮｉＣｒからなる場合は、ヒータの寿命が延びる。
　なお、ヒータ層２３ａがＮｉＣｒ以外の場合は、ヒータ層密着膜が設けられていても良い。ヒータ層密着膜の材料は、例えば、Ｔｉ、Ｔａ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３である。ヒータ層密着膜の厚みは、０．０１～０．５μｍである。
　図４及び図５に示すように、ヒータ配線パターン２３は、下側保護膜１１（ガスバリア層、第１ガスバリア層の一例）と上側保護膜２０（ガスバリア層、第２ガスバリア層の一例）によって覆われている。図４は、ＭＥＭＳガスセンサのヒータ配線の断面図である。図５は、ＭＥＭＳガスセンサのヒータ配線の断面写真である。ヒータ配線パターン２３は、上面２３ｃ、下面２３ｄ及び側面２３ｅを有しており、下面２３ｄが下側保護膜１１によって覆われており、上面２３ｃ及び側面２３ｅが上側保護膜２０によって覆われている。
　図５の（ｂ）のＮｉＣｒがヒータ配線パターン２３に対応しており、ＴＥＯＳ－ＳｉＯ２が第１酸化膜６及び層間絶縁膜１３に対応しており、Ｔａ２Ｏ５が下側保護膜１１及び上側保護膜２０に対応している。
　下側保護膜１１及び上側保護膜２０は、例えば、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＣｒＮ、ＡｌＮからなる。下側保護膜１１及び上側保護膜２０の厚みは０．０５～０．２０μｍの範囲である。
　このようにヒータ配線パターン２３の全面をガスバリア層である下側保護膜１１と上側保護膜２０で覆うことで、ヒータ配線パターン２３の抵抗値変化を小さくでき、そのため寿命を長くできる。その理由は、第１酸化膜６と層間絶縁膜１３のガスバリア性が低かったり、その内部にある水素や酸素などのガス成分が外部に出ていったりする場合でも、ガスバリア層である下側保護膜１１と上側保護膜２０がガスの移動を制限するので、ヒータ配線パターン２３がガスの影響を受けないからである。
　側面２３ｅは、側方視において斜めに延びており、つまり傾斜面になっている。このため、ヒータ配線パターン２３の側面２３ｅにおいて上側保護膜２０を形成しやすくなり、そのため上側保護膜２０の密着度が高くなっている。なお、側面２３ｅの傾斜角度は例えば３０～８０度である。
　上側保護膜２０が例えば金属酸化膜からなる場合、上側保護膜２０をスパッタ成膜で形成することが可能であり、さらに、上側保護膜２０は、絶縁性又は抵抗値がヒータ配線パターン２３に比べて大幅に高くなる。
　上側保護膜２０は主にＴａ２Ｏ５からなっていることが好ましい。この場合、上側保護膜２０のヒータ配線パターン２３への密着性が高い。
　ヒータ配線パターン２３は、図１から図３に示すように、ブリッジ部１７の中央部１９内に電気ヒータ部２５を有する。電気ヒータ部２５は、一対のヒータ用電極パッド２７、２７に接続されている。電気ヒータ部２５は、感ガス材３３（後述）を加熱して、測定ガスと感ガス材３３の反応を促進させ、反応した後は速やかに吸着したガス及び水分を発散させる機能を有する。
　電気ヒータ部２５は、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５４（後述）が中央部で枝分かれしてつながって環状になっている。このように電気ヒータ部２５は中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５の中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
　電気ヒータ部２５は、ブリッジ部１７の中央部１９内において、約２７０度円周方向に延びる連結部５４を有している。連結部５４の一端は、環状部５２に接続されている。
　ガスセンサ１は、電極配線パターン２９を有している。電極配線パターン２９の層構造は、センス層２９ａと、センス層密着膜２９ｂである（図２０を参照）。センス層２９ａの厚みは０．１～１μｍである。センス層密着膜２９ｂの厚みは０．０１～０．５μｍである。センス層２９ａの材料は、例えば、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉである。センス層密着膜２９ｂの材料は、例えば、Ｔｉ、Ｔａ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３である。
　電極配線パターン２９は、図２及び図３に示すようにブリッジ部１７の中央部１９に検出用電極部３１を構成している。検出用電極部３１は、層間絶縁膜１３の表面上に形成されている。検出用電極部３１は、一対の検出用電極パッド２８、２８に接続されている。検出用電極部３１は、感ガス材３３（後述）に検出対象のガスが付着したときに、ガスセンサ１内の抵抗値変化を検出する機能を有する。
　ガスセンサ１は、感ガス材３３を有する。感ガス材３３は、被測定ガスに感応（反応）する性質を有する。具体的には、感ガス材３３は、被測定ガスの濃度変化に応じて、抵抗値が変化する。感ガス材３３は、検出用電極部３１を覆うようにブリッジ部１７の中央部１９上に形成されている。つまり、感ガス材３３は、キャビティ３ｃに対応して設けられている。
　感ガス材３３の厚みは、３～５０μｍである。感ガス材３３の材料は、例えば、ＳｎＯ２、ＷＯ３、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＦｅＯ、Ｉｎ２Ｏ３である。感ガス材３３の形成方法は、例えば、スクリーン印刷、ディスペンサ塗布、インクジェット塗布、スパッタリングである。
　なお、ベース絶縁層７の表面には、表面保護膜３０が形成されている。表面保護膜３０は、公知の材料からなる。
（２）ガスセンサの製造方法
　図６～図２０を用いて、ガスセンサ１の製造方法を説明する。図６～図２０は、ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図である。なお、製造工程の途中であっても、完成品の各構成に対応する構成には同じ符号を付している場合がある。
　図６に示すように、ベース３の材料として、例えばシリコン単結晶基板からなる大面積のウェハ３Ａの投入が行われる。ウェハ３Ａは、第１主面３ａと第２主面３ｂとを有している。
　さらに、ウェハ３Ａの第１主面３ａと第２主面３ｂに第１酸化膜６と第２酸化膜８がそれぞれ形成される。酸化膜は例えば熱酸化法によって形成される。
　次に、図７～図９を用いて、ウェハ３Ａにヒータ配線パターン２３を形成するステップを説明する。
　図７では、さらに、下側保護膜１１が、スパッタリングによって形成される。ただし、図７では、下側保護膜１１は図示されていない。
　さらに、図７では、ヒータベタ層２３Ａが下側保護膜１１の上に形成される。
　図８に示すように、所定パターンのレジスト４８がヒータベタ層２３Ａの上に形成される。所定のパターンは、レジスト塗布、露光、現像工程によって形成される。
　図９に示すように、ヒータベタ層２３Ａがドライエッチングされる。さらに、レジスト４８が除去される。この結果、ヒータ配線パターン２３が得られる。
　次に、図２１に示すように、イオンミリング装置４１を用いて、ヒータ配線パターン２３の側面２３ｅを斜面形状になるように加工する。図２１は、Ａｒイオンによるミリング加工の原理を説明する模式図である。
　イオンミリング装置４１は、物体の表面に弱いアルゴンイオンビームを照射することで、エッチングを行う装置である。イオンミリング装置４１は、チャンバ４６と、Ａｒイオン源４５、およびウェハ保持部４７を有している。Ａｒイオン源４５及びウェハ保持部４７は、チャンバ４６内に配置されている。ウェハ保持部４７は、Ａｒイオン源４５に対向しており、複数のウェハ３Ａを搭載している。ウェハ保持部４７は、Ａｒイオンの照射方向に対して傾いた状態で回転する。
　その結果、図４に示すように、ヒータ配線パターン２３の側面２３ｅが斜面になる。
　さらに、ヒータ配線パターン２３の上に、スパッタリングによって上側保護膜２０を形成する。ただし、図９では、上側保護膜２０は図示されていない。
　上側保護膜２０は、図４に示すように、ヒータ配線パターン２３の上面２３ｃ及び側面２３ｅの上に形成される。このとき、側面２３ｅが傾斜面であるので、上側保護膜２０の密着性が良い。
　以下、図１０～図１２を用いて、電極配線パターン２９をウェハ３Ａに形成するステップを説明する。
　図１０に示すように、層間絶縁膜１３が、ヒータ配線パターン２３の上にＴＥＯＳによって形成される。
　さらに、電極配線ベタ層２９Ａが、層間絶縁膜１３の上に形成される。
　図１１に示すように、所定のパターンのレジスト４９が電極配線ベタ層２９Ａの上に形成される。所定のパターンは、レジスト塗布、露光、現像工程によって形成される。
　図１２に示すように、電極配線ベタ層２９Ａがドライエッチングされる。ドライエッチングは例えばプラズマ・エッチングである。さらに、レジスト４９が除去される。以上の結果、電極配線パターン２９が得られる。
　図１３に示すように、電極配線パターン２９の上に、表面保護膜３０が形成される。
　図１４に示すように、所定パターンのレジスト５０が、表面保護膜３０のセンスパッド開口４３及び感ガス形成部開口以外の上に形成される。その後、露出した部分の表面保護膜３０が除去される。レジスト５０も除去される。
　図１５に示すように、新たにレジスト５０がヒータパッド開口４２及びダイシングライン開口４４以外を覆い、それらがエッチングにより形成される。
　図１６に示すように、ダイシングライン開口４４にレジスト５０が埋められる。また、センスパッド開口４３が形成される。
　図１７に示すように、リフトオフによって、ヒータ用電極パッド２７、検出用電極パッド２８を形成する。その後、レジスト５０が除去される。
　図１８に示すように、レジスト５１が形成され、さらに、キャビティ３ｃの絶縁膜開口が形成される。つまり、連結部２１同士の間となる切り欠き２１ａが形成される。これにより、中央部１９も形成される。
　図１９に示すように、レジスト５１が除去される。
　さらに、ウェハ３Ａにキャビティ３ｃが形成される。具体的には、異方性エッチングを施すことで、開口部５を有するキャビティ３ｃを形成する。
　図２０に示すように、ウェハ３Ａに対してダイシングが行われ、ベース３が得られる。
　最後に、図３に示すように、感ガス材３３が形成される。感ガス材３３は、中央部１９の検出用電極部３１の上に形成される。つまり、感ガス材３３は、検出用電極部３１を覆うように中央部１９の表面に形成される。一例として、感ガス材３３は、Ｉｎ２Ｏ３を主成分とする金属化合物半導体をペースト化したものを中央部１９の表面に塗布し、６５０℃以上で焼成することにより形成する。
　この結果、ガスセンサ１が得られる。
　なお、感ガス材３３の形成は、ダイシングの前でもよい。
２．第２実施形態
　第１実施形態では４本の連結部２１のブリッジ形状はＸ字形状であったが、他の形状でもよい。
　そのような実施例を図２２及び図２３を用いて説明する。図２２は、第２実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサの一部横断面を有する平面図である。図２３は、ヒータ配線パターンの平面図である。なお、基本的な構成は第１実施形態と同じであるので、以下は異なる点を中心に説明する。
　連結部２１の本数は３本であり、３本の連結部２１は半径方向に直線状に延びており、正確には３本ストレートタイプである。
　なお、電気ヒータ部２５はジグザグパターンである。
３．第３～第６実施形態
　第１実施形態及び第２実施形態ではヒータ配線パターン２３の電気ヒータ部２５はジグザグパターンであったが、他の形状であってもよい。下記の第３～第６実施形態での電気ヒータ部２５の他の形状の実施形態を説明する。なお、基本的な構成は第１実施形態と同じであるので、以下は異なる点を中心に説明する。
（１）第３実施形態
　図２４を用いて、第３実施形態を説明する。図２４は、第３実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
　電気ヒータ部２５Ａは、ブリッジ部１７の中央部１９に対応して、環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５３（後述）が中央部で枝分かれしてつながって環状になっている。このように電気ヒータ部２５Ａは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ａの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
　電気ヒータ部２５Ａは、ブリッジ部１７の中央部１９内において、例えば約２５０度円周方向に延びる一対の連結部５３を有している。各連結部５３の一端は、環状部５２に接続されている。一対の連結部５３は、環状部５２を中心として三重円のように配置されている。
　なお、電気ヒータ部２５Ａは、例えば、ＮｉＣｒからなり、例えばＰｔの場合に比べて線幅が広い。
（２）第４実施形態
　図２５を用いて、第４実施形態を説明する。図２５は、第４実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
　電気ヒータ部２５Ｂは、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５５（後述）から延びる一対の並列の線からなる連続した環状である。このように電気ヒータ部２５Ｂは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ｂの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
　電気ヒータ部２５Ｂは、ブリッジ部１７の中央部１９内において、円周方向に延びてさらに折り返して延びる一対の連結部５５を有している。このように連結部５５が折り返されていることで、電気ヒータ部２５Ｂの外周側部分は密になっている。各連結部５５の一端は、環状部５２に接続されている。
　なお、電気ヒータ部２５Ｂは、例えば、ＮｉＣｒからなり、例えばＰｔの場合に比べて線幅が広い。
（３）第５実施形態
　図２６を用いて、第５実施形態として説明する。図２６は、第５実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
　電気ヒータ部２５Ｃは、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、平面視で環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５７（後述）から延びる一対の並列の線からなる連続した環状である。このように電気ヒータ部２５Ｃは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ｃの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
　電気ヒータ部２５Ｃは、ブリッジ部１７の中央部１９内において、例えば約２９０度円周方向に延びる一対の連結部５７を有している。各連結部５７の一端は、環状部５２に接続されている。
　なお、電気ヒータ部２５Ｃは、例えば、Ｐｔからなり、例えばＮｉＣｒの場合に比べて線幅が狭い。
（４）第６実施形態
　図２７を用いて、第６実施形態を説明する。図２７は、第６実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
　電気ヒータ部２５Ｄは、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、平面視で環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５９（後述）から延びる一対の並列の線からなる連続した環状である。このように電気ヒータ部２５Ｄは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ｄの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
　電気ヒータ部２５Ｄは、ブリッジ部１７の中央部１９内において、円周方向に延びてさらに折り返して延びる一対の連結部５９を有している。このように連結部５９が折り返されていることで、電気ヒータ部２５Ｄの外周側部分は密になっている。各連結部５９の一端は、環状部５２に接続されている。
　なお、電気ヒータ部２５Ｄは、例えば、Ｐｔからなり、例えばＮｉＣｒの場合に比べて線幅が狭い。
４．実施形態の共通事項
　ＭＥＭＳガスセンサ１は、絶縁体（例えば、ベース３）と、感ガス材（例えば、感ガス材３３）と、第１保護膜（例えば、第１酸化膜６）及び第２保護膜（例えば、層間絶縁膜１３）と、ヒータ配線（例えば、ヒータ配線パターン２３）と、ガスバリア層（例えば、下側保護膜１１、上側保護膜２０）と、を備えている。
　絶縁体は、キャビティ（例えば、キャビティ３ｃ）を有する。
　感ガス材は、キャビティに対応して設けられている。
　第１保護膜及び第２保護膜は、絶縁体に設けられ、平面視で重なるように配置されている。
　ヒータ配線は、感ガス材を加熱するためのものであり、第１保護膜と第２保護膜との間に配置されている。
　ガスバリア層は、ヒータ配線の両面（例えば、上面２３ｃ、下面２３ｄ）及び側面（例えば、側面２３ｅ）を密着して覆っている。
　このセンサでは、ヒータ配線の両面及び側面をガスバリア層で覆うことで、ヒータの抵抗値変化を小さくでき、そのため寿命を長くできる。その理由は、第１保護膜と第２保護膜のガスバリア性が低かったり、その内部にある水素や酸素などのガス成分が外部に出ていったりする場合でも、ガスバリア層がガスの移動を制限するので、ヒータ配線がガスの影響を受けないからである。
５．他の実施形態
　以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
　第３～第６実施形態では、電気ヒータ部の環状部は各連結部から延びる一対の並列の線からなる無端の環状であったが、環状部は互いに接近した両端部を有しており、一方の端部が一方の連結部から延び、他方の端部が他方の連結部から延びる形状であってもよい。
　キャビティは下側が開口していてもよい。
　感ガス材、ヒータ配線パターン等は絶縁材の第２主面に設けられていてもよい。
　本発明は、ＭＥＭＳガスセンサ及びその製造方法に広く適用できる。
１　　　：ＭＥＭＳガスセンサ
３　　　：ベース
３ｃ　　：キャビティ
５　　　：開口部
１１　　：下側保護膜
１３　　：層間絶縁膜
２０　　：上側保護膜
２３　　：ヒータ配線パターン
２３ａ　：ヒータ層
２３ｃ　：上面
２３ｄ　：下面
２３ｅ　：側面
２５　　：電気ヒータ部
２７　　：ヒータ用電極パッド
２８　　：検出用電極パッド
２９　　：電極配線パターン
３１　　：検出用電極部
３３　　：感ガス材

Claims (9)

  1. 　キャビティを有する絶縁体と、
    　前記キャビティに対応して設けられた感ガス材と、
    　前記絶縁体に設けられ、平面視で重なるように配置された第１保護膜及び第２保護膜と、
    　前記感ガス材を加熱するためのものであり、前記第１保護膜と前記第２保護膜との間に配置されたヒータ配線と、
    　前記ヒータ配線の両面及び側面を密着して覆うガスバリア層と、
    を備えたＭＥＭＳガスセンサ。
  2. 　前記ヒータ配線の側面の少なくとも一部は、側方視において斜めに延びている、請求項１に記載のＭＥＭＳガスセンサ。
  3. 　前記第１保護膜及び前記第２保護膜はＳｉＯ２からなる、請求項１又は２に記載のＭＥＭＳガスセンサ。
  4. 　前記ヒータ配線はＮｉＣｒからなる、請求項１～３のいずれかに記載のＭＥＭＳガスセンサ。
  5. 　前記ガスバリア層は金属酸化物からなる、請求項１～４のいずれかに記載のＭＥＭＳガスセンサ。
  6. 　前記ガスバリア層はＴａ２Ｏ５からなる、請求項５に記載のＭＥＭＳガスセンサ。
  7. 　前記ヒータ配線は、前記感ガス材に対応する位置において平面視で環状に形成されている、請求項１～６のいずれかに記載のＭＥＭＳガスセンサ。
  8. 　キャビティを有する絶縁体に第１保護膜を形成するステップと、
    　前記第１保護膜の上に第１ガスバリア層を形成するステップと、
    　感ガス材を加熱するためのヒータ配線を前記第１ガスバリア層の上に形成するステップ
    と、
    　前記ヒータ配線の上面及び側面を覆う第２ガスバリア層を形成するステップと、
    　前記第１保護膜との間に前記ヒータ配線を挟むように第２保護膜を形成するステップと、
    　前記絶縁体の前記キャビティに対応して感ガス材を形成するステップと、
    を備えたＭＥＭＳガスセンサの製造方法。
  9. 　前記ヒータ配線の側面の少なくとも一部を、側方視において斜めに延びるように加工するステップをさらに備えている、請求項８に記載のＭＥＭＳガスセンサの製造方法。
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