JP2016219365A - Micro heater and sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ダイヤフラムを有する基板に搭載したマイクロヒータ及びこのマイクロヒータを採用してなるセンサに関する。 The present invention relates to a microheater mounted on a substrate having a diaphragm and a sensor employing the microheater.
従来、酸化スズ(SnO2)等の金属酸化物半導体に、プラチナ等の貴金属を触媒として担持させ、環境雰囲気中の特定ガスの濃度変化によって電気的特性(例えば、抵抗値)が変化することを利用して、特定ガスの濃度変化を検知するガスセンサが知られている。このようなガスセンサのガス検知層は、常温では特定ガスと反応せず、例えば200〜400℃に加熱されることで活性化されて特定ガスに反応する。このようなことから、ガス検知層が形成される半導体基板等の基体内に発熱抵抗体が設けられるのが一般的である(例えば特許文献1参照)。
このガスセンサは、半導体基板上にダイヤフラムを形成する絶縁性の薄膜部を設け、この薄膜部に発熱抵抗体を埋設したマイクロヒータを有するガス検出素子から構成されている。そして、上記マイクロヒータを含むガス検出素子はMEMSの技術を用いて作製されている。
Conventionally, a precious metal such as platinum is supported on a metal oxide semiconductor such as tin oxide (SnO 2 ) as a catalyst, and electrical characteristics (for example, resistance value) change depending on the concentration change of a specific gas in the environmental atmosphere. A gas sensor that detects a change in the concentration of a specific gas by using it is known. The gas detection layer of such a gas sensor does not react with the specific gas at normal temperature, and is activated by being heated to, for example, 200 to 400 ° C. and reacts with the specific gas. For this reason, a heating resistor is generally provided in a substrate such as a semiconductor substrate on which a gas detection layer is formed (see, for example, Patent Document 1).
This gas sensor includes a gas detection element having a micro heater in which an insulating thin film portion for forming a diaphragm is provided on a semiconductor substrate, and a heating resistor is embedded in the thin film portion. And the gas detection element containing the said micro heater is produced using the technique of MEMS.
又、MEMSを用いたマイクロヒータを適用したセンサの別の例として、熱式空気流量(エアフロー)センサも知られている(例えば、特許文献2参照)。この熱式流体流量センサは、薄膜部に発熱抵抗体素子と、発熱抵抗体素子の温度を測定する測温抵抗素子とを離間して配置してなる。そして、空気の温度を所定の空気温度測定抵抗体で測定し、一方で発熱抵抗体素子の発熱で加熱された測温抵抗素子の温度と、空気温度との温度差(ΔTh)が一定となるよう、発熱抵抗体素子の発熱を制御する。さらに、空気流の上流及び下流にそれぞれ所定の測温抵抗体を配置し、発熱抵抗体素子の発熱で各測温抵抗体が同じ温度に加熱されるように設定する。そして、空気が流れると、上流と下流の測温抵抗体の温度が変化することから、各抵抗体の抵抗値に基づいて空気流量を検知できる。 As another example of a sensor to which a micro heater using MEMS is applied, a thermal air flow rate (air flow) sensor is also known (see, for example, Patent Document 2). In this thermal fluid flow sensor, a heating resistor element and a temperature measuring resistor element for measuring the temperature of the heating resistor element are arranged apart from each other in a thin film portion. Then, the temperature of the air is measured with a predetermined air temperature measuring resistor, and on the other hand, the temperature difference (ΔTh) between the temperature of the resistance temperature element heated by the heat generated by the heating resistor element and the air temperature becomes constant. Thus, the heat generation of the heating resistor element is controlled. Further, predetermined temperature measuring resistors are arranged upstream and downstream of the air flow, respectively, and set so that each temperature measuring resistor is heated to the same temperature by the heat generated by the heating resistor element. When air flows, the temperature of the resistance temperature detectors upstream and downstream changes, so that the air flow rate can be detected based on the resistance value of each resistor.
ここで、発熱抵抗体素子の温度をその抵抗値により算出する場合、発熱抵抗体素子自身の加熱によるストレスマイグレーション(後述)によって発熱抵抗体が経時劣化するため、抵抗値が変化して測温精度が低下する。このため、特許文献2記載の熱式流体流量センサでは、発熱抵抗体素子に隣接して、発熱抵抗体素子の温度を測定するための別個の測温抵抗素子を配置し、発熱抵抗体素子の測温精度を維持している。
そして、上記ガス検出素子においても、発熱抵抗体素子と別個の測温抵抗素子を設けることで、同様に特定ガスの検出精度を長期間にわたって維持できることが期待される。
Here, when calculating the temperature of the heating resistor element based on its resistance value, the heating resistor deteriorates with time due to stress migration (described later) due to heating of the heating resistor element itself, so the resistance value changes and temperature measurement accuracy Decreases. For this reason, in the thermal fluid flow sensor described in Patent Document 2, a separate resistance temperature measuring element for measuring the temperature of the heating resistor element is disposed adjacent to the heating resistor element, and The temperature measurement accuracy is maintained.
In the gas detection element as well, it is expected that the detection accuracy of the specific gas can be maintained over a long period of time by providing a temperature measurement resistance element separate from the heating resistor element.
ところで、ガス検出素子により、高温(例えば300℃以上)の被検出ガス中の特定ガスを検出したいという要望がある。この場合、発熱抵抗体素子をガスの温度以上に発熱させる必要があるが、発熱抵抗体素子に隣接する測温抵抗素子も高熱に晒される。このため、測温抵抗素子もストレスマイグレーションによって経時劣化し、発熱抵抗体素子と別個に測温抵抗素子を設けたにもかかわらず、発熱抵抗体素子の測温精度が低下するという問題が生じる。
ここで、ストレスマイグレーションとは、MEMS等により微細形成された金属配線を(およそ400℃を超える)高温下に放置すると、配線内の残留応力とその後に加えられる熱により、配線を構成する金属にボイド(空孔)が生じ、このボイドが拡散して経時劣化(電気抵抗の上昇や断線)を引き起こす現象である。
By the way, there is a demand to detect a specific gas in a gas to be detected at a high temperature (for example, 300 ° C. or higher) by a gas detection element. In this case, it is necessary to cause the heating resistor element to generate heat above the temperature of the gas, but the temperature measuring resistance element adjacent to the heating resistor element is also exposed to high heat. For this reason, the temperature measuring resistance element also deteriorates with time due to stress migration, and there arises a problem that the temperature measuring accuracy of the heating resistor element is lowered although the temperature measuring resistance element is provided separately from the heating resistor element.
Here, stress migration means that when a metal wiring finely formed by MEMS or the like is left under a high temperature (above about 400 ° C.), the residual stress in the wiring and the heat applied thereafter change the metal constituting the wiring. This is a phenomenon in which voids (voids) are generated and the voids diffuse to cause deterioration over time (an increase in electrical resistance or disconnection).
図9は、金属配線の電気抵抗値の時間変化を模式的に示す。ストレスマイグレーションが顕著に生じる高温下では、時間と共に金属配線の電気抵抗値が初期値R0よりも高くなり、例えばガス検出素子の耐用年数tLに達する前に電気抵抗値が大幅に上昇し、金属配線が劣化してしまう。一方、低温(例えば400℃以下)では、ストレスマイグレーションが生じないか、生じる度合が少ないため、時間が経過しても金属配線の電気抵抗値が初期値R0から大きく変化せず、ガス検出素子の耐用年数tLに達するまで電気抵抗値がほとんど上昇しない。このため、測温抵抗素子を高熱に晒されないようにすれば、ストレスマイグレーションを抑制して発熱抵抗体素子の測温精度を長期間維持できることになる。なお、金属配線の電気抵抗値は、スタート時からしばらくの間は配線内の結晶欠陥が減少するために初期値R0よりも低くなる。
すなわち、本発明は、発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体の熱による劣化を抑制し、発熱抵抗体の測温精度を長期間維持できるマイクロヒータ及びセンサの提供を目的とする。
FIG. 9 schematically shows a temporal change in the electric resistance value of the metal wiring. Under a high temperature at which stress migration occurs remarkably, the electrical resistance value of the metal wiring becomes higher than the initial value R0 with time. For example, the electrical resistance value significantly increases before reaching the service life tL of the gas detection element. Will deteriorate. On the other hand, at low temperatures (for example, 400 ° C. or lower), stress migration does not occur or is less likely to occur. Therefore, even if time elapses, the electrical resistance value of the metal wiring does not change greatly from the initial value R0, and The electric resistance value hardly increases until the service life tL is reached. Therefore, if the resistance temperature detector is not exposed to high heat, stress migration can be suppressed and the temperature measurement accuracy of the heating resistor element can be maintained for a long time. Note that the electrical resistance value of the metal wiring is lower than the initial value R0 because crystal defects in the wiring are reduced for a while from the start.
That is, an object of the present invention is to provide a microheater and a sensor capable of suppressing deterioration due to heat of a temperature measuring resistor that measures the temperature of the heating resistor and maintaining the temperature measuring accuracy of the heating resistor for a long period of time.
上記課題を解決するため、本発明のマイクロヒータは、表面と底面との間を貫通する空洞部を形成してなる基板と、前記空洞部の表面側を閉じるように前記基板の前記表面上に設けられてダイヤフラムを形成する薄膜部と、前記薄膜部に設けられる発熱抵抗体と、前記薄膜部に設けられて前記発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体と、を備えてなるマイクロヒータにおいて、前記マイクロヒータを前記薄膜部の厚み方向に沿って見たとき、前記測温抵抗体は前記発熱抵抗体よりも前記薄膜部の外周側に位置し、前記薄膜部の表面に沿う方向に、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体との最短距離D1は、前記測温抵抗体と前記ダイヤフラムの外周縁との最短距離D2よりも長いことを特徴とする。
このマイクロヒータによれば、発熱抵抗体とダイヤフラム(薄膜部)の外周縁との概ね中間よりもダイヤフラムの外周側に測温抵抗体が位置するので、ダイヤフラム内で測温抵抗体が発熱抵抗体と適度に離間する。このため、発熱抵抗体を高温に発熱させても、測温抵抗体の温度が発熱抵抗体の温度より低くなり、測温抵抗体の熱(ストレスマイグレーション)による経時劣化を抑制し、測温抵抗体による発熱抵抗体の測温精度を長期間維持できる。
In order to solve the above-described problems, a microheater according to the present invention includes a substrate formed with a cavity penetrating between a surface and a bottom surface, and the surface of the substrate so as to close the surface side of the cavity. A microheater comprising: a thin film portion provided to form a diaphragm; a heating resistor provided in the thin film portion; and a temperature measuring resistor provided in the thin film portion to measure the temperature of the heating resistor. When the microheater is viewed along the thickness direction of the thin film portion, the resistance temperature detector is located on the outer peripheral side of the thin film portion with respect to the heating resistor and in a direction along the surface of the thin film portion. The shortest distance D1 between the heating resistor and the resistance temperature detector is longer than the shortest distance D2 between the resistance temperature detector and the outer peripheral edge of the diaphragm.
According to this microheater, since the resistance temperature detector is located on the outer peripheral side of the diaphragm rather than the middle between the heating resistance and the outer peripheral edge of the diaphragm (thin film portion), the resistance resistance element is the heating resistance in the diaphragm. And moderately spaced. For this reason, even if the heating resistor is heated to a high temperature, the temperature of the resistance thermometer becomes lower than the temperature of the heating resistor, and the deterioration over time due to the heat (stress migration) of the resistance thermometer is suppressed. The temperature measurement accuracy of the heating resistor by the body can be maintained for a long time.
前記発熱抵抗体を最高動作温度に発熱させたとき、前記測温抵抗体の温度が400℃以下となると好ましい。
測温抵抗体の温度が400℃以下であれば、ストレスマイグレーションが生じないか、生じる度合が少ないため、測温抵抗体の熱による経時劣化をより一層抑制できる。
When the heating resistor is heated to the maximum operating temperature, it is preferable that the temperature measuring resistor has a temperature of 400 ° C. or lower.
If the temperature measuring resistor has a temperature of 400 ° C. or lower, stress migration does not occur or the degree to which it occurs is small, and therefore the time-dependent deterioration due to heat of the temperature measuring resistor can be further suppressed.
前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが異なる材料からなっていてもよい。
このマイクロヒータによれば、発熱抵抗体として耐熱性に優れた材料を用いることで、発熱抵抗体の熱による経時劣化も抑制できる。
The heating resistor and the resistance temperature detector may be made of different materials.
According to this microheater, deterioration of the heating resistor over time due to heat can be suppressed by using a material having excellent heat resistance as the heating resistor.
前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが同一の材料からなると共に、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とは、前記薄膜部の厚み方向の異なる位置に異なる厚みで配置されていてもよい。
このマイクロヒータによれば、発熱抵抗体と測温抵抗体とが同一の材料からなる場合であっても、両者の厚みを変えることで、具体的には発熱抵抗体の厚みをより厚くすることで、発熱抵抗体の熱による経時劣化をさらに抑制できる。
The heating resistor and the temperature measuring resistor are made of the same material, and the heating resistor and the temperature measuring resistor may be arranged at different thicknesses at different positions in the thickness direction of the thin film portion. Good.
According to this microheater, even if the heating resistor and the resistance temperature detector are made of the same material, the thickness of the heating resistor can be specifically increased by changing the thickness of both. Thus, deterioration with time of the heating resistor due to heat can be further suppressed.
前記発熱抵抗体はポリシリコンからなり、前記測温抵抗体はPtからなると、発熱抵抗体の耐熱性がより一層向上する。 When the heating resistor is made of polysilicon and the temperature measuring resistor is made of Pt, the heat resistance of the heating resistor is further improved.
本発明のセンサは、前記マイクロヒータを備えてなる。 The sensor of the present invention includes the micro heater.
この発明によれば、マイクロヒータの発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体の熱による劣化を抑制し、発熱抵抗体の測温精度を長期間維持させることができる。 According to the present invention, it is possible to suppress deterioration of the temperature measuring resistor that measures the temperature of the heating resistor of the microheater due to heat and maintain the temperature measuring accuracy of the heating resistor for a long period of time.
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1はマイクロヒータ500の平面図を示し、図2は図1のA−A線切断部およびB−B線切断部におけるそれぞれの端面図を示す。尚、図1において、紙面の左右方向をその平面図の左右方向とする。また、図2において、紙面の上下方向をその断面図の上下方向とする。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view of the
図1に示すように、マイクロヒータ500は、平板形状(平面視四角形状)をなし、その表面にそれぞれ電極330、340、430、440、88、89が形成され、他方の面(裏面)の中心付近に、詳しくは後述する平面視矩形のダイヤフラム150が形成されている。
又、図2に示すように、マイクロヒータ500は、シリコン基板からなる半導体基板100と、この半導体基板100の表面(図2の上面)に沿い形成される絶縁層と、半導体基板100の裏面(図2の下面)120に形成される裏側絶縁膜250とを備えている。
そして、絶縁層の裏面側において、半導体基板100の板厚方向に断面八の字状に(ピラミッド形状(四角錐形状)に)半導体基板100の一部を除去することで、図2に示すように空洞部130が貫通形成されている。そして、絶縁層のうち、半導体基板100の空洞部130に対する対応部位は、この対応部位に埋設されている発熱抵抗体(発熱抵抗体素子)400をも含めて、ダイヤフラム構造部(ダイヤフラム150)を構成している。絶縁層のうち、空洞部130の上側部分であってダイヤフラム150を形成する領域が特許請求の範囲の「薄膜部」に相当する。
なお、絶縁層の下側に形成した空洞部130が半導体基板100の表裏面を貫通せず、半導体基板100が底面を有するようにダイヤフラム150を構成してもよい。
As shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 2, the
Then, on the back surface side of the insulating layer, a part of the
Note that the
又、絶縁層のうち空洞部130に対応する領域(薄膜部)、より具体的には下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜212、221の間には、渦巻き状にパターン形成された発熱抵抗体400が埋設されている。
発熱抵抗体400は、マイクロヒータ500の周囲の雰囲気(空気、被検出ガス等)を加熱し、ストレスマイグレーションが生じ難い導電性材料や半導体材料で構成され、本実施形態ではポリシリコン(多結晶シリコン)で形成されている。
そして、ダイヤフラム150内に発熱抵抗体400を設けることにより、発熱抵抗体400が周囲から断熱されるため、短時間にて昇温又は降温する。このため、マイクロヒータ500の熱容量を小さくすることができる。
In addition, a region (thin film portion) corresponding to the
The
Then, by providing the
さらに、ダイヤフラム150に対応する両圧縮応力膜212、221の間には、発熱抵抗体400から離間して、より具体的にはマイクロヒータ500を絶縁層(ダイヤフラム150)の厚み方向に沿って見たとき、発熱抵抗体400よりもダイヤフラム150の外周側に測温抵抗体300が埋設されている。測温抵抗体300は、温度抵抗係数が大きい導電性材料で構成され、本実施形態では白金(Pt)で形成されている。
発熱抵抗体400の温度を自身の抵抗値変化に基づいて求めた場合、発熱抵抗体400が熱(ストレスマイグレーション)によって経時劣化して抵抗値が変化するので、測温精度が低下する。そこで、発熱抵抗体400に隣接して、発熱抵抗体400の温度を測定するための測温抵抗体300を別個に配置することで、発熱抵抗体400の測温精度を維持することができる。
発熱抵抗体400の温度は、発熱抵抗体400の発熱により加熱された測温抵抗体300の電気抵抗値に基づいて求められる。従って、発熱抵抗体400の温度をより反映する観点からは、測温抵抗体300が発熱抵抗体400に近接することが好ましいが、測温抵抗体300が発熱抵抗体400に近付き過ぎると、発熱抵抗体400を高温に発熱させた場合に、測温抵抗体300も熱(ストレスマイグレーション)によって経時劣化する。
Further, between the two
When the temperature of the
The temperature of the
そこで、図2に示すように、絶縁層(ダイヤフラム150)の表面に沿う方向に、発熱抵抗体400と測温抵抗体300との最短距離D1を、測温抵抗体300とダイヤフラム150の外周縁150eとの最短距離D2よりも長くなるように設定する。このように、D1>D2とすることで、発熱抵抗体400とダイヤフラム(薄膜部)150の外周縁150eとの概ね中間よりもダイヤフラム150の外周側に測温抵抗体300が位置するので、ダイヤフラム150内で測温抵抗体300が発熱抵抗体400と適度に離間する。このため、発熱抵抗体400を高温に発熱させても、測温抵抗体300の温度が発熱抵抗体400の温度より低くなり、測温抵抗体300の熱(ストレスマイグレーション)による経時劣化を抑制し、測温抵抗体300による発熱抵抗体400の測温精度を長期間維持できる。
特に、発熱抵抗体400を最高動作温度に発熱させたとき、測温抵抗体300の温度が400℃以下となるよう、最短距離D1、D2を調整することが好ましい。測温抵抗体300の温度が400℃以下であれば、ストレスマイグレーションが生じないか、生じる度合が少ないため、測温抵抗体300の熱による経時劣化をより一層抑制できる。
なお、発熱抵抗体400の最高動作温度は、マイクロヒータ500に、これを制御するコントローラや制御部を接続して発熱抵抗体400を実際に発熱させたときの発熱抵抗体400の最高温度とすることができ、このときの測温抵抗体300の温度を測定すればよい。上記コントローラや制御部には、発熱抵抗体400への通電電流や通電電圧等が設定されており、その設定値に基づいて発熱抵抗体400が通電加熱され、最高温度が決まることになる。
Therefore, as shown in FIG. 2, in the direction along the surface of the insulating layer (diaphragm 150), the shortest distance D1 between the
In particular, it is preferable to adjust the shortest distances D1 and D2 so that the temperature of the
Note that the maximum operating temperature of the
なお、D1>D2とすることで、測温抵抗体300で測定される温度は、発熱抵抗体400の実際の温度より低くなる。そこで、発熱抵抗体400を発熱させたときに、上記した絶縁層(ダイヤフラム150)の表面に沿う方向に沿って発熱抵抗体400からダイヤフラム150の外周縁150eへ向かう温度勾配を予め測定しておき、この温度勾配に基づいて測温抵抗体300で測定された温度を補正することで、発熱抵抗体400の温度を精度良く求めることが可能である。
又、最短距離D1、D2を求める際には、発熱抵抗体400のヒートパターンや測温抵抗体300を構成する配線のうち、それぞれ最も狭幅の部位を対象とする。例えば、発熱抵抗体400のリードである配線膜410、420(後述)や、発熱抵抗体400と配線膜410、420とをそれぞれ接続する接続リード410T、420Tは、発熱抵抗体400の最小幅w1よりも広幅であるので、最短距離D1、D2を求める際の対象としない。同様に、測温抵抗体300のリードである配線膜310、320(後述)も、測温抵抗体300の最小幅w2よりも広幅であるので、最短距離D1、D2を求める際の対象としない。
By setting D1> D2, the temperature measured by the
Further, when the shortest distances D1 and D2 are obtained, the narrowest portion of each of the heat pattern of the
さらに、絶縁層のうちダイヤフラム150の外周縁150eよりも外側には、後述する雰囲気測温抵抗体80が埋設されている。測温抵抗体80は、マイクロヒータ500の配置された空間内に存在する雰囲気(空気や被検出ガス等)の温度を検出する。
発熱抵抗体400の抵抗値変化は被検出ガスの温度による影響を受けるため、後述する測温抵抗体80の電気抵抗値に基づき検出される温度を用いて、発熱抵抗体400の電気抵抗値変化に基づき検出した被検出ガスの濃度を補正することにより、被検出ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
但し、マイクロヒータをガスセンサに適用せずに、単に雰囲気を加熱するヒータとして用いる場合には、マイクロヒータにおいて、雰囲気測温抵抗体80は必須の構成ではない。
なお、マイクロヒータは、薄膜部に発熱抵抗体400と、測温抵抗体300が設けられた構成に該当する。センサは、このマイクロヒータに、さらに雰囲気測温抵抗体80が設けられた構成に該当する。又、後述する図8に示すように、センサ(ガスセンサ)が検知電極610やガス検知層620をさらに備えてもよい。一方、検知電極610やガス検知層620を有しないセンサとしては、水素ガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサや、特許文献2と同様な熱式流体流量センサが例示される。
Further, an atmospheric
Since the change in the resistance value of the
However, when the microheater is used as a heater for simply heating the atmosphere without being applied to the gas sensor, the atmosphere
The micro heater corresponds to a configuration in which the
次に、マイクロヒータ500のその他の構成について説明する。
絶縁層は、下側薄膜及び上側薄膜を備えている。
下側薄膜は、引張応力膜211及び圧縮応力膜212を有している。窒化シリコン(Si3N4)からなる引張応力膜211は、半導体基板100の表面に積層され、酸化ケイ素(SiO2)からなる圧縮応力膜212は、引張応力膜211の表面に積層されている。
また、上側薄膜は、圧縮応力膜221及び引張応力膜222を有している。酸化ケイ素(SiO2)からなる圧縮応力膜221は、圧縮応力膜212の表面に積層され、窒化シリコン(Si3N4)からなる引張応力膜222は、圧縮応力膜221の表面に積層されている。
Next, other configurations of the
The insulating layer includes a lower thin film and an upper thin film.
The lower thin film has a
The upper thin film has a
窒化シリコン(Si3N4)からなる裏側絶縁膜250は、半導体基板100の裏面120に沿って形成されている。また、裏側絶縁膜250のうち、空洞部130に対する対応部位が除去されて空洞部130の開口部を形成している。
これにより、絶縁層の引張応力膜211の裏面のうち、空洞部130に対応する部位が、空洞部130の開口部を通して外方に露出している。
なお、半導体基板100のうち空洞部130以外の部位を、以下、基板部という。
また、最表層をなす引張応力膜222は、発熱抵抗体400、測温抵抗体300、雰囲気測温抵抗体80、各配線膜(後述)の汚染や損傷を防止すべくそれらを覆うように設けられている。
又、マイクロヒータ500は、縦横ともに数mm(例えば3mm×3mm)程度の大きさであり、例えば、シリコン半導体基板を用いたマイクロマシニング技術(マイクロマシニング加工)により製造される。
A back-side
Thereby, the part corresponding to the
Note that a portion of the
The
The
図1に戻り、発熱抵抗体400の左右の端は、発熱抵抗体400が形成された平面と同じ平面にそれぞれ埋設された配線(リード)をなす左側配線膜410及び右側配線膜420(図2)を介して、左側電極430及び右側電極440にそれぞれ接続されている。なお、左側電極430がグランド電極となっている。両電極430,440は、発熱抵抗体400に接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホール(図2には、電極430に接続されるコンタクトホール223のみ表示)を介して露出し、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
左側配線膜410は、下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜212、221の間で、半導体基板100の基板部に対応する位置の圧縮応力膜212の表面に薄膜状に形成されている。一方、右側配線膜420は、両圧縮応力膜212、221の間で、半導体基板100の基板部に対応する位置の圧縮応力膜212の表面に薄膜状に形成されている。
さらに、上側薄膜に形成したコンタクトホール223を通して左側配線膜410上に、左側電極430が形成されている。同様に、上側薄膜に形成したコンタクトホール(図示せず)を通して右側配線膜420上に、右側電極440が形成されている。
Returning to FIG. 1, the left and right ends of the
The
Further, the
測温抵抗体300は、図1に示すようにダイヤフラム150の外周縁150eの上辺及び右辺の内側に沿って略L字に、かつ発熱抵抗体400が形成された平面と同じ平面(下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜212、221の間)に埋設されている。
測温抵抗体300は、測温抵抗体300が形成された平面と同じ平面に埋設された配線(リード)をなす左側配線膜310及び右側配線膜320を介して、左側電極330及び右側電極340にそれぞれ接続されている。なお、左側電極330がグランド電極となっている。両電極330,340は、測温抵抗体300に接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホール(図2には、電極340に接続されるコンタクトホール324のみ表示)を介して露出し、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
As shown in FIG. 1, the
The
左側配線膜310は、下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜212、221の間で、半導体基板100の基板部に対応する位置の圧縮応力膜212の表面に薄膜状に形成されている。一方、右側配線膜320は、両圧縮応力膜212、221の間で、半導体基板100の基板部に対応する位置の圧縮応力膜212の表面に薄膜状に形成されている。
さらに、上側薄膜に形成したコンタクトホール(図示せず)を通して左側配線膜310上に、左側電極330が形成されている。同様に、上側薄膜に形成したコンタクトホール324を通して右側配線膜320上に、右側電極340が形成されている。
The
Further, a
雰囲気測温抵抗体80は、図1に示すようにマイクロヒータ500の上辺(一辺)に沿って左側電極330よりも右側にて、圧縮応力膜212と圧縮応力膜221の間に埋設されている。雰囲気測温抵抗体80は、電気抵抗値が温度に比例して変化(本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大)する導電性材料で構成され、本実施形態では白金(Pt)で形成されている。
雰囲気測温抵抗体80は、雰囲気測温抵抗体80が形成された平面と同じ平面に埋設された配線膜(図示せず)を介して電極88及びグランド電極89に接続されている。電極88及びグランド電極89は、コンタクトホール(図示せず)を介して露出し、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
As shown in FIG. 1, the atmospheric
The atmospheric
次に、図3〜図7を参照し、マイクロヒータ500の製造工程について説明する。なお、図3〜図7では、各工程について、図1におけるマイクロヒータ500のA−A線切断部およびB−B線切断部におけるそれぞれの端面状態を表している。なお、マイクロヒータ500は、マイクロマシン技術を利用して製造される。
(1)引張応力膜211及び裏側絶縁膜250の成膜工程
まず、図3に示すように、洗浄したシリコン基板を半導体基板100として準備し、この半導体基板100の表面に、窒化シリコンからなる引張応力膜211を低圧CVD法(LP−CVD法)により、所定膜厚(例えば、0.2μm)で成膜する。なお、引張応力膜211の成膜の際に、裏側絶縁膜250も半導体基板100の裏面120に薄膜状に成膜する。
(2)圧縮応力膜212成膜工程
次に、図3に示すように、引張応力膜211の表面に、酸化シリコンからなる圧縮応力膜212をプラズマCVD法により、所定膜厚(例えば、0.1μm)で成膜する。
Next, the manufacturing process of the
(1) Film Forming Step of
(2)
(3)発熱抵抗体400及び左右両側配線膜410、420の成膜工程
次に、図4に示すように、圧縮応力膜212の表面に、ポリシリコンからなる膜を低圧CVD法(LP−CVD法)により成膜した後、不純物(PまたはB)をドープする。この膜にパターニング処理を施して、発熱抵抗体400及び左右両側配線膜410、420(図4には配線膜410のみ表示)を圧縮応力膜212の表面に一体に形成する。
(3) Film Forming Step of
(4)測温抵抗体300及び左右両側配線膜310、320の成膜工程
次に、図5に示すように、圧縮応力膜212の表面に、必要に応じて図示しないTa又はNbからなる密着層を成膜し、次いで白金(Pt)のスパッタリングにより薄膜状の白金膜を成膜した後、この白金膜にパターニング処理を施して、測温抵抗体300及び左右両側配線膜310、320(図5には配線膜320のみ表示)を圧縮応力膜212の表面に一体に形成する。なお、酸化シリコンからなる圧縮応力膜212の表面に、白金膜を直接成膜すると密着性が劣る場合があり、上述の密着層を形成することで白金膜の密着性が向上する。
(4) Film forming process of
(5)雰囲気測温抵抗体80の成膜工程
次に、図示はしないが、圧縮応力膜212の表面に、白金(Pt)のスパッタリングにより薄膜状の白金膜を成膜した後、この白金膜にパターニング処理を施して、雰囲気測温抵抗体80及びその配線膜を圧縮応力膜221の表面に一体に形成する。
(6)圧縮応力膜221の成膜工程
次に、図6に示すように、発熱抵抗体400及び左右両側配線膜410、420、測温抵抗体300及び左右両側配線膜310、320、並びに図示しない雰囲気測温抵抗体80及びその配線膜を覆うようにして、圧縮応力膜212の表面に、酸化シリコンからなる圧縮応力膜221をプラズマCVD法により、所定膜厚(例えば、0.1μm)で成膜する。
(5) Film forming step of atmospheric
(6) Film Formation Step of
(7)引張応力膜222の成膜工程
さらに、圧縮応力膜221の表面に、窒化シリコンからなる引張応力膜222を低圧CVD法により、所定膜厚(例えば、0.2μm)で成膜する。これにより、圧縮応力膜221及び引張応力膜222からなる上側薄膜が、発熱抵抗体400及び測温抵抗体300、換言すれば両圧縮応力膜212、221の間を基準に、引張応力膜211及び圧縮応力膜212からなる下側薄膜に対し対称的に形成される。
(7) Film Formation Step of
(8)電極及び貫通孔の形成工程
次に、図7に示すように、引張応力膜222を成膜した後の上側薄膜のうち、左右両側配線膜310、320、410、420に対する各対応部位に、各コンタクトホール(図7では、コンタクトホール223、324のみ表示)をエッチング形成する。これに伴い、左右両側配線膜310、320、410、420は、その各表面にて、各対応コンタクトホールを通して外部に露呈する。同様に、雰囲気測温抵抗体80の両配線膜(図示せず)に対する各対応部位に、各コンタクトホール(図示せず)をエッチング形成する。
次いで、各コンタクトホールの内部を含む引張応力膜222の表面に、スパッタリングにより、金(Au)等からなるコンタクト金属膜を成膜する。さらに、当該コンタクト金属膜にパターニング処理及びエッチング処理を施し、各コンタクトホールに対応する左右両側電極310、320、430、440、並びに電極88及びグランド電極89(図7では、電極340、430のみ表示)をそれぞれ形成する。
(8) Formation Step of Electrode and Through Hole Next, as shown in FIG. 7, the corresponding portions for the left and
Next, a contact metal film made of gold (Au) or the like is formed on the surface of the
(9)空洞部形成工程
次に、電極の形成後、裏側絶縁膜250に対し、空洞部130を形成するに要するパターニング処理及びエッチング処理を施す。ここで、空洞部130を形成するエッチング部位130Eは、発熱抵抗体400及び測温抵抗体300の形成部位より面方向の外側とする。
ついで、異方性エッチング液(例えば、TMAH)を用いて、半導体基板100にエッチング処理を施す。これにより、半導体基板100に空洞部130を形成し(図2参照)、マイクロヒータ500の製造が終了する。
(9) Cavity Formation Process Next, after the electrodes are formed, the back
Next, an etching process is performed on the
次に、図8を参照し、本発明の実施形態に係るマイクロヒータ500が適用されたガスセンサ1について説明する。図8は、マイクロヒータ500が適用されたガスセンサ1の主要部となるガス検出素子600の構成を示す。
図8において、ガス検出素子600は、被検知ガス中のアンモニア(NH3)、硫化水素(H2S)、二硫化メチル((CH3)2S2)、メチルメルカプタン(CH3SH)、トリメチルアミン((CH3)3N)などの特定ガスを検知するように構成されている。
具体的には、ガス検出素子600は、図2のマイクロヒータ500のダイヤフラム150に対応した引張応力膜222の表面に、検知電極610を形成し、さらに検知電極610を覆うガス検知層620を形成してなる。
Next, the gas sensor 1 to which the
In FIG. 8, the
Specifically, in the
ガス検知層620は複数の粒子が結合してなり、被検知ガス中の特定ガスによって自身の抵抗値が変化する性質を有する。また、ガス検知層620は、複数の粒子間に存在する空隙を通じて当該ガス検知層620の厚み方向におけるガス透過性を有するようにも構成されている。ここで、酸化スズ(SnO2)に0.2重量%の酸化カルシウムを触媒として含有させてガス検知層620が設けられている。酸化カルシウムを含む酸化スズが、ガス検知能を発揮する金属酸化物半導体である。そして、このガス検知層620を用いて、被検知ガス中の上述のアンモニア(NH3)などの特定ガスを検知する。
上記金属酸化物半導体の他の例としては、酸化スズのガス検知層620に対する含有量を90質量%以上とした上で、Ir、P、Ptを含有させた構成を採ることもできる。より具体的には、Ir換算で0.50質量%のIrと、P換算で0.01質量%のPと、Pt換算で0.05質量%のPtとを含みつつ、残部が酸化スズからなる金属酸化物半導体を用いることもできる。
The
As another example of the metal oxide semiconductor, a configuration in which Ir, P, and Pt are contained after the content of tin oxide in the
一対の検知電極610は、ガス検知層620における電気的特性の変化を検出するための一対の電極であり、互いに離間した両電極の間にガス検知層620が介在している。一例として一対の検知電極610は、それぞれ櫛歯状の平面形状を有し、一方の電極の櫛歯の間に、他方の電極の櫛歯が挿入されている。この検知電極610は、この検知電極610のガス検知層620に対向する側の面及びその両側面は、それらの全面でガス検知層620と当接し、ガス検知層620と検知電極610とが電気的に接続されている。一対の検知電極610は、それぞれ図示しない配線膜に接続されてダイヤフラム150の外側に引き出され、配線膜に接続された電極を介して検知電極610の電気信号が外部に取り出される。
また、ガス検知層620は発熱抵抗体400と積層方向に重なるように配置され、発熱抵抗体400により加熱され、速やか且つ良好に活性化し、ガス感度を高めるようになっている。
以上のように、マイクロヒータ500を適用してガスセンサ1が構成されているので、高温(例えば500℃以上)の被検知ガス中の特定ガスの有無や濃度を検知できる。
The pair of
In addition, the
As described above, since the gas sensor 1 is configured by applying the
検知電極610は、例えばDCスパッタ装置を用い、引張応力膜222の表面にタンタル(Ta)層を形成し、さらにその表面上に白金(Pt)層をスパッタ形成して形成できる。スパッタ後、フォトリソグラフィによりレジストのパターニングを行い、ウエットエッチング処理にて、櫛歯状の平面形状を有する検知電極610や、それに接続される配線膜等を形成する。
ガス検知層620は、例えば酸化スズ(酸化スズ粒子)を主成分とし、酸化カルシウムを添加した酸化物半導体ペーストを厚膜印刷により塗布し、焼成して形成できる。
The
The
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、発熱抵抗体の形状は上記実施形態に限定されない。
又、上記実施形態では、発熱抵抗体400と測温抵抗体300とが異なる材料からなっていたが、両者が同一の材料からなり、かつ薄膜部の厚み方向の異なる位置に異なる厚みでそれぞれ配置されていてもよい。この場合、発熱抵抗体400と測温抵抗体300とが同一の材料からなる場合であっても、両者の厚みを変えることで、具体的には発熱抵抗体の厚みをより厚くすることで、発熱抵抗体の熱による経時劣化をさらに抑制できる。
又、上記実施形態では、特定ガスの濃度変化によって金属酸化物半導体の電気的特性が変化することを利用して、特定ガスの濃度変化を検知する場合について説明したが、本発明のセンサは他の測定原理に基づくガスセンサにも適用可能である。
又、本発明のセンサはガスセンサの他、上述の熱式流体流量センサにも適用可能である。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but extends to various modifications and equivalents included in the spirit and scope of the present invention. For example, the shape of the heating resistor is not limited to the above embodiment.
Further, in the above embodiment, the
In the above embodiment, the case where the change in the concentration of the specific gas is detected by utilizing the change in the electrical characteristics of the metal oxide semiconductor due to the change in the concentration of the specific gas has been described. The present invention can also be applied to a gas sensor based on this measurement principle.
In addition to the gas sensor, the sensor of the present invention can be applied to the above-described thermal fluid flow sensor.
1 ガスセンサ(センサ)
100 基板
130 空洞部
150 ダイヤフラム
150e ダイヤフラムの外周縁
300 測温抵抗体
400 発熱抵抗体
500 マイクロヒータ
D1 発熱抵抗体と測温抵抗体との最短距離
D2 測温抵抗体とダイヤフラムの外周縁との最短距離
1 Gas sensor (sensor)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記空洞部の表面側を閉じるように前記基板の前記表面上に設けられてダイヤフラムを形成する薄膜部と、
前記薄膜部に設けられる発熱抵抗体と、
前記薄膜部に設けられて前記発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体と、を備えてなるマイクロヒータにおいて、
前記マイクロヒータを前記薄膜部の厚み方向に沿って見たとき、前記測温抵抗体は前記発熱抵抗体よりも前記薄膜部の外周側に位置し、
前記薄膜部の表面に沿う方向における、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体との最短距離D1は、前記測温抵抗体と前記ダイヤフラムの外周縁との最短距離D2よりも長いことを特徴とするマイクロヒータ。 A substrate formed with a cavity penetrating between the surface and the bottom;
A thin film portion which is provided on the surface of the substrate so as to close a surface side of the cavity portion and forms a diaphragm;
A heating resistor provided in the thin film portion;
In a microheater provided with a resistance temperature detector provided in the thin film portion and measuring the temperature of the heating resistor,
When the micro heater is viewed along the thickness direction of the thin film portion, the resistance temperature detector is located on the outer peripheral side of the thin film portion with respect to the heating resistor,
The shortest distance D1 between the heating resistor and the resistance temperature detector in the direction along the surface of the thin film portion is longer than the shortest distance D2 between the resistance temperature detector and the outer peripheral edge of the diaphragm. Micro heater to be used.
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