(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の深さにパターニングして形成されたくぼみを備えたシリコン基板と、
前記くぼみ以外の前記シリコン基板上に形成された絶縁膜と、
前記くぼみを横切り、前記絶縁膜に固定され、前記シリコン基板と電気的に絶縁された第１導電パターンと、
前記くぼみを横切り、前記絶縁膜に固定され、前記シリコン基板及び前記第１導電パターンと電気的に絶縁された第２導電パターンと、
前記第１及び第２導電パターンの所定部分に形成されたガス感知部と
を備え、
前記第１導電パターンが、前記ガス感知部に熱を供給するために用いられ、前記ガス感知部の内部に少なくとも１つの凹形状空間を形成するように屈曲し、
前記第２導電パターンが、ガスの状態に応じてガス感知部の変化を感知するための感知線として用いられ、前記凹形状空間に挿入される分岐部を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記シリコン基板は、＜１００＞の結晶方向を有することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記第１及び第２導電パターンは、外部回路と電気的に接続される一対の金属パッドをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記第１及び第２導電パターンは、白金、金またはパラジウムで被覆されたニッケル、及びホウ素がドープされた多結晶シリコンからなる群の中から選択された１つによって形成されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセンス。
【請求項５】
前記絶縁膜は、酸化シリコン、窒化シリコン及び炭化シリコンからなる群の中から選択された１つの材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項６】
シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の一部分をパターニングしてウィンドウを形成する工程と、
前記絶縁膜及びウィンドウによって露出されたシリコン基板の上に第１及び第２金属パターンを形成する工程と、
前記シリコン基板をアルカリ水溶液に浸漬し、前記ウィンドウに露出されたシリコン基板をパターニングして前記ウィンドウ形状のくぼみを形成することによって、前記第１及び第２導電パターンを前記シリコン基板から分離させる工程と、
前記くぼみの上方に形成された前記第１及び第２導電パターンの所定部分にガス感知部を形成する工程と
を含み、
前記第１導電パターンが、前記ガス感知部に熱を供給するために用いられ、前記ガス感知部の内部に少なくとも１つの凹形状空間を形成するように屈曲し、
前記第２導電パターンが、ガスの状態に応じてガス感知部の変化を感知するための感知線として用いられ、前記凹形状空間に挿入される分岐部を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。
【請求項７】
前記シリコン基板は、＜１００＞の結晶方向を有することを特徴とする請求項６に記載のガスセンサの製造方法。
【請求項８】
前記絶縁膜は、酸化シリコン、窒化シリコン及び炭化シリコンからなる群の中から選択された１つの材料によって形成されていることを特徴とする請求項６に記載のガスセンサの製造方法。
【請求項９】
前記第１及び第２導電パターンが白金、金またはパラジウムで被覆されたニッケル、及びホウ素がドープされた多結晶シリコンからなる群の中から選択された１つによって形成されていることを特徴とする請求項６に記載のガスセンサの製造方法。
【請求項１０】
前記第１導電パターンは、前記第２導電パターンと電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項６に記載のガスセンサの製造方法。
【請求項１１】
前記アルカリ水溶液は、水酸化カリウム水溶液、またはエチレンジアミン及びピロカテコールの混合水溶液であることを特徴とする請求項６に記載のガスセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、ガスセンサ及びその製造方法に関し、特に、半導体製造工程を利用してヒータ線及び感知線を基板と分離して形成し、ガス感知物質であるセラミックバルクをヒータ線及び感知線上に形成した、熱容量及び熱損失が小さく感知特性に優れた低電力型のガスセンサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
一般に、セラミックガスセンサは、特定のガスを検出するためのものである。ガスセンサが特定ガスに露出される時にガス感知物質であるセラミックの導電率が変化するか、または起電力が発生する。したがって、このような導電率の変化、または起電力を測定することによって特定ガスを検出できる。このようなセラミックガスセンサにおいて、特定ガスに対する感知度及び分別度を向上させるためには、セラミックに触媒物質をドープするのみでなく、３００℃以上の高温に保持することが望ましい。したがって、セラミックガスセンサは、他のセンサに比べて消費電力が大きい。セラミックガスセンサの活用範囲を拡大するためには、小さいエネルギーで高温を保持させることができる低電力型のセラミックガスセンサを提供することが非常に重要なこととなる。
【０００３】
図１は、“ガスセンサ”という名称の米国特許第５，７５９，３６７号に開示された従来のガスセンサ１００を示す断面図である。ガスセンサ１００は、シリコン基板上に形成された絶縁ガラス膜４と、絶縁ガラス膜４上に形成されて金（Ａｕ）からなるヒータ膜８、１０と、絶縁膜１４と、絶縁膜１４上に形成された検出電極１８、２０と、検出電極１８、２０を取り囲んでいるガス感知膜１６とを備えている。ガスセンサ１００においてヒータ膜６がガス感知膜１６を加熱し、流入するガスの変化に応じてガス感知膜１６の変化が検出電極１８、２０を用いて検出される。
【０００４】
上記したガスセンサ１００には、ガス感知膜１６がヒータ膜６上に設けられるようになっているため、製造工程が煩雑となる問題がある。すなわち、金（Ａｕ）からなるヒータ膜８、１０をパターニングするためのマスクと、検出電極１８、２０をパターニングするためのマスクとが各々必要となる。また、ヒータ膜６の上方にガス感知膜１６が形成されており、ヒータ膜６の底面が絶縁ガラス膜４に直接接触しているため、シリコン基板への熱の消失が大きくなる。
【０００５】
【発明の開示】
したがって、本発明の１つの目的は、ヒータ線及び感知線をシリコン基板と分離して形成し、ガス感知物質であるセラミックをヒータ線及び感知線上に拡張されたバルク形状（bulky shape）に形成することによって、感知特性を向上させ、ヒータ線及び感知物質などの熱容量及び熱損失が最小化されたガスセンサを提供することにある。
【０００６】
また、本発明の別の目的は、感知特性が向上し熱容量及び熱損失が最小化されたガスセンサの製造方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の実施の形態は、所定の深さにパターニングして形成されたくぼみ（recess）を備えたシリコン基板と、前記くぼみを除いた前記シリコン基板上に形成された絶縁膜と、前記くぼみを横切って前記絶縁膜に固定され、前記シリコン基板とは電気的に絶縁された第1導電パターンと、前記くぼみを横切って前記絶縁膜に固定され前記シリコン基板及び前記第1導電パターンと電気的に絶縁された第2導電パターンと、前記第1及び第2導電パターンの所定部分に形成されたガス感知部とを備えたガスセンサを提供する。
【０００８】
本発明の別の実施の形態は、シリコン基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の一部をパターニングしてウィンドウを形成する工程と、前記絶縁膜とウィンドウによって露出されたシリコン基板に第１及び第２金属パターンを形成する工程と、前記シリコン基板をアルカリ水溶液に浸漬して前記ウィンドウに露出されたシリコン基板をパターニングして前記ウィンドウ形態のくぼみを形成することによって、前記第１及び第２導電パターンを前記シリコン基板から分離させる工程と、前記くぼみ上に形成された部分の前記第１及び第２導電パターンの所定部分にガス感知部を形成する工程とを含むガスセンサの製造方法を提供する。
【０００９】
【発明を実施するための最良の形態】
以下において、本発明の実施の形態を添付する図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図２は、本発明に係るガスセンサ２００の斜視図を示すものである。図２を参照すれば、シリコン基板２１０上に絶縁膜２１３が形成されている。絶縁膜２１３には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜などのような材料を用いることができる。絶縁膜２１３は、約０．１〜１０μｍ、好ましくは２μｍの厚さに形成される。また、シリコン基板２１０は、＜１００＞の結晶方向を有するものが好ましい。シリコン基板２１０の中央部分に、部分的に絶縁膜２１３が除去されて形成された所定の深さの四角形くぼみ２２０がある。該くぼみ２２０は、製造の容易性の観点から四角形が好ましいが、円形や他の形状のくぼみに置き換えることができる。この四角形くぼみ２２０の上部には、ヒータ線２１６及び感知線２１８が互いに平行に設けられている。これらのヒータ線２１６及び感知線２１８は、前記基板２１０から分離された状態で、四角形くぼみ２２０の上部に拡張されている。
【００１１】
このようなヒータ線２１６及び感知線２１８は、図２に示すように、絶縁膜２１３上に設けられた金属パッド２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄに各々接続されている。金属パッド２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄは、絶縁膜２１３上に設けられ、シリコン基板２１０と電気的に絶縁されており、外部の電源や他の外部回路に接続するためのものである。金属パッド２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄ、ヒータ線２１６及び感知線２１８から構成された金属パターンは、それぞれ一体的に形成されることが好ましい。すなわち、金属パッド２１４ａ、２１４ｂとヒータ線２１６とが一体的に形成され、金属パッド２１４ｃ、２１４ｄと感知線２１８とが一体的に形成される。
【００１２】
このような金属パターンは、白金（Pt）により形成するか、金またはパラジウム（Pd）などの貴金属で被覆されたニッケル（Ｎi）、またはホウ素（Ｂ）がドープされた多結晶シリコン膜により形成することが好ましい。その厚さは、０．１〜２０μｍ程度、特に５μｍ程度が好ましい。また、平行に設けられたヒータ線２１６及び感知線２１８上にセラミックバルク（bulk）２２２が形成されている。ここで、セラミックバルク２２２の形成には、感知物質としてエタノール、メタン、ＬＰＧなどの可燃性物質及び一酸化炭素を感知できるＳnＯ2、ＺnＯ、Ｆe2Ｏ3などの半導体物質が用いられ、感知物質の感知度を向上させるために、Ｐt、Ｐdなどの触媒物質が０．５〜１重量％の濃度でドープされる。
【００１３】
上記したセラミックガスセンサの動作を説明すれば、次の通りである。ヒータ線２１６に電流を供給すれば、ヒータ線２１６の抵抗によって熱が発生し、セラミックバルク２２２の温度が上昇することになる。このとき、感知用ガスを含む空気がセラミックバルク２２２に流入され、セラミックバルク２２２の抵抗率を変化させる。このセラミックバルク２２２の抵抗率は、ヒータ線２１６と感知線２１８との間の抵抗を測定することによって測定できる。
【００１４】
セラミックバルク２２２の抵抗率を測定する方法の一例を説明すれば以下の通りである。まず、ヒータ線２１６の両端をヒータ電源に接続し、感知線２１８の一端に基板の外部抵抗（Ｒ1）を接続し、この外部抵抗の一端に電圧源（Ｖcc）を接続して回路を構成する。このとき、ヒータ電源によってヒータ電圧（ＶH）が供給されて、ヒータ線２１６の抵抗により熱が発生し、セラミックバルク２２２の温度が検出温度まで上昇することになる。その温度で外部抵抗（Ｒ1）の末端における電圧（Ｖcc）を測定することによって、セラミックバルク２２２の抵抗（Ｒs）を測定できる。一般に、ヒータ抵抗（ＲH）は、数〜数十Ωであり、セラミックバルク２２２の抵抗（Ｒs）は数十ｋΩ以上であり、ＶHがＶccに比べて十分に小さいとすれば、Ｖoutは下記の式によって計算することができ、このことからセラミックバルク２２２の抵抗（Ｒs）を評価できるようになる。
Ｖout≒［Ｒs／（Ｒ1＋Ｒs）］×Ｖcc
【００１５】
ここでは、説明の便宜上いくつかの仮定をしてセラミックバルク２２２の抵抗（Ｒs）の近似値を簡単に求めたが、より精密なセラミックバルク２２２の抵抗を求めようとする場合には、上記の仮定を前提とせずに、より複雑な式によってセラミックバルク２２２の抵抗をより精密に求めることができる。
【００１６】
したがって、セラミックバルク２２２の抵抗率の変化は、空気中に含まれた特定ガス濃度と関係することから、測定された抵抗から流入された空気中に含まれるガスの濃度を算出できるようになる。
【００１７】
次に、図３Ａ〜３Ｅは、本発明に係るガスセンサを製造する過程を示す断面図である。
【００１８】
図３Ａを参照すれば、結晶方向＜１００＞のシリコン基板２１０の両面に全体的に０．１〜１０μｍ、好ましくは２μｍの絶縁膜２１１、２１２を形成する。この場合、絶縁膜２１１、２１２にはシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜のような材料を用いることができる。
【００１９】
次に、図３Ｂを参照すれば、シリコン基板２１０の片面に形成されている絶縁膜２１２の中央部分を局部的にパターニングしてウィンドウ２１９とパターニングされた絶縁膜２１３を得る。このとき、ウィンドウ２１９を介してシリコン基板２１０の一部分が露出される。絶縁膜２１２は、通常半導体製造工程において用いられるフォトリソグラフィ及びエッチングプロセスによりパターニングされる。
【００２０】
次いで、図３Ｃを参照すれば、ウィンドウ２１９及びパターニングされた絶縁膜２１３上に金属パターンを形成する。該金属パターンは、ウィンドウ２１９上に形成されるヒータ線２１６及び感知線２１８、そしてパターニングされた絶縁膜２１３上に形成される金属パッド２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄから構成される。ここで、ヒータ線２１６は、上記したように、本発明において用いるセラミックバルク２２２に熱を供給するための抵抗線を形成し、感知線２１８は、セラミックバルク２２２の抵抗の変化を測定するために形成されるものである。そして、金属パッド２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄは、パターニングされた絶縁膜２１３上に形成されてシリコン基板２１０と電気的に絶縁される。また、金属パッド２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄは、ヒータ線２１６及び感知線２１８を支持するのみでなく、ヒータ線２１６及び感知線２１８を外部の電源及び他の外部回路に接続するための手段を提供する。このような金属パターンは、二つの金属パッド２１４ａ、２１４ｂとヒータ線２１６とが一体的に形成され、二つの金属パッド２１４ｃ、２１４ｄと感知線２１８とが一体的に形成されることが製造の容易性の観点から好ましく、０．１〜２０μｍ、特に５μｍの厚さに形成されることが好ましい。金属パターンの材料には白金（Ｐt）を用いるか、パラジウム（Ｐd）または金（Ａu）がドープされたニッケル（Ｎi）、またはホウ素（Ｂ）がドープされた多結晶シリコンを用いることができる。また、金属パターンとパターニングされた絶縁膜２１３との接着性を向上させるために、白金にクロムを付着して用いることができる。この場合、クロムの厚さは０．０２μｍ程度にすることが好ましい。
【００２１】
次に、図３Ｄを参照すれば、シリコン基板２１０全体をアルカリ水溶液に浸漬し、所定の深さとなるようにウィンドウ２１９を介して露出しているシリコン基板２１０をパターニングする。この場合、シリコン酸化膜のような絶縁膜と白金のような金属パターンは、アルカリ水溶液によってエッチングされないことから、シリコン基板２１０に所定の深さのくぼみ２２０が形成されることになる。したがって、図３Ｄ及び図２に示すように、ヒータ線２１６及び感知線２１８は、くぼみ２２０によってシリコン基板２１０から分離される。このとき用いられるアルカリ水溶液には、水酸化カリウムまたはエチレンジアミン及びピロカテコール（pyrocatechol）の混合水溶液を用いることができる。例えば、８０℃の水酸化カリウムのエッチング溶液に上記のシリコン基板２１０を２時間浸漬することによって、約１５０μｍの深さのくぼみ２２０が得られる。
【００２２】
次に、図３Ｅを参照すれば、ペースト形状のセラミック前駆体滴をヒータ線２１６及び感知線２１８の所定部分上に滴下した後、熱処理してセラミックバルク２２２を形成する。ここで、上記のセラミック前駆体には、例えば、感知物質としてＳnＯ2を９０重量％、バインダとして疏水性シリカゾルを９重量％、及び触媒としてＰdＣl2を１重量％含む混合物を用いることができる。このようなセラミック前駆体に、例えば、エチルセルロースが５％含まれたα−テルピネオールを所定量添加して粘度が数百ｃｐｓ程度になるようにする。次いで、ペースト形状に作られた前駆体をヒータ線２１６及び感知線２１８上に滴下する。セラミック前駆体滴を滴下した後に施す熱処理の条件は、上記のセラミックペーストに含まれている溶媒を揮発させることができれば特に限定されない。
【００２３】
上記したように、本発明に係るセラミックガスセンサは、セラミックバルクを除いては半導体製造技術に基づいたマイクロマシニング加工によって形成される。したがって、本発明に係るガスセンサ２００のヒータ線２１６及び感知線２１８、そしてセラミックバルク２２２の体積は非常に小さい。しかも、ヒータ線２１６、感知線２１８及びセラミックバルク２２２がシリコン基板から分離されているため、熱容量が小さく、熱損失が小さい。また、本発明に係るセラミックガスセンサ２００では、セラミックバルク２２２を感知物質として用いることから、薄膜セラミックを用いる他のセンサに比べて感知特性及び物理的特性に優れている。また、本発明に係るガスセンサ２００の製造方法においては、ウィンドウ２１９の形成及び金属パターンの形成のために、２枚のマスクのみが必要である。また、半導体加工技術の長所であるバッチ工程における生産がそのまま適用されるので、ガスセンサの製造コストを低減できる。
【００２４】
一方、図４Ａ〜図４Ｆは、本発明に係る他の実施の形態である、ヒータ線、感知線及びセラミックバルクからなるガスセンサの感知部を示している。図２に示すように、ヒータ線２１６及び感知線２１８が互いに平行の直線状に形成されており、その上にセラミックバルク２２２が位置する場合には、抵抗がヒータ線２１６全体に均一に分布することから、発生した熱の一部のみがセラミックバルク２２２の加熱に用いられ、セラミックバルク２２２の温度分布は不均一になる。このような問題点は、図４Ａ〜図４Ｆに示すように、感知部の構造を変形させることによって改善できる。
【００２５】
図４Ａにはヒータ線３１６がＵ字状に曲がっており、その間に感知線３１８の分岐線３１８ａが挿入された例が示されている。このような構造によれば、セラミックバルク３２２部分に抵抗が集中するのみでなく、熱がセラミックバルク３２２に均一に拡散するので、上記の問題が改善されてガスセンサの感知特性がより一層改善され、熱損失がさらに低減することになる。また、このようなセラミックバルク３２２の抵抗集中とセラミックバルク３２２での熱の均一な分布をさらに改善するために、図４Ｂに示したように、ヒータ線４１６をジグザグ形状に折り曲げて設け、感知線４１８の分岐線４１８ａをヒータ線４１６の片側から凹形状のヒータ線４１６の間に挿入するか、図４Ｃに示すように、ヒータ線５１６をジグザグ形状に折り曲げて設け、２つの感知線５１８の分岐線５１８ａを、ヒータ線５１６の両側から凹形状のヒータ線５１６の間に挿入することもできる。
【００２６】
図４Ｄ〜４Ｆに示すように、セラミックバルク６２２、７２２、８２２の抵抗率変化が、主としてセラミックバルク６２２、７２２、８２２を均一に加熱することに依存することから、セラミックバルク６２２、７２２、８２２内におけるヒータ線６１６、７１６、８１６を感知線６１８、７１８、８１８よりも厚く形成している。したがって、本発明の実施の形態においては、感知線６１８、７１８、８１８の幅は約１０μｍに、厚さは約５μｍに構成することが好ましい。また、感知線６１８、７１８、８１８の幅が約１０μｍであり、厚さが約５μｍである場合には、ヒータ線６１６、７１６、８１６の幅は約２０μｍであって、厚さは約５μｍであるものが好ましい。
【００２７】
以上のように、本発明は、ヒータ線がシリコン基板から分離され感知物質であるセラミックをバルク形状に形成することによって、熱容量及び熱損失を最小化し、低電力及び低コストのガスセンサが得られるという利点を有する。
【００２８】
したがって、本発明に係るガスセンサは、エネルギー源が制限される携帯用ガス感知装置などに広く適用することができる。また、従来技術に比べて、本発明のガスセンサの製造方法は、ウィンドウの形成及び金属パターンの形成のためのパターニングに２枚のマスクのみが必要であり、半導体加工技術の長所であるバッチ工程における生産がそのまま適用され得ることから、低コストでガスセンサを製造できるという長所を有する。
【００２９】
尚、本発明は、本実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内において多様に変更して実施され得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、従来のガスセンサの断面図である。
【図２】  図２は、本発明に係るガスセンサを示す斜視図である。
【図３Ａ】  図３Ａは、本発明に係るガスセンサの製造方法を説明する図２の線分Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
【図３Ｂ】  図３Ｂは、本発明に係るガスセンサの製造方法を説明する図２の線分Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
【図３Ｃ】  図３Ｃは、本発明に係るガスセンサの製造方法を説明する図２の線分Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
【図３Ｄ】  図３Ｄは、本発明に係るガスセンサの製造方法を説明する図２の線分Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
【図３Ｅ】  図３Ｅは、本発明に係るガスセンサの製造方法を説明する図２の線分Ｉ−Ｉに沿った断面図である。
【図４Ａ】  図４Ａは、本発明に係るガスセンサの感知部を示す断面図である。
【図４Ｂ】  図４Ｂは、本発明に係るガスセンサの感知部を示す断面図である。
【図４Ｃ】  図４Ｃは、本発明に係るガスセンサの感知部を示す断面図である。
【図４Ｄ】  図４Ｄは、本発明に係るガスセンサの感知部を示す断面図である。
【図４Ｅ】  図４Ｅは、本発明に係るガスセンサの感知部を示す断面図である。
【図４Ｆ】  図４Ｆは、本発明に係るガスセンサの感知部を示す断面図であ
【図１】
0003682603.tif 000002
【図２】
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【図３Ａ】
0003682603.tif 000004
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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