(57)【要約】【課題】従来の薄膜式ガスセンサは、白金配線を用いるとエッチング中に製造装置が汚染されたり、飛散したレジストが配線のパターンに影響し、微細化ができなかった。【解決手段】本発明のガスセンサは、ガスセンサの配線部を支持する絶縁膜に、予め上層の白金膜が段切れするような深さと幅とを持つ環状の溝部を設けた。この環状の溝部により隔てられた白金膜は、環状の溝部の内周に形成する白金膜を配線部として用いる。従来とは異なり、白金膜をスパッタエッチングせず環状の溝部によって所望の配線部の形状に形成できるため、製造装置を汚染することなくさらなる微細化ができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒金属を有するガスセンサであって、
絶縁膜または絶縁基板の表面に環状の溝部を設け、
前記環状の溝部に囲まれる領域の表面を第１の表面とし、前記環状の溝部に囲まれていない領域の表面を第２の表面とするとき、
前記第１の表面上に第１の白金膜を設け、前記環状の溝部によって隔てられて前記第２の表面上に第２の白金膜を設け、
前記第１の白金膜の膜厚と前記第２の白金膜の膜厚とは略等しく、
前記触媒金属は、前記第１の白金膜の上部に設けることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記環状の溝部は、溝の深さ距離を溝の開口距離で割った比率値が１以上の数値を有しているとともに、前記開口距離の値は前記白金配線の膜厚の値よりも小さい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】
前記環状の溝部は、その断面形状がオーバーハング形状をなしていることを特徴とする請求項１から２のいずれか１つに記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜式のガスセンサに関し、詳しくは白金を用いた接触燃焼式のガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、枯渇が危惧される化石燃料に変わって、水素やメタノールなどの代替燃料が注目されている。特に水素燃料は容易に抽出可能で、燃焼後の反応生成物による大気汚染が無く、環境に配慮された次世代燃料として注目されている。
一方で自動車用燃料や、家庭用発電機などの用途に水素燃料を適用した時、重要となるのがガス漏洩対策である。ガスを漏洩させないことはもとより、万が一ガスが漏洩した場合に高感度に検知し、迅速に燃料を遮断する高信頼の保安システムが望まれる。
【０００３】
このような保安システムに採用するガス検知用のセンサ（以下ガスセンサと称す）には、例えば、自動車用の場合、運転時の振動などにも長期にわたって耐え得る耐久性と、すべての燃料経路を網羅する感度と設置の容易性が要求される。こうした用途に好適な形態として薄膜を用いた接触燃焼式のガスセンサが挙げられる。
【０００４】
薄膜を用いた接触燃焼式ガスセンサは、薄膜状に形成した白金を微細加工によって平面的に細配線化しており、その上部にアルミナなど触媒金属の焼結体を設けている。焼結体は検知ガスの燃焼を促すために、白金配線に所定の電圧を印加して加熱される。周囲に検知ガスが存在しない状態では、焼結体および白金配線は一定温度に保たれているが、検知ガスが流入すると焼結体表面に接触した際にガスが燃焼して温度が上昇する。これにともなって白金配線の温度が上昇し、白金配線の抵抗率が変化して電流が変化することを利用してガスの有無を検知するものである。
【０００５】
薄膜を用いた接触燃焼式ガスセンサは、広く普及しているコイル型ヒータを備えた触媒担架式ガスセンサに比べ、振動や気流等の外乱に強く信頼性が高い。また、半導体プロセス技術を適用した製造方法を用いることができるため、ミニチュアライズが可能で設置性に優れている。さらに大量生産が可能なことからコストを大幅に低減できるという効果がある。
【０００６】
このような薄膜を用いた接触燃焼式ガスセンサを以後単に薄膜式ガスセンサと称する。
この薄膜式ガスセンサの場合、熱容量を小さく抑えることができるため、触媒を加熱する際の電力が低減できる。また触媒が検出ガスと接触して燃焼した際の応答性が向上するため、検出感度が高くなるという効果がある。
【０００７】
さて、薄膜式ガスセンサなどに用いる白金配線を形成する工程には、小型化のためにフォトリソグラフィによりパターニングしたレジストをマスクとして、あらかじめスパッタ法などにより形成した白金膜を、イオン化したガスによってドライエッチングして加工する手法が広く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
特許文献１に示した従来技術は、絶縁基板上に白金膜を形成し、その後白金膜上にレジスト膜を形成し、つづいてレジスト膜をフォトリソグラフィによりパターニングし、さらにパターニングされたレジスト膜をマスクとして白金膜に対してＡｒ（アルゴン）イオンによるドライエッチングを施し、最後にレジストを除去して白金配線を得る白金温度センサの製造方法である。
【０００９】
特許文献１に示した従来技術は、ＹＡＧレーザーなどによる加工法に替わってフォトリソグラフィによるパターニングを採用し、ドライエッチングにより加工したことにより、白金配線の微細化が図られている。特許文献１によればレーザーによる加工法の限界配線幅は最小１５μｍであるの対し、フォトリソグラフィを用いた場合は７μｍに縮小されている。
【００１０】
【特許文献１】特開平５−１０８２８号公報（第４項、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ガスセンサの小型化のために白金配線の更なる微細化を実施する際、従来の構造では次のような問題が発生することが判った。
【００１２】
特許文献１に示した従来技術の構造では、ドライエッチングを用いて配線以外の部分を除去して白金配線を形成している。このとき白金は塩化物などの化合物を形成しないため、化学的なエッチング促進効果がなく、アルゴンイオンを主としたスパッタエッチングとなる。一方でマスクであるレジストにスパッタエッチングを実施した場合、エッチングチャンバ内壁へのレジストの堆積が著しいことが知られている。
【００１３】
特許文献１に示した従来技術の構造の問題とは、エッチングチャンバ内壁に堆積したレジストがエッチング中に剥離するなどしてレジストパターン上に付着し、白金パターンが所望の形状にならないという不良の発生である。配線を微細化すると不良となり得る剥離物の大きさも小さくなり、その数も相対的に多く存在する。配線の微細化は不良率の増大を招くのである。
また、この問題を回避するために頻繁にエッチングチャンバ内のクリーニングを実施すると、生産性が極めて低下する。特許文献１に示した従来技術の特徴であった大量生産によるコストダウン効果が享受できないのである。
【００１４】
また、特許文献１に示した従来技術の構造で感度向上や小型化のために白金配線の積層構造を採用する場合に、次の課題があることが知られている。
【００１５】
積層配線構造の場合、下層配線を上層配線が跨ぐように配置すると下層配線の段差のために上層配線のステップカバレジが低下し、上層配線が断線する恐れがある。また断線に至らないまでも局所的な膜厚の低下により信頼性が低下する。
【００１６】
このようなステップカバレジの低下への対策としては、下層配線と上層配線との中間に積層する絶縁膜を平坦化する方策がとられるが、平坦化は工数の増加を招き製造コストの増大という新たな課題が発生するのである。
【００１７】
さて、ガスセンサの感度向上のためにはセンサ部の熱容量の低減および高集積化が効果的である。白金配線の細線化は熱容量の低減、多層化は高集積化の方策であるが、特許文献１に示した従来技術では、これら感度向上に関する対策は何らなされていないのである。
【００１８】
本発明が解決しようとする課題は、ガスセンサの小型化および感度向上について、従来の構造では生産性が低く、更なる高感度化ができないという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記問題を解決するために本発明のガスセンサは次のような構成を採用する。
【００２０】
触媒金属を有するガスセンサであって、
絶縁膜または絶縁基板の表面に環状の溝部を設け、
環状の溝部に囲まれる領域の表面を第１の表面とし、環状の溝部に囲まれていない領域の表面を第２の表面とするとき、
第１の表面上に第１の白金膜を設け、環状の溝部によって隔てられて第２の表面上に第２の白金膜を設け、
第１の白金膜の膜厚と第２の白金膜の膜厚とは略等しく、
触媒金属は、第１の白金膜の上部に設けることを特徴とする。
【００２１】
環状の溝部は、溝の深さ距離を溝の開口距離で割った比率値が１以上の数値を有しているとともに、開口距離の値は白金配線の膜厚の値よりも小さいことを特徴とする。
【００２２】
環状の溝部は、その断面形状がオーバーハング形状をなしていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のガスセンサは、絶縁膜または絶縁基板の表面に環状の溝部を形成し、この溝を含む絶縁膜または絶縁基板の表面に白金膜を形成する。白金膜は、この環状の溝部により分割され、配線部と配線以外の部分とに分けられて形成される。そして、配線部に設ける触媒金属によりセンサとして用いる。
すなわち、本発明は、白金膜が不連続な膜となるように、所定の開口幅と深さとを備えた環状の溝部を有しており、配線部と配線以外の部分とは、環状の溝部によって電気的にも絶縁している。このため、白金膜をエッチングして配線部を形成する必要が無く、配線の幅は絶縁基板上に設ける環状の溝部の距離で決まるため、フォトリソグラフィによる微細化が容易である。
【００２４】
さらに、本発明は絶縁膜または絶縁基板の表面の全面に白金膜を形成している。白金膜の唯一の段差は環状の溝部である。センサの感度向上や小型化のために白金配線の積層構造を採用する際、この環状の溝部には、第１の白金配線と第２の白金配線を絶縁する層間絶縁膜が化学気相成長法によって形成される。このとき層間絶縁膜は、溝の端部では等方的に成長して溝の上端面でピンチオフし、溝内部に空隙が形成される。こうして環状の溝部は空隙によって埋め立てられ、基板が略平坦化されるのである。すなわち本発明は多層構造を採用する際に平坦化が容易なのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明のガスセンサの最も特徴的な部分は、絶縁膜に予め形成した所望の形状の環状の溝部により、その上部に白金膜を形成すると、この溝によって白金膜は第１の白金膜と第２の白金膜とに物理的に分割され、センサとして機能する配線部である第１の白金膜を得る点である。
【００２６】
［本発明の構造の説明：図１〜図３］
以下、図１〜図３を用いて本発明のガスセンサを実施するための構造を説明する。図１（ａ）は、本発明のガスセンサを説明するために模式的に示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す切断線Ａ−Ａ’における断面図である。
図１において、２１は絶縁膜、３１は絶縁膜２１上面に形成する環状の溝部、４１は環状の溝部３１の内周に接する絶縁膜２１の第１の表面、４２は環状の溝部３１の外周に接する絶縁膜２１の第２の表面、５０は環状の溝部３１の底部に堆積した白金膜、５１は第１の表面４１上に形成する第１の白金膜、５２は第２の表面４２上に形成する第２の白金膜である。６０は触媒金属である。記号Ｌは、環状の溝部３１の溝の深さ、記号Ｗは、環状の溝部３１の上端面の開口幅である。
【００２７】
図示しない基板または基台の上部に絶縁膜２１を形成し、この絶縁膜２１に所望の形状で環状の溝部３１を形成する。所望の形状とは、ガスセンサの検出部として用いる白金配線の形状をいう。つまり、形成したい白金配線の周囲が環状の溝部３１により囲まれている。
【００２８】
絶縁膜２１上に環状の溝部３１を形成し、この溝を含む絶縁膜２１上に図示しない白金膜を形成する。白金膜は、絶縁膜２１の表面に対して一様に成膜しても膜厚に偏りをもって形成してもよいが、環状の溝部３１に囲まれている領域の表面は、平坦化という観点から、できるだけ一様である方が好ましい。
この白金膜は、この環状の溝部３１により分割され、配線部と配線以外の部分とに分けられて形成される。この環状の溝部３１による白金膜の分割の詳しい様子は後述する。
配線部とは、第１の白金膜５１のことであり、配線以外の部分とは、第２の白金膜５２のことである。
【００２９】
触媒金属６０は、配線部、つまり第１の白金膜５１の上部に設けてある。触媒金属６０は、特に限定しないが、例えば、酸化スズ，白金，パラジウム，アルミナなどを用いることができ、もちろん、これらを組み合わせても積層してもよい。図１に示す例では、第１の白金膜５１の略中央に設けているが、その設置位置や形状はもちろん自由に選択することができる。
【００３０】
環状の溝部３１は、溝の深さＬおよび上端部の開口幅Ｗをその上部に形成する白金膜の成膜装置の特性に合わせて自由に選択することができる。つまり、白金膜が溝の上部で接触しないような溝の深さＬと上端部の開口幅Ｗとを選択する。
これらの選択は、形成する白金膜の膜厚や形成装置の性能や機種が予めわかっているために、簡単に選択できる。例えば、環状の溝部３１上に形成する図示しない白金膜の膜厚をＴとすると、環状の溝部３１の溝の深さＬは、上方に形成する白金膜の膜厚Ｔの約１倍以上とし、上端面の開口幅Ｗは、同じく膜厚Ｔより小さくなるよう設定する。
【００３１】
このような構成とすることによって、この環状の溝部３１の上部に白金膜を形成すると、図１（ｂ）に示すように環状の溝部３１により白金膜は、第１の白金膜５１と第２の白金膜５２とに分割されるのである。環状の溝部３１の底部には、若干の白金膜５０が堆積するが、先にも説明したとおり、適切に選択された環状の溝部３１の深さＬと開口幅Ｗとのため、白金膜５０と第１の白金膜５１および第２の白金膜５２とは、接することはない。
【００３２】
本発明のガスセンサは、そのセンサ部分となる第１の白金膜５１の加工に際して、白金膜をエッチング加工する必要がない。すでに説明したとおり、白金膜のエッチングは、スパッタエッチングしか用いることができず、エッチングチャンバ内壁へのレジストの堆積が著しい、あるいは白金配線にレジストが飛散して加工精度が低下するなどの問題がある。本発明のガスセンサは、そのような白金膜のエッチング加工が必要ないから、それらの問題とは無縁である。
【００３３】
第１の白金膜５１の形状は、環状の溝部３１で決まり、それを形成するフォトリソグラフィは、絶縁膜２１の加工を行うものである。図１に示す例では、環状の溝部３１は、多角形で構成しているが、もちろんこれに限定されず、楕円形などさまざまな形状にすることができる。
この絶縁膜２１の加工には、すでに知られている半導体プロセス技術を用いることができる。絶縁膜２１の加工に際して用いられるエッチング装置およびエッチングガスは自由に選択することができるため、白金膜をスパッタエッチングする際に比して、より微細に加工できる。
【００３４】
［環状の溝部の異なる形状の説明：図２］
本発明のガスセンサの構造は、すでに説明する構成に限定されない。図２は、絶縁膜２１の膜厚によって深い溝が形成できない場合や、成膜装置の特性によって溝側面の被覆率が高い場合における構造を示すものであって、オーバーハング形状を有する環状の溝部３３を説明するものである。すでに説明した同一の構成には同一の番号を付与している。
【００３５】
環状の溝部を図２に示すようなオーバーハング形状に構成にすることによって、確実に白金膜を分割させることができる。また、オーバーハング形状を有する環状の溝部３３は、この溝部の側壁部にスパッタされた白金が飛着することがないため、配線部の寸法精度が向上するという効果もある。
【００３６】
本発明のガスセンサは、配線部である第１の白金膜５１以外の領域、すなわち第２の白金膜５２を絶縁膜２１上に残す形態であるので、環状の溝部３１を除いて高さが略均一に保たれている。
このことにより、高集積化を目的として、さらに上層に白金膜を設け、いわゆる積層構造とする際においても、急激な段差がなく、配線の断線などを生じない。
図３は、白金膜を２層とする例を説明する図である。図３において、６１は層間絶縁膜、７１は第２の環状の溝部、８１は第３の表面、８２は第４の表面、９０は第２の環状の溝部７１の底部に堆積した白金膜、９１は第３の表面８１上に形成する第３の白金膜、９２は第４の表面８２上に形成する第２の白金膜である。すでに説明した同一の構成には同一の番号を付与している。
【００３７】
第１の白金膜５１および第２の白金膜５２上に層間絶縁膜６１を形成する。層間絶縁膜６１は、例えば、気相反応堆積法（以下ＣＶＤ法と記す）などにより形成する。このとき、環状の溝部３１は、層間絶縁膜６１が等方的に成長するためその上端面でピンチオフし、内部に層間絶縁膜６１が入り込まず、第１の白金膜５１および第２の白金膜５２の上部は、略平坦化される。
層間絶縁膜６１には、第２の環状の溝部７１を設け、層間絶縁膜６１の上面に第３の表面８１と第４の表面８２を形成した後、図示しない上層の白金膜を形成すると、すでに説明したように、第２の環状の溝部７１の溝のため、図示しない上層の白金膜が分割され、第３の白金膜９１，第４の白金膜９２が形成できる。
これら第３の白金膜９１，第４の白金膜９２の下はすでに略平坦化されているため、これらの配線形状に関わらず、上層と下層の配線交差部であっても段差による断線は発生しない。
【００３８】
［本発明の製造方法の説明］
次に、本発明のガスセンサの製造方法を図４から図６を用いて説明する。なお、シリコン基板上に絶縁膜としてシリコン窒化膜を設け、フォトリソグラフィにより環状の溝部３１を設け、第１の表面４１および第２の表面４２を形成し、白金膜をスパッタし、第１の白金膜５１および第２の白金膜５２を形成する場合を説明する。すでに説明した構成には同一の番号を付与している。
【００３９】
まず、図４に示すように、シリコン基板１１上にＣＶＤ法を用いて絶縁膜２１であるシリコン窒化膜を１μｍの厚さで形成する。このシリコン窒化膜が後に白金配線を支持する膜となる。
【００４０】
続いて、絶縁膜２１上に環状の溝部３１の形状に対応するレジストパターンをフォトリソグラフィを用いて形成する。
次に、図５に示すように、反応ガスに六フッ化硫黄を用いるドライエッチングにより絶
縁膜２１をエッチングし、環状の溝部３１を形成する。その後、レジストパターンはアッシングにより除去する。
このエッチング処理により、絶縁膜２１の表面は、環状の溝部３１によって分割され、環状の溝部３１の内周に接する表面に第１の表面４１、環状の溝部３１の外周に接する面に第２の表面４２が形成される。
【００４１】
次に、図６に示すように、絶縁膜２１の上面に白金膜をスパッタ法により形成する。このとき、白金膜は環状の溝部３１により分割され、第１の表面４１上に第１の白金膜５１すなわち配線部、第２の表面４２上に第２の白金膜５２が形成される。
【００４２】
以上の説明では、絶縁膜２１上に設ける白金膜は単層の膜である例を示したが、もちろんこれに限定しない。ガスセンサの仕様に合わせて自由に選択が可能であって、複数の組成が異なる白金膜を積層してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のガスセンサは、従来知られている薄膜式接触燃焼式ガスセンサに比べてさらに微細化できる。このため、小型化が要求される家庭用燃料式発電機や水素燃料自動車などに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のガスセンサの構造を説明する平面図および断面図である。
【図２】本発明のガスセンサの環状の溝部の形状を説明する断面図である。
【図３】本発明のガスセンサの多層配線構造を説明する断面図である。
【図４】本発明のガスセンサの製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明のガスセンサの製造方法を示す断面図である。
【図６】本発明のガスセンサの製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
２１  絶縁膜
３１  絶縁膜２１上面に形成する環状の溝部
３３  オーバーハング形状を有する環状の溝部
４１  環状の溝部３１の内周に接する絶縁膜２１の第１の表面
４２  環状の溝部３１の外周に接する絶縁膜２１の第２の表面
５０  環状の溝部３１に堆積した白金膜
５１  第１の表面４１上に形成する第１の白金膜
５２  第２の表面４２上に形成する第２の白金膜
６０  触媒金属
６１  層間絶縁膜
７１  第２の環状の溝部
８１  第２の環状の溝部７１の内周に接する層間絶縁膜６１の第３の表面
８２  第２の環状の溝部７１の外周に接する層間絶縁膜６１の第４の表面
９０  第２の環状の溝部に堆積した白金膜
９１  第３の表面８１上に形成する第３の白金膜
９２  第２の表面８２上に形成する第４の白金膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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