(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間中の気体の熱伝導による温度変化を利用してガス検出を行うガスセンサであって、外気の雰囲気温度を測定する第１の感熱素子と、基準となる閉空間の雰囲気温度を測定する第２の感熱素子と、第１、第２の空洞部を有し、前記第１、第２の感熱素子が形成された第１の主面及びその裏面である第２の主面を有する基板と、前記第１、第２の感熱素子を加熱する加熱手段と、前記基板に固定され、前記第１、第２の感熱素子に対応した部分に第１、第２の凹部を備えたカバーとを備え、 
前記第１、第２の感熱素子の検出領域は、それぞれ前記基板の前記第１、第２の空洞部上に形成されており、前記基板の前記第１の感熱素子側であって、かつ前記第１の空洞部以外の部分に通気口を有し、前記第１、第２の感熱素子は同一の前記基板上に形成されており、前記通気口は、前記第２の主面側から前記第１の主面側に向けて基板が開口するように形成され、前記第１の主面側の通気口が、前記カバーの第１の凹部内に位置しており、前記第１、第２の感熱素子が形成された前記第１の主面とは異なる前記第２の主面から前記通気口を通じて入ってくるガスによる空間の温度変化を測定することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記通気口は、前記検出領域を挟んで２個以上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３】
前記通気口は、前記検出領域の外周にスリット状に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４】
前記第２の感熱素子上の空間は測定対象に応じた基準となるように気体濃度が制御された雰囲気であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のガスセンサ。 
【請求項５】
前記第１の感熱素子は、感熱膜と加熱手段を有し、前記感熱膜は前記加熱手段に用いられる材料と同じであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のガスセンサ。 
【請求項６】
前記基板とカバーは金属により接合され、第２の感熱素子とカバーで接合された空間が気密封止されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のガスセンサ。 
【請求項７】
前記基板は、前記第１、第２の感熱素子の信号取り出し電極を更に有し、前記カバーの第１、第２の凹部形成部とは異なる面に、電極を更に有し、前記信号取り出し電極と前記カバーに形成された電極が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項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、ガスによる空間の熱伝導の違いにより発生する温度差を電気信号として検出するガスセンサに関する。さらに詳細には、メンブレン構造上に感熱膜と加熱手段をもうけたガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空間における気体の熱伝導の違いを空間温度として測定し検出、温度変化に応じた電気信号によりガスを検知することが可能な素子が知られている。そのようなデバイスでは検知用素子で開放空間中の温度変化を計り、補償用素子で一定条件の閉空間の温度変化を計ることでそれを基準として差分変化を測定対象物による温度変化として濃度を算出する。そのための温度検出には、例えば負の抵抗温度変化を用いたサーミスタ材料、ボロメータ材料、Ｐｔなど金属を用いた測温体を感熱素子としてその抵抗変化により行うことが提案されている。
【０００３】
特許文献１では、サーミスタを用いた感熱素子として加熱用抵抗膜と組み合わせた構成の湿度センサが提案されている。湿度センサはセラミックパッケージ内に配置され、二つの空間を作る仕切り部と検知素子上に設けた貫通孔により構成した蓋部により片側の素子を密閉する構造が採られている。
【０００４】
特許文献２では、ボロマトリック湿度センサとしてカンパッケージのケースとステムを用いた構造が開示されている。ステム裏面の検出素子の直下に外気との通気孔が形成され、裏面の空間の温度変化を検出、一方で補償素子はステム内で検知素子の裏面と空間分離されており、周囲空気の温度の影響を受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１６８６４９号公報
【特許文献２】特表２００４−５１４８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術には以下の課題が残されている。特許文献１では、セラミックパッケージに検知素子を配置した上で蓋に仕切り部を持たせるために複雑な構造となるので小型化が困難である上、通気孔が検知部上部に設けられており、検知素子へ外部からの風や汚れの影響を受けやすい。
【０００７】
特許文献２の構成によればカンパッケージを用いることで小型化が困難であること・通気口は検知素子の直下に設けられており特許文献１と同様に外気の影響を直接受けることになる。また補償素子をステム内で固定する場合に安定して気密を確保することが問題となる。
【０００８】
そこで、本発明は、空間の温度変化を検知するガスセンサにおいて上記問題を解決するものであって小型で、風や汚れに対して外部からの影響を受けにくい構造のセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明に係わるガスセンサは、外気のガス濃度を測定する第１の感熱素子と、基準となる閉空間雰囲気の温度を測定する第２の感熱素子と、第１、第２の空洞部を有し、前記第１、第２の感熱素子が形成された基板と、前記第１、第２の感熱素子を加熱する加熱手段と、前記基板に固定され、前記第１、第２の感熱素子に対応した部分に第１、第２の凹部を備えたカバーとを備え、前記第１、第２の感熱素子の検出領域は、それぞれ前記第１、第２の空洞部上に形成されており、前記基板の前記第１の感熱素子側であって、かつ前記第１の空洞部以外の部分に通気口を有し、前記第１、第２の感熱素子は同一の前記基板上に形成されており、前記第１、第２の感熱素子が形成された面とは異なる面から前記通気口を通じて入ってくるガスによる空間の温度変化を測定することを特徴とするガスセンサである。
【００１０】
本発明の請求項２に係わる発明は、前記通気口は、前記検出領域を挟んで２個以上形成されていることを特徴とするガスセンサである。
【００１１】
本発明の請求項３に係わる発明は、前記通気口は、前記検出領域の外周にスリット状に形成されていることを特徴とするガスセンサである。
【００１２】
本発明の請求項４に係わる発明は、前記第２の感熱素子上の空間は測定対象に応じた基準となるように気体濃度が制御された雰囲気であることを特徴とするガスセンサである。
【００１３】
本発明の請求項５に係わる発明は、前記感熱膜は加熱手段に用いられる材料と同じであることを特徴とするガスセンサである。
【００１４】
本発明の請求項６に係わる発明は、前記基板とカバーは金属により接合され、第２の感熱素子とカバー間の空間が気密封止されていることを特徴とするガスセンサである。
【００１５】
本発明の請求項７に係わる発明は、前記基板は、前記第１、第２の感熱素子の信号取り出し電極を更に有し、前記カバーの第１、第２の凹部形成部とは異なる面に、電極を更に有し、前記信号取り出し電極と前記カバーに形成された電極が電気的に接続されていることを特徴とするガスセンサである。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、熱容量を下げるために検知領域をメンブレン化した素子は薄膜のみで構成されるため外部からの風などの影響により破損する場合があるが、それを抑制することができる。カバーと基板とを封止により固定することで検知素子と参照素子のパッケージを同一で個片化せずに精度よく行うことができ、かつ感熱素子の裏面から検知領域以外の部分で通気を行うことにより、検知領域のメンブレンへの風の影響を抑制することができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、外気からのガスの出入りが容易になるため応答速度を高めることが出来る。
【００１８】
請求項３の発明によれば、通気孔が検知部に対して熱的に対称であるため、検知部の熱分布を安定させることが出来る。
【００１９】
請求項４の発明によれば、参照素子の測定空間を測定対象に合わせた雰囲気で制御することで用途に応じたガスを検知することが出来る。
【００２０】
請求項５の発明によれば、感熱素子の取り出し電極と加熱手段に用いるヒータを同時に形成することで工程を簡易化することが出来る。
【００２１】
請求項６の発明によれば、水分やガスに対して気密性の高い金属により第二の検出素子に密閉空間を形成することで安定した気密レベルを確保することが出来る。
【００２２】
請求項７の発明によれば、取り出し電極をカバーの上部に直接取り出すことで素子のサイズを小型化することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態におけるガスセンサの断面図である。
【図２】第１実施形態における感熱素子の上面図である。
【図３】第１実施形態における第１の感熱素子の上面図である。
【図４】第１実施形態における第１の感熱素子の断面図である。
【図５】第２実施形態におけるガスセンサの断面図である。
【図６】第３実施形態における感熱素子の上面図である。
【図７】第５実施形態における第１の感熱素子の上面図である。
【図８】第５実施形態における第１の感熱素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。
【００２５】
（第１実施形態）
第１実施形態について図１から図４を用いて説明する。図１は第１の実施形態におけるガスセンサの断面図、図２は第１の実施形態における感熱素子の上面図、図３は感熱素子３Ａの上面図、図４は感熱素子３ＡのＢ−Ｂ断面図である。図１に示すように第１実施形態のガスセンサ１００は基板１と凹部を備えたカバー２とからなる。基板１上には第１の主面１Ａに形成された第１の凹部４Ａ、第２の凹部４Ｂ上に中空構造により形成されている第１の感熱素子３Ａと、第２の感熱素子３Ｂからなる。図３に示すように感熱素子３Ａは加熱手段としてヒータ１４、同様に図示しないが感熱素子３Ｂは加熱手段としてヒータ１４が併設されている。感熱素子３Ａ、３Ｂとヒータ１４は各々が独立して短絡せずに通電可能であればよく、平面に並列配置されていてもよいし、絶縁膜を介して積層されていてもよい。図１の断面図に示すように第１の感熱素子３Ａを含む基板１は第１の主面１Ａに形成された第１の凹部４Ａ以外の部分に第２の主面１Ｂから第１の主面１Ａ（感熱素子が形成された面）に対して通気口５を有しており、カバー２は検知素子に対応した位置に第１の凹部６Ａ、第２の凹部６Ｂが設けられており、金属による封止層８を介して基板１と第１の主面１Ａで接続されている。なお、図面は、模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、及びデバイス相互間の厚みの比率は、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実のセンサ構造とは異なっていてもよい。
【００２６】
図１に示すガスセンサ１００は、中空構造を持つ第１の感熱素子３Ａが検知用素子となり、中空構造を持つ第２感熱素子３Ｂが補償用素子となる。ここで中空構造について説明する。ガスセンサ１００において、感熱素子は中空構造を含み基板上に形成される。基板１の第１の凹部４Ａ、第２の凹部４Ｂ上の中空部分に形成される薄膜部分を有する構造体の総称を中空構造、ここで温度変化に反応する領域を感熱領域１０と定義する。さらに感熱領域内にある薄膜部分の検知素子と検知材料により構成された領域を検知領域とする。ここで述べた中空構造および感熱領域、検知領域の定義は、ガスセンサ１００だけでなく感熱素子３Ａ、３Ｂにおいても適用される。
【００２７】
図３、図４を用いて第１の感熱素子３Ａ、第２の感熱素子３Ｂの構成を説明する。図３、図４に示すように感熱素子３Ａは基板１上に絶縁膜１１、一対の取り出し電極１２、検知膜である感熱膜１３（以降、感熱膜１３と称す）、加熱用ヒータ１４、層間絶縁膜１５、保護膜１６から構成される。また、感熱素子３Ａ、３Ｂが備える一対の取り出し電極１２と接続する一対のパッド電極７Ａ、７Ｂを有している。また、加熱用ヒータが備える一対の取り出し電極１７とパッド電極１８Ａ、１８Ｂを有する。なお、通常、各々のパッド電極７、１８は基板１上に形成される。
【００２８】
（感熱素子の説明）
図１に示される第１実施形態におけるガスセンサ１００に適用される感熱素子について説明する。感熱素子３Ａは、図４に示すように所定のギャップ間隔をおいて形成される一対の取り出し電極１２と、これらの一対の取り出し電極１２間および一対の取り出し電極１２上に積層されて形成される感熱膜１３とを備える。さらに加熱手段としてヒータ１４が中空構造上に併設されている。感熱素子３Ａは一対の取り出し電極１２間および一対の取り出し電極１２上に積層されて形成された感熱膜１３の電気特性の変化を検出する。ヒータ１４は基板の凹部外まで配線により引き出されパッド電極１８と接続されている。図４に示すように、凹部の中空構造４Ａにある検知領域１０は一部薄膜の梁部分以外は基板１と空気で断熱されており、効率的に熱の変化を検出することが出来る、図３に示すように薄膜で構成された中空部分を感熱領域、さらに感熱膜１３と取り出し電極１２が構成された部分が検知領域となる。つまり、感熱膜１３が存在する領域が実効的な検知領域である。
【００２９】
感熱膜１３の材質としては例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、複合金属酸化物等の負の温度係数を有するサーミスタ薄膜が好適である。あるいは一定の温度係数を持ったＰｔやＮｉなどの温度測温体でもよい。一対の取り出し電極１２の材質としては、感熱膜１３の形成工程や熱処理工程等に耐え得る耐熱性を有し、且つ適度な伝導性を有する比較的高融点の材質が好ましく、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、又はこれらの金属を２種類以上含む合金等が好適である。また電気信号を取り出すために一対のパッド電極７が各々の一対の取り出し電極１２に接続されるように形成される。金属の測温体を用いる場合は取り出し電極と一体で配線状に形成してもよい。一対のパッド電極１８の材質としては、フリップチップボンディング等の電気的接続が容易な材質、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等が好適である。
【００３０】
感熱素子２Ａに用いる感熱膜１３はサーミスタ薄膜であり、Ｂ定数を有する。ここで、Ｂ定数とは、抵抗−温度特性の任意の２点の温度から求めた抵抗変化の大きさを表す定数であり、Ｂとは半導体の抵抗がＲ、半導体の絶対温度Ｔが無限大のときの抵抗値に相当する値がＲ０のときＲ＝Ｒ０＊ｅ＾（Ｂ／Ｔ）で表される。
【００３１】
加熱用ヒータ１４の材質としては、感熱膜の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、例えば、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｉｒ又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、さらに耐腐食性が高い、Ｐｔなどがより好適である。Ｐｔの測温体を用いる場合は同時に成膜してもよい。また絶縁膜３との密着性を向上させるためにはＰｔの下部にはチタン（Ｔｉ）などの密着層を形成するのが好ましい。
【００３２】
感熱素子３Ａを構成する基板１は、第１の主面１Ａ及びその裏面である第２の主面１Ｂを有しており、少なくとも第１の主面１Ａには絶縁膜１１が形成されている。基板１の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチング等の微細加工に適した材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英基板、ガラス基板等が好適である。絶縁膜２としては、適度な機械的強度を有し、且つ公知の薄膜プロセスで容易に形成できるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等が好適である。基板１の第１の主面１Ａには、上述の感熱膜１３が絶縁膜１１、ヒータ１４、層間絶縁膜１５、取り出し電極１２を介して形成されている。また感熱膜１３を被覆して外気から遮蔽するための保護膜１６が形成されている。ヒータ１４と感熱膜１３の厚み方向の配置は互いに電気的に絶縁されていればよくヒータ１４が層間絶縁膜を介して上部にあってもよい。
【００３３】
ここで保護膜１６は少なくとも感熱素子３Ａが覆われていればよい。保護膜１６の材質としては、適度な耐久性を有する絶縁膜であればよく、特に限定されるものではないが、絶縁膜１１の材質と同一であることが好ましい。このようにすることで感熱素子３Ａの周囲を構成する絶縁膜１１と保護膜１６が全て同一材質になるため、より均一な温度分布となり好ましい。なお、感熱膜１３が十分な耐腐食性を有する場合、保護膜１６は必ずしも必要ではない。
【００３４】
基板の第１の凹部４Ａ、第２の凹部４Ｂは第１の主面１Ａに形成されており、薄膜で形成された梁と検知領域の下に形成されている。凹部は感熱素子および形成後に第２の主面１Ｂから第１の主面に向けて通気口を形成した後に形成することが望ましい。凹部の形成は感熱素子３Ａ形成後にエッチングにより基板を除去することにより行うことが出来る。また事前に凹部を形成した貼り合せ基板、いわゆるキャビティ付ＳＯＩ基板（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板）を用いて検知領域の下部を部分的にエッチングすることで形成してもよい。
【００３５】
通気口５は、第２の主面１Ｂ側から第１の主面１Ａ側に向けて基板１が開口している。
通気口は異方性ドライエッチングを用いることで基板の第２の主面１Ｂから開口することにより行えばよい。なお、通気口５は、第２の主面から開口することに限定されず、感熱素子が形成されている面以外であればよい。例えば基板の側面から開口されてもよい。
【００３６】
（ガスセンサの説明）
ガスセンサは感熱素子を形成した基板１と感熱素子３Ａ、３Ｂに対応した位置に合わせて第１の凹部６Ａ、第２の凹部６Ｂ、取り出し部分１８、センサ信号取り出し端子電極１９を設けたカバーを接続することで構成される。カバー２の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチング等の微細加工に適した材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英基板、ガラス基板等が好適である。
【００３７】
カバー２には感熱領域の空間を確保するために第１の凹部６Ａ、第２の凹部６Ｂが設けられている。第１の凹部６Ａ、第２の凹部６Ｂを形成することで感熱素子の加熱手段により検知領域近傍で温められた空間からカバーへの熱の逃げを低減することが可能になる。カバー２と感熱素子３Ａ、３Ｂは接続部分８を介して接続されている。接続は第２の感熱素子３Ｂの第２の凹部４Ｂとカバーの第２の凹部を気密封止されていればよく、陽極接合や、活性化接合、金属接合などが好適である。感熱素子３Ａ、３Ｂの信号は基板側のカバー２との接続部分の下部を通して取り出してもよいがカバー基板の内部を通り、上部からパッド電極７、１８とカバー２を接続して、センサ信号取り出し端子電極１９へ取り出すことが好ましい。これにより素子を小型化することが可能になる。
カバー２は個片化して接続してもよいが複数の感熱素子を形成した基板とカバーを接続することが好ましい。これにより一括で工程を行うことが出来、接続後に基板とカバー、つまりガスセンサを同時に個片化することが出来る。
【００３８】
以上のような構成により、ガスセンサ１００の感熱素子３Ａは基板の第１の主面の凹部４Ａの外に通気口５を形成したことにより外部から入ってくるガスの影響を直接検知領域に受けることがなくなり、従来技術で問題となっていた、検知素子が外部からの風や汚れの影響を直接受けるという課題を解決することが可能になる。
【００３９】
（第２実施形態）
図５に示される第２の実施形態は通気口５以外に別の通気口５Ｂを設けている。通気口を複数設けることにより、外部からのガスの流入経路と流入量が増加する。検知領域の空間温度はガスの流入により熱変化が安定するのが早くなることでより応答性を向上することが出来る。なお、通気口５Ｂの位置は、通気口５の位置から第１の凹部を挟んだ位置にある。更には、凹部に対して対称位置にあることが好ましい。
【００４０】
（第３実施形態）
図６に示される第３の実施形態は通気口５Ｃが検知領域の外周上にスリット状に形成されている。これによりガスの流入による温度変化が検知領域中心に対して点対称となる。温度変化の反応は検知領域全体の積算で考えられるので検知領域内の温度分布が良くなることでより安定した測定が可能になる。
【００４１】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は第１の実施形態と異なるのは第２の感熱素子上の空間が測定対象に応じた基準となるように気体濃度が制御された雰囲気であることで第２の検知素子の空間を低湿度状態としている。第２の感熱素子の測定空間を低湿度状態とすることで第２の感熱素子上の空間を基準にして、第１の感熱素子は空間の水分量に応じた絶対湿度を検出することが可能になる。
【００４２】
（第５の実施形態）
図７、図８に示される第５の実施形態は基板に形成された感熱素子の感熱材料９と加熱手段に用いるヒータ２０が同じ材料で構成されている。材質としては、熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、温度に応じて抵抗が変化する材料であればよく、例えば、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｉｒ又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。これにより加熱手段と検知手段の構成を同時に形成することが可能になり工程を簡易化することが可能になる。
【００４３】
（第１実施例）
実際に、第１実施形態におけるガスセンサ１００を以下の手順で作製した。まず、基板１として、シリコン基板を用意し、その基板表面に絶縁膜１１としての熱酸化絶縁膜を０．５μｍ形成した。
【００４４】
次に、第１の主面１Ａ上の絶縁膜１１上に第１および第２の加熱に用いるヒータ１４として高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ５ｎｍのＴｉからなる密着層（図示せず）を形成し、その上に、厚さ１００ｎｍのＰｔからなる金属層を略全面に形成した。なお、Ｔｉからなる密着層はＰｔからなる金属層と絶縁膜１１とを密着させるための密着層である。なお、必要に応じて、Ｔｉからなる密着層はなくてもよい。
【００４５】
その後、図３に示すように、形成された金属膜に、フォトリソグラフィにてミアンダ状など所望の形状のエッチングマスクをフォトレジストで形成した後、エッチングマスクで覆われていないＰｔからなる金属層および、Ｔｉからなる密着層をイオンミリング法によりエッチングする。そして、エッチングマスクを除去することにより、ヒータ１４を所望の形に形成する。
【００４６】
続いて感熱素子を形成するにあたり加熱手段である金属電極と電気的に絶縁するための層間絶縁膜１５を形成した。ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）−ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を成膜することで、厚さ０．４μｍの層間絶縁膜１５を形成した。ここで絶縁膜１１と同じＳｉ酸化膜とすることで、ヒータ１４の動作時における熱ストレスに対しても強固に保護膜としての機能を果たす。
【００４７】
さらに、図４に示すように、第１の主面１Ａ上の層間絶縁膜１５表面に、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ５ｎｍのＴｉからなる密着層、および、厚さ１００ｎｍのＰｔからなる金属層を順次形成し、取り出し電極１２とする。Ｔｉからなる密着層はＰｔからなる金属層と層間絶縁膜１５とを密着させるための密着層である。ここでも、必要に応じて、Ｔｉからなる密着層はなくてもよい。
形成された取り出し電極１２上に、フォトリソグラフィにて櫛歯状など所望の形状のエッチングマスクをフォトレジストで形成した後、エッチングマスクで覆われていない密着層および金属層をイオンミリング法によりエッチングした。
【００４８】
その後、図４に示すように、エッチングマスクを除去することにより、感熱膜１３の一対の櫛歯電極の間隙が２５ミクロンである、取り出し電極１２を形成する。なお、一対の櫛歯電極パターンが、図３のＢ−Ｂ断面でみて、水平方向に交互に配置されている。
【００４９】
次いで、形成した取り出し電極１２の表面に、スパッタ法によりＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を成膜することで、厚さ０．４μｍ、抵抗値１４０ｋΩのヒータ温度検知膜として機能する、感熱膜１３を形成した。このスパッタは、マルチターゲットスパッタ装置を使用し、基板温度６００℃、アルゴン（Ａｒ）圧力０．５Ｐａ、Ｏ２／Ａｒ流量比２％、投入電力４００Ｗの条件下で実施した。その後、ＢＯＸ焼成炉を使用し、熱処理を大気雰囲気中で６５０℃、１時間の条件下で実施した。
【００５０】
続いて、フォトリソグラフィにより、所望のエッチングマスクを作成し、塩化第二鉄水溶液を用いてウェットエッチング処理し非マスク領域のＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を除去した。その後、エッチングマスクを除去することにより、感熱膜１３を形成した。
【００５１】
次に、感熱膜１３を覆うように、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を成膜することで、厚さ０．４μｍの保護膜１６を形成した。
【００５２】
そして、図示していないが、電極パッド７Ａ，７Ｂ、１８Ａ、１８Ｂを配置する部位を除く保護膜１６上にフォトリソグラフィによりエッチングマスクを作成し、電極パッド７Ａ、７Ｂ、１８Ａ、１８Ｂを配置する部位にウェットエッチング処理を施し、ＳｉＯ２膜を除去することで開口を形成し、電子ビーム蒸着法により厚さ１．０ミクロンのＡｌ金属薄膜を形成し、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したＡｌ金属薄膜以外の部位のＡｌおよびマスクを除去し、パッド電極７Ａ、７Ｂ、１８Ａ、１８Ｂを形成した。
【００５３】
次に、基板１の第１の主面１Ａ側にフォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、ＨＦおよびＫＯＨを用いたウェットエッチングによって、基板１の主面１Ａに対して第１の凹部４Ａ、第２の凹部４Ｂを３０μｍの深さで形成した。ＨＦにより基板表面にある絶縁膜を除去した後、ＫＯＨ水溶液による異方性エッチングにより検知領域および信号を取り出すための梁部分を残して基板１を部分的に除去することで中空構造とした。最後に必要部分のカバーに用いたエッチングマスクを除去することで基板上に検知素子が完成させた。
【００５４】
最後に、基板１の第２の主面１Ｂにフォトリソグラフィによりエッチングマスクを形成したのち、フッ化物系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって第２の主面１Ｂ側の絶縁膜１１を除去した。その後、フッ化物系ガスを用いたＲＩＥによって基板１を除去し、直径が１００μｍ程度の通気口５を形成した。基板１を除去し通気口５を形成するに、エッチングとバリア層形成を交互に行いながら垂直に加工する深堀りＲＩＥ（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ、Ｄ−ＲＩＥ）法を用いて通気口５を得た。次に、基板１の第２の主面１Ｂ側にフォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、フッ化物系ガスを用いたＤ−ＲＩＥ法等の反応性イオンエッチングによって、基板１を第２の主面１Ｂに対して垂直に深堀し、通気口５を開口する。なお通気口はエッチングマスクの形状を加工前にパターンを形成することで所望の形状を形成することが出来る。Ｄ−ＲＩＥ法とは、Ｃ４Ｆ８ガスを用いて反応抑止膜（フルオロカーボン系ポリマー）をキャビティの側壁に堆積させることにより、主としてＦラジカルによる化学的なサイドエッチングを抑制するためのプラズマデポジション工程と、ＳＦ６ガスを用いてＦラジカルによる基板１の化学的エッチングとＦイオンによる反応抑止膜の物理的エッチングとにより、基板１を略垂直に異方性エッチングするためのプラズマエッチング工程とを交互に繰り返して基板１を深堀する方法である。
【００５５】
センサのカバー２には基板１と同様にＳｉ基板を用いた。カバーに用いるＳｉにはまず基板１に形成されたヒータのパッド電極７、感熱素子のパッド電極１８に相対している近傍に位置合わせされたポイントに電気的な接続を採るための穴をＤＲＩＥ法によるドライエッチングにより基板の厚みの８０％まで形成した。穴の内部にスパッタ法により薄くＴｉ層を形成したのちメッキ法により穴の内部をＣｕで埋め込んだ。その後穴を形成した面と反対側の面からカバー２の厚みの２０％をＣＭＰにより研磨することにより穴内に埋め込まれたＣｕを露出させた。その後、貫通電極と電気的に配線された形で感熱素子のパッド電極に相対する位置に接続用電極、素子とカバーを接続するための環状の接続用電極８ＢとしてＣｕをスパッタ工程およびフォトリソグラフィを用いて形成した。その後カバー裏面にセンサ外部との信号取り出し端子２０を同様の工程で形成した。さらに検知領域に対応した部分以外にエッチングカバーを形成しＫＯＨによりＳｉをエッチングすることで第１の凹部６Ａ、第２の凹部６Ｂを形成した。
【００５６】
基板１とカバー２の接続は両面ウエハアライナー・ボンダーを用いて、ウエハーレベルで位置合わせを行ったのち、基板１とカバー２を接触させて加熱しながら圧着することで基板１とカバー２に形成した接続電極８Ａ、８Ｂ間と感熱素子のパッド電極とカバーの接続電極間でＣｕの金属拡散を行うことにより形成した。
【００５７】
上記の構成を用いることにより小型で、風や汚れに対して外部からの影響を受けにくい、気体の熱伝導の違いを測定するガスセンサを構成することが出来る。
なお、実施形態、実施例における基板に形成された空洞部は、一例として凹部として説明したが、感熱素子付近に空洞部が存在していればよく、凹部に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、産業機器や環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検知する用途に用いられる。
【符号の説明】
【００５９】
１    基板
１Ａ  基板の第１の主面
１Ｂ  基板の第２の主面
２    カバー
３Ａ、３Ｂ  感熱素子
４、４Ａ、４Ｂ  基板１の凹部、第１の凹部、第２の凹部
５、  通気口
６、６Ａ，６Ｂ  カバーの凹部、第３の凹部、第４の凹部
７、７Ａ、７Ｂ  感熱素子パッド電極
８、８Ａ、８Ｂ  接続電極
９    感熱材料
１０  感熱領域
１１  絶縁膜
１２  取り出し電極
１３  感熱膜
１４  加熱用ヒータ
１５  層間絶縁膜
１６  保護膜
１７  取り出し部分
１８、１８Ａ、１８Ｂ  加熱用ヒータのパッド電極
１９  センサ信号取り出し端子電極
２０  加熱用ヒータ
１００  ガスセンサ
【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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【図７】
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【図８】
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