(57)【要約】      （修正有）【課題】高絶縁耐性、高静電気耐性及び高発熱耐性を有し、高信頼性の発熱部を備えた発熱素子を提供する。【解決手段】シリコン基板２上に通常組成の窒化シリコンよりシリコン含有量が多い窒化シリコン膜からなる絶縁膜３を形成し、該絶縁膜上にグリッド状細長部４ａを有する発熱体４を形成し、該発熱体及び絶縁膜上を覆うように、同じく通常組成の窒化シリコンよりシリコン含有量が多い窒化シリコン膜からなる保護膜５を形成して発熱素子を構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された発熱体と、前記絶縁膜及び前記発熱体上に形成された保護膜とを少なくとも備えた発熱素子において、前記絶縁膜及び前記保護膜は、シリコンと窒素との元素比が３：４よりシリコン含有量が多い窒化シリコン膜を含むことを特徴とする発熱素子。
【請求項２】
前記絶縁膜は、積層構造であることを特徴とする請求項１に係る発熱素子。
【請求項３】
前記保護膜は、積層構造であることを特徴とする請求項１又は２に係る発熱素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発熱素子、特に発熱体を覆う絶縁膜及び保護膜を改良した発熱素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱体及び該発熱体の保護に絶縁性薄膜を用いた発熱素子として、特開２０００−２５７１号公報には、熱線式マイクロヒータが開示されている。この公報開示の熱線式マイクロヒータの断面図を図６に示す。図６において、熱線式マイクロヒータ101 は、シリコンなどからなる基板102 と、該基板102 の上に設けた絶縁膜103 と、該絶縁膜103 の上に設けたＳi3Ｎ4 膜104 と、該Ｓi3Ｎ4 膜104 の上に設けた発熱体105 と、Ｓi3Ｎ4 膜104 及び発熱体105 を覆うように積層した保護膜106 とで構成されている。更に、発熱体105 の下部を空洞107 とし、発熱体105 と基板102 との熱絶縁を図っている。
【０００３】
また、上記公報には、他の構成の熱線式マイクロヒータが示されており、この構成の熱線式マイクロヒータの断面図を図７に示す。図７において、熱線式マイクロヒータ101 は、基板102 と、該基板102 の表面に設けた絶縁膜103 と、該絶縁膜103 の上に設けた抵抗体からなる発熱体105 と、該発熱体105 及び前記絶縁膜103 を覆う第１の保護膜108 と、該第１の保護膜108 の前記発熱体105 に対応する領域を覆う補強部109 と、該補強部109 と第１の保護膜108 とを覆う第２の保護膜110 と、発熱体105 の下部に設けた熱絶縁用の空洞107 とを備えて構成されている。そして、第１の保護膜108 及び第２の保護膜110 は、ＳｉＯ2 のほか、Ｓi3Ｎ4 ，アルミナ（Ａl2Ｏ3 ），マグネシア（ＭｇＯ）や、これらを複合したもので形成されてもよいとされている。また、補強部109 は、Ｓi3Ｎ4 で形成されるものとしている。
【０００４】
また、発熱体及び該発熱体の保護に絶縁性薄膜を用いた発熱素子として、特開平１１−３１５７７号公報には、図８に示すような構成の薄膜型発熱ヒータが開示されている。図８に示すように、この薄膜型発熱ヒータ201 は、基板202 上に一定のパターンに薄膜コーティングされて形成された複数の単位発熱体203 と、該単位発熱体203 及びその電極204 を保護するように、その上面に塗布して形成された保護膜205 とで構成されている。ここで、保護膜205 は、Ｓi3Ｎ4 ，ＳｉＯ2 ，ＳｉＣのうち選択された何れか一つよりなるとされている。
【特許文献１】特開２０００−２５７１号公報
【特許文献２】特開平１１−３１５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記各公報開示の従来の発熱素子では、次のような課題がある。まず、図６に示した構成の発熱素子では、発熱体105 はＳi3Ｎ4 膜104 上に形成されているが、Ｓi3Ｎ4 膜は硬く、内部応力が強いため、基板102 の反りやＳi3Ｎ4 膜104 のクラックが発生する恐れがある。これらを防止するには、Ｓi3Ｎ4 膜104 の膜厚を薄くする必要がある。しかし、Ｓi3Ｎ4 膜104 の膜厚を薄くした場合、基板102 と発熱体105 間の静電気耐性、及び発熱素子外部と発熱体間の静電気耐性が確保できないという問題が発生する。
【０００６】
また、図７に示した構成の発熱素子では、発熱体105 は直接ＳｉＯ2 膜からなる第１の保護膜108 に覆われるため、発熱素子の発熱時にＳｉＯ2 膜から酸化種が発熱体105 に供給され、発熱体105 が酸化されることにより発熱耐性が低下してしまうという問題が発生する。
【０００７】
更に、図８に示した構成の発熱素子においては、発熱体203 を覆う保護膜205 がＳi3Ｎ4 膜の場合には、Ｓi3Ｎ4 膜が硬く、内部応力が強いため、基板202 の反りやＳi3Ｎ4 膜のクラックが発生する恐れがある。これらを防止するには、Ｓi3Ｎ4 膜の膜厚を薄くする必要がある。一方、発熱体203 を覆う保護膜205 がＳｉＯ2 膜もしくはＳｉＣ膜の場合、発熱素子の発熱時に保護膜205 から酸化種が発熱体203 に供給され、発熱体203 が酸化されることにより発熱耐性が低下してしまうという問題が発生する。
【０００８】
本発明は、従来の発熱素子における上記問題点を解決するためになされたもので、高絶縁耐性、高静電気耐性及び高発熱耐性を有し、高信頼性のある発熱部を備えた発熱素子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】
上記課題を解決するため請求項１に係る発明は、基板の表面に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された発熱体と、前記絶縁膜及び前記発熱体上に形成された保護膜とを少なくとも備えた発熱素子において、前記絶縁膜及び前記保護膜は、シリコンと窒素との元素比が３：４よりシリコン含有量が多い窒化シリコン膜を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発熱素子において、前記絶縁膜は、積層構造であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発熱素子において、前記保護膜は、積層構造であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、基板と発熱体との間及び発熱素子外と発熱体間の絶縁性が確保でき、発熱素子の発熱時において絶縁膜及び保護膜のクラックを抑制でき、同時に発熱体の酸化抑制が可能で、高絶縁耐性と高静電気耐性及び高発熱耐性を備えた発熱素子を実現することが可能となる。また請求項２に係る発明によれば、基板と発熱体との間の絶縁耐性及び静電気耐性をより向上させることが可能な発熱素子を提供できる。また請求項３に係る発明によれば、発熱素子外と発熱体との間の絶縁耐性及び静電気耐性をより向上させることが可能な発熱素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００１４】
まず、実施例１について説明する。図１は実施例１に係る発熱素子１の発熱部１ａの構造を、一部取り除いて示す平面図である。図２は、図１に示した発熱素子１の発熱部１ａにおけるＡ−Ａ′線に沿った断面図である。図において、２はシリコン基板、３は該シリコン基板２上に形成された窒化シリコンよりなる絶縁膜、４は貴金属やニッケルクロムやシリコン又は高融点金属であるモリブデン，タングステンなどからなる発熱体、５は発熱体４を覆う保護膜である。そして、上記絶縁膜３及び保護膜５は、通常組成の窒化シリコン膜よりシリコン含有量の多い窒化シリコン膜で形成されており、また４ａは発熱体４の発熱部１ａにおけるグリッド状細長部である。
【００１５】
次に、このように構成されている発熱素子１の製造方法について簡単に説明する。まず、シリコン基板２の上に厚さ50nm以上の絶縁膜３を形成する。ここでは、基板２としてはシリコン基板を用いているが、基板材料についてはこれに限定されず、金属，セラミック，ガラス及び石英でもよい。また絶縁膜３は、通常組成の窒化シリコン膜（Ｓi3Ｎ4 ）よりシリコン含有量が多い窒化シリコン膜であり、低圧化学的気相成長法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition：ＬＰ−ＣＶＤ）により堆積させて形成する。具体的には、堆積時のジクロルシランもしくはモノシランとアンモニアの流量の割合において、ジクロルシランもしくはモノシランの割合を通常組成より多くすることにより達成できる。
【００１６】
次に、絶縁膜３の上に、貴金属やニッケルクロムやシリコン又は高融点金属であるモリブデン，タングステンなどで発熱体４を形成する。その際、発熱部１ａの領域において、発熱体４の幅Ｗを狭くすると共に長さを長くして、グリッド状に発熱体細長部４ａを形成し、発熱素子１における発熱部１ａ領域での発熱を容易にしている。発熱体４の形成手法としては、蒸着ないしスパッタリング時に、所望の形状にパターニングされたマスクを用いて、貴金属や高融点金属の堆積とパターニングを同時に行う方法、もしくは、表面全面に貴金属や高融点金属を堆積した後にフォトエッチする方法などがある。
【００１７】
次に、発熱体４の上に保護膜５を形成する。ここで保護膜５は、通常組成の窒化シリコン膜（Ｓi3Ｎ4 ）よりシリコン含有量が多い窒化シリコン膜であり、低圧化学的気相成長法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition：ＬＰ−ＣＶＤ）により堆積させて形成する。具体的には、堆積時のジクロルシランもしくはモノシランとアンモニアの流量の割合において、ジクロルシランもしくはモノシランの割合を通常組成より多くすることにより達成できる。以上により、発熱素子１の発熱部１ａが完成する。
【００１８】
このように絶縁膜３としてシリコン含有量の多い窒化シリコン膜を用いることにより、通常組成の窒化シリコン膜に比べて内部応力の低減化ができると共に、絶縁膜３の膜厚化が可能となり、発熱素子の発熱時において絶縁膜３のクラックを抑制でき、基板２と発熱体４（４ａ）間の高い絶縁性が得られる。また、通常組成の窒化シリコン膜と同様に、酸素遮断効果を有しているため、基板２から発熱体４（４ａ）への酸素供給を遮断して発熱時の酸化を防ぐことができ、発熱素子の発熱耐性の向上を図ることができる。
【００１９】
一方、保護膜５も同様に、シリコン含有量の多い窒化シリコン膜を用いることにより、通常組成の窒化シリコン膜に比べて内部応力の低減化ができることから、発熱素子の発熱時において保護膜５のクラックを抑制でき、発熱素子外（大気や発熱素子に接触する接触物）と発熱体間の絶縁性が得られる。更に、通常組成の窒化シリコン膜と同様に、酸素遮断効果を有しているため、発熱素子の外から発熱体への酸素遮断効果により、発熱素子の発熱耐性の向上を図ることができる。
【００２０】
次に、実施例２について説明する。図３に、実施例２に係る発熱素子１の発熱部１ａの断面図を示す。図３において、３ａ及び３ｂは基板２上に形成された窒化シリコン膜からなる２層構造の絶縁膜、４ａは貴金属やニッケルクロムやシリコン又は高融点金属であるモリブデン，タングステンなどからなる発熱体４のグリッド状細長部、５ａ，５ｂ及び５ｃは発熱体４を覆う窒化シリコン膜からなる３層構造の保護膜である。ここで、２層構造の絶縁膜３ａと３ｂ及び第２層目の保護膜５ｂは通常組成の窒化シリコン膜よりシリコン含有量が多い窒化シリコン膜で形成され、第１及び第３層目の保護膜５ａ及び５ｃは通常組成の窒化シリコン膜で形成されている。
【００２１】
次に、このように構成されている実施例２に係る発熱素子１の製造方法について簡単に説明する。まず、基板２の上に合計の厚さ50nm以上の絶縁膜３ａと３ｂを形成する。ここで、基板２は、金属，シリコンなどの導電体でも、セラミック，ガラス及び石英の絶縁体でもよい。絶縁膜３ａと３ｂは、通常組成の窒化シリコン膜（Ｓi3Ｎ4 ）よりシリコン含有量が多い窒化シリコン膜であり、低圧化学的気相成長法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition：ＬＰ−ＣＶＤ）により、２層に分けて断続的に堆積させて形成する。具体的には、堆積時のジクロルシランもしくはモノシランとアンモニアの流量の割合において、ジクロルシランもしくはモノシランの割合を通常組成より多くすることにより達成できる。
【００２２】
ここで、絶縁膜を絶縁膜３ａ及び３ｂの積層構造とするのは、それぞれの絶縁膜３ａ，３ｂではマイクロピンホールの位置が異なるため、単層の絶縁膜に比べて、絶縁膜内のマイクロピンホールによる基板２と発熱体４（４ａ）間の絶縁性の低下を回避できるからである。
【００２３】
次に、絶縁膜３ｂの上に貴金属やニッケルクロムやシリコン又は高融点金属であるモリブデン，タングステンなどで発熱体４を形成する。この際、発熱体４の幅Ｗを狭くすると共に長さを長くした、グリッド状の発熱体細長部４ａを形成し、発熱素子１における発熱部１ａ領域での発熱を容易にしている。発熱体４（４ａ）の形成は、実施例１と同様に行う。
【００２４】
次に、発熱体４（４ａ）の上に第１層目の保護膜として保護膜５ａを形成する。ここで保護膜５ａは、低圧プラズマ励起化学的気相成長法（Plasma Chemical Vapor Deposition：Ｐ−ＣＶＤ）により、窒化シリコン膜を堆積させて形成する。低圧プラズマ励起化学的気相成長法は、低温(300℃程度）で窒化シリコン膜の堆積が可能である。低温で形成することにより、発熱体４（４ａ）が比較的酸化しやすいＴｉ，Ｍｏ，Ｗ，ニッケルクロムなどの金属及びシリコンで形成されている場合でも、第１層目の保護膜５ａの形成時に発熱体表面への酸化膜の形成を抑制できる。なお、第１層目の保護膜５ａは、低圧プラズマ励起化学的気相成長法と同様に低温で窒化シリコン膜が形成できる低圧光励起化学的気相成長法、スパッタ方法及び蒸着方法で形成してもよい。
【００２５】
次に、第１層目の保護膜５ａの上に第２層目の保護膜として保護膜５ｂを形成する。ここで第２層目の保護膜５ｂは、通常組成の窒化シリコン膜（Ｓi3Ｎ4 ）よりシリコン含有量が多い窒化シリコン膜であり、低圧化学的気相成長法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition：ＬＰ−ＣＶＤ）により堆積させて形成する。具体的には、堆積時のジクロルシランもしくはモノシランとアンモニアの流量の割合において、ジクロルシランもしくはモノシランの割合を通常組成より多くすることにより達成できる。ここで、第１層目の保護膜５ａは、第２層目の保護膜５ｂの堆積時において、発熱体４（４ａ）への酸素供給遮断効果があり、発熱体４（４ａ）の酸化膜形成抑制の働きをする。ここで、シリコン含有量の多い窒化シリコン膜で形成する第２層目の保護膜５ｂを単層としたが、積層化して形成してもよい。
【００２６】
次に、第２層目の保護膜５ｂの上に最上層の保護膜として第３層目の保護膜５ｃを形成する。ここで第３層目の保護膜５ｃは、低圧プラズマ励起化学的気相成長法（Plasma Chemical Vapor Deposition：Ｐ−ＣＶＤ）により、低温(300℃程度）で窒化シリコン膜を堆積させて形成する。なお、第３層目の保護膜５ｃは、低圧プラズマ励起化学的気相成長法と同法に低温で窒化シリコン膜が形成できる低圧光励起化学的気相成長法、スパッタリングもしくは蒸着方法で形成してもよい。
【００２７】
以上の工程で、発熱素子１の発熱部１ａの形成は終了するが、続いて発熱素子１の電極部１ｂを形成する。この電極部１ｂの平面図を図４に示し、図４のＣ−Ｃ′線に沿った断面図を図５に示す。両図において、６は発熱体４上の保護膜５を除去した開口部であり、７は該開口部６において発熱体４上に形成された電極膜である。
【００２８】
次に、電極部１ｂの形成方法について簡単に説明する。まず、３層の保護膜５ａ，５ｂ，５ｃが形成された発熱体４に電極部を設けるため、発熱体４上の保護膜５ａ，５ｂ，５ｃを除去するためのレジストを最上層の第３層目の保護膜５ｃ上に形成し、その後、反応性イオンエッチング方法（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）にて、第３層目の保護膜５ｃから第１層目の保護膜５ａに至る開口部６を形成する。この際、低温で形成された最上層の第３層目の保護膜５ｃは、ＬＰ−ＣＶＤ法で形成された中間の第２層目の保護膜５ｂと比較してエッチング速度が速いため、第３層目の保護膜５ｃの表面から第１層目の保護膜５ａまでの総膜厚をエッチングする時間内に、最上層の第３層目の保護膜５ｃは図５で○印部分で示すように、エッチング領域が横方向にも発生して、開口部６の縁部がテーパー形状となる。その後、レジストを除去する。
【００２９】
次に、第３層目の保護膜５ｃ上の一部及び発熱体４の開口部６内に、導電体である電極膜７を形成する。電極膜７の形成は、蒸着ないしスパッタリング時に所望の形状のマスクを用いて堆積とパターニングを同時に行う方法、もしくは表面全面に電極膜７を蒸着ないしスパッタリングにて堆積した後にフォトエッチする方法などを用いて行う。また、電極膜７の材料としては、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕ／Ｃｒの組み合わせなどがある。
【００３０】
このとき、第３層目の保護膜５ｃの開口部６における縁部でのデーパー形状により、開口部６の縁部段差部分において電極膜７が部分的に薄くなることを防ぎ、開口部６の縁部段差部分における電極膜７の断線を回避し、信頼性を上げる効果が得られる。
【００３１】
このような実施例２に係る発熱素子の構成並びに製造法により、以下の効果が得られる。まず、絶縁膜としてシリコン含有量の多い窒化シリコン膜を用いた実施例１の効果に加えて、絶縁膜を積層構造とすることにより、単層の絶縁膜に比べて、基板と発熱体間の更なる高絶縁性が得られる。また、絶縁膜の積層構造には、通常組成の窒化シリコン膜とシリコン含有量の多い窒化シリコン膜との積層構造を用いてもよく、同様の効果が得られる。
【００３２】
また、保護膜を積層構造とすることにより、各保護膜中のマイクロピンホールの位置がそれぞれの保護膜で異なるため、保護膜内のマイクロピンホールによる発熱素子の外（大気や発熱素子に接触する接触物）と発熱体間の絶縁性の低下を回避できる。
【００３３】
また、発熱体４の上の第１層目の保護膜５ａを低温で形成することにより、比較的酸化しやすい発熱体材料でも酸化を防ぐことができ、その後のシリコン含有量の多い窒化シリコン膜からなる第２層目の保護膜５ｂの形成時における発熱体の酸化を防ぐことができる。また、絶縁膜３ａ，３ｂは酸素遮断効果を有しているため、基板から発熱体への酸素供給を遮断して発熱時の酸化を防ぐことができ、発熱素子の発熱耐性の向上を図ることができる。ここで、発熱体に酸化しにくい白金などを使用した場合、上記第１層目の保護膜５ａは、シリコン含有量の多い窒化シリコン膜を用いて形成してもよい。
【００３４】
また、低温で形成した窒化シリコン膜は、絶縁性がシリコン含有量の多い窒化シリコン膜より低いことから、第２層目の保護膜５ｂにシリコン含有量の多い窒化シリコン膜を用いることにより、基板と発熱素子外間の高い絶縁性が得られる。また実施例１と同様に、シリコン含有量の多い窒化シリコン膜を用いて形成した絶縁膜は、通常組成の窒化シリコン膜に比べて内部応力の低減化ができると共に絶縁膜の厚膜化が可能となり、発熱素子発熱時において絶縁膜のクラックを抑制できる。そして、通常組成の窒化シリコン膜と同様に、酸素遮断効果を有しているため基板から発熱体への酸素供給を遮断して発熱時の酸化を防ぐことができ、発熱素子の発熱耐性の向上を図ることができる。また３層構造の保護膜において、第１層目の保護膜５ａ及び最上層の第３層目の保護膜５ｃをシリコン含有量の多い窒化シリコン膜を用いて形成する場合には、中間の第２層目の保護膜５ｂは、通常組成の窒化シリコン膜で形成してもよい。
【００３５】
また、最上層の第３層目の保護膜５ｃを低圧プラズマ励起化学的気相成長法による窒化シリコン膜を用いて形成することにより、電極膜を配置するための開口部の形成時における保護膜エッチング領域が横方向にも発生して、開口部の縁部がテーパー形状となり、その後形成する電極部を構成する電極膜の断線を回避し、信頼性を上げる効果が得られる。また第１層目の保護膜５ａを低圧プラズマ励起化学的気相成長法による窒化シリコン膜で形成することにより、後のシリコン含有量の多い窒化シリコン膜による第２層目の保護膜５ｂの形成時における発熱体の酸化を防ぐことができる。また、絶縁膜３ａ，３ｂはシリコン含有量の多い窒化シリコン膜で形成されていて、酸素遮断効果を有しているため、基板から発熱体への酸素供給を遮断して発熱時の酸化を防ぐことができ、発熱素子の発熱耐性の向上を図ることができる。ここで、電極膜の形成において、保護膜エッチング領域（開口部）の縁部にテーパー形状が必要としないステップカバレッジ性を有していれば、最上層の第３層目の保護膜５ｃには、シリコン含有量の多い窒化シリコン膜を用いてもよい。
【００３６】
なお、本実施例では、絶縁膜を２層、保護膜を３層の積層構造としたものを示したが、積層構造はこれには限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る発熱素子の実施例１の発熱部の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示した発熱素子におけるＡ−Ａ′線に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る発熱素子の発熱部の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例２に係る発熱素子の電極部の構成を示す平面図である。
【図５】図４に示した発熱素子の電極部におけるＢ−Ｂ′線に沿った断面図である。
【図６】従来の発熱素子の構成例を示す断面図である。
【図７】従来の発熱素子の他の構成例を示す断面図である。
【図８】従来の発熱素子の更に他の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  発熱素子
１ａ  発熱部
１ｂ  電極部
２  基板
３  絶縁膜
３ａ，３ｂ  絶縁膜
４  発熱体
４ａ  発熱体のグリッド状細長部
５  保護膜
５ａ  第１層目の保護膜
５ｂ  第２層目の保護膜
５ｃ  第３層目の保護膜
６  電極部保護膜開口部
７  電極膜
【図１】
2005149751.tif 000003
【図２】
2005149751.tif 000004
【図３】
2005149751.tif 000005
【図４】
2005149751.tif 000006
【図５】
2005149751.tif 000007
【図６】
2005149751.tif 000008
【図７】
2005149751.tif 000009
【図８】
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