(57)【要約】本発明は、基板（１０）と、該基板（１０）に被着されたカバー層（４０）とを備えたマイクロマシニング型の構成エレメントであって、カバー層（４０）の下方に、該カバー層（４０）を機械的に支持しかつ該カバー層（４０）を断熱する、多孔質材料から成る範囲（３０；３０′）が設けられている形式のものに関する。カバー層（４０）上には、前記範囲（３０；３０′）の上方でカバー層（４０）を加熱するための加熱装置（７０）が設けられており、そして前記範囲（３０；３０′）の上方には、前記範囲（３０；３０′）の上方でカバー層（４０）に設けられた加熱される媒体（１５０）の電気的な特性を検出するための検出装置（２００，２００′）が設けられている。
2004522174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１０）と、該基板（１０）に被着されたカバー層（４０）とを備えたマイクロマシニング型の構成エレメントであって、カバー層（４０）の下方に、該カバー層（４０）を機械的に支持しかつ該カバー層（４０）を熱的に絶縁する、つまり断熱する、多孔質材料から成る範囲（３０；３０′）が設けられている形式のものにおいて、カバー層（４０）上に、前記範囲（３０；３０′）の上方でカバー層（４０）を加熱するための加熱装置（７０）が設けられており、前記範囲（３０；３０′）の上方に、前記範囲（３０；３０′）の上方でカバー層（４０）に設けられた加熱される媒体（１５０）の電気的な特性を検出するための検出装置（２００，２００′）が設けられていることを特徴とする、マイクロマシニング型の構成エレメント。
【請求項２】
前記範囲（３０；３０′）の多孔質材料が基板材料から形成されている、請求項１記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
【請求項３】
多孔質材料から成る前記範囲（３０）の下方に中空室（２０）が形成されている、請求項１または２記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
【請求項４】
基板表面と、多孔質の前記範囲（３０；３０′）の表面とが酸化されていることにより、カバー層（４０）が形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
【請求項５】
多孔質材料から成る前記範囲（３０；３０′）が、完全に酸化されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
【請求項６】
当該マイクロマシニング型の構成エレメントが空気品質センサであり、前記媒体（１５０）が感ガス性の媒体であり、前記検出装置（２００，２００′）がキャパシタンス検出装置および／または抵抗検出装置を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
【請求項７】
前記検出装置（２００，２００′）が、カバー層（４０）に配置された複数の導体路（２００）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
【請求項８】
前記検出装置（２００，２００′）が、絶縁層（５０）に配置された複数の導体路（２００′）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
【請求項９】
前記加熱装置（７０）が、少なくとも部分的に前記媒体（１５０）の下方に延びている、請求項１から８までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
背景技術
本発明は、基板と、該基板に被着されたカバー層とを備えたマイクロマシニング技術による構成エレメント（以下、「マイクロマシニング型の構成エレメント」と呼ぶ）であって、カバー層の下方に、該カバー層を機械的に支持しかつ該カバー層を熱的に絶縁する、つまり断熱する、多孔質材料から成る範囲が設けられている形式のものに関する。
【０００２】
本発明は任意のマイクロマシニング型の構成エレメントおよび構造体、特にセンサおよびアクチュエータに適用可能であるが、ここでは本発明ならびに本発明の根底を成す問題を、シリコン表面マイクロマシニング技術で製造可能であるマイクロマシニング型の空気品質センサに関して説明する。
【０００３】
従来の空気品質センサは、ガスセンシティブな材料、つまり感ガス性の材料を用いてセラミック上に実現される。感ガス性の材料は、検出したいガスの濃度に関連してその抵抗および／または誘電特性を変化させる。良好な感度を得るためには、感ガス性の材料が加熱されなければならない。この場合に不都合となるのは、セラミックスの使用およびこれに伴う大きな構造であり、このことは大きな消費加熱出力および長い応答時間の点で不都合となる。
【０００４】
シリコンを多孔質エッチングする方法（「陽極酸化」）は、公知先行技術に属するものであり、多数の刊行物に記載されている。多孔質シリコン層の下に中空室を形成する方法も、同じく既に公開されている（Ｇ．Ｌａｍｍｅｌ、Ｐ．Ｒｅｎａｕｄ著「Ｆｒｅｅ  ｓｔａｎｄｉｎｇ、ｍｏｂｉｌｅ  ３Ｄ  ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｏｆ  ｐｏｒｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ」、Ｐｒｉｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｔｈｅ  １３ｔｈ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ、Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ  ＸＩＩＩ、Ｄｅｎ  Ｈａａｇ、１９９９年、第５３５頁〜第５３６頁）。
【０００５】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントは、熱的に分離された、つまり断熱された加熱可能なカバー層範囲と、このカバー層範囲に設けられた検出装置とを備えた構成エレメントの簡単でかつ廉価な製造が可能となるという利点を有している。
【０００６】
たとえば、多孔質シリコンの使用により、深いキャビティ（Ｋａｖｅｒｎｅ）と、この上に位置するカバー層とを比較的簡単に製作することができる。さらに、ウェーハにおける規定された範囲を、規定された厚さにまで多孔質に形成し、さらにオプションとして酸化させ、これにより小さな熱伝導率を有する安定した足場を形成することが可能となる。
【０００７】
この方法を用いて、たとえば空気品質センサを実現する場合、以下に挙げる別の利点が得られる：
−良好な熱分離もしくは断熱に基づいた小さな出力消費量、
−チップ上でのセンサエレメントの集積（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、
−センサエレメントにおける回路の集積可能性、
−多孔質の範囲の任意のジオメトリ（幾何学的形状）を有する極めて小さな構成寸法、
−調温（ｕｍｔｅｍｐｅｒｉｅｒｅｎ）されなければならない質量が小さいことに基づいた短い応答時間、
−容量式または抵抗式の評価が可能となる、
−加熱抵抗および／または測定抵抗もしくは加熱電極および／または測定電極のために種々異なる材料が使用可能となる、
−チップ上での複数種の感ガス性の材料が使用可能となる。
【０００８】
本発明の根底を成す思想は、カバー層上に前記多孔質範囲の上方でカバー層を加熱するための加熱装置を設け、かつ前記多孔質範囲の上方に、該多孔質範囲の上方でカバー層上に設けられた加熱される媒体の電気的な特性を検出するための検出装置を設けることにある。
【０００９】
請求項２以下には、請求項１に記載のマイクロマシニング型の構成エレメントの有利な改良形が記載されている。
【００１０】
本発明の有利な改良形では、多孔質材料が基板材料から形成されている。このことは特にシリコン基板の場合に容易に可能となる。
【００１１】
本発明の別の有利な改良形では、多孔質材料から成る範囲の下方に中空室が形成されている。
【００１２】
本発明のさらに別の有利な改良形では、基板表面と、多孔質の範囲の表面とが酸化されていることによりカバー層が形成されている。こうして、付加的なカバー層の析出もしくはデポジットを節約することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の有利な改良形では、多孔質材料から成る範囲が完全に酸化されている。このような酸化は多孔質の構造に基づき容易に可能であり、断熱能力を高める。
【００１４】
本発明のさらに別の有利な改良形では、当該構成エレメントが空気品質センサである。この場合、前記媒体はガスセンシティブな媒体、つまり感ガス性の媒体であり、そして前記検出装置は静電容量検出装置および／または抵抗検出装置を有している。
【００１５】
本発明のさらに別の有利な改良形では、前記検出装置が、カバー層に配置された複数の導体路を有している。
【００１６】
本発明のさらに別の有利な改良形では、前記検出装置が、絶縁層に配置された複数の導体路を有している。
【００１７】
本発明のさらに別の有利な改良形では、加熱装置が少なくとも部分的に前記媒体の下方に延びている。
【００１８】
実施例の説明
図面中、同一のコンポーネントまたは同一機能を有するコンポーネントには、同じ符号が付されている。
【００１９】
図１には、本発明の第１実施例による空気品質センサの平面図が示されている。
【００２０】
図１において、符号６はコンタクト面もしくはコンタクトパッドを示しており、符号１０は半導体基板を示しており、符号４０は半導体基板１０の表面に設けられたカバー層を示しており、符号３００は、カバー層４０の下で、このカバー層４０を機械的に支持しかつ熱絶縁している、つまり断熱している、多孔質材料から成る範囲３０（たとえば図３参照）が設けられている範囲を仕切る領域を示している。この実施例では、基板材料がシリコンであり、多孔質材料は陽極酸化された（多孔質エッチングされた）シリコンである。
【００２１】
さらに、符号５０はカバー層４０の上に設けられた絶縁層を示しており、符号７０はカバー層４０と絶縁層５０との間の各加熱抵抗を示しており、符号３５０は、絶縁層５０がカバー層４０の上で遠ざけられている範囲を仕切る領域を示しており、符号２００はカバー層４０に載置された、すだれ状の各インタデジタルコンデンサを示しており、符号１５０はガスセンシティブ（ｇａｓｓｅｎｓｉｔｉｖ）な材料、つまり感ガス性の材料を示しており、この感ガス性の材料によってインタデジタルコンデンサ２００がカバーされている。
【００２２】
図１に示したセンサ構造体を作動させるためには、感ガス性の材料１５０が加熱抵抗７０によって加熱され、インタデジタルコンデンサ２００のキャパシタンス（容量）が自体公知の手段で測定される。感ガス性の材料１５０は、検出したいガスの濃度に関連してその誘電特性を変化させる。すなわち、ガス品質もしくは濃度を測定することができる。
【００２３】
図２〜図４には、図１に示した空気品質センサを製造するための製造ステップが示されている。
【００２４】
図２では、既に説明した符号に対して付加的に符号１５がマスク、たとえばレジストマスク（Ｌａｃｋｍａｓｋｅ）を示しており、符号１００はセンサ回路（詳説しない）の回路構成部品を示している。図２に示した半導体基板１０はシリコン基板である。
【００２５】
図３に示したように、多孔質エッチングの公知の方法を用いて構造体が形成される。この場合、基板材料が所定の範囲３０で多孔質にさせられ、引き続き多孔質の範囲３０の下に中空室２０が形成される。すなわち、多孔質の範囲３０の一部が除去され、これにより図３に示した構造体が得られる。
【００２６】
図４に示した構造体を製作するためには、マスク１５が除去された後に多孔質の範囲３０が、たとえば窒化物、酸化物、酸窒化物（Ｏｘｉｎｉｔｒｉｄ）、炭化ケイ素またはポリシリコンから成るカバー層４０の析出（デポジット）によって閉鎖される。カバー層４０を形成するための別の手段は、基板表面と、多孔質の範囲３０の表面とを酸化させることにある。
【００２７】
中空室２０のこのような空気密な閉鎖はこの場合、必ずしも中空室２０の製作後に行われなければならないわけではなく、直前のプロセスステップのうちの１つとして実施することもできる。このことには次のような利点がある。すなわち、加工時にカバー層４０が膨出しなくなり、これにより構造化プロセスにおける結像欠陥（Ａｂｂｉｌｄｕｎｇｓｆｅｈｌｅｒ）を生ぜしめなくなる。中空室２０内に最終的に生じる内圧は、析出時もしくは酸化時に生ぜしめられる圧力特性に関連している。
【００２８】
次いで、カバー層４０上にはインタデジタルコンデンサ２００の測定キャパシタンスと、加熱抵抗７０と、さらに選択的に測定抵抗（図示しない）とが形成される。カバー層４０と加熱抵抗７０の導体路との間もしくはこれらの導体路の上方には、別の機能層を被着させかつ構造化することができる。
【００２９】
インタデジタルコンデンサ２００の測定キャパシタンスの上方には、形成された構造体を環境影響から保護する絶縁層５０の被着後に、感ガス性の材料１５０が被着される。この感ガス性の材料１５０は、検出したいガスの濃度に関連してその誘電特性を変化させる。
【００３０】
本実施例はカバー層４０と多孔質の範囲３０との下に封入された真空を有する中空室２０を有している。これにより、感ガス性の材料１５０が加熱抵抗７０によって加熱された場合に、半導体基板１０に対する良好な熱絶縁もしくは断熱が保証される。
【００３１】
図５および図６には、本発明の第２実施例による空気品質センサを製造するための製造ステップが示されている。
【００３２】
図５および図６に示した第２実施例では、多孔質にされた基板範囲３０′の下に中空室が形成されず、マスク１５の除去後にカバー層４０の析出もしくは酸化によって直接に多孔質の範囲３０′が閉鎖される。
【００３３】
酸化（図示しない）にはこの場合、次のような利点がある。すなわち、酸化物はシリコンよりも低い熱伝導率を有しているので、半導体基板１０に対する一層良好な断熱が保証され得る。次いで、カバー層４０上には、第１実施例の場合と同様に導体路等が形成される。
【００３４】
図７には、本発明の第３実施例による空気品質センサの横断面図が示されている。
【００３５】
図７に示した第３実施例では、加熱抵抗７０がカバー層４０上に設けられており、インタデジタルコンデンサ２００′の測定キャパシタンスが絶縁層５０上に設けられており、すなわち上で説明した第１実施例および第２実施例の場合とは異なり、直接にカバー層４０上に設けられていない。このような配置には、加熱構造体を感ガス性の材料１５０のすぐ下に設置することができるという利点がある。
【００３６】
図８および図９には、本発明の第４実施例による空気品質センサを製造するための製造ステップが示されている。
【００３７】
図８に示したように、２層から成る基板１０′，１０′′が設けられており、この基板１０′，１０′′では、ウェーハ基板１０′上にエピタキシ層１０′′が設けられている。評価回路１００は埋設された範囲１１０によって付加的に絶縁されている。このような構成には、構成要素１０′，１０′′が適宜にドーピングされている場合に、多孔質の範囲３０，３０′の形成を下側のウェーハ基板１０′でストップさせることができるという利点がある。
【００３８】
以上、本発明を有利な実施例につき説明したが、しかし本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、種々様々な形に改良可能である。
【００３９】
上記実施例では、本発明による空気品質センサが、その基本原理を説明するために単純な形で形成されているが、当然ながら、同じ基本原理を使用してこれらの実施例を組み合わせることや、著しく複雑な構成を採用することも考えられる。
【００４０】
たとえば、誘電特性の変化の代わりに、媒体、たとえば感ガス性の媒体の電気的な抵抗の変化を、相応する測定電極によって検出することもできる。
【００４１】
さらに、上記プロセスステップの後に、またはその間に、多孔質の範囲３０，３０′を選択的にエッチングすることも可能である。
【００４２】
このためには、カバー層４０に１つまたは複数の開口を実現することができる。この開口を通じて、液体の状態または気体の状態の、選択的に作用するエッチング剤を導入することにより、多孔質の範囲を部分的にまたは完全に溶解除去することができる。引き続き、前記開口を再び閉鎖することができる。この場合、カバー層４０と半導体基板１０との間の最適な断熱を保証するために中空室２０内に真空が封入されると有利である。前記開口を意図的に閉鎖しないことも可能である。これにより、機能エレメントを備えた中間のカバー層範囲を、このカバー層範囲が「キャビティ」もしくは中空室の外部で小数のウェブによってしか基板に結合されていないように形成することができる（たとえばブリッジの形の２つのウェブを介してのみの結合）。
【００４３】
さらに、所望の温度を正確に調節するか、もしくは制御するために、多孔質の範囲の上方でカバー層に温度フィーラを付加的に組み込むことも可能である。
【００４４】
さらに、多孔質の範囲の上方でカバー層もしくは絶縁層に、種々のガスに対してセンシティブとなる種々異なる媒体を設けることも可能である。こうして、複数種のガスを同じセンサエレメントによって検出することができる。
【００４５】
さらに、多孔質の範囲を一貫して基板下面にまで実現することも可能である。
【００４６】
さらに、例示的に記載したシリコン基板だけでなく、任意のマイクロマシニング基本材料を使用することもできる。
【００４７】
さらに、図７に図示していない、インタデジタルコンデンサに通じた電気的な供給線路を電気的に絶縁性の保護層の下に設けることもできる。さらに、絶縁層に設けられたコンタクト孔開口を通じて、加熱抵抗７０と同じ平面（階層）に位置する電気的な供給線路との電気的な結合を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１実施例による空気品質センサの平面図である。
【図２】
図１に示した空気品質センサを製造するための製造ステップを示す概略図である。
【図３】
図１に示した空気品質センサを製造するための別の製造ステップを示す概略図である。
【図４】
図１に示した空気品質センサを製造するためのさらに別の製造ステップを示す概略図である。
【図５】
本発明の第２実施例による空気品質センサを製造するための製造ステップを示す概略図である。
【図６】
本発明の第２実施例による空気品質センサを製造するための別の製造ステップを示す概略図である。
【図７】
本発明の第３実施例による空気品質センサを示す横断面図である。
【図８】
本発明の第４実施例による空気品質センサを製造するための製造ステップを示す概略図である。
【図９】
本発明の第４実施例による空気品質センサを製造するための別の製造ステップを示す概略図である。
【符号の説明】
１０，１０′，１０′′  Ｓｉ基板
６  コンタクトパッド
４０  カバー層
３００  カバー層の下に位置する多孔質の範囲を仕切る領域
３５０  絶縁層なしの範囲を仕切る領域
７０  加熱抵抗
２００，２００′  インタデジタルコンデンサ
１５０  感ガス性の媒体
１５  マスク
１００  評価回路
１１０  埋込み層
２０  中空室
３０，３０′  多孔質の範囲
５０  絶縁層
【国際公開パンフレット】
2004522174.tif 000003
2004522174.tif 000004
2004522174.tif 000005
2004522174.tif 000006
2004522174.tif 000007
2004522174.tif 000008
2004522174.tif 000009
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2004522174.tif 000021
2004522174.tif 000022
2004522174.tif 000023
2004522174.tif 000024
2004522174.tif 000025
【国際調査報告】
2004522174.tif 000026
2004522174.tif 000027
2004522174.tif 000028
2004522174.tif 000029
2004522174.tif 000030
2004522174.tif 000031