(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有するSi基板と、この貫通孔の開口部に張られた少なくとも第１の絶縁膜からなるダイアフラムと、このダイアフラム上に、少なくともヒーターおよび感知膜電極を有するSnO2からなるガス感知膜とが第２の絶縁膜によって互いに絶縁されるように形成された薄膜ガスセンサの製造方法において、前記第１の絶縁膜の成膜の後、Si基板のダイアフラム対向部分に薄い残留Si層を残すように機械的に開孔する第１のダイアフラム化工程としてサンドブラストを行い、ヒーター、第２の絶縁膜、感知膜電極およびガス感知膜等を形成した後、残留Si層を除去する第２のダイアフラム化工程を行うことを特徴とする薄膜ガスセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池駆動に適した低消費電力のダイアフラム型の薄膜ガスセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器などの用途に用いられ、ある特定ガス、例えば、CO、CH4 、C3H8等に選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的としたものと燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両方の機能を合わせ持ったものなどがあるが、いずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。普及率の向上をはかるためには、設置性の改善、具体的には、電池駆動としコードレス化することが望まれている。
【０００３】
電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、200 ℃〜500 ℃の高温に加熱し検知する必要がある。SnO2などの粉体を焼結した形態の従来のガスセンサでは、スクリーン印刷等を適用しても厚みを薄くするには限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大きすぎた。
【０００４】
そこで、ヒーターやガス感知膜などを1 μm 以下の薄膜で形成して熱容量を下げた薄膜ガスセンサが開発されている。そして、このような薄膜ガスセンサを微細加工プロセスにより形成されたダイヤフラム上に形成することによって、さらなる低熱容量化を図ったダイヤフラム型の薄膜ガスセンサが開発されており、その実用化が待たれている。
【０００５】
図３はダイヤフラム型の薄膜ガスセンサの断面図である。中央部に貫通孔を有するSi基板1 の開口部には熱酸化ケイ素膜2a、ＣＶＤ（化学気相成長）された窒化ケイ素2bおよびＣＶＤされた二酸化ケイ(SiO2)素膜2cからなる第１の絶縁膜2 が張られている。第１の絶縁膜2 はダイヤフラムを構成している。第１の絶縁膜2 上には薄膜ヒーター3 、薄膜ヒーター3 を被覆するSiO2からなる第２の絶縁膜4 、第２の絶縁膜4 の上には両端にPtからなる感知膜電極5 を有するSnO2薄膜からなるガス感知膜6 が順次形成されている。そしてガス感知膜6 を被覆する選択燃焼層7 が形成されている。
【０００６】
図４は従来の薄膜ガスセンサの製造工程に従った断面図である。
両面に熱酸化膜を有するた厚さ数100 μm のSi基板1 を用い、その表面にダイアフラム構造の支持層となるSiN 膜およびSiO2膜を順次プラズマＣＶＤにより成膜する（図４（ａ））。
この上にヒータとなるしてPtW 膜を成膜し、パターニングしてヒーター（図示してない）を形成する。 そして第 2の絶縁膜4 としてSiO2をスパッタにより成膜しヒーターを被覆した後、 ヒーターのパッド部分の窓明けを行う。金属膜を成膜、パターニングしてガス感知膜6 の抵抗測定用の感知膜電極（図示してない）を形成する。SnO2膜を成膜、パターニングしてガス感知膜6 を形成する（図４（ｂ））。
【０００７】
そして、裏面にAl膜を成膜、パターニングしダイヤフラム形成用のマスクM を形成しておく（図４（ｃ））。
次に、ガス感知膜6 を選択燃焼膜（触媒フィルターともいう）7 で被覆し、焼結する（図４（ｄ））。
最後のダイアフラム化工程では、Si基板1 の裏面からSF6 を用いた ドライエッチングにより、ヒーターやガス感知膜とその周縁部分に対向するAlマスクM の開口部のSiを完全に除去し（除去部分1d）ダイアフラム構造とする（図４（ｅ））。製造工程上で発生する物理的作用により、形成した薄膜を破壊しないようにするため、最終工程としている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のダイアフラム化工程の場合、厚さ400 μm のSi基板をドライエッチングにより貫通させるためには約5 時間を必要としていた。このように長時間ドライエッチングガスSF6 に暴露されるため、S が触媒フィルタ層に吸着されていた。そのため、耐湿性が損なわれて、薄膜ガスセンサがパルス駆動される場合には、無通電時に水分吸着などでセンサ特性が影響を受ける場合があった。特に、高温高湿下ではCH4 感度の低下、H2選択性の低下など重大な影響を与える場合があった。
【０００９】
また、枚葉処理の設備では4 回転／24H となり、量産するためには、莫大なエッチング設備の投資が必要になる。薄膜ガスセンサの製造においても要求される市場要求コストに耐えうる作業効率とはいいがたい。
本発明の目的は、S の吸着が少なく高品質で、またダイアフラム形成に係る工数が短く低コストの薄膜ガスセンサの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、貫通孔を有するSi基板と、この貫通孔の開口部に張られた少なくとも第１の絶縁膜からなるダイアフラムと、このダイアフラム上に、少なくともヒーターおよび感知膜電極を有するSnO2からなるガス感知膜とが第２の絶縁膜によって互いに絶縁されるように形成された薄膜ガスセンサの製造方法において、前記第１の絶縁膜の成膜の後、Si基板のダイアフラム対向部分に薄い残留Si層を残すように機械的に開孔する第１のダイアフラム化工程としてサンドブラストを行い、ヒーター、第２の絶縁膜、感知膜電極およびガス感知膜等を形成したあと、残留Si層を除去する第２のダイアフラム化工程を行うこととする。
【００１１】
本発明によれば、上記のように、ダイアフラム化工程において、加工速度の大きい切削または研磨などの機械加工により、ダイアフラム対向部分のSi基板の大部分を除去しておき、薄い残留Si層のみをドライエッチングにより除去するので、ダイアフラム化工程は大幅に短縮できる。特に、ドライエッチング時間の短縮はするので、選択燃焼膜に吸着されるS 量を少なくすることができる。また、化学工程に比べ振動や加工塵の飛散などの大きい機械加工を、ガス感知膜等薄膜ガスセンサの主要部の形成前に行っておくのでそれらへの悪影響はない。そのため、選択燃焼膜の耐湿性は向上し、選択燃焼膜への非通電時の水分の吸着は少なく
、薄膜ガスセンサの信頼性は高くなる。
【００１２】
また、サンドブラストは、研磨材を吹付けて基板を微小破壊の連続により除去する物理的加工方法であり、ミリングに較べクラックの発生は少なく、砥粒径１μm レベルの微小研磨材であっても化学的加工方法であるドライエッチングに比較して加工単位が大きくなるため、基板除去時間の短縮が可能になる。しかも、残留Si層を数十μm まで薄く加工することができ、残留Si層をドライエッチングにより除去する時間は格段に短縮される。
【００１３】
その結果、エッチングガスSF6 に暴露される時間は短縮でき、選択燃焼膜に吸着されるS 量を少なくなり、選択燃焼膜への非通電時の水分の吸着は少なくすなわち選択燃焼膜の耐湿性は向上し、薄膜ガスセンサの信頼性は高くなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施例従い本発明を詳細に説明する。
実施例１
先ず、Si基板にドライフィルムマスクを用いてSi基板に直線状の溝を形成し、第１のダイアフラム化工程として行うサンドブラストの加工特性および加工精度を確認した。図２は本発明に係る第１のダイヤフラム化工程の深さ方向の加工精度を表すヒストグラムである。図２から加工深さバラツキは 3σ= ±2 μm （加工幅バラツキは±1.5 μm ）であり、ドライエッチングに迫る加工精度を実現することができることがわかる。この場合は深さ46μm であるが、数百μm の加工に対しても加工精度は維持できることも確認できた。
【００１５】
また、この加工精度を維持した場合、溝の側面は勾配が2.67の斜面になることが判った。
この結果を利用し、以下のように薄膜ガスセンサを作製した。
図１は本発明に係る薄膜ガスセンサの製造工程に従った断面図である。
厚さ400 μm のSi基板1 の上面に、二酸化ケイ素膜および窒化ケイ素膜からなる厚さ1.5 μm の支持層2 を成膜する（図１（ａ））。
【００１６】
そして、次の第１のダイアフラム化工程としてサンドブラストを行った。サンドブラストを行った後でドライエッチングを行いダイアフラム用の開口径φ500 μｍを確保するためには、最終工程で実施するドライエッチングは等方性でエッチングが進行することも考慮して、サンドブラスト時の加工形状を水平加工部15をφ450 μm 、加工深さ360μｍ すなわちの残留Si層1rの厚さを40μｍ になるように穿孔することにした。
【００１７】
パターン形成は厚さ50μm のドライフィルムを支持層2 形成後の支持基板1 にラミネート加工して、半導体フォトプロセスを適用することにより、φ920 μm で開口してドライフィルムマスクM とした。
研磨材には炭化ケイ素の粒度#800を使用して、噴射圧力0.25MPa のエアーをスポット径が約φ10mmになるように絞り、140g±5 ｇ/minの研磨材を定量供給して、噴射スポットを速度25mm/sで移動しながらSi基板1 の裏面に噴射した。加工位置を21回通過することで前記加工形状と寸法が確保できた（図１（ｂ））。
【００１８】
その後、従来工程と同じく、支持層2 の上にヒーター3 、第２の絶縁層膜(SiO2)4 、感知膜電極5 、ガス感知膜(SnO2)6 をスパッタと半導体フォトプロセスを繰返し行って、形成した（図１（ｃ））。
そして、ガス感知膜6 上に選択燃焼膜7 をスクリーン印刷後、焼成した（図１（ｄ））。符号1dの部分は、次の第 2のダイアフラム化工程で残留Si層1rと同時に除去される部分である
最終工程は本発明に係る第 2のダイアフラム化工程である。従来ドライエッチング工程と同じく、ドライエッチングガスとしてSF6 を用いて、サンドブラスト後の厚さ40μm の残留Si層1rと裏面全体の表面層（符号1dの部分）を除去して、開口径φ500 μm のダイアフラム構造を形成することができた（図１（ｅ））。残留Si層除去に要した時間は0.2 時間であった。
【００１９】
このように、本発明に係るダイヤフラム化工程によれば、4inch ウエハーのサンドブラスト加工時間は0.6 時間であり、ドライエッチング時間は0.2 時間である。従来工程によるダイアフラム形成時間5 時間に比較して、加工時間を16% にまで削減することができた。
特に、ドライエッチング用ガスSF6 に暴露される時間を4 % にまで削減することができたので、選択燃焼膜に吸着されるS は極めて少なくなり、薄膜ガスセンサの耐湿性は向上した。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、第１の絶縁膜の成膜の後、Si基板のダイアフラム対向部分に薄い残留Si層を残すように機械的に開孔する第１のダイアフラム化工程を行い、ヒーター、第２の絶縁膜、感知膜電極およびガス感知膜等を形成した後、残留Si層を除去する第２のダイアフラム化工程を行うようにしたため、ダイアフラム化工程の工数は従来のドライエッチングのみに比較して拾数% にまで低減することができ、さらにドライエッチング時間は数% で済むようになったため、選択燃焼膜に吸着されるS は極めて少なくなり、薄膜ガスセンサの耐湿性は向上した。
【００２１】
ドライエッチング時間の短縮はドライエッチング設備の小規模化にもつながり、薄膜ガスセンサのコスト低減への寄与も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜ガスセンサの製造工程に従った断面図である。
【図２】本発明に係る第１のダイヤフラム化工程の深さ加工精度を表すヒストグラムである。
【図３】ダイヤフラム型の薄膜ガスセンサの断面図である。
【図４】従来の薄膜ガスセンサの製造工程に従った断面図である。
【符号の説明】
1     Si基板
2     第１の絶縁膜
2a    熱酸化膜
2b    窒化ケイ素膜
2c    二酸化ケイ素膜
3     薄膜ヒーター
4     第２の絶縁膜
5     感知膜電極
6     ガス感知膜
7     選択燃焼膜
1r    残留Si層
【図１】
0003800120.tif 000002
【図２】
0003800120.tif 000003
【図３】
0003800120.tif 000004
【図４】
0003800120.tif 000005