JP2016219365A - マイクロヒータ及びセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体の熱による劣化を抑制し、発熱抵抗体の測温精度を長期間維持できるマイクロヒータ及びセンサを提供する。
【解決手段】表面と底面との間を貫通する空洞部１３０を形成してなる基板１００と、空洞部の表面側を閉じるように基板の表面上に設けられてダイヤフラム１５０を形成する薄膜部と、薄膜部に設けられる発熱抵抗体４００と、薄膜部に設けられて発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体３００と、を備えてなるマイクロヒータ５００において、マイクロヒータを薄膜部の厚み方向に沿って見たとき、測温抵抗体は発熱抵抗体よりも薄膜部の外周側に位置し、薄膜部の表面に沿う方向における、発熱抵抗体と測温抵抗体との最短距離Ｄ１は、測温抵抗体とダイヤフラムの外周縁との最短距離Ｄ２よりも長い。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤフラムを有する基板に搭載したマイクロヒータ及びこのマイクロヒータを採用してなるセンサに関する。

従来、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等の金属酸化物半導体に、プラチナ等の貴金属を触媒として担持させ、環境雰囲気中の特定ガスの濃度変化によって電気的特性（例えば、抵抗値）が変化することを利用して、特定ガスの濃度変化を検知するガスセンサが知られている。このようなガスセンサのガス検知層は、常温では特定ガスと反応せず、例えば２００〜４００℃に加熱されることで活性化されて特定ガスに反応する。このようなことから、ガス検知層が形成される半導体基板等の基体内に発熱抵抗体が設けられるのが一般的である（例えば特許文献１参照）。
このガスセンサは、半導体基板上にダイヤフラムを形成する絶縁性の薄膜部を設け、この薄膜部に発熱抵抗体を埋設したマイクロヒータを有するガス検出素子から構成されている。そして、上記マイクロヒータを含むガス検出素子はＭＥＭＳの技術を用いて作製されている。

又、ＭＥＭＳを用いたマイクロヒータを適用したセンサの別の例として、熱式空気流量（エアフロー）センサも知られている（例えば、特許文献２参照）。この熱式流体流量センサは、薄膜部に発熱抵抗体素子と、発熱抵抗体素子の温度を測定する測温抵抗素子とを離間して配置してなる。そして、空気の温度を所定の空気温度測定抵抗体で測定し、一方で発熱抵抗体素子の発熱で加熱された測温抵抗素子の温度と、空気温度との温度差（ΔＴｈ）が一定となるよう、発熱抵抗体素子の発熱を制御する。さらに、空気流の上流及び下流にそれぞれ所定の測温抵抗体を配置し、発熱抵抗体素子の発熱で各測温抵抗体が同じ温度に加熱されるように設定する。そして、空気が流れると、上流と下流の測温抵抗体の温度が変化することから、各抵抗体の抵抗値に基づいて空気流量を検知できる。

ここで、発熱抵抗体素子の温度をその抵抗値により算出する場合、発熱抵抗体素子自身の加熱によるストレスマイグレーション（後述）によって発熱抵抗体が経時劣化するため、抵抗値が変化して測温精度が低下する。このため、特許文献２記載の熱式流体流量センサでは、発熱抵抗体素子に隣接して、発熱抵抗体素子の温度を測定するための別個の測温抵抗素子を配置し、発熱抵抗体素子の測温精度を維持している。
そして、上記ガス検出素子においても、発熱抵抗体素子と別個の測温抵抗素子を設けることで、同様に特定ガスの検出精度を長期間にわたって維持できることが期待される。

特開２０１０−９１５０１号公報 特開２０１０−１３３８９７号公報（図５）

ところで、ガス検出素子により、高温（例えば３００℃以上）の被検出ガス中の特定ガスを検出したいという要望がある。この場合、発熱抵抗体素子をガスの温度以上に発熱させる必要があるが、発熱抵抗体素子に隣接する測温抵抗素子も高熱に晒される。このため、測温抵抗素子もストレスマイグレーションによって経時劣化し、発熱抵抗体素子と別個に測温抵抗素子を設けたにもかかわらず、発熱抵抗体素子の測温精度が低下するという問題が生じる。
ここで、ストレスマイグレーションとは、ＭＥＭＳ等により微細形成された金属配線を（およそ４００℃を超える）高温下に放置すると、配線内の残留応力とその後に加えられる熱により、配線を構成する金属にボイド（空孔）が生じ、このボイドが拡散して経時劣化（電気抵抗の上昇や断線）を引き起こす現象である。

図９は、金属配線の電気抵抗値の時間変化を模式的に示す。ストレスマイグレーションが顕著に生じる高温下では、時間と共に金属配線の電気抵抗値が初期値Ｒ０よりも高くなり、例えばガス検出素子の耐用年数ｔＬに達する前に電気抵抗値が大幅に上昇し、金属配線が劣化してしまう。一方、低温（例えば４００℃以下）では、ストレスマイグレーションが生じないか、生じる度合が少ないため、時間が経過しても金属配線の電気抵抗値が初期値Ｒ０から大きく変化せず、ガス検出素子の耐用年数ｔＬに達するまで電気抵抗値がほとんど上昇しない。このため、測温抵抗素子を高熱に晒されないようにすれば、ストレスマイグレーションを抑制して発熱抵抗体素子の測温精度を長期間維持できることになる。なお、金属配線の電気抵抗値は、スタート時からしばらくの間は配線内の結晶欠陥が減少するために初期値Ｒ０よりも低くなる。
すなわち、本発明は、発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体の熱による劣化を抑制し、発熱抵抗体の測温精度を長期間維持できるマイクロヒータ及びセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のマイクロヒータは、表面と底面との間を貫通する空洞部を形成してなる基板と、前記空洞部の表面側を閉じるように前記基板の前記表面上に設けられてダイヤフラムを形成する薄膜部と、前記薄膜部に設けられる発熱抵抗体と、前記薄膜部に設けられて前記発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体と、を備えてなるマイクロヒータにおいて、前記マイクロヒータを前記薄膜部の厚み方向に沿って見たとき、前記測温抵抗体は前記発熱抵抗体よりも前記薄膜部の外周側に位置し、前記薄膜部の表面に沿う方向に、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体との最短距離Ｄ１は、前記測温抵抗体と前記ダイヤフラムの外周縁との最短距離Ｄ２よりも長いことを特徴とする。
このマイクロヒータによれば、発熱抵抗体とダイヤフラム（薄膜部）の外周縁との概ね中間よりもダイヤフラムの外周側に測温抵抗体が位置するので、ダイヤフラム内で測温抵抗体が発熱抵抗体と適度に離間する。このため、発熱抵抗体を高温に発熱させても、測温抵抗体の温度が発熱抵抗体の温度より低くなり、測温抵抗体の熱（ストレスマイグレーション）による経時劣化を抑制し、測温抵抗体による発熱抵抗体の測温精度を長期間維持できる。

前記発熱抵抗体を最高動作温度に発熱させたとき、前記測温抵抗体の温度が４００℃以下となると好ましい。
測温抵抗体の温度が４００℃以下であれば、ストレスマイグレーションが生じないか、生じる度合が少ないため、測温抵抗体の熱による経時劣化をより一層抑制できる。

前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが異なる材料からなっていてもよい。
このマイクロヒータによれば、発熱抵抗体として耐熱性に優れた材料を用いることで、発熱抵抗体の熱による経時劣化も抑制できる。

前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが同一の材料からなると共に、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とは、前記薄膜部の厚み方向の異なる位置に異なる厚みで配置されていてもよい。
このマイクロヒータによれば、発熱抵抗体と測温抵抗体とが同一の材料からなる場合であっても、両者の厚みを変えることで、具体的には発熱抵抗体の厚みをより厚くすることで、発熱抵抗体の熱による経時劣化をさらに抑制できる。

前記発熱抵抗体はポリシリコンからなり、前記測温抵抗体はＰｔからなると、発熱抵抗体の耐熱性がより一層向上する。

本発明のセンサは、前記マイクロヒータを備えてなる。

この発明によれば、マイクロヒータの発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体の熱による劣化を抑制し、発熱抵抗体の測温精度を長期間維持させることができる。

本発明の実施形態に係るマイクロヒータの構成を示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に沿ったマイクロヒータの断面図である。 マイクロヒータの製造工程を表す図である。 図３に続く図である。 図４に続く図である。 図５に続く図である。 図６に続く図である。 マイクロヒータが適用されたガスセンサの主要部となるガス検出素子の構成を示す図２に対応した断面図である 金属配線の電気抵抗値の時間変化を模式的に示す図である。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はマイクロヒータ５００の平面図を示し、図２は図１のＡ−Ａ線切断部およびＢ−Ｂ線切断部におけるそれぞれの端面図を示す。尚、図１において、紙面の左右方向をその平面図の左右方向とする。また、図２において、紙面の上下方向をその断面図の上下方向とする。

図１に示すように、マイクロヒータ５００は、平板形状（平面視四角形状）をなし、その表面にそれぞれ電極３３０、３４０、４３０、４４０、８８、８９が形成され、他方の面（裏面）の中心付近に、詳しくは後述する平面視矩形のダイヤフラム１５０が形成されている。
又、図２に示すように、マイクロヒータ５００は、シリコン基板からなる半導体基板１００と、この半導体基板１００の表面（図２の上面）に沿い形成される絶縁層と、半導体基板１００の裏面（図２の下面）１２０に形成される裏側絶縁膜２５０とを備えている。
そして、絶縁層の裏面側において、半導体基板１００の板厚方向に断面八の字状に（ピラミッド形状（四角錐形状）に）半導体基板１００の一部を除去することで、図２に示すように空洞部１３０が貫通形成されている。そして、絶縁層のうち、半導体基板１００の空洞部１３０に対する対応部位は、この対応部位に埋設されている発熱抵抗体（発熱抵抗体素子）４００をも含めて、ダイヤフラム構造部（ダイヤフラム１５０）を構成している。絶縁層のうち、空洞部１３０の上側部分であってダイヤフラム１５０を形成する領域が特許請求の範囲の「薄膜部」に相当する。
なお、絶縁層の下側に形成した空洞部１３０が半導体基板１００の表裏面を貫通せず、半導体基板１００が底面を有するようにダイヤフラム１５０を構成してもよい。

又、絶縁層のうち空洞部１３０に対応する領域（薄膜部）、より具体的には下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜２１２、２２１の間には、渦巻き状にパターン形成された発熱抵抗体４００が埋設されている。
発熱抵抗体４００は、マイクロヒータ５００の周囲の雰囲気（空気、被検出ガス等）を加熱し、ストレスマイグレーションが生じ難い導電性材料や半導体材料で構成され、本実施形態ではポリシリコン（多結晶シリコン）で形成されている。
そして、ダイヤフラム１５０内に発熱抵抗体４００を設けることにより、発熱抵抗体４００が周囲から断熱されるため、短時間にて昇温又は降温する。このため、マイクロヒータ５００の熱容量を小さくすることができる。

さらに、ダイヤフラム１５０に対応する両圧縮応力膜２１２、２２１の間には、発熱抵抗体４００から離間して、より具体的にはマイクロヒータ５００を絶縁層（ダイヤフラム１５０）の厚み方向に沿って見たとき、発熱抵抗体４００よりもダイヤフラム１５０の外周側に測温抵抗体３００が埋設されている。測温抵抗体３００は、温度抵抗係数が大きい導電性材料で構成され、本実施形態では白金（Ｐｔ）で形成されている。
発熱抵抗体４００の温度を自身の抵抗値変化に基づいて求めた場合、発熱抵抗体４００が熱（ストレスマイグレーション）によって経時劣化して抵抗値が変化するので、測温精度が低下する。そこで、発熱抵抗体４００に隣接して、発熱抵抗体４００の温度を測定するための測温抵抗体３００を別個に配置することで、発熱抵抗体４００の測温精度を維持することができる。
発熱抵抗体４００の温度は、発熱抵抗体４００の発熱により加熱された測温抵抗体３００の電気抵抗値に基づいて求められる。従って、発熱抵抗体４００の温度をより反映する観点からは、測温抵抗体３００が発熱抵抗体４００に近接することが好ましいが、測温抵抗体３００が発熱抵抗体４００に近付き過ぎると、発熱抵抗体４００を高温に発熱させた場合に、測温抵抗体３００も熱（ストレスマイグレーション）によって経時劣化する。

そこで、図２に示すように、絶縁層（ダイヤフラム１５０）の表面に沿う方向に、発熱抵抗体４００と測温抵抗体３００との最短距離Ｄ１を、測温抵抗体３００とダイヤフラム１５０の外周縁１５０ｅとの最短距離Ｄ２よりも長くなるように設定する。このように、Ｄ１＞Ｄ２とすることで、発熱抵抗体４００とダイヤフラム（薄膜部）１５０の外周縁１５０ｅとの概ね中間よりもダイヤフラム１５０の外周側に測温抵抗体３００が位置するので、ダイヤフラム１５０内で測温抵抗体３００が発熱抵抗体４００と適度に離間する。このため、発熱抵抗体４００を高温に発熱させても、測温抵抗体３００の温度が発熱抵抗体４００の温度より低くなり、測温抵抗体３００の熱（ストレスマイグレーション）による経時劣化を抑制し、測温抵抗体３００による発熱抵抗体４００の測温精度を長期間維持できる。
特に、発熱抵抗体４００を最高動作温度に発熱させたとき、測温抵抗体３００の温度が４００℃以下となるよう、最短距離Ｄ１、Ｄ２を調整することが好ましい。測温抵抗体３００の温度が４００℃以下であれば、ストレスマイグレーションが生じないか、生じる度合が少ないため、測温抵抗体３００の熱による経時劣化をより一層抑制できる。
なお、発熱抵抗体４００の最高動作温度は、マイクロヒータ５００に、これを制御するコントローラや制御部を接続して発熱抵抗体４００を実際に発熱させたときの発熱抵抗体４００の最高温度とすることができ、このときの測温抵抗体３００の温度を測定すればよい。上記コントローラや制御部には、発熱抵抗体４００への通電電流や通電電圧等が設定されており、その設定値に基づいて発熱抵抗体４００が通電加熱され、最高温度が決まることになる。

なお、Ｄ１＞Ｄ２とすることで、測温抵抗体３００で測定される温度は、発熱抵抗体４００の実際の温度より低くなる。そこで、発熱抵抗体４００を発熱させたときに、上記した絶縁層（ダイヤフラム１５０）の表面に沿う方向に沿って発熱抵抗体４００からダイヤフラム１５０の外周縁１５０ｅへ向かう温度勾配を予め測定しておき、この温度勾配に基づいて測温抵抗体３００で測定された温度を補正することで、発熱抵抗体４００の温度を精度良く求めることが可能である。
又、最短距離Ｄ１、Ｄ２を求める際には、発熱抵抗体４００のヒートパターンや測温抵抗体３００を構成する配線のうち、それぞれ最も狭幅の部位を対象とする。例えば、発熱抵抗体４００のリードである配線膜４１０、４２０（後述）や、発熱抵抗体４００と配線膜４１０、４２０とをそれぞれ接続する接続リード４１０Ｔ、４２０Ｔは、発熱抵抗体４００の最小幅ｗ１よりも広幅であるので、最短距離Ｄ１、Ｄ２を求める際の対象としない。同様に、測温抵抗体３００のリードである配線膜３１０、３２０（後述）も、測温抵抗体３００の最小幅ｗ２よりも広幅であるので、最短距離Ｄ１、Ｄ２を求める際の対象としない。

さらに、絶縁層のうちダイヤフラム１５０の外周縁１５０ｅよりも外側には、後述する雰囲気測温抵抗体８０が埋設されている。測温抵抗体８０は、マイクロヒータ５００の配置された空間内に存在する雰囲気（空気や被検出ガス等）の温度を検出する。
発熱抵抗体４００の抵抗値変化は被検出ガスの温度による影響を受けるため、後述する測温抵抗体８０の電気抵抗値に基づき検出される温度を用いて、発熱抵抗体４００の電気抵抗値変化に基づき検出した被検出ガスの濃度を補正することにより、被検出ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
但し、マイクロヒータをガスセンサに適用せずに、単に雰囲気を加熱するヒータとして用いる場合には、マイクロヒータにおいて、雰囲気測温抵抗体８０は必須の構成ではない。
なお、マイクロヒータは、薄膜部に発熱抵抗体４００と、測温抵抗体３００が設けられた構成に該当する。センサは、このマイクロヒータに、さらに雰囲気測温抵抗体８０が設けられた構成に該当する。又、後述する図８に示すように、センサ（ガスセンサ）が検知電極６１０やガス検知層６２０をさらに備えてもよい。一方、検知電極６１０やガス検知層６２０を有しないセンサとしては、水素ガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサや、特許文献２と同様な熱式流体流量センサが例示される。

次に、マイクロヒータ５００のその他の構成について説明する。
絶縁層は、下側薄膜及び上側薄膜を備えている。
下側薄膜は、引張応力膜２１１及び圧縮応力膜２１２を有している。窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる引張応力膜２１１は、半導体基板１００の表面に積層され、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなる圧縮応力膜２１２は、引張応力膜２１１の表面に積層されている。
また、上側薄膜は、圧縮応力膜２２１及び引張応力膜２２２を有している。酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなる圧縮応力膜２２１は、圧縮応力膜２１２の表面に積層され、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる引張応力膜２２２は、圧縮応力膜２２１の表面に積層されている。

窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる裏側絶縁膜２５０は、半導体基板１００の裏面１２０に沿って形成されている。また、裏側絶縁膜２５０のうち、空洞部１３０に対する対応部位が除去されて空洞部１３０の開口部を形成している。
これにより、絶縁層の引張応力膜２１１の裏面のうち、空洞部１３０に対応する部位が、空洞部１３０の開口部を通して外方に露出している。
なお、半導体基板１００のうち空洞部１３０以外の部位を、以下、基板部という。
また、最表層をなす引張応力膜２２２は、発熱抵抗体４００、測温抵抗体３００、雰囲気測温抵抗体８０、各配線膜（後述）の汚染や損傷を防止すべくそれらを覆うように設けられている。
又、マイクロヒータ５００は、縦横ともに数ｍｍ（例えば３ｍｍ×３ｍｍ）程度の大きさであり、例えば、シリコン半導体基板を用いたマイクロマシニング技術（マイクロマシニング加工）により製造される。

図１に戻り、発熱抵抗体４００の左右の端は、発熱抵抗体４００が形成された平面と同じ平面にそれぞれ埋設された配線（リード）をなす左側配線膜４１０及び右側配線膜４２０（図２）を介して、左側電極４３０及び右側電極４４０にそれぞれ接続されている。なお、左側電極４３０がグランド電極となっている。両電極４３０，４４０は、発熱抵抗体４００に接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホール（図２には、電極４３０に接続されるコンタクトホール２２３のみ表示）を介して露出し、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）で形成されている。
左側配線膜４１０は、下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜２１２、２２１の間で、半導体基板１００の基板部に対応する位置の圧縮応力膜２１２の表面に薄膜状に形成されている。一方、右側配線膜４２０は、両圧縮応力膜２１２、２２１の間で、半導体基板１００の基板部に対応する位置の圧縮応力膜２１２の表面に薄膜状に形成されている。
さらに、上側薄膜に形成したコンタクトホール２２３を通して左側配線膜４１０上に、左側電極４３０が形成されている。同様に、上側薄膜に形成したコンタクトホール（図示せず）を通して右側配線膜４２０上に、右側電極４４０が形成されている。

測温抵抗体３００は、図１に示すようにダイヤフラム１５０の外周縁１５０ｅの上辺及び右辺の内側に沿って略Ｌ字に、かつ発熱抵抗体４００が形成された平面と同じ平面（下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜２１２、２２１の間）に埋設されている。
測温抵抗体３００は、測温抵抗体３００が形成された平面と同じ平面に埋設された配線（リード）をなす左側配線膜３１０及び右側配線膜３２０を介して、左側電極３３０及び右側電極３４０にそれぞれ接続されている。なお、左側電極３３０がグランド電極となっている。両電極３３０，３４０は、測温抵抗体３００に接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホール（図２には、電極３４０に接続されるコンタクトホール３２４のみ表示）を介して露出し、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）で形成されている。

左側配線膜３１０は、下側薄膜と上側薄膜との間、即ち両圧縮応力膜２１２、２２１の間で、半導体基板１００の基板部に対応する位置の圧縮応力膜２１２の表面に薄膜状に形成されている。一方、右側配線膜３２０は、両圧縮応力膜２１２、２２１の間で、半導体基板１００の基板部に対応する位置の圧縮応力膜２１２の表面に薄膜状に形成されている。
さらに、上側薄膜に形成したコンタクトホール（図示せず）を通して左側配線膜３１０上に、左側電極３３０が形成されている。同様に、上側薄膜に形成したコンタクトホール３２４を通して右側配線膜３２０上に、右側電極３４０が形成されている。

雰囲気測温抵抗体８０は、図１に示すようにマイクロヒータ５００の上辺（一辺）に沿って左側電極３３０よりも右側にて、圧縮応力膜２１２と圧縮応力膜２２１の間に埋設されている。雰囲気測温抵抗体８０は、電気抵抗値が温度に比例して変化（本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大）する導電性材料で構成され、本実施形態では白金（Ｐｔ）で形成されている。
雰囲気測温抵抗体８０は、雰囲気測温抵抗体８０が形成された平面と同じ平面に埋設された配線膜（図示せず）を介して電極８８及びグランド電極８９に接続されている。電極８８及びグランド電極８９は、コンタクトホール（図示せず）を介して露出し、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）で形成されている。

次に、図３〜図７を参照し、マイクロヒータ５００の製造工程について説明する。なお、図３〜図７では、各工程について、図１におけるマイクロヒータ５００のＡ−Ａ線切断部およびＢ−Ｂ線切断部におけるそれぞれの端面状態を表している。なお、マイクロヒータ５００は、マイクロマシン技術を利用して製造される。
（１）引張応力膜２１１及び裏側絶縁膜２５０の成膜工程
まず、図３に示すように、洗浄したシリコン基板を半導体基板１００として準備し、この半導体基板１００の表面に、窒化シリコンからなる引張応力膜２１１を低圧ＣＶＤ法（ＬＰ−ＣＶＤ法）により、所定膜厚（例えば、０．２μｍ）で成膜する。なお、引張応力膜２１１の成膜の際に、裏側絶縁膜２５０も半導体基板１００の裏面１２０に薄膜状に成膜する。
（２）圧縮応力膜２１２成膜工程
次に、図３に示すように、引張応力膜２１１の表面に、酸化シリコンからなる圧縮応力膜２１２をプラズマＣＶＤ法により、所定膜厚（例えば、０．１μｍ）で成膜する。

（３）発熱抵抗体４００及び左右両側配線膜４１０、４２０の成膜工程
次に、図４に示すように、圧縮応力膜２１２の表面に、ポリシリコンからなる膜を低圧ＣＶＤ法（ＬＰ−ＣＶＤ法）により成膜した後、不純物（ＰまたはＢ）をドープする。この膜にパターニング処理を施して、発熱抵抗体４００及び左右両側配線膜４１０、４２０（図４には配線膜４１０のみ表示）を圧縮応力膜２１２の表面に一体に形成する。

（４）測温抵抗体３００及び左右両側配線膜３１０、３２０の成膜工程
次に、図５に示すように、圧縮応力膜２１２の表面に、必要に応じて図示しないＴａ又はＮｂからなる密着層を成膜し、次いで白金（Ｐｔ）のスパッタリングにより薄膜状の白金膜を成膜した後、この白金膜にパターニング処理を施して、測温抵抗体３００及び左右両側配線膜３１０、３２０（図５には配線膜３２０のみ表示）を圧縮応力膜２１２の表面に一体に形成する。なお、酸化シリコンからなる圧縮応力膜２１２の表面に、白金膜を直接成膜すると密着性が劣る場合があり、上述の密着層を形成することで白金膜の密着性が向上する。

（５）雰囲気測温抵抗体８０の成膜工程
次に、図示はしないが、圧縮応力膜２１２の表面に、白金（Ｐｔ）のスパッタリングにより薄膜状の白金膜を成膜した後、この白金膜にパターニング処理を施して、雰囲気測温抵抗体８０及びその配線膜を圧縮応力膜２２１の表面に一体に形成する。
（６）圧縮応力膜２２１の成膜工程
次に、図６に示すように、発熱抵抗体４００及び左右両側配線膜４１０、４２０、測温抵抗体３００及び左右両側配線膜３１０、３２０、並びに図示しない雰囲気測温抵抗体８０及びその配線膜を覆うようにして、圧縮応力膜２１２の表面に、酸化シリコンからなる圧縮応力膜２２１をプラズマＣＶＤ法により、所定膜厚（例えば、０．１μｍ）で成膜する。

（７）引張応力膜２２２の成膜工程
さらに、圧縮応力膜２２１の表面に、窒化シリコンからなる引張応力膜２２２を低圧ＣＶＤ法により、所定膜厚（例えば、０．２μｍ）で成膜する。これにより、圧縮応力膜２２１及び引張応力膜２２２からなる上側薄膜が、発熱抵抗体４００及び測温抵抗体３００、換言すれば両圧縮応力膜２１２、２２１の間を基準に、引張応力膜２１１及び圧縮応力膜２１２からなる下側薄膜に対し対称的に形成される。

（８）電極及び貫通孔の形成工程
次に、図７に示すように、引張応力膜２２２を成膜した後の上側薄膜のうち、左右両側配線膜３１０、３２０、４１０、４２０に対する各対応部位に、各コンタクトホール（図７では、コンタクトホール２２３、３２４のみ表示）をエッチング形成する。これに伴い、左右両側配線膜３１０、３２０、４１０、４２０は、その各表面にて、各対応コンタクトホールを通して外部に露呈する。同様に、雰囲気測温抵抗体８０の両配線膜（図示せず）に対する各対応部位に、各コンタクトホール（図示せず）をエッチング形成する。
次いで、各コンタクトホールの内部を含む引張応力膜２２２の表面に、スパッタリングにより、金（Ａｕ）等からなるコンタクト金属膜を成膜する。さらに、当該コンタクト金属膜にパターニング処理及びエッチング処理を施し、各コンタクトホールに対応する左右両側電極３１０、３２０、４３０、４４０、並びに電極８８及びグランド電極８９（図７では、電極３４０、４３０のみ表示）をそれぞれ形成する。

（９）空洞部形成工程
次に、電極の形成後、裏側絶縁膜２５０に対し、空洞部１３０を形成するに要するパターニング処理及びエッチング処理を施す。ここで、空洞部１３０を形成するエッチング部位１３０Ｅは、発熱抵抗体４００及び測温抵抗体３００の形成部位より面方向の外側とする。
ついで、異方性エッチング液（例えば、ＴＭＡＨ）を用いて、半導体基板１００にエッチング処理を施す。これにより、半導体基板１００に空洞部１３０を形成し（図２参照）、マイクロヒータ５００の製造が終了する。

次に、図８を参照し、本発明の実施形態に係るマイクロヒータ５００が適用されたガスセンサ１について説明する。図８は、マイクロヒータ５００が適用されたガスセンサ１の主要部となるガス検出素子６００の構成を示す。
図８において、ガス検出素子６００は、被検知ガス中のアンモニア（ＮＨ_３）、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、二硫化メチル（（ＣＨ_３）_２Ｓ_２）、メチルメルカプタン（ＣＨ_３ＳＨ）、トリメチルアミン（(ＣＨ_３)_３Ｎ）などの特定ガスを検知するように構成されている。
具体的には、ガス検出素子６００は、図２のマイクロヒータ５００のダイヤフラム１５０に対応した引張応力膜２２２の表面に、検知電極６１０を形成し、さらに検知電極６１０を覆うガス検知層６２０を形成してなる。

ガス検知層６２０は複数の粒子が結合してなり、被検知ガス中の特定ガスによって自身の抵抗値が変化する性質を有する。また、ガス検知層６２０は、複数の粒子間に存在する空隙を通じて当該ガス検知層６２０の厚み方向におけるガス透過性を有するようにも構成されている。ここで、酸化スズ(ＳｎＯ_２)に０．２重量％の酸化カルシウムを触媒として含有させてガス検知層６２０が設けられている。酸化カルシウムを含む酸化スズが、ガス検知能を発揮する金属酸化物半導体である。そして、このガス検知層６２０を用いて、被検知ガス中の上述のアンモニア（ＮＨ_３）などの特定ガスを検知する。
上記金属酸化物半導体の他の例としては、酸化スズのガス検知層６２０に対する含有量を９０質量％以上とした上で、Ｉｒ、Ｐ、Ｐｔを含有させた構成を採ることもできる。より具体的には、Ｉｒ換算で０．５０質量％のＩｒと、Ｐ換算で０．０１質量％のＰと、Ｐｔ換算で０．０５質量％のＰｔとを含みつつ、残部が酸化スズからなる金属酸化物半導体を用いることもできる。

一対の検知電極６１０は、ガス検知層６２０における電気的特性の変化を検出するための一対の電極であり、互いに離間した両電極の間にガス検知層６２０が介在している。一例として一対の検知電極６１０は、それぞれ櫛歯状の平面形状を有し、一方の電極の櫛歯の間に、他方の電極の櫛歯が挿入されている。この検知電極６１０は、この検知電極６１０のガス検知層６２０に対向する側の面及びその両側面は、それらの全面でガス検知層６２０と当接し、ガス検知層６２０と検知電極６１０とが電気的に接続されている。一対の検知電極６１０は、それぞれ図示しない配線膜に接続されてダイヤフラム１５０の外側に引き出され、配線膜に接続された電極を介して検知電極６１０の電気信号が外部に取り出される。
また、ガス検知層６２０は発熱抵抗体４００と積層方向に重なるように配置され、発熱抵抗体４００により加熱され、速やか且つ良好に活性化し、ガス感度を高めるようになっている。
以上のように、マイクロヒータ５００を適用してガスセンサ１が構成されているので、高温（例えば５００℃以上）の被検知ガス中の特定ガスの有無や濃度を検知できる。

検知電極６１０は、例えばＤＣスパッタ装置を用い、引張応力膜２２２の表面にタンタル（Ｔａ）層を形成し、さらにその表面上に白金（Ｐｔ）層をスパッタ形成して形成できる。スパッタ後、フォトリソグラフィによりレジストのパターニングを行い、ウエットエッチング処理にて、櫛歯状の平面形状を有する検知電極６１０や、それに接続される配線膜等を形成する。
ガス検知層６２０は、例えば酸化スズ（酸化スズ粒子）を主成分とし、酸化カルシウムを添加した酸化物半導体ペーストを厚膜印刷により塗布し、焼成して形成できる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、発熱抵抗体の形状は上記実施形態に限定されない。
又、上記実施形態では、発熱抵抗体４００と測温抵抗体３００とが異なる材料からなっていたが、両者が同一の材料からなり、かつ薄膜部の厚み方向の異なる位置に異なる厚みでそれぞれ配置されていてもよい。この場合、発熱抵抗体４００と測温抵抗体３００とが同一の材料からなる場合であっても、両者の厚みを変えることで、具体的には発熱抵抗体の厚みをより厚くすることで、発熱抵抗体の熱による経時劣化をさらに抑制できる。
又、上記実施形態では、特定ガスの濃度変化によって金属酸化物半導体の電気的特性が変化することを利用して、特定ガスの濃度変化を検知する場合について説明したが、本発明のセンサは他の測定原理に基づくガスセンサにも適用可能である。
又、本発明のセンサはガスセンサの他、上述の熱式流体流量センサにも適用可能である。

１ ガスセンサ（センサ）
１００ 基板
１３０ 空洞部
１５０ ダイヤフラム
１５０ｅ ダイヤフラムの外周縁
３００ 測温抵抗体
４００ 発熱抵抗体
５００ マイクロヒータ
Ｄ１ 発熱抵抗体と測温抵抗体との最短距離
Ｄ２ 測温抵抗体とダイヤフラムの外周縁との最短距離

Claims (6)

1. 表面と底面との間を貫通する空洞部を形成してなる基板と、
   前記空洞部の表面側を閉じるように前記基板の前記表面上に設けられてダイヤフラムを形成する薄膜部と、
   前記薄膜部に設けられる発熱抵抗体と、
   前記薄膜部に設けられて前記発熱抵抗体の温度を測定する測温抵抗体と、を備えてなるマイクロヒータにおいて、
   前記マイクロヒータを前記薄膜部の厚み方向に沿って見たとき、前記測温抵抗体は前記発熱抵抗体よりも前記薄膜部の外周側に位置し、
   前記薄膜部の表面に沿う方向における、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体との最短距離Ｄ１は、前記測温抵抗体と前記ダイヤフラムの外周縁との最短距離Ｄ２よりも長いことを特徴とするマイクロヒータ。
2. 前記発熱抵抗体を最高動作温度に発熱させたとき、前記測温抵抗体の温度が４００℃以下となる請求項１記載のマイクロヒータ。
3. 前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが異なる材料からなる請求項１又は２記載のマイクロヒータ。
4. 前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが同一の材料からなると共に、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体とは、前記薄膜部の厚み方向の異なる位置に異なる厚みで配置されている請求項１又は２記載のマイクロヒータ。
5. 前記発熱抵抗体はポリシリコンからなり、前記測温抵抗体はＰｔからなる請求項３記載のマイクロヒータ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロヒータを備えたセンサ。

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