JPH10213470A - 薄膜式抵抗体及びその製造方法、流量センサ、湿度センサ、ガスセンサ、温度センサ - Google Patents
薄膜式抵抗体及びその製造方法、流量センサ、湿度センサ、ガスセンサ、温度センサInfo
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Abstract
TCRのバラツキを小さくする。 【解決手段】 基板1上の金属抵抗膜を、スパッタリン
グ法により結晶粒径が800Å以上に定められた白金抵
抗膜6により形成する。その成膜条件として、0.54
W/cm2 〜2.7W/cm2 の範囲のRFパワーと、10
0℃〜500℃の範囲の基板1の温度との組合せを選択
するようにした。これにより、TCRを高めるととも
に、TCRのバラツキを小さくする。
Description
その製造方法、流量センサ、湿度センサ、ガスセンサ、
温度センサに関する。
膜を成膜し、この白金抵抗膜の抵抗温度特性(TCR)
を利用して抵抗値変量を温度変量に変換するようにした
マイクロブリッジセンサとして、流量センサ、湿度セン
サ、ガスセンサ、温度センサ等がある。このようなセン
サの一例として、表面が絶縁された数mm角のシリコン
等の基板に凹部を形成し、この凹部の上部空間に白金抵
抗膜による発熱部を橋絡部として配置して形成すること
により、発熱部の発熱量を低く抑え、基板及びこの基板
を支持する基板支持体への熱損を小さくすることが種々
提案されている。例えば、流体の流量(又は流速)を測
定する方法としては、白金抵抗膜に電流を流して橋絡部
を熱し、この橋絡部と流体の温度とを一定にするために
白金抵抗膜に投入した電力の変化を基に流体の流量(又
は流速)を計測する方法がある。
昭61−235726号公報がある。この公報のもの
は、半導体の各種処理のためにガス、医療用麻酔ガス、
分析装置のために用いられるガス等を測定するための流
量計であり、半導体本体と、この半導体本体に設けられ
た通路内に保持された第一の薄膜フローセンサと、半導
体本体に設けられた澱みガス通路内に保持された薄膜澱
みフローセンサと、第一のフローセンサに向かう通路の
入口のガス温度を維持するための本体温度センサとを有
している。
抵抗膜を製作するにあたりTCRにバラツキが発生する
問題がある。基板上に白金抵抗膜を形成した薄膜式抵抗
体は、その動作原理上TCRのバラツキに対して非常に
敏感で、各種センサの精度を決定する要因となり、TC
Rのバラツキによる歩留まりの低下は製造コストを引き
上げることとなる。
サ等は室温より高い温度になるように白金抵抗膜からな
る発熱部を加熱している。そのため、長時間使用すると
マイグレーションが発生し、白金抵抗膜の抵抗値が変化
する現象が起こる。このように経時変化により抵抗値が
数%変化するとセンサとしての信頼性が失われる。
ので、TCRが高く、TCRのバラツキが小さく、且
つ、経時変化に対して安定した薄膜式抵抗体及びその製
造方法、流量センサ、湿度センサ、ガスセンサ、温度セ
ンサを提供することを目的とする。
抗体、請求項3記載の流量センサ、請求項4記載の湿度
センサ、請求項5記載のガスセンサ、請求項6記載の温
度センサは、基板上の金属抵抗膜が、スパッタリング法
により結晶粒径が800Å以上に定められた白金抵抗膜
により形成されている。従って、白金抵抗膜の結晶粒径
とTCRとは密接な関係をもっており、白金抵抗膜の結
晶粒径を800Å以上に定めることにより、TCRを所
望の値以上に高めるとともに、TCRのバラツキを小さ
くすることが可能となる。
は、基板の表面に白金抵抗膜をスパッタリング法によっ
て形成するときに、成膜条件として、0.54W/cm2
〜2.7W/cm2 の範囲のRFパワーと、100℃〜5
00℃の範囲の基板の温度との組合せを選択することに
より、白金抵抗膜の結晶粒径及び抵抗温度係数を任意値
に設定するようにした。従って、TCRを所望の値以上
に高めるとともに、TCRのバラツキを小さくすること
が可能となる。
ないし図6を参照して説明する。図1は薄膜式抵抗体の
製造過程を示す断面図、図2は流量センサの概略構成を
示す平面図である。以下、薄膜式抵抗体及び流量センサ
の構成を製造過程順に説明する。
てはシリコン基板1が用いられる。このシリコン基板1
の裏面には異方性エッチング工程においてシリコン基板
1が裏面からエッチングされるのを防ぐために酸化膜2
を形成する。そして、このシリコン基板1の表面に絶縁
膜3、白金膜4、この白金膜4をパターニングする際の
マスク材となる絶縁体5を順次積層して形成する。
1.5μm成膜する。白金膜4は、結晶粒径が1500
Åとなるように、RFパワーを1.2W/cm2 、シリコ
ン基板1の温度を400℃とする成膜条件でスパッタリ
ング法によって1200Åの厚さに成膜する。絶縁体5
はTa2O5 を約2000Åの厚さに成膜する。このような
絶縁膜3、白金膜4、絶縁体5の3層膜は連続して成膜
することが可能である。なお、RFパワーとは、交流ス
パッタリング法において、ターゲットに高周波を印加し
てプラズマを発生させるときのパワー(ターゲットの単
位面積当りの印加電圧)を示すものである。
及び絶縁体5をパターンニングする。すなわち、絶縁体
5に対しフォトリソ、エッチングを行い、絶縁体5をも
って白金膜4のエッチングを行い金属抵抗膜としての対
をなす二本の白金抵抗膜6と、これらの白金抵抗膜6に
連続するボンディングパッド6aとのパターンを形成す
る。白金抵抗膜6とボンディングパッド6aとの接続状
態は図4に示す通りである。
膜6、ボンディングパッド6aを含めてシリコン基板1
の表面にパッシベーション膜(Ta2O5 からなる保護膜)
7を約3000Åの厚さをもって成膜する。
ーション膜7をパターンニングする。すなわち、シリコ
ン基板1の表面にフォトマスク(図示せず)を配置し、
パッシベーション膜7及び絶縁膜3の所望の一部をエッ
チングすることにより、ボンディングパッド6aの中央
部を露出するとともに、シリコン基板1の表面の一部を
露出する。
を残して凹部9を形成する。この場合、前工程において
シリコン基板1上の絶縁膜3をエッチングにより除去し
た部分からシリコン基板1を異方性エッチングをするこ
とにより凹部9が形成される。凹部9の上部空間に残る
橋絡部8は白金抵抗膜6とその下層の絶縁膜3とにより
形成される。異方性エッチングはKHO(水酸化ナトリ
ウム)水溶液により行われる。このような工程を経て薄
膜式抵抗体10が形成される。
路(図示せず)とをワイヤにより接続するワイヤボンデ
ィングを行うことにより流量センサS1が形成される。
なお、図1(e)は、図2におけるA−A線部での断面
図である。
いて矢印を流量測定の対象となる流体の流れる方向とす
ると、対をなす白金抵抗膜6は通電により発熱するが、
上流側の白金抵抗膜6は流体に熱を奪われて温度が下が
るが、下流側の白金抵抗膜6は上流側の白金抵抗膜6の
熱が流体により伝搬されるために暖められる。一方、回
路側では上流、下流の白金抵抗膜6の温度が一定になる
ように電流を制御するので、上流側の白金抵抗膜6と下
流側の白金抵抗膜6とに流す電流の差により流体の流量
(又は流速)が求められる。
との関係を図3に示し、白金抵抗膜6の結晶粒径と白金
抵抗膜6の抵抗変化率との関係を図4に示す。これは実
験による結果である。図3で明らかなように、白金抵抗
膜6の結晶粒径とTCRとは密接な関係をもっており、
白金抵抗膜6の結晶粒径を800Å以上に定めることに
より、TCRを3200(ppm)以上に高めることが
できる。また、図4で明らかなように、白金抵抗膜6の
抵抗変化率(TCRのバラツキ)を約2%以下の小さな
値に抑えることができる。これは請求項1記載の発明に
対応する効果である。
と結晶粒径との関係を図5に示し、白金抵抗膜6を成膜
する成膜条件とTCRとの関係を図6に示す。これも実
験による結果である。図5では、RFパワーとシリコン
基板1の温度との成膜条件の組合せにより白金抵抗膜6
の結晶粒径が変化することが分かる。すなわち、シリコ
ン基板1の温度として500℃又は400℃を選択した
場合には、RFパワーを0.54W/cm2 〜2.7W/
cm2 の何の範囲を選択しても800Å以上の結晶粒径を
得ることができる。シリコン基板1の温度として300
℃を選択した場合には、RFパワーを0.54W/cm2
〜約2.5W/cm2 の範囲を選択することにより800
Å以上の結晶粒径を得ることができる。シリコン基板1
の温度として200℃を選択した場合には、RFパワー
を0.54W/cm2 〜約2.2W/cm2 の範囲を選択す
ることにより800Å以上の結晶粒径を得ることができ
る。シリコン基板1の温度として100℃を選択した場
合には、RFパワーを0.54W/cm2 〜約1.6W/
cm2 の範囲を選択することにより800Å以上の結晶粒
径を得ることができる。
板1の温度との成膜条件の組合せにより白金抵抗膜6の
TCRの値が変化することが分かる。すなわち、シリコ
ン基板1の温度として300℃〜500℃を選択した場
合には、RFパワーを0.54W/cm2 〜2.7W/cm
2 の何の範囲を選択してもTCRを3200(ppm)
以上にすることができる。シリコン基板1の温度として
200℃を選択した場合には、RFパワーを0.54W
/cm2 〜約2.4W/cm2 の範囲を選択することにより
TCRを3200(ppm)以上にすることができる。
シリコン基板1の温度として100℃を選択した場合に
は、RFパワーを0.54W/cm2 〜約1.6W/cm2
の範囲を選択することによりTCRを3200(pp
m)以上にすることができる。
グ法によって形成するときに、成膜条件として、0.5
4W/cm2 〜2.7W/cm2 の範囲のRFパワーと、1
00℃〜500℃の範囲のシリコン基板1の温度との組
合せを選択することにより、白金抵抗膜6の結晶粒径及
び抵抗温度係数を任意値に設定するようにした。従っ
て、TCRを所望の値以上に高めるとともに、TCRの
バラツキを小さくすることが可能となる。以上は請求項
2記載の発明に対応する効果である。
び図8を参照して説明する。本実施の形態及びこれに続
く実施の形態において、前実施の形態と同一部分は同一
符号を用い説明も省略する。本実施の形態では湿度セン
サの構成について説明する。図7は薄膜式抵抗体11の
構成を示す平面図、図8は一部を断面にして二つの薄膜
式抵抗体11a,11bを具備する温度センサS2の概
略構成を示す側面図である。この場合、二つの薄膜式抵
抗体11が前実施の形態における薄膜式抵抗体10と異
なる点は、シリコン基板1上の白金抵抗膜6が一つであ
る点のみが異なり、その他の点は図1及び図2で示した
薄膜式抵抗体10と同様であり、薄膜形成プロセス及び
凹部9の形成プロセスは図1で示したプロセスと同様で
ある。
することにより湿度を求めるが、室温の変化により湿度
の測定値が変化することを防止するため、図8に示すよ
うに、一般的には二つの薄膜式抵抗体11a,11bを
実装基板12に実装し、一方の薄膜式抵抗体11bをケ
ーシング13により密閉して不活性ガスを充填した雰囲
気内に置いている。二つの薄膜式抵抗体11a,11b
は約400℃になるように、また、湿度が零のときに薄
膜式抵抗体11a,11bの白金抵抗膜6への電流が等
しくなるように制御回路(図示せず)によりコントロー
ルされる。湿度を含むガスが存在すると、ケーシング1
3により密閉された薄膜式抵抗体11bは影響を受けな
いが、他方の薄膜式抵抗体11aは湿度による放熱の違
いにより白金抵抗膜6への電流値が異なるため、薄膜式
抵抗体11a,11bの電流値の差により湿度が計測さ
れる。
び図10を参照して説明する。本実施の形態ではガスセ
ンサの構成について説明する。図9は薄膜式抵抗体の製
造過程を示す断面図、図10はガスセンサの概略構成を
示す平面図である。以下、ガスセンサの構成をその製造
過程順に説明する。
コン基板1の表面に絶縁膜3、白金膜4、この白金膜4
をパターニングする際のマスク材となる絶縁体5を順次
積層して形成する。次に、図9(b)に示すように、白
金膜4及び絶縁体5をパターンニングし、白金抵抗膜6
とこの白金抵抗膜6に連続するボンディングパッド6a
とのパターンを形成する。次に、図9(c)に示すよう
に、白金抵抗膜6、ボンディングパッド6aを含めてシ
リコン基板1の表面にパッシベーション膜7を成膜す
る。次に、図9(d)に示すように、パッシベーション
膜7をパターンニングし、パッシベーション膜7及び絶
縁膜3の所望の一部をエッチングすることにより、ボン
ディングパッド6aの中央部を露出するとともに、シリ
コン基板1の表面の一部を露出する。ここまでのプロセ
スは図1(a)〜(d)に示す通りであるが、本実施の
形態では、このパターニング時に後述するガス検知用半
導体とのコンタクトホールを形成する。
8上の絶縁膜3上にガス検知用半導体電極14とこれに
連続するボンディングパッド14aとを形成し、このガ
ス検知用半導体電極14の上にガス検知用半導体15を
形成する。このガス検知用半導体15はSnO2 をCV
D(Chemical Vapor De-position)により1μm程形成
しパターニングする。
を残して凹部9を形成する。この凹部9は図1(e)に
おいて説明したように異方性エッチングにより行われる
このような工程を経て薄膜式抵抗体16が形成される。
と外部回路(図示せず)とをワイヤにより接続するワイ
ヤボンディングを行うことによりガスセンサS3が形成
される。
6に電流を流してガス検知用半導体13を400℃に加
熱する。ガス検知用半導体15は還元性ガスに触れると
抵抗値が下がり、酸化性ガスに触れると抵抗値が高くな
るので、白金抵抗膜6の抵抗値によりガスが検知され
る。
1を参照して説明する。本実施の形態では温度センサの
構成について説明する。図11は温度センサS4の概略
構成を示す平面図である。この温度センサS4が用いる
薄膜式抵抗体17が図1で示した薄膜式抵抗体10と基
本的に異なる点は、シリコン基板1上の白金抵抗膜6が
一つであることである。その他の点は図1及び図2で示
した薄膜式抵抗体10と基本的に同様であり、薄膜形成
プロセス及び凹部9の形成プロセスは図1で示したプロ
セスと同様である。白金抵抗膜6はボンディングパッド
6aを介して外部回路に接続されている。
の温度依存性を利用したものである。すなわち、温度に
よって白金抵抗膜6の抵抗値が変化するので、この白金
抵抗膜6の抵抗値の変化を検出することで温度が求めら
れる。
記載の流量センサ、請求項4記載の湿度センサ、請求項
5記載のガスセンサ、請求項6記載の温度センサは、基
板上の金属抵抗膜が、スパッタリング法により結晶粒径
が800Å以上に定められた白金抵抗膜により形成され
ているので、TCRを所望の値以上に高めるとともに、
TCRのバラツキを小さくすることができる。これによ
り、経時変化に対する信頼性及び製造工程での歩留まり
を高めることができる。
は、基板の表面に白金抵抗膜をスパッタリング法によっ
て形成するときに、成膜条件として、0.54W/cm2
〜2.7W/cm2 の範囲のRFパワーと、100℃〜5
00℃の範囲の基板の温度との組合せを選択することに
より、白金抵抗膜の結晶粒径及び抵抗温度係数を任意値
に設定するようにした。従って、TCRを所望の値以上
に高めるとともに、TCRのバラツキを小さくすること
ができる。これにより、経時変化に対する信頼性及び製
造工程での歩留まりを高めることができる。
体の製造過程を示す断面図である。
により示すグラフである。
率との関係を実験により示すグラフである。
関係を実験により示すグラフである。
係を実験により示すグラフである。
体の構成を示す平面図である。
側面図である。
体の製造過程を示す断面図である。
サの概略構成を示す平面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 絶縁された基板の表面に、温度依存性の
金属抵抗膜が形成された薄膜式抵抗体において、前記金
属抵抗膜はスパッタリング法により結晶粒径が800Å
以上に定められた白金抵抗膜により形成されていること
を特徴とする薄膜式抵抗体。 - 【請求項2】 絶縁された基板の表面に白金抵抗膜をス
パッタリング法によって形成するときに、成膜条件とし
て、0.54W/cm2 〜2.7W/cm2 の範囲のRFパ
ワーと、100℃〜500℃の範囲の基板の温度との組
合せを選択することにより、白金抵抗膜の結晶粒径及び
抵抗温度係数を任意値に設定するようにしたことを特徴
とする薄膜式抵抗体の製造方法。 - 【請求項3】 請求項1記載の薄膜式抵抗体を具備する
ことを特徴とする流量センサ。 - 【請求項4】 請求項1記載の薄膜式抵抗体を具備する
ことを特徴とする湿度センサ。 - 【請求項5】 請求項1記載の薄膜式抵抗体を具備する
ことを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項6】 請求項1記載の薄膜式抵抗体を具備する
ことを特徴とする温度センサ。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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