JP5609919B2 - マイクロヒータ素子 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン化合物等の支持膜の表面に形成された発熱体であるマイクロヒータを有するマイクロヒータ素子に関するものである。本マイクロヒータ素子は、例えば、赤外線検知センサやガス量等を検知するセンサを加熱するというような用途に用いられる。

近年、半導体チップ上に形成される熱式流量計やガスセンサ等が提供されている。これらには、その検出原理で必要となるマイクロヒータが設けられている。マイクロヒータとは薄膜で形成された抵抗発熱体で、電流を流すことによりジュール熱を発生させる。このようなマイクロヒータは、通常、昇温時における基板への熱の逃げを抑制するために、マイクロヒータの膜厚が数μｍ程度の薄膜構造となるメンブレン構造やマイクロブリッジ構造といった断熱構造を採用している。

特許文献１には、マイクロブリッジ構造によるマイクロヒータが開示されている。マイクロブリッジ構造とは、支持脚等によって薄膜部を基板から隔離、浮かせた構造体のことで、このマイクロヒータは折り返し部分を曲線で構成することにより、部分的な温度上昇による抵抗値の経時的変化が起こりにくく、抵抗値のバラツキが小さいマイクロヒータを提供している。

特許文献２には、これら基板上に形成したヒータを利用した湿度センサが開示されている。

特開平１１−２８１４４４号公報 特開２００６−１５３５１２号公報

特許文献１においては、マイクロヒータ電極内における局所的な形状による温度分布の改善はできるが、マイクロブリッジ上の広範囲な温度分布までは改善できない。すなわち、マイクロブリッジ上のマクロヒータ電極がある部分の温度が高く、その周囲で温度が低いなどの分布が生じるといった問題がある。

特許文献２においては、配線パターンによる膜厚段差があるため、総膜厚が広範囲にわたって均一でなく、膜厚が厚い部分および薄い部分ができてしまう。そのため、膜厚の違いにより熱容量が場所によって異なりヒータから暖められる領域で熱分布が発生してしまうといった問題がある。

本発明は、以上の点を考慮してなされたもので、マイクロヒータによる温度分布が均一なマイクロヒータ素子を提供することを目的とする。

本発明は、基板上に、薄膜からなるマイクロヒータと、薄膜サーミスタが積層されており、さらにメンブレン構造を有しているマイクロヒータ素子であって、前記薄膜サーミスタは、一対の櫛歯電極を有しており、積層方向からみて、一対の前記櫛歯電極によって囲まれた領域が形成されており、前記マイクロヒータと一対の前記櫛歯電極は、積層方向からみて、前記領域内で、互いに重ならないように配置されていることを特徴とするマイクロヒータ素子である。

このような構成にすることにより、マイクロヒータによる温度分布が均一なマイクロヒータ素子を得ることができる。すなわち、マイクロヒータと薄膜サーミスタ電極配線が、積層方向からみて重なることにより生じてしまう膜厚段差を、お互いの膜厚により解消できるという効果もあり、このことも、マイクロヒータによる温度分布を均一にすることについて貢献している。

また、積層方向からみて、前記マイクロヒータが、前記領域外で、一対の櫛歯電極の外周を取り囲むように配置することで、櫛歯電極の外側からメンブレンの中央に向かって伝わる熱の流れもできるため、メンブレンの中央からの熱の流れを抑制させることができるばかりでなく、外周部の温度の低い箇所が回りを囲むマイクロヒータによって暖められるので温度分布が効果的に改善されるので、さらに好ましい。

また、前記薄膜サーミスタ上に、絶縁層を介して、温度分布改善層をさらに設けることにより、メンブレン中央と基板側の低温部との温度差が温度分布改善層を伝わって早急に緩和されるため、メンブレン内での温度分布を非常に小さくすることができるので、さらに好ましい。

本発明により、マイクロヒータによる温度分布が均一なマイクロヒータ素子が得られる。

実施形態と実施例１によるマイクロヒータ素子の平面透視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の詳細な平面透視図である。 実施例１によるマイクロヒータ素子の製造工程断面図である。 実施例１によるマイクロヒータ素子の製造工程断面図である。 実施例１によるマイクロヒータ素子の製造工程断面図である。 実施例１によるマイクロヒータ素子の製造工程断面図である。 比較例１によるマイクロヒータ素子の平面透視図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。 実施例２によるマイクロヒータ素子の平面透視図である。 実施例３によるマイクロヒータ素子の断面図である。 実施例４によるマイクロヒータ素子の平面透視図である。 実施例５によるマイクロヒータ素子の断面図である。 実施例６によるマイクロヒータ素子の断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

図１及び図２を参照しながら、本実施形態のマイクロヒータ素子１の構造について説明する。ここで、図１はマイクロヒータ素子１の平面透視図、図２は図１のＡ−Ａでマイクロヒータ素子１を切断した断面図である。本実施形態によるマイクロヒータ素子１は、基板２、絶縁膜３、マイクロヒータ４、マイクロヒータ保護膜５、薄膜サーミスタ電極６、薄膜サーミスタ７、薄膜サーミスタ保護膜８を備える。

基板２としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチングなどの微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではない。例えば、シリコン(Ｓｉ）単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板などが好適である。基板の表面および裏面には、Ｓｉ酸化膜又はＳｉ窒化膜などの絶縁膜３が形成される。絶縁膜３として、例えばＳｉ酸化膜を形成するには、熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による成膜法を適用すればよい。膜厚は、絶縁膜３上に形成する膜と基板との絶縁がとれ、かつキャビティ１０を形成する際のエッチング停止層として機能すればよい。通常０．１〜１．０μｍ程度が好適である。

基板２には、マイクロヒータ４を高温動作させた時に、熱が基板へ伝導するのを抑制するためにマイクロヒータ４の位置に対応して基板の一部を薄肉化したキャビティ１０を有している。このキャビティ１０により基板が取り除かれた部分はメンブレン９と呼ばれる。メンブレン９では基板を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、非常に少ない消費電力でマイクロヒータ４を高温にすることができる。また、基板２への伝導経路が数μｍの薄膜部分のみで形成された断熱構造であるため、基板２への熱伝導が小さく、効率よくマイクロヒータ素子１を高温にすることができる。

図２において、マイクロヒータ４の実際の温度検出用として、薄膜サーミスタ７が形成されている。薄膜サーミスタ７は櫛歯電極６Ａ、６Ｂを備え、マイクロヒータ４を覆うように形成される。これによりマイクロヒータ４の高温駆動中の実際の温度を直接検出することができる。このため所望の温度であるかどうかの検出機能を有するだけでなく、得られた電気信号より駆動電圧の調整によりマイクロヒータ４の温度コントロールが可能となる。

薄膜サーミスタ７を形成するサーミスタの材質としては、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の温度抵抗係数を持つ材料をスパッタ法、ＣＶＤなどの薄膜プロセスを用いて形成する。膜厚は目標とするサーミスタ抵抗値に応じて調整すればよく、例えばＭｎＮｉＣｏ系酸化物を用いて室温での抵抗値（Ｒ２５）を１４０ｋΩ程度に設定するのであれば、素子の電極間の距離にもよるが０．２〜１μｍ程度の膜厚に設定すればよい。

薄膜サーミスタ７の電気信号を取り出す為に、薄膜サーミスタ電極６が形成される。薄膜サーミスタ７の薄膜サーミスタ電極６は一対の櫛歯電極６Ａと６Ｂからなり、それぞれの平面形状は、櫛形状であって、櫛歯電極６Ａと６Ｂが組み合わさって薄膜サーミスタ電極６を形成している。薄膜サーミスタ電極６の材質としては、薄膜サーミスタ７の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。

図３は、図１と同じ実施形態の平面透視図であるが、追加の情報を入れ込んだ図である。図１と図３において、マイクロヒータ素子１を積層方向からみて、薄膜サーミスタ７の薄膜サーミスタ電極６の間にマイクロヒータ４が形成されている。すなわち、薄膜サーミスタ７は、一対の櫛歯電極６Ａ、６Ｂを有しており、積層方向からみて、一対の櫛歯電極によって囲まれた領域２０が形成されており、マイクロヒータ４と一対の櫛歯電極６Ａ、６Ｂは、積層方向からみて、領域２０内で、互いに重ならないように配置されている。

マイクロヒータ４の配線幅は、薄膜サーミスタ７の薄膜サーミスタ電極６間の間隙と同じであることが望ましい。また、マイクロヒータ４の膜厚は薄膜サーミスタ電極６と同じであることが望ましい。図５は比較例１の平面透視図であるが、実施形態とは異なり、マイクロヒータ４と薄膜サーミスタ７の配線が積層方向からみて、重なるように配置されているが、図５のＢ−Ｂ断面図が図６であるが、図６の比較例１のような場合には、工程上の段差１９が生じてしまうという問題もある。

しかしながら、本実施形態のような配線の配置にすることにより、マイクロヒータ４と薄膜サーミスタ電極６が、積層方向からみて重なることにより生じてしまう図６のような膜厚段差１９が、お互いの膜厚により解消される。これにより、薄膜サーミスタ７の櫛歯電極６Ａ、６Ｂで囲まれた領域２０は厚みが均一になり、厚みばらつきが少ない平らな形状になり、温度分布の少ないマイクロヒータ素子１を形成することができる。

マイクロヒータ４の材質としては、薄膜サーミスタ７の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、例えば、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｉｒ又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、さらに耐腐食性が高い、Ｐｔなどがより好適である。また絶縁膜３との密着性を向上させるためにはＰｔの下部にはチタン(Ｔｉ)などの密着層を形成するのが好ましい。

また、図１において、マイクロヒータ４と薄膜サーミスタ電極６からの基板２上へのそれぞれの引き出し配線４Ａ、４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂは、メンブレン９の中心から放射状に等間隔かつ交互に配置されていることが望ましい。実施形態のマイクロヒータ素子１は、マイクロヒータ４を駆動させるため、また薄膜サーミスタ７の電気信号を検出するために電気接続配線が必要であるが、この、それぞれの引き出し配線４Ａ、４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂが形成されている部分は膜厚が厚くなってしまい熱容量が変わってしまう。また、一般的に引き出し配線として使われる材料は導電性を有するが、同時に熱伝導も大きいため、引き出し配線４Ａ、４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂを伝わって熱が基板２へ逃げてしまう。そのため、メンブレン９において温度分布が発生する。

そこで、引き出し配線４Ａ、４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂを偏りなく均等に最適配置させることで温度分布を改善することが可能となる。すなわち、引き出し配線４Ａ、４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂをメンブレン９の中心から放射状に等間隔に配置することで熱容量の大きい箇所、熱伝導が大きい箇所をメンブレン９内で均等に配置することになるので温度分布の偏りをなくすことができる。合わせて、発熱源となるマイクロヒータ４と、熱伝導が高く熱の逃げ道となる薄膜サーミスタ電極６を交互に配置させる、つまり、図１において、薄膜サーミスタの引き出し配線を１６Ａ、１６Ｂとして、マイクロヒータ４の引き出し配線を４Ａ、４Ｂとすると、１６Ａを基準として、時計周りにみていくと、１６Ａの隣には、４Ｂがあり、４Ｂの隣には、１６Ｂがあり、１６Ｂの隣には４Ａがあり、４Ａの隣には１６Ａというように、薄膜サーミスタの引き出し配線と、マイクロヒータ４の引き出し配線が、積層方向から見て、交互に配置することで、発熱体と熱の逃げ道とを効率よく均等に配置することになるのでメンブレン９の熱分布はよりいっそう改善される。

図２において、マイクロヒータ４及び絶縁膜３を覆うようにマイクロヒータ保護膜５が形成される。マイクロヒータ保護膜５としては、絶縁膜３と同じ材料であることが望ましい。マイクロヒータ４は数百度にまで上昇し、次に常温へ下がるという熱ストレスを繰り返し受ける。この熱ストレスを継続的に受けると層間剥離やクラックといった破壊につながる。同じ材料同士は、異種材料を積層した場合に比べて材料特性が同じであり密着性が強固で機械的強度も強い。このため、マイクロヒータ４の熱ストレスに対しても破壊を防止することができる。マイクロヒータ保護膜５として、例えばＳｉ酸化膜を形成するには、熱酸化法やＣＶＤによる成膜法を適用すればよい。膜厚は、マイクロヒータ４を確実に覆うことができ層間絶縁ができる厚みが良い。通常０．１〜３．０μｍ程度が好適である。

薄膜サーミスタ７に、複合金属酸化物等を利用する場合においては、マイクロヒータ保護膜５は、絶縁性を有する酸化膜であることが望ましく、例えばＳｉ酸化膜等が望ましい。マイクロヒータ保護膜５の上には薄膜サーミスタ７および薄膜サーミスタ電極６が形成される。マイクロヒータ保護膜５は、マイクロヒータ５の保護膜であると同時に、薄膜サーミスタ７の下地層でもあり、薄膜サーミスタ７と直接接触する。

一般的に、複合金属酸化物を利用したサーミスタは、高温で還元劣化があるためサーミスタ全体を耐還元材料でコーティングする方法が知られている。即ち、サーミスタを還元性を持つ材料と接触させて高温状態にすると、サーミスタから酸素を奪って還元を引き起こし、サーミスタ特性に影響を与えてしまう。よって薄膜サーミスタ保護膜８においてもＳｉ酸化膜等の絶縁性を有する酸化膜であることが望ましい。

また、同様な理由により、薄膜サーミスタ電極６は薄膜サーミスタ７の基板側に形成されていることが望ましい。すなわち、マイクロヒータ４上に、絶縁層であるマイクロヒータ保護膜５を介して、一対の櫛歯電極６Ａ、６Ｂ、薄膜サーミスタ７の順に積層し形成されている。つまり、薄膜サーミスタ電極６の上に薄膜サーミスタ７が形成される。一般的に、薄膜電極は、電極材料と下地との密着力を上げるために密着層が形成される。例えばクロム（Ｃｒ）やＴｉ等が数ｎｍ程度の膜厚で形成される。薄膜サーミスタ７上に薄膜サーミスタ電極６が形成された場合、この密着層が直接薄膜サーミスタと接触し、サーミスタからの酸素を奪う等により酸化することで、界面抵抗が上昇し薄膜サーミスタ７の検出特性が変動してしまい好ましくない。

薄膜サーミスタ電極６、マイクロヒータ４はメンブレン９の外で、電極パッド１１と接続される。電極パッド１１は、ワイヤーボンドやフリップチップボンディングなどで電気的接続を行うために、例えばアルミニウム（Ａｌ）やＡｕなどの材料で形成され、必要に応じて積層してもよい。

なお、マイクロヒータ４の温度検出としては薄膜サーミスタ７が好適である。まず、薄膜の積層構造であるために、マイクロヒータ４の発熱を直上にて直接検出することができる。また、一般的に、薄膜サーミスタ７はサーミスタの電気信号を取り出すために薄膜サーミスタ電極６により構成される。薄膜サーミスタ電極６は、抵抗値の調整や、信頼性の面で、多くは一対の櫛歯形状の電極６Ａ、６Ｂを構成することがほとんどである。この際に、上下またはどちらか一方に積層形成されるマイクロヒータ４を櫛歯電極６Ａ、６Ｂと重ならないように配置し、かつ膜厚や電極間、配線幅を最適化することで、配線パターン等により形成されてしまう、例えば図６で示すような段差１９を相殺しあい、厚みが均一で平らなマイクロヒータ素子１を作製することができる。よって、膜厚の不均一による熱容量の分布がない、マイクロヒータ面内で均熱のとれたマイクロヒータ素子１を形成することが可能となる。

（実施例１）
実施形態に基づく、実施例１の薄膜サーミスタ７を有するマイクロヒータ素子１の具体的な製造方法について、図を用いて説明する。

まず、Ｓｉからなり、誘電率が２．４で、板厚が２５０μｍである基板２の２つの主面に、熱酸化法により厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２膜を略全面に形成し絶縁膜３とした。

次いで、図４ａに示すように、基板２の一方の主面上の絶縁膜３の表面に、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ５ｎｍのＴｉからなる密着層１２を形成し、その上に、厚さ１００ｎｍのＰｔからなる金属層１３を略全面に形成し、マイクロヒータ４とした。なお、Ｔｉからなる密着層１２はＰｔからなる金属層１３と絶縁膜３とを密着させるための密着層である。なお、必要に応じて、Ｔｉからなる密着層１２はなくてもよい。

マイクロヒータ４の材質としては、薄膜サーミスタ７の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層１３であって、例えば、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｉｒ又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、さらに耐腐食性が高い、Ｐｔなどがより好適である。また絶縁膜３との密着性を向上させるためにはＰｔの下部にはチタン(Ｔｉ)などの密着層１２を形成するのが好ましい。

その後、図４ａに示すように、形成されたマイクロヒータ４上に、フォトリソグラフィにてミアンダ状など所望の形状のエッチングマスク１４をフォトレジストで形成した後、エッチングマスク１４で覆われていないＰｔからなる金属層１３および、Ｔｉからなる密着層１２をイオンミリング法によりエッチングする。そして、エッチングマスク１４を除去することにより、マイクロヒータ４を所望の形に形成する。なお、図４ｂのマイクロヒータ４は、密着層１２と、金属層１３の２層構造であるが、便宜上、以後は、マイクロヒータ４と表示することとする。

続いて、図４ｂに示すように、マイクロヒータ４及び絶縁膜３を覆うように、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）−ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜を成膜することで、厚さ０．４μｍのマイクロヒータ保護膜５を形成した。ここで絶縁膜３と同じＳｉ酸化膜とすることで、マイクロヒータ４の動作時における熱ストレスに対しても強固に保護膜としての機能を果たす。事前に行った実験では保護膜３をＳｉ窒化膜としてマイクロヒータ４を作成し駆動させた場合にこの保護膜３との界面付近において剥離が生じてしまった。

さらに、図４ｃに示すように、マイクロヒータ保護膜５表面に、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ５ｎｍのＴｉからなる密着層２２、および、厚さ１００ｎｍのＰｔからなる金属層２３を順次形成し、薄膜サーミスタ電極６とする。Ｔｉからなる密着層２２はＰｔからなる金属層２３とマイクロヒータ保護膜５とを密着させるための密着層である。ここでも、必要に応じて、Ｔｉからなる密着層２２はなくてもよい。
形成された薄膜サーミスタ電極６上に、フォトリソグラフィにて櫛歯状など所望の形状のエッチングマスク１５をフォトレジストで形成した後、エッチングマスク１５で覆われていない密着層２２および金属層２３をイオンミリング法によりエッチングする。

その後、図４ｄに示すように、エッチングマスク１５を除去することにより、薄膜サーミスタ７の一対の櫛歯電極６Ａ、６Ｂの間隙が２５ミクロンである、薄膜サーミスタ電極６を形成する。なお、一対の櫛歯電極６Ａ、６Ｂが、図１のＡ−Ａ断面でみて、水平方向に交互に配置されている。

次いで、図２に示すように、形成した薄膜サーミスタ電極６の表面に、スパッタ法によりＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を成膜することで、厚さ０．４μｍ、抵抗値１４０ｋΩのマイクロヒータ温度検知膜として機能する、薄膜サーミスタ薄膜７を形成した。このスパッタは、マルチターゲットスパッタ装置を使用し、基板温度６００℃、アルゴン（Ａｒ）圧力０．５Ｐａ、Ｏ_２／Ａｒ流量比２％、投入電力４００Ｗの条件下で実施した。その後、ＢＯＸ焼成炉を使用し、熱処理を大気雰囲気中で６５０℃、１時間の条件下で実施した。なお、図２の薄膜サーミスタ電極６は、密着層２２と、金属層２３の２層構造であるが、便宜上、以後は、薄膜サーミスタ電極６と表示することとする。

ところで、本実施形態のマイクロヒータ素子１は、薄膜サーミスタ７によりマイクロヒータ４の動作温度を直接検出することができる。これにより動作中の温度を所定値で安定維持できるようにフィードバック制御することが可能である。あわせて、経時劣化にともなうマイクロヒータ抵抗の変化、すなわち動作温度の変化を、薄膜サーミスタ７により検出することも可能である。このため、マイクロヒータを使ったセンサ等で使用する場合に、出力が経時的に変化してしまって測定値に誤差が生じてしまっていたという問題も解決できる。

続いて、フォトリソグラフィにより、所望のエッチングマスクを作成し、塩化第二鉄水溶液を用いてウェットエッチング処理し非マスク領域のＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を除去した。その後、エッチングマスクを除去することにより、薄膜サーミスタ７を形成した。

次に、薄膜サーミスタ７を覆うように、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜を成膜することで、厚さ０．４μｍの薄膜サーミスタ保護膜８を形成した。

そして、図示していないが、電極パッド１１を配置する部位を除く薄膜サーミスタ保護膜８上にフォトリソグラフィによりエッチングマスクを作成し、電極パッド１１を配置する部位にウェットエッチング処理を施し、ＳｉＯ_２膜を除去することで開口を形成し、電子ビーム蒸着法により厚さ１．０ミクロンのＡｌ金属薄膜を形成し、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したＡｌ金属薄膜以外の部位のＡｌおよびマスクを除去し、電極パッド１１を形成した。

最後に、図２に示すように、基板２の裏面にフォトリソグラフィによりエッチングマスクを形成したのち、裏面側をフッ化物系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって絶縁膜３を除去した。その後、フッ化物系ガスを用いたＲＩＥによって基板２を除去し、一辺が７５０μｍ程度のキャビティ１０を形成した。基板２を除去しキャビティ１０を形成するには、エッチングとバリア層形成を交互に行いながら垂直に加工する深堀りＲＩＥ（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ、Ｄ−ＲＩＥ）法を用い、メンブレン９を得た。

（比較例１）
実施例１と同様な製造方法で、比較例１を作成した。実施例１と異なる点は、マイクロヒータ４と薄膜サーミスタ電極６が、比較例１を図５に示すように、積層方向からみて、マイクロヒータ４と薄膜サーミスタ電極６が重なるように配置されている点である。図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。図６に示すように、工程上の段差１９が、形成されている。

実施例１と比較例１を図示しない赤外線カメラを使ってマイクロヒータ素子１の温度分布を確認した。マイクロヒータ素子１の最高温度点が１００℃になるように電圧印加し、図３に示したように、薄膜サーミスタ７の櫛歯電極６Ａ、６Ｂで囲まれた領域２０の２点、Ｄ、Ｅの温度を測定した。Ｄ点は下層にマイクロヒータ４が配置されるが、薄膜サーミスタ電極６はない地点である。Ｅ点は下層にマイクロヒータ４はないが、薄膜サーミスタ電極６が配置されている地点で、メンブレン９内での温度分布の影響を受けないように、２点はすぐ隣の隣接する点を選択した。また、マイクロヒータ素子１と図示しない赤外線カメラとの距離は５センチで、測定環境の影響を受けないように温湿度管理された空間で行った。また、基板は２５℃に温度制御された筐体に直接接触させ固定した。また、領域２０内おいて、薄膜サーミスタ電極６から電極パッド１１へと接続される部分であって、最低温度部と考えられる点、すなわち、図３のＦ点についても測定した。表１は、実施例１から４と、比較例１から３についての実験の結果を示したデータである。

比較例１においては、メンブレン９の中央が最も高温になり１００℃を示した。先ほどと同じ位置の２点において同様に温度測定した。ただし、図５のように、下層における層構成が異なり、下層にマイクロヒータ４および薄膜サーミスタ電極６が配置されている地点であるＥ点と、下層にマイクロヒータ４および薄膜サーミスタ電極６がない地点であるＤ点となる。

この結果、表１より、比較例１においては、Ｄ点では９７．７℃、Ｅ点では８７．３℃、Ｆ点では６９．３℃であった。下層にマイクロヒータ４および薄膜サーミスタ電極６が配置されている地点であるＥ点の方が、Ｄ点よりも１０．４℃低い結果となった。これは、比較例１の構成において、Ｅ点では発熱源であるマイクロヒータ４の直上に熱伝導の高い薄膜サーミスタ電極６が形成されていることで、この薄膜サーミスタ電極６が熱を基板へ逃がすパスになっているためである。また、マイクロヒータ４および薄膜サーミスタ電極６の分だけ膜厚が厚いため熱容量も大きくなり、表面温度が低くなったためである。

一方、Ｄ点の下層にマイクロヒータ４および薄膜サーミスタ電極６がない地点においては、熱を逃がすパスがなく、かつ膜厚が薄く熱容量が小さいために熱がこもり、温度が高くなった。この結果、図３の領域２０において、温度の高い箇所、低い箇所が規則的に存在しマイクロヒータ素子１の温度分布が発生してしまった。なお、Ｆ点での温度が最低温度となっているのは、基板２に近くなるほど熱が逃げやすくなるため温度が下がる傾向があるためである。また、Ｆ点は基板２への引き出し配線上であるために熱が容易に基板２に逃げ易くなっているためで、領域２０において一番温度が低い部分となる。

一方、比較例１に対し、実施例１においても、メンブレン９の中央が最も高温になり１００℃を示した。表１において、実施例１では、この時、領域２０における上述の２点を測定しＤ点は９６．６℃、Ｅ点は９５．４℃、Ｆ点は８０．２℃で、Ｄ点とＥ点の温度差は１．２℃であった。また、領域２０の外側、すなわち基板側に近づくほど温度が下がる傾向が確認され、メンブレン９の中央の１００℃を最高温度に同心円状に温度分布が確認された。また、Ｆ点についても、比較例１に比べて、温度が高くなっており、改善が確認された。これは、比較例１におけるＦ点では、マイクロヒータ４が形成されている分だけ膜厚が厚く、結果として熱容量が大きいことにより温度が低くなったと考えられる。すなわち、比較例１に対し、実施例１では、温度分布に改善があることを確認できた。

（実施例２）
図７は、実施例２に係わるマイクロヒータ素子１の平面透視図である。実施例１と異なる点は、マイクロヒータ４と薄膜サーミスタ７の一対の櫛歯電極６Ａ、６Ｂを積層方向からみて、マイクロヒータ４が、図３に示した一対の櫛歯電極によって囲まれた領域２０の外で、一対の櫛歯電極６Ａ、６Ｂの外周をも取り囲むように並行して配置されたことが異なる。製造方法は、実施例１と同じでマイクロヒータ４のフォトレジストマスクが異なり、配線パターンのみが異なる。

実施例１と同じ評価系を使用して測定を行った。実施例１と同様にマイクロヒータ素子１の最高温度点が１００℃になるように電圧印加し、領域２０における最低温度を計測した。実施例２において、メンブレン９の中央が最も高温になり１００℃を示した。表１より、領域２０内おいて、最低温度部は薄膜サーミスタ電極６から電極パッド１１へと接続される部分すなわち、図３のＦ点で、８７．３℃であった。なお、Ｆ点の温度は、比較例１では、６９．３℃、実施例１では、８０．２℃であり、やはり、それぞれで、最低温度部となっている。

これは、基板２に近くなるほど熱が逃げやすくなるため温度が下がる傾向があり、また、基板２への引き出し配線上であるために熱が容易に基板２に逃げ易くなっているためである。櫛歯電極６Ａ、６Ｂで囲まれた領域２０においても基板側ほど熱が逃げやすく温度が低い。その点、実施例２では櫛歯電極６Ａ、６Ｂの外側、すなわち基板２に近い領域にマイクロヒータ４の一部を配置し発熱させることで、櫛歯電極６Ａ、６Ｂの外側からメンブレン９の中央に向かって伝わる熱の流れもできるため、メンブレン９の中央からの熱の流れを抑制させることができるばかりでなく、外周部の温度の低い箇所が回りを囲むマイクロヒータ４によって暖められるので温度分布が効果的に改善されたためである。

すなわち、実施例２は、比較例１に比べて、格段に、温度分布に改善が見られた。また、実施例１に対しても、更なる改善が見られた。

（実施例３）
実施例３を図８に示す。実施例１と異なる点は、薄膜サーミスタ電極６が薄膜サーミスタ７の上部に形成されていることである。薄膜サーミスタ７の一対の櫛歯電極６Ａ、６Ｂの積層方向から見た配置は実施例１と同じである。実施例１で示す製造方法において、マイクロヒータ保護膜５を形成した後に、薄膜サーミスタ７を形成し、その後に薄膜サーミスタ電極６を形成する以外は同じである。ここで、薄膜サーミスタ電極６は、以下の通りリフトオフ法で形成した。まず、薄膜サーミスタ７を形成するまでは実施例１の通りで、その後、フォトリソグラフィにより、薄膜サーミスタ電極６を形成する部位以外にフォトレジストを形成した。つづいて、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ５ｎｍのＴｉ金属薄膜２２、および厚さ１００ｎｍのＰｔ金属薄膜２３を順次、略全面に形成する。その後、フォトレジストで覆われていた部分をレジストごと剥離することで、薄膜サーミスタ電極６を形成した。以降、薄膜サーミスタ保護膜８形成と続く。

実施例３で作成したマイクロヒータ素子１を実施例１と同じ評価を行ったが、実施例１と同等の結果でＤ点において９６．５℃、Ｅ点において９５．７℃であった。しかし、このマイクロヒータ素子１を１２５℃１０００ｈｒの長期信頼性試験に投入したところ、薄膜サーミスタ７の抵抗が信頼性投入前に比べて７．０％の抵抗値増加が生じてしまうという問題がみられた。なお、実施例１で作成した素子を比較のために一緒に投入したところ０．５％の抵抗値変化であった。これは、薄膜サーミスタ電極６におけるＰｔからなる金属層２３、Ｔｉからなる密着層２２、および、薄膜サーミスタ７が関係していると考えられる。

すなわち、実施例１のように、薄膜サーミスタ７に対して薄膜サーミスタ電極６が基板側の下側に形成される場合には、基板側から順に密着層２２、金属層２３、薄膜サーミスタ７となり、密着層２２と薄膜サーミスタ７は直接接することはない。一方で、薄膜サーミスタ７に対して薄膜サーミスタ電極６が基板２と反対側の上側に形成される場合には、基板側から順に薄膜サーミスタ７、密着層２２、金属層２３となり薄膜サーミスタ７と密着層２２が直接接することになる。ここでＴｉからなる密着層２２は非常に酸化しやすい性質であるため、高温放置による酸化反応によりＴｉ酸化膜となり、薄膜サーミスタ７とＰｔからなる金属層２３との界面抵抗が増えてしまったために薄膜サーミスタ７の抵抗値変動が起こってしまったと考えられる。

すなわち、実施例３における、Ｔｉからなる密着層２２が酸化して、薄膜サーミスタ７とＰｔからなる金属層２３との界面抵抗が増えてしまうという問題は、実施例３以外の、実施例１をはじめとする実施例により、解決される。

（実施例４）
実施例４として、１つの例を図９に示す。実施例１と実施例４との違いは次の通りである。実施例１は、図１のように、マイクロヒータ４と薄膜サーミスタ電極６からの基板上へのそれぞれの引き出し配線４Ａ、４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂはメンブレン９の中央から放射状に等間隔かつ交互に配置されている。実施例４については、例えば、図９のように、マイクロヒータ４はメンブレン９に対して対角線上に基板への引き出し配線４Ａ、４Ｂが接続されている。一方、薄膜サーミスタ電極６の引き出し配線１６Ａ、１６Ｂは、例えば、図９のように、櫛歯電極６Ａ、６Ｂともに４辺で形成された四角いメンブレン内で、対角線上ではなくマイクロヒータ４の引き出し配線４Ａ側に、偏った配置で引き出されている。すなわち、実施例１と異なり基板上への引き出し配線がメンブレン中央から放射状に等間隔かつ交互に配置されていないことになる。

実施例１と同じ評価系を使用して、同様に図３の領域２０において最高温度が１００℃になるように調整し測定した。評価にあたっては、図９のように、メンブレン９上の領域２０より外側の任意の部分、４点（Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ）の温度測定を行った。それぞれ４点はメンブレン９の中央を原点としてそれぞれ９０度づつ回転させたときに重なる点である。

結果は、表２により、図９のような実施例４においては、Ｎ点とＱ点が同等で４１℃程度、Ｏ点とＰ点がそれぞれ同等で５５℃程度で、Ｎ点とＱ点の温度がＯ点とＰ点の温度よりも低い結果となってしまい問題であるのに対し、実施例１においては、４点ともに５４℃程度となり改善が見られた。この場合、図３の通り、４点ともにマイクロヒータ４の基板２への引き出し配線、４Ａ、４Ｂからと、薄膜サーミスタ７の櫛歯電極６Ａ、６Ｂの基板への引き出し配線１６Ａ、１６Ｂから等しい距離にあるために、４点においては熱分布が同じになり４点が同等の温度となったからである。ただし、図３の領域２０のように、領域２０が正方形状であれば、引き出し配線の４Ａ、４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂは、等間隔となるのであるが、ここでいう、等間隔は、必ず正確な等しい距離を意味するわけではなく、ばらつきなどの誤差を考慮した上での、おおよその概念を含む。

実施例４の２点（Ｎ、Ｑ）の温度が低い問題について、例えば図９の場合だと、発熱源でもあるマイクロヒータ４の基板２への引き出し配線４Ａと２点（Ｎ、Ｑ）の間には薄膜サーミスタ櫛歯電極６Ａ、６Ｂがそれぞれ配置されている。このため、引き出し配線４Ａで発熱した熱が２点（Ｎ、Ｑ）に直接伝わる前に、熱伝導の良い櫛歯電極６Ａ、６Ｂに伝わり、結果として櫛歯電極６Ａ、６Ｂの基板２への引き出し配線を伝って、熱が基板へ逃げてしまったためである。よって、実施例４ではメンブレン９において非常に温度分布の大きいマイクロヒータ素子になってしまった。

すなわち、実施例４における、２点（Ｎ、Ｑ）の温度が低い問題について、実施例４以外の実施例１をはじめとする実施例は、このような配線の構成をとっていないため、解決された。

（実施例５）
実施例５を図１０に示す。実施例１と異なる点は、マイクロヒータ素子１の最表層に温度分布改善層１８が形成されている点である。温度分布改善層１８はキャビティの幅Ｌよりも小さい方が好ましい。これは、基板２が下部に存在する領域まで形成すると基板２への熱の逃げが大きくなってしまうためである。特に、温度分布改善層１８は熱伝導が良好な材質を使用し、パターン形状にあわせた最適な大きさにするのが良い。温度分布改善層１８の材料としては、例えば、Ａｕ、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等があげられるが、これに限定されることはなく、マイクロヒータ素子１の製造工程等の制約を考慮して最適な金属材料を選定すればよい。

実施例５においては、この熱伝導が良好な温度分布改善層１８を利用してメンブレン９の温度分布を小さくすることを目的とする。すなわち、パターン形状にもよるが、メンブレン９の中央は基板２への熱伝導の影響が一番小さいために高温になり、メンブレン中央から基板側へ近づくほど温度が低下していく。ここで、温度分布改善層１８をメンブレン９上に形成することで、メンブレン中央と基板側の低温部との温度差が温度分布改善層１８を伝わって早急に緩和されるため、メンブレン９内での温度分布を非常に小さくすることができる。

ここでは、実施例１と同様のマイクロヒータ素子１において、薄膜サーミスタ保護膜の上に、温度分布改善層１８を形成した。まず、フォトリソグラフィにより、温度分布改善層１８を形成する部位以外にフォトレジストを形成した。つづいて、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ１０ｎｍのＴｉからなる温度分布改善層１８を形成しフォトレジストをリフトオフにより剥離した。その後、基板裏面をＤ−ＲＩＥすることでキャビティ形成しメンブレン９を得た。

実施例５で作成したマイクロヒータ素子１を、実施例２と同じ要領で測定した。マイクロヒータ素子１の最高温度が１００℃になるように印加電圧を調整し、領域２０において最低温度を計測した。両方とも領域２０のメンブレン９の中央付近で１００℃になり、電極パッド１１へと接続される部分であるＦ点でやはり最低温度となった。表１より、図３のＦ点の温度を見ると、比較例１では、６９．３℃、実施例１では、８０．２℃、実施例２では、８７．３℃であり、やはり、それぞれで、最低温度部となっている。それらに対し、実施例５でのＦ点の温度は、９３．４℃と格段に改善されていた。

すなわち、実施例５は、比較例１に比べて、格段に、温度分布に改善が見られた。また、実施例２に対しても、更なる改善が見られた。

（実施例６）
実施例６を図１１に示す。実施例５と異なる点は、赤外線放射層１７が温度分布改善層１８の上に形成されている点である。温度分布改善層１８および赤外線放射層１７はキャビティ幅Ｌよりも小さい方が好ましい。理由は、実施例５の場合と同じである。赤外線放射層１７は、Ａｕ黒、Ｐｔ黒に代表される黒化膜等があげられるが、これに限定したものではなく、無機、有機材料、等これらを組み合わせたものを使用することができる。実施例４ではＡｕ黒を使用した。ここでは、実施例３のマイクロヒータ素子１において、裏面のＤ−ＲＩＥによるキャビティ１０の形成工程前に赤外線放射層１７を形成した。まず、フォトリソグラフィにより、赤外線放射層１７を形成する部位を露出させたマスクをかぶせ、低真空度においてＡｕ黒を蒸着にて形成した。その後、基板裏面をＤ−ＲＩＥすることでキャビティ１０を形成しメンブレン９を得た。また、金属で形成された黒化膜は一般的に密度が低く密着性が低いといった問題があるが、温度分布改善層１８は密着層としての機能も兼ね備えるので赤外線放射層１７の密着性を向上させることもできる。

実施例５および、実施例６で作成したマイクロヒータ素子１を、外部に別で設けた赤外線検知素子を使って評価した。印加電圧はそれぞれ同じにし、マイクロヒータ素子１から直上に１０ｃｍ離れたところに赤外線検知素子として外部に別で設けた図示しないサーモパイルを対向するように設置して受光した赤外線量に応じて信号に変換された出力を比較することで評価した。また、測定環境の影響を受けないように温湿度管理された空間で行った。その結果、実施例６で作成したマイクロヒータ素子１は、実施例５に対して、約２．３倍の出力を得ることができた。すなわち、実施例６のマイクロヒータ素子１においては、放射率の高いＡｕ黒からなる赤外線放射層１７を具備しているため、より効果的に熱放射されているため高い出力を得ることができた。したがって、実施例６では、実施例５に比較して、赤外線放射効率が良くなったことを確認した。

１ マイクロヒータ素子
２ 基板
３ 絶縁膜
４ マイクロヒータ
４Ａ、４Ｂ マイクロヒータからの引き出し配線
５ マイクロヒータ保護膜
６ 薄膜サーミスタ電極
６Ａ、６Ｂ 櫛歯電極
７ 薄膜サーミスタ
８ 薄膜サーミスタ保護膜
９ メンブレン
１０ キャビティ
１１ 電極パッド
１２、２２ Ｔｉ金属薄膜
１３、２３ Ｐｔ金属薄膜
１４、１５ エッチングマスク
１６Ａ、１６Ｂ 薄膜サーミスタからの引き出し配線
１７ 赤外線放射層
１８ 温度分布改善層
１９ 段差
２０ 櫛歯電極６Ａ、６Ｂで囲まれた領域

Claims (4)

1. 基板上に、マイクロヒータと、サーミスタが積層されており、さらにメンブレン構造を有しているマイクロヒータ素子であって、
   前記サーミスタは、一対の櫛歯電極を有しており、
   積層方向からみて、一対の前記櫛歯電極によって囲まれた領域が形成されており、
   前記マイクロヒータと一対の前記櫛歯電極は、積層方向からみて、前記領域内で、互いに重ならないように配置されており、
   前記マイクロヒータと一対の前記櫛歯電極からのそれぞれの引き出し配線は、積層方向からみて、前記メンブレン構造の中心位置から放射状に等間隔で、かつ交互に配置されていることを特徴とするマイクロヒータ素子。
2. 前記マイクロヒータ上に、絶縁層を介して、一対の前記櫛歯電極とサーミスタが、順に積層し形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロヒータ素子。
   
3. 基板上に、マイクロヒータと、サーミスタが積層されており、さらにメンブレン構造を有しているマイクロヒータ素子であって、
   前記サーミスタは、一対の櫛歯電極を有しており、
   積層方向からみて、一対の前記櫛歯電極によって囲まれた領域が形成されており、
   前記マイクロヒータと一対の前記櫛歯電極は、積層方向からみて、前記領域内で、互いに重ならないように配置されており、積層方向からみて、前記マイクロヒータが、前記領域外で、一対の櫛歯電極の外周を取り囲むように配置されたことを特徴とするマイクロヒータ素子。
4. 基板上に、マイクロヒータと、サーミスタが積層されており、さらにメンブレン構造を有しているマイクロヒータ素子であって、
   前記サーミスタは、一対の櫛歯電極を有しており、
   積層方向からみて、一対の前記櫛歯電極によって囲まれた領域が形成されており、
   前記マイクロヒータと一対の前記櫛歯電極は、積層方向からみて、前記領域内で、互いに重ならないように配置されており、前記サーミスタ上に、絶縁層を介して、温度分布改善層が積層され、前記温度分布改善層上に、赤外線放射層が積層されていることを特徴とするマイクロヒータ素子。

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