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JPH0643978B2 - Gas sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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JPH0643978B2 - Gas sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

Gas sensor and manufacturing method thereof

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Publication number
JPH0643978B2
JPH0643978B2 JP61152585A JP15258586A JPH0643978B2 JP H0643978 B2 JPH0643978 B2 JP H0643978B2 JP 61152585 A JP61152585 A JP 61152585A JP 15258586 A JP15258586 A JP 15258586A JP H0643978 B2 JPH0643978 B2 JP H0643978B2
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JP
Japan
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plane
gas sensor
thin film
metal oxide
gas
Prior art date
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Application number
JP61152585A
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JPS638548A (en
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正道 一本松
毅 松本
新吾 薬師寺
治 岡田
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Osaka Gas Co Ltd
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Osaka Gas Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体特性を有する金属酸化物薄膜を備えた
ガスセンサ及びびその製造方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas sensor provided with a metal oxide thin film having semiconductor characteristics and a method for manufacturing the same.

従来技術及びその問題点 現在使用されている半導体ガスセンサは、主に焼結によ
り製造されている。しかしながら、焼結による製造方法
は、工程が複雑で、製品の性能を左右する種々の変動要
因を含む為、製品の信頼性、安定性、耐久性等の点で満
足すべきものとは、言い難い。又、焼結による製品は、
寸法を一定以下とすることが出来ないので、感度が低い
という欠点もある。焼結製品に代わる薄膜型の半導体セ
ンサの開発も進められているが、焼結製品に実用上代替
し得るものは、得られていない。
2. Description of the Related Art Semiconductor Gas Sensors currently used are mainly manufactured by sintering. However, since the manufacturing method by sintering has complicated processes and includes various fluctuation factors that affect the performance of the product, it is difficult to say that it is satisfactory in terms of product reliability, stability, durability, etc. . Moreover, the product by sintering is
Since the size cannot be kept below a certain level, there is also a drawback that the sensitivity is low. Development of thin-film type semiconductor sensors to replace sintered products is also in progress, but no practical alternatives to sintered products have been obtained.

薄膜半導体センサが実用に供し難い一つの理由として、
一般に薄膜型半導体センサは水素検知能には極めて優れ
ているものの、メタンはほとんど検知し得ないことが挙
げられる。この為、例えば、シリコンからなる基板を酸
化してSiO2からなる絶縁膜を形成させ、その上にP
ドープしたSnO2膜を形成する方法(特願昭54−240
94号公報))、SiO2絶縁膜を形成させたシリコン基板
にP又はBをドープさせる方法(特開昭57−1784
9号公報)等が提案されているが、ドーパント原子が均
一にドープされ難いので、所望の効果を得ることは難し
い。
One of the reasons why thin film semiconductor sensors are difficult to put into practical use is
Generally, the thin film type semiconductor sensor is extremely excellent in hydrogen detection ability, but it can be mentioned that methane can hardly be detected. Therefore, for example, by oxidizing a substrate made of silicon is formed an insulating film made of SiO 2, a method of forming a SnO 2 film doped with P t thereon (Japanese Patent Application No. Sho 54-240
94)), and a method of doping P or B into a silicon substrate on which an SiO 2 insulating film is formed (JP-A-57-1784).
However, since it is difficult to uniformly dope the dopant atoms, it is difficult to obtain a desired effect.

問題点を解決する為の手段 本発明者は、上記の如き技術の現状に鑑みて種々実験及
び研究を重ねた結果、蒸着材源として金属及び金属酸化
物の少なくとも1種を使用して、物理的蒸着法(PV
D)により特定の条件下に基板上に蒸着層を形成させる
場合には、気相と接すべき界面に対して特定の結晶構造
を有する薄膜が形成されること、得られた薄膜は、水素
だけではなく、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の
炭化水素類、酸素等の気相成分のセンサとして優れた特
性を発揮することを見出した。即ち、本発明は、以下に
示すガスセンサ素子及びその製造方法を提供するもので
ある。
Means for Solving the Problems The present inventor has conducted various experiments and studies in view of the current state of the art as a result, and as a result, it is possible to use at least one of a metal and a metal oxide as a vapor deposition material source. Evaporation method (PV
When a vapor deposition layer is formed on a substrate under specific conditions according to D), a thin film having a specific crystal structure is formed at the interface to be in contact with the gas phase. It has been found that not only does it exhibit excellent properties as a sensor for hydrocarbons such as methane, ethane, propane and butane, and gas phase components such as oxygen. That is, the present invention provides the following gas sensor element and a method for manufacturing the same.

I.絶縁性基板の表面に形成された金属酸化物薄膜のイ
ンピーダンス変化を利用してガス検出を行なう金属酸化
物薄膜ガスセンサにおいて、 (i) 金属酸化物薄膜が、絶縁性基板面に垂直乃至ほぼ
垂直の方向に径0.001〜10μmの柱状結晶として
形成されており、 (ii) 隣接する柱状結晶間の非融着部の平均長さが柱状
結晶長さの30%以上であることを特徴とするガスセン
サ; [但し、金属がスズである酸化物薄膜ガスセンサのガス
検知表面の結晶配向性及び結晶性をCuKを線源してX
線回折した場合の最強回折線強度をIとし、2番目、
3番目及び4番目に強い回折線強度を夫々I、I
びIとするとき、 (a) (211)面又は(110)面の線強度が最強であり、 I/I≦0.6で且つIの半値幅が0.58以上
であるか、 (b) Iが(110)面又は(101)面の線強度で且つI
(101)面又は(110)面の線強度であり、I/I≧0.
5、I/I<0.6で且つIの半値幅が0.54
以上であるか、 (c) Iが(110)面又は(211)面の線強度で且つI
(101)面又は(110)面の線強度であり、I/I≧0.
5、I/I<0.6で且つIの半値幅が0.58
以上であるか、 (d) I、I及びIがそれぞれ(110)面、(101)面
及び(211)面のいずれかの線強度であり、I/I
0.5、I/I<0.6で且つIの半値幅が0.
61以上であるか、 (e) I、I、I及びIがそれぞれ(110)面、(1
01)面、(211)面及び(301)面のいずれかの線強度であ
り、I/I≧0.5、I/I<0.6で且つI
の半値幅が0.73以上であるか、 (f) Iが(301)面の線強度であり、I/I≦0.
6で且つIの半値幅が0.60以上である場合を除
く]。
I. In a metal oxide thin film gas sensor that performs gas detection by using impedance change of a metal oxide thin film formed on the surface of an insulating substrate, (i) the metal oxide thin film is perpendicular to or almost perpendicular to the surface of the insulating substrate. Is formed as columnar crystals having a diameter of 0.001 to 10 μm in the direction, and (ii) the average length of non-fused portions between adjacent columnar crystals is 30% or more of the columnar crystal length. Gas sensor; [however, the crystal orientation and crystallinity of the gas detection surface of the oxide thin film gas sensor in which the metal is tin is determined by irradiating CuK with X
The strongest diffraction line intensity in the case of line diffraction is I 1 , and the second,
When the third and fourth strongest diffraction line intensities are I 2 , I 3 and I 4 , respectively, the line intensity of (a) (211) plane or (110) plane is the strongest, and I 2 / I 1 ≦ 0.6 and the full width at half maximum of I 1 is 0.58 or more, or (b) I 1 is the line intensity of the (110) plane or the (101) plane and I 2 is
It is the line intensity of the (101) plane or the (110) plane, and I 2 / I 1 ≧ 0.
5, I 3 / I 2 <0.6 and the half width of I 1 is 0.54
Or more, (c) I 1 is the line intensity of the (110) plane or the (211) plane, and I 2 is
It is the line intensity of the (101) plane or the (110) plane, and I 2 / I 1 ≧ 0.
5, I 3 / I 2 <0.6 and the full width at half maximum of I 1 is 0.58
Or more, (d) I 1 , I 2 and I 3 are line intensities of any of (110) plane, (101) plane and (211) plane, and I 3 / I 1
0.5, I 4 / I 3 <0.6, and the half-width of I 1 is 0.
61 or more, or (e) I 1 , I 2 , I 3 and I 4 are (110) plane and (1
The linear intensity of any one of the (01) plane, the (211) plane, and the (301) plane, and I 4 / I 1 ≧ 0.5, I 5 / I 4 <0.6, and I
1 is 0.73 or more, or (f) I 1 is the line intensity of the (301) plane, and I 2 / I 1 ≦ 0.
6 and the half width of I 1 is 0.60 or more].

II.ターゲットとして金属又は金属酸化物を使用し、酸
素を含有する不活性スパッタガス中で絶縁性基板温度5
0〜700℃、スパッタガス圧力1×10-1〜1×10
-4トールの条件下に10Å/分以上の速度で絶縁性基板
上に金属酸化物薄膜を形成させることを特徴とする金属
酸化物薄膜ガスセンサの製造方法。
II. A metal or metal oxide is used as a target, and the insulating substrate temperature is set to 5 in an inert sputter gas containing oxygen.
0 to 700 ° C., sputter gas pressure 1 × 10 −1 to 1 × 10
A method for producing a metal oxide thin film gas sensor, which comprises forming a metal oxide thin film on an insulating substrate at a rate of 10 Å / min or more under the condition of -4 Torr.

本発明ガスセンサの基板としては、シリコン基板、セラ
ミツクス基板、ガラス基板等が使用される。シリコン基
板を使用する場合には、その表面には、常法に従つてS
iOの絶縁層を形成する。基板上に薄膜状の半導体層
として付与される金属酸化物としては、酸化すず、酸化
亜鉛、酸化タングステン、酸化チタン、酸化鉄、酸化マ
グネシウム、酸化モリブデン、酸化ニオブ、酸化タンタ
ル、酸化バナジウム、酸化ジルコニウム、酸化クロム等
が例示される。これ等の酸化物が半導体としての特性を
発揮する為には、完全酸化物から一部の酸素原子が失な
われた、即ち格子欠陥を有する形態をとる必要がある。
この様な格子欠陥の存在は、導電率の測定によつて確認
できる。
As the substrate of the gas sensor of the present invention, a silicon substrate, a ceramics substrate, a glass substrate or the like is used. When a silicon substrate is used, the surface of the silicon substrate is S
forming an insulating layer of iO 2. Examples of the metal oxide provided as a thin film semiconductor layer on the substrate include tin oxide, zinc oxide, tungsten oxide, titanium oxide, iron oxide, magnesium oxide, molybdenum oxide, niobium oxide, tantalum oxide, vanadium oxide, zirconium oxide. , Chromium oxide and the like. In order for these oxides to exhibit the characteristics as a semiconductor, it is necessary that some of the oxygen atoms are lost from the complete oxide, that is, a form having a lattice defect.
The existence of such lattice defects can be confirmed by measuring the conductivity.

本発明ガスセンサにおいて最も重要なことは、金属酸化
物薄膜が絶縁性基板面に垂直乃至ほぼ垂直(基板面の法
線に対し0〜30度程度)の方向に平均代表径0.001μ
m〜10μmの柱状結晶の集合構造体として形成されて
いること、及び隣接する柱状結晶が相互に完全に融着若
しくは密着していてはならず、分解能10Åの性能を有
する電子顕微鏡で観察した場合に柱状結晶間の非融着部
又は非密着部の平均長さが柱状結晶長さの少なくとも3
0%であることである。外見上柱状結晶が形成されてい
る場合であつても、各結晶間の分離状況が上記の要件を
充足しない場合には、ガスに対する感度が極めて低く、
良好なガスセンサとはなり得ない。更に、金属酸化物
が、柱状結晶構造を全く呈しない場合には、ガスに対す
る感度はより低くなり、ガスセンサとはなり得ないこと
は、言うまでもない。本発明における金属酸化物中の柱
状結晶の高さ/平均代表径の比の平均値は、5以上であ
ることが好ましく、10以上であることが特に好まし
い。この比が5未満の場合には、結晶間の分離状況が十
分でない場合が多く、ガスセンサとしての感度が低下す
る傾向がある。なお、本発明ガスセンサにおいては、製
造条件によつては、金属酸化物薄膜の柱状結晶内にデン
ドライト構造(即ち樹枝状微結晶)が形成される場合が
あり、この場合には、ガスセンサとしての感度がより一
層向上することが判明した。
The most important thing in the gas sensor of the present invention is that the metal oxide thin film has an average representative diameter of 0.001 μm in a direction perpendicular to or almost perpendicular to the insulating substrate surface (about 0 to 30 degrees with respect to the normal to the substrate surface).
It is formed as an aggregate structure of columnar crystals of m to 10 μm, and adjacent columnar crystals must not be completely fused or adhered to each other, and observed with an electron microscope having a resolution of 10Å. In addition, the average length of the non-fused portion or non-adhered portion between the columnar crystals is at least 3 of the columnar crystal length.
It is 0%. Even if apparently columnar crystals are formed, if the separation between the crystals does not satisfy the above requirements, the sensitivity to gas is extremely low,
It cannot be a good gas sensor. Further, it goes without saying that when the metal oxide does not exhibit any columnar crystal structure at all, it becomes less sensitive to gas and cannot be used as a gas sensor. The average value of the ratio of the height of columnar crystals / average representative diameter in the metal oxide in the present invention is preferably 5 or more, and particularly preferably 10 or more. When this ratio is less than 5, the separation state between crystals is often insufficient, and the sensitivity of the gas sensor tends to decrease. In the gas sensor of the present invention, depending on the manufacturing conditions, a dendrite structure (that is, dendrite microcrystals) may be formed in the columnar crystals of the metal oxide thin film, and in this case, the sensitivity as a gas sensor is high. Was further improved.

後記実施例からも明らかな如く、本発明ガスセンサにお
ける金属酸化物薄膜中の柱状結晶は、その径及び長さが
極めて均一である。従つて、例えば、平均直径0.1μm
の場合、結晶の70%以上が0.1±0.02μmの範囲内に
あり、平均径の1/2以下及び2倍以上のものはほとんど
存在しない。
As is clear from the examples described below, the columnar crystals in the metal oxide thin film in the gas sensor of the present invention have extremely uniform diameters and lengths. Therefore, for example, the average diameter is 0.1 μm
In this case, 70% or more of the crystals are within the range of 0.1 ± 0.02 μm, and there are almost no crystals having a diameter of 1/2 or less or 2 times or more of the average diameter.

本発明のガスセンサは、以下の様にして製造される。基
板としてセラミツク板及びガラス板を使用する場合には
直接に、又シリコン板を使用する場合にはその表面に常
法に従つてSiO2からなる絶縁層を形成した後、PVD法
により金属酸化物薄膜半導体層を形成する。蒸着操作時
の条件は、蒸着方法、基板の種類、蒸着材料源としての
金属及び金属酸化物の種類等によつて変り得るが、PV
D法に属するスパツタリング法の場合には、基板温度5
0〜700℃、酸素を含有するAr、He、N等の保活性
ガス雰囲気圧1×10-1〜1×10-4トール、膜形成速
度10Å/分以上とする。基板温度が50℃未満の場合
には、明確な結晶構造を示さない塊状の微粒からなる金
属酸化物が相互に密着した状態で基板上に形成されるの
で、ガスセンサは得られない。基板温度が700℃を上
回る場合には、金属酸化物の薄膜の形成中に結晶間の固
体拡散と再結晶とが進行して、金属の溶融によつて生ず
る塊状若しくは粒状固体に類似する粒状構造が形成さ
れ、柱状構造とはならない。不活性ガスの圧力が1×1
-4トール以下の場合には、密度の高い、繊維状の細い
繊維状結晶となり、ガスセンサとしての感度が不十分と
なる。なお、本発明で採用する雰囲気ガス圧範囲内で
も、1×10-1〜9×10-3トールの場合には、基板表
面に形成される金属酸化物結晶の柱状構造が最も顕著と
なつてメタン等の炭化水素類と水素のいずれに対しても
高い感度を示す。一方、雰囲気ガス圧が9×10-3〜1
×10-4トールの場合には、結晶の径が減少して、メタ
ン等の炭化水素類に対する感度が大巾に低下するととも
に、水素に対する感度は、極大となる傾向が認められ
る。金属酸化物の膜形成速度が10Å/分未満の場合に
は、相互に密着した塊状の超微粒子からなる薄膜が得ら
れる様になり、これは、基板に対する密着性にとぼしく
なりかつガスセンサとしての高い感度を有しない。膜形
成速度が10〜400Å/分の場合には、明確な柱状構
造中に前述のデンドライト構造が形成されやすく、炭化
水素類と水素の双方に対して良好な感度を示す。膜形成
速度が400Å/分を上回ると、デンドライト構造はほ
とんど形成されなくなり、かつ柱状構造が塊状構造に若
干近いものとなり、水素に対する感度は良好であるもの
の、炭化水素類に対する感度は、大巾に低下する。膜形
成速度に寄与するのは、主として高周波出力及びターゲ
ット−基板間の距離である。従つて、本発明において
は、高周波出力を10W〜10KW程度、ターゲット−基
板間距離を10mm〜500mm程度とすることが好まし
い。
The gas sensor of the present invention is manufactured as follows. When a ceramic plate and a glass plate are used as the substrate, an insulating layer made of SiO 2 is formed directly on the surface of the substrate when a silicon plate is used, and then a metal oxide is formed by the PVD method. A thin film semiconductor layer is formed. The conditions during the vapor deposition operation may vary depending on the vapor deposition method, the type of substrate, the type of metal and metal oxide as the source of the vapor deposition material, and the like.
In the case of the sputtering method belonging to the D method, the substrate temperature is 5
The atmospheric pressure of the protective gas such as Ar, He, and N 2 containing oxygen is from 1 × 10 −1 to 1 × 10 −4 Torr, and the film forming rate is 10 Å / min or more. When the substrate temperature is lower than 50 ° C., the metal oxide composed of lumpy fine particles that do not show a clear crystal structure is formed on the substrate in close contact with each other, so that a gas sensor cannot be obtained. When the substrate temperature is higher than 700 ° C., solid diffusion between crystals and recrystallization progress during the formation of a thin film of metal oxide, and a granular structure similar to a lump or granular solid produced by melting of a metal. Are formed, and the columnar structure is not formed. Inert gas pressure is 1 × 1
When it is 0-4 Torr or less, fine fibrous crystals having a high density and a fibrous shape are obtained, and the sensitivity as a gas sensor becomes insufficient. Even within the atmospheric gas pressure range adopted in the present invention, in the case of 1 × 10 −1 to 9 × 10 −3 Torr, the columnar structure of the metal oxide crystals formed on the substrate surface is the most prominent. It has high sensitivity to both hydrocarbons such as methane and hydrogen. On the other hand, the atmospheric gas pressure is 9 × 10 -3 to 1
In the case of x10 -4 Torr, the crystal diameter decreases, the sensitivity to hydrocarbons such as methane decreases significantly, and the sensitivity to hydrogen tends to be maximized. When the film formation rate of the metal oxide is less than 10 Å / min, a thin film composed of lumpy ultrafine particles adhered to each other can be obtained, which has poor adhesion to the substrate and is high as a gas sensor. It has no sensitivity. When the film formation rate is 10 to 400 Å / min, the above-mentioned dendrite structure is easily formed in the clear columnar structure, and good sensitivity to both hydrocarbons and hydrogen is exhibited. When the film formation rate exceeds 400 Å / min, the dendrite structure is hardly formed, and the columnar structure becomes slightly close to the lump structure, and the sensitivity to hydrogen is good, but the sensitivity to hydrocarbons is wide. descend. The high frequency output and the distance between the target and the substrate mainly contribute to the film formation rate. Therefore, in the present invention, it is preferable that the high frequency output is about 10 W to 10 KW and the target-substrate distance is about 10 mm to 500 mm.

蒸着材料源としては、すず、亜鉛、タングステン、チタ
ン、鉄、マグネシウム、モリブデン、ニオブ、タンタ
ル、ジルコニウム、酸化チタン、酸化鉄、酸化スズ、酸
化亜鉛、酸化タングステン、酸化マグネシウム、酸化モ
リブデン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ジルコニウ
ム、酸化クロム等の金属及び金属の酸化物が使用され
る。
As the vapor deposition material source, tin, zinc, tungsten, titanium, iron, magnesium, molybdenum, niobium, tantalum, zirconium, titanium oxide, iron oxide, tin oxide, zinc oxide, tungsten oxide, magnesium oxide, molybdenum oxide, niobium oxide, Metals and metal oxides such as tantalum oxide, zirconium oxide and chromium oxide are used.

蒸着材料源としてすず等の金属を使用する場合には、酸
素/不活性ガスの比を1/5〜5/1(容積比)程度とするこ
とが好ましく、一方酸化すず等の酸化物を使用する場合
には、酸素/不活性ガスの比を1/50〜1/2(容積比)程
度とすることが好ましい。
When using a metal such as tin as a vapor deposition material source, it is preferable to set the oxygen / inert gas ratio to about 1/5 to 5/1 (volume ratio), while using an oxide such as tin oxide. In this case, the oxygen / inert gas ratio is preferably about 1/50 to 1/2 (volume ratio).

蒸着により形成された本発明ガスセンサ素子は、必要な
らば、更にアニーリング処理により、その安定性及び耐
久性を高めることが出来る。アニーリング処理は、例え
ばドライエア雰囲気中500℃で4時間程度保持するこ
とにより行なわれる。
If necessary, the gas sensor element of the present invention formed by vapor deposition can be further annealed to improve its stability and durability. The annealing treatment is carried out, for example, by holding in a dry air atmosphere at 500 ° C. for about 4 hours.

上記素子をガスセンサとして使用する場合には、常法に
従つて薄膜半導体層上に例えば白金電極を形成するとと
もに所定のリード線を接続すれば良い。
When the above element is used as a gas sensor, for example, a platinum electrode may be formed on the thin film semiconductor layer and a predetermined lead wire may be connected thereto according to a conventional method.

発明の効果 本発明によれば、以下の如き効果が達成される。Effects of the Invention According to the present invention, the following effects are achieved.

(1) ドーピング工程を要することなく、また触媒を使
用することなく、薄膜型半導体ガスセンサが得られる。
得られるガスセンサは、水素のみならず、メタン等の炭
化水素類、酸素等の検知能をも有している。又、そのガ
ス感度は、極めて高く、微量のガスをも検知し得る。
(1) A thin-film semiconductor gas sensor can be obtained without requiring a doping step and using a catalyst.
The obtained gas sensor has the ability to detect not only hydrogen but also hydrocarbons such as methane and oxygen. Further, its gas sensitivity is extremely high, and even a trace amount of gas can be detected.

(2) ドーピングを行なわず、また触媒を使用しないの
で、ドーパントの再拡散、触媒の被毒及びシンタリング
等に起因するセンサの劣化がないので、センサの耐久性
が向上する。
(2) Since the doping is not performed and the catalyst is not used, there is no deterioration of the sensor due to re-diffusion of the dopant, poisoning of the catalyst, sintering, etc., so that the durability of the sensor is improved.

(3) 各多結晶体が独立した、熱的に安定した構造とな
つているので、従来のセンサの経時劣化の主原因であつ
た金属酸化物のシンタリングを防止することができ、こ
のこともセンサの耐久性を向上させる。
(3) Since each polycrystal has an independent and thermally stable structure, it is possible to prevent sintering of the metal oxide, which is the main cause of deterioration over time of conventional sensors. Also improves the durability of the sensor.

実施例 以下、実施例により本発明の特徴とするところをより一
層明らかにする。
Examples Hereinafter, the features of the present invention will be further clarified by examples.

実施例1 基板としてのシリコンウエハー(2mm×3mm)を酸素及
び水蒸気を含む雰囲気中で1000℃で2時間加熱して
表面にSiO2絶縁層を形成させた後、平行平板型高周波マ
グネトロンスパツタリング装置を使用し、SnO2焼結体を
ターゲット材として蒸着操作を行なつた。蒸着時の条件
は、下記第1表に示す通りである。
Example 1 A silicon wafer (2 mm × 3 mm) as a substrate was heated at 1000 ° C. for 2 hours in an atmosphere containing oxygen and water vapor to form an SiO 2 insulating layer on the surface, and then parallel plate type high frequency magnetron sputtering was performed. Using the apparatus, a vapor deposition operation was performed using a SnO 2 sintered body as a target material. The conditions during vapor deposition are as shown in Table 1 below.

第 1 表 高周波出力 約180W 雰 囲 気 Ar1.8×10-2トール+O20.2×10-2トー
ル 基板温度 250℃ 基板−ターゲット距離 50mm 膜形成速度 約300Å/分 かくして得られた酸化すず薄膜(11000Å)の断面の走
査型電子顕微鏡写真(10万倍)を第1図に示し、超薄
切片法による透過型電子顕微鏡写真(10万倍)を第2
図として示す。
Table 1 High-frequency output Approx. 180 W Atmosphere Ar1.8 × 10 -2 torr + O 2 0.2 × 10 -2 torr Substrate temperature 250 ° C Substrate-target distance 50 mm Film formation rate Approx. 300Å / min Tin oxide thin film thus obtained ( The scanning electron microscope photograph (100,000 times) of the cross section of 11,000Å) is shown in Fig. 1, and the transmission electron microscope photograph by the ultrathin section method (100,000 times) is shown in the second.
Shown as a diagram.

上記で得た蒸着薄膜形成物にスパツタリングにより白金
電極(厚さ約1mm)を形成して、第3図に示すガスセン
サ素子を得た。第3図において、(1)はシリコンウエハ
ー、(3)はSiO2絶縁層、(5)は酸化すず薄膜層、(7)は白
金電極を示す。
A platinum electrode (thickness: about 1 mm) was formed on the vapor-deposited thin film-formed product obtained above by sputtering to obtain the gas sensor element shown in FIG. In FIG. 3, (1) shows a silicon wafer, (3) shows an SiO 2 insulating layer, (5) shows a tin oxide thin film layer, and (7) shows a platinum electrode.

次いで、電気炉中のセル内に上記ガスセンサ素子を設置
し、ドライエアを流しつつ500℃で4時間保持してア
ニーリングを行なつた後、(ア)ドライエア、(イ)メタン含
有ドライエア又は(ウ)水素含有ドライエアを流して、各
温度における電極間の電気抵抗を測定した。結果は、第
4図に示す通りである。第4図から明らかな如く、本発
明ガスセンサは、水素検知能を有するのみならず、メタ
ン検知能をも有していることが明らかである。
Then, the above gas sensor element is installed in a cell in an electric furnace, and after being annealed by keeping it at 500 ° C. for 4 hours while flowing dry air, (a) dry air, (ii) methane-containing dry air or (iii) The hydrogen-containing dry air was flowed, and the electrical resistance between the electrodes at each temperature was measured. The result is as shown in FIG. As is clear from FIG. 4, it is apparent that the gas sensor of the present invention has not only hydrogen detection ability but also methane detection ability.

尚、第4図及び以下の各実施例の結果を示すグラフにお
いて、各曲線は、以下のガスについての結果を夫々示す
ものである。
In FIG. 4 and the graphs showing the results of each of the following examples, each curve shows the results for the following gases.

曲線(I)…ドライエア、曲線(II)…メタン0.35%を含む
ドライエア、曲線(III)…水素0.35%を含むドライエ
ア。
Curve (I) ... Dry air, Curve (II) ... Dry air containing 0.35% methane, Curve (III) ... Dry air containing 0.35% hydrogen.

実施例2 蒸着時の条件を下記第2表に示す様に変更する以外は実
施例1と同様にして、ガスセンサを得た。
Example 2 A gas sensor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the conditions during vapor deposition were changed as shown in Table 2 below.

第 2 表 高周波出力 約180W 雰 囲 気 Ar5×10-3トール+O21×10-3トール 基板温度 250℃ 基板−ターゲット距離 50mm 膜形成速度 約150Å/分 得られた酸化すず薄膜(9000Å)の断面の走査電子
顕微鏡写真(5万倍)を第5図として示す。
Table 2 High-frequency output Approx. 180 W Atmosphere Ar5 × 10 -3 torr + O 2 1 × 10 -3 torr Substrate temperature 250 ° C Substrate-target distance 50 mm Film formation rate approx. 150 Å / min Obtained tin oxide thin film (9000 Å) A scanning electron micrograph (50,000 times) of the cross section is shown in FIG.

又、ガスセンサとしての性能を第6図に示す。The performance as a gas sensor is shown in FIG.

雰囲気ガス圧が6×10-3トールである本実施例により
得られたガスセンサは、メタンに対する感度(曲線II)
をほとんど示さないが、水素に対する感度(曲線III)
は極めて高いことが明らかである。
The gas sensor obtained in this example with an atmospheric gas pressure of 6 × 10 −3 Torr has a sensitivity to methane (curve II).
But shows little sensitivity to hydrogen (curve III)
Is clearly very high.

実施例3 蒸着時の条件を下記第3表に示す様に変更する以外は実
施例1と同様にして、ガスセンサを得た。
Example 3 A gas sensor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the conditions during vapor deposition were changed as shown in Table 3 below.

第 3 表 高周波出力 約300W 雰 囲 気 Ar1.8×10-2トール+O20.2×10-2トール 基板温度 250℃ 基板−ターゲット距離 30mm 膜形成速度 約450Å/分 得られた酸化すず薄膜(10000Å)の超薄切片法による透
過型電子顕微鏡写真(4万倍)を第7図として示す。
Table 3 High-frequency output Approx. 300W Atmosphere Ar1.8 × 10 -2 torr + O 2 0.2 × 10 -2 torr Substrate temperature 250 ° C Substrate-target distance 30mm Film formation rate approx. 450Å / min Obtained tin oxide thin film (10000Å Fig. 7 shows a transmission electron micrograph (40,000 times) by the ultrathin section method in Fig. 7).

又、ガスセンサとしての性能を第8図に示す。The performance as a gas sensor is shown in FIG.

膜形成速度450Å/分で形成された本実施例のガスセ
ンサは、水素に対する感度は良好であるが(曲線II
I)、メタンに対する感度は低い(曲線II)。
The gas sensor of this example formed at a film forming rate of 450 Å / min has good sensitivity to hydrogen (curve II).
I), sensitivity to methane is low (curve II).

比較例1 蒸着時の条件を下記第4表に示す様に変更する以外は実
施例1と同様にして、ガスセンサを製造した。
Comparative Example 1 A gas sensor was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the conditions during vapor deposition were changed as shown in Table 4 below.

第 4 表 高周波出力 約50W 雰 囲 気 Ar1.8×10-3トール+O20.2×10-3トー
ル 基板温度 20℃ 基板−ターゲット距離 50mm 膜形成速度 50Å/分 得られた酸化すず薄膜(5000Å)の超薄切片を透過
型電子顕微鏡により観察したところ、蒸着時の基板温度
が低いので、SnO2が明確な結晶構造を示していなかつ
た。
Table 4 High frequency output Approx. 50W Atmosphere Ar1.8 × 10 -3 torr + O 2 0.2 × 10 -3 torr Substrate temperature 20 ° C Substrate-target distance 50mm Film formation rate 50Å / min Obtained tin oxide thin film (5000Å) Observation of the ultrathin section of No. 2 by a transmission electron microscope revealed that SnO 2 did not show a clear crystal structure because the substrate temperature during vapor deposition was low.

ガスセンサとしての性能を第9図に示す。メタンに対す
る感度(曲線II)のみならず、水素に対する感度(曲線
III)も低いことが明らかである。
The performance as a gas sensor is shown in FIG. Not only sensitivity to methane (curve II), but also sensitivity to hydrogen (curve II)
It is clear that III) is also low.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図、第2図、第5図及び第7図は、本発明方法によ
り形成されたSnO2薄膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写
真、第3図は、本発明によるガスセンサの一例を示す概
略断面図、第4図、第6図及び第8図は、本発明実施例
によるガスセンサのガス検知能を示すグラフ、第9図
は、比較例によるガスセンサのガス検知能を示すグラフ
である。 (1)……シリコン基板 (3)……SiO2絶縁層 (5)……酸化すず薄膜層 (7)……白金電極
1, 2, 5, and 7 are electron micrographs showing the crystal structure of the SnO 2 thin film formed by the method of the present invention, and FIG. 3 is a schematic view showing an example of the gas sensor of the present invention. Sectional drawings, FIG. 4, FIG. 6 and FIG. 8 are graphs showing the gas detecting ability of the gas sensor according to the embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a graph showing the gas detecting ability of the gas sensor according to the comparative example. (1) …… Silicon substrate (3) …… SiO 2 insulating layer (5) …… Tin oxide thin film layer (7) …… Platinum electrode

フロントページの続き (72)発明者 岡田 治 大阪府大阪市東区平野町5丁目1番地 大 阪瓦斯株式会社内 (56)参考文献 特開 昭55−27925(JP,A) 特開 昭58−83245(JP,A) 特開 昭61−191954(JP,A)Front Page Continuation (72) Inventor Osamu Okada 5-1-1 Hirano-cho, Higashi-ku, Osaka City, Osaka Prefecture (56) References JP-A-55-27925 (JP, A) JP-A-58-83245 (JP, A) JP-A-61-191954 (JP, A)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】絶縁性基板の表面に形成された金属酸化物
薄膜のインピーダンス変化を利用してガス検出を行なう
金属酸化物薄膜ガスセンサにおいて、 (i) 金属酸化物薄膜が、絶縁性基板面に垂直乃至ほぼ
垂直の方向に径0.001〜10μmの柱状結晶として
形成されており、 (ii) 隣接する柱状結晶間の非融着部の平均長さが柱状
結晶長さの30%以上であることを特徴とするガスセン
サ; [但し、金属がスズである酸化物薄膜ガスセンサのガス
検知表面の結晶配向性及び結晶性をCuKを線源してX
線回折した場合の最強回折線強度をIとし、2番目、
3番目及び4番目に強い回折線強度を夫々I、I
びIとするとき、 (a) (211)面又は(110)面の線強度が最強であり、 I/I≦0.6で且つIの半値幅が0.58以上
であるか、 (b) Iが(110)面又は(101)面の線強度で且つI
(101)面又は(110)面の線強度であり、I/I≧0.
5、I/I<0.6で且つIの半値幅が0.54
以上であるか、 (c) Iが(110)面又は(211)面の線強度で且つI
(101)面又は(110)面の線強度であり、I/I≧0.
5、I/I<0.6で且つIの半値幅が0.58
以上であるか、 (d) I、I及びIがそれぞれ(110)面、(101)面
及び(211)面のいずれかの線強度であり、I/I
0.5、I/I<0.6で且つIの半値幅が0.
61以上であるか、 (e) I、I、I及びIがそれぞれ(110)面、(1
01)面、(211)面及び(301)面のいずれかの線強度であ
り、I/I≧0.5、I/I<0.6で且つI
の半値幅が0.73以上であるか、 (f) Iが(301)面の線強度であり、I/I≦0.
6で且つIの半値幅が0.60以上である場合を除
く]。
1. A metal oxide thin film gas sensor for detecting gas by utilizing impedance change of a metal oxide thin film formed on the surface of an insulating substrate, comprising: (i) the metal oxide thin film on the surface of the insulating substrate. It is formed as a columnar crystal having a diameter of 0.001 to 10 μm in a vertical or almost vertical direction, and (ii) the average length of the non-fused portion between adjacent columnar crystals is 30% or more of the columnar crystal length. A gas sensor characterized by: [However, the crystal orientation and crystallinity of the gas detection surface of the oxide thin film gas sensor in which the metal is tin is determined by irradiating CuK to the X direction.
The strongest diffraction line intensity in the case of line diffraction is I 1 , and the second,
When the third and fourth strongest diffraction line intensities are I 2 , I 3 and I 4 , respectively, the line intensity of (a) (211) plane or (110) plane is the strongest, and I 2 / I 1 ≦ 0.6 and the full width at half maximum of I 1 is 0.58 or more, or (b) I 1 is the line intensity of the (110) plane or the (101) plane and I 2 is
It is the line intensity of the (101) plane or the (110) plane, and I 2 / I 1 ≧ 0.
5, I 3 / I 2 <0.6 and the half width of I 1 is 0.54
Or more, (c) I 1 is the line intensity of the (110) plane or the (211) plane, and I 2 is
It is the line intensity of the (101) plane or the (110) plane, and I 2 / I 1 ≧ 0.
5, I 3 / I 2 <0.6 and the full width at half maximum of I 1 is 0.58
Or more, (d) I 1 , I 2 and I 3 are line intensities of any of (110) plane, (101) plane and (211) plane, and I 3 / I 1
0.5, I 4 / I 3 <0.6, and the half-width of I 1 is 0.
61 or more, or (e) I 1 , I 2 , I 3 and I 4 are (110) plane and (1
The linear intensity of any one of the (01) plane, the (211) plane, and the (301) plane, and I 4 / I 1 ≧ 0.5, I 5 / I 4 <0.6, and I
1 is 0.73 or more, or (f) I 1 is the line intensity of the (301) plane, and I 2 / I 1 ≦ 0.
6 and the half width of I 1 is 0.60 or more].
【請求項2】柱状結晶の長さ/平均代表径の比の平均値
が5以上である特許請求の範囲第1項に記載のガスセン
サ。
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the average value of the ratio of the length of the columnar crystals / the average representative diameter is 5 or more.
【請求項3】ターゲットとして金属または金属酸化物を
使用し、酸素を含有する不活性スパッタガス中で絶縁性
基板温度50〜700℃、スパッタガス圧力1×10-1
〜1×10-4トールの条件下に10オングストローム/
分以上の速度で絶縁性基板上に金属酸化物薄膜を形成さ
せることを特徴とする金属酸化物薄膜ガスセンサの製造
方法。
3. A metal or metal oxide is used as a target, the insulating substrate temperature is 50 to 700 ° C., and the sputtering gas pressure is 1 × 10 -1 in an inert sputtering gas containing oxygen.
10 angstroms / under 1 x 10 -4 torr
A method for producing a metal oxide thin film gas sensor, comprising forming a metal oxide thin film on an insulating substrate at a speed of not less than a minute.
【請求項4】ターゲットがSnOであり、酸素/不活
性ガスの容積比が1/2〜1/50である特許請求に範
囲第3項に記載のガスセンサの製造方法。
4. The method for producing a gas sensor according to claim 3, wherein the target is SnO 2 and the volume ratio of oxygen / inert gas is 1/2 to 1/50.
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