JP2002340830A - Hydrogen gas detecting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Landscapes
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、不活性ガス雰囲気
中や宇宙空間などの真空中での、無酸素環境下で水素ガ
スの濃度を検出する水素ガス検出装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hydrogen gas detecting device for detecting the concentration of hydrogen gas in an inert gas atmosphere or in a vacuum such as outer space under an oxygen-free environment.
【0002】[0002]
【従来の技術】水素ガスセンサとして接触燃焼式、半導
体式、固体電解質式など各種方式のものが存在するが、
これら従来型の水素ガスセンサは何れも不活性ガス雰囲
気中や真空中などの無酸素環境下では作動せず、空気な
どの酸素を含む気体との共存のもとでのみ動作するもの
である。2. Description of the Related Art There are various types of hydrogen gas sensors such as a catalytic combustion type, a semiconductor type, and a solid electrolyte type.
None of these conventional hydrogen gas sensors operate in an oxygen-free environment such as an inert gas atmosphere or a vacuum, and operate only in the presence of an oxygen-containing gas such as air.
【0003】従来の水素ガスセンサを用いて、窒素、ヘ
リウム等の不活性ガスで満たした防爆雰囲気中に設置さ
れている圧縮水素ガスを貯蔵する容器、あるいは液化水
素を貯蔵する容器において、発生のおそれがある水素ガ
スの漏洩を検知するために採用されている従来の検知方
法について図9〜図11を参照してその概要を説明す
る。圧縮水素ガス又は液化水素の貯蔵容器110は爆発
防止のために不活性ガスを満たした容器120によって
周囲を取り囲まれている。不活性ガス容器120にはサ
ンプリング配管130が連通し、この配管130を介し
て水素ガスセンサ160にサンプルガスが採取されるよ
うになっている。なお、符号131は空気導入配管、符
号140は吸引ポンプ、符号150,151は流量調整
弁、符号152は混合器をそれぞれ示す。[0003] Using a conventional hydrogen gas sensor, there is a possibility of generation in a container for storing compressed hydrogen gas or a container for storing liquefied hydrogen which is installed in an explosion-proof atmosphere filled with an inert gas such as nitrogen or helium. A conventional detection method employed for detecting a certain leakage of hydrogen gas will be briefly described with reference to FIGS. The compressed hydrogen gas or liquefied hydrogen storage container 110 is surrounded by a container 120 filled with an inert gas to prevent explosion. A sampling pipe 130 communicates with the inert gas container 120, and a sample gas is collected by the hydrogen gas sensor 160 via the pipe 130. Reference numeral 131 denotes an air introduction pipe, reference numeral 140 denotes a suction pump, reference numerals 150 and 151 denote flow control valves, and reference numeral 152 denotes a mixer.
【0004】このような従来の漏洩検知方法において
は、不活性ガスを満たした容器120内の雰囲気の一部
を、サンプリング配管130、流量調整弁150を介し
て混合器152まで吸引ポンプ140により吸引して導
く。また、水素ガスのサンプリング開始とほぼ同時に流
量調整弁151を開け、配管131を介して空気を混合
器152に導入する。混合器152内ではサンプリング
ガスと空気とが十分に混合された後に、混合気体となっ
て従来型の水素ガスセンサ160に導かれ、水素ガスの
漏洩を検知するようにしている。In such a conventional leak detection method, a part of the atmosphere in a container 120 filled with an inert gas is suctioned by a suction pump 140 to a mixer 152 via a sampling pipe 130 and a flow control valve 150. And lead. In addition, almost simultaneously with the start of the sampling of the hydrogen gas, the flow control valve 151 is opened, and air is introduced into the mixer 152 via the pipe 131. In the mixer 152, after the sampling gas and air are sufficiently mixed, the mixed gas becomes a mixed gas and is guided to the conventional hydrogen gas sensor 160 to detect hydrogen gas leakage.
【0005】図10は防爆雰囲気中に設置された液化水
素貯蔵容器における他の従来の水素ガス漏洩検知方法を
示す模式図である。圧縮水素ガス又は液化水素の貯蔵容
器111は、断熱材121を介して不活性ガスを満たし
た容器120によって周囲を取り囲まれている。サンプ
リングラインは実質的に上述の方法と同じである。FIG. 10 is a schematic diagram showing another conventional method for detecting hydrogen gas leakage in a liquefied hydrogen storage container installed in an explosion-proof atmosphere. The compressed hydrogen gas or liquefied hydrogen storage container 111 is surrounded by a container 120 filled with an inert gas via a heat insulating material 121. The sampling line is substantially the same as the method described above.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の水素ガス漏洩検知方法には次の(1)〜(3)に掲げ
るような問題がある。However, the above-mentioned conventional hydrogen gas leak detection method has the following problems (1) to (3).
【0007】(1)サンプリング配管を通してポンプで
吸引しているため、ガス漏洩があった場合に、その検出
に要する時間が長くかかる。(1) Since the gas is sucked by the pump through the sampling pipe, it takes a long time to detect a gas leak when the gas leaks.
【0008】(2)漏洩検知を行いたい場所が多数存在
する場合には、吸引配管と吸引ポンプを多数設置する必
要があり、設置場所スペースの制約から検出可能な点数
に限りがある。(2) If there are many places where leakage detection is desired, it is necessary to install a large number of suction pipes and suction pumps, and the number of points that can be detected is limited due to space limitations.
【0009】(3)宇宙空間、月面、他の惑星上などの
酸素を含む大気が存在しない無酸素環境下では、別途に
酸素ガスもセンサに供給する必要がある。(3) In an oxygen-free environment where there is no oxygen-containing atmosphere, such as in space, on the moon, and on other planets, oxygen gas must be separately supplied to the sensor.
【0010】図11には別の従来例を示す。水素貯蔵容
器111は真空断熱容器122の中に収納されている。
この漏洩検知方式では、水素ガスの漏洩のおそれがある
場所が真空であるため、その雰囲気をサンプリングする
ことができない。このため、真空断熱容器122に圧力
計161を取り付け、容器122の内圧の上昇を検知す
るようにしている。しかし、この方式では、内圧の上昇
が、水素貯蔵容器111からの水素ガスの漏洩に起因す
るものであるのか、大気が真空断熱容器122の内部に
侵入したことに起因するものであるのかの判別をするこ
とができないという欠点がある。FIG. 11 shows another conventional example. The hydrogen storage container 111 is housed in a vacuum heat insulating container 122.
In this leak detection method, since the place where the hydrogen gas may leak is a vacuum, the atmosphere cannot be sampled. For this reason, a pressure gauge 161 is attached to the vacuum insulated container 122 to detect an increase in the internal pressure of the container 122. However, in this method, it is determined whether the increase in the internal pressure is due to leakage of hydrogen gas from the hydrogen storage container 111 or due to the intrusion of the atmosphere into the vacuum insulation container 122. There is a drawback that you can not do.
【0011】また、従来の水素ガスセンサは、検出感度
の上限が概ね1000ppm程度であるので、それ以上
に高濃度の水素まで検知する必要がある場合には、セン
サに導入する前にサンプリングガスを十分に希釈する必
要があるという問題もある。In addition, the conventional hydrogen gas sensor has an upper limit of the detection sensitivity of about 1000 ppm. Therefore, when it is necessary to detect even higher concentration hydrogen, the sampling gas is sufficiently introduced before being introduced into the sensor. There is also a problem that it needs to be diluted.
【0012】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであって、不活性ガス雰囲気や真空中などの無
酸素環境下であっても高精度かつ迅速かつ容易に水素ガ
スの漏洩を検出することができる水素ガス検出装置及び
その製造方法を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is capable of accurately, quickly and easily leaking hydrogen gas even in an oxygen-free environment such as an inert gas atmosphere or a vacuum. It is an object of the present invention to provide a hydrogen gas detection device capable of detecting a hydrogen gas and a method of manufacturing the same.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明に係る水素ガス検
出装置は、無酸素環境下で水素ガスの濃度を検出する水
素ガス検出装置において、半導体基板の表面に設けられ
た第1及び第2の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に設け
られたPdを主成分とする第1のPd薄膜を有する第1
の検知部と、前記第2の絶縁膜上に設けられたPdを主
成分とする第2のPd薄膜と、前記半導体基板の裏面に
オーミック性接続された導体からなる電極とを有する第
2の検知部と、を具備することを特徴とする。A hydrogen gas detector according to the present invention is a hydrogen gas detector for detecting the concentration of hydrogen gas in an oxygen-free environment. The first and second hydrogen gas detectors are provided on the surface of a semiconductor substrate. A first Pd thin film mainly composed of Pd and provided on the first insulating film.
A second Pd thin film mainly composed of Pd provided on the second insulating film, and an electrode made of a conductor ohmic-connected to the back surface of the semiconductor substrate. And a detecting unit.
【0014】本発明に係る水素ガス検出装置の製造方法
は、無酸素環境下で水素ガスの濃度を検出する水素ガス
検出装置の製造方法において、(i)半導体基板の表面
に第1及び第2の絶縁膜を形成する工程と、(ii)前記
第1の絶縁膜の表面をオゾンに曝した後に、該第1の絶
縁膜の上にPdを主成分とする第1のPd薄膜を形成し
て第1の検知部を得る工程と、(iii)前記第2の絶縁
膜の表面をオゾンに曝した後に、該第2の絶縁膜の上に
Pdを主成分とする第2のPd薄膜を形成し、さらに前
記半導体基板の裏面にオーミック性接続された導体から
なる電極を形成して第2の検知部を得る工程と、を具備
することを特徴とする。The method of manufacturing a hydrogen gas detecting device according to the present invention is the method of manufacturing a hydrogen gas detecting device for detecting the concentration of hydrogen gas in an oxygen-free environment. Forming a first Pd thin film mainly composed of Pd on the first insulating film after exposing the surface of the first insulating film to ozone; And (iii) exposing the surface of the second insulating film to ozone, and then forming a second Pd thin film containing Pd as a main component on the second insulating film. Forming an electrode made of an ohmic-connected conductor on the back surface of the semiconductor substrate to obtain a second detector.
【0015】また、本発明に係る水素ガス検出装置の製
造方法は、無酸素環境下で水素ガスの濃度を検出する水
素ガス検出装置の製造方法において、(i)半導体基板
の上に第1及び第2の絶縁膜を形成する工程と、(ii)
前記第1の絶縁膜の表面を酸素プラズマに曝した後に、
該第1の絶縁膜の上にPdを主成分とする第1のPd薄
膜を形成して第1の検知部を得る工程と、(iii)前記
第2の絶縁膜の表面を酸素プラズマに曝した後に、該第
2の絶縁膜の上にPdを主成分とする第2のPd薄膜を
形成し、さらに前記半導体基板の裏面にオーミック性接
続された導体からなる電極を形成して第2の検知部を得
る工程と、を具備することを特徴とする。The method of manufacturing a hydrogen gas detecting device according to the present invention is the method of manufacturing a hydrogen gas detecting device for detecting the concentration of hydrogen gas in an oxygen-free environment. Forming a second insulating film; (ii)
After exposing the surface of the first insulating film to oxygen plasma,
Forming a first Pd thin film containing Pd as a main component on the first insulating film to obtain a first detecting portion; and (iii) exposing the surface of the second insulating film to oxygen plasma. After that, a second Pd thin film containing Pd as a main component is formed on the second insulating film, and an electrode made of an ohmic-connected conductor is formed on the back surface of the semiconductor substrate to form a second Pd thin film. Obtaining a detection unit.
【0016】上記の第1の検知部は、Pdを主成分とす
る第1のPd薄膜の電気抵抗を計測するものである。ま
た、第2の検知部は、Pdを主成分とする第2のPd薄
膜と前記裏面電極との間に電圧を印加して静電容量を計
測するものである。この場合に、第1の絶縁膜の厚さを
300nm以上とすることが好ましい。第1の絶縁膜の
厚さが300nmを下回ると第1のPd薄膜と半導体基
板との間の静電容量が増加して、第2の検知部の動作に
影響を及ぼすおそれがあるので、その下限値を300n
mとした。なお、第1の絶縁膜の厚さの上限値は特に限
定されるものではないが、製造上の制約から1μmあた
りが事実上の上限値となる。The first detecting section measures the electric resistance of the first Pd thin film containing Pd as a main component. Further, the second detection unit measures a capacitance by applying a voltage between the second Pd thin film containing Pd as a main component and the back electrode. In this case, it is preferable that the thickness of the first insulating film be 300 nm or more. If the thickness of the first insulating film is less than 300 nm, the capacitance between the first Pd thin film and the semiconductor substrate increases, which may affect the operation of the second detection unit. Lower limit is 300n
m. Note that the upper limit of the thickness of the first insulating film is not particularly limited, but is practically 1 μm or so due to manufacturing restrictions.
【0017】また、第2の絶縁膜の厚さを20〜150
nmの範囲とすることが好ましい。第2の絶縁膜の厚さ
が20nmを下回ると絶縁性が不十分になり、第2のP
d薄膜と裏面電極との間に電圧を印加した時に微小電流
が流れて安定した静電容量計測が困難になるおそれがあ
るので、その下限値を20nmとした。一方、第2の絶
縁膜の厚さが150nmを上回ると第2のPd薄膜と半
導体基板との間の静電容量が著しく減少して検出感度が
低下するおそれがあるので、その上限値を150nmと
した。Further, the thickness of the second insulating film is set to 20 to 150
It is preferably in the range of nm. If the thickness of the second insulating film is less than 20 nm, the insulating property becomes insufficient, and the second P
d When a small current flows when a voltage is applied between the thin film and the back electrode, there is a possibility that stable capacitance measurement may be difficult. Therefore, the lower limit is set to 20 nm. On the other hand, if the thickness of the second insulating film exceeds 150 nm, the capacitance between the second Pd thin film and the semiconductor substrate may be significantly reduced and the detection sensitivity may be reduced. And
【0018】さらに、第1の検知部は、第1の絶縁膜と
第1のPd薄膜との間に挿入された50nm以下の膜厚
のCr又はTiを主成分とする薄膜を有することが好ま
しい。Cr又はTi薄膜の厚さが50nmを上回ると検
出感度が低下するおそれがあるので、その上限値を50
nmとした。Further, it is preferable that the first detecting section has a thin film containing Cr or Ti as a main component and having a thickness of 50 nm or less inserted between the first insulating film and the first Pd thin film. . If the thickness of the Cr or Ti thin film exceeds 50 nm, the detection sensitivity may be reduced.
nm.
【0019】また、第1の絶縁膜と第1のPd薄膜との
積層界面において該第1の絶縁膜表面は積層前にオゾン
に曝されていること、および、第2の絶縁膜と第2のP
d薄膜との積層界面において該第2の絶縁膜表面は積層
前にオゾンに曝されていることが望ましく、また、第1
の絶縁膜と第1のPd薄膜との積層界面において該第1
の絶縁膜表面は積層前に酸素プラズマに曝されているこ
と、および、第2の絶縁膜と第2のPd薄膜との積層界
面において該第2の絶縁膜表面は積層前に酸素プラズマ
に曝されていることが望ましい。The surface of the first insulating film at the lamination interface between the first insulating film and the first Pd thin film is exposed to ozone before lamination, and the second insulating film and the second Pd thin film are exposed to ozone before lamination. P
It is desirable that the surface of the second insulating film at the lamination interface with the d thin film is exposed to ozone before lamination,
At the lamination interface between the first insulating film and the first Pd thin film.
The surface of the insulating film is exposed to oxygen plasma before lamination, and the surface of the second insulating film at the lamination interface between the second insulating film and the second Pd thin film is exposed to oxygen plasma before lamination. It is desirable to have been.
【0020】さらに、半導体基板の裏面に発熱体を有す
ることが望ましい。動作時に発熱体を発熱させて素子の
温度を上昇させると、水素に曝されたときの素子の応答
速度が飛躍的に向上するからである。Furthermore, it is desirable to have a heating element on the back surface of the semiconductor substrate. This is because if the temperature of the element is increased by causing the heating element to generate heat during operation, the response speed of the element when exposed to hydrogen is dramatically improved.
【0021】さらに、半導体基板の表面に設けられた第
3の絶縁膜と、この第3の絶縁膜の上に形成されたPd
を主成分とする第3のPd薄膜とを有し、これら第3の
絶縁膜及び第3のPd薄膜と前記裏面電極とにより第3
の検知部が形成されることが望ましい。この第3の検知
部は、第3のPd薄膜と裏面電極との間に電圧を印加し
て電流を計測するものである。Further, a third insulating film provided on the surface of the semiconductor substrate and Pd formed on the third insulating film are formed.
And a third Pd thin film mainly composed of: a third insulating film and a third Pd thin film;
Is preferably formed. The third detection unit measures a current by applying a voltage between the third Pd thin film and the back surface electrode.
【0022】また、第3のPd薄膜と半導体基板との間
に形成された第3の絶縁膜の厚さを1〜3nmの範囲と
することが好ましい。第3の絶縁膜の厚さが1nmを下
回ると膜厚の均一性を確保することが困難になり、第3
のPd薄膜と半導体基板とが直接接触して電気的に短絡
し、検出感度が低下するので、その下限値を1nmとし
た。一方、第3の絶縁膜の厚さが3nmを上回ると第3
のPd薄膜と半導体基板とが電気的に絶縁されて、電圧
を印加した場合であっても電流が流れなくなるという問
題を生じるので、その上限値を3nmとした。Further, it is preferable that the thickness of the third insulating film formed between the third Pd thin film and the semiconductor substrate is in the range of 1 to 3 nm. If the thickness of the third insulating film is less than 1 nm, it becomes difficult to ensure uniformity of the film thickness.
Since the Pd thin film and the semiconductor substrate directly contact each other to cause an electrical short circuit and lower the detection sensitivity, the lower limit was set to 1 nm. On the other hand, if the thickness of the third insulating film exceeds 3 nm,
Since the Pd thin film is electrically insulated from the semiconductor substrate and a current stops flowing even when a voltage is applied, the upper limit is set to 3 nm.
【0023】[0023]
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の種々の好ましい実施の形態について説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Various preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
【0024】(第1の実施形態)図1は本発明の第1の
実施形態に係る水素ガス検出装置(水素ガス検出素子)
を示す断面模式図である。n型Si基板10の表面側に
はSiO2を主成分とする第1及び第2の絶縁膜20,
21と、Pdを主成分とする第1及び第2のPd薄膜3
0,31と、電極40a,40b,41とがそれぞれ設
けられ、Si基板10の裏面側には裏面電極43が設け
られている。第1のPd薄膜30はその両側に電圧を印
加されると第1の検知部50として機能するものであ
り、第2のPd薄膜31および第2の絶縁膜21および
半導体基板10は電圧を印加されると第2の検知部51
として機能するものである。すなわち、第1の検知部5
0では一対の電極40a,40b間の電気抵抗を計測す
ることで水素濃度を知ることができ、第2の検知部51
では電極41,43間の静電容量を計測することで水素
濃度を知ることができる。(First Embodiment) FIG. 1 shows a hydrogen gas detecting device (hydrogen gas detecting element) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. On the surface side of the n-type Si substrate 10, the first and second insulating films 20, which are mainly composed of SiO 2 ,
21 and first and second Pd thin films 3 mainly containing Pd
0, 31 and electrodes 40 a, 40 b, 41 are provided, respectively, and a back surface electrode 43 is provided on the back surface side of the Si substrate 10. When a voltage is applied to both sides of the first Pd thin film 30, the first Pd thin film 30 functions as a first detection unit 50, and the second Pd thin film 31, the second insulating film 21, and the semiconductor substrate 10 apply a voltage. Then, the second detection unit 51
It functions as. That is, the first detection unit 5
At 0, the hydrogen concentration can be known by measuring the electric resistance between the pair of electrodes 40a, 40b.
Then, the hydrogen concentration can be known by measuring the capacitance between the electrodes 41 and 43.
【0025】第1の絶縁膜20の膜厚は500〜100
0nm(0.5〜1μm)の範囲にあり、第2の絶縁膜
21の膜厚は20〜150nmの範囲にある。第2の絶
縁膜21は、Si基板10の一部を湿式エッチング法ま
たはドライエッチング法を用いて選択的に除去して開口
部とした後に、該開口部を酸化処理することにより形成
されたものである。The thickness of the first insulating film 20 is 500 to 100.
The thickness is in the range of 0 nm (0.5 to 1 μm), and the thickness of the second insulating film 21 is in the range of 20 to 150 nm. The second insulating film 21 is formed by selectively removing a part of the Si substrate 10 using a wet etching method or a dry etching method to form an opening, and then oxidizing the opening. It is.
【0026】第1のPd薄膜30は、Pdを主成分と
し、CrまたはNiまたはAgを50%以下の原子数比
となるように合金化された膜厚20〜100nmの金属
膜からなり、第1の絶縁膜20の上に矩形状または多数
の折り返し部を持つ蛇行形状に形成されている。第1の
Pd薄膜30の実質的両端部には膜厚0.5〜1μmの
一対の電極40a,40bが形成されている。The first Pd thin film 30 is made of a metal film having a thickness of 20 to 100 nm and containing Pd as a main component and alloyed with Cr, Ni or Ag so as to have an atomic ratio of 50% or less. It is formed in a rectangular shape or a meandering shape having many folded portions on one insulating film 20. At substantially both ends of the first Pd thin film 30, a pair of electrodes 40a and 40b having a thickness of 0.5 to 1 μm are formed.
【0027】第2のPd薄膜31も同様にPdを主成分
とし、CrまたはNiまたはAgを50%以下の原子数
比となるように合金化された膜厚20〜100nmの金
属膜からなる。この第2のPd薄膜31は第1及び第2
の絶縁膜20,21に跨って形成されている。すなわ
ち、第2のPd薄膜31の一端側は第2の絶縁膜21の
上に形成され、第2のPd薄膜31の他端側は第1の絶
縁膜20の上に形成されている。さらに、他端側の第2
のPd薄膜31の上には膜厚0.5〜1μmの電極41
が形成されている。Similarly, the second Pd thin film 31 is made of a metal film having a film thickness of 20 to 100 nm containing Pd as a main component and alloyed with Cr, Ni or Ag so as to have an atomic ratio of 50% or less. The second Pd thin film 31 is composed of the first and second
Are formed over the insulating films 20 and 21 of FIG. That is, one end of the second Pd thin film 31 is formed on the second insulating film 21, and the other end of the second Pd thin film 31 is formed on the first insulating film 20. Furthermore, the second on the other end side
Of the electrode 41 having a thickness of 0.5 to 1 μm on the Pd thin film 31 of FIG.
Are formed.
【0028】表面電極40a,40b,41はAl,N
i,Au,Ag,Ti,Cr等を主成分とする単層また
は2層以上の多層の電極膜からなり、裏面電極43も実
質的にこれと同じ材質からなる単層または2層以上の多
層の電極膜からなるものである。The surface electrodes 40a, 40b, 41 are made of Al, N
The back electrode 43 is made of a single layer or two or more layers composed mainly of i, Au, Ag, Ti, Cr or the like, and the back electrode 43 is also made of a single layer or two or more layers made of substantially the same material. Of the electrode film.
【0029】このうち電極40a,40bは、第1の絶
縁膜20の上の第1のPd薄膜30を第1の検知部50
として機能させるために外部の電気回路(図示せず)と
Al,Au等を主成分とするワイヤーを介して接続され
ている。一方、電極41,43は、第2の絶縁膜21の
上の第2のPd薄膜31を第2の検知部51として機能
させるために外部の電気回路(図示せず)とAl,Au
等を主成分とするワイヤーを介して接続されている。The electrodes 40a and 40b are used to connect the first Pd thin film 30 on the first insulating film 20 to the first detecting section 50.
To function as an external electric circuit (not shown) via a wire mainly composed of Al, Au or the like. On the other hand, the electrodes 41 and 43 are connected to an external electric circuit (not shown) and Al and Au in order to make the second Pd thin film 31 on the second insulating film 21 function as the second detecting section 51.
It is connected via a wire whose main component is etc.
【0030】次に、図2の(a)〜(m)を参照しなが
ら本実施形態の水素ガス検出装置の製造方法について説
明する。Next, a method of manufacturing the hydrogen gas detecting device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
【0031】(a)本実施形態で用いたSi基板10
は、Asを不純物としてドーピングし、抵抗率が1×1
0-3Ω・cmであり、厚さ0.5mmのn型Si単結晶
基板上に、P(リン)を不純物としてドーピングした抵
抗率が15Ω・cmで、厚さ20μmのn型Si膜をエ
ピタキシャル成長させたものを用いた。先ず、基板10
の表面に自然に形成された酸化膜を湿式エッチングによ
り除去し、基板表面の清浄化処理を行った。(A) Si substrate 10 used in this embodiment
Is obtained by doping As as an impurity and having a resistivity of 1 × 1
An n-type Si film having a resistivity of 15 Ω · cm and a thickness of 20 μm doped with P (phosphorus) as an impurity is formed on an n-type Si single crystal substrate having a thickness of 0 -3 Ω · cm and a thickness of 0.5 mm. An epitaxially grown one was used. First, the substrate 10
The oxide film naturally formed on the surface of the substrate was removed by wet etching, and the substrate surface was cleaned.
【0032】(b)次に、不活性ガスで希釈したモノシ
ランおよび酸素を原料ガスとする化学蒸着法(CVD
法)により、第1の絶縁膜として膜厚1μmのSiO2
膜20をSi基板10の表面に形成した。この絶縁膜形
成工程は、モノシランおよび亜酸化窒素を原料ガスとす
る化学蒸着法、TEOS、酸素を原料ガスとする化学蒸
着法、TEOS、オゾンを原料ガスとする化学蒸着法、
TEOSの熱分解による化学蒸着法、あるいはRFスパ
ッタ法により形成することもできる。(B) Next, chemical vapor deposition (CVD) using monosilane and oxygen diluted with an inert gas as source gases
Method) to form a 1 μm-thick SiO 2 film as the first insulating film.
The film 20 was formed on the surface of the Si substrate 10. The insulating film forming step includes a chemical vapor deposition method using monosilane and nitrous oxide as a source gas, a chemical vapor deposition method using TEOS and oxygen as a source gas, a chemical vapor deposition method using TEOS and ozone as a source gas,
It can also be formed by a chemical vapor deposition method by thermal decomposition of TEOS or an RF sputtering method.
【0033】(c)次に、基板のSiO2膜の上にフォ
トレジストを塗布し、レジスト塗膜をパターン露光し、
現像する。これにより第2の絶縁膜21が形成されるべ
き開口部をもつ所定のマスクパターン200が得られ
た。なお、マスクパターン200の開口部のサイズは
0.5mm×0.5mmとした。(C) Next, a photoresist is applied on the SiO 2 film on the substrate, and the resist coating film is subjected to pattern exposure,
develop. As a result, a predetermined mask pattern 200 having an opening where the second insulating film 21 is to be formed was obtained. The size of the opening of the mask pattern 200 was 0.5 mm × 0.5 mm.
【0034】(d)マスクパターン200の開口部に露
出したSiO2膜のみを湿式エッチング法により選択的
に除去した。湿式エッチング条件は、弗化水素と弗化ア
ンモニウムとの混合水溶液を用いて室温で5分間の浸漬
とした。なお、湿式エッチング法の代わりとしてプラズ
マドライエッチング法を用いることもできる。(D) Only the SiO 2 film exposed at the opening of the mask pattern 200 was selectively removed by wet etching. The wet etching was performed at room temperature for 5 minutes using a mixed aqueous solution of hydrogen fluoride and ammonium fluoride. Note that a plasma dry etching method can be used instead of the wet etching method.
【0035】(e)マスクパターン200として用いた
フォトレジストをアセトン等の溶剤により洗浄除去し
た。レジスト除去後、大気中で紫外線を照射し、照射部
で発生するオゾンに曝すことにより表面の清浄化を行っ
た。なお、オゾン曝露の代わりとして酸素プラズマ曝露
を行ってもよい。(E) The photoresist used as the mask pattern 200 was removed by washing with a solvent such as acetone. After removal of the resist, the surface was cleaned by irradiating it with ultraviolet rays in the air and exposing it to ozone generated in the irradiated part. Note that oxygen plasma exposure may be performed instead of the ozone exposure.
【0036】(f)次いで、Si基板を純酸素ガス中で
熱処理し、上記工程(e)までで形成したSi基板の露
出部分を酸化させることにより、第2の絶縁膜としての
SiO2膜21を形成した。本実施形態では、大気圧の
酸素中で、800℃×10時間の熱処理により厚さ20
nmのSiO2絶縁膜21が得られた。この工程では基
板10の裏面にも酸化層21bが同時に形成される。(F) Then, the Si substrate is heat-treated in pure oxygen gas, and the exposed portion of the Si substrate formed up to the step (e) is oxidized, so that the SiO 2 film 21 as a second insulating film is formed. Was formed. In this embodiment, a thickness of 20 mm is obtained by a heat treatment at 800 ° C. × 10 hours in oxygen at atmospheric pressure.
The SiO 2 insulating film 21 of nm was obtained. In this step, the oxide layer 21b is simultaneously formed on the back surface of the substrate 10.
【0037】(g)前記工程(f)において基板裏面に
形成された不要な酸化層21bを除去する際に、Si基
板10の表面側を保護するためにフォトレジスト201
を塗布して保護マスクを形成する。(G) When removing the unnecessary oxide layer 21b formed on the back surface of the substrate in the step (f), the photoresist 201 is used to protect the front surface of the Si substrate 10.
Is applied to form a protective mask.
【0038】(h)湿式エッチングにより裏面側の酸化
層21bを除去した。(H) The oxide layer 21b on the back side was removed by wet etching.
【0039】(i)次いで、基板10の裏面を覆うよう
に裏面電極43を形成する。本実施形態では、真空蒸着
法により膜厚100nmのTi、膜厚200nmのA
l、膜厚500nmのNiの三層膜を順次積層して裏面
電極43とした。このようにしてSi基板10とオーミ
ック性接触とすることができる。なお、裏面電極43は
スパッタ法を用いて形成することもできる。(I) Next, a back surface electrode 43 is formed so as to cover the back surface of the substrate 10. In this embodiment, 100 nm thick Ti and 200 nm thick A
1, a three-layer film of Ni having a thickness of 500 nm was sequentially laminated to form a back electrode 43. Thus, ohmic contact with the Si substrate 10 can be achieved. Note that the back surface electrode 43 can also be formed using a sputtering method.
【0040】(j)アセトン洗浄により基板表面側のフ
ォトレジスト膜201を除去した。レジスト除去後、大
気中で紫外線を照射し、照射部で発生するオゾンにより
基板表面の清浄化を行った。なお、オゾン曝露の代わり
として酸素プラズマ曝露を行っても同様の効果を得るこ
とができる。(J) The photoresist film 201 on the substrate surface side was removed by acetone washing. After removing the resist, the substrate was irradiated with ultraviolet rays in the air, and the substrate surface was cleaned with ozone generated in the irradiated part. The same effect can be obtained by performing oxygen plasma exposure instead of ozone exposure.
【0041】(k)本実施形態では、ステンレス箔のマ
スクを用いて、膜厚15nmのCr膜、膜厚50nmの
原子数比で10%Crと90%Pdを含有するPdCr
合金からなる第1のPd薄膜30を真空蒸着法により順
次形成した。第1のPd薄膜30を形成する箇所は、膜
厚1μmの第1絶縁膜20の上面部である。マスクの形
状は、幅1mmで、長さ200mmの複数の折り返し部
分を持つ蛇行形状をなすものである。膜厚15nmのC
r膜はPd薄膜30の密着性を向上させるために挿入し
たものであるが、Cr膜の代わりにTi膜を挿入しても
同様の効果がある。マスクには、フォトレジストを塗布
し、フォトマスクを用いて部分的に露光を行い、感光部
を現像処理により除去したものを用いてもよい。この方
法によれば、さらに微細な線幅を得ることができる。あ
るいは、基板全面に真空蒸着法により薄膜を形成した後
に、フォトレジスト、フォトマスクを用いた露光・現像
工程によりレジストパターンを形成し、不要部分を湿式
または乾式のエッチング法を用いて除去することにより
パターンを形成することもできる。また、第1のPd薄
膜30は、スパッタ法により形成することもできる。さ
らに、第1のPd薄膜30の成分はPdを主成分とし、
Cr,Ni,Ag等を任意の組成に調製した合金とする
こともできる。(K) In this embodiment, a 15 nm-thick Cr film and a 50 nm-thick PdCr film containing 10% Cr and 90% Pd at an atomic ratio of 50 nm using a stainless steel foil mask.
A first Pd thin film 30 made of an alloy was sequentially formed by a vacuum evaporation method. The location where the first Pd thin film 30 is formed is the upper surface of the first insulating film 20 having a thickness of 1 μm. The shape of the mask is a meandering shape having a plurality of folded portions each having a width of 1 mm and a length of 200 mm. 15 nm thick C
The r film is inserted to improve the adhesion of the Pd thin film 30, but the same effect can be obtained by inserting a Ti film instead of the Cr film. A mask in which a photoresist is applied, partially exposed using a photomask, and a photosensitive portion is removed by a development process may be used as the mask. According to this method, a finer line width can be obtained. Alternatively, after forming a thin film on the entire surface of the substrate by a vacuum deposition method, a resist pattern is formed by an exposure and development process using a photoresist and a photomask, and unnecessary portions are removed by a wet or dry etching method. Patterns can also be formed. Further, the first Pd thin film 30 can also be formed by a sputtering method. Further, the component of the first Pd thin film 30 is mainly composed of Pd,
An alloy in which Cr, Ni, Ag, or the like is adjusted to an arbitrary composition may be used.
【0042】(l)前記工程(k)と同様の方法を用い
て、膜厚50nmの原子数比で10%のCrと90%の
Pdとの合金からなる第2のPd薄膜31を真空蒸着法
により順次形成した。この第2のPd薄膜31を形成す
る箇所は、膜厚20nmの第2のSiO2絶縁膜21か
ら膜厚1μm(1000nm)の第1のSiO2絶縁膜20
までに跨っている。(L) A second Pd thin film 31 made of an alloy of 10% of Cr and 90% of Pd in a 50 nm-thickness atomic ratio is vacuum-deposited by using the same method as in the step (k). It was sequentially formed by the method. The portion where the second Pd thin film 31 is to be formed is formed from the second SiO 2 insulating film 21 having a thickness of 20 nm to the first SiO 2 insulating film 20 having a thickness of 1 μm (1000 nm).
Straddled by.
【0043】(m)前記工程(k),(l)と同様の方
法を用いて、膜厚15nmのCr膜と膜厚500nmの
Ni膜との二層からなる電極40a,40b,41をそ
れぞれ積層形成した。すなわち、一対の電極40a,4
0bは蛇行形状の第1のPd薄膜30の両端部の上に形
成した。これら一対の電極40a,40bと裏面電極4
3とをリード線で外部回路(図示せず)に接続すること
により第1の検知部50を形成した。また、単一の電極
41は第2のPd薄膜31の上に形成した。この表面側
の電極41と裏面電極43とをリード線で外部回路(図
示せず)に接続することにより第2の検知部51を形成
した。このようにして作製された第1及び第2の検知部
50,51を備えた水素ガス検出装置161は、無酸素
環境下であっても水素を高感度に検出することができる
ものである。(M) Using the same method as in the steps (k) and (l), the electrodes 40a, 40b, and 41 each having a two-layer structure of a 15-nm-thick Cr film and a 500-nm-thick Ni film are formed. Laminated and formed. That is, the pair of electrodes 40a, 4
Ob was formed on both ends of the meandering first Pd thin film 30. The pair of electrodes 40a and 40b and the back electrode 4
3 was connected to an external circuit (not shown) by a lead wire to form a first detection unit 50. The single electrode 41 was formed on the second Pd thin film 31. The second detection unit 51 was formed by connecting the front-side electrode 41 and the back-side electrode 43 to an external circuit (not shown) with a lead wire. The hydrogen gas detector 161 provided with the first and second detectors 50 and 51 thus manufactured can detect hydrogen with high sensitivity even in an oxygen-free environment.
【0044】次に、図3を参照して第1の検知部50の
動作特性について説明する。Next, the operating characteristics of the first detector 50 will be described with reference to FIG.
【0045】図3は横軸に水素濃度(体積%)をとり、
縦軸に抵抗値変化(相対値)をとって両者の相関につい
て調べた結果を示す特性線図である。大気圧の窒素ガス
中に少量の水素ガスを添加混合しただけの無酸素環境下
で第1の検知部50の電気抵抗の変化(電極40a,4
0b間の抵抗値変化)を計測した。純窒素ガス中での抵
抗値を1(基準値)として各種の水素ガス濃度について
の抵抗値をそれぞれ相対値として表示した。図中にて特
性線Aは計測結果を示したものであり、これから明らか
なように水素曝露により第1の検知部50の抵抗値が上
昇し、無酸素環境下であっても5%以上の濃度の水素検
出が可能であること、および、第1の検知部50の抵抗
値は水素濃度5%までの低濃度領域ではほぼ正比例して
増減することが判明した。また、第1の検知部50は、
濃度が100%の水素ガスに曝露しても素子が故障する
ことは無く、水素ガスセンサとして無酸素環境下で安定
した性能を有することが確認された。さらに、真空中の
水素に対しても同様の水素検出性能を有することも確認
された。FIG. 3 shows the hydrogen concentration (% by volume) on the horizontal axis.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the result of examining the correlation between the resistance value change (relative value) on the vertical axis. The change in the electric resistance of the first detection unit 50 (the electrodes 40a,
0b). Assuming that the resistance value in pure nitrogen gas is 1 (reference value), the resistance values for various hydrogen gas concentrations are indicated as relative values. In the figure, the characteristic line A shows the measurement result. As is clear from this, the resistance value of the first detection unit 50 increases due to the hydrogen exposure, and even under an anoxic environment, the characteristic line A is more than 5%. It has been found that the concentration of hydrogen can be detected, and that the resistance value of the first detection unit 50 increases and decreases almost directly in the low concentration region up to 5% of the hydrogen concentration. In addition, the first detection unit 50
The element did not break down even when exposed to hydrogen gas having a concentration of 100%, confirming that the hydrogen gas sensor had stable performance in an oxygen-free environment. Furthermore, it was confirmed that the same hydrogen detection performance was obtained for hydrogen in vacuum.
【0046】本実施形態の装置において第1の検知部5
0が水素に曝されると、水素がPdを主成分とする薄膜
30の内部に拡散して、結晶格子内部に入り込み、電子
が流れにくくなるために抵抗率の増加として計測される
ものである。In the apparatus according to the present embodiment, the first detector 5
When 0 is exposed to hydrogen, the hydrogen diffuses into the thin film 30 containing Pd as a main component, enters the crystal lattice, and makes it difficult for electrons to flow, which is measured as an increase in resistivity. .
【0047】次に、図4を参照して第2の検知部51の
動作特性について説明する。Next, the operating characteristics of the second detector 51 will be described with reference to FIG.
【0048】図4は横軸に水素濃度(ppm)をとり、
縦軸に静電容量(相対値)をとって両者の相関について
調べた結果を示す特性線図である。大気圧の窒素ガス中
に少量の水素ガスを添加混合しただけの無酸素環境下で
第2の検知部51の静電容量の変化(電極41,43間
の静電容量)を計測した。具体的には水素濃度を0〜1
000ppmの範囲で種々変えて電極41,43間に
0.5Vの一定電圧を印加し、そのときの静電容量をそ
れぞれ計測した。FIG. 4 shows the hydrogen concentration (ppm) on the horizontal axis.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the result of examining the correlation between the capacitances (relative values) on the vertical axis. The change in the capacitance of the second detection unit 51 (the capacitance between the electrodes 41 and 43) was measured in an oxygen-free environment in which a small amount of hydrogen gas was added to and mixed with nitrogen gas at atmospheric pressure. Specifically, the hydrogen concentration is set to 0 to 1
A constant voltage of 0.5 V was applied between the electrodes 41 and 43 with various changes in the range of 000 ppm, and the capacitance at that time was measured.
【0049】図中にて特性線Bは計測結果を示したもの
であり、これから明らかなように150ppm以下の低
濃度の水素に曝露されることにより第2検知部51の静
電容量が急激に上昇するので、低濃度領域においてその
感度が非常に高いということが判明した。また、第2の
検知部51は、濃度が100%の水素ガスに曝露しても
素子が故障することは無く、水素ガスセンサとして無酸
素環境下で安定した性能を有することが確認された。さ
らに、真空中の水素に対しても同様の水素検出性能を有
することも確認された。In the figure, a characteristic line B shows the measurement result. As is apparent from the drawing, the capacitance of the second detection unit 51 is rapidly increased by being exposed to a low concentration of hydrogen of 150 ppm or less. As a result, the sensitivity was found to be very high in the low concentration region. In addition, the second detection unit 51 did not break down even when exposed to hydrogen gas having a concentration of 100%, and it was confirmed that the second detection unit 51 had stable performance as a hydrogen gas sensor under an oxygen-free environment. Furthermore, it was confirmed that the same hydrogen detection performance was obtained for hydrogen in vacuum.
【0050】本実施形態の装置において第2の検知部5
1が水素に曝されると、水素がPdを主成分とする薄膜
31の内部に拡散して、第2の絶縁膜21との界面に電
気双極子が形成され、これが静電容量の増加として計測
されるものである。In the apparatus according to the present embodiment, the second detector 5
When 1 is exposed to hydrogen, the hydrogen diffuses into the thin film 31 containing Pd as a main component, and an electric dipole is formed at the interface with the second insulating film 21. This causes an increase in capacitance. It is what is measured.
【0051】上記実施形態の装置によれば、2つの異な
る機能をもつ第1及び第2の検知部を備えているので、
酸素がまったく無い不活性ガス雰囲気または宇宙空間の
ような真空中などの無酸素の環境下であっても高感度か
つ確実に水素を検出することができる。また、本実施例
の装置では、低濃度領域ばかりでなく、高濃度領域の水
素まで計測することが可能である。According to the apparatus of the above embodiment, since the first and second detection units having two different functions are provided,
Hydrogen can be detected with high sensitivity and reliability even in an oxygen-free environment such as an inert gas atmosphere containing no oxygen or in a vacuum such as space. Further, the apparatus according to the present embodiment can measure not only hydrogen in a low concentration region but also hydrogen in a high concentration region.
【0052】(第2の実施形態)図5は本発明の第2の
実施形態に係る水素ガス検出装置(水素ガス検出素子)
を示す断面模式図である。なお、本実施形態が上記第1
の実施形態と共通する部分の説明は省略する。(Second Embodiment) FIG. 5 shows a hydrogen gas detecting device (hydrogen gas detecting element) according to a second embodiment of the present invention.
FIG. Note that the present embodiment corresponds to the first
The description of the parts common to the first embodiment will be omitted.
【0053】本実施形態の水素ガス検出装置161Aで
は、裏面電極43に接して厚さ1μm(1000nm)のS
iO2絶縁膜60を設けるとともに、さらにSiO2絶縁
膜60の上にNi−Cr系合金等の導体薄膜からなる発
熱体61を形成した。この発熱体61はリード線を介し
て電源回路(図示せず)に接続され、給電により抵抗発
熱するようになっている。In the hydrogen gas detection device 161A of this embodiment, a 1 μm (1000 nm) thick S
An iO 2 insulating film 60 was provided, and a heating element 61 made of a conductive thin film such as a Ni—Cr alloy was formed on the SiO 2 insulating film 60. The heating element 61 is connected to a power supply circuit (not shown) via a lead wire, and is configured to generate resistance heat by power supply.
【0054】本実施形態の装置161Aは、発熱体61
に給電して発生するジュール熱で素子の温度を上昇さ
せ、水素曝露した場合の応答速度の向上を図ったもので
ある。このような装置では、素子の温度を60〜100
℃の範囲内で任意の温度に一定に保持するために測温素
子(図示せず)を設けるとともに、発熱体61に供給す
る電流量を制御する制御器(図示せず)を設けている。The device 161A of the present embodiment has a heating element 61
In this case, the temperature of the element is raised by Joule heat generated by supplying power to the element, and the response speed in the case of hydrogen exposure is improved. In such an apparatus, the temperature of the element is set to 60 to 100
A temperature measuring element (not shown) is provided to keep the temperature constant at an arbitrary temperature within the range of ° C., and a controller (not shown) for controlling the amount of current supplied to the heating element 61 is provided.
【0055】本実施形態の装置によれば、Pdを主成分
とする薄膜中での水素の拡散速度が速くなり、水素漏洩
検出に要する時間を大幅に短くすることができ、具体的
には検出所要時間がおよそ0.1秒間となり、高応答性
能を有することが確認された。According to the apparatus of the present embodiment, the diffusion rate of hydrogen in the thin film containing Pd as a main component is increased, and the time required for hydrogen leak detection can be greatly shortened. The required time was about 0.1 second, and it was confirmed that the device had high response performance.
【0056】(第3の実施形態)図6は本発明の第3の
実施形態に係る水素ガス検出装置(水素ガス検出素子)
を示す断面模式図である。なお、本実施形態が上記第1
及び第2の実施形態と共通する部分の説明は省略する。(Third Embodiment) FIG. 6 shows a hydrogen gas detecting device (hydrogen gas detecting element) according to a third embodiment of the present invention.
FIG. Note that the present embodiment corresponds to the first
The description of the same parts as those of the second embodiment will be omitted.
【0057】本実施形態の水素ガス検出装置161Bで
は、さらに第3の検出部52を設けている。この第3の
検知部52は、上記第2の検知部51と実質的に同じ構
造をもつものであるが、Si基板10の上に形成するS
iO2を主成分とする第3の絶縁膜22の膜厚が第2の
絶縁膜21とは異ならせている。すなわち、第3の絶縁
膜22の厚さを1.5〜3.0nmとし、第2の絶縁膜
21の厚さよりも薄くしている。In the hydrogen gas detector 161B of the present embodiment, a third detector 52 is further provided. The third detection unit 52 has substantially the same structure as the second detection unit 51, except that the third detection unit 52 is formed on the Si substrate 10.
The thickness of the third insulating film 22 containing iO 2 as a main component is different from that of the second insulating film 21. That is, the thickness of the third insulating film 22 is set to 1.5 to 3.0 nm, which is smaller than the thickness of the second insulating film 21.
【0058】第3の絶縁膜22の作製方法について説明
する。第3の絶縁膜22は、エッチングによりSi基板
10の表面を露出させた後に、硫酸と過酸化水素水との
混合溶液に所定時間だけ浸漬させ、溶液から引き上げ、
超純水を用いて洗浄する。その後、大気中で紫外線を照
射して発生するオゾンに曝すことにより厚さ2nmの絶
縁膜を形成した。なお、オゾン曝露に代えて、酸素プラ
ズマ曝露を用いても同様の絶縁膜22を得ることが可能
である。A method for forming the third insulating film 22 will be described. After exposing the surface of the Si substrate 10 by etching, the third insulating film 22 is immersed for a predetermined time in a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, and pulled up from the solution.
Wash using ultrapure water. Thereafter, an insulating film having a thickness of 2 nm was formed by exposure to ozone generated by irradiation with ultraviolet light in the air. Note that a similar insulating film 22 can be obtained by using oxygen plasma exposure instead of ozone exposure.
【0059】次に、図7を参照して第3の検知部52で
の水素検出動作について説明する。図7は横軸に水素濃
度(ppm)をとり、縦軸に電流(相対値)をとって、
両者の相関について調べた結果を示す特性線図である。
大気圧の窒素ガス中に少量の水素ガスを添加混合しただ
けの無酸素環境下で電極43に対してマイナス0.5V
の電圧を電極42に印加した時に両電極42,43間に
流れる電流を各種の水素濃度環境下でそれぞれ計測し
た。図中にて特性線Cは計測結果を示したものであり、
これから明らかなように無酸素環境下であっても、水素
曝露により電流値が増加し、1300ppm以下の低濃
度の水素を高感度に検出できることが判明した。また、
濃度100%の水素に曝しても素子が故障することは無
く、真空中に漏洩した水素に対しても同様の水素検出性
能をもつことが確認された。Next, the operation of detecting hydrogen in the third detector 52 will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the hydrogen concentration (ppm) on the horizontal axis and the current (relative value) on the vertical axis.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a result of examining a correlation between the two.
In an oxygen-free environment where only a small amount of hydrogen gas is added to and mixed with nitrogen gas at atmospheric pressure, minus 0.5 V is applied to the electrode 43.
Is applied to the electrode 42, the current flowing between the electrodes 42 and 43 was measured under various hydrogen concentration environments. In the figure, a characteristic line C shows a measurement result.
As is clear from this, even under an oxygen-free environment, the current value increased due to hydrogen exposure, and it was found that low-concentration hydrogen of 1300 ppm or less can be detected with high sensitivity. Also,
The element did not break down even when exposed to hydrogen having a concentration of 100%, and it was confirmed that the element had the same hydrogen detection performance with respect to hydrogen leaked in vacuum.
【0060】本実施形態の第3の検知部52が水素に曝
されると、水素がPdを主成分とする第3のPd薄膜3
2の内部に拡散して、絶縁膜22との界面のポテンシャ
ル障壁を低下させるので、これが電極42,43間を流
れる電流の増加として計測されるものである。When the third detecting section 52 of this embodiment is exposed to hydrogen, the third Pd thin film 3 mainly composed of Pd is formed of hydrogen.
2, which lowers the potential barrier at the interface with the insulating film 22, which is measured as an increase in the current flowing between the electrodes 42 and 43.
【0061】本実施形態によれば、異なる機能の3種類
の検知部50,51,52を組み合わせているので、酸
素がまったく存在しない不活性ガス雰囲気または宇宙空
間のような真空中などの無酸素の環境下であっても高感
度かつ確実に水素を検出することができる。According to the present embodiment, since the three types of detectors 50, 51, and 52 having different functions are combined, an oxygen-free atmosphere such as an inert gas atmosphere in which oxygen does not exist at all or a vacuum such as in space. Hydrogen can be detected with high sensitivity and certainty even under the above environment.
【0062】(第4の実施形態)図8は本発明の第4の
実施形態に係る水素ガス検出装置(水素ガス検出素子)
を示す断面模式図である。なお、本実施形態が上記第1
〜第3の実施形態と共通する部分の説明は省略する。本
実施形態では複数の水素ガス検出装置を液化水素貯蔵容
器の各所に取り付けて、水素の漏洩検出に用いた例につ
いて説明する。(Fourth Embodiment) FIG. 8 shows a hydrogen gas detecting device (hydrogen gas detecting element) according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. Note that the present embodiment corresponds to the first
Descriptions of parts common to the third embodiment are omitted. In this embodiment, an example will be described in which a plurality of hydrogen gas detection devices are attached to various portions of a liquefied hydrogen storage container and used for detecting hydrogen leakage.
【0063】液化水素貯蔵容器111は真空断熱容器1
22により周囲を取り囲まれている。この真空断熱容器
122の外壁には6つの水素ガス検出装置161a〜1
61fがそれぞれ適所に取り付けられている。これらの
水素ガス検出装置161a〜161fは、真空断熱容器
122の真空を破ることなく各配線171a〜171f
を介して制御器180の入力側にそれぞれ接続されてい
る。この制御器180の出力側は図示しないディスプレ
イ装置およびアラーム装置の各電源回路にそれぞれ接続
されている。The liquefied hydrogen storage container 111 is a vacuum insulated container 1
22 surrounds the periphery. Six hydrogen gas detectors 161a to 161a are provided on the outer wall of the vacuum heat insulating container 122.
61f are respectively mounted in place. These hydrogen gas detectors 161a to 161f can be connected to the respective wires 171a to 171f without breaking the vacuum of the vacuum heat insulating container 122.
Are respectively connected to the input side of the controller 180 via the. The output side of the controller 180 is connected to each power supply circuit of a display device and an alarm device (not shown).
【0064】制御器180のCPUは、各水素ガス検出
装置161a〜161fから検出信号がそれぞれ入力さ
れると、メモリから所定の数式データを呼び出し、検出
信号から得られる実測値情報と所定の数式とに基づいて
演算を実行し、水素濃度を求める。そして、求めた水素
濃度および計測位置をディスプレイ装置の画面上に表示
するとともに、少なくとも1つの水素濃度値が所定の閾
値を超えた場合はアラーム装置に警報信号を送って警報
を鳴らし、オペレータに水素漏洩が発生したことを報知
する。When the detection signal is input from each of the hydrogen gas detectors 161a to 161f, the CPU of the controller 180 calls up predetermined mathematical expression data from the memory, and stores actual measurement value information obtained from the detection signal and predetermined mathematical expression. Is calculated based on the above equation to determine the hydrogen concentration. Then, the obtained hydrogen concentration and the measurement position are displayed on the screen of the display device, and when at least one hydrogen concentration value exceeds a predetermined threshold value, an alarm signal is sent to an alarm device to sound an alarm, and an operator is notified of the hydrogen concentration. Notify that a leak has occurred.
【0065】本実施形態では、大規模設備である液化水
素貯蔵容器のどの箇所に水素ガスの漏洩が発生したのか
を高感度かつ高濃度範囲で迅速確実に検知することがで
きるので、真空断熱容器方式の液化水素貯蔵容器におけ
る安全性と信頼性を格段に向上させることができる。In this embodiment, it is possible to quickly and reliably detect, in a liquefied hydrogen storage container, which is a large-scale facility, a location where hydrogen gas has leaked with high sensitivity and in a high concentration range. The safety and reliability of the liquefied hydrogen storage container of the type can be remarkably improved.
【0066】[0066]
【発明の効果】本発明によれば、酸素がまったく無い無
酸素環境下であっても高感度かつ迅速確実に水素の漏洩
を検出することができる。本発明の装置は、地球上の設
備のみに限られることなく、宇宙空間、月面、あるいは
他の惑星上の設備に対しても適用することが可能であ
り、広範囲の用途をもつものである。According to the present invention, the leakage of hydrogen can be detected with high sensitivity, quickly and reliably even in an oxygen-free environment without any oxygen. The device of the present invention is not limited to equipment on the earth, but can also be applied to equipment on space, the moon, or other planets, and has a wide range of applications. .
【図1】本発明の第1の実施形態に係る水素ガス検出装
置を示す拡大断面図。FIG. 1 is an enlarged sectional view showing a hydrogen gas detection device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】(a)〜(m)は本発明の実施形態に係る水素
ガス検出装置の製造方法を説明するためのフローチャー
ト。FIGS. 2A to 2M are flowcharts illustrating a method for manufacturing a hydrogen gas detection device according to an embodiment of the present invention.
【図3】抵抗値変化と水素濃度との相関を示す特性線
図。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a correlation between a change in resistance value and a hydrogen concentration.
【図4】静電容量(相対値)と水素濃度(体積%)との
相関を示す特性線図。FIG. 4 is a characteristic diagram showing a correlation between capacitance (relative value) and hydrogen concentration (% by volume).
【図5】本発明の第2の実施形態に係る水素ガス検出装
置を示す拡大断面図。FIG. 5 is an enlarged sectional view showing a hydrogen gas detection device according to a second embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第3の実施形態に係る水素ガス検出装
置を示す拡大断面図。FIG. 6 is an enlarged sectional view showing a hydrogen gas detection device according to a third embodiment of the present invention.
【図7】電流(相対値)と水素濃度との相関を示す特性
線図。FIG. 7 is a characteristic diagram showing a correlation between a current (relative value) and a hydrogen concentration.
【図8】本発明の第4の実施形態に係る水素ガス検出装
置を漏洩ガスの検出用として備えた液化水素貯蔵容器を
模式的に示す構成ブロック図。FIG. 8 is a configuration block diagram schematically showing a liquefied hydrogen storage container provided with a hydrogen gas detection device according to a fourth embodiment of the present invention for detecting leaked gas.
【図9】防爆雰囲気中に設置された圧縮水素貯蔵容器に
おける従来の漏洩検知方法を模式的に示す構成ブロック
図。FIG. 9 is a configuration block diagram schematically showing a conventional leak detection method in a compressed hydrogen storage container installed in an explosion-proof atmosphere.
【図10】防爆雰囲気中に設置された液化水素貯蔵容器
における他の従来の漏洩検知方法を模式的に示す構成ブ
ロック図。FIG. 10 is a configuration block diagram schematically showing another conventional leak detection method for a liquefied hydrogen storage container installed in an explosion-proof atmosphere.
【図11】真空断熱容器中に設置されている液化水素貯
蔵容器を示す模式図。FIG. 11 is a schematic diagram showing a liquefied hydrogen storage container installed in a vacuum insulated container.
10…半導体基板、 20…第1の絶縁膜、 21…第2の絶縁膜、 22…第3の絶縁膜、 30…第1のPd薄膜、 31…第2のPd薄膜、 32…第3のPd薄膜、 40a,40b,41,42…電極(電極膜)、 43…裏面電極、 50…第1の検知部、 51…第2の検知部、 52…第3の検知部、 111…液化水素貯蔵容器、 122…真空断熱容器、 161,161A,161B,161a〜161f…水
素ガス検出装置、 171a〜171f…配線、 180…制御装置。DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor substrate, 20 ... 1st insulating film, 21 ... 2nd insulating film, 22 ... 3rd insulating film, 30 ... 1st Pd thin film, 31 ... 2nd Pd thin film, 32 ... 3rd Pd thin film, 40a, 40b, 41, 42 ... electrode (electrode film), 43 ... back electrode, 50 ... first detection unit, 51 ... second detection unit, 52 ... third detection unit, 111 ... liquefied hydrogen Storage container, 122: Vacuum insulated container, 161, 161A, 161B, 161a to 161f: Hydrogen gas detection device, 171a to 171f: Wiring, 180: Control device.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 能丸 裕次 愛知県名古屋市港区大江町10番地 三菱重 工業株式会社名古屋航空宇宙システム製作 所内 (72)発明者 奥田 晃久 愛知県名古屋市港区大江町10番地 三菱重 工業株式会社名古屋航空宇宙システム製作 所内 Fターム(参考) 2G046 AA01 AA05 BA01 BA09 BB02 BB04 EA02 EA09 FB00 FE29 FE38 2G060 AA01 AB03 AE19 AF10 BA09 JA01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yuji Nomaru 10 Oecho, Minato-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. No. 10 town Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Nagoya Aerospace Systems Works F-term (reference) 2G046 AA01 AA05 BA01 BA09 BB02 BB04 EA02 EA09 FB00 FE29 FE38 2G060 AA01 AB03 AE19 AF10 BA09 JA01
Claims (19)
る水素ガス検出装置において、 半導体基板の表面に設けられた第1及び第2の絶縁膜
と、 前記第1の絶縁膜上に設けられたPdを主成分とする第
1のPd薄膜を有する第1の検知部と、 前記第2の絶縁膜上に設けられたPdを主成分とする第
2のPd薄膜と、前記半導体基板の裏面にオーミック性
接続された導体からなる電極とを有する第2の検知部
と、を具備することを特徴とする水素ガス検出装置。1. A hydrogen gas detection device for detecting a concentration of hydrogen gas in an oxygen-free environment, comprising: a first and a second insulating film provided on a surface of a semiconductor substrate; and a first insulating film provided on the first insulating film. A first detector having a first Pd thin film mainly composed of Pd, a second Pd thin film mainly composed of Pd provided on the second insulating film, A second detection portion having an electrode made of a conductor that is ohmic-connected to the back surface thereof.
る第1のPd薄膜の電気抵抗を計測することを特徴とす
る請求項1記載の装置。2. The apparatus according to claim 1, wherein the first detector measures an electric resistance of the first Pd thin film containing Pd as a main component.
る第2のPd薄膜と前記裏面電極との間に電圧を印加し
て静電容量を計測することを特徴とする請求項1記載の
装置。3. The device according to claim 2, wherein the second detector measures a capacitance by applying a voltage between the second Pd thin film containing Pd as a main component and the back electrode. An apparatus according to claim 1.
上であることを特徴とする請求項1記載の装置。4. The device according to claim 1, wherein the thickness of the first insulating film is 300 nm or more.
nmの範囲であることを特徴とする請求項1記載の装
置。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein said second insulating film has a thickness of 20 to 150.
2. The device according to claim 1, wherein the range is nm.
るものであることを特徴とする請求項1記載の装置。6. The device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is mainly composed of silicon.
酸化シリコンを主成分とするものであることを特徴とす
る請求項1記載の装置。7. The device according to claim 1, wherein the first and second insulating films are each mainly composed of silicon oxide.
と前記第1のPd薄膜との間に挿入された50nm以下
の膜厚のCr又はTiを主成分とする薄膜をさらに有す
ることを特徴とする請求項1記載の装置。8. The first detecting section further includes a thin film containing Cr or Ti as a main component and having a thickness of 50 nm or less inserted between the first insulating film and the first Pd thin film. The device of claim 1 comprising:
との積層界面において該第1の絶縁膜表面は積層前にオ
ゾンに曝されていること、および、前記第2の絶縁膜と
前記第2のPd薄膜との積層界面において該第2の絶縁
膜表面は積層前にオゾンに曝されていることを特徴とす
る請求項1記載の装置。9. The lamination interface between the first insulation film and the first Pd thin film, wherein the surface of the first insulation film is exposed to ozone before lamination, and the second insulation film 2. The apparatus according to claim 1, wherein the surface of the second insulating film is exposed to ozone before lamination at a lamination interface between the second Pd thin film and the second Pd thin film.
膜との積層界面において該第1の絶縁膜表面は積層前に
酸素プラズマに曝されていること、および、前記第2の
絶縁膜と前記第2のPd薄膜との積層界面において該第
2の絶縁膜表面は積層前に酸素プラズマに曝されている
ことを特徴とする請求項1記載の装置。10. The first insulating film surface at a lamination interface between the first insulating film and the first Pd thin film is exposed to oxygen plasma before lamination, and the second insulating film is 2. The apparatus according to claim 1, wherein the surface of the second insulating film at a lamination interface between the film and the second Pd thin film is exposed to oxygen plasma before lamination.
体を有することを特徴とする請求項1記載の装置。11. The apparatus according to claim 1, further comprising a heating element on a back surface of said semiconductor substrate.
られた第3の絶縁膜と、この第3の絶縁膜の上に形成さ
れたPdを主成分とする第3のPd薄膜とを有し、これ
ら第3の絶縁膜及び第3のPd薄膜と前記裏面電極とに
より第3の検知部が形成されることを特徴とする請求項
1記載の装置。12. A semiconductor device comprising: a third insulating film provided on a surface of the semiconductor substrate; and a third Pd thin film containing Pd as a main component and formed on the third insulating film. 2. The device according to claim 1, wherein a third detecting portion is formed by the third insulating film, the third Pd thin film, and the back electrode.
薄膜と前記裏面電極との間に電圧を印加して電流を計測
することを特徴とする請求項12記載の装置。13. The third Pd,
13. The apparatus according to claim 12, wherein a voltage is applied between the thin film and the back electrode to measure a current.
間に形成された前記第3の絶縁膜の厚さが1〜3nmの
範囲であることを特徴とする請求項12記載の装置。14. The device according to claim 12, wherein the thickness of the third insulating film formed between the third Pd thin film and the semiconductor substrate is in a range of 1 to 3 nm.
主成分とすることを特徴とする請求項12記載の装置。15. The device according to claim 12, wherein the third insulating film contains silicon oxide as a main component.
する水素ガス検出装置の製造方法において、 (i)半導体基板の表面に第1及び第2の絶縁膜を形成
する工程と、 (ii)前記第1の絶縁膜の表面をオゾンに曝した後に、
該第1の絶縁膜の上にPdを主成分とする第1のPd薄
膜を形成して第1の検知部を得る工程と、 (iii)前記第2の絶縁膜の表面をオゾンに曝した後
に、該第2の絶縁膜の上にPdを主成分とする第2のP
d薄膜を形成し、さらに前記半導体基板の裏面にオーミ
ック性接続された導体からなる電極を形成して第2の検
知部を得る工程と、を具備することを特徴とする水素ガ
ス検出装置の製造方法。16. A method of manufacturing a hydrogen gas detecting device for detecting a concentration of hydrogen gas in an oxygen-free environment, comprising: (i) forming first and second insulating films on a surface of a semiconductor substrate; After exposing the surface of the first insulating film to ozone,
Forming a first Pd thin film containing Pd as a main component on the first insulating film to obtain a first detecting portion; and (iii) exposing the surface of the second insulating film to ozone. Later, a second P containing Pd as a main component is formed on the second insulating film.
d. forming a thin film, and further forming an electrode made of an ohmic-connected conductor on the back surface of the semiconductor substrate to obtain a second detecting portion, thereby manufacturing a hydrogen gas detecting device. Method.
する水素ガス検出装置の製造方法において、 (i)半導体基板の上に第1及び第2の絶縁膜を形成す
る工程と、 (ii)前記第1の絶縁膜の表面を酸素プラズマに曝した
後に、該第1の絶縁膜の上にPdを主成分とする第1の
Pd薄膜を形成して第1の検知部を得る工程と、 (iii)前記第2の絶縁膜の表面を酸素プラズマに曝し
た後に、該第2の絶縁膜の上にPdを主成分とする第2
のPd薄膜を形成し、さらに前記半導体基板の裏面にオ
ーミック性接続された導体からなる電極を形成して第2
の検知部を得る工程と、を具備することを特徴とする水
素ガス検出装置の製造方法。17. A method for manufacturing a hydrogen gas detection device for detecting a concentration of hydrogen gas in an oxygen-free environment, comprising: (i) forming first and second insulating films on a semiconductor substrate; Exposing the surface of the first insulating film to oxygen plasma, and then forming a first Pd thin film containing Pd as a main component on the first insulating film to obtain a first detecting portion; (Iii) after exposing the surface of the second insulating film to oxygen plasma, the second insulating film containing Pd as a main component is formed on the second insulating film.
Forming a Pd thin film, and further forming an electrode made of an ohmic-connected conductor on the back surface of the semiconductor substrate,
A method for producing a hydrogen gas detection device, comprising the steps of:
て第3の絶縁膜を形成することを特徴とする請求項16
又は17のいずれか一方に記載の製造方法。18. The method according to claim 16, further comprising exposing the silicon surface to ozone to form a third insulating film.
Or the production method according to any one of 17.
に曝して第3の絶縁膜を形成することを特徴とする請求
項16又は17のいずれか一方に記載の製造方法。19. The method according to claim 16, further comprising exposing the silicon surface to oxygen plasma to form a third insulating film.
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