JP3601993B2

JP3601993B2 - 熱型センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3601993B2
Application number: JP05031799A
Authority: JP
Inventors: 彰山下; 裕一坂井; 和彦堤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP2000249584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱部を備えた熱型センサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱型センサは、発熱部の温度分布又は発熱部によって加熱された部分の温度分布が、加速度、圧力、流体等の変化に応じて発生する熱伝達現象に基づいて、加速度、圧力、流体の流速又は流量を計測するものであり、例えば自動車の加速度、内燃機関に加わる圧力、内燃機関の吸入空気量を計測する場合等に用いられる。
【０００３】
従来の熱型センサの一例として、特公平５−７６５９号公報で開示されたブリッジタイプの感熱式流量センサについて、図４及び図５を参照して説明する。図４及び図５において、１はシリコン半導体である基板を、２はシリコンナイトライドである絶縁性の支持膜を、３はシリコンナイトライドである絶縁性の保護膜を、４は感熱抵抗膜であるパーマロイよりなる発熱抵抗を、５及び６はいずれも感熱抵抗膜であるパーマロイよりなる測温抵抗を、７は感熱抵抗膜であるパーマロイからなる比較抵抗を示す。２つの測温抵抗５、６は、発熱抵抗４を挟んで、計測しようとする流体１０に流れの方向と垂直になるように配置されている。発熱抵抗４及び測温抵抗５、６が形成された部分の直下には空気スペース９が設けられ、ブリッジ構造を形成している。空気スペース９は、シリコンナイトライド膜をエッチングしないエッチング液を用いて、基板１に形成された開口部８から基板１の一部を除去して形成される。
【０００４】
次に、上記流量センサの動作について説明する。流量センサでは、発熱抵抗４の温度を比較抵抗７で検出された基板１の温度よりも例えば２００℃高く維持するように、制御回路（図示せず）によって発熱抵抗４に電流が通電されている。尚、先に説明したように発熱抵抗４の下方には空気スペース９が存在するので、発熱抵抗４で発生した熱は比較抵抗７には伝達されることはないので、比較抵抗７で検出される温度は周囲の空気の温度とほぼ等しい。
【０００５】
発熱抵抗４で発生した熱は、支持膜２や保護膜３あるいは感熱抵抗膜を介して測温抵抗５、６に伝達される。図４に示すように、測温抵抗５、６は、発熱抵抗４に対して対称な位置に配置されているので、空気の流れがない場合は、２つの測温抵抗５、６の温度は等しく、測温抵抗５、６の抵抗値に差はない。しかしながら、空気の流れがある場合、上流側の測温抵抗は空気によって冷却されるが、下流側の測温抵抗は発熱抵抗から空気で伝達された熱によって加熱されるので、上流側の測温抵抗ほど冷却されない。例えば、矢印１０で示す方向の空気の流れが生じた場合は、上流側の測温抵抗５は下流側の測温抵抗６よりも低温となり、両者の抵抗値の差は、空気の流速又は流量が大きいときほど広がる。このように、測温抵抗５、６の抵抗値の差を検出することにより、空気の流速又は流量を測定することができる。また、空気の流れの方向が矢印１０と逆になった場合は、測温抵抗６が測温抵抗５より低温になるので、空気の流れの方向も検出することができる。
【０００６】
上述したブリッジタイプ以外に、ダイヤフラムタイプの感熱式流量センサが広く利用されている。以下、図６及び図７を参照して、従来のダイヤフラムタイプ感熱式流量センサについて説明する。図６及び図７において、１〜１０の各構成要素は、上記ブリッジタイプの流量検出素子の同一番号を付した構成要素と実質的に同じものであり、１２は、基板１の支持膜２が形成された面と反対側の面から該基板１の一部をエッチングで除去して形成された開口部である。つまり、ダイヤフラムタイプ感熱式流量センサにおいて、発熱抵抗４及び２つの測温抵抗５、６が支持膜２及び保護膜３に挟まれたダイヤフラム領域１４の直下の基板１は除去されている。このような構成にすると、ブリッジタイプの流量センサに比べて、高い強度を得ることができる。なお、空気の流速又は流量の検出原理は、ブリッジタイプの流量検出素子の場合と同様である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなダイヤフラムタイプの流量センサには以下に説明するような課題がある。
【０００８】
従来の流量センサでは、支持膜中にピンホールが存在すると、基板を除去する際、ピンホールからエッチング液浸透し、支持膜を支えている基板の表面がエッチングされ、ピットが形成されたり、ダイヤフラム形状がいびつとなるので、流量センサの信頼性が低下するという課題があった。これに対処するために、ピンホールのない緻密な支持膜を形成すると、基板を除去した後、支持膜自体が撓むので、ダイヤフラムの形状をフラットに維持することは困難であった。
【０００９】
さらに、発熱抵抗に通電して、発熱抵抗部が昇温されると、発熱抵抗部が熱膨張し、ダイヤフラム領域が撓むので、流量センサの信頼性が低下し、流量センサの応答特性にばらつきが生じるという課題があった。また、このように、動作中にダイヤフラム領域の撓み変化が繰り返されると、流量センサの耐久性が損なわれるという課題もあった。
【００１０】
本発明の第１の目的は、検出精度の優れた熱型センサおよびその製造方法を提供することである。
【００１１】
本発明の第２の目的は、検出精度に優れ、かつ信頼性が高く、撓みのないダイヤフラム領域を備えている熱型センサおよびその製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱型センサは、開口部を有するシリコン基板と、
該シリコン基板上に形成され、シリコン基板表面の熱酸化による二酸化シリコンからなる第１の支持膜と、
該第１の支持膜上に形成され、前記開口部におけるダイヤフラムを構成する第２の支持膜と、
該第２の支持膜のダイヤフラム上に形成され、感熱抵抗材料からなる発熱部とを備え、
第１の支持膜は、前記開口部において除去されており、
第２の支持膜は、ダイヤフラムに引張り応力が設定されるように、第１の支持膜とは異なる材料で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また本発明に係る熱型センサの製造方法は、シリコン基板の上に、シリコン基板表面の熱酸化による二酸化シリコンからなる第１の支持膜を形成する工程と、
該第１の支持膜の上に、第１の支持膜とは異なる材料からなる第２の支持膜を形成する工程と、
第２の支持膜の上に、感熱抵抗材料からなる発熱部を形成する工程と、
ウェットエッチングによってシリコン基板の一部を除去して、シリコン基板裏面から第１の支持膜に達する開口部を形成する第１のエッチング工程と、
第１の支持膜のうち開口部で露出した部分を除去して、第２の支持膜で構成されるダイヤフラムを形成する第２のエッチング工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明において、第２の支持膜は、シリコンナイトライドで形成されていることが好ましい。
【００１５】
また本発明において、第２の支持膜および発熱部の上に、シリコンナイトライドからなる保護膜が形成されていることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の熱型センサである流量センサについて説明する。
【００１８】
実施の形態１．
最初に図１を参照して実施の形態１にかかる流量センサ３０について説明する。流量センサ３０は、絶縁性の第２の支持膜１６上に形成された発熱部１１を備えている。詳細に説明すると、第２の支持膜１６は基板上に絶縁性の第１の支持膜を介して形成されたものであり、発熱部１１は感熱抵抗膜で形成されたものであり、かつ側温抵抗と発熱抵抗とを含んでいる。さらに、発熱部１１の周囲であるダイヤフラム領域１４の下方に位置する基板は除去されていて、発熱部１１上には保護膜（図示せず）が設けられている。
【００１９】
次に、図２及び図３を参照して、流量センサ３０の製造方法について説明する。最初に図２（ａ）に示すように、厚さ約４００μｍのシリコンウェハの基板１に、厚さ約０．５μｍの絶縁膜を第１の支持膜１５として積層し、第１の支持膜１５上に厚さ約１μｍの絶縁膜を第２の支持膜１６として積層する。具体的には、第１の支持膜１５を酸化膜で形成するのが好ましい。
【００２０】
続いて、第２の支持膜１６上に蒸着法やスパッタ法等によって、厚さ０．２μｍの白金等を感熱抵抗膜として成膜し、さらに、この感熱抵抗膜を写真製版法、ウェットエッチング法又はドライエッチング法等を用いてパターニングして、図２（ｂ）に示すように、測温抵抗と発熱抵抗とを備えた発熱部１１を形成する。さらに、図２（ｃ）に示すように、発熱部１１及び第２の支持膜１６を覆うように厚さ１μｍの絶縁性の保護膜３を積層する。
【００２１】
さらに、基板１の第１の支持膜１５が配置された面とは反対側の面に裏面保護膜（図示せず）を設け、この裏面保護膜に写真製版法等を用いてエッチングホールを形成する。続いて、図３（ａ）に示すように、エッチングホール有する裏面保護膜を利用して、アルカリエッチング等によって、基板１の一部を除去し開口部１２を設け、ダイヤフラム領域１４を形成する。
【００２２】
この後、ウエットエッチング等により、図３（ｂ）に示すように、ダイヤフラム領域１４直下の第１の支持膜１５のみを除去する。この際、エッチング時間を１０分以下と短くすることで、第１の支持膜１５は、厚さ方向にのみエッチングされるので、ダイヤフラム領域１４直下の第１の支持膜１５のみを除去することができる。
【００２３】
このように、ダイヤフラム領域１４の直下に位置する第１の支持膜１５を除去することにより、ダイヤフラム領域１４を薄く形成することができる。即ち、基板１上に２層構造の支持膜を形成した後、第１の支持膜１５でダイヤフラム領域１４の直下以外に位置する基板１の表面を保護しつつ、基板１を除去してダイヤフラム領域１４を形成し、続いて、ダイヤフラム領域１４直下の第１の支持膜１５のみを除去することで、基板１の表面にピット等を発生させることなく、ダイヤフラム領域１４の厚さを薄くすることができる。このようにして、ダイヤフラム領域１４の熱伝導度を向上させることで、流量センサ３０の流量検出精度を優れたものにすることができる。
【００２４】
さらに、ダイヤフラム領域１５の直下の基板１を除去する際、第２の支持膜１６又は保護膜３に存在するピンホール等にエッチング液が浸入し、さらにこのエッチング液が基板１の表面に達することを防止するために、ピンホールのない第１の支持膜１５を用いるのが好ましい。このようにピンホールの無い第１の支持膜を用いると、基板１の表面にエッチングピットが発生することをより確実に防止することができる。さらに、第２の支持膜１６によってダイヤフラム領域１４の撓みが防止されるので、ダイヤフラム領域の形状異常を防止することができる。つまり、上述した方法で製造された流量センサ３０は、応答特性のばらつきが少なく、信頼性の高いものである。
【００２５】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかる流量センサは、上記実施の形態１にかかる流量センサの第２の支持膜及び保護膜を、引張応力を設定することできるもので構成したものである。即ち、第２の支持膜及び保護膜の引張応力を設定することにより、発熱部が通電され熱膨張した場合、この熱膨張で発生する応力を第２の支持膜及び保護膜の引張応力で打ち消すことにより、ダイヤフラム領域が撓むことを防止することができる。こうすることで、流量センサの信頼性を向上させることができる。尚、保護膜及び第２の支持膜の引張応力は、発熱部に実際に通電される電流に応じて発生する熱膨張に打ち勝つ程度であればよい。また、実施の形態２の流量センサは、上記実施の形態１の流量センサと同様の作用・効果を示す。
【００２６】
上記実施の形態では、第２の支持膜及び保護膜の引張応力を設定したが本発明はこれに限定されるものではなく、第２の支持膜及び保護膜のいずれか一方の引張応力のみを設定してもよい。
【００２７】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３にかかる流量センサは、上記実施の形態１の流量センサの第１の支持膜を二酸化シリコン膜で形成したものである。二酸化シリコン膜は、容易に形成することが可能でかつ、ピンホールが少ないのでより確実に基板１の表面を保護することができる。また、二酸化シリコン膜で第１の支持膜を形成し、さらに第２の支持膜を耐フッ化水素酸性の膜で形成して、フッ化水素酸の水溶液を用いることで、第１の支持膜のみを容易に除去することができるので、流量センサを容易かつ低コストに製造することができる。
【００２８】
また、上記二酸化シリコン膜は、ＣＶＤ法又は熱酸化法等によって形成することができる。特に、シリコン基板を熱酸化して二酸化シリコン膜を形成する熱酸化法を用いる場合、シリコン基板の両面にピンホールの無い二酸化シリコン膜を容易に形成することができるので、一方の表面に形成された二酸化シリコン膜を第１の支持膜とし、他方の表面に形成された二酸化シリコン膜を裏面保護膜とすることで、裏面保護膜を形成する工程を省略することができる。つまり、熱酸化法を用いることで、工程を省略し、流量センサの製造コストを低くすることができる。
【００２９】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４にかかる流量センサは、上記実施の形態２にかかる流量センサの保護膜及び第２の支持膜をシリコンナイトライド膜で形成したものである。具体的には、スパッタ法またはＣＶＤ法等によってシリコンナイトライド膜を形成する。シリコンナイトライド膜は膜の引張応力の制御が容易であるから、このようなシリコンナイトライド膜を保護膜及び第２の支持膜に利用することで、ダイヤフラム領域の膜応力を引張応力として制御することが可能となり、発熱部が熱膨張した場合でも、この熱膨張による応力は保護膜及び第２の支持膜の引張応力に打ち消され、ダイヤフラム領域の撓みを防止することができる。
【００３０】
また、シリコンナイトライド膜は耐フッ化水素酸性の膜であるから、第１の支持膜に二酸化シリコン膜を用いることで、フッ化水素酸の水溶液で第１の支持膜のみを容易に除去することができる。つまり、第１の支持膜を二酸化シリコン膜で形成し、第２の支持膜をシリコンナイトライド膜で形成することで、流量センサの製造方法が容易になり、製造コストを引き下げることができる。
【００３１】
上記実施の形態では、保護膜及び第２の支持膜の両方を、シリコンナイトライド膜で形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、保護膜及び第２の支持膜のいずれか一方を絶縁性の窒化膜で形成してもよい。
【００３２】
上述した実施の形態１ないし４では、熱型センサを流量センサに用いたが本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の熱センサを、加速度センサや圧力センサ等に用いても上述した作用・効果を得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
上述したように、本発明に係る熱型センサは、ダイヤフラムを構成する第２の支持膜に引張り応力を設定している。これによって発熱部の熱膨張によるダイヤフラムの撓み変形を防止することができ、その結果、熱型センサの信頼性を向上できる。さらに、熱伝導性に優れたダイヤフラムが得られるため、熱型センサの検出精度を向上させることができる。また、基板としてシリコン基板を使用し、シリコン基板表面の熱酸化によって二酸化シリコンからなる第１の支持膜を形成することによって、ピンホールが少ない膜を容易に得ることができる。
【００３４】
また、本発明に係る熱型センサの製造方法によれば、基板としてシリコン基板を使用し、シリコン基板表面の熱酸化によって二酸化シリコンからなる第１の支持膜を形成することによって、ピンホールが少ない膜を容易に得ることができる。さらに、第１の支持膜の上に、第１の支持膜とは異なる材料からなる第２の支持膜を形成した後、第１のエッチング工程でウェットエッチングによってシリコン基板の開口部を形成し、第２のエッチング工程で第１の支持膜の露出部分を除去して、第２の支持膜で構成されたダイヤフラムを形成している。こうした２回のエッチングによりダイヤフラムを薄く形成することができるため、熱型センサの検出精度を向上させることができる。
【００３５】
また、第２の支持膜をシリコンナイトライドで形成することによって、膜の引張応力の制御が容易になる。また、シリコンナイトライドは耐フッ化水素酸性を有することから、二酸化シリコンからなる第１の支持膜のエッチング液としてフッ化水素酸の水溶液を使用できるため、第１の支持膜のエッチング加工が容易になり、センサの製造コストを引き下げることができる。
【００３６】
また、第２の支持膜および発熱部の上に、シリコンナイトライドからなる保護膜を形成することによって、第２の支持膜と保護膜の両方がシリコンナイトライド膜となり、膜の引張応力の制御が容易になって、ダイヤフラムの撓み変形を防止でき、センサの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本明の実施の形態１にかかる流量センサの平面図を示す。
【図２】本明の実施の形態１にかかる流量センサの製造工程を示す断面図で、（ａ）は基板に第１の支持膜及び第２の支持膜を形成する工程を、（ｂ）は発熱部を形成する工程を、（ｃ）は保護膜を形成する工程を示す。
【図３】本明の実施の形態１にかかる流量センサの製造工程を示す断面図で、（ａ）は基板を除去する工程を、（ｂ）は第１の支持膜を除去する工程を示す。
【図４】従来のブリッジタイプの感熱式流量センサの平面図を示す。
【図５】従来のブリッジタイプの感熱式流量センサの断面図を示す。
【図６】従来のダイヤフラムタイプの感熱式流量センサの平面図を示す。
【図７】従来のダイヤフラムタイプの感熱式流量センサの断面図を示す。
【符号の説明】
１基板、３保護膜、１１発熱部、１２開口部、１４ダイヤフラム領域、１５第１の支持膜、１６第２の支持膜。

Claims

開口部を有するシリコン基板と、
該シリコン基板上に形成され、シリコン基板表面の熱酸化による二酸化シリコンからなる第１の支持膜と、
該第１の支持膜上に形成され、前記開口部におけるダイヤフラムを構成する第２の支持膜と、
該第２の支持膜のダイヤフラム上に形成され、感熱抵抗材料からなる発熱部とを備え、
第１の支持膜は、前記開口部において除去されており、
第２の支持膜は、ダイヤフラムに引張り応力が設定されるように、第１の支持膜とは異なる材料で形成されていることを特徴とする熱型センサ。
第２の支持膜は、シリコンナイトライドで形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱型センサ。
第２の支持膜および発熱部の上に、シリコンナイトライドからなる保護膜が形成されていることを特徴とする請求項２記載の熱型センサ。
シリコン基板の上に、シリコン基板表面の熱酸化による二酸化シリコンからなる第１の支持膜を形成する工程と、
該第１の支持膜の上に、第１の支持膜とは異なる材料からなる第２の支持膜を形成する工程と、
第２の支持膜の上に、感熱抵抗材料からなる発熱部を形成する工程と、
ウェットエッチングによってシリコン基板の一部を除去して、シリコン基板裏面から第１の支持膜に達する開口部を形成する第１のエッチング工程と、
第１の支持膜のうち開口部で露出した部分を除去して、第２の支持膜で構成されるダイヤフラムを形成する第２のエッチング工程とを含むことを特徴とする熱型センサの製造方法。
第２の支持膜を、シリコンナイトライドで形成することを特徴とする請求項４記載の熱型センサの製造方法。
第２の支持膜および発熱部の上に、シリコンナイトライドからなる保護膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項５記載の熱型センサの製造方法。