JP2003014517A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量検出用の抵抗体膜とその下地の絶縁膜と
の密着性を向上させ、抵抗体膜の基板からの剥離を適切
に抑制することの可能なフローセンサを提供する。 【解決手段】 半導体基板１と、この半導体基板１の一
面の上に形成された下部絶縁膜１１、１２と、この下部
絶縁膜１１、１２の上に形成された流量検出用の抵抗体
膜２０、３０、４０と、この抵抗体膜２０〜４０の上に
形成された上部絶縁膜１３、１４とを備えるフローセン
サにおいて、抵抗体膜２０〜４０はＰｔよりなり、少な
くとも抵抗体膜２０〜４０と下部絶縁膜１２とは、Ｔｉ
よりなる密着層５０を介して密着している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を検出
するフローセンサおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のフローセンサは、一般に、薄膜
状のヒータ（発熱体）や温度計（流体温度検出体）等の
流量検出用の抵抗体膜を、絶縁膜でサンドイッチした薄
膜構造（メンブレン構造）を有している。ここで、薄膜
状のヒータや温度計は、Ｐｔ等にて形成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Ｐｔは絶縁
膜との密着性が悪く、ＴＣＲ（抵抗の温度係数）の向上
や膜の応力緩和のために例えば７００℃以上で熱処理
（アニール）を行うが、この熱処理工程や次工程（例え
ば、エッチング工程等）にて、熱やエッチング液の侵入
等により、絶縁膜からＰｔ膜が剥離してしまうという問
題があった。

【０００４】この問題に対しては、例えば、米国特許第
４９５２９０４号明細書に記載されているように、Ｐｔ
膜と絶縁膜との間に、密着層として金属酸化物よりなる
層を挿入した構造が提案されている。

【０００５】しかしながら、金属酸化物層が薄い場合、
上記アニールを行うと、金属酸化物層がある程度Ｐｔ膜
へ拡散して薄くなりすぎるため、密着層の役割を果たさ
なくなる。また、金属酸化物層の膜厚が大きくなると密
着性は向上するものの、金属酸化物層自体の抵抗値がＰ
ｔ膜の抵抗値に影響して、ＴＣＲが所望の値からずれた
り、抵抗、ＴＣＲの経時変化が大きくなったりするとい
う問題がある。

【０００６】そこで、本発明は上記問題に鑑み、流量検
出用の抵抗体膜とその下地の絶縁膜との密着性を向上さ
せ、抵抗体膜の基板からの剥離を適切に抑制することの
可能なフローセンサおよびその製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、鋭意検討
した結果、抵抗体膜をＰｔとした場合、密着層としては
Ｔｉが有効であることを実験的に見出した。本発明は、
この検討結果に基づいてなされたものである。

【０００８】すなわち、請求項１に記載の発明では、基
板（１）と、この基板の一面の上に形成された下部絶縁
膜（１１、１２）と、この下部絶縁膜の上に形成された
流量検出用の抵抗体膜（２０、３０、４０）と、この抵
抗体膜の上に形成された上部絶縁膜（１３、１４）とを
備えるフローセンサにおいて、抵抗体膜はＰｔよりな
り、少なくとも抵抗体膜と下部絶縁膜とは、Ｔｉよりな
る密着層（５０）を介して密着していることを特徴とす
る。

【０００９】本発明によれば、Ｐｔ抵抗体膜をＴｉ密着
層を介して、基板側の下部絶縁膜に密着させることによ
り、実用上、十分な密着力を確保するとともに、抵抗体
膜の抵抗値ばらつきを実用レベルにて抑制することが可
能となる。従って、本発明によれば、抵抗体膜と下地絶
縁膜との密着性を向上させ、抵抗体膜の基板からの剥離
を適切に抑制することの可能なフローセンサを提供する
ことができる。

【００１０】なお、密着層を抵抗体膜と上部絶縁膜との
間に介在させても良いが、請求項２に記載の発明のよう
に、密着層（５０）を、抵抗体膜（２０〜４０）と下部
絶縁膜（１３、１４）との間にのみ介在設定したもので
あっても良い。それによれば、請求項１の発明と同様の
効果を発揮することができる。

【００１１】ここで、実用上、十分な密着力を確保する
ためには、請求項３に記載の発明のように、密着層（５
０）の厚さを２０ｎｍ以上とすることが好ましい。ま
た、抵抗体膜の抵抗値ばらつきを実用レベルにて十分に
抑制するためには、請求項４に記載の発明のように、密
着層（５０）の厚さを１００ｎｍ以下とすることが好ま
しい。

【００１２】請求項５に記載の発明では、下部絶縁膜
（１１、１２）のうち密着層（５０）と接する面は、シ
リコン酸化膜よりなることを特徴とする。絶縁膜の構成
材料の中でも、シリコン酸化膜は、Ｔｉとの密着性が比
較的優れており、好ましい。

【００１３】また、請求項６に記載の発明では、基板
（１）を用意し、この基板の一面上に下部絶縁膜（１
１、１２）を形成する工程と、下部絶縁膜の上にＴｉよ
りなる膜を形成する工程と、Ｔｉよりなる膜の上にＰｔ
よりなる流量検出用の抵抗体膜（２０〜４０）を形成す
る工程と、抵抗体膜の上に上部絶縁膜（１３、１４）を
形成する工程と、を備えることを特徴とする。

【００１４】それによれば、請求項１に記載のフローセ
ンサを適切に製造可能なフローセンサの製造方法を提供
することができる。

【００１５】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる
フローセンサＳ１の斜視図であり、図２は、図１中のＡ
−Ａ線に沿った概略断面図である。

【００１７】このフローセンサＳ１は、単結晶シリコン
等で形成された半導体基板１を有する。半導体基板１の
上には、下部絶縁膜となるシリコン窒化膜１１およびシ
リコン酸化膜１２が形成され、その上に、温度計をなす
流体温度検出体２０および測温体（流量検出体）３０が
形成されるとともにヒータ（発熱体）４０が形成され、
さらにその上に、上部絶縁膜となるシリコン酸化膜１３
およびシリコン窒化膜１４が形成された構造となってい
る。

【００１８】ここにおいて、上記流体温度検出体２０、
測温体３０およびヒータ４０は、Ｐｔよりなるものであ
って流量検出用の抵抗体膜として構成されている。本例
では、抵抗体膜２０、３０、４０は折り返し形状（蛇行
形状）にパターニングされている。

【００１９】そして、この抵抗体膜２０〜４０の下に
は、抵抗体膜形状と同一形状にパターニングされたＴｉ
よりなる密着層５０が介在設定されており、抵抗体膜２
０〜４０と下部絶縁膜であるシリコン酸化膜１２とは、
密着層５０を介して密着している。

【００２０】また、半導体基板１には、図２に示すよう
に、空洞部１ａが形成されており、この空洞部１ａ上に
薄膜構造部をなすダイアフラム１０が形成され、ダイア
フラム１０に測温体３０とヒータ４０とが配置されてい
る。

【００２１】流体温度検出体２０、測温体３０およびヒ
ータ４０は、流体の流れの方向（図１中の白抜き矢印で
示す）に対し、上流側からその順で配置されている。流
体温度検出体２０は、流体の温度を検出するもので、ヒ
ータ４０の熱がその温度検出に影響を及ぼさないように
ヒータ４０から十分離隔した位置に配設されている。ヒ
ータ４０は、流体温度検出体２０で検出された温度より
一定温度高い基準温度になるように、図示しない制御回
路によって制御される。

【００２２】このように構成されたフローセンサＳ１に
おいて、流体が流れると、その流体温度が流体温度検出
体２０により計測され、その計測された温度よりも一定
温度高い基準温度になるようにヒータ４０が通電制御さ
れる。そして、流体の流れの大きさによってヒータ４０
の熱分布が変化し、その熱分布の変化により測温体３０
の抵抗値が変化することで、流量が検出される。

【００２３】次に、上記したフローセンサＳ１の製造方
法について具体的に説明する。半導体基板として単結晶
のシリコン基板１を用意し、その一面（表面）上に、プ
ラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化膜１１、その上に
シリコン酸化膜１２を形成する。

【００２４】次に、密着層５０の材料としてＴｉ膜を蒸
着法等によりシリコン酸化膜１２の上に堆積させ、その
上に、抵抗体膜の材料としてＰｔ膜を真空蒸着等により
シリコン酸化膜１２の上に堆積させる。続いて、Ｐｔ膜
の熱処理（アニール、例えば窒素ガス雰囲気中にて７５
０℃で３時間）を行う。その後、これらＴｉ膜およびＰ
ｔ膜をエッチング等により流体温度検出体２０、測温体
３０およびヒータ４０の配線形状にパターニングする。

【００２５】次に、流体温度検出体２０、測温体３０お
よびヒータ４０間の絶縁のために、プラズマＣＶＤ法に
よりシリコン酸化膜１３を堆積させる。次に、表面保護
膜であるシリコン窒化膜１４を形成する。その後、図示
しないが、流体温度検出体２０、測温体３０およびヒー
タ４０の電極パッド形成のためにシリコン窒化膜１４に
開口を形成する。

【００２６】次に、シリコン基板１の裏面にマスク材
（例えばシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜、図示
せず）を形成し、このマスク材をエッチングして空洞部
に対応した開口部を形成する。

【００２７】そして、シリコン基板１の裏面側をシリコ
ン窒化膜１１が露出するまで異方性エッチングして空洞
部１ａを形成する。このときの終点検出は、例えばエッ
チング液にＴＭＡＨ（水酸化４メチルアンモニウム）を
用いることにより、シリコンに対してシリコン窒化膜１
１のエッチング速度が非常に小さいため容易に止めるこ
とができる。このようにして、図１、図２に示すフロー
センサを適切に製造することができる。

【００２８】ところで、本実施形態によれば、Ｐｔより
なる抵抗体膜２０〜４０をＴｉよりなる密着層５０を介
して、基板１側の下部絶縁膜１２に密着させることによ
り、実用上、十分な密着力を確保するとともに、抵抗体
膜２０〜４０の抵抗値ばらつきを実用レベルにて抑制す
ることが可能となる。

【００２９】ここで、実用上、十分な密着力を確保する
ためには、密着層５０の厚さを２０ｎｍ以上とすること
が好ましい。また、抵抗体膜２０〜４０の抵抗値ばらつ
きを実用レベルにて十分に抑制するためには、密着層５
０の厚さを１００ｎｍ以下とすることが好ましい。これ
らの好ましい膜厚の根拠について次に述べる。

【００３０】まず、本発明者等は、密着層５０の膜厚と
密着性との関係について調べた。ここで、本フローセン
サＳ１に準じたサンプルとして、図３に示す様なものを
作成した。このサンプルは、シリコン基板１の上に、膜
厚１３０ｎｍのシリコン窒化膜１１、膜厚５００ｎｍの
シリコン酸化膜１２、Ｔｉよりなる密着層５０、膜厚２
５０ｎｍのＰｔ膜（抵抗体膜）２０ａを、順次成膜し、
アニールを行ったものである。

【００３１】密着層５０の膜厚（Ｔｉ膜厚）は、０（密
着層無し）、５ｎｍ、１２ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、
８０ｎｍと変えたものをそれぞれ作成した。また、Ｐｔ
層２０ａの成膜後のアニール条件は、窒素ガス雰囲気中
にて７５０℃で３時間とした。

【００３２】密着性は、Ｔｉ膜厚を水準としてＰｔ膜２
０ａおよびＴｉ層５０のシリコン酸化膜１２に対する密
着強度を調べた。その結果を図４に示す。図４における
引き剥がし応力（単位：ＭＰａ）が密着強度を示すもの
であり、この密着強度は、Ｐｔ膜２０ａに対して、円柱
状のピンを立てた状態で接着し、そのピンを引っ張り、
Ｐｔ膜２０ａが破壊（剥離）した時点の応力を測定した
ものである。なお、図４中、黒四角プロットは実測値、
黒丸プロットは各水準における平均値である。

【００３３】図４からわかるように、密着層５０が無い
場合、アニール後の密着強度は低下しているが、Ｔｉよ
りなる密着層５０を介在させた場合、密着層５０の膜厚
（Ｔｉ膜厚）とともに密着強度が向上し、Ｔｉ膜厚２０
ｎｍ以上で密着強度の平均が７０ＭＰａを超えており、
また、密着強度のばらつきも小さくなっている。

【００３４】この密着強度（引き剥がし応力）７０ＭＰ
ａは、応力測定装置の限界であり、この値以上を満足す
れば、実用上の密着強度が十分に確保できているとされ
る。つまり、密着層５０の厚さを２０ｎｍ以上とするこ
とにより、実用上、十分な密着力を安定して確保するこ
とができる。

【００３５】また、図５は、Ｔｉ膜厚に対する上記アニ
ール後の表面荒さ（ラフネス）を示したものである。表
面荒さは、膜面積５μｍ□の領域においてＡＦＭ（原子
間力顕微鏡）により測定した最大高さ部と最小高さ部と
の差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ（５μｍ□）、単位：ｎｍ）でも
って表してある。

【００３６】図５からわかるように、密着層５０の膜厚
（Ｔｉ膜厚）とともに表面荒さは増加し、Ｔｉ膜厚１０
０ｎｍで表面荒さが１００ｎｍ程度となる。抵抗体膜２
０〜４０はフォトリソグラフ技術を用いてパターニング
されるが、表面荒さが大きくなると、線幅の解像度が低
下し、抵抗値のばらつきが大きくなってしまう。

【００３７】その点、表面荒さ１００ｎｍ以内であれ
ば、実用上、十分なレベルの解像度を確保することが可
能となる。つまり、密着層５０の膜厚を１００ｎｍ以下
とすることにより、抵抗体膜２０〜４０の抵抗値ばらつ
きを実用レベルにて十分に抑制することができる。

【００３８】以上述べてきたように、本実施形態によれ
ば、抵抗体膜２０〜４０と下地絶縁膜１２との密着性を
向上させ、抵抗体膜２０〜４０の基板１０からの剥離を
適切に抑制することの可能なフローセンサおよびそのよ
うなフローセンサを適切に製造できる製造方法を提供す
ることができる。

【００３９】なお、密着層５０を、抵抗体膜２０〜４０
と上部絶縁膜（シリコン酸化膜１３）との間にも介在さ
せ、これら抵抗体膜と上部絶縁膜との密着強度も高める
ようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかるフローセンサの斜視
図である。

【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

【図３】密着層の膜厚についての検討に用いたサンプル
の概略断面図である。

【図４】密着層の膜厚（Ｔｉ膜厚）と密着強度との関係
を示す図である。

【図５】密着層の膜厚（Ｔｉ膜厚）とＰｔ膜アニール後
の表面荒さとの関係を示す図である。

【符号の説明】

１…半導体基板（本発明の基板）、１１…シリコン窒化
膜（下部絶縁膜）、１２…シリコン酸化膜（下部絶縁
膜）、１３…シリコン酸化膜（上部絶縁膜）、１４…シ
リコン窒化膜（上部絶縁膜）、２０…流体温度検出体、
３０…測温体（流量検出体）、４０…ヒータ（発熱
体）、５０…密着層。

フロントページの続き (72)発明者 山本 敏雅 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2F035 EA08 2G060 AE40 AF07 AG06 AG08 AG10 AG15 BA05

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１）と、 この基板の一面の上に形成された下部絶縁膜（１１、１
   ２）と、 この下部絶縁膜の上に形成された流量検出用の抵抗体膜
   （２０、３０、４０）と、 この抵抗体の上に形成された上部絶縁膜（１３、１４）
   とを備えるフローセンサにおいて、 前記抵抗体はＰｔよりなり、少なくとも前記抵抗体膜と
   前記下部絶縁膜とは、Ｔｉよりなる密着層（５０）を介
   して密着していることを特徴とするフローセンサ。
2. 【請求項２】 前記密着層（５０）は、前記抵抗体膜
   （２０〜４０）と前記下部絶縁膜（１１、１２）との間
   にのみ介在設定されていることを特徴とする請求項１に
   記載のフローセンサ。
3. 【請求項３】 前記密着層（５０）の厚さは、２０ｎｍ
   以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の
   フローセンサ。
4. 【請求項４】 前記密着層（５０）の厚さは、１００ｎ
   ｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいず
   れか１つに記載のフローセンサ。
5. 【請求項５】 前記下部絶縁膜（１１、１２）のうち前
   記密着層（５０）と接する面は、シリコン酸化膜よりな
   ることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに
   記載のフローセンサ。
6. 【請求項６】 基板（１）を用意し、この基板の一面上
   に下部絶縁膜（１１、１２）を形成する工程と、 前記下部絶縁膜の上にＴｉよりなる膜を形成する工程
   と、 前記Ｔｉよりなる膜の上にＰｔよりなる流量検出用の抵
   抗体膜（２０〜４０）を形成する工程と、 前記抵抗体膜の上に上部絶縁膜（１３、１４）を形成す
   る工程と、を備えることを特徴とするフローセンサの製
   造方法。