JP2003042824A - フローセンサ - Google Patents
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Abstract
抑制して高精度に流量測定を行うことができるフローセ
ンサを提供する。 【解決手段】フローセンサは、シリコン基板の上面に下
層側絶縁膜2,3が形成され、この下層側絶縁膜2,3
の上に素子4が配置されるとともに素子4の上に上層側
絶縁膜7,8が形成され、さらに、素子4の下方におけ
るシリコン基板に貫通孔が形成されている。上層側絶縁
膜7,8に含まれるシリコン酸化膜7の膜厚tu1が、
下層側絶縁膜2,3に含まれるシリコン酸化膜3の膜厚
td2よりも厚くなっており、tu1/td2>1.22
を満たしている。上層側絶縁膜7,8の平均応力平均応
力σup・avは、下層側絶縁膜2,3の平均応力σdown・av
よりも圧縮側となっている。
Description
するものである。
ては、素子より下部の膜を軽度の引張応力とし、素子の
被覆膜(素子より上部の膜)も軽度の引張応力としてい
る。即ち、素子の上部の膜と下部の膜をほとんど同じ応
力としている。
応力としているのは、膜全体が引張応力となればなるほ
ど膜の耐圧は低下し、また膜全体が圧縮応力となると膜
は座屈するので、膜が座屈せずかつできるだけ耐圧を上
げるために、膜全体を弱い引張応力としている。また、
素子の上部の膜と下部の膜をともに軽度の引張応力とし
ているのは、センサの長期安定性を確保するためであ
る。
れ、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の組み合わせで作
られている。シリコン窒化膜は引張応力を有することが
多く、シリコン酸化膜は圧縮応力を有することが多いの
で、これらの膜厚比を調節することで、素子の上と下の
膜の応力を所望の応力にすることが可能であり、軽度の
引張応力とすることが実現できる。ここで、素子の上下
の膜を同様に軽度の引張応力としようとすると、素子の
上と下の膜のそれぞれが窒化膜と酸化膜からなり、かつ
それらの膜厚比がほぼ等しくなければならない。つま
り、次式のような関係が成り立つ。 (上部膜内の窒化膜の膜厚の合計)/(上部膜内の酸化膜の膜厚の合計) =(下部膜内の窒化膜の膜厚の合計)/(下部膜内の酸化膜の膜厚の合計) ・・・(1) ところで、高流量まで測定するためのフローセンサで
は、素子を配した膜付近の流れの剥離が問題となる。一
般に、剥離は膜が下に凸状にたわんでいるときに起こ
り、空気の流量が多いほど起こりやすい。剥離点より後
ろでは、不規則な渦を伴う剥離域となるので、流量の測
定は難しい。
膜は圧縮応力、素子を構成する白金膜(Pt膜)は引張
応力であることが多いが、前述の(1)式が成り立つよ
うにセンサを設計すると、膜は下に凸状にたわむ。従っ
て、高流量を測ろうとすると剥離が生じ、流量を正しく
測定できないという課題が残る。
景の下になされたものであり、その目的は、素子を配置
した部位における気流の剥離現象を抑制して高精度に流
量測定を行うことができるフローセンサを提供すること
にある。
センサは、上層側絶縁膜の平均応力を、下層側絶縁膜の
平均応力よりも圧縮側としたことを特徴としている。こ
のようにすると、素子を上下から挟んでいる上層側・下
層側絶縁膜において、素子を配置した部位が下側に反っ
た状態(下に凸となった状態)となることはなく下側に
反ることに伴う気流の剥離現象は生じない。即ち、素子
を配置した部位の反りが無い、あるいは、上側に反った
状態(上に凸となった状態)とすることができ、素子を
配置した部位における気流の剥離現象を抑制して高精度
に流量測定を行うことができる。
縁膜と下層側絶縁膜のうち少なくともいずれか一方は、
シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層体であり、さら
に、請求項3に記載のように、シリコン窒化膜とシリコ
ン酸化膜の積層体として、最表面にシリコン窒化膜を配
置すると、当該シリコン窒化膜を表面保護膜として機能
させることができ好ましいものとなる。
縁膜に含まれるシリコン酸化膜の膜厚が、下層側絶縁膜
に含まれるシリコン酸化膜の膜厚よりも厚いと、請求項
1に記載のように上層側絶縁膜の平均応力を下層側絶縁
膜の平均応力よりも圧縮側にすることが可能となる。
絶縁膜に含まれるシリコン酸化膜の膜厚tu1と、下層
側絶縁膜に含まれるシリコン酸化膜の膜厚td2の関係
として、tu1/td2>1.22を満たすようにする
と、より確実に、素子を配置した部位の反りが無い、あ
るいは、上側に反った状態(上に凸となった状態)とす
ることができる。
は、引張応力の材料、特に白金を含む材料であると、実
用上好ましい。
の形態を図面に従って説明する。図1には、本実施の形
態における感熱式フローセンサを示し、センサ平面とそ
の平面でのA−A断面を示す。
面には、シリコン窒化膜2が形成されるとともにその上
にシリコン酸化膜3が形成されている。両膜2,3は基
板1上面において全面にわたり形成されている。さら
に、シリコン酸化膜3の上には素子4,5が配置されて
いる。素子4,5は金属薄膜(低抵抗材料)よりなり、
詳しくは白金(Pt)の膜を用いている。素子4はヒー
タ(発熱素子)であり、素子5は測温体(温度測定素
子)であり、これら素子4,5は基板1の上面における
中央部に配置されている。さらに本センサにおいては流
体温度計6がシリコン酸化膜3の上において基板上面で
のやや外周側に配置されている。流体温度計6は白金
(Pt)の膜よりなる。ヒータ4と測温体5と流体温度
計6の配置位置としては、気体の流れる方向に対し最も
下流側にヒータ4が、また、最も上流側に流体温度計6
が、さらに、ヒータ4と流体温度計6の間に測温体5が
配置されている。ヒータ4と測温体5と流体温度計6は
帯状をなしている。
6の上にはシリコン酸化膜7が形成されるとともにその
上にはシリコン窒化膜8が形成されている。両膜7,8
は基板1上面において全面にわたり形成されており、こ
の積層体7,8にてヒータ4と測温体5と流体温度計6
を被覆している。
は上下に貫通する貫通孔10が形成されている。貫通孔
10の上側開口部において前述のヒータ4と測温体5が
位置し、流体温度計6は貫通孔10の開口部よりも外側
に位置している。この貫通孔10は基板1を裏面(下
面)からエッチングすることにより形成したものであ
る。帯状をなすヒータ4及び測温体5は貫通孔10の開
口部から基板1の外周部に延びている。シリコン基板1
の外周部においてシリコン窒化膜8の上にはヒータ4の
パッド(電気接続部)4a,4bと測温体5のパッド5
a,5bと流体温度計6のパッド6a,6bが形成され
ている。そして、パッド4a,4b,5a,5b,6
a,6bを用いてボンディングワイヤ(接続端子)を引
き出すことができるようになっている。
化膜3が下層側絶縁膜となり、シリコン酸化膜7とシリ
コン窒化膜8が上層側絶縁膜となる。下層側絶縁膜とし
てのシリコン窒化膜2とシリコン酸化膜3の積層体は、
最表面(図1のA−A断面では下面)にシリコン窒化膜
2が配置されることになる。また、上層側絶縁膜として
のシリコン酸化膜7とシリコン窒化膜8の積層体は、最
表面(図1のA−A断面では上面)にシリコン窒化膜8
がパッシベーション膜として配置されることになる。
板1の上面に下層側絶縁膜2,3が形成され、この下層
側絶縁膜2,3の上に素子4,5が配置されるとともに
素子4,5の上に上層側絶縁膜7,8が形成され、さら
に、素子4,5の下方におけるシリコン基板1に貫通孔
10が形成されている。また、本例では、素子4,5を
上下方向から挟み込んだ下層側絶縁膜2,3および上層
側絶縁膜7,8が、貫通孔10の上側開口部に形成され
たダイアフラム(薄肉部)となる。
する。この種の感熱式フローセンサでは、まず流体温度
計6を形成する金属配線の抵抗値変動から流体の温度を
測定する。そして、流体温度計6から得られる流体温度
よりも一定温度(例えば200℃)高い温度になるよう
に、ヒータ4に印加する電圧をフィードバック制御しな
がら加熱する。流体が流れることにより、ヒータ4より
も上流側に配置されている測温体5は熱を奪われて温度
が下がり、この温度を抵抗値の変化として読み取って、
流体の流速が計測される。
対して一定温度だけ高くしているのは、流体の温度が変
化した場合でも流量を正しく検知するため(温度特性を
良くするため)であるが、流体の温度が一定であること
がわかっている場所で使うことが明らかな場合には、流
体温度計6は不要であり、もちろん、フィードバック制
御も不要であり、流体温度計6を無くすことによって、
コストを下げることも可能である。
の上流側に測温体5を配置したが、測温体5はヒータ4
の下流にあってもよい。あるいは、下流と上流の両方に
あってもよい。あるいは、上流・下流でなくても、流れ
によって温度が変化する場所であれば、どこにあっても
よい。
の特徴的部分について説明する。図2の左側に図1のY
部の拡大図を示す。図2の左側に示すように、下層側絶
縁膜であるシリコン窒化膜2の膜厚をtd1、同じく下
層側絶縁膜であるシリコン酸化膜3の膜厚をtd2、上
層側絶縁膜であるシリコン酸化膜7の膜厚をtu1、同
じく上層側絶縁膜であるシリコン窒化膜8の膜厚をtu
2としたとき、シリコン窒化膜2の膜厚td1とシリコ
ン窒化膜8の膜厚tu2が等しく(td1=tu2)、か
つ、シリコン酸化膜7の膜厚tu1がシリコン酸化膜3
の膜厚td2よりも厚くなっている(tu1>td2)。
より詳しくは、tu1/td2>1.22を満たしてい
る。このようにすることにより、図2の右側に示すよう
に上層側絶縁膜7,8の平均応力σup・avを、下層側絶
縁膜2,3の平均応力σdown・avよりもΔσだけ圧縮側
としている。
の膜厚td1を0.12μm、シリコン酸化膜3の膜厚
td2を0.3μm、シリコン酸化膜7の膜厚tu1を
0.7μm、シリコン窒化膜8の膜厚tu2を0.12
μmとしている。
(n=1,2,3,…)の積層体の場合、各膜の厚さを
t1,t2,…,tnとし、各膜の応力をσ1,σ2,
…,σnとすると、
1)の場合には、平均応力σavはσ1である。また、上
層側絶縁膜7,8の平均応力σup・avは圧縮応力であ
り、下層側絶縁膜2,3の平均応力σdown・avは引張応
力である。さらに、ダイアフラム全体の平均応力、つま
り、素子4,5の上層側及び下層側の絶縁膜(膜2,
3,7,8の積層体)における応力は弱い引張応力とな
っている。
あり、シリコン窒化膜は引張応力であり、上層側絶縁膜
が圧縮応力であるとともに、下層側絶縁膜が引張応力で
あり、しかも、ダイアフラム全体の平均応力が弱い引張
応力となっている。換言すれば、そうなるようにそれぞ
れの膜厚td1,td2,tu1,tu2を調整している。
従って、ダイアフラム全体が上に少し凸(あるいはフラ
ット)となっており、剥離が生ぜず、高流量域までの測
定が可能である。
えるには膜厚を厚くする等の工夫もできるが、こうする
と膜(ダイアフラム)を通してヒータ4からの熱の逃げ
が激しく、消費電力の大きなセンサとなってしまう。ま
た、ダイアフラム全体(膜全体)の応力についても引張
応力が強ければダイアフラム(膜)は破壊しやすく、ま
た、圧縮応力になるとダイアフラムは座屈してしまうの
で、軽度の引張応力にしておくことが最適である。
(=td1+td2+tu1+tu2)と平均応力を変更せ
ず、ダイアフラム内の応力分布を変更することによっ
て、素子4,5の上下での窒化膜のトータルの膜厚(=
td1+tu2)を同じにしたまま、ダイアフラム(膜全
体)の応力と強度と信頼性(耐圧、耐エッチング性、耐
久性)を失うことなく、高流量域まで正しく測定できる
フローセンサを実現することができる。
て、図3,4を用いて説明する。まず、図3(a)に示
すように、単結晶シリコン基板1の上面に下層側絶縁膜
としてのシリコン窒化膜2を形成するとともにその上に
同じく下層側絶縁膜としてのシリコン酸化膜3を形成す
る。そして、ヒータ4、測温体5、流体温度計6となる
Pt膜を真空蒸着機により2000Å堆積させる。な
お、Pt膜の下面における接着層として50ÅのTi層
(図示略)を用いている。
体温度計として所定の形状となるようにパターニング
(エッチング)する。その後、図3(b)に示すよう
に、ヒータ4、測温体5、流体温度計6の上を含むシリ
コン酸化膜3の上に上層側絶縁膜としてのシリコン酸化
膜7を形成するとともに、その上に同じく上層側絶縁膜
としてのシリコン窒化膜8を形成する。この上層側絶縁
膜7,8を形成する工程において、上層側絶縁膜7,8
の平均応力が、下層側絶縁膜2,3の平均応力よりも圧
縮側となるように形成する。つまり、上層側絶縁膜7,
8の形成工程と下層側絶縁膜2,3の形成工程のうち少
なくともいずれか一方は、シリコン窒化膜とシリコン酸
化膜の積層体を形成する工程を含み、シリコン窒化膜と
シリコン酸化膜の積層体の形成工程は、最表面にシリコ
ン窒化膜2,8を形成するものであり、上層側絶縁膜
7,8に含まれるシリコン酸化膜7の膜厚tu1が、下
層側絶縁膜2,3に含まれるシリコン酸化膜3の膜厚t
d2よりも厚くなるように形成し、特に、tu1/td2
>1.22の関係式を満たすように形成する。
絶縁膜7,8の一部をエッチングにて除去してコンタク
トホール20を形成する。引き続き、全面に5000Å
のAuを蒸着した後、図4(a)に示すように、不要箇
所をエッチングにて除去して(パターニングして)パッ
ド4a,4b,5a,5b,6a,6bを形成する。さ
らに、図4(b)に示すように、基板1の裏面に、シリ
コン窒化膜やシリコン酸化膜等の膜21を成膜し、この
膜21での所定箇所をエッチングにて除去する。この膜
21は基板の裏面からSiエッチングを行う時のマスク
として働く。
ン基板1の裏面からTMAH溶液、KOH溶液等で異方
性エッチングを行い、貫通孔10を形成する。この際、
シリコン基板1におけるエッチングを行わない面(図中
の上面)でのダメージを避けるために、レジスト等で当
該基板上面側を保護膜にて覆った状態にてエッチングを
行うようにする。
サを製造することができる。次に、膜の応力分布による
反りのシミュレーションを行ったので、それを説明す
る。
シリコン基板1の上面側での貫通孔10の開口部におい
てPtよりなる素子4,5が下層側絶縁膜2,3と上層
側絶縁膜7,8に挟まれた状態で配置されたとき、貫通
孔10の開口部の端部を固定端(x=0,x=1)と
し、貫通孔10の開口部の中心部(x=0.5)での上
下方向での反り量を算出した。
ii)の3種類とした。 (i)として、図6に示すように、下層側絶縁膜として
シリコン窒化膜が0.12μm、シリコン酸化膜が0.
5μm、上層側絶縁膜としてシリコン酸化膜が0.5μ
m、シリコン窒化膜が0.12μmである。 (ii)として、図7に示すように、下層側絶縁膜とし
てシリコン窒化膜が0.12μm、シリコン酸化膜が
0.7μm、上層側絶縁膜としてシリコン酸化膜が0.
3μm、シリコン窒化膜が0.12μmである。 (iii)として、図8に示すように、下層側絶縁膜と
してシリコン窒化膜が0.12μm、シリコン酸化膜が
0.3μm、上層側絶縁膜としてシリコン酸化膜が0.
7μm、シリコン窒化膜が0.12μmである。
イアフラム(膜)の平均応力は等しく、弱い引張応力と
なっている。(i)は上の膜、下の膜ともに弱い引張応
力としたものであり、(ii)は上の膜を引張応力、下
の膜を圧縮応力としたものであり、(iii)は、上の
膜を圧縮応力、下の膜を引張応力としたものである。
3号公報に相当するが、この場合は図6の下側に示すよ
うにダイアフラム(膜)が下に凸となっており、その反
り量(変位量)は0.06μmであった。また、図7の
(ii)は、(i)に比べ窒化膜の膜厚および酸化膜の
膜厚はトータルでは変わらないが、上の酸化膜の膜厚を
薄くし、下の酸化膜の膜厚を厚くした場合である。この
場合には、図7の下側に示すように、ダイアフラム
(膜)は(i)よりもさらに下にたわみ、その反り量
(変位量)は0.25μmであった。さらに、図8の
(iii)は、本実施形態に相当し、(i)に比べ(i
i)とは逆に上の酸化膜の膜厚を厚くし、下の酸化膜の
膜厚を薄くした場合である。この場合には、図8の下側
に示すように、ダイアフラム(膜)が上に凸となってお
り、その反り量(変位量)は0.15μmであった。
る。図9において横軸は、(上層側絶縁膜でのシリコン
酸化膜の膜厚)/(下層側絶縁膜と上層側絶縁膜での全
部のシリコン酸化膜の膜厚)であり、縦軸は反り量であ
る。図9には前述の(i),(ii),(iii)の反
り量の検出結果をプロットするとともに、このプロット
点を最小二乗法で直線近似している。最小二乗法で直線
近似した線における反り量=0での横軸の値は0.55
であった。従って、(上層側絶縁膜でのシリコン酸化膜
の膜厚)/(下層側絶縁膜でのシリコン酸化膜の膜厚)
が、0.55/(1−0.55)=1.22よりも大き
いとき、ダイアフラム(膜)は上に凸またはフラットに
なることになる。
示すように、高流量域では流れの剥離が生じる。即ち、
上下の酸化膜を同じ膜厚とした場合には膜の部分は下に
凸となり、高流量の時に剥離が生じてしまう。また、図
7の(ii)の場合には、(i)の場合よりも反り量が
大きいので流れの剥離は(i)よりも低い流量域で生じ
てしまう。
たわみが上に凸であり、図10(c)に示すように、流
れの剥離は生じないので、高流量域まで測定可能であ
る。即ち、上の酸化膜の膜厚を下の酸化膜の膜厚よりも
厚くすることによりダイアフラム(膜)の部分は上に凸
となり、高流量の時にも剥離は生じない。また、たわみ
が上下方向において「0」の場合にも、図10(b)に
示すように、流れの剥離は生じないので、高流量域まで
測定可能である。
においては、素子の上下の膜をともに弱い引張応力と
し、かつ、全体の平均応力も弱い引張応力とすること
で、ダイアフラムの安定性を増しているが、このような
膜においては図6のシミュレーション結果によりダイア
フラムが下に凸となってしまう。これに対し本実施形態
においては、膜全体を弱い引張応力とすることは変わら
ないが、膜内の応力分布を変化させたことによって反り
を制御することができる。
での素子の上の膜と素子の下の膜とで膜厚分布を異なら
せダイアフラム全体の平均応力を弱い引張応力としたま
ま、またダイアフラムの膜厚を増やすことなく、ダイア
フラムのたわみを上に凸(または0)とし、高流量域に
おいても流れの剥離が生ぜず、高流量まで測定可能なフ
ローセンサとすることができる。
記の特徴を有する。 (イ)図2に示すように、上層側絶縁膜7,8の平均応
力σup・avを、下層側絶縁膜2,3の平均応力σdown・av
よりも圧縮側とした。よって、素子4,5を上下から挟
んでいる上層側・下層側絶縁膜2,3,7,8におい
て、素子4,5を配置した部位が下側に反った状態(下
に凸となった状態)となることはなく下側に反ることに
伴う気流の剥離現象は生じない。即ち、素子4,5を配
置した部位の反りが無い、あるいは、上側に反った状態
(上に凸となった状態)とすることができ、素子4,5
を配置した部位における気流の剥離現象を抑制して高精
度に流量測定を行うことができる。 (ロ)図2に示すように、上層側絶縁膜と下層側絶縁膜
のうち少なくともいずれか一方は、シリコン窒化膜とシ
リコン酸化膜の積層体であり、さらに、シリコン窒化膜
とシリコン酸化膜の積層体として、最表面にシリコン窒
化膜2,8を配置すると、当該シリコン窒化膜2,8を
表面保護膜として機能させることができ好ましいものと
なる。 (ハ)図2に示すように、上層側絶縁膜に含まれるシリ
コン酸化膜7の膜厚tu1を、下層側絶縁膜に含まれる
シリコン酸化膜3の膜厚td2よりも厚くしたので、上
層側絶縁膜の平均応力σup・avを下層側絶縁膜の平均応
力σdown・avよりも圧縮側にすることが可能となる。 (ニ)特に、上層側絶縁膜に含まれるシリコン酸化膜7
の膜厚tu1と、下層側絶縁膜に含まれるシリコン酸化
膜3の膜厚td2の関係として、図9に示す結果から、
tu1/td2>1.22を満たすようにすると、より確
実に、素子4,5を配置した部位の反りが無い、あるい
は、上側に反った状態(上に凸となった状態)とするこ
とができる。 (ホ)素子4,5として、引張応力を有する材料、特に
白金を含む材料で構成するとよい。
して、シリコン酸化膜・シリコン窒化膜の他にも、アル
ミナ(Al2O3)、SiON、TiO2、Ta2O5、M
gO膜などの膜(単一の膜)、あるいはこれらの膜を積
層した膜(多層膜)を用いてもよい。
料の他にも、ポリシリコン、NiCr、TaN、Si
C、W等を用いてもよい。さらに、フローセンサは図1
に示したものに限らず、図11,12に示すようにブリ
ッジ形状のフローセンサであってもよい。つまり、シリ
コン基板1の上面に、スリット30を有する膜2,3,
7,8が形成され、スリット30の下でのシリコン基板
1に凹部31を形成したセンサに適用してもよい。
す図。
説明するための断面図。
説明するための断面図。
膜)、3…シリコン酸化膜(下層絶縁膜)、4…素子
(ヒータ)、5…素子(測温体)、7…シリコン酸化膜
(上層絶縁膜)、8…シリコン窒化膜(上層絶縁膜)、
10…貫通孔、31…凹部。
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体基板(1)の上面に下層側絶縁膜
(2,3)が形成され、この下層側絶縁膜(2,3)の
上に素子(4,5)が配置されるとともに当該素子
(4,5)の上に上層側絶縁膜(7,8)が形成され、
さらに、前記素子(4,5)の下方における前記半導体
基板(1)に貫通孔(10)または凹部(31)を形成
したフローセンサにおいて、 前記上層側絶縁膜(7,8)の平均応力(σup・av)
を、前記下層側絶縁膜(2,3)の平均応力(σ
down・av)よりも圧縮側としたことを特徴とするフロー
センサ。 - 【請求項2】 前記上層側絶縁膜(7,8)と下層側絶
縁膜(2,3)のうち少なくともいずれか一方は、シリ
コン窒化膜(2,8)とシリコン酸化膜(3,7)の積
層体であることを特徴とする請求項1に記載のフローセ
ンサ。 - 【請求項3】 前記シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の
積層体は、最表面にシリコン窒化膜(2,8)を配置し
たものであることを特徴とする請求項2に記載のフロー
センサ。 - 【請求項4】 前記上層側絶縁膜(7,8)に含まれる
シリコン酸化膜(7)の膜厚(tu1)が、前記下層側
絶縁膜(2,3)に含まれるシリコン酸化膜(3)の膜
厚(td2)よりも厚いことを特徴とする請求項1〜3
のいずれか1項に記載のフローセンサ。 - 【請求項5】 前記上層側絶縁膜(7,8)に含まれる
シリコン酸化膜(7)の膜厚tu1と、前記下層側絶縁
膜(2,3)に含まれるシリコン酸化膜(3)の膜厚t
d2の関係として、 tu1/td2>1.22 を満たしていることを特徴とする請求項4に記載のフロ
ーセンサ。 - 【請求項6】 前記素子(4,5)は、引張応力を有す
る材料であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか
1項に記載のフローセンサ。 - 【請求項7】 前記素子(4,5)は、白金を含む材料
であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に
記載のフローセンサ。
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