JP2010085171A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 厚さが薄く破壊耐圧の高いメンブレンを有する流量センサを実現する。
【解決手段】 シリコン基板４０の開口部４３は、薄肉のメンブレン３３により覆われている。メンブレン３３には、ヒータ８１、傍熱抵抗８２および測温抵抗８３を有するセンシング部３２が形成されている。センシング部３２を構成する配線パターンのうち、開口部４３の開口縁４３ａと平行な測温抵抗８３を、開口縁４３ａから内側に５０μｍを超えて配置する。これにより、厚さが薄く破壊耐圧の高いメンブレン３３を有する流量センサ３０を実現することができる。
【選択図】 図１６

Description

この発明は、半導体基板の薄肉部上にセンシング部が形成された流量センサに関し、たとえば、内燃機関のインテークマニホールドに配置される流量センサなど、固体粒子などの異物が衝突しやすい環境で用いられる流量センサに適用することができる。

従来、この種の流量センサとして、熱式の流量センサが知られている。この流量センサは、シリコン基板と、このシリコン基板の表裏面を貫通する空洞部と、この空洞部の基板表面側開口部を覆うメンブレン（ダイアフラムともいう）と、このメンブレン上に配置されたセンシング部とを備える。センシング部は、膜状のヒータと、このヒータの温度を測定する測温抵抗とを備える。そして、ヒータを一定温度に加熱し、ヒータを一定温度にするためにヒータに流す電流量に基づいて、センシング部を通過する気体の流量を測定する。

ところで、上記の流量センサのように、半導体基板のメンブレン上にセンシング部を有するものは、メンブレンの厚さが薄いほど検出感度が良くなる。このため、メンブレンの厚さを薄く設定する必要があるが、厚さが薄くなるとメンブレンが割れやすくなる。そこで、メンブレンの厚さを厚くすることなく、いかにメンブレンの破壊耐圧を向上させるかが課題となっている。

なお、従来、メンブレンの耐久性向上を目的として、たとえば、特許文献１に記載のものが提案されている。このものは、メンブレン（ダイアフラム）と半導体基板（シリコン基板）との境界部分に白金製の保護部を形成することにより、メンブレンに集中した熱応力を吸収しようとするものである。

特開２００２−１４０７０号公報（第４２段落、図２）。

そこでこの発明は、厚さが薄く、破壊耐圧の高いメンブレンを有する流量センサの実現を目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板裏面に凹部（４１）が形成されており、基板表面に配線パターン（８０）が形成された半導体基板（３１，４０）を備えており、前記凹部の底部（３３）が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部（３２）が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の縁（４３ａ〜４３ｊ）と平行な部分（８３）が、前記縁から内側に５０μｍを超えて配置されてなることを特徴とする流量センサ（３０）という技術的手段を用いる。

この出願の発明者が行った実験によれば、底部（メンブレン）上の配線パターンのうち、凹部の底部の縁と平行な部分を縁から内側に５０μｍを超えて配置することにより、厚さが薄く破壊耐圧の高い底部（メンブレン）を有する流量センサを実現できることが分かった。

請求項２に記載の発明では、基板裏面に凹部（４１）が形成されており、基板表面に配線パターン（８０）が形成された半導体基板（３１，４０）を備えており、前記凹部の底部（３３）が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部（３２）が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の縁（４３ａ〜４３ｊ）と略垂直に交差する部分（８４）が、８μｍを超える幅に形成されてなることを特徴とする流量センサ（３０）という技術的手段を用いる。

この出願の発明者が行った実験によれば、底部（メンブレン）上の配線パターンのうち、凹部の底部の縁と略垂直に交差する部分を８μｍを超える幅に形成することにより、厚さが薄く破壊耐圧の高い底部（メンブレン）を有する流量センサを実現できることが分かった。

請求項３に記載の発明では、基板裏面に凹部（４１）が形成されており、基板表面に配線パターン（８０）が形成された半導体基板（３１，４０）を備えており、前記凹部の底部（３３）が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部（３２）が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の角部以外の縁（４３ａ〜４３ｊ）を通る部分は、その縁と略垂直に交差してなることを特徴とする流量センサ（３０）という技術的手段を用いる。

この出願の発明者が行った実験によれば、底部（メンブレン）上の配線パターンのうち、凹部の底部の角部以外の縁を通る部分が、その縁と略垂直に交差するように配線パターンを形成することにより、厚さが薄く割れにくい底部（メンブレン）を有する流量センサを実現できることが分かった。

請求項４に記載の発明では、基板裏面に凹部（４１）が形成されており、基板表面に配線パターン（８０）が形成された半導体基板（３１，４０）を備えており、前記凹部の底部（３３）が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部（３２）が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、前記底部の前記表面側から見た平面形状が８角形に形成されており、 前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の角部以外の縁を通る部分が、その縁と略垂直に交差してなることを特徴とする流量センサ（３０）という技術的手段を用いる。

この出願の発明者が行った実験によれば、表面側から見た平面形状が８角形となるように底部（メンブレン）を形成し、底部の角部以外の縁とは略垂直に交差するように配線パターンを形成することにより、厚さが薄く破壊耐圧の高い底部（メンブレン）を有する流量センサを実現できることが分かった。

請求項５に記載の発明では、基板裏面に凹部（４１）が形成されており、基板表面に配線パターン（８０）が形成された半導体基板（３１，４０）を備えており、前記凹部の底部（３３）が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部（３２）が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、前記底部の前記表面側から見た平面形状が円形に形成されており、前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の縁を通る部分が、その縁と略垂直に交差してなることを特徴とする流量センサ（３０）という技術的手段を用いる。

この出願の発明者が行った実験によれば、表面側から見た平面形状が円形となるように底部（メンブレン）を形成し、その縁と略垂直に交差するように配線パターンを形成することにより、厚さが薄く破壊耐圧の高い底部（メンブレン）を有する流量センサを実現できることが分かった。

請求項６に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記底部（３３）の前記表面側から見た平面形状が矩形に形成されており、前記センシング部（３２）を構成する配線パターン（８０）の延びる方向と前記底部の縁との成す角度が略４５°であるという技術的手段を用いる。

底部の表面側から見た平面形状が矩形に形成されており、センシング部を構成する配線パターンの延びる方向と底部の縁との成す角度が略４５°であるため、配線パターンと底部の辺とを非平行にすることができる。また、配線パターンを底部の縁から離すことができる。

請求項７に記載の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記半導体基板（３１，４０）は、シリコン製の支持基板（４０）と、前記支持基板の表面に形成されたシリコン酸化膜（５０）と、前記シリコン酸化膜の表面に形成されたシリコン層とからなるＳＯＩ基板であり、前記凹部（４１）は前記支持基板の裏面側に形成されており、前記底部（３３）は前記シリコン酸化膜からなり、前記配線パターン（８０）は前記シリコン層から形成されてなるという技術的手段を用いる。

ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を用いれば、底部が薄肉の凹部と、配線パターンと、センシング部とを比較的容易に形成することができる。つまり、シリコン製の支持基板の裏面からエッチングを行い、支持基板の裏面から表面に貫通する空洞部を形成すれば、その空洞部のうち表面側の開口部に露出する絶縁膜を凹部の底部に設定することができる。また、シリコン層の表面に対してマスキングおよびフォトエッチングを行うことにより、シリコンからなる配線パターンを形成することができる。

請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の流量センサ（３０）において、前記支持基板（４０）の厚さ方向の結晶面方位が（１００）面であるという技術的手段を用いる。

支持基板の厚さ方向の結晶面方位が（１００）面であるため、支持基板を裏面から異方性エッチングすることにより、支持基板の表面に矩形の開口部を形成することができるため、その開口部を覆う底部（メンブレン）を矩形にすることができる。

請求項９に記載の発明では、請求項７に記載の流量センサ（３０）において、前記支持基板（４０）の厚さ方向の結晶面方位が（１１０）面であるという技術的手段を用いる。

支持基板の厚さ方向の結晶面方位が（１１０）面であるため、支持基板を裏面から異方性エッチングすることにより、支持基板の表面に８角形の開口部を形成することができるため、その開口部を覆う底部（メンブレン）を８角形にすることができる。

請求項１０に記載の発明では、請求項７ないし請求項９のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記シリコン層の厚さ方向の結晶面方位が（１００）面であるという技術的手段を用いる。

シリコン層の厚さ方向の結晶面方位が（１００）面であるため、凹部の底部に応力が印加された際のピエゾ抵抗効果やホットキャリア現象に起因したセンシング部の抵抗変化を小さくすることができるので、検出精度を高めることができる。

請求項１１に記載の発明では、請求項７ないし請求項１０のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記支持基板（４０）およびシリコン層の厚さ方向の結晶面方位が異なるという技術的手段を用いる。

支持基板およびシリコン層の厚さ方向の結晶面方位が異なるため、支持基板に形成する凹部の底部の配置方向と、底部の基板表面におけるシリコン層に形成する配線パターンの配置方向とを異ならせることができる。たとえば、請求項６に記載の配置関係にすることができる。

請求項１２に記載の発明では、請求項７ないし請求項１１のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記シリコン層は単結晶シリコンにより形成されてなるという技術的手段を用いる。

単結晶シリコンに不純物をドーピングすることで抵抗体、たとえば、請求項１５に記載するヒータおよび測温抵抗を形成することができる。

請求項１４に記載の発明では、請求項１ないし請求項１３のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記底部において、前記配線パターンの形成されている部分と形成されていない部分との間に段差が形成されてなるという技術的手段を用いる。

底部において、前記配線パターンの形成されている部分と形成されていない部分との間に段差が形成されてなる流量センサでは、底部に作用した応力が、その段差の部分に集中し、段差の部分から割れるおそれがある。

特に、請求項１２に記載したように、シリコン層が単結晶シリコンにより形成されたＳＯＩ基板を用いて流量センサを製造する場合は、請求項１３に記載するように、シリコン層の厚さが０．７μｍ以上になるため、シリコン層が存在する部分と存在しない部分、つまりセンシング部の形成されている部分と形成されていない部分との間に形成される段差が大きくなる。

しかし、そのような段差を有する構造であっても、請求項１ないし請求項１３のいずれか１つに記載の発明を用いることにより、上記の段差に集中する応力を分散することができるため、厚さが薄く破壊耐圧の高い底部（メンブレン）を有する流量センサを実現できる。

請求項１５に記載の発明では、請求項１ないし請求項１４のいずれか１つに記載の流量センサにおいて、前記センシング部は、ヒータと、前記ヒータの温度を測定するための測温抵抗とを備え、気体の流量に対応した信号を出力するものであるという技術的手段を用いる。

センシング部が、ヒータと、ヒータの温度を測定するための測温抵抗とを備え、気体の流量に対応した信号を出力する流量センサなどの場合は、気体中の固体粒子などの異物がセンシング部に衝突しやすい環境で用いられる。このため、凹部の底部が割れにくいことが要求される。その一方、検出精度および検出速度を向上させるためには、底部が薄肉であることが要求される。
つまり、薄肉でありながら破壊耐圧の高い底部を有することが要求されるが、請求項１ないし請求項１４のいずれか１つに記載の発明を用いれば、その要求を満たすことができる。

なお、上記各括弧内の符号は、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ものである。また、「略垂直」とは、完全に垂直な状態の他に略垂直な状態を含む意味である。

＜第１実施形態＞
この発明の第１実施形態について説明する。
［従来技術の検証］
この出願の発明者は、特許文献１に記載の流量センサのように、メンブレンに保護部を設けた構造と保護部を設けていない構造とについて、耐久性を比較した。

（メンブレンの構造）
メンブレンの一般的な構造について説明する。図１は流量センサの一部をメンブレンの部分で切断した場合の断面を示す斜視説明図である。図２は図１に示す流量センサのメンブレンの部分を拡大して示す断面説明図である。なお、図２では構造を分かりやすくするために符号３１で示す部分を実際の寸法よりも大きく描いてある。

この実施形態では、流量センサ３０は、ＳＯＩ基板を用いて製造される。図２に示すように、流量センサ３０は、シリコン基板４０と、シリコン基板４０の表面に形成されたシリコン酸化膜５０と、シリコン酸化膜５０の表面に形成された単結晶シリコン層から形成された配線パターン８０と、配線パターン８０を覆うシリコン酸化膜６０と、シリコン酸化膜６０の表面に形成されたシリコン窒化膜７０とを備える。

シリコン基板４０の基板面には空洞部４１が貫通形成されており、空洞部４１の基板表面側の開口部４３（図１）は、シリコン酸化膜５０，６０、配線パターン８０およびシリコン窒化膜７０からなるメンブレン３３によって覆われている。つまり、空洞部４１の底部４２はメンブレン３３により形成されている。

この実施形態では、シリコン基板４０は、厚さ方向の面方位が（１００）である。また、シリコン基板４０の厚さは５００μｍであり、配線パターン８０（単結晶シリコン層）の厚さは１μｍである。メンブレン３３のうち、配線パターン８０が形成されている部分の厚さは約３μｍであり、形成されていない部分の厚さは約２μｍである。つまり、メンブレン３３には、配線パターン８０が形成されている部分と形成されていない部分との間に約１μｍの段差が形成されている。

空洞部４１は、シリコン窒化膜をマスクとしてシリコン基板４０の裏面を露出部分から、たとえば、ＫＯＨなどのエッチング液を用いてシリコン酸化膜５０が露出するまで異方性エッチングを行うことで形成する。このとき、シリコン基板４０の厚さ方向の面方位が（１００）であるため、図１に示すように、四方がテーパ面で囲まれ、基板表面側の開口面が矩形の空洞部４１が形成される。

（保護部を有さないセンシング部の構造）
次に、メンブレンに保護部を有さないセンシング部の構造について説明する。図３は、メンブレンに保護部を有さないセンシング部の平面図である。

メンブレン３３には、メンブレン３３の表面を流れる気体の流量を検出するためのセンシング部３２が形成されている。センシング部３２は、ヒータ８１と、このヒータ８１の両側に形成された傍熱抵抗８２，８２と、各傍熱抵抗８２の両側に形成された測温抵抗８３，８３と、各測温抵抗８３の中点出力部８４とを備える。各傍熱抵抗８２は、ヒータ８１の温度制御に用いられる。ヒータ８１から発生した熱によってヒータ８１の周囲の温度が上昇し、その温度分布の変化を各測温抵抗８３によって検出し、その検出結果に基づいて気体の流量を測定する。

配線パターン８０は、単結晶シリコン層からなり、薄膜状に形成されている。ヒータ８１、傍熱抵抗８２および測温抵抗８３は、それぞれ配線パターン８０の一部であり、単結晶シリコン層に不純物をドーピングすることにより形成されている。開口部４３は、長方形に形成されており、相対向する開口縁４３ａおよび開口縁４３ｂを有する。ヒータ８１および傍熱抵抗８２は、開口部４３の略中心に配置されている。

各測温抵抗８３は、それぞれ二重のコ字状に形成されており、開口縁４３ａに平行に配置されている。また、各測温抵抗８３は、それぞれ面積の大きい配線部８３ａに導通している。各配線部８３ａは、開口縁４３ａと交差しており、開口縁４３ａと平行な配線側部８３ｂを開口縁４３ａの外側に有する。図中、ハッチングが施されていない領域は、配線パターン８０が形成された領域（単結晶シリコン層、シリコン酸化膜５０，６０およびシリコン窒化膜７０からなる領域）であり、ハッチングが施された領域は、配線パターン８０が形成されていない領域（シリコン酸化膜５０，６０およびシリコン窒化膜７０からなる領域）である。

（保護部を有するセンシング部の構造）
次に、メンブレンに保護部を有するセンシング部の構造について説明する。図４は、メンブレンに保護部を有するセンシング部の平面図である。

各測温抵抗８３に導通する各配線部８３ａは、図３に示したものと比較して、その面積がそれぞれ拡大されている。各配線部８３ａの各配線側部８３ｂは、それぞれ開口縁４３ａを跨ぎ、開口部４３の内側まで形成されている。また、各配線側部８３ｂは、それぞれ開口縁４３ａに平行に形成されている。つまり、図中で一点鎖線で囲む部分が、メンブレン３３の破壊耐圧を高める目的で形成された補強部８３ｃになっている。

（従来技術の検証）
次に、従来技術の検証について説明する。図５は、この検証に使用した装置の説明図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。

検証に使用した基板９０には、複数の空洞部４１が形成されており、各空洞部４１の開口部４３には、メンブレン３３がそれぞれ形成されている。基板９０の内部には、各空洞部４１に連通する空間９１が形成されている。基板９０の側面には、油を空間９１に充填するための充填口９２が開口形成されている。

まず、保護部を有さない複数のメンブレン３３が表面に形成された基板９０を用意した。そして、充填口９２から空間９１に油を充填し、空間９１内部の油圧を上昇させ、いずれかのメンブレン３３が破壊されたときのメンブレン１つ当たりに掛かった圧力を破壊耐圧として評価した。その結果、破壊耐圧は０．８ＭＰａであった。

次に、保護部を有する複数のメンブレン３３が表面に形成された基板９０を用意し、上記と同様の評価を行った。その結果、破壊耐圧は０．８ＭＰａであった。
つまり、保護部を有するか否かに関係なく、メンブレン３３の破壊耐圧は同じであった。したがって、配線パターン８０のうち、測温抵抗８３の配線部８３ａを開口部４３の内側まで延出させて面積を拡大してもメンブレン３３の破壊耐圧を高めることができないことが分かった。

［検証１］
そこで、発明者は、メンブレン３３の構造自体がメンブレン３３の破壊耐圧に関係しているのではないかと推測し、新たな検証を行った。図６は、段差の形成されたメンブレンの複数の測定ポイントと、各測定ポイントにおける応力値との関係を示す説明図である。図７は、段差の形成されていないメンブレンの測定ポイントと、測定ポイントにおける応力値との関係を示す説明図である。

図６に示すように、メンブレン３３の表面には、配線パターン８０が形成されている形成部３３ａと、形成されていない非形成部３３ｂとの間に段差３３ｃが存在する。段差３３ｃは、シリコン基板４０の開口縁４３ａに近い箇所に形成された段差３３ｃから、開口縁４３ａから離れた箇所に形成された段差３３ｃまで複数存在する。

そこで、各段差３３ｃを測定ポイントＡ〜Ｇに設定し、メンブレン３３の表面の中心を裏面方向へ押圧したときの各測定ポイントにおける応力値を２次元解析のシミュレーションによって求めた。
その結果、図６に示すように、測定ポイントＡ〜Ｇにおける各応力値は、順に３９７３ＭＰａ、８２０７ＭＰａ、１２７３６ＭＰａ、９３０７ＭＰａ、５９５７ＭＰａ、４８１３ＭＰａ、３７０９ＭＰａであった。つまり、各段差３３ｃに掛かる応力値は、開口縁４３ａに近いほど大きく、開口部４３から遠いほど小さいことが分かった。

一方、図７に示すように、段差の形成されていないメンブレン３３では、開口縁４３ａに対応する測定ポイントにおける応力値は、４２３０ＭＰａであった。つまり、段差３３ｃの形成されたメンブレン３３の測定ポイントＣにおける応力値１２７３６ＭＰａよりも小さいことが分かった。

以上より、メンブレン３３に掛かる応力は、シリコン基板４０の開口縁４３ａに近い段差３３ｃに集中することが分かった。
したがって、段差３３ｃを開口縁４３ａから極力内側に離すことにより、メンブレン３３の破壊耐圧を高めることができる可能性のあることが分かった。

［検証２］
次に、この出願の発明者は、メンブレン３３に形成された配線パターン８０および開口部４３の配置関係と、メンブレン３３の破壊耐圧との関係について検証した。図８および９は、応力が最大となった領域を示す説明図である。

図８に示すメンブレン３３は、幅Ｗが４５０μｍで長さＬが７００μｍの長方形に形成されている。メンブレン３３の破壊耐圧は０．８Ｍｐａである。メンブレン３３の表面の中心を裏面方向に押圧した結果、メンブレン３３のうち測温抵抗８３が形成されている領域８３ｄに掛かる応力の値が最大となった。つまり、メンブレン３３のうち、開口部４３の長い方の縁である開口縁４３ａの中央に最も近く、かつ、開口縁４３ａと平行な配線パターンが形成されている領域８３ｄに掛かる応力の値が最大となった。

図９に示すメンブレン３３は、幅Ｗが４５０μｍで長さＬが５００μｍの略正方形に形成されている。メンブレン３３の破壊耐圧は０．１Ｍｐａである。メンブレン３３の表面の中心を裏面方向に押圧した結果、メンブレン３３のうち測温抵抗８３の中点出力部８４が形成されている領域８３ｅに掛かる応力の値が最大となった。つまり、メンブレン３３のうち、開口部４３の短い方の縁である開口縁４３ｂの中央に最も近く、かつ、開口縁４３ｂと平行な配線パターンが形成されている領域８３ｅに掛かる応力の値が最大となった。

以上より、メンブレン３３に掛かる応力は、シリコン基板４０の開口部４３の開口縁４３ａ，４３ｂの中央に平行な配線パターンが形成された領域８３ｄ，８３ｅに集中することが分かった。
したがって、開口縁４３ａ，４３ｂの中央に平行な配線パターンを開口縁から極力内側に離すことにより、メンブレン３３の破壊耐圧を高めることができるという結論を得た。

［検証３］
次に、この出願の発明者は、メンブレン３３に形成された段差３３ｃの開口部４３からの距離と、段差３３ｃに作用する応力との関係について検証した。図１０は、メンブレンの段差と開口縁との配置関係を示す説明図である。図１１は、段差３３ｃの開口部４３からの距離と、段差３３ｃに作用する応力との関係を示すグラフである。

この検証で使用したメンブレン３３は、幅Ｗが７００μｍで長さＬが７００μｍの正方形である。また、開口部４３の各開口縁に平行な段差３３ｃが四方に形成されたメンブレン３３を使用した。そして、メンブレン３３の四方に形成された段差３３ｃと開口部４３との距離が０μｍの場合、８μｍの場合および５０μｍの場合のそれぞれについて検証を行った。また、メンブレン３３の表面の中心を０．５ＭＰａの力で裏面方向へ押圧したときのメンブレン上の各測定点における応力を測定した。測定ポイントは、相対向する段差間において開口部４３と平行な区間に設定した。各測定ポイント間の距離は、０．１ｍｍである。

検証の結果、図１１に示すように、各測定ポイントにおける応力は、メンブレン３３の段差３３ｃと開口部４３との距離Ｄが０μｍのときが最も大きく、距離Ｄが５０μｍのときが最も小さかった。

以上より、メンブレン３３の段差３３ｃのうち、開口部４３と平行な段差３３ｃが開口部４３に近付くほど段差３３ｃに応力が集中することが分かった。
したがって、開口部４３と平行な配線パターンを極力減らすことにより、メンブレン３３の破壊耐圧を高めることができるという結論を得た。

［検証４］
次に、発明者は、開口部４３と略垂直に交差する配線パターンの幅と、その配線パターンの段差における応力との関係について検証した。また、その配線パターンが開口部４３と略垂直に交差する位置と段差における応力との関係についても同時に検証した。図１２は、配線パターンと開口縁との配置関係を示す説明図である。図１３は、開口部４３と略垂直に交差する配線パターンの幅および開口部４３と略垂直に交差する位置と、段差３３ｃに作用する応力との関係を示すグラフである。

この検証で使用したメンブレン３３は、幅Ｗが７００μｍで長さＬが７００μｍの正方形である。また、開口部４３の相対向する開口縁４３ｃ，４３ｃとそれぞれ略垂直に交差する配線パターン８５が形成されたメンブレン３３を使用した。そして、配線パターン８５の線幅ΔＷが８μｍで、かつ、縁４３ｃの中心Ｐからのオフセット量Ｗ１が０μｍの場合と、線幅ΔＷが８μｍで、かつ、オフセット量Ｗ１が４６μｍの場合と、線幅ΔＷが１００μｍで、かつ、オフセット量Ｗ１が０μｍの場合とについて検証を行った。

また、メンブレン３３の表面の中心を０．５ＭＰａの力で裏面方向へ押圧したときのメンブレン上の各測定点における応力を測定した。測定ポイントは、メンブレン３３の中心を通り、開口縁４３ｃと平行な区間に設定した。各測定ポイント間の距離は、０．１ｍｍである。

検証の結果、図１３に示すように、配線パターン８５の線幅ΔＷが太いほど、配線パターン８５の段差に発生する応力が小さくなることが分かった。また、オフセット量Ｗ１が変化しても段差に発生する応力には大差のないことが分かった。

以上より、開口部４３と略垂直に交差する配線パターン８５の線幅ΔＷは８μｍを超える幅にすることにより、メンブレン３３の破壊耐圧を高めることができるという結論を得た。

［検証５］
次に、この出願の発明者は、開口部４３と斜めに交差する配線パターンと、その配線パターンの段差における応力との関係について検証した。また、その配線パターンが開口部４３と斜めに交差する位置と段差における応力との関係についても同時に検証した。図１４は、配線パターンと開口部との配置関係を示す説明図である。図１５は、検証の結果を示すグラフである。

この検証で使用したメンブレン３３は、幅Ｗが７００μｍで長さＬが７００μｍの正方形である。また、開口部４３の相対向する開口縁４３ｃ，４３ｃとそれぞれ斜めに交差する配線パターン８６が形成されたメンブレン３３を使用した。そして、配線パターン８６の線幅ΔＷが８μｍで、かつ、開口縁４３ｃの中心Ｐからのオフセット量が０μｍの場合と、線幅ΔＷが８μｍで、かつ、オフセット量が１９６μｍの場合とについて検証を行った。

また、メンブレン３３の表面の中心を０．５ＭＰａの力で裏面方向へ押圧したときのメンブレン上の各測定点における応力を測定した。測定ポイントは、メンブレン３３の中心を通り、開口縁４３ｃと平行な区間に設定した。各測定ポイント間の距離は、０．１ｍｍである。

検証の結果、図１５に示すように、開口部４３の開口縁４３ｃと斜めに交差する配線パターン８６のうち、開口縁４３ｃの中心Ｐからのオフセット量が０μｍ、つまり開口縁４３ｃの中心Ｐと斜めに交差する配線パターン８６の段差に発生する応力が最も大きかった。また、開口縁４３ｃと斜めに交差し、オフセット量が１９６μｍの配線パターン８６の段差に発生する応力が２番目に大きかった。

図１５には、前述の検証５において得た、開口縁４３ｃと略垂直に交差し、同じ線幅８μｍでオフセット量が０μｍの配線パターンのグラフをも示してある。この開口縁４３ｃと略垂直に交差する配線パターンと比較しても、開口縁４３ｃと斜めに交差する配線パターン８６の段差に発生する応力はかなり大きいことが分かる。

以上より、開口部４３と斜めに交差する配線パターン８６は、極力、開口部４３の開口縁４３ｃの中心に配置されないように構成することにより、メンブレン３３の破壊耐圧を高めることができるという結論を得た。つまり、開口部４３と交差する配線パターン８６のうち、開口部４３の角部以外の開口縁を通る配線パターンは、その開口縁と略垂直に交差し、開口部４３の角部を通る配線パターンは、その角部と鋭角に交差するように構成することにより、メンブレン３３の破壊耐圧を高めることができる。

［実験］
この出願の発明者は、前述した検証２の検証結果を参考にして製造した流量センサを用い、メンブレンの破壊耐圧について実験を行った。前述したように、図８に示した構造の流量センサの場合、測温抵抗８３が形成された領域８３ｄに応力が集中することが分かっている。

そこで、発明者は、図１６に示すメンブレン構造を有する流量センサを製造した。図１６は、メンブレンの平面図である。同図に示すメンブレン３３は、幅Ｗが５５０μｍで長さＬが７００μｍである。また、開口部４３と平行な配線パターン８０である測温抵抗８３の端部から開口縁４３ａまでの距離Ｗ２が９７μｍである。

また、従来の配線パターンを有するメンブレンとして図３に示したものを使用した。図３に示すメンブレン３３は、幅Ｗが４５０μｍで長さＬが７００μｍである。また、開口部４３と平行な配線パターン８０である測温抵抗８３の端部から開口縁４３ａまでの距離Ｗ２が５０μｍである。

また、図１６および図３に示すメンブレンに対応する空洞部は、共に図１７に示す構造である。図１７は、空洞部の説明図であり、（ａ）は空洞部の裏面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。空洞部４１を形成するシリコン基板４０は、その厚さ方向の結晶面方位が（１００）面に形成されたものである。また、空洞部４１を形成する各内壁面４１ａの傾斜角度θ１は、それぞれ５４．７°である。

メンブレン３３の表面の中心を裏面方向へ加圧し、メンブレン３３が割れたときの加圧力を破壊耐圧として評価した。その結果、破壊耐圧は、図３に示す従来のメンブレンが０．８ＭＰａであり、図１６に示すメンブレンが２．０ＭＰａであった。

つまり、測温抵抗８３を開口部４３から内側に９７μｍ離すことにより、メンブレン３３の破壊耐圧を２．５倍に高めることができることが実証された。
したがって、開口部４３の開口縁と平行な配線パターンは、その開口縁から従来の５０μｍを超えて内側に配置することにより、メンブレン３３の破壊耐圧を従来よりも高めることができる。

また、シリコン基板４０の厚さ方向の結晶面方位が（１００）面であるため、異方性エッチングを用いることにより、図１７に示すように、空洞部４１を基板表面側から見た開口部の平面形状を矩形にすることができる。さらに、配線パターン８０を形成する単結晶シリコン層の厚さ方向の結晶面方位が（１００）面であるため、メンブレン３３に応力が作用した場合であっても、その応力に起因するピエゾ抵抗効果やホットキャリア現象の発生を抑制できるので、気体の流量の検出精度を高めることもできる。

＜第２実施形態＞
次に、この発明の第２実施形態について説明する。図１８は、この実施形態の流量センサに備えられたメンブレンの平面図である。図１９は、図１８に示すメンブレンを構成する空洞部の説明図であり、（ａ）は空洞部の裏面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。

図１８に示すように、平面視８角形の開口部４３により、８角形のメンブレン３３が形成されている。符号Ｑ１で示すように、測温抵抗８３と導通する配線部８３ａは、開口部４３の角部以外の開口縁４３ｅと略垂直に交差している。また、符号Ｑ２で示すように、傍熱抵抗８２と導通する配線部８２ａは、開口部の角部以外の開口縁４３ｄと略垂直に交差している。さらに、ヒータ８１と導通する配線部８１ａは、開口部４３の角部以外の開口縁４３ｆと略垂直に交差している。また、開口縁と略垂直に交差する各配線部は、それぞれ８μｍを超える線幅に形成されている。

メンブレン３３の裏面の空洞部４１を形成するシリコン基板４０は、その厚さ方向の結晶面方位が（１１０）面に形成されたものである。図１９（ａ）に示すように、空洞部４１は、テーパ面４１ｂ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｃと、その間の垂直面４１ｄとを内壁面として形成されている。

＜１００＞結晶軸に沿って対向するテーパ面４１ｃ，４１ｃは、結晶面方位（１１１）面であり、その傾斜角度θ２は３５．３°である。また、＜１１１＞結晶軸に沿って対向するテーパ面４１ｂ，４１ｂは、結晶面方位（１００）面である。テーパ面４１ｂは、結晶面方位（１１１）面の垂直面４１ｅから連続形成されている。垂直面４１ｄは、結晶面方位（１１１）面である。

メンブレン３３は、シリコン基板４０をマスキングし、異方性エッチングにより形成する。マスキングに用いるマスクの開口部は、＜１００＞結晶軸方向に長軸を持ち、かつ、＜１１１＞結晶軸と直交する方向に４辺を持つ菱形において、各角部が切り取られた形の８角形をなす。そして、そのマスクによってシリコン基板４０の裏面をマスキングし、ＫＯＨなどのエッチング液によって裏面から異方性エッチングを行うと、平面視８角形の開口部４３を有する空洞部４１が形成される。

以上のように、シリコン基板４０の開口部４３を平面視８角形に形成することにより、配線パターンが開口部４３の角部以外の開口縁と略垂直に交差し、かつ、開口縁と略垂直に交差する配線パターンが８μｍを超える線幅となるように構成することができるため、メンブレン３３の破壊耐圧を高めることができる。

＜第３実施形態＞
次に、この発明の第３実施形態について説明する。図２０は、この実施形態の流量センサに備えられたメンブレンの平面図である。図２１は、図２０に示すメンブレンを構成する空洞部の説明図であり、（ａ）は空洞部の裏面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。

図２０に示すように、平面視四角形の開口部４３により、四角形のメンブレン３３が形成されている。センシング部３２および開口部４３は、センシング部３２を構成するヒータ８１、傍熱抵抗８２、測温抵抗８３および中点出力部８４の延びる方向と、開口縁４３ｈ，４３ｉとの成す角度が略４５°となるように配置されている。

メンブレン３３の裏面の空洞部４１を形成するシリコン基板４０は、その厚さ方向の結晶面方位が（１００）面に形成されたものである。図２１（ａ）に示すように、空洞部４１は、４つのテーパ面４１ｆを内壁面として形成されている。＜１１０＞結晶軸に沿って対向する各テーパ面４１ｆは、結晶面方位（１１１）面であり、傾斜角度θ３は５４．７°である。

センシング部３２および開口部４３を上記のように配置することにより、センシング部３２を構成する配線パターンのうち、開口縁に近い測温抵抗８３を、開口縁と非平行に設定することができる。しかも、測温抵抗８３を図１６に示したものよりも開口縁から離すことができる。
したがって、メンブレン３３の破壊耐圧を高めることができる。

また、符号Ｑ１で示すように、測温抵抗８３と導通する配線部８３ａは、開口部４３の開口縁４３ｈ，４３ｉと略垂直に交差している。また、符号Ｑ２で示すように、傍熱抵抗８２と導通する配線部８２ａは、開口部の開口縁４３ｈ，４３ｉと略垂直に交差している。さらに、ヒータ８１と導通する配線部８１ａは、開口部の開口縁４３ｈ，４３ｉと略垂直に交差している。また、開口縁と略垂直に交差する各配線部は、それぞれ８μｍを超える線幅に形成されている。
したがって、メンブレン３３の破壊耐圧をより一層高めることができる。

＜第４実施形態＞
次に、この発明の第４実施形態について説明する。図２２は、この実施形態の流量センサに備えられたメンブレンの平面図である。同図に示すように、開口部４３を平面視円形に形成し、メンブレン３３を平面視円形に形成することもできる。この構造によれば、符号Ｑ１，Ｑ２で示すように、開口縁４３ｊと配線部８１ａ，８２ａ，８３ａとを略垂直に交差させることができるため、メンブレン３３の破壊耐圧を高めることができる。

＜まとめ＞
前述の各検証および実験から、厚さが薄く破壊耐圧の高いメンブレンを備えた流量センサを実現するためには、メンブレンを次の構造に製造することが望ましい。

（１）センシング部３２を構成する配線パターンのうち、開口部４３の開口縁と平行な配線パターンを極力開口縁から内側に離れた位置に配置する。できれば、開口縁から内側に５０μｍを超えて配置する。
（２）センシング部３２を構成する配線パターンのうち、開口部４３の開口縁の中央に平行な配線パターンを開口縁から内側に極力離す。

（３）センシング部３２を構成する配線パターンのうち、開口部４３の開口縁と平行な配線パターンを極力減らす。
（４）センシング部３２を構成する配線パターンのうち、開口部４３の開口縁と略垂直に交差する配線パターンの線幅は極力太くする。できれば、８μｍを超える線幅にする。

（５）開口部４３の開口縁と略垂直に交差する配線パターン８６のうち、開口部４３の角部以外の開口縁を通る配線パターンは、その開口縁と略垂直に交差し、開口部４３の角部を通る配線パターンは、その角部と鋭角に交差するようにする。

＜他の実施形態＞
開口部４３の平面形状（メンブレン３３の平面形状）は、前述した形状に限定されるものではなく、この発明の要件を満たすものであれば変更可能である。

流量センサの一部をメンブレンの部分で切断した場合の断面を示す斜視説明図である。 図１に示す流量センサのメンブレンの部分を拡大して示す断面説明図である。 メンブレンに保護部を有さないセンシング部の平面図である。 メンブレンに保護部を有するセンシング部の平面図である。 従来技術の検証に使用した装置の説明図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 段差の形成されたメンブレンの複数の測定ポイントと、各測定ポイントにおける応力値との関係を示す説明図である。 段差の形成されていないメンブレンの測定ポイントと、測定ポイントにおける応力値との関係を示す説明図である。 応力が最大となった領域を示す説明図である。 応力が最大となった領域を示す説明図である。 メンブレンの段差と開口縁との配置関係を示す説明図である。 段差３３ｃの開口部４３からの距離と、段差３３ｃに作用する応力との関係を示すグラフである。 配線パターンと開口縁との配置関係を示す説明図である。 開口部４３と略垂直に交差する配線パターンの幅および開口部４３と略垂直に交差する位置と、段差３３ｃに作用する応力との関係を示すグラフである。 配線パターンと開口部との配置関係を示す説明図である。 検証５の結果を示すグラフである。 実験におけるメンブレンの平面図である。 空洞部の説明図であり、（ａ）は空洞部の裏面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 第２実施形態の流量センサに備えられたメンブレンの平面図である。 図１８に示すメンブレンを構成する空洞部の説明図であり、（ａ）は空洞部の裏面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。 第３実施形態の流量センサに備えられたメンブレンの平面図である。 図２０に示すメンブレンを構成する空洞部の説明図であり、（ａ）は空洞部の裏面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 第４実施形態の流量センサに備えられたメンブレンの平面図である。

符号の説明

３０・・流量センサ、３２・・センシング部、３３・・メンブレン（底部）、
４０・・シリコン基板、４１・・空洞部（凹部）、４３・・開口部、
４３ａ〜４３ｊ・・開口縁（底部の縁）、８０・・配線パターン、８１・・ヒータ、
８２・・傍熱抵抗、８３・・測温抵抗、８４・・中点出力部。

Claims (15)

1. 基板裏面に凹部が形成されており、基板表面に配線パターンが形成された半導体基板を備えており、
   前記凹部の底部が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、
   前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の縁と平行な部分が、前記縁から内側に５０μｍを超えて配置されてなることを特徴とする流量センサ。
2. 基板裏面に凹部が形成されており、基板表面に配線パターンが形成された半導体基板を備えており、
   前記凹部の底部が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、
   前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の縁と略垂直に交差する部分が、８μｍを超える幅に形成されてなることを特徴とする流量センサ。
3. 基板裏面に凹部が形成されており、基板表面に配線パターンが形成された半導体基板を備えており、
   前記凹部の底部が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、
   前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の角部以外の縁を通る部分は、その縁と略垂直に交差してなることを特徴とする流量センサ。
4. 基板裏面に凹部が形成されており、基板表面に配線パターンが形成された半導体基板を備えており、
   前記凹部の底部が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、
   前記底部の前記表面側から見た平面形状が８角形に形成されており、
   前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の角部以外の縁を通る部分が、その縁と略垂直に交差してなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の流量センサ。
5. 基板裏面に凹部が形成されており、基板表面に配線パターンが形成された半導体基板を備えており、
   前記凹部の底部が薄肉に形成されており、前記配線パターンのうち、センシング部が前記底部の基板表面に形成されてなる流量センサにおいて、
   前記底部の前記表面側から見た平面形状が円形に形成されており、
   前記底部の基板表面に形成された配線パターンのうち、前記底部の縁を通る部分が、その縁と略垂直に交差してなることを特徴とする流量センサ。
6. 前記底部の前記表面側から見た平面形状が矩形に形成されており、
   前記センシング部を構成する配線パターンの延びる方向と前記底部の縁との成す角度が略４５°であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の流量センサ。
7. 前記半導体基板は、シリコン製の支持基板と、前記支持基板の表面に形成されたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜の表面に形成されたシリコン層とからなるＳＯＩ基板であり、
   前記凹部は前記支持基板の裏面側に形成されており、
   前記底部は前記シリコン酸化膜からなり、
   前記配線パターンは前記シリコン層から形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の流量センサ。
8. 前記支持基板の厚さ方向の結晶面方位が（１００）面であることを特徴とする請求項７に記載の流量センサ。
9. 前記支持基板の厚さ方向の結晶面方位が（１１０）面であることを特徴とする請求項７に記載の流量センサ。
10. 前記シリコン層の厚さ方向の結晶面方位が（１００）面であることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１つに記載の流量センサ。
11. 前記支持基板およびシリコン層の厚さ方向の結晶面方位が異なることを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１つに記載の流量センサ。
12. 前記シリコン層は単結晶シリコンにより形成されてなることを特徴とする請求項７ないし請求項１１のいずれか１つに記載の流量センサ。
13. 前記シリコン層の厚さが０．７μｍ以上であることを特徴とする請求項７ないし請求項１２のいずれか１つに記載の流量センサ。
14. 前記底部において、前記配線パターンの形成されている部分と形成されていない部分との間に段差が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１つに記載の流量センサ。
15. 前記センシング部は、ヒータと、前記ヒータの温度を測定するための測温抵抗とを備え、気体の流量に対応した信号を出力するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１つに記載の流量センサ。

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