JP2019196936A - 熱式センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、高温環境下において、発熱体に加わるストレスを低減し、薄膜部の反りを抑制することができる熱式センサ装置を提供することにある。【解決手段】基板２に形成した空洞部３を絶縁膜で覆った薄膜部４と、薄膜部４に形成した発熱体５と、を備えた熱式センサ装置において、薄膜部４における絶縁膜１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１１ｃに部分的に圧縮性を強めた圧縮性領域Ｂが設けられ、圧縮性領域Ｂに発熱体５が配置される。【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、基板に形成した空洞部を覆う薄膜部に発熱体を形成した熱式センサ装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開平１１−２７１１２３号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、薄膜発熱部の発熱体膜を保持する下部薄膜と上部薄膜の膜厚を厚くして機械的強度を高めることができ、且つ全体の反りを低減したエアフローセンサが記載されている。このエアフローセンサは、シリコン基板に形成した空洞部を架橋するように、下部薄膜、ヒータ層および上部薄膜を積層した構造の薄膜発熱部を有する。下部薄膜及び上部薄膜は、それぞれ圧縮応力膜と引張応力膜とを組み合わせた構成とし、ヒータ層を挟んで下部薄膜と上部薄膜とが対称構造となるように積層される。圧縮応力膜は密着性の良いＳｉＯ_２膜で構成し、引張応力膜は、耐湿性の良いＳｉ_３Ｎ_４膜で４構成している。圧縮応力膜および引張応力膜は、内部応力を打ち消し合うので内部応力を緩和でき、反りモーメントを打ち消して全体の反りを抑制できる。これにより、特許文献１のエアフローセンサは、下部薄膜及び上部薄膜の膜厚を厚くして、機械的強度の向上を図っている（要約および段落０００９参照）。

特開平１１−２７１１２３号公報

気体の物理量の微小な変化を検出するためには、発熱体を高温化し検出感度を上げる必要がある。例えば、湿度による発熱体の放熱量変化を検出する熱式湿度センサにおいては、発熱体を５００℃程度の高温に加熱する必要がある。そうすると、発熱体（発熱体膜）とその周辺の薄膜部との熱膨張差が増加し、発熱体に加わるストレスが増加する。このような高温、高ストレス環境よって、発熱体に塑性変形が生じる。

特許文献１のエアフローセンサは、薄膜部の反りを低減することが可能であるが、発熱体に加わる熱ストレスの抑制に対する配慮が十分ではなかった。

発熱体に加わる熱ストレスを低減するためには、発熱体とその周辺の薄膜との熱膨張差をできるだけ小さくすることが必要である。例えば、発熱体に金属材料を用いた場合、発熱体を積層する薄膜部の膨張係数をできるだけ金属材料に近づける必要がる。しかしながら、薄膜部の内部応力を金属材料に合わせようとすると、薄膜部に反りが生じ異形な薄膜部となり、機械的強度や生産性が損なわれる。

本発明の目的は、高温環境下において、発熱体に加わるストレスを低減し、薄膜部の反りを抑制することができる熱式センサ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の熱式センサ装置は、
基板に形成した空洞部を絶縁膜で覆った薄膜部と、前記薄膜部に形成した発熱体と、を備えた熱式センサ装置において、
前記薄膜部における前記絶縁膜に部分的に圧縮性を強めた圧縮性領域が設けられ、前記圧縮性領域に前記発熱体を配置する。

本発明によれば、発熱体に加わるストレスを低減し、薄膜部の反りを抑制することができる熱式センサ装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明からにされる。

本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例１）に係る平面図である。 本発明の熱式センサ装置の駆動回路（回路構成）の一実施例を示す回路図である。 熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の変形を概念的に示す断面図であり、薄膜部を形成する積層膜の合成応力が引張性となるように膜厚を設定した場合の、薄膜部の断面形状を示す図である。 熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の変形を概念的に示す断面図であり、薄膜部を形成する積層膜の合成応力が圧縮性となるように膜厚を設定した場合の、薄膜部の断面形状を示す図である。 図１のIVA−IVA断面を示す断面図である。 薄膜部４、検出ヒータ５、引張性領域Ａ及び圧縮性領域Ｂを基板２の基板面（絶縁膜形成面）に平行な仮想平面に投影した図である。 本発明に係るセンサ素子の一実施例における応力の温度依存性を示す図である。 本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例２）に係る断面図である。 本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例３）に係る断面図である。 薄膜部４、検出ヒータ５、引張性領域Ａ、圧縮性領域Ｂ及び緩衝領域Ｃを基板２の基板面（絶縁膜形成面）に平行な仮想平面に投影した図である。 本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例４）に係る断面図である。 本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例５）に係る断面図である。

気体の物理量を検出して電気信号に変換するセンサ装置として、半導体プロセスを用いて厚さ数μmの薄膜部に発熱体を形成した熱式センサ装置が知られている。例えば、気体の流量、濃度などを測定する熱式センサ装置は、薄膜部に形成した発熱体の放熱量が気体の流れや濃度により変化することを利用している。また、可燃性気体の濃度センサでは、薄膜部に触媒層を設け、この触媒層を可燃性ガスと反応するように活性化させるための発熱体が設けられている。このような、センサ装置は、気体の物理量変化に対する検出感度を長期間一定に保つことが必要である。

しかしながら、発熱体が数百度の高温に長時間加熱されると、熱ストレスにより発熱体や薄膜部に変形が生じる。そうすると発熱体の抵抗値が変化して発熱体の加熱温度にずれが生じる。その結果、気体の物理量変化に対する検出感度が変化し、センサ装置に誤差が生じる。

また、発熱体に加わる熱ストレスを低減するためには、発熱体とその周辺の薄膜との熱膨張差をできるだけ小さくすることが必要である。例えば、発熱体に金属材料を用いた場合、発熱体を積層する薄膜部の膨張係数をできるだけ金属材料に近づける必要がる。しかしながら、薄膜部の内部応力を金属材料に合わせようとすると、薄膜部に反りが生じ異形な薄膜部となり、機械的強度や生産性が損なわれる。

本発明に係る熱式センサ装置の一実施例は、基板に形成した空洞部を覆う薄膜部に発熱体を形成し、発熱体が配置された薄膜部の合成応力が他の領域の薄膜部と異なるように薄膜部を形成する。これにより、発熱体に加わるストレスを低減するとともに薄膜部のそりを抑制することができる。その結果、本実施例の熱式センサ装置は、長期間に亘り測定精度の維持または測定精度の低下抑制を図ることができるとともに、機械的信頼性および生産性を確保した熱式センサ装置を提供することができる。

［実施例１］
以下、本発明を適用してなる熱式センサ装置としての実施形態を説明する。以下で説明する実施例は、熱式センサ装置の一例として、自動車エンジンの吸気湿度を計測する熱式センサ装置に本発明を適用したものである。本実施例の熱式センサ装置が検出対象とする物理量は気体の濃度変化であり、本発明は湿度の他に例えば水素濃度などを計測する熱式センサ装置にも適用できる。また本発明は気体の流量を検出するフローセンサにも適用可能であり、検出対象とする気体や物理量の種類は以下の実施例に限定されない。

本実施例の熱式センサ装置が計測対象とする吸気湿度は、気体の濃度による気体の熱伝導率変化を検出することにより計測される。熱伝導率の変化はセンサ素子に形成した発熱体の放熱量変化から検出する。気体の濃度による気体の熱伝導率変化は微小であることから、発熱体を５００℃程度の高温に加熱する必要がある。このようなセンサ装置においては本発明の構成による効果が高い。

図１は、本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例１）に係る平面図である。

センサ素子１は、フォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術やエッチング技術を用いて形成される。センサ素子（熱式センサ素子）１は、単結晶シリコンで形成された基板２を有している。基板２は、空洞部３が形成され、空洞部３を絶縁膜によって覆うことにより構成される薄膜部４を備えている。薄膜部４には、発熱体としての検出ヒータ５及び補助ヒータ６が敷設される。検出ヒータ５及び補助ヒータ６は、薄膜部４の平面（膜面）に沿って延在し、複数の折り返し部を有する抵抗パターンとして形成される。

検出ヒータ５は湿度の検出に用いられる。本実施例の場合、検出ヒータ５は例えば５００℃程度の一定温度に制御される。検出ヒータ５の放熱量は雰囲気の湿度に依存して変化し、検出ヒータ５を５００℃に保つために必要な電力が変化する。この電力変化を測定することで湿度を検出できる。

検出ヒータ５の材料としては、高温において安定で、且つ抵抗温度係数が高い材料が好適である。例えば、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属材料が好適である。

補助ヒータ６は、検出ヒータ５を取り囲むように敷設される。補助ヒータ６の材料としては、検出ヒータ５と同一材料により形成することができる。補助ヒータ６の役割は、検出ヒータ５の放熱量が環境温度に依存しないように、検出ヒータ５の周囲温度を一定に保持することである。補助ヒータ６の温度は、３００℃程度であり、検出ヒータ５の温度より低く設定される。

本実施例では、検出ヒータ５の周辺に検出ヒータ５の周囲を囲むように補助ヒータ６を設けた構成としているが、本発明の効果を得るために補助ヒータ６は必須ではない。補助ヒータ６は環境温度による温度依存性を補償するためのものであり、補助ヒータ６を有さない構成においても本発明の効果が得られる。

基板２には、検出ヒータ５及び補助ヒータ６を外部の駆動回路と接続するために電極パッド７ａ〜７ｄが設けられる。これらの電極パッド７ａ〜７ｄには、アルミニウム（Ａｌ）等が選定される。

図２は、本発明の熱式センサ装置の駆動回路（回路構成）の一実施例を示す回路図である。なお、熱式センサ装置１００は、センサ素子１を含む駆動回路全体である。実施例１で説明する熱式センサ装置１００は、他の実施例にも適用される。

駆動回路は、検出ヒータ５及び補助ヒータ６と、検出ヒータ５を加熱制御するブリッジ回路（第１ブリッジ回路）ＢＣ１と、補助ヒータ６を加熱制御するブリッジ回路（第２ブリッジ回路）ＢＣ２と、から成る。

検出ヒータ５が含まれるブリッジ回路ＢＣ１は、検出ヒータ５に抵抗８ａを接続した直列回路と、抵抗８ｂと抵抗８ｃとを接続した直列回路と、を並列接続した構成である。検出ヒータ５と抵抗８ａとの接続部（中間部）の電位（第１中間電位）と、抵抗８ｂと抵抗８ｃとの接続部（中間部）の電位（第２中間電位）とは差動増幅器９ａに入力される。差動増幅器９ａは、入力電圧の差（第１中間電位と第２中間電位との電位差）に応じた電圧、または電流を出力する。差動増幅器９ａの出力はブリッジ回路ＢＣ１の検出ヒータ５と抵抗８ｂとの間に接続され、検出ヒータ５の加熱電流としてフィードバックされる。検出ヒータ５が５００℃となる抵抗値でブリッジ回路ＢＣ１がバランスするように抵抗８ａ〜８ｃを選定することにより、検出ヒータ５を一定温度に保持することができる。

補助ヒータ６が含まれるブリッジ回路ＢＣ２は、補助ヒータ６に抵抗１０ａを接続した直列回路と、抵抗１０ｂと抵抗１０ｃとを接続した直列回路と、を並列接続した構成である。補助ヒータ６と抵抗１０ａとの接続部（中間部）の電位（第３中間電位）と、抵抗１０ｂと抵抗１０ｃとの接続部（中間部）の電位（第４中間電位）とは差動増幅器９ｂに入力される。差動増幅器９ｂは、入力電圧の差（第３中間電位と第４中間電位との電位差）に応じた電圧、または電流を出力する。差動増幅器９ｂの出力はブリッジ回路ＢＣ２の補助ヒータ６と抵抗１０ｂとの間に接続され、補助ヒータ６の加熱電流としてフィードバックされる。補助ヒータ６が３００℃となる抵抗値でブリッジ回路ＢＣ２がバランスするように抵抗１０ａ〜１０ｃを選定することにより、補助ヒータ６を一定温度に保持することができる。

以下、上記のような熱式センサ装置１００における検出ヒータ５の抵抗変化について説明する。

検出ヒータ５は金属材料で形成し、その周囲の絶縁膜は酸化シリコンや窒化シリコンで形成される。金属材料は線膨張係数が大きいため高温に加熱すると、周辺の絶縁膜により膨張が妨げられ、検出ヒータ５に圧縮応力が働く。圧縮応力が小さければ検出ヒータ５に応力が加わっても弾性変形となるため、冷却すれば検出ヒータ５は元の形状に戻る。しかし、高温に加熱することによって熱ストレスが大きくなると、検出ヒータ５は弾性変形の領域を越えて塑性変形となり、残留応力が蓄積する。これにより、検出ヒータ５の抵抗値が徐々に変化し、計測精度に影響を与える。

加熱による検出ヒータ５に加わる応力を低減するためには、検出ヒータ５と周囲の絶縁膜との膨張係数の差を小さくすることが好ましい。絶縁膜は圧縮性応力を有する酸化シリコン膜と、引張性応力を有する窒化シリコン膜の積層によって形成される。検出ヒータ５に用いる金属材料は圧縮性であることから、絶縁膜は検出ヒータと同じ圧縮性応力を有する酸化シリコンによって形成することが望ましい。

しかしながら、絶縁膜を構成する薄膜部の圧縮性を増加させると、薄膜部に反り変形が生じる。図３に薄膜部４が引張性である場合と圧縮性である場合の反り形状を示す。

図３Ａは、熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の変形を概念的に示す断面図であり、薄膜部を形成する積層膜の合成応力が引張性となるように膜厚を設定した場合の、薄膜部の断面形状を示す図である。

図３Ａでは、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を積層して薄膜部４を形成している。酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の合成応力は引張性となるように、各膜厚が設定されている。この場合、図３Ａに示すように、薄膜部４は平坦な形状となり良好に製造することができる。

図３Ｂは、熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の変形を概念的に示す断面図であり、薄膜部を形成する積層膜の合成応力が圧縮性となるように膜厚を設定した場合の、薄膜部の断面形状を示す図である。

図３Ｂでは、酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の合成応力は引張性となるように、各膜厚が設定されている。薄膜部４の酸化シリコン膜の比率を増して圧縮性とした場合、図３Ｂに示すように、薄膜部４に撓みが生じ機械的強度が低下する。

上記の課題を解決する本発明の具体的実施例を、以下説明する。

図４Ａは、図１のIVA−IVA断面を示す断面図である。

センサ素子１は、単結晶シリコンから成る基板２の表面に、圧縮性絶縁膜１１ａが形成される。圧縮性絶縁膜１１ａは、主に酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成り、熱酸化膜やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって形成することができる。

圧縮性絶縁膜１１ａ上には、引張性絶縁膜１２ａが形成される。引張性絶縁膜１２ａとしては、例えばＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４）を用いることができる。引張性絶縁膜１２ａは、検出ヒータ５が形成される領域Ｂに対応する部分（検出ヒータ形成領域対応部分）１２ａ−１がエッチングにより部分的に取り除かれる。すなわち引張性絶縁膜１２ａは、引張性絶縁膜１２ａと検出ヒータ５とを基板２の平面（絶縁膜形成面）２ａ又は平面２ａに平行な仮想平面に投影した場合に、検出ヒータ５が形成される領域と重なる部分１２ａ−１が取り除かれている。

次に同様な方法で酸化シリコンからなる圧縮性絶縁膜１１ｂを形成する。圧縮性絶縁膜１１ｂの表面はＣＭＰ(Chemical mechanical polishing)などにより必要に応じて平坦化処理される。

次に、金属膜をスパッタ法などにより形成してパターニングすることにより、検出ヒータ５及び補助ヒータ６を形成する。本実施例では金属膜として、高融点材料であり、且つ抵抗温度係数が高いモリブデン（Ｍｏ）を用いる。Ｍｏのほか白金、タンタル、タングステンなども用いることができる。

最後に検出ヒータ５及び補助ヒータ６を保護するために、プラズマＣＶＤ法などを用いて酸化シリコンからなる圧縮性絶縁膜１１ｃを形成する。

検出ヒータ５及び補助ヒータ６が位置する基板２の部位は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などを用いて異方性エッチングされ、空洞部３が形成される。

前述したように、検出ヒータ５が形成される領域Ｂの絶縁膜の合成応力は圧縮性とする必要がある。そのため、本実施例では、引張性絶縁膜１２ａを部分的に除去することで、検出ヒータ５が形成される領域Ｂの圧縮性絶縁膜１１ａ，１１ｂ，１１ｃの比率を他の薄膜部４の領域Ａに比べて増加させている。つまり、絶縁膜１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１１ｃで形成された薄膜部４の合成応力が部分的に圧縮性となる圧縮性領域Ｂが設けられ、この圧縮性領域Ｂに検出ヒータ５が配置されている。

引張性絶縁膜１２ａを部分的に除去することで、検出ヒータ５が形成される領域Ｂは圧縮性（−σ）が強くなり、薄膜部４のその他の領域Ａは引張性（＋σ）となる。こうすることで、検出ヒータ５が形成された領域Ｂの膨張にともなう歪を、周囲の引張性を強くした領域Ａにより面方向において相殺することができ、薄膜部４を平坦な形状に製造することができる。

本実施例では、検出ヒータ５が形成された領域の引張性絶縁膜１２ａを除去しているが、補助ヒータ６が形成された領域は引張性絶縁膜１２ａを残した構造としている。この理由は、検出ヒータ５は温度が高く熱ストレスが大きくなるが、補助ヒータ６は検出ヒータ５に比べて温度が低く熱ストレスの影響が小さいためである。補助ヒータ６の温度を高く設定した場合は、補助ヒータ６が形成される領域においても引張性絶縁膜１１ｂを除去するなど、適宜除去範囲を調整することができる。

本実施例では、図４Ａに示したように、検出ヒータ５が配置された領域Ｂの引張性絶縁膜１２ａをすべて除去した構成としているが、検出ヒータ５の下部に部分的に引張性絶縁膜１２ａを残した構成としても良い。ここで、引張性絶縁膜１２ａを部分的に残すとは、引張性絶縁膜１２ａを２層以上設けた場合に、全ての引張性絶縁膜１２ａにおいて検出ヒータ形成領域対応部分１２ａ−１を除去する必要はなく、領域Ｂが圧縮性になっていれば、検出ヒータ形成領域対応部分１２ａ−１が除去されない引張性絶縁膜１２ａの層があってもよいことを意味する。或いは、引張性絶縁膜１２ａを部分的に残すとは、１層又は複数層からなる引張性絶縁膜１２ａ少なくとも１層の膜厚が薄くなるように、構成されることを意味する。

検出ヒータ５の下部の引張性絶縁膜１２ａをどの程度除去するかは、熱式センサ装置１００が適用されるシステムの要求仕様に応じて設計可能である。また本実施例では、引張性絶縁膜１２ａを検出ヒータ５の領域Ｂ外の全面に形成した構成としているが、領域Ｂの外側において引張性絶縁膜１２ａが部分的に除去された部分があっても良い。つまり、検出ヒータ５の上層、下層の絶縁膜の圧縮化に伴う応力を吸収できる程度に引張性となっていれば、本発明の効果が得られる。

本実施例では、薄膜部４を形成する絶縁膜において、部分的に除去される引張性絶縁膜１２ａは圧縮性絶縁膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃに挟まれるように形成している。この理由は、薄膜部４における中間層に近い層において部分的に除去された膜が介在する構成にすることで、薄膜部４の平面位置による反りモーメントの変化が小さくなり、より凹凸のない平坦な薄膜部４を形成することができるからである。

本実施例では、検出ヒータ５や補助ヒータ６などの発熱体の下層側に引張性絶縁膜１２ａを形成した構造としているが、これらの発熱体の上層側に引張性絶縁膜１２ａを形成して、発熱体が形成される領域の引張性絶縁膜１２ａを部分的に除去した構造としても良い。この場合、プラズマＣＶＤ法などを用いた窒化シリコン膜を用いることができる。

本実施例では、薄膜部４を形成する引張性絶縁膜１２ａの材料として窒化シリコン膜を用いたが、窒化シリコン膜に限定されるものではなく、引張応力を備えた材料であれば同様な構成にすることができる。例えば窒化アルミニウムなども引張性絶縁膜１２ａの材料として用いることができる。

窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層膜で形成した薄膜部４の内部応力は温度によって変化する。

図４Ｂは、薄膜部４、検出ヒータ５、引張性領域Ａ及び圧縮性領域Ｂを基板２の基板面（絶縁膜形成面）に平行な仮想平面に投影した図である。

（ａ）では、検出ヒータ５が位置する領域Ｂの引張性絶縁膜１２ａは、方形に除去される。引張性絶縁膜１２ａを方形に除去すると、角部において応力集中が発生しやすくなる。このため、（ｂ）や（ｃ）のように、除去する形状（領域Ｂの形状）を多角形や円形とすることで、角部における応力集中を低減し、薄膜部４の強度低下を抑制できる。

なお、図４Ｂに示す領域Ｂの形状は、矛盾しない範囲内で、後述する実施例に適用できる。

図５は、本発明に係るセンサ素子の一実施例における応力の温度依存性を示す図である。図５では、単結晶シリコン基板２に形成した薄膜部４の温度と内部応力との関係を示している。

図５に示すように単結晶シリコンで形成した基板２に形成した薄膜部４は、温度の上昇に伴い引張応力（＋σ）となり、温度が低下すると圧縮応力（−σ）が強くなる特性がる。引張応力となる高温域であれば薄膜部４は平坦となるが、温度が低下すると圧縮性が強くなり薄膜部４に反りが生じる。

図５に示した破線Ａは低温側（室温）において引張性を強めた薄膜構造の内部応力の温度特性であり、図４に示した本実施例における領域Ａの薄膜構造に相当する。領域Ａでの薄膜構造の場合、低温側および高温側において引張性を維持している。

実線Ｂは圧縮性を強めた薄膜構造の内部応力の温度特性であり、図４に示した本実施例における領域Ｂの薄膜構造に相当する。領域Ｂでの薄膜構造の場合、高温側で引張性、低温側（室温）で圧縮性となる。

本実施例の薄膜部４は、上記の破線Ａ及び実線Ｂの特性を持つ絶縁膜を組み合わせた構成である。低温側（室温）において圧縮性となる絶縁膜と引張性となる絶縁膜が互いにキャンセルしあうことで空洞部全体の応力が引張性を維持できる構成になる。

［実施例２］
図６は、本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例２）に係る断面図である。実施例１と同様な構成には、同じ符号を付し、説明を省略する。本実施例のセンサ素子２０について、以下説明する。

本実施例では、３層の窒化シリコン膜Ｓｉ_３Ｎ_４を設けた構成について説明する。

単結晶シリコンから成る基板２の表面に圧縮性絶縁膜２１ａを形成する。圧縮性絶縁膜２１ａは、主に酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、熱酸化膜やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって形成することができる。

圧縮性絶縁膜２１ａ上には、引張性絶縁膜２２ａが形成される。引張性絶縁膜２２ａとしては、例えばＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４）を用いることができる。引張性絶縁膜２２ａは空洞部３上を完全に覆うように均一な膜厚で形成している。

引張性絶縁膜２２ａ上には同様な手法で酸化シリコンを材料とした圧縮性絶縁膜２１ｂが形成される。

圧縮性絶縁膜２１ｂ上には窒化シリコンからなる引張性絶縁膜２２ｂが形成される。引張性絶縁膜２２ｂは、検出ヒータ５が形成される領域Ｂに対応する部分（検出ヒータ形成領域対応部分）１２ａ−１がエッチングにより部分的に取り除かれる。

次に同様な方法で酸化シリコンからなる圧縮性絶縁膜２１ｃを形成する。圧縮性絶縁膜２１ｃの表面はＣＭＰ(Chemical mechanical polishing)などにより必要に応じて平坦化処理される。

次に、金属膜をスパッタ法などにより形成しパターニングすることにより検出ヒータ５と補助ヒータ６を形成する。本実施例では金属膜として、高融点材料であり抵抗温度係数が高いモリブデン（Ｍｏ）を用いる。

次に検出ヒータ５および補助ヒータ６を保護するために、プラズマＣＶＤ法などを用いて酸化シリコンからなる圧縮性絶縁膜２１ｄを形成する。

圧縮性絶縁膜２１ｄ上には引張性絶縁膜２２ｃを形成する。引張性絶縁膜２２ｃとしては、プラズマＣＶＤ法により形成した窒化シリコンを用いることができる。

最後に、圧縮性絶縁膜２１ｅを同様な手法で形成する。

検出ヒータ５及び補助ヒータ６が位置する基板２には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などを用いて異方性エッチングすることにより空洞部３が形成される。

本実施例の圧縮性絶縁膜２１ｂ、引張性絶縁膜２２ｂ、圧縮性絶縁膜２１ｃ及び圧縮性絶縁膜２１ｄは、実施例１の圧縮性絶縁膜１１ａ、引張性絶縁膜１２ａ、圧縮性絶縁膜１１ｂ及び圧縮性絶縁膜１１ｃに対応する。さらに本実施例では、引張性絶縁膜２２ａ及び引張性絶縁膜２２ｃが追加されるために、最下層の圧縮性絶縁膜２１ａ及び最上層の圧縮性絶縁膜２１ｅが追加される。

本実施例においても、引張性絶縁膜１２ｂが部分的に除去されることで、検出ヒータ５が形成された領域Ｂが他の領域Ａに比べ圧縮性を強めた構成となる。つまり、本実施例においても、検出ヒータ５が形成される領域Ｂの圧縮性絶縁膜（酸化シリコン膜）の比率を他の部分Ａに比べ増加させている。引張性絶縁膜１２ｂを部分的に除去することで、検出ヒータ５が形成される領域Ｂは圧縮性（−σ）が強くなり、薄膜部４のその他の領域Ａは引張性（＋σ）が強められている。すなわち、空洞部３に設けられた薄膜部４内に、圧縮性領域（圧縮性薄膜部）Ｂと引張性領域（引張性薄膜部）Ａとが形成され、圧縮性領域（圧縮性薄膜部）Ｂに検出ヒータ５が配置されている。こうすることで、検出ヒータ５が形成された薄膜部４の絶縁膜の膨張にともなう形状変化を、周囲の引張性を強くした絶縁膜により相殺することができ、薄膜部４を平坦な形状とすることができる。

本実施例においては、空洞部３上の領域を完全に覆う引張性絶縁膜２２ａと引張性絶縁膜２２ｃを備える構成とした。また、検出ヒータ５は、上層側の引張性絶縁膜２２ｃと下層側の引張性絶縁膜２２ａとの間に介在する構成とした。引張性絶縁膜２２ａ，２２ｃは窒化シリコンで形成されるため外部から浸入する水分や酸素などを遮断する効果があり、これにより、検出ヒータ５を酸化や腐食から保護する効果を高めることができる。

本実施例においては、引張性絶縁膜２２ａ，２２ｃと、引張性絶縁膜２２ａ，２２ｃを設けるために追加された圧縮性絶縁膜２１ａ及び圧縮性絶縁膜２１ｅに係る構成が実施例１と相違しており、それ以外の構成は、実施例１と同様に構成することができる。

また本実施例では、中間層に位置する引張性絶縁膜２２ｂを部分的に除去した窒化シリコン膜で形成している。この場合、薄膜部４の積層方向の中心に近い膜を部分的に除去した構成となるため、薄膜部４の平面位置における反りモーメントの変化が小さくなり、より凹凸のない平坦な薄膜を形成することができる。

［実施例３］
図７Ａは、本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例３）に係る断面図である。

本実施例は、実施例２に対してさらに構成を追加したものであり、実施例２と異なる構成及び効果について説明する。実施例１及び実施例２と同様な構成については、実施例１及び実施例２と同じ符号を付し、説明を省略する。また同じ符号を付した構成について、他の実施例と異なる部分については、その都度説明する。なお補助ヒータ６は必須の構成ではないため、図７では記載を省略しているが、実施例１及び実施例２と同様に補助ヒータ６を設けてもよい。本実施例のセンサ素子３０について、以下説明する。

引張性絶縁膜２２ｂは、検出ヒータ５の領域において部分的に除去される。本実施例では、薄膜部４の引張性絶縁膜２２ｂが除去された領域Ｂと、引張性絶縁膜２２ｂが形成された領域Ａとの間に緩衝領域Ｃを設けている。緩衝領域Ｃは、領域Ａと領域Ｂとの境界における急激な膜質変化を緩和するものであり、検出ヒータ５に近づくに従い引張性絶縁膜２２ｂを徐々に除去した構造を備えている。具体的には、緩衝領域Ｃにおいて、引張性絶縁膜１２ｂにスリットや孔を設けることで形成することができる。例えば、スリットの幅や孔の径又は幅を変えたり、スリットや孔の間隔を変えたりすることで、急激な膜質変化を緩和する。

上記構成による効果について説明する。熱式センサ装置１００が使用されるシステム環境では、圧力変動や粒子衝撃などによりセンサ素子３０の薄膜部４に外力が働く場合がある。薄膜部４に外力が働くと絶縁膜に応力が生じる。特に、薄膜部４上において膜質が変化する箇所は撓みによる応力集中により破壊しやすくなる。これに対して、領域Ａと領域Ｂとの間の膜質を徐々に変化させることで応力集中を緩和し、薄膜部４の強度低下を抑制することができる。

図７Ｂは、薄膜部４、検出ヒータ５、引張性領域Ａ、圧縮性領域Ｂ及び緩衝領域Ｃを基板２の基板面（絶縁膜形成面）に平行な仮想平面に投影した図である。

緩衝領域Ｃを構成するスリットや孔の形状の具体例として、図７Ｂに示すような形状が考えられる。しかしスリットや孔の形状は、図７Ｂに示す形状以外の形状であってもよい。図７Ｂに示すように、領域Ａと領域Ｂとの境界にスリット又は孔により引張性絶縁膜を除去した緩衝領域Ｃを設けることによって、領域Ａと領域Ｂとの境界における応力集中を緩和できる。

なお、図７Ｂに示す緩衝領域Ｃの形状は、矛盾しない範囲内で、後述する実施例に適用できる。特に、図４Ｂで説明した領域Ｂの形状（ｂ），（ｃ）と組み合わせることで、応力集中を緩和する効果が向上する。

［実施例４］
図８は、本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例４）に係る断面図である。

本実施例は、実施例２を変更したものであり、実施例２と異なる構成及び効果について説明する。実施例１〜３と同様な構成については、実施例１〜３と同じ符号を付し、説明を省略する。また同じ符号を付した構成について、他の実施例と異なる部分については、その都度説明する。なお補助ヒータ６は必須の構成ではないため、図８では記載を省略しているが、実施例１及び実施例２と同様に補助ヒータ６を設けてもよい。本実施例のセンサ素子４０について、以下説明する。

本実施例は、検出ヒータ５が比較的大きなパターンである場合に有効な構成である。本実施例では、薄膜部４の検出ヒータ５が形成された領域Ｂにおいて、引張性絶縁膜２２ｂが一部残されている。すなわち本実施例では、引張性絶縁膜２２ｂの構成が一部で実施例２と相違している。検出ヒータ５の形成領域が広くなると、圧縮性とすべき領域も広がる。そうすると、検出ヒータ５の周辺の領域Ａが狭くなり、検出ヒータ５の領域Ｂの圧縮性の歪を十分に吸収しきれなくなる。

そこで本実施例では、検出ヒータ５の領域Ｂにおいて、検出ヒータ５がパターニングされた直下を除いて引張性絶縁膜１２ｂを設けている。言い換えれば、検出ヒータ５がパターニングされた直下の引張性絶縁膜１２ｂを除去している。つまり、薄膜部４を上面から見たときに検出ヒータ５と引張性絶縁膜１２ｂとが重ならないようにしている。すなわち、検出ヒータ５と引張性絶縁膜１２ｂとを図１と同様な平面図に投影した場合に、検出ヒータ５を構成する金属パターンの間に窒化シリコンで構成される引張性絶縁膜１２ｂが設けられている。

本実施例の構成により、検出ヒータ５が形成された部位の薄膜部４の圧縮性を増加させると共に、圧縮化に伴う歪を吸収する領域Ｃを確保することができる。

［実施例５］
図９は、本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例（実施例５）に係る断面図である。

本実施例では、圧縮性絶縁膜となる酸化膜の圧膜化により、検出ヒータ５が形成された領域Ｂの圧縮性を他の領域Ａに比べて強める。実施例１〜４と同様な構成については、実施例１〜４と同じ符号を付し、説明を省略する。また同じ符号を付した構成について、他の実施例と異なる部分については、その都度説明する。なお補助ヒータ６は必須の構成ではないため、図９では記載を省略しているが、実施例１及び実施例２と同様に補助ヒータ６を設けてもよい。本実施例のセンサ素子５０について、以下説明する。

本実施例では、単結晶シリコンから成る基板２の表面に圧縮性絶縁膜５１ａを形成する。圧縮性絶縁膜５１ａとしては、主に酸化シリコンからなり熱酸化膜やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって形成することができる。

圧縮性絶縁膜５１ａ上には、引張性絶縁膜５２ａが形成される。引張性絶縁膜５２ａとしては、例えばＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜を用いることができる。引張性絶縁膜５２ａは空洞部３上を完全に覆うように均一な膜厚で形成している。

引張性絶縁膜５２ａ上には同様な手法で酸化シリコンからなる圧縮性絶縁膜５１ｂを形成する。

次に、金属膜をスパッタ法などにより形成し、パターニングすることにより検出ヒータ５及び補助ヒータ６を形成する。次に検出ヒータ５及び補助ヒータ６を保護するために、プラズマＣＶＤ法などを用いて酸化シリコンからなる圧縮性絶縁膜５１ｃを形成する。圧縮性絶縁膜５１ｃは検出ヒータ５が形成された領域を残して除去される。

次に引張性絶縁膜５２ｂを形成する。引張性絶縁膜５２ｂとしては、プラズマＣＶＤ法により形成した窒化シリコンを用いることができる。

最後に、酸化シリコンからなる圧縮性絶縁膜５１ｄを同様な手法で形成する。

本実施例では、検出ヒータ５が形成された領域Ｂの圧縮性絶縁膜（酸化シリコン）を他の領域に比べ厚く形成した構成である。つまり、絶縁膜で形成された薄膜部４の合成応力が他の領域Ａに比べて部分的に圧縮性となる圧縮性領域Ｂが設けられ、この圧縮性領域Ｂに検出ヒータ５を配置している。これにより、検出ヒータ５が形成された領域Ｂを他の領域Ａに比べて圧縮性とし、他の領域Ａは引張性を強くすることが可能である。

本実施例の構成では、圧縮性絶縁膜が厚く形成された領域Ａと圧縮性絶縁膜が薄く形成された領域Ｂとで、薄膜部４を形成する絶縁膜全体の厚みが異なる。そのため、薄膜部４の表面に突部（厚膜部）５３が形成される。突部（厚膜部）５３の段差部５３ａには前述したような外力による応力集中が発生しやすい。そのため、段差部５３ａを高さが緩やかに変化する段差となるように形成し、応力集中を緩和することが望ましい。具体的には、既知の手法であるＳＯＧ（Spin on Glass）、エッチバック、ＣＭＰ等により段差部を緩和し緩やかに膜厚が変化させることができる。

本実施例では、検出ヒータ５の上層（領域Ｂ）の圧縮性絶縁膜５１ｃを残して他の領域Ａの圧縮性絶縁膜５１ｃを取り除いた構成について説明したが、検出ヒータ５の下層の圧縮性絶縁膜５１ｂを用いて同様な構成とすることも可能である。つまり検出ヒータ５が形成された領域Ｂにおいて、他の領域Ａよりも圧縮性絶縁膜５１ｂが厚く形成されていれば、本発明の効果が得られる。

また本実施例で説明した構成において、領域Ａにおいて圧縮性絶縁膜５１ｃ又は圧縮性絶縁膜５１ｂを完全に除去するのではなく、領域Ｂにおける圧縮性絶縁膜５１ｃ又は圧縮性絶縁膜５１ｂの膜厚に対して領域Ａにおける圧縮性絶縁膜５１ｃ又は圧縮性絶縁膜５１ｂの膜厚を薄くする構成でも、本発明の効果が得られる可能性がある。

上述した各実施例により、以下の熱式センサ装置が得られる。
（１）基板２に形成した空洞部３を絶縁膜１１ａ〜１１ｄ，１２ａ〜１２ｃ，２１ａ〜２１ｅ，２２ａ〜２２ｃ，５１ａ〜５１ｄ，５２ａ，５２ｂで覆った薄膜部４と、薄膜部４に形成した発熱体５と、を備えた熱式センサ装置において、薄膜部４における前記絶縁膜に部分的に圧縮性を強めた圧縮性領域Ｂが設けられ、圧縮性領域Ｂに発熱体５が配置される。
（２）（１）において、圧縮性領域Ｂの周辺の前記絶縁膜に引張性領域Ａが形成される。
（３）（２）において、前記絶縁膜の空洞部３の上を覆う部分は、室温において基板２に対して圧縮性となる圧縮応力膜１１ａ〜１１ｄ，２１ａ〜２１ｅ，５１ａ〜５１ｄと、基板２に対して引張性となる引張応力膜１２ａ〜１２ｃ，２２ａ〜２２ｃ，５２ａ，５２ｂとからなり、圧縮性領域Ｂにおいて前記引張応力膜が部分的に除去されている。
（４）（３）において、前記絶縁膜の前記部分は、発熱体５の下層側に形成された下層側引張応力膜２２ａと、発熱体５の上層側に形成された上層側引張応力膜２２ｃと、下層側引張応力膜２２ａと上層側引張応力膜２２ｃとの間に形成された中間引張応力膜２２ｂと、を備え、圧縮性領域Ｂにおいて中間引張応力膜２２ｂが部分的に除去されている。
（５）（４）において、中間引張応力膜２２ｂは、上層引張応力膜２２ｃ及び下層側引張応力膜２２ａよりも厚く形成される。
（６）（３）において、前記絶縁膜の前記部分は、引張応力膜２２ｂがスリット状に除去された領域Ｃを備える。
（７）（３）において、引張応力膜１２ａは、圧縮性領域Ｂにおいて、多角形または円形に除去されている。
（８）（３）において、圧縮応力膜１１ａ〜１１ｄ，２１ａ〜２１ｅ，５１ａ〜５１ｄは酸化シリコンを主とする絶縁膜であり引張応力膜は窒化シリコン１２ａ〜１２ｃ，２２ａ〜２２ｃ，５２ａ，５２ｂを主とする絶縁膜である。
（９）（３）において、発熱体５は金属材料である。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１，２０，３０，４０，５０…センサ素子、２…基板、３・・・空洞部、４・・・薄膜部、５・・・検出ヒータ、６・・・補助ヒータ、７ａ〜７ｄ・・・電極パッド、８ａ〜８ｃ・・・抵抗、９ａ・・・差動増幅器、１０ａ〜１０ｃ・・・抵抗、１１ａ〜１１ｄ，２１ａ〜２１ｅ，５１ａ〜５１ｄ・・・圧縮性絶縁膜、１２ａ〜１２ｃ，２２ａ〜２２ｃ，５２ａ，５２ｂ・・・引張性絶縁膜、１００…熱式センサ装置、Ａ…引張性領域、Ｂ…圧縮性領域。

Claims (9)

1. 基板に形成した空洞部を絶縁膜で覆った薄膜部と、前記薄膜部に形成した発熱体と、を備えた熱式センサ装置において、
   前記薄膜部における前記絶縁膜に部分的に圧縮性を強めた圧縮性領域が設けられ、前記圧縮性領域に前記発熱体を配置したことを特徴とする熱式センサ装置。
2. 請求項１に記載の熱式センサ装置において、
   前記圧縮性領域の周辺の前記絶縁膜に引張性領域が形成されることを特徴とする熱式センサ装置。
3. 請求項２に記載の熱式センサ装置において、
   前記絶縁膜の前記空洞部の上を覆う部分は、室温において前記基板に対して圧縮性となる圧縮応力膜と、前記基板に対して引張性となる引張応力膜とからなり、前記圧縮性領域において前記引張応力膜が部分的に除去されていることを特徴とする熱式センサ装置。
4. 請求項３に記載の熱式センサ装置において、
   前記絶縁膜の前記部分は、前記発熱体の下層側に形成された下層側引張応力膜と、前記発熱体の上層側に形成された上層側引張応力膜と、前記下層側引張応力膜と前記上層側引張応力膜との間に形成された中間引張応力膜と、を備え、前記圧縮性領域において前記中間引張応力膜が部分的に除去されていることを特徴とする熱式センサ装置。
5. 請求項４に記載の熱式センサ装置において、
   前記中間引張応力膜は、前記上層側引張応力膜及び前記下層側引張応力膜よりも厚く形成されることを特徴とする熱式センサ装置。
6. 請求項３に記載の熱式センサ装置において、
   前記絶縁膜の前記部分は、前記引張応力膜がスリット状に除去された領域を備えることを特徴とする熱式センサ装置。
7. 請求項３に記載の熱式センサ装置において、
   前記引張応力膜は、前記圧縮性領域において、多角形または円形に除去されていることを特徴とする熱式センサ装置。
8. 請求項３に記載の熱式センサ装置において、
   前記圧縮応力膜は酸化シリコンを主とする絶縁膜であり、前記引張応力膜は窒化シリコンを主とする絶縁膜であることを特徴とする熱式センサ装置。
9. 請求項３に記載の熱式センサ装置において、
   前記発熱体は金属材料であることを特徴とする熱式センサ装置。

Images