JP3601993B2 - Thermal sensor and method of manufacturing the same - Google Patents

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彰 山下
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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。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal sensor having a heat generating portion and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The thermal type sensor detects acceleration, pressure, and flow rate of a fluid based on a heat transfer phenomenon that occurs in accordance with changes in acceleration, pressure, fluid, and the like. Or, it measures the flow rate, and is used, for example, when measuring the acceleration of an automobile, the pressure applied to an internal combustion engine, and the intake air amount of the internal combustion engine.
[0003]
As an example of a conventional thermal sensor, a bridge type heat-sensitive flow sensor disclosed in Japanese Patent Publication No. 5-7659 will be described with reference to FIGS. 4 and 5, 1 is a substrate made of a silicon semiconductor, 2 is an insulating support film made of silicon nitride, 3 is an insulating protective film made of silicon nitride, and 4 is a heat-sensitive resistive film. A heating resistance made of a certain permalloy, 5 and 6 each represent a temperature measuring resistance made of a permalloy which is a heat-sensitive resistance film, and 7 shows a comparative resistance made of a permalloy which is a heat-sensitive resistance film. The two temperature measuring resistors 5 and 6 are disposed so as to be perpendicular to the flow direction of the fluid 10 to be measured with the heating resistor 4 interposed therebetween. An air space 9 is provided immediately below the portion where the heat generating resistor 4 and the temperature measuring resistors 5 and 6 are formed to form a bridge structure. The air space 9 is formed by removing a part of the substrate 1 from the opening 8 formed in the substrate 1 using an etchant that does not etch the silicon nitride film.
[0004]
Next, the operation of the flow sensor will be described. In the flow sensor, a current is supplied to the heating resistor 4 by a control circuit (not shown) so that the temperature of the heating resistor 4 is maintained at, for example, 200 ° C. higher than the temperature of the substrate 1 detected by the comparison resistor 7. . Since the air space 9 exists below the heating resistor 4 as described above, the heat generated by the heating resistor 4 is not transmitted to the comparison resistor 7 and is detected by the comparison resistor 7. The temperature is approximately equal to the temperature of the surrounding air.
[0005]
The heat generated by the heat generating resistor 4 is transmitted to the temperature measuring resistors 5 and 6 via the support film 2, the protective film 3 or the heat-sensitive resistance film. As shown in FIG. 4, the temperature measuring resistors 5 and 6 are arranged at positions symmetrical with respect to the heating resistor 4. Therefore, when there is no air flow, the temperatures of the two temperature measuring resistors 5 and 6 are There is no difference between the resistance values of the temperature measuring resistors 5 and 6. However, when there is a flow of air, the upstream temperature measuring resistor is cooled by air, but the downstream temperature measuring resistor is heated by the heat transmitted from the heating resistor to the air. Not as cool as resistance. For example, when the air flow in the direction indicated by the arrow 10 occurs, the temperature measuring resistor 5 on the upstream side has a lower temperature than the temperature measuring resistor 6 on the downstream side, and the difference between the two resistance values is the flow rate or flow rate of the air. The larger the is, the more it spreads. As described above, by detecting the difference between the resistance values of the temperature measuring resistors 5 and 6, the flow velocity or the flow rate of the air can be measured. When the direction of the air flow is opposite to the direction of the arrow 10, the temperature of the temperature measuring resistor 6 becomes lower than that of the temperature measuring resistor 5, so that the direction of the air flow can also be detected.
[0006]
In addition to the bridge type described above, a diaphragm type heat-sensitive flow sensor is widely used. Hereinafter, a conventional diaphragm type thermal flow sensor will be described with reference to FIGS. 6 and 7, the components 1 to 10 are substantially the same as the components of the bridge type flow detecting element having the same reference numerals. An opening formed by removing a part of the substrate 1 by etching from the surface opposite to the surface on which it is formed. That is, in the diaphragm type thermal flow sensor, the substrate 1 immediately below the diaphragm region 14 in which the heating resistor 4 and the two temperature measuring resistors 5 and 6 are sandwiched between the support film 2 and the protective film 3 is removed. With such a configuration, higher strength can be obtained as compared with a bridge type flow sensor. The principle of detecting the flow velocity or flow rate of air is the same as that of the bridge type flow rate detection element.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a diaphragm type flow rate sensor has problems as described below.
[0008]
In a conventional flow sensor, when a pinhole is present in the support film, when removing the substrate, the etchant penetrates through the pinhole and the surface of the substrate supporting the support film is etched to form a pit or a diaphragm. Since the shape becomes irregular, there has been a problem that the reliability of the flow sensor is reduced. If a dense support film without pinholes is formed to cope with this, the support film itself bends after the substrate is removed, so that it has been difficult to maintain the shape of the diaphragm flat.
[0009]
Further, when the heating resistor is energized and the temperature of the heating resistor rises, the heating resistor expands thermally and the diaphragm region is bent, so that the reliability of the flow sensor decreases and the response characteristics of the flow sensor vary. There was a problem that occurs. In addition, when the bending change of the diaphragm area is repeated during the operation, the durability of the flow rate sensor is deteriorated.
[0010]
A first object of the present invention is to provide a thermal sensor with excellent detection accuracy and a method for manufacturing the same.
[0011]
A second object of the present invention is to provide a thermal sensor having a diaphragm region having excellent detection accuracy, high reliability, and no deflection, and a method for manufacturing the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
Thermal type sensor according to the present invention, a silicon substrate having an opening,
A first support film formed on the silicon substrate and made of silicon dioxide by thermal oxidation of the silicon substrate surface;
A second support film formed on the first support film and constituting a diaphragm at the opening;
A heat-generating portion formed on the diaphragm of the second support film and made of a heat-sensitive resistance material;
The first support membrane has been removed at the opening;
The second support film is made of a material different from that of the first support film so that a tensile stress is set on the diaphragm.
[0013]
Further, the method for manufacturing a thermal sensor according to the present invention includes the steps of: forming a first support film made of silicon dioxide on a silicon substrate by thermal oxidation of the surface of the silicon substrate;
Forming a second support film made of a different material from the first support film on the first support film;
Forming a heat generating portion made of a heat-sensitive resistance material on the second support film;
A first etching step of removing a part of the silicon substrate by wet etching to form an opening reaching the first support film from the back surface of the silicon substrate;
A second etching step of removing a portion of the first support film exposed at the opening to form a diaphragm composed of the second support film.
[0014]
In the present invention, it is preferable that the second support film is formed of silicon nitride.
[0015]
In the present invention, it is preferable that a protective film made of silicon nitride is formed on the second support film and the heat generating portion.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a flow sensor which is a thermal sensor of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
Embodiment 1 FIG.
First, a flow sensor 30 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. The flow sensor 30 includes the heat generating portion 11 formed on the insulating second support film 16. More specifically, the second support film 16 is formed on the substrate with the insulating first support film interposed therebetween, and the heat generating portion 11 is formed of a heat-sensitive resistance film. It includes temperature resistance and heat generation resistance. Further, the substrate located below the diaphragm region 14 around the heat generating portion 11 has been removed, and a protective film (not shown) is provided on the heat generating portion 11.
[0019]
Next, a method of manufacturing the flow sensor 30 will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2A, an insulating film having a thickness of about 0.5 μm is laminated as a first supporting film 15 on a substrate 1 of a silicon wafer having a thickness of about 400 μm. An insulating film having a thickness of about 1 μm is laminated thereon as the second support film 16. Specifically, it is preferable that the first support film 15 be formed of an oxide film.
[0020]
Subsequently, platinum or the like having a thickness of 0.2 μm is formed as a heat-sensitive resistive film on the second support film 16 by an evaporation method, a sputtering method, or the like. Alternatively, patterning is performed using a dry etching method or the like to form the heat generating portion 11 having a temperature measuring resistor and a heat generating resistor as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 2C, a 1 μm-thick insulating protective film 3 is laminated so as to cover the heat generating portion 11 and the second support film 16.
[0021]
Further, a back surface protection film (not shown) is provided on the surface of the substrate 1 opposite to the surface on which the first support film 15 is arranged, and an etching hole is formed in the back surface protection film by using a photolithography method or the like. I do. Subsequently, as shown in FIG. 3A, a part of the substrate 1 is removed by alkali etching or the like by using a back surface protective film having an etching hole, an opening 12 is provided, and a diaphragm region 14 is formed.
[0022]
Thereafter, as shown in FIG. 3B, only the first support film 15 immediately below the diaphragm region 14 is removed by wet etching or the like. At this time, by shortening the etching time to 10 minutes or less, the first support film 15 is etched only in the thickness direction, so that only the first support film 15 immediately below the diaphragm region 14 can be removed. it can.
[0023]
As described above, by removing the first support film 15 located immediately below the diaphragm region 14, the diaphragm region 14 can be formed thin. That is, after a support film having a two-layer structure is formed on the substrate 1, the first support film 15 protects the surface of the substrate 1 other than immediately below the diaphragm region 14 while removing the substrate 1 to remove the diaphragm region. By forming only the first support film 15 immediately below the diaphragm region 14, it is possible to reduce the thickness of the diaphragm region 14 without generating pits or the like on the surface of the substrate 1. it can. In this manner, by improving the thermal conductivity of the diaphragm region 14, the flow rate detection accuracy of the flow rate sensor 30 can be improved.
[0024]
Further, when the substrate 1 immediately below the diaphragm region 15 is removed, the etching solution penetrates into a pinhole or the like existing in the second support film 16 or the protection film 3, and the etching solution reaches the surface of the substrate 1. In order to prevent this, it is preferable to use the first support film 15 having no pinhole. When the first support film having no pinhole is used, generation of etching pits on the surface of the substrate 1 can be more reliably prevented. Furthermore, since the second support film 16 prevents the diaphragm region 14 from being bent, abnormal shape of the diaphragm region can be prevented. That is, the flow sensor 30 manufactured by the above-described method has a small variation in response characteristics and is highly reliable.
[0025]
Embodiment 2 FIG.
In the flow sensor according to the second embodiment of the present invention, the second support film and the protective film of the flow sensor according to the first embodiment are configured to be capable of setting a tensile stress. That is, by setting the tensile stress of the second support film and the protective film, when the heat generating portion is energized and thermally expanded, the stress generated by the thermal expansion is canceled by the tensile stress of the second support film and the protective film. This can prevent the diaphragm region from bending. By doing so, the reliability of the flow sensor can be improved. It is sufficient that the tensile stress of the protective film and the second support film is such that the thermal stress overcomes the thermal expansion generated in accordance with the current actually supplied to the heat generating portion. Further, the flow sensor according to the second embodiment exhibits the same operation and effect as the flow sensor according to the first embodiment.
[0026]
In the above embodiment, the tensile stress of the second support film and the protective film is set, but the present invention is not limited to this, and only the tensile stress of one of the second support film and the protective film is set. May be set.
[0027]
Embodiment 3 FIG.
The flow sensor according to the third embodiment of the present invention is a flow sensor in which the first support film of the flow sensor according to the first embodiment is formed of a silicon dioxide film. Since the silicon dioxide film can be easily formed and has few pinholes, the surface of the substrate 1 can be more reliably protected. In addition, the first support film is formed by forming a first support film with a silicon dioxide film, further forming a second support film with a hydrofluoric acid resistant film, and using an aqueous solution of hydrofluoric acid. Since only the flow sensor can be easily removed, the flow sensor can be manufactured easily and at low cost.
[0028]
Further, the silicon dioxide film can be formed by a CVD method, a thermal oxidation method, or the like. In particular, when using a thermal oxidation method of thermally oxidizing a silicon substrate to form a silicon dioxide film, a silicon dioxide film without pinholes can be easily formed on both surfaces of the silicon substrate. By using the silicon dioxide film as the first support film and the silicon dioxide film formed on the other surface as the back surface protective film, the step of forming the back surface protective film can be omitted. That is, by using the thermal oxidation method, the steps can be omitted, and the manufacturing cost of the flow sensor can be reduced.
[0029]
Embodiment 4 FIG.
The flow sensor according to the fourth embodiment of the present invention is such that the protective film and the second support film of the flow sensor according to the second embodiment are formed of a silicon nitride film. Specifically, a silicon nitride film is formed by a sputtering method, a CVD method, or the like. Since the silicon nitride film can easily control the tensile stress of the film, by using such a silicon nitride film as the protective film and the second support film, the film stress in the diaphragm region is controlled as the tensile stress. Therefore, even when the heat generating portion thermally expands, the stress due to the thermal expansion is canceled by the tensile stress of the protective film and the second support film, and the deflection of the diaphragm region can be prevented.
[0030]
Further, since the silicon nitride film is a hydrogen fluoride-resistant film, by using a silicon dioxide film as the first support film, only the first support film can be easily removed with an aqueous solution of hydrofluoric acid. be able to. That is, by forming the first support film with a silicon dioxide film and the second support film with a silicon nitride film, the method of manufacturing the flow sensor becomes easy, and the manufacturing cost can be reduced.
[0031]
In the above embodiment, both the protective film and the second support film are formed of the silicon nitride film. However, the present invention is not limited to this, and any one of the protective film and the second support film may be used. One may be formed of an insulating nitride film.
[0032]
In the above-described first to fourth embodiments, the thermal sensor is used for the flow rate sensor. However, the present invention is not limited to this, and the thermal sensor of the present invention may be used for an acceleration sensor, a pressure sensor, or the like. The function and effect can be obtained.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, in the thermal sensor according to the present invention, the tensile stress is set on the second support film constituting the diaphragm. As a result, it is possible to prevent the diaphragm from being bent and deformed due to the thermal expansion of the heat generating portion, and as a result, it is possible to improve the reliability of the thermal sensor. Further, since a diaphragm having excellent heat conductivity can be obtained, the detection accuracy of the thermal sensor can be improved. Further, by using a silicon substrate as the substrate and forming the first support film made of silicon dioxide by thermal oxidation of the surface of the silicon substrate, a film having few pinholes can be easily obtained.
[0034]
Further, according to the method of manufacturing a thermal sensor according to the present invention, a pinhole is reduced by using a silicon substrate as the substrate and forming the first support film made of silicon dioxide by thermal oxidation of the silicon substrate surface. A membrane can be easily obtained. Further, after forming a second support film made of a material different from the first support film on the first support film, an opening of the silicon substrate is formed by wet etching in a first etching step, In the second etching step, the exposed portion of the first support film is removed to form a diaphragm composed of the second support film. Since the diaphragm can be formed thin by such two etchings, the detection accuracy of the thermal sensor can be improved.
[0035]
Further, by forming the second support film of silicon nitride, it is easy to control the tensile stress of the film. Further, since silicon nitride has acid resistance to hydrogen fluoride, an aqueous solution of hydrofluoric acid can be used as an etchant for the first support film made of silicon dioxide, so that the first support film can be easily etched. And the manufacturing cost of the sensor can be reduced.
[0036]
In addition, by forming a protective film made of silicon nitride on the second support film and the heat generating portion, both the second support film and the protective film become silicon nitride films, thereby controlling the tensile stress of the film. Can be easily prevented, the flexural deformation of the diaphragm can be prevented, and the reliability of the sensor can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a flow sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the flow sensor according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 2A illustrates a process of forming a first support film and a second support film on a substrate, and FIG. Shows a step of forming a heat generating portion, and (c) shows a step of forming a protective film.
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the flow sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3A illustrates a process of removing a substrate, and FIG. 3B illustrates a process of removing a first support film. .
FIG. 4 is a plan view of a conventional bridge-type thermal flow sensor.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional bridge-type thermal flow sensor.
FIG. 6 shows a plan view of a conventional diaphragm-type thermal flow sensor.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional diaphragm-type thermal flow sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate, 3 Protective film, 11 Heating part, 12 Opening, 14 Diaphragm area, 15 First supporting film, 16 Second supporting film.

Claims (6)

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。
A silicon substrate having an opening,
A first support film formed on the silicon substrate and made of silicon dioxide by thermal oxidation of the silicon substrate surface;
A second support film formed on the first support film and constituting a diaphragm at the opening;
A heat-generating portion formed on the diaphragm of the second support film and made of a heat-sensitive resistance material;
The first support membrane has been removed at the opening;
A thermal sensor, wherein the second support film is formed of a material different from that of the first support film so that a tensile stress is set on the diaphragm.
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。2. The thermal sensor according to claim 1, wherein the second support film is formed of silicon nitride. 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。The thermal sensor according to claim 2, wherein a protective film made of silicon nitride is formed on the second support film and the heat generating portion. 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。
Forming a first support film made of silicon dioxide on the silicon substrate by thermal oxidation of the silicon substrate surface;
Forming a second support film made of a different material from the first support film on the first support film;
Forming a heat generating portion made of a heat-sensitive resistance material on the second support film;
A first etching step of removing a part of the silicon substrate by wet etching to form an opening reaching the first support film from the back surface of the silicon substrate;
A second etching step of removing a portion of the first support film exposed at the opening to form a diaphragm formed of the second support film. .
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。5. The method according to claim 4, wherein the second support film is formed of silicon nitride. 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。6. The method for manufacturing a thermal sensor according to claim 5, further comprising a step of forming a protective film made of silicon nitride on the second support film and the heat generating portion.
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