JP4062083B2 - Flow sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱体と、該発熱体の近傍の温度を感知する感温体と、これら発熱体及び感温体を覆う保護膜とを備える薄膜部を有して流体の流量を検出するために用いられるフローセンサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種のフローセンサを備えて構成されるフローメータでは、流体の流通経路に配置された発熱体を発熱制御する際、発熱体の生ずる熱が同発熱体付近を流通する流体によって奪われることを利用して流体の流量を検出するようにしている。すなわち、発熱体の生じる熱のうち、流体によって奪われる熱量は、流体の流量が多くなるほど増加することから、この流体によって奪われる熱量に基づいて発熱体付近の流体の流量を検出するようにしている。
【０００３】
具体的には、例えば、上記感温体を通じて感知される発熱体の近傍の温度を所定の温度に維持するように上記発熱体へ供給する電力量を制御するとともに、上記発熱体の熱のうち流体によって奪われた熱量の指標としての同発熱体に供給される電力量等に基づいて流体の流量を検出する。またあるいは、例えば、発熱体を所定の温度に制御するとともに、上記発熱体の熱のうち流体によって奪われた熱量の指標としての同発熱体の付近の温度を上記感温体を通じて感知することで流体の流量を検出する。
【０００４】
一方、上記フローセンサでは、上記発熱体や感温体の設けられる部分を薄膜部とすることで、同部分の熱容量を低く抑えるとともにフローセンサ内でこの薄膜部を熱的に絶縁し、流体の流量に対する高い応答性を確保するようにしている。
【０００５】
しかし、このように発熱体や感温体の設けられる部分を薄膜形成する場合には、その強度を、当該フローセンサの使用環境において十分耐え得るものとすることが困難となる。例えば、このフローセンサが、内燃機関の吸入空気量を感知すべく同内燃機関の吸気通路内に設けられる場合、同フローセンサの薄膜部には、吸気脈動やバックファイヤ等による圧力に耐え得る強度が要求される。また、内燃機関の吸気通路には通常、ダストを濾過するエアーフィルタが設けられているとはいえ、このエアーフィルタを砂等のパーティクルが通過することがある。このパーティクルは、そのサイズが「数百μｍ」ほどになり、吸気通路内を「数１０ｍ／ｓ」で飛来するため、このパーティクルの衝突に耐え得る強度も上記薄膜部には要求される。
【０００６】
ちなみに、この薄膜部の強度は、薄膜部の膜厚を厚くすることで高めることができるが、同膜厚を厚くすると、フローセンサの薄膜部とそれ以外の部分との熱絶縁が不十分となり、また、熱容量が増大することとなる。そして、これらに起因した消費電力の増大や、感度の低下、応答性の低下等を招く。特に図１９に示すように、薄膜部の膜厚を「５μｍ」以上とすると、脈動に対する応答性の悪化に起因してフローメータの流量検出精度の悪化が顕著に現れる。
【０００７】
逆に、ここで、応答性等を確保すべく、薄膜部の膜厚を過度に薄くすると、上記パーティクルの衝突によって薄膜部が破損するおそれがある。ここで、この破損のメカニズムについて、図２０を用いて更に説明する。
【０００８】
図２０（ａ）は、パーティクルの衝突によるフローセンサ４００表面の傷の生成態様を示す。同図２０（ａ）に示すように、薄膜部４１０の周縁部（詳しくは薄膜部４１０の縁から内側「数１０μｍ」内）及び薄膜部４１０外の領域においては、上記パーティクルの衝突に起因して、その表面に傷が入りやすい。これに対し、図２０（ｂ）の衝突痕の密度を示すグラフにも示されるように、薄膜部４１０の中央部には、傷（衝突痕）がほとんど着かない。これは、図２０（ｃ）に示すように、パーティクルＰとの衝突に際し薄膜部４１０が変形することで、衝突エネルギが吸収されるためである。
【０００９】
いずれにせよ、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に示されるように、薄膜部４１０の端部表面に傷が入ることで、その強度は低下することとなる。こうした状況下、薄膜部に流体の圧力が過度に加わったり、図２０（ｃ）に示すように薄膜部４１０にパーティクルＰが衝突したりすると、同薄膜部４１０の変形に伴い、強度が低下している上記端部に応力が集中し、やがては破損に至ることとなる。
【００１０】
こうした破損に至るメカニズムからもわかるように、薄膜部の強度低下は、その端部表面に傷が入ることが大きな要因となる。このため、薄膜部の最表面の硬度を確保することが重要となる。ちなみに、内燃機関の吸気通路においてエアクリーナを通過する上記パーティクルは、砂（シリコン酸化膜）がほとんどである。このため、内燃機関の吸入空気量を検出する場合等に用いるフローセンサとしては、特にシリコン酸化膜よりも硬い膜を上記最表面の膜として用いることが望まれる。
【００１１】
ここで、シリコン酸化膜よりも硬い膜としては、シリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）が考えられる。そして、このシリコン窒化膜は、その硬度等、様々な特性についてのバルク値が、フローセンサに適したものとなっている。
【００１２】
そして、熱反応を用いた低圧ＣＶＤ（ＬＰ−ＣＶＤ）法によれば、上記バルク値とほぼ等しい特性を有するシリコン窒化膜を形成することができる。同低圧ＣＶＤ法を用いたシリコン窒化膜の破壊応力、ヤング率、硬度は、それぞれ「５２０ＧＰａ」、「１４ＧＰａ」、「１７２０Ｖｈ」である。このように低圧ＣＶＤ法を用いることで、シリコン窒化膜を、ほぼバルク値の物性値を持つ理想的な膜として形成することが可能である。しかし、この低圧ＣＶＤ法を用いてシリコン窒化膜を成膜する際には、その成膜時の応力が「１２００Ｐａ」程度と高くなるため、シリコン窒化膜の膜厚を「０．３μｍ」以上に形成しようとすると自己破壊に至るという問題がある。
【００１３】
そこで従来は、図２１に示すように、薄膜部の最表面と最下面とに、それぞれ低圧ＣＶＤ法にて形成されたシリコン窒化膜５４０、５１０を備えるとともに、それらシリコン窒化膜５４０、５１０の間には、シリコン酸化膜５２０、５３０を備えるようにした薄膜構造なども提案されている（特許文献１）。このように、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを積層して薄膜部の膜厚を確保しつつ表面にシリコン窒化膜を用いることで、応力バランスを確保しつつ、薄膜部としての強度を高めることができるようになる。
【００１４】
なお、こうしたフローセンサの従来技術としては、上記特許文献１の他、下記特許文献２や特許文献３がある。
【００１５】
【特許文献１】
特開平１１−２７１１２３号公報
【特許文献２】
特開２００１−１９４２０１号公報
【特許文献３】
特開２００１−１２９８５号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１に記載の構造であれ、表面に形成されるシリコン窒化膜の膜厚は制限されることから、パーティクルの衝突等に起因した傷や膜減りを十分に抑制することは依然困難である。すなわち、制限された膜厚にてシリコン窒化膜を成膜すると、パーティクルとの衝突によってシリコン窒化膜に生じる傷が、同シリコン窒化膜を貫通してしまうことがある。また、上記特許文献１では、シリコン窒化膜の形成時における大きな引っ張り応力を緩和すべく、シリコン酸化膜を厚くして薄膜部全体としての応力を調整しているが、このようにシリコン酸化膜を厚くすると薄膜部のヤング率の低下を招く。そして、このヤング率の低下は、薄膜部の変形のしやすさにつながり、その結果、薄膜部の耐性が低下することともなる。
【００１７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリコン窒化膜の特性のみならず、膜厚も適切に確保することのできるフローセンサ及びその製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
こうした目的を達成するため、請求項１記載のフローセンサでは、発熱体を覆う保護膜の少なくとも流体の流通経路側に形成されている表面の保護膜を、ＮＨ 3 ガスに対するＳｉＨ 2 Ｃｌ 2 ガスの流量比を、成膜温度が「７５０℃」のとき「４／１〜８／１」の範囲とし、成膜温度が「８５０℃」のとき「１／１〜４／１」の範囲とし、成膜温度が「７５０℃」よりも高く且つ「８５０℃」未満であるときには、成膜温度が「８００℃」のときに「２／１〜６／１」となる態様にて補間された流量比とする条件下の熱化学気相成長法によって形成されて、且つ、その組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きいシリコン窒化膜にて膜応力が「０ＭＰａ」より大きく「８００ＭＰａ」以下の引張応力を有するように形成することとした。このように化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きいシリコン窒化膜とすると、熱化学気相成長法を用いた場合にも、その成膜時の応力を低下させることができる。したがって、シリコン窒化膜の特性のみならずその膜厚も適切に確保することのできるシリコン窒化膜を備えたフローセンサを実現することができる。
【００１９】
また、請求項２記載のフローセンサは、上記表面の保護膜の屈折率を「２．１〜２．３」に設定することとした。これにより、成膜時の応力を「０．６μｍ」以上の膜厚にて成膜することのできる応力とすることができるようになる。
【００２０】
また、請求項３記載のフローセンサでは、上記表面の保護膜の膜厚を積極的に「０．６μｍ」以上にすることとした。これにより、該保護膜によって保護される発熱体や感温体等の抵抗値特性の変動を好適に抑制することができ、耐久性の確保されたフローセンサを実現することができる。
【００２１】
また、請求項４記載のフローセンサは、上記薄膜部の膜厚を「２μｍ」以上にすることとした。これにより、薄膜部の破損を好適に回避することができるようになる。
【００２２】
また、請求項５記載のフローセンサは、上記薄膜部の膜厚を「５μｍ」以下とした。これにより、フローセンサを用いた流量測定精度を好適に確保することができる。
【００２３】
請求項６記載のフローセンサでは、流体の流通経路の裏面側に、更に、熱化学気相成長法によって形成されて、且つ、その組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きいシリコン窒化膜（裏面の保護膜）を膜応力が「０ＭＰａ」より大きく「８００ＭＰａ」以下の引張応力を有するように形成した。
【００２４】
これにより、薄膜部の裏面側についても、イオン拡散等の回避が可能となる。また、請求項７記載のフローセンサでは、上記表面及び裏面の保護膜の合計の膜厚をαとすると、これら２つの最表面の保護膜の間には、次式
（α／α＋β）―２．７ｅｘｐ｛―０．５（α＋β）｝＞０
を満たすβ（＞０）を膜厚とするシリコン酸化膜を形成するようにした。
【００２５】
これにより、薄膜部の破損を好適に回避することができるようになる。
また、請求項８記載のフローセンサでは、上記保護膜は、上記表面の保護膜の膜厚をαとして、次の式
（α／α＋β）―４ｅｘｐ｛―０．７（α＋β）｝＞０
を満たすβ（＞０）を膜厚とするシリコン酸化膜を更に備えるようにした。
【００２６】
これにより、薄膜部の破損を好適に回避することができるようになる。
また、請求項９記載のフローセンサでは、空洞部を有する半導体基板を備えるとともに、上記薄膜部を該半導体基板の空洞部を架橋する部分として形成し、同薄膜部の端部には、少なくとも上記感温体の長手方向に平行な端部を覆う端部強化膜を上記感温体と同層に形成した。これにより、薄膜部の端部のうち感温体の長手方向に平行な端部の膜厚を厚くすることができるようになる。このため、半導体基板と薄膜部との架橋にかかる強度を増大させることができるようになる。
【００２７】
また、請求項１０記載のフローセンサは、端部強化膜を感温体と同一の材料とした。これのより、これら端部強化膜と感温体とを同一の工程にて製造することができる。したがって、半導体基板と薄膜部との架橋にかかる強度を増大させつつも、その製造工数の増大を回避することができるようになる。
【００２８】
また、請求項１１記載のフローセンサでは、発熱体及び感温体を構成する材料を多結晶シリコンとした。これにより、半導体プロセスにおいて簡易に発熱体を製造することができる。
【００２９】
また、請求項１２記載のフローセンサでは、発熱体及び感温体を構成する材料を単結晶シリコンとした。この単結晶シリコンは多結晶シリコンのように結晶粒界が存在しないために、保護膜に対して平坦化の処理が成されていない場合であれ、その表面の凹凸を抑制することができ、凹凸による強度低下を抑制できる。
【００３０】
一方、請求項１３記載のフローセンサの製造方法では、保護膜の少なくとも前記流体の流通経路側の保護膜として、組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きいシリコン窒化膜が熱化学気相成長法によって形成される。このため、シリコン窒化膜の成膜時の応力を低下させることができ、同シリコン窒化膜を厚膜形成することが可能となる。このため、シリコン窒化膜の特性のみならず、膜厚も適切に確保することのできるフローセンサを製造することができるようになる。
【００３１】
また、請求項１３記載のフローセンサの製造方法では、シリコン窒化膜を成膜する熱化学気相成長法の条件を、ＮＨ3ガスに対するＳｉＨ2Ｃｌ2ガスの流量比を、成膜温度が「７５０℃」のとき「４／１〜８／１」の範囲とし、成膜温度が「８５０℃」のとき「１／１〜４／１」の範囲とし、成膜温度が「７５０℃」よりも高く且つ「８５０℃」未満であるときには、成膜温度が「８００℃」のときに「２／１〜６／１」となる態様にて補間された流量比とする条件とし、さらに、窒化シリコン膜の成膜時の応力が「０ＭＰａ」より大きく「８００ＭＰａ」以下の引張応力となるようにした。
【００３２】
これにより、成膜時の応力を、フローセンサとして適切な膜厚のシリコン窒化膜を成膜することのできる応力値とすることができ、ひいては、膜割れや坐屈を生じることを回避することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明にかかるフローセンサを車載用内燃機関の吸入空気量を検出するフローメータに適用した第１の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００３４】
図１に、上記フローメータＦＭの回路構成を示す。同図１に示されるように、このフローメータＦＭは、熱式のフローセンサＦＳと、該フローセンサＦＳの感知結果に基づき電気信号を生成する信号生成回路ＳＧとを備えている。
【００３５】
ここで、フローセンサＦＳは、上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂと、当該フローメータＦＭの環境温度を感知する上流側温度計Ｒｋａと下流側温度計Ｒｋｂとを備えている。
【００３６】
本実施形態においては、これら上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂは、発熱体であるとともに自身の温度を感知する感温体としても機能する。すなわち、これら上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂは、電流の供給によって発熱する抵抗体としての機能に加えて、同抵抗体の抵抗値の変化に基づいて自身の温度をも感知するものである。そして、フローセンサＦＳでは、上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂとの生じる熱のうち流体によって奪われる熱に基づき流体の流量を感知する。また、フローセンサＦＳでは、上流側ヒータＲｈａと下流側ヒータＲｈｂとのそれぞれの生じる熱のうち流体によって奪われる熱量の差に基づき、流体の流通方向を感知する。
【００３７】
一方、信号生成回路ＳＧは、上記フローセンサＦＳによる流体の流量及び流体の流通方向の感知結果に応じた検出信号を生成する。詳しくは、上流側ヒータＲｈａ及び上流側温度計Ｒｋａの温度差と、下流側ヒータＲｈｂと下流側温度計Ｒｋｂとの温度差とをそれぞれ所定値（例えば「２００℃」）とするように、フローセンサＦＳへ供給する電流を制御する。そして、このフローセンサＦＳに供給する電流量に基づき上記流体の流量及び流体の流通方向に応じた検出信号を生成する。
【００３８】
ここで、上記フローセンサＦＳ及び信号生成回路ＳＧを備えるフローメータＦＭの具体的な回路構成について更に説明する。
フローメータＦＭは、吸気通路の上流側に対応した上流側ホィーストンブリッジＵＨＢと、吸気通路の下流側に対応した下流側ホィーストンブリッジＤＨＢとを備えている。
【００３９】
ここで、上流側ホィーストンブリッジＵＨＢは、上流側ヒータＲｈａから抵抗Ｒ１ａへと、また、上流側温度計Ｒｋａから抵抗Ｒ２ａへとそれぞれ電流が流れる態様にて、上流側ヒータＲｈａ及び抵抗Ｒ１ａと上流側温度計Ｒｋａ及び抵抗Ｒ２ａとが並列接続された回路である。そして、上流側ヒータＲｈａと上流側温度計Ｒｋａとの接続点ＰａにトランジスタＵＴを介してバッテリＢから電流が供給される。そして、上流側ヒータＲｈａでの電圧降下と上流側温度計Ｒｋａでの電圧降下とは差動増幅回路ＵＯＰに取り込まれる。そして、この差動増幅回路ＵＯＰにより、これら２つの電圧降下を等しくすべく、換言すればブリッジの平衡条件を成立させるべく、これらの電圧降下の差に応じてトランジスタＵＴが制御される。
【００４０】
ここで、上流側ホィーストンブリッジＵＨＢは、平衡条件が成立したときに、上流側ヒータＲｈａの温度が上流側温度計Ｒｋａの温度よりも上記所定値だけ高くなるように設定されている。なお、環境温度にかかわらず、上流側ヒータＲｈａの温度が上流側温度計Ｒｋａの温度よりも上記所定値だけ高くなるときに上記平衡条件が成立するようにすべく、これら上流側ヒータＲｈａと上流側温度計Ｒｋａとは、抵抗温度係数が互いに等しく設定されている。
【００４１】
一方、下流側ホィーストンブリッジＤＨＢは、下流側ヒータＲｈｂから抵抗Ｒ１ｂへと、また、下流側温度計Ｒｋｂから抵抗Ｒ２ｂへとそれぞれ電流が流れる態様にて、下流側ヒータＲｈｂ及び抵抗Ｒ１ｂと下流側温度計Ｒｋｂ及び抵抗Ｒ２ｂとが並列接続された回路である。この下流側ホィーストンブリッジＤＨＢも、上流側ホィーストンブリッジＵＨＢと同様、平衡条件を成立させるべく、トランジスタＤＴ及び差動増幅回路ＤＯＰを備えている。なお、この下流側ホィーストンブリッジＤＨＢの構成は、上流側ホィーストンブリッジＵＨＢの構成と同様であるため、その説明を割愛する。
【００４２】
これら上流側ホィーストンブリッジＵＨＢの上流側ヒータＲｈａでの電圧降下と、下流側ホィーストンブリッジＤＨＢの下流側ヒータＲｈｂでの電圧降下とは、差動増幅回路ＣＯＰに取り込まれる。そして、これら２つの電圧降下の差に応じた信号が差動増幅回路ＣＯＰにて生成され、増幅回路ＡＣによって増幅された後、信号生成回路ＳＧの端子Ｐ７を介して外部に出力される。この端子Ｐ７を介して出力される検出信号が流体の流量及び流通方向の検出信号である。
【００４３】
図２に、上記フローセンサＦＳの構成を示す。このフローセンサＦＳは、半導体基板１０を備えて構成されている。そして、半導体基板１０上に積層されているシリコン窒化膜２０上には、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａや下流側温度計Ｒｋｂが形成されている。そして、これら上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂは、リード部Ｌ１〜Ｌ６を介して、先の図１に示した信号生成回路ＳＧとの接続端子となるパッドＰ１〜Ｐ６と接続されている。
【００４４】
ちなみに、半導体基板１０は、空洞部Ｈを有する。詳しくは、半導体基板１０は、その裏面側において図２に１点鎖線にて示す矩形状の領域が開口されているとともに、この開口面積が半導体基板１０の上面側へ行くほど縮小され、同半導体基板１０の上面では図２に破線にて示されるような矩形状の領域となっている。
【００４５】
このように空洞部Ｈを有するために、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂは、フローセンサＦＳのうち、半導体基板１０の空洞部Ｈを架橋するようにして形成されている薄膜部ＭＢに備えられることとなる。この薄膜部ＭＢは、フローセンサＦＳの他の箇所と比べてその膜厚が薄く形成されているために、熱容量が低く抑えられ、また、フローセンサＦＳの他の箇所との熱的な絶縁が図られている。
【００４６】
次に、上記フローメータＦＭが車載内燃機関の吸気通路に配置された際の状態について説明する。
図３（ａ）に示すように、吸気通路ＩＭＦには、同吸気通路ＩＭＦ内を流通する流体の一部が取り込まれ、この取り込まれた流体を所定に流通させる流路部材ＦＰが取り付けられている。そして、この流路部材ＦＰには、上記フローセンサＦＳが取り付けられている。一方、吸気通路ＩＭＦの外側には、信号生成回路ＳＧが配置されている。そして、フローセンサＦＳと信号生成回路ＳＧとは、流路部材ＦＰ内に収納されている配線（図示略）によって接続されている。
【００４７】
なお、図３（ａ）に示すように、フローセンサＦＳの薄膜部ＭＢは、上述した上流側ヒータＲｈａ及び上流側温度計Ｒｋａが、下流側ヒータＲｈｂ及び下流側温度計Ｒｋｂよりもエアクリーナ側になるように配置されている。また、上流側ヒータＲｈａ及び下流側ヒータＲｈｂは、その長手方向が流通方向と直交する方向となるようにして配置されている。
【００４８】
図３（ｂ）に、流路部材ＦＰへのフローセンサＦＳの取り付け状態を拡大してしめす。同図３（ｂ）に示されるように、フローセンサＦＳは、その表面が露出されつつも、その側面及び裏面が流路部材ＦＰの収容部ｓｐによって保護されている。また、フローセンサＦＳの表面についても、先の図２に示したパッドＰ１〜Ｐ６の近傍の部分は、流路部材ＦＰによって覆われている。ちなみに、この収容部ｓｐの形状は、図３（ｃ）に示されるごとくである。なお、フローセンサＦＳの側面及び裏面とこれを囲う収容部ｓｐとの間には、所定のクリアランス（例えば「１０〜２０μｍ」）が設けられている。
【００４９】
次に、上記フローセンサＦＳのうち、特に上記薄膜部ＭＢについて更に説明する。
図４に、フローセンサＦＳのうち薄膜部ＭＢ近傍の断面構成を示す。この図４は、先の図２のＡ−Ａ断面を示している。同図４に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板１０には、上記シリコン窒化膜２０が形成されている。そして、シリコン窒化膜２０上には、上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂがそれぞれ多結晶シリコンにて形成されている。そして、これら上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂを覆うようにして、シリコン窒化膜４０が積層されている。ちなみに、上記シリコン窒化膜２０、４０は、空洞部Ｈを含めて半導体基板１０の上方の略全ての領域に積層形成されている。
【００５０】
ここで、本実施形態では、上記シリコン窒化膜２０、４０として、熱反応を用いた低圧ＣＶＤ法（以下、熱ＣＶＤ法）によって形成され、且つその組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きな膜を用いている。このように化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きなシリコン窒化膜とすることで、熱ＣＶＤ法を用いた場合であれ、その成膜時の応力を低下させることができる。したがって、シリコン窒化膜２０、４０は、これを化学量論的組成比にて成膜した場合と比較して、その膜厚を適切に確保することができる。
【００５１】
図５に、本実施形態にかかる薄膜部ＭＢの膜厚と破損しない流速との関係を示す。実際の車載内燃機関の吸気通路内における流速の最大値は、「５０ｍ／ｓ」程度である。したがって、薄膜部ＭＢは、「５０ｍ／ｓ」の流速においても破損しないような膜厚に設定することが望ましい。ここで、先の図４に示す構成においてはその膜厚Ｔａを「２μｍ」以上とすることで、図５に示すように「５０ｍ／ｓ」の流速においても破損しない耐久性を確保することができる。ちなみに、同図５に併せ示すように、先の図２１に示した薄膜部においては、「５０ｍ／ｓ」の流速においても破損しない耐久性を確保するためにその膜厚（図２１、Ｔａ）を「６μｍ」以上とする必要がある。
【００５２】
次に、本実施形態にかかるフローセンサＦＳにパーティクルが衝突することで生じる傷（衝突傷）による先の図４に示した上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂ（以下、これらを総称して「抵抗体」という）の抵抗値ずれに起因した特性変化について考察する。
【００５３】
一般に、フローセンサＦＳの抵抗値ずれは、以下の２つの現象によって生じるものと考えられる。
（ア）フローセンサＦＳとパーティクルとの衝突によって生じる傷によって、同フローセンサＦＳの表面の膜が削られ、抵抗体に傷が導入される現象。
（イ）例えば先の図２１に示した構成において表面のシリコン窒化膜に傷が付くなどして抵抗体を覆っているシリコン酸化膜が露出する場合に、流体中のナトリウムやカリウム等が、シリコン酸化膜内でイオン拡散等を通じて抵抗体の表面に付着する現象。
【００５４】
特に、フローセンサＦＳの表面のうち、抵抗体が形成されている部分の上方の領域は、通常、薄膜を積層形成した後に平坦化処理がなされず、先の図４に模式的に示されるように凸状となっているために、傷が入りやすいものとなっている。
【００５５】
図６に、先の図４に示した本実施形態にかかるシリコン窒化膜４０の膜厚Ｔｂと、フローセンサＦＳの使用に伴う抵抗体の抵抗値のずれとの関係を示す。この図６は、パーティクルを含む流体の流通経路に所定時間、薄膜部ＭＢを配置したときの抵抗体の抵抗値のずれを示すものである。
【００５６】
同図６に示されるように、先の図４に示したシリコン窒化膜４０の膜厚Ｔｂを「０．６μｍ」以上とすることで、抵抗値変化をほぼ「０」とすることができる。すなわち、この「０．６μｍ」という膜厚は、シリコン窒化膜４０にパーティクルが衝突した場合に傷が貫通することのない膜厚である。なお、シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜のようにイオン拡散等を通じてナトリウムやカリウム等を抵抗体まで浸透させることがないため、シリコン窒化膜を貫通しない膜厚とすることで、上記（イ）の現象を排除することもできる。
【００５７】
また、先の図２１に示した構成において、シリコン窒化膜５４０の膜厚を「０．１２μｍ」に設定し、シリコン酸化膜５３０の膜厚を可変とする場合について、図６に一点鎖線にて示す。ここでは、シリコン窒化膜５４０及びシリコン酸化膜５３０の合計の膜厚Ｔｂを「１．０μｍ」以上とすることで、抵抗体に傷が入らなくなるものの、上記（イ）の現象に起因した抵抗値の変動は依然として無視できないものとなっている。
【００５８】
以上の考察と、先の図１９に示した流量検出精度と膜厚との関係とに基づき、本実施形態においては、シリコン窒化膜４０の膜厚を「０．６μｍ」以上とすると共に、薄膜部ＭＢの膜厚を「２．０〜５．０μｍ」とする。
【００５９】
次に、上記シリコン窒化膜２０、４０の成膜条件について考察する。
本実施形態では、シリコン窒化膜を熱ＣＶＤ法を用いて成膜する際、成膜温度を通常（化学量論的組成にて成膜する場合）と比較して、高い温度としたり、その材料となるガスであるＮＨ3に対するＳｉＨ2Ｃｌ2の比を高めたりする。そして、これにより、膜割れを防止若しくは膜割れを生じる膜厚の臨界値を増加させる。
【００６０】
図７（ａ）に、抵抗体を好適に保護することのできる膜厚である上述した「０．６μｍ」の膜厚を成膜することのできる成膜条件を示す。同図７（ａ）において、「割れ」とは、膜割れを生じることを、また、「坐屈」とは、圧縮応力によって成膜される膜が坐屈することを示している。
【００６１】
この図７（ａ）から、成膜条件としては、ＮＨ3ガスに対するＳｉＨ2Ｃｌ2ガスの流量比を次のように設定することが望ましいことがわかる。
ａ．成膜温度「７５０℃」に対しては「４〜８」とする。
ｂ．成膜温度「８５０℃」に対しては「１〜４」とする。
ｃ．「７５０℃」＜成膜温度＜「８５０℃未満」に対しては、成膜温度が「８００℃」のときに「２〜６」となる態様にて補間された値とする。
【００６２】
なお、上記成膜条件は、シリコン窒化膜を「０．６μｍ」以上成膜することのできる条件であり、膜厚に応じて適宜変更することが望ましい。すなわち、例えばシリコン窒化膜を膜厚「２．０μｍ」にて成膜する場合には、成膜温度に対する流量比は、上述したものよりも狭い範囲に設定することが望ましい。
【００６３】
一方、図７（ｂ）に、図７（ａ）に示す成膜条件によって成膜されたシリコン窒化膜の組成比を、同シリコン窒化膜の屈折率として示す。ここで、化学量論的組成のシリコン窒化膜の屈折率は、略「２．０」であり、これよりも屈折率が大きいほどシリコンの比率が大きなものとなる。
【００６４】
更に、図７（ｃ）に、この屈折率と成膜時の応力との関係を示す。ここで成膜時の応力は、成膜されるシリコン窒化膜自体の応力と、同成膜されるシリコン窒化膜とその下地膜との熱膨張係数の差に起因する熱応力との和に基づくものである。
【００６５】
同図７に示すように、化学量論的組成（ストイキ）よりも屈折率が大きいほど、成膜時の応力が小さくなる。ここで、抵抗体を好適に保護することのできる膜厚である上述した「０．６μｍ」の膜厚にてシリコン窒化膜を成膜するためには、成膜時の応力を「８００ＭＰａ」以下とすることが望ましい。そして、この成膜時の応力を「８００ＭＰａ」以下として成膜されたシリコン窒化膜は、屈折率が「２．１」以上となる。ただし、成膜時の応力が「０」以下となると、換言すれば圧縮応力となると、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す坐屈が生じることとなる。そして、成膜時の応力を略「０」以上とするためには、成膜されたシリコン窒化膜の屈折率を「２．３」以下とする。
【００６６】
以上から、上記シリコン窒化膜４０としては、その屈折率が「２．１〜２．３」である膜であることが望ましい。
ここで、本実施形態にかかる膜厚条件や成膜条件を満たす薄膜部ＭＢの製造手順の一例を図８及び図９に基づいて説明する。図８及び図９に示す断面は、先の図２に示すＢ−Ｂ断面である。
【００６７】
この一連の工程においては、まず図８（ａ）に示すように、例えばＮ型の導電型を有するシリコンからなる半導体基板１０上に、熱ＣＶＤ法にてシリコン窒化膜２０を例えば膜厚「２．０μｍ」にて堆積する。このときの成膜条件を以下に例示する。
【００６８】
ガス流量比 ＳｉＨ2Ｃｌ2：ＮＨ3＝４：１
雰囲気温度 ８５０℃
圧力 ２０Ｐａ
次に、図８（ｂ）に示す上流側ヒータＲｈａ及び下流側ヒータＲｈｂやリード部Ｌ５を形成すべく、アモルファスシリコンを、低圧ＣＶＤ法にて例えば膜厚「１．０μｍ」にて成膜する。このときの成膜温度は、例えば「５５０℃」とすればよい。
【００６９】
次に、成膜されたアモルファスシリコンにボロンを所定量（例えば「１×１０20ｃｍ―3」以上）注入し、熱処理をすることで、アモルファスシリコンを結晶化し、多結晶シリコンとする。なお、このときの熱処理条件としては、例えば、「６００℃」で１０時間のアニールを行った後、更に「１１５０℃」で２時間のアニールを行う。更に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、多結晶シリコンをパターニングすることで、上流側ヒータＲｈａ及び下流側ヒータＲｈｂやリード部Ｌ５を形成する。なお、ここでは図示しないが、この図８（ｂ）に示す工程において、先の図２に示した上流側温度計Ｒｋａや下流側温度計Ｒｋｂ、リード部Ｌ１〜Ｌ４、Ｌ６をも同時に形成する。
【００７０】
このように、上流側ヒータＲｈａ及び上流側温度計Ｒｋａとを、また、下流側ヒータＲｈｂ及び下流側温度計Ｒｋｂとを同一工程にて形成することで、上流側ヒータＲｈａ及び上流側温度計Ｒｋａとの抵抗温度係数や、下流側ヒータＲｈｂ及び下流側温度計Ｒｋｂとの抵抗温度係数を簡易に一致させることができる。
【００７１】
次に、図８（ｃ）に示すように、上流側ヒータＲｈａ及び下流側ヒータＲｈｂやリード部Ｌ５等の形成された半導体基板１０（シリコン窒化膜２０）上面に、これらを保護する保護膜としての上記シリコン窒化膜４０を堆積する。このシリコン窒化膜４０の膜厚や成膜条件は、同図８（ｃ）に示す例では、上記シリコン窒化膜２０の膜厚や成膜条件と同一とする。
【００７２】
次に、図８（ｄ）に示すように、シリコン窒化膜４０を反応性イオンエッチングにてエッチングすることでコンタクトホール４１を形成する。更に、図９（ａ）に示すように、メタル（例えばアルミニウム）を所定の膜厚（例えば「１．０μｍ」）に成膜した後、パターニングすることで上記コンタクトホール４１に先の図２に示したパッドＰ５を形成する。なお、図８（ｄ）〜図９（ａ）に示す工程においては、図示しないパッドＰ１〜Ｐ４、Ｐ６も同様にして形成される。
【００７３】
続いて、図９（ｂ）に示すように、半導体基板１０の裏面側に、シリコン窒化膜５０を、プラズマＣＶＤ法により所定の膜厚（例えば「１μｍ」）にて成膜する。次に、同図９（ｂ）に示すように、先の図２に一点鎖線にて示した領域に対応した開口部を形成すべく、反応性イオンエッチングにてシリコン窒化膜５０をエッチングする。
【００７４】
更に、図９（ｃ）に示すように、シリコン窒化膜５０をマスクとして半導体基板１０をエッチングすることで、半導体基板１０に空洞部Ｈを形成する。これにより、空洞部Ｈを架橋するように薄膜部ＭＢが形成されることとなる。
【００７５】
なお、この図９（ｃ）に示すエッチングは、以下のようにして行うことが望ましい。
Ａ．エッチング液としてＫＯＨやＴＭＡＨ等のアルカリ性のエッチング液を用いたウェットエッチングとする。
Ｂ．半導体基板１０を単結晶シリコン基板とするとともに、同半導体基板１０の裏面を該単結晶シリコンの基本格子の等価な６面である｛１００｝とする。
Ｃ．上記シリコン窒化膜５０の開口部を矩形にして形成すると共に、その各辺を結晶方位＜１１０＞と一致させる。
【００７６】
これにより、半導体基板１０を上記エッチング液により｛１１１｝面に沿ってエッチングすることができる。したがって、薄膜部ＭＢを矩形に形成することができる。更に、この際、薄膜部ＭＢの２つの辺を流通方向に直交させるような設定とすることも容易となる。
【００７７】
もっとも、薄膜部ＭＢの形成に際しては、必ずしもウェットエッチングに限らず、ドライエッチングによって行うようにしてもよい。このようにドライエッチングを用いる場合には、少なくとも同ドライエッチングからの要請として半導体基板１０の面方位が規定されることはない。
【００７８】
ここで、フローセンサＦＳを構成する膜としての本実施形態にかかるシリコン窒化膜の適切性について更に検討する。
図１０に、出願人らによって行われた様々な硬度の素材（アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、炭化シリコン（ＳｉＣ））を評価する試験の結果を示す。同図１０は、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜とが交互に複数回積層された膜厚「３μｍ」の膜上に、評価対象となる膜を蒸着や化学気相拡散法（ＣＶＤ法）にて膜厚「０．５μｍ」にて堆積させ、これに「数１００μｍ」のパーティクルを衝突させて破損しない流速を評価したものである。ちなみに、上記素材の硬度は、ビッカーズ硬度によって定量化している。同図１０に示すように、シリコン酸化膜よりも硬い膜を最表面につけることで、パーティクルに対する耐性が大幅に向上することがわかる。
【００７９】
また、同図１０に示すように、シリコン酸化膜よりも軟らかい膜を用いても上記耐性は向上するが、この場合には表面に大きな傷がつくことで薄膜部の熱容量等が変化し、流量の検出精度を低下させることとなるため好ましくない。更に、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、炭化シリコン（ＳｉＣ）は、パーティクルに対する耐性が高いとはいえ、フローセンサを汎用の半導体プロセスにて製造する場合、同半導体プロセスとの整合性の面で適切ではない。
【００８０】
これらからも、フローセンサの薄膜部を構成する保護膜として、本実施形態にかかるシリコン窒化膜が適切であることがわかる。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
【００８１】
（１）シリコン窒化膜４０として、熱化学気相成長法によって形成され、且つその組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きな膜を用いた。このように化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きなシリコン窒化膜を用いることで、熱化学気相成長法を用いた場合にも、その成膜時の応力を低下させることができる。したがって、特性のみならずその膜厚も適切に確保されたシリコン窒化膜を備えたフローセンサを実現することができる。
【００８２】
（２）シリコン窒化膜４０の膜厚を「０．６μｍ」以上とすることで、シリコン窒化膜４０にパーティクルが衝突した場合に傷が貫通することなく上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ等の抵抗体を保護することができるようになる。
【００８３】
（３）薄膜部ＭＢの膜厚を「２．０μｍ」以上とすることで、車載内燃機関の吸気通路内に設けられた場合において、薄膜部ＭＢが破損することを回避することができるようになる。
【００８４】
（４）薄膜部ＭＢの膜厚を「５．０μｍ」以下とすることで、フローメータＦＭの流量検出精度を好適に確保することができるようになる。
（第２の実施形態）
次に、本発明にかかるフローセンサを車載用内燃機関の吸入空気量を検出するフローメータに適用した第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００８５】
上記フローメータも先の図１と同様の構成を有し、先の図３に示す態様にて吸気通路に配置される。また、本実施形態にかかるフローセンサの平面構成も、先の図２に示した構成と同様である。
【００８６】
図１１に、本実施形態にかかるフローセンサＦＳの断面構成を示す。この図１１は、先の図２に示したＡ−Ａ断面と同様の断面を示している。同図１１に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板１１０上には、シリコン窒化膜１２０及びシリコン酸化膜１３０が積層形成されている。このシリコン酸化膜１３０上には、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂがそれぞれ多結晶シリコンにて形成されている。そして、これら上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂを覆うようにして、シリコン酸化膜１３５及びシリコン窒化膜１４０が積層されている。ちなみに、上記シリコン窒化膜１２０、１４０やシリコン酸化膜１３０、１３５も、空洞部Ｈを含めて半導体基板１０の上方の略全ての領域に積層形成されている。
【００８７】
ここで、本実施形態では、上記シリコン窒化膜１２０、１４０を、先の第１の実施形態のシリコン窒化膜２０、４０同様、熱ＣＶＤ法によって形成され、且つその組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きな膜としている。
【００８８】
なお、図１１に示されるように、シリコン窒化膜１２０とシリコン窒化膜１４０とは同一の膜厚「α／２」となっており、また、シリコン酸化膜１３０とシリコン酸化膜１３５ともそれぞれ同一の膜厚「（Ｘ−α）／２」となっている。
【００８９】
次に、本実施形態にかかる薄膜部ＭＢの構成について、更に詳述する。
図１２に、図１１において薄膜部ＭＢの全膜厚Ｘと、同全膜厚Ｘに対するシリコン窒化膜１２０及びシリコン窒化膜１４０の合計の膜厚の比率Ｙとをパラメータとしたときの、薄膜部ＭＢの破損しない領域を示す。
【００９０】
同図１２に示すように、破損しない条件は、次式（ｃ１）で示される。
Ｙ―２．７ｅｘｐ｛―０．５（Ｘ）｝＞０ …（ｃ１）
この図１２では、全膜厚Ｘが「５．０μｍ」までの領域を示しているが、これは先の図１９に示したように、薄膜部ＭＢの膜厚が「５．０μｍ」より大きいとフローメータＦＭの流量検出精度が低下するためである。そして、全膜厚が「５．０μｍ」までの領域においては、シリコン窒化膜１４０の膜厚は、「０．６μｍ」以上となっている。
【００９１】
したがって、本実施形態では、薄膜部ＭＢの膜厚が「５．０μｍ」以下であって、且つ上式（ｃ１）を満たす範囲に設定する。ちなみに、全膜厚Ｘに対するシリコン窒化膜１２０とシリコン窒化膜１４０との合計の膜厚の比率Ｙは「１」以下である。
【００９２】
ここで、先の図１１に示したフローセンサＦＳの製造工程の一例を図１３を用いて説明する。図１３に示す断面は、先の図２に示したＢ−Ｂ断面と同様の断面である。
【００９３】
この一連の製造工程においては、まず図１３（ａ）に示す工程において、例えばＮ型の導電型を有するとともに、例えばシリコンからなる半導体基板１１０上に、先の図８（ａ）に示した成膜条件と同様の成膜条件にてシリコン窒化膜１２０を例えば膜厚「１．０μｍ」にて成膜する。次に、プラズマＣＶＤ法にて、シリコン酸化膜１３０を例えば膜厚「１．５μｍ」にて成膜する。そして、この後、シリコン酸化膜１３０の応力の安定化を図るべく、所定温度（例えば「１１００℃」）にて所定時間（例えば「２時間」）の熱処理を行う。
【００９４】
次に、図１３（ｂ）に示す工程において、先の図８（ｂ）と同様の工程にて、シリコン酸化膜１３０上に、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ５等を形成する。なお、ここでは、図示しないが、この工程においては、上流側温度計Ｒｋａや、下流側温度計Ｒｋｂ、リード部Ｌ１〜Ｌ４、Ｌ６も形成する。
【００９５】
次に、図１３（ｃ）に示す工程において、先の図１３（ａ）の工程におけるシリコン酸化膜１３０の成膜条件、膜厚条件と同一の条件にてシリコン酸化膜１３５を成膜する。更に、先の図１３（ａ）の工程におけるシリコン窒化膜１２０の成膜条件、膜厚条件と同一の条件にてシリコン窒化膜１４０を成膜する。
【００９６】
次に、図１３（ｄ）に示す工程において、リード部Ｌ５等と上層とのコンタクトを取るべく、反応性イオンエッチングにて、シリコン窒化膜１４０及びシリコン酸化膜１３５にコンタクトホール１４１を形成する。
【００９７】
そして、その後、先の図９に示した一連の工程と同様にして、リード部Ｌ１〜Ｌ６の端部へのパッドＰ１〜Ｐ６の形成や、薄膜部ＭＢの形成を行う。
以上説明した本実施形態によっても先の第１の実施形態の上記（１）〜（４）と同様の効果を得ることができる。
【００９８】
（第３の実施形態）
次に、本発明にかかるフローセンサを車載用内燃機関の吸入空気量を検出するフローメータに適用した第３の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００９９】
上記フローメータも先の図１と同様の構成を有し、先の図３に示す態様にて吸気通路に配置される。また、本実施形態にかかるフローセンサの平面構成も、先の図２に示した構成と同様である。
【０１００】
図１４に、本実施形態にかかるフローセンサＦＳの断面構成を示す。この図１４も、先の図２に示したＡ−Ａ断面と同様の断面を示している。同図１４に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板２１０には、シリコン酸化膜２３０が積層形成されている。このシリコン酸化膜２３０上には、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂがそれぞれ単結晶シリコンにて形成されている。そして、これら上流側ヒータＲｈａ、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ２、Ｌ５、上流側温度計Ｒｋａ及び下流側温度計Ｒｋｂを覆うようにして、シリコン酸化膜２３５及びシリコン窒化膜２４０が積層されている。ちなみに、上記シリコン窒化膜２４０やシリコン酸化膜２３０、２３５も、空洞部Ｈを含めて半導体基板１０の上方の略全ての領域に積層形成されている。
【０１０１】
ここで、上流側ヒータＲｈａ及び下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ及び下流側温度計Ｒｋｂ、リード部Ｌ１〜Ｌ６は、全て単結晶シリコンで形成されている。このため、本実施形態では、多結晶シリコンを用いた場合と比較して、薄膜部ＭＢの表面（保護膜の表面）の凹凸が低減される。ちなみに、多結晶シリコンは結晶粒界を有するために、同多結晶シリコンによって形成された上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ等の抵抗体の上部を覆う保護膜には、この結晶粒界に対応した凹凸が形成される。一方、ヒータ部以外の多結晶シリコンをエッチングした部分もエッチング時間の差から多結晶シリコンの凹凸を反映した凹凸が発生する。このような凹凸の存在は薄膜部ＭＢが変形した際の応力集中点と作用されるため、薄膜部ＭＢの強度低下を引き起こす可能性がある。これに対して、本実施形態のように単結晶シリコンを用いると、こうした結晶粒界に起因した凹凸が保護膜の表面に形成されることが回避される。
【０１０２】
次に、本実施形態にかかる薄膜部ＭＢの構成について、更に詳述する。
図１５に、図１４において薄膜部ＭＢの全膜厚Ｘと、同全膜厚Ｘに対するシリコン窒化膜２４０の膜厚の比率Ｙとをパラメータとしたときの、薄膜部ＭＢの破損しない領域を示す。
【０１０３】
同図１５に示すように、破損しない条件は、次式（ｃ２）で示される。
Ｙ―４ｅｘｐ｛―０．７Ｘ｝＞０ …（ｃ２）
この図１５でも、全膜厚Ｘが「５．０μｍ」までの領域を示しているが、これは先の図１９に示したように、薄膜部ＭＢの膜厚が「５．０μｍ」より大きいとフローメータＦＭの流量検出精度が低下するためである。そして、全膜厚が「５．０μｍ」までの領域においては、シリコン窒化膜２４０の膜厚は、「０．６μｍ」以上となっている。
【０１０４】
したがって、本実施形態では、薄膜部ＭＢの膜厚が「５．０μｍ」以下であって、且つ上式（ｃ２）を満たす範囲に設定する。ちなみに、全膜厚Ｘに対するシリコン窒化膜１４０の膜厚の比率Ｙは「１」以下である。
【０１０５】
ここで、先の図１４に示したフローセンサＦＳの製造工程の一例を図１６を用いて説明する。図１６に示す断面は、先の図２に示したＢ−Ｂ断面と同様の断面である。
【０１０６】
この一連の製造工程においては、まず図１６（ａ）に示すようなＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する。ここでは、このＳＯＩ基板は、例えばＮ型の導電型を有する単結晶シリコンからなる半導体基板２１０上に、例えば膜厚「２μｍ」からなるシリコン酸化膜２３０、例えばＰ型の導電型を有して所定の膜厚（例えば「１μｍ」）からなる単結晶シリコン膜２５０が積層されたものである。
【０１０７】
次に、図１６（ｂ）に示す工程において、上記単結晶シリコン膜２５０に不純物（例えばボロンＢ）を所定の濃度（例えば「１×１０20ｃｍ―3以上」）にて注入する。そして、不純物の注入された上記単結晶シリコン膜２５０を活性化すべく、所定温度（例えば「１１５０℃」）にて所定時間（例えば「２時間」）の熱処理を行う。そして、上記単結晶シリコン膜２５０を反応性イオンエッチングにてパターニングすることで、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、リード部Ｌ５を形成する。なお、ここでは、図示しないが、この工程においては、上流側温度計Ｒｋａや、下流側温度計Ｒｋｂ、リード部Ｌ１〜Ｌ４、Ｌ６も形成する。
【０１０８】
次に、図１６（ｃ）に示す工程において、プラズマＣＶＤ法にてシリコン酸化膜２３５を、例えば膜厚「０．２μｍ」にて堆積する。その後、このシリコン酸化膜２３５の応力の安定化を図るべく、所定温度（例えば「１１００℃」）にて所定時間（例えば「２時間」）の熱処理を行う。更に、先の図８（ａ）に示した工程における成膜条件にて、シリコン窒化膜２４０を例えば膜厚「２．５μｍ」にて形成する。
【０１０９】
その後、図１６（ｄ）に示す工程において、リード部Ｌ５と上層とのコンタクトを取るべく、シリコン窒化膜２４０及びシリコン酸化膜２３５を反応性イオンエッチングにてエッチングすることで、コンタクトホール２４１を形成する。
【０１１０】
そして、その後、先の図９に示した一連の工程と同様にして、リード部Ｌ１〜Ｌ６の端部へのパッドＰ１〜Ｐ６の形成や、薄膜部ＭＢの形成を行う。
以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１）〜（４）の効果に加えて、更に以下の効果を得ることができる。
【０１１１】
（５）上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂ、リード部Ｌ１〜Ｌ６を単結晶シリコンにて構成した。これにより、これらを覆う保護膜の表面の凹凸を低減することができ、凹凸があることによる強度の低下を抑制することができる。
【０１１２】
（第４の実施形態）
次に、本発明にかかるフローセンサを車載用内燃機関の吸入空気量を検出するフローメータに適用した第４の実施形態について、先の第３の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【０１１３】
上記フローメータも先の図１と同様の構成を有し、先の図３に示す態様にて吸気通路に配置される。
図１７は、本実施形態にかかるフローセンサＦＳの平面図である。同図１７に示すように、本実施形態のフローセンサＦＳも、先の第３の実施形態と同様、半導体基板３１０上に形成されたシリコン酸化膜３３０上に、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂ、リード部Ｌ１〜Ｌ６がそれぞれ単結晶シリコンにて形成されている。
【０１１４】
ここで、本実施形態では、リード部Ｌ２及びリード部Ｌ５が薄膜部ＭＢのうち流体の流通方向に直交する辺を覆うようにして形成されている。図１８に、図１７のＡ−Ａ断面を示す。同図１８に示すように、リード部Ｌ２及びリード部Ｌ５が薄膜部ＭＢの両端部を覆っている。このため、薄膜部ＭＢの両端部の膜厚ｆｌは、シリコン酸化膜３３０、３３５、シリコン窒化膜３４０の合計の膜厚に対して、これらリード部Ｌ２やリード部Ｌ５の膜厚の分だけ厚く形成されることとなる。したがって、このリード部Ｌ２やリード部Ｌ５のうち薄膜部ＭＢの端部を覆っている領域は、同端部の強度を強化する端部強化膜として機能する。
【０１１５】
このように、薄膜部ＭＢがその端部において局所的に厚く形成されているために、同薄膜部ＭＢの耐性を高く維持することができる。特に、先の図２０に示したように、薄膜部ＭＢの端部には傷が入りやすく、この傷によって薄膜部ＭＢの強度が低下しやすいために、この端部を部分的に厚くすることによって薄膜部ＭＢの耐性を顕著に向上させることができる。
【０１１６】
また、図１７に示されるように、薄膜部ＭＢを長方形状とするとともに、この長手方向の端部を上記リード部Ｌ２、Ｌ５によって覆うようにしたため、薄膜部ＭＢの耐性を一層向上させることができる。すなわち、薄膜部ＭＢが変形した際に薄膜部ＭＢの端部にかかる応力は、長手方向の２辺において最大となるため、これら２辺を強化することで薄膜部ＭＢの耐性を顕著に向上させることができる。
【０１１７】
これら上記リード部Ｌ２やリード部Ｌ５は、図１７及び図１８に例示するように、薄膜部ＭＢの端部を覆うようにして形成しつつも、薄膜部ＭＢ内へ極力侵入しないようにして形成することが望ましい。こうすることで、薄膜部ＭＢの端部を強化しつつも、薄膜部ＭＢの熱容量を極力低く保つことができる。
【０１１８】
また、これらリード部Ｌ２やリード部Ｌ５を単結晶シリコンにて形成した。これにより、これらを覆うシリコン酸化膜３３５やシリコン窒化膜３４０の表面を滑らかに形成することができる。これに対しこれらリード部Ｌ２やリード部Ｌ５を多結晶シリコンにて形成した場合には、先の第３の実施形態において説明したように、多結晶シリコンの結晶粒界に起因する凹凸がシリコン窒化膜３４０の表面等に形成されることとなる。したがって、リード部Ｌ２やリード部Ｌ５を単結晶シリコンにて形成した場合、これらを多結晶シリコンにて形成した場合のように結晶粒界に起因するシリコン窒化膜３４０表面の凹凸が形成されない。このため、この凹凸部への応力集中を回避することができ、薄膜部ＭＢの強度を大幅に向上させることができる。ちなみに、表面から薄膜部ＭＢへ圧力を印加し、同薄膜部ＭＢが破損する圧力を比較する実験によれば、上記リード部Ｌ２及びリード部Ｌ５として単結晶シリコンを用いた場合、多結晶シリコンを用いた場合の約２倍の強度が得られた。
【０１１９】
なお、本実施形態にかかるフローセンサＦＳの製造工程は、先の図１６に示したものと同様である。したがって、上記薄膜部ＭＢの端部を強化する端部強化膜は、リード部Ｌ２やリード部Ｌ５の一部としてこれらと同時に形成される。このため、端部強化膜の形成にかかる製造工数の増大を回避することもできる。
【０１２０】
以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１）〜（４）の効果、及び先の第３の実施形態の上記（５）の効果に加えて更に以下の効果が得られるようになる。
【０１２１】
（６）リード部Ｌ２及びリード部Ｌ５にて薄膜部ＭＢの両端部を覆うことで、同端部の強度を強化することができるようになる。
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【０１２２】
・上記第２の実施形態では、シリコン窒化膜１２０及びシリコン窒化膜１４０の膜厚を互いに等しく設定し、またシリコン酸化膜１３０及びシリコン酸化膜１３５の膜厚を互いに等しく設定したが、これに限らない。例えばシリコン窒化膜１４０の膜厚を「０．６μｍ」以上とするとともに上式（ｃ１）を満たしつつ、シリコン酸化膜１３０、１３５やシリコン窒化膜１２０の膜厚を適宜変更することで、薄膜部ＭＢの破損や抵抗体の抵抗値変化を回避することができる。また、この際、合計の膜厚を「５．０μｍ」以下とすることで、このフローセンサを用いた流量検出精度を高く維持することができる。
【０１２３】
更に、この際、シリコン窒化膜１２０の膜厚については、必ずしもこれを「０．６μｍ」以上にしなくてもよい。例えば先の図３に示したようにフローセンサＦＳの側面及び裏面が流路部材ＦＰの収容部ｓｐによって保護されている場合には、フローセンサＦＳの表面側と比較して裏面側には大きな硬度が要求されることはないため、「０．６μｍ」以下の膜厚としてもよい。ただし、先の図３に示したように、フローセンサＦＳと収容部ｓｐとの間には、所定のクリアランスがあることに鑑みれば、上述したイオン拡散等による抵抗値変化の影響を回避すべく、シリコン窒化膜１２０を設けることは有効である。また、先の図９（ｃ）等に示した工程において、半導体基板をアルカリ性のエッチング液にてドライエッチングする際には、選択比を十分に確保すべく、裏面側にもシリコン窒化膜を設けることは有効である。
【０１２４】
・上記第３の実施形態において、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ、上流側温度計Ｒｋａ、下流側温度計Ｒｋｂ、リード部Ｌ１〜Ｌ６の全てを多結晶シリコンにて形成しても、先の第１の実施形態の上記（１）〜（４）の効果を得ることはできる。
【０１２５】
・上記各実施形態及びそれらの変形例では、上流側ヒータＲｈａや、下流側ヒータＲｈｂ等の上面を覆う保護膜の表面（シリコン窒化膜の表面）を平坦化しなかったが、平坦化してもよい。
【０１２６】
・吸気通路内へのフローメータＦＭの配置態様については、先の図３に例示したものに限らない。例えば、フローセンサＦＳの裏側も吸気通路内に露出させてもよい。この場合、この裏側への流体の流通状態によっては、第２の実施形態のように薄膜部ＭＢのうちの空洞部Ｈ側の面がシリコン酸化膜とならないようにすることが望ましい。もっとも、薄膜部ＭＢの面のうち空洞部Ｈ側の面は、空洞部Ｈのために直接的には流体の流通経路とはならないため、この面の最表面の膜に対する硬度等の要求は、薄膜部の表側の最表面の膜よりも厳しくないことが多い。
【０１２７】
・発熱体と、該発熱体の近傍（発熱体自身又は発熱体の付近）の温度を感知する感温体とを上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂのように同一とする代わりに、これらを別部材にて構成してもよい。
【０１２８】
・当該フローメータＦＭの環境温度を感知する上流側温度計Ｒｋａや下流側温度計ＲｋｂをフローセンサＦＳに備える構成とする代わりに、信号生成回路ＳＧに備える構成としてもよい。この場合であれ、上流側ヒータＲｈａと上流側温度計Ｒｋａとの抵抗温度係数や、下流側ヒータＲｈｂと下流側温度計Ｒｋｂとの抵抗温度係数は、互いに一致させるようにする。
【０１２９】
・上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂを備えなくても、単一のヒータ（発熱体、及び該発熱体の近傍の温度を感知する感温体）を備える構成であっても、発熱体に供給される電力量等に基づいて流体の流量を感知することはできる。更に、例えば上記特許文献３に記載のように、発熱体自身を第２の感温体としてこれによって自身の温度を感知しつつ発熱体を所定に制御するとともに、この付近の温度を上記感温体によって感知し、これに基づいて発熱体の生じる熱量のうち流体によって奪われた熱量を感知する構成としてもよい。
【０１３０】
・薄膜部ＭＢの構造としては、図２や図３等に例示されているものに限らない。例えば薄膜部ＭＢを矩形状に形成しつつその２辺のみが半導体基板上の薄膜と接続されるようにしてもよい。また、薄膜部ＭＢの形状は、矩形にも限らない。また、薄膜部ＭＢを矩形としつつも、半導体基板の裏面の開口部の形状が矩形でないようなものでもよい。これは、先の図９（ｃ）に示した工程において、上述したＢの条件の代わりに、半導体基板１０の裏面を｛１１０｝面とする条件を適用することで形成される。
【０１３１】
更に、薄膜部ＭＢの両側に等しく流体が流通するような構造としてもよい。この場合、流体の流通経路側に形成されている表面の保護膜は、２つあることになるが、上記第２の実施形態及びその変形例のような構成においては、その一方を表面の保護膜とし、他方を裏面の保護膜と定義する。なお、この場合、上記第１の実施形態や第２の実施形態及びそれらの変形例に例示されるように、これら２つの面に対称的にシリコン窒化膜を形成することが有効である。
【０１３２】
・その他、フローセンサＦＳの構成としては、発熱体と、該発熱体の近傍の温度を感知する感温体と、これら発熱体及び感温体を覆う保護膜とを備える薄膜部を備えるとともに、該薄膜部を構成する最表面の保護膜に上述したシリコン窒化膜を備える範囲で適宜変更してよい。すなわち例えば、保護膜としてシリコン窒化膜と、シリコン酸化膜以外の絶縁膜とを併用してもよい。また、例えば、発熱体や感温体はシリコン材料にて形成するものに限らない。更に例えば、感温体は、抵抗値の変化を利用して温度を感知するものに限らない。
【０１３３】
・更に、フローセンサＦＳの製造方法としても、少なくとも流体の流通経路側の保護膜として、組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きいシリコン窒化膜を熱化学気相成長法によって形成する範囲において、適宜変更してよい。例えば、先の図８（ｂ）に示した工程において、上流側ヒータＲｈａや下流側ヒータＲｈｂ等のパターニングした後、不純物の注入を行うなどしてもよい。
【０１３４】
・フローセンサＦＳとしては、車載用内燃機関の吸入空気量を感知するものに限らず、適宜の流体の流量を感知するものであればよい。そして、フローセンサの使用環境によっては、薄膜部の膜厚を「２．０μｍ」以下とすることもあり得る。また、その要求される流量検出精度等によっては、「５．０μｍ」以上とすることもあり得る。更に、薄膜部を構成する保護膜の最表面のシリコン窒化膜の膜厚が、「０．６μｍ」以下であることもあり得る。しかし、こうした場合であれ、例えば「０．３μｍ」以上の膜厚のシリコン窒化膜を所望する場合等には、熱化学気相成長法によって形成され、且つその組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きなシリコン窒化膜を用いることは有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態にかかるフローメータの回路図。
【図２】同実施形態にかかるフローセンサの構成を示す平面図。
【図３】同実施形態にかかるフローメータの配置態様を示す図。
【図４】同実施形態にかかるフローセンサの断面構成を示す断面図。
【図５】同実施形態にかかるフローセンサの耐久性を示す図。
【図６】同実施形態にかかるフローセンサの抵抗値の耐久特性を示す図。
【図７】同実施形態にかかるシリコン窒化膜の成膜条件及び同シリコン窒化膜の特性を示す図。
【図８】同実施形態にかかるフローセンサの製造工程を示す断面図。
【図９】同実施形態にかかるフローセンサの製造工程を示す断面図。
【図１０】同実施形態にかかるシリコン窒化膜の特性を示す図。
【図１１】第２の実施形態にかかるフローセンサの断面構成を示す断面図。
【図１２】同実施形態のフローセンサの薄膜部の膜厚条件を示す図。
【図１３】同実施形態にかかるフローセンサの製造工程を示す断面図。
【図１４】第３の実施形態にかかるフローセンサの断面構成を示す断面図。
【図１５】同実施形態のフローセンサの薄膜部の膜厚条件を示す図。
【図１６】同実施形態にかかるフローセンサの製造工程を示す断面図。
【図１７】第４の実施形態にかかるフローセンサの構成を示す平面図。
【図１８】同実施形態にかかるフローセンサの断面構成を示す断面図。
【図１９】フローセンサの薄膜部の膜厚とフローメータの流量検出精度との関係を示す図。
【図２０】フローセンサの破損のメカニズムを模式的に示す図。
【図２１】従来のフローセンサの断面構成を示す断面図。
【符号の説明】
１０…半導体基板、２０…シリコン窒化膜、４０…シリコン窒化膜、４１…コンタクトホール、５０…シリコン窒化膜、１１０…半導体基板、１２０…シリコン窒化膜、１３０…シリコン酸化膜、１３５…シリコン酸化膜、１４０…シリコン窒化膜、１４１…コンタクトホール、２１０…半導体基板、２３０…シリコン酸化膜、２３５…シリコン酸化膜、２４０…シリコン窒化膜、２４１…コンタクトホール、２５０…単結晶シリコン膜、３１０…半導体基板、３３０…シリコン酸化膜、３３５…シリコン酸化膜、３４０…シリコン窒化膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention has a thin film portion that includes a heating element, a temperature sensing element that senses the temperature in the vicinity of the heating element, and a protective film that covers the heating element and the temperature sensing element. The present invention relates to a flow sensor used for manufacturing and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In general, in a flow meter configured with this type of flow sensor, when heat generation control is performed on a heating element arranged in a fluid circulation path, heat generated by the heating element is taken away by the fluid circulating in the vicinity of the heating element. By utilizing this, the flow rate of the fluid is detected. That is, of the heat generated by the heating element, the amount of heat taken away by the fluid increases as the flow rate of the fluid increases. Therefore, the flow rate of the fluid near the heating element is detected based on the amount of heat taken away by the fluid. Yes.
[0003]
Specifically, for example, the amount of power supplied to the heating element is controlled so that the temperature in the vicinity of the heating element sensed through the temperature sensing element is maintained at a predetermined temperature, and the heat of the heating element The flow rate of the fluid is detected based on the amount of power supplied to the heating element as an index of the amount of heat taken away by the fluid. Alternatively, for example, by controlling the heating element to a predetermined temperature and sensing the temperature in the vicinity of the heating element as an index of the amount of heat taken away by the fluid out of the heat of the heating element through the temperature sensing element. Detect fluid flow.
[0004]
On the other hand, in the flow sensor, the portion where the heating element and the temperature sensing element are provided is a thin film portion, so that the heat capacity of the portion is kept low and the thin film portion is thermally insulated in the flow sensor to High response to flow rate is ensured.
[0005]
However, in the case where the portion where the heating element and the temperature sensing element are provided in this way is formed into a thin film, it is difficult to make the strength sufficiently withstand in the usage environment of the flow sensor. For example, when this flow sensor is provided in the intake passage of the internal combustion engine so as to sense the intake air amount of the internal combustion engine, the thin film portion of the flow sensor has a strength that can withstand pressure due to intake pulsation, backfire, etc. Is required. In addition, although an air filter for filtering dust is usually provided in the intake passage of the internal combustion engine, particles such as sand may pass through the air filter. The particles have a size of about “several hundred μm” and fly at “several tens m / s” in the intake passage, so that the thin film portion is required to have sufficient strength to withstand the collision of the particles.
[0006]
By the way, the strength of this thin film part can be increased by increasing the film thickness of the thin film part, but if the same film thickness is increased, the thermal insulation between the thin film part of the flow sensor and the other parts becomes insufficient. In addition, the heat capacity increases. And the increase in power consumption resulting from these, the fall of a sensitivity, the fall of responsiveness, etc. are caused. In particular, as shown in FIG. 19, when the film thickness of the thin film portion is set to “5 μm” or more, the deterioration of the flow rate detection accuracy of the flow meter remarkably occurs due to the deterioration of the responsiveness to pulsation.
[0007]
Conversely, if the film thickness of the thin film portion is excessively reduced in order to ensure responsiveness or the like, the thin film portion may be damaged by the collision of the particles. Here, this damage mechanism will be further described with reference to FIG.
[0008]
FIG. 20A shows a mode of generating scratches on the surface of the flow sensor 400 due to particle collision. As shown in FIG. 20 (a), the peripheral portion of the thin film portion 410 (specifically, the inside “several tens of μm from the edge of the thin film portion 410) and the region outside the thin film portion 410 are caused by the collision of the particles. The surface is easily scratched. On the other hand, as shown in the graph showing the density of collision marks in FIG. 20B, scars (collision marks) are hardly attached to the central portion of the thin film portion 410. This is because the collision energy is absorbed by the deformation of the thin film portion 410 upon collision with the particle P as shown in FIG.
[0009]
In any case, as shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b), when the end surface of the thin film portion 410 is scratched, its strength is lowered. Under such circumstances, when the fluid pressure is excessively applied to the thin film portion, or when the particles P collide with the thin film portion 410 as shown in FIG. 20C, the strength decreases with the deformation of the thin film portion 410. Stress concentrates on the above-mentioned end portion, and eventually damage occurs.
[0010]
As can be seen from the mechanism leading to such breakage, the decrease in strength of the thin film portion is largely caused by scratches on the end surface. For this reason, it is important to ensure the hardness of the outermost surface of the thin film portion. Incidentally, the particles that pass through the air cleaner in the intake passage of the internal combustion engine are mostly sand (silicon oxide film). For this reason, as a flow sensor used for detecting the intake air amount of an internal combustion engine, it is desirable to use a film harder than a silicon oxide film as the outermost film.
[0011]
Here, as a film harder than the silicon oxide film, a silicon nitride film (SiThreeNFour) Is considered. The silicon nitride film is suitable for the flow sensor in terms of bulk values for various characteristics such as hardness.
[0012]
Then, according to the low pressure CVD (LP-CVD) method using a thermal reaction, a silicon nitride film having characteristics substantially equal to the bulk value can be formed. The fracture stress, Young's modulus, and hardness of the silicon nitride film using the low-pressure CVD method are “520 GPa”, “14 GPa”, and “1720 Vh”, respectively. By using the low pressure CVD method in this way, it is possible to form the silicon nitride film as an ideal film having a physical property value of a bulk value. However, when the silicon nitride film is formed by using this low pressure CVD method, the stress during the film formation becomes as high as “1200 Pa”, so the film thickness of the silicon nitride film is set to “0.3 μm” or more. There is a problem that self-destruction occurs when trying to form.
[0013]
Therefore, conventionally, as shown in FIG. 21, silicon nitride films 540 and 510 formed by a low-pressure CVD method are respectively provided on the outermost surface and the lowermost surface of the thin film portion, and between these silicon nitride films 540 and 510. For example, a thin film structure including silicon oxide films 520 and 530 has been proposed (Patent Document 1). As described above, the silicon oxide film and the silicon nitride film are stacked to secure the film thickness of the thin film portion, and the silicon nitride film is used on the surface, thereby increasing the strength as the thin film portion while ensuring the stress balance. Will be able to.
[0014]
In addition, as a prior art of such a flow sensor, there exist the following patent document 2 and patent document 3 other than the said patent document 1. FIG.
[0015]
[Patent Document 1]
JP 11-271123 A
[Patent Document 2]
JP 2001-194201 A
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-12985
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, even if it is a structure of the said patent document 1, since the film thickness of the silicon nitride film formed in the surface is restrict | limited, it is still suppressing sufficiently the damage | wound and film loss resulting from particle collision etc. Have difficulty. That is, when a silicon nitride film is formed with a limited thickness, scratches that occur in the silicon nitride film due to collision with particles may penetrate the silicon nitride film. Further, in Patent Document 1, in order to relieve a large tensile stress during the formation of the silicon nitride film, the silicon oxide film is thickened to adjust the stress as the entire thin film portion. Increasing the thickness causes a decrease in Young's modulus of the thin film portion. This decrease in Young's modulus leads to the ease of deformation of the thin film portion, and as a result, the resistance of the thin film portion also decreases.
[0017]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a flow sensor capable of appropriately ensuring not only the characteristics of the silicon nitride film but also the film thickness, and a method for manufacturing the same. .
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve such an object, in the flow sensor according to claim 1, a protective film on the surface formed on at least the fluid flow path side of the protective film covering the heating element is provided.NH Three SiH against gas 2 Cl 2 The gas flow ratio is in the range of “4/1 to 8/1” when the film formation temperature is “750 ° C.”, and in the range of “1/1 to 4/1” when the film formation temperature is “850 ° C.”. When the film forming temperature is higher than “750 ° C.” and lower than “850 ° C.”, the film is interpolated in a manner of “2/1 to 6/1” when the film forming temperature is “800 ° C.”. Under the flow rate ratioThe film stress is generated in a silicon nitride film formed by thermal chemical vapor deposition and having a silicon composition ratio greater than the stoichiometric composition ratio.Greater than "0 MPa" and less than "800 MPa"It was decided to form so as to have a tensile stress of. Thus, when a silicon nitride film having a silicon ratio larger than the stoichiometric composition ratio is used, the stress during the film formation can be reduced even when the thermal chemical vapor deposition method is used. Therefore, it is possible to realize a flow sensor including a silicon nitride film that can appropriately secure not only the characteristics of the silicon nitride film but also its film thickness.
[0019]
In the flow sensor according to claim 2, the refractive index of the protective film on the surface is set to “2.1 to 2.3”. Thereby, the stress at the time of film formation can be set to a stress that can be formed with a film thickness of “0.6 μm” or more.
[0020]
In the flow sensor according to claim 3, the thickness of the protective film on the surface is positively set to “0.6 μm” or more. Thereby, the fluctuation | variation of resistance value characteristics, such as a heat generating body and a temperature sensing body protected by this protective film, can be suppressed suitably, and the flow sensor with which durability was ensured is realizable.
[0021]
In the flow sensor according to claim 4, the thickness of the thin film portion is set to “2 μm” or more. Thereby, damage to the thin film portion can be preferably avoided.
[0022]
In the flow sensor according to claim 5, the thickness of the thin film portion is set to “5 μm” or less. Thereby, the flow measurement accuracy using a flow sensor can be suitably secured.
[0023]
  The flow sensor according to claim 6, further formed on the back side of the fluid flow path by a thermal chemical vapor deposition method, and the composition ratio is larger than the stoichiometric composition ratio. The film stress on the silicon nitride film (the protective film on the back)Greater than "0 MPa" and less than "800 MPa"It was formed to have a tensile stress of
[0024]
Thereby, it is possible to avoid ion diffusion or the like on the back surface side of the thin film portion. Further, in the flow sensor according to claim 7, when the total film thickness of the protective film on the front surface and the back surface is α,
(Α / α + β) −2.7exp {−0.5 (α + β)}> 0
A silicon oxide film having a thickness of β (> 0) satisfying the above condition is formed.
[0025]
Thereby, damage to the thin film portion can be preferably avoided.
In the flow sensor according to claim 8, the protective film is expressed by the following formula, where α is the thickness of the protective film on the surface.
(Α / α + β) −4exp {−0.7 (α + β)}> 0
A silicon oxide film having a thickness of β (> 0) satisfying the above condition is further provided.
[0026]
Thereby, damage to the thin film portion can be preferably avoided.
The flow sensor according to claim 9 is provided with a semiconductor substrate having a hollow portion, and the thin film portion is formed as a portion that bridges the hollow portion of the semiconductor substrate. An end portion reinforcing film covering an end portion parallel to the longitudinal direction of the temperature sensing element was formed in the same layer as the temperature sensing element. Thereby, the film thickness of the edge part parallel to the longitudinal direction of a temperature sensing body among the edge parts of a thin film part can be increased now. For this reason, the intensity | strength concerning bridge | crosslinking of a semiconductor substrate and a thin film part can be increased.
[0027]
In the flow sensor according to the tenth aspect, the edge reinforcing film is made of the same material as the temperature sensing element. From this, these edge part reinforcement | strengthening films | membranes and a thermosensitive body can be manufactured in the same process. Therefore, it is possible to avoid an increase in the number of manufacturing steps while increasing the strength required for crosslinking between the semiconductor substrate and the thin film portion.
[0028]
In the flow sensor according to claim 11, the material constituting the heating element and the temperature sensing element is polycrystalline silicon. Thereby, a heat generating body can be easily manufactured in a semiconductor process.
[0029]
In the flow sensor according to claim 12, the material constituting the heating element and the temperature sensing element is single crystal silicon. Since this single crystal silicon does not have crystal grain boundaries like polycrystalline silicon, even if the protective film is not flattened, the surface unevenness can be suppressed. It is possible to suppress a decrease in strength due to.
[0030]
  On the other hand, in the method for manufacturing a flow sensor according to claim 13, the silicon nitride film having a composition ratio larger than the stoichiometric composition ratio as a protective film on at least the fluid flow path side of the protective film.ButBy thermal chemical vapor depositionIt is formed.For this reason, the stress at the time of forming the silicon nitride film can be reduced, and the silicon nitride film can be formed thick. For this reason, it becomes possible to manufacture a flow sensor that can appropriately ensure not only the characteristics of the silicon nitride film but also the film thickness.
[0031]
  Claims13In the described flow sensor manufacturing method, a silicon nitride film is formed.Thermal chemical vapor depositionThe condition is NHThreeSiH against gas2Cl2The gas flow ratio is in the range of “4/1 to 8/1” when the film formation temperature is “750 ° C.”, and in the range of “1/1 to 4/1” when the film formation temperature is “850 ° C.”. When the film forming temperature is higher than “750 ° C.” and lower than “850 ° C.”, the film is interpolated in a manner of “2/1 to 6/1” when the film forming temperature is “800 ° C.”. The flow rate ratioFurthermore, the stress during the formation of the silicon nitride film is set to a tensile stress greater than “0 MPa” and less than “800 MPa”..
[0032]
Thereby, the stress at the time of film formation can be set to a stress value at which a silicon nitride film having an appropriate film thickness can be formed as a flow sensor, and consequently, film cracking and buckling can be avoided. Can do.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which a flow sensor according to the present invention is applied to a flow meter for detecting an intake air amount of an in-vehicle internal combustion engine will be described with reference to the drawings.
[0034]
FIG. 1 shows a circuit configuration of the flow meter FM. As shown in FIG. 1, the flow meter FM includes a thermal type flow sensor FS and a signal generation circuit SG that generates an electric signal based on a sensing result of the flow sensor FS.
[0035]
Here, the flow sensor FS includes an upstream heater Rha and a downstream heater Rhb, and an upstream thermometer Rka and a downstream thermometer Rkb that sense the environmental temperature of the flow meter FM.
[0036]
In the present embodiment, the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb function not only as a heating element but also as a temperature sensing element that senses its own temperature. That is, the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb sense their own temperature based on a change in the resistance value of the resistor in addition to the function as a resistor that generates heat by supplying current. . The flow sensor FS senses the flow rate of the fluid based on the heat taken away by the fluid from the heat generated by the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb. The flow sensor FS senses the flow direction of the fluid based on the difference in the amount of heat taken away by the fluid from the heat generated by the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb.
[0037]
On the other hand, the signal generation circuit SG generates a detection signal corresponding to the sensing result of the fluid flow rate and fluid flow direction by the flow sensor FS. Specifically, the flow is performed so that the temperature difference between the upstream heater Rha and the upstream thermometer Rka and the temperature difference between the downstream heater Rhb and the downstream thermometer Rkb are set to predetermined values (for example, “200 ° C.”). The current supplied to the sensor FS is controlled. Based on the amount of current supplied to the flow sensor FS, a detection signal corresponding to the fluid flow rate and the fluid flow direction is generated.
[0038]
Here, a specific circuit configuration of the flow meter FM including the flow sensor FS and the signal generation circuit SG will be further described.
The flow meter FM includes an upstream Wheatstone bridge UHB corresponding to the upstream side of the intake passage and a downstream Wheatstone bridge DHB corresponding to the downstream side of the intake passage.
[0039]
Here, the upstream-side Wheatstone bridge UHB includes an upstream side heater Rha and a resistance R1a in such a manner that current flows from the upstream side heater Rha to the resistor R1a and from the upstream side thermometer Rka to the resistor R2a. The upstream thermometer Rka and the resistor R2a are connected in parallel. Then, a current is supplied from the battery B to the connection point Pa between the upstream heater Rha and the upstream thermometer Rka via the transistor UT. The voltage drop at the upstream heater Rha and the voltage drop at the upstream thermometer Rka are taken into the differential amplifier circuit UOP. The differential amplifier circuit UOP controls the transistor UT in accordance with the difference between the two voltage drops in order to make these two voltage drops equal, in other words, to establish a bridge equilibrium condition.
[0040]
Here, the upstream Wheatstone bridge UHB is set so that the temperature of the upstream heater Rha is higher than the temperature of the upstream thermometer Rka by the predetermined value when the equilibrium condition is established. It should be noted that, regardless of the environmental temperature, the upstream heater Rha and the upstream heater Rha are connected to the upstream heater Rha so that the equilibrium condition is satisfied when the temperature of the upstream heater Rha is higher than the temperature of the upstream thermometer Rka by the predetermined value. The resistance temperature coefficients of the side thermometer Rka are set to be equal to each other.
[0041]
On the other hand, the downstream Wheatstone bridge DHB is connected to the downstream heater Rhb and the resistor R1b in such a manner that current flows from the downstream heater Rhb to the resistor R1b and from the downstream thermometer Rkb to the resistor R2b. A side thermometer Rkb and a resistor R2b are connected in parallel. The downstream Whiston bridge DHB is also provided with a transistor DT and a differential amplifier circuit DOP in order to establish the equilibrium condition, like the upstream Wheatstone bridge UHB. Note that the configuration of the downstream Wheatstone bridge DHB is the same as that of the upstream Wheatstone bridge UHB, and the description thereof is omitted.
[0042]
The voltage drop at the upstream heater Rha of the upstream Wheatstone bridge UHB and the voltage drop at the downstream heater Rhb of the downstream Wheatstone bridge DHB are taken into the differential amplifier circuit COP. A signal corresponding to the difference between these two voltage drops is generated by the differential amplifier circuit COP, amplified by the amplifier circuit AC, and then output to the outside through the terminal P7 of the signal generation circuit SG. The detection signal output via this terminal P7 is a detection signal for the flow rate and flow direction of the fluid.
[0043]
FIG. 2 shows the configuration of the flow sensor FS. The flow sensor FS includes a semiconductor substrate 10. An upstream heater Rha, a downstream heater Rhb, an upstream thermometer Rka, and a downstream thermometer Rkb are formed on the silicon nitride film 20 stacked on the semiconductor substrate 10. The upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, the upstream thermometer Rka, and the downstream thermometer Rkb are connected to the signal generation circuit SG shown in FIG. 1 via the lead portions L1 to L6. Are connected to the pads P1 to P6.
[0044]
Incidentally, the semiconductor substrate 10 has a cavity H. More specifically, the semiconductor substrate 10 has a rectangular region indicated by a one-dot chain line in FIG. 2 on the back side thereof, and the opening area is reduced toward the upper surface side of the semiconductor substrate 10. On the upper surface of the substrate 10, a rectangular region as indicated by a broken line in FIG. 2 is formed.
[0045]
Since the hollow portion H is thus provided, the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb are provided in the thin film portion MB formed so as to bridge the hollow portion H of the semiconductor substrate 10 in the flow sensor FS. Will be. The thin film portion MB is formed with a smaller film thickness than other portions of the flow sensor FS, so that the heat capacity is kept low, and thermal insulation from other portions of the flow sensor FS is prevented. It is illustrated.
[0046]
Next, the state when the flow meter FM is arranged in the intake passage of the onboard internal combustion engine will be described.
As shown in FIG. 3A, a part of the fluid flowing through the intake passage IMF is taken into the intake passage IMF, and a flow path member FP for attaching the taken fluid to the predetermined passage is attached. Yes. The flow sensor FS is attached to the flow path member FP. On the other hand, a signal generation circuit SG is disposed outside the intake passage IMF. The flow sensor FS and the signal generation circuit SG are connected by wiring (not shown) accommodated in the flow path member FP.
[0047]
As shown in FIG. 3A, the thin film portion MB of the flow sensor FS is such that the upstream heater Rha and the upstream thermometer Rka are closer to the air cleaner than the downstream heater Rhb and the downstream thermometer Rkb. It is arranged to be. Further, the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb are arranged such that the longitudinal direction thereof is a direction orthogonal to the flow direction.
[0048]
FIG. 3B shows the state in which the flow sensor FS is attached to the flow path member FP in an enlarged manner. As shown in FIG. 3B, the flow sensor FS is protected at its side and back by the accommodating portion sp of the flow path member FP while its surface is exposed. Further, also on the surface of the flow sensor FS, portions in the vicinity of the pads P1 to P6 shown in FIG. 2 are covered with the flow path member FP. Incidentally, the shape of the accommodating portion sp is as shown in FIG. Note that a predetermined clearance (for example, “10 to 20 μm”) is provided between the side surface and the back surface of the flow sensor FS and the housing portion sp that surrounds the flow sensor FS.
[0049]
Next, the thin film portion MB in the flow sensor FS will be further described.
FIG. 4 shows a cross-sectional configuration in the vicinity of the thin film portion MB in the flow sensor FS. FIG. 4 shows an AA cross section of FIG. As shown in FIG. 4, the silicon nitride film 20 is formed on a semiconductor substrate 10 made of, for example, silicon. On the silicon nitride film 20, an upstream heater Rha, a downstream heater Rhb, lead portions L2 and L5, an upstream thermometer Rka, and a downstream thermometer Rkb are each formed of polycrystalline silicon. The silicon nitride film 40 is laminated so as to cover the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, the lead portions L2 and L5, the upstream thermometer Rka, and the downstream thermometer Rkb. Incidentally, the silicon nitride films 20 and 40 are laminated in almost all regions above the semiconductor substrate 10 including the cavity H.
[0050]
Here, in the present embodiment, the silicon nitride films 20 and 40 are formed by a low pressure CVD method using thermal reaction (hereinafter referred to as a thermal CVD method), and the composition ratio is higher than the stoichiometric composition ratio. A film with a large ratio is used. Thus, by using a silicon nitride film having a silicon ratio larger than the stoichiometric composition ratio, even when the thermal CVD method is used, the stress during the film formation can be reduced. Therefore, the thickness of the silicon nitride films 20 and 40 can be appropriately ensured as compared with the case where the silicon nitride films 20 and 40 are formed with a stoichiometric composition ratio.
[0051]
In FIG. 5, the relationship between the film thickness of the thin film part MB concerning this embodiment and the flow velocity which is not damaged is shown. The maximum value of the flow velocity in the intake passage of an actual vehicle-mounted internal combustion engine is about “50 m / s”. Therefore, it is desirable to set the thin film portion MB to a thickness that does not break even at a flow rate of “50 m / s”. Here, in the configuration shown in FIG. 4, by setting the film thickness Ta to “2 μm” or more, it is possible to ensure the durability that does not break even at a flow rate of “50 m / s” as shown in FIG. it can. Incidentally, as shown in FIG. 5, the thin film portion shown in FIG. 21 has a film thickness (FIG. 21, Ta) to ensure durability that does not break even at a flow rate of “50 m / s”. Needs to be set to “6 μm” or more.
[0052]
Next, the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, the upstream thermometer Rka, and the downstream shown in FIG. 4 due to scratches (collision scratches) caused by particles colliding with the flow sensor FS according to the present embodiment. Consider the characteristic change caused by the resistance value deviation of the side thermometer Rkb (hereinafter collectively referred to as “resistor”).
[0053]
Generally, the resistance value deviation of the flow sensor FS is considered to be caused by the following two phenomena.
(A) A phenomenon in which a film on the surface of the flow sensor FS is cut by a scratch caused by the collision between the flow sensor FS and particles, and the resistor is scratched.
(A) For example, when the silicon oxide film covering the resistor is exposed by scratching the surface silicon nitride film in the structure shown in FIG. A phenomenon that adheres to the surface of a resistor through ion diffusion in an oxide film.
[0054]
In particular, the region above the portion where the resistor is formed on the surface of the flow sensor FS is usually not flattened after the thin film is laminated, as schematically shown in FIG. Since it has a convex shape, it is easy to get scratches.
[0055]
FIG. 6 shows a relationship between the film thickness Tb of the silicon nitride film 40 according to the present embodiment shown in FIG. 4 and the deviation of the resistance value of the resistor due to the use of the flow sensor FS. FIG. 6 shows the deviation of the resistance value of the resistor when the thin film portion MB is arranged for a predetermined time in the flow path of the fluid containing the particles.
[0056]
As shown in FIG. 6, when the film thickness Tb of the silicon nitride film 40 shown in FIG. 4 is set to “0.6 μm” or more, the change in resistance value can be made almost “0”. That is, the film thickness of “0.6 μm” is a film thickness that prevents the scratches from penetrating when particles collide with the silicon nitride film 40. Since the silicon nitride film does not penetrate sodium or potassium through the resistor through ion diffusion or the like unlike the silicon oxide film, the silicon nitride film has a thickness that does not penetrate the silicon nitride film. It is also possible to eliminate the phenomenon.
[0057]
Further, in the configuration shown in FIG. 21, the case where the film thickness of the silicon nitride film 540 is set to “0.12 μm” and the film thickness of the silicon oxide film 530 is variable is indicated by a one-dot chain line in FIG. Show. Here, when the total film thickness Tb of the silicon nitride film 540 and the silicon oxide film 530 is set to “1.0 μm” or more, the resistor is not damaged, but the resistance value due to the phenomenon (a) above. The fluctuations are still not negligible.
[0058]
Based on the above consideration and the relationship between the flow rate detection accuracy and the film thickness shown in FIG. 19, the silicon nitride film 40 has a film thickness of “0.6 μm” or more and a thin film. The film thickness of the part MB is set to “2.0 to 5.0 μm”.
[0059]
Next, conditions for forming the silicon nitride films 20 and 40 will be considered.
In this embodiment, when the silicon nitride film is formed by using the thermal CVD method, the film forming temperature is set to a higher temperature than the normal (when the film is formed with a stoichiometric composition), or the material NH gasThreeSiH against2Cl2Or increase the ratio. And thereby, the critical value of the film thickness which prevents a film crack or produces a film crack is increased.
[0060]
FIG. 7A shows film forming conditions for forming the above-described film thickness of “0.6 μm”, which is a film thickness that can suitably protect the resistor. In FIG. 7A, “cracking” means that a film is cracked, and “buckling” means that the film to be formed is buckled by compressive stress.
[0061]
From FIG. 7A, the film formation conditions are NH.ThreeSiH against gas2Cl2It can be seen that it is desirable to set the gas flow ratio as follows.
a. It is set to “4-8” for the film forming temperature “750 ° C.”.
b. It is set to “1-4” for the film forming temperature “850 ° C.”.
c. For “750 ° C.” <Film formation temperature <“less than 850 ° C.”, a value interpolated in a manner of “2 to 6” when the film formation temperature is “800 ° C.” is used.
[0062]
The film formation conditions are conditions under which a silicon nitride film of “0.6 μm” or more can be formed, and it is desirable to change as appropriate according to the film thickness. That is, for example, when a silicon nitride film is formed with a film thickness of “2.0 μm”, the flow rate ratio relative to the film formation temperature is desirably set in a narrower range than that described above.
[0063]
On the other hand, FIG. 7B shows the composition ratio of the silicon nitride film formed under the film forming conditions shown in FIG. 7A as the refractive index of the silicon nitride film. Here, the refractive index of the silicon nitride film having the stoichiometric composition is approximately “2.0”, and the larger the refractive index, the larger the ratio of silicon.
[0064]
Further, FIG. 7C shows the relationship between the refractive index and the stress during film formation. Here, the stress at the time of film formation is based on the sum of the stress of the silicon nitride film to be formed itself and the thermal stress resulting from the difference in the thermal expansion coefficient between the silicon nitride film to be formed and the base film. Is.
[0065]
As shown in FIG. 7, as the refractive index is larger than the stoichiometric composition (stoichiometry), the stress during film formation becomes smaller. Here, in order to form the silicon nitride film with the above-described film thickness of “0.6 μm” that can suitably protect the resistor, the stress during film formation is “800 MPa” or less. Is desirable. The silicon nitride film formed with the stress during film formation of “800 MPa” or less has a refractive index of “2.1” or more. However, when the stress at the time of film formation is “0” or less, in other words, when it becomes a compressive stress, the buckling shown in FIGS. 7A and 7B occurs. In order to set the stress during film formation to approximately “0” or more, the refractive index of the formed silicon nitride film is set to “2.3” or less.
[0066]
From the above, the silicon nitride film 40 is desirably a film having a refractive index of “2.1 to 2.3”.
Here, an example of the manufacturing procedure of the thin film part MB satisfying the film thickness condition and the film forming condition according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. The cross section shown in FIGS. 8 and 9 is the BB cross section shown in FIG.
[0067]
In this series of steps, first, as shown in FIG. 8A, a silicon nitride film 20 is formed on a semiconductor substrate 10 made of silicon having, for example, N-type conductivity by a thermal CVD method, for example, with a film thickness “2”. ... 0 μm ”. The film forming conditions at this time are exemplified below.
[0068]
Gas flow ratio SiH2Cl2: NHThree= 4: 1
Ambient temperature 850 ° C
Pressure 20Pa
Next, in order to form the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, and the lead portion L5 shown in FIG. 8B, amorphous silicon is formed to a thickness of, for example, “1.0 μm” by the low pressure CVD method. . The film formation temperature at this time may be, for example, “550 ° C.”.
[0069]
Next, a predetermined amount (for example, “1 × 10 5) of boron is formed on the deposited amorphous silicon.20cmThreeAnd the like.) By injecting and heat-treating, amorphous silicon is crystallized into polycrystalline silicon. As the heat treatment conditions at this time, for example, annealing is performed at “600 ° C.” for 10 hours, and then annealing is further performed at “1150 ° C.” for 2 hours. Furthermore, the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, and the lead portion L5 are formed by patterning the polycrystalline silicon by reactive ion etching (RIE). Although not shown here, in the step shown in FIG. 8B, the upstream thermometer Rka, the downstream thermometer Rkb, and the lead portions L1 to L4 and L6 shown in FIG. 2 are formed at the same time. .
[0070]
As described above, the upstream heater Rha and the upstream thermometer Rka, and the downstream heater Rhb and the downstream thermometer Rkb are formed in the same process, so that the upstream heater Rha and the upstream thermometer Rka are formed. And the resistance temperature coefficient of the downstream heater Rhb and the downstream thermometer Rkb can be easily matched.
[0071]
Next, as shown in FIG. 8C, as a protective film for protecting the upper surface of the semiconductor substrate 10 (silicon nitride film 20) on which the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, the lead portion L5 and the like are formed. The silicon nitride film 40 is deposited. The film thickness and film formation conditions of the silicon nitride film 40 are the same as those of the silicon nitride film 20 in the example shown in FIG.
[0072]
Next, as shown in FIG. 8D, the contact hole 41 is formed by etching the silicon nitride film 40 by reactive ion etching. Further, as shown in FIG. 9A, a metal (for example, aluminum) is formed in a predetermined film thickness (for example, “1.0 μm”) and then patterned to form the contact hole 41 in FIG. The pad P5 shown is formed. In the steps shown in FIGS. 8D to 9A, pads P1 to P4 and P6 (not shown) are formed in the same manner.
[0073]
Subsequently, as shown in FIG. 9B, a silicon nitride film 50 is formed on the back surface side of the semiconductor substrate 10 with a predetermined film thickness (for example, “1 μm”) by plasma CVD. Next, as shown in FIG. 9B, the silicon nitride film 50 is etched by reactive ion etching to form an opening corresponding to the region shown by the one-dot chain line in FIG.
[0074]
Further, as shown in FIG. 9C, the cavity H is formed in the semiconductor substrate 10 by etching the semiconductor substrate 10 using the silicon nitride film 50 as a mask. As a result, the thin film portion MB is formed so as to bridge the cavity H.
[0075]
The etching shown in FIG. 9C is desirably performed as follows.
A. Wet etching is performed using an alkaline etchant such as KOH or TMAH as an etchant.
B. The semiconductor substrate 10 is a single crystal silicon substrate, and the back surface of the semiconductor substrate 10 is {100}, which is six equivalent planes of the basic lattice of the single crystal silicon.
C. The opening of the silicon nitride film 50 is formed in a rectangular shape, and each side thereof is made coincident with the crystal orientation <110>.
[0076]
Thereby, the semiconductor substrate 10 can be etched along the {111} plane with the etching solution. Therefore, the thin film portion MB can be formed in a rectangular shape. Furthermore, at this time, it is easy to set the two sides of the thin film portion MB so as to be orthogonal to the flow direction.
[0077]
However, the formation of the thin film portion MB is not necessarily limited to wet etching, and may be performed by dry etching. When dry etching is used in this way, the plane orientation of the semiconductor substrate 10 is not defined as a request from at least the dry etching.
[0078]
Here, the suitability of the silicon nitride film according to the present embodiment as a film constituting the flow sensor FS will be further examined.
FIG. 10 shows materials of various hardness (aluminum (Al), titanium (Ti), silicon oxide film (SiO 2) made by the applicants.2), Silicon nitride film (SiN), titanium nitride (TiN), aluminum oxide (Al2OThree), The result of a test for evaluating silicon carbide (SiC). In FIG. 10, a film to be evaluated is deposited by vapor deposition or a chemical vapor diffusion method (CVD method) on a film having a film thickness of “3 μm” in which silicon nitride films and silicon oxide films are alternately laminated several times. The film was deposited with a film thickness of “0.5 μm”, and a particle velocity of “several 100 μm” was collided with the film to evaluate the flow velocity at which the film was not damaged. Incidentally, the hardness of the material is quantified by Vickers hardness. As shown in FIG. 10, it can be seen that the resistance against particles is greatly improved by attaching a film harder than the silicon oxide film to the outermost surface.
[0079]
Further, as shown in FIG. 10, even when a film softer than the silicon oxide film is used, the above-mentioned resistance is improved. In this case, however, the heat capacity of the thin film portion changes due to a large scratch on the surface, and the flow rate This is not preferable because the detection accuracy is reduced. Furthermore, aluminum oxide (Al2OThreeAlthough silicon carbide (SiC) has high resistance to particles, when the flow sensor is manufactured by a general-purpose semiconductor process, it is not appropriate in terms of consistency with the semiconductor process.
[0080]
Also from these, it can be seen that the silicon nitride film according to the present embodiment is appropriate as the protective film constituting the thin film portion of the flow sensor.
According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
[0081]
(1) As the silicon nitride film 40, a film formed by thermal chemical vapor deposition and having a silicon composition ratio larger than the stoichiometric composition ratio was used. By using a silicon nitride film having a silicon ratio larger than the stoichiometric composition ratio as described above, the stress at the time of film formation can be reduced even when the thermal chemical vapor deposition method is used. Therefore, it is possible to realize a flow sensor including a silicon nitride film in which not only the characteristics but also the film thickness is appropriately secured.
[0082]
(2) By setting the film thickness of the silicon nitride film 40 to “0.6 μm” or more, when particles collide with the silicon nitride film 40, the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, etc. The resistor can be protected.
[0083]
(3) By setting the film thickness of the thin film portion MB to “2.0 μm” or more, the thin film portion MB can be prevented from being damaged when it is provided in the intake passage of the in-vehicle internal combustion engine. Become.
[0084]
(4) By setting the film thickness of the thin film portion MB to “5.0 μm” or less, the flow rate detection accuracy of the flow meter FM can be suitably secured.
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment in which the flow sensor according to the present invention is applied to a flow meter for detecting the intake air amount of an in-vehicle internal combustion engine will be described with reference to the drawings focusing on the differences from the first embodiment. However, it will be explained.
[0085]
The flow meter has the same configuration as that shown in FIG. 1, and is arranged in the intake passage in the manner shown in FIG. The planar configuration of the flow sensor according to this embodiment is the same as the configuration shown in FIG.
[0086]
FIG. 11 shows a cross-sectional configuration of the flow sensor FS according to the present embodiment. FIG. 11 shows a cross section similar to the AA cross section shown in FIG. As shown in FIG. 11, a silicon nitride film 120 and a silicon oxide film 130 are stacked on a semiconductor substrate 110 made of, for example, silicon. On the silicon oxide film 130, an upstream heater Rha, a downstream heater Rhb, lead portions L2 and L5, an upstream thermometer Rka, and a downstream thermometer Rkb are each formed of polycrystalline silicon. A silicon oxide film 135 and a silicon nitride film 140 are laminated so as to cover the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, the lead portions L2 and L5, the upstream thermometer Rka, and the downstream thermometer Rkb. . Incidentally, the silicon nitride films 120 and 140 and the silicon oxide films 130 and 135 are also laminated in almost all regions above the semiconductor substrate 10 including the cavity H.
[0087]
Here, in this embodiment, the silicon nitride films 120 and 140 are formed by the thermal CVD method similarly to the silicon nitride films 20 and 40 of the first embodiment, and the composition ratio is stoichiometric composition. The film has a silicon ratio larger than the ratio.
[0088]
As shown in FIG. 11, the silicon nitride film 120 and the silicon nitride film 140 have the same film thickness “α / 2”, and both the silicon oxide film 130 and the silicon oxide film 135 have the same film thickness. The film thickness is “(X−α) / 2”.
[0089]
Next, the configuration of the thin film portion MB according to the present embodiment will be described in detail.
12, the thin film portion when the total film thickness X of the thin film portion MB in FIG. 11 and the ratio Y of the total film thickness of the silicon nitride film 120 and the silicon nitride film 140 to the total film thickness X are used as parameters. Indicates an unbroken area of MB.
[0090]
As shown in FIG. 12, the condition that does not cause breakage is expressed by the following equation (c1).
Y-2.7exp {-0.5 (X)}> 0 (c1)
FIG. 12 shows a region where the total film thickness X is up to “5.0 μm”. As shown in FIG. 19, the film thickness of the thin film portion MB is larger than “5.0 μm”. This is because the flow rate detection accuracy of the flow meter FM decreases. In the region where the total film thickness is “5.0 μm”, the film thickness of the silicon nitride film 140 is “0.6 μm” or more.
[0091]
Therefore, in this embodiment, the film thickness of the thin film portion MB is set to a range that is “5.0 μm” or less and satisfies the above formula (c1). Incidentally, the ratio Y of the total film thickness of the silicon nitride film 120 and the silicon nitride film 140 to the total film thickness X is “1” or less.
[0092]
Here, an example of the manufacturing process of the flow sensor FS shown in FIG. 11 will be described with reference to FIG. The cross section shown in FIG. 13 is the same cross section as the BB cross section shown in FIG.
[0093]
In this series of manufacturing steps, first, in the step shown in FIG. 13A, the structure shown in FIG. 8A is formed on the semiconductor substrate 110 having, for example, N type conductivity and made of, for example, silicon. The silicon nitride film 120 is formed with a film thickness of “1.0 μm”, for example, under the same film formation conditions as the film conditions. Next, a silicon oxide film 130 is formed with a film thickness of, for example, “1.5 μm” by plasma CVD. Thereafter, in order to stabilize the stress of the silicon oxide film 130, heat treatment is performed at a predetermined temperature (for example, “1100 ° C.”) for a predetermined time (for example, “2 hours”).
[0094]
Next, in the step shown in FIG. 13B, the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, the lead portion L5, etc. are formed on the silicon oxide film 130 in the same step as in FIG. 8B. Form. Although not shown here, in this step, an upstream thermometer Rka, a downstream thermometer Rkb, and lead portions L1 to L4 and L6 are also formed.
[0095]
Next, in the step shown in FIG. 13C, a silicon oxide film 135 is formed under the same conditions as the film formation condition and film thickness condition of the silicon oxide film 130 in the previous step of FIG. Further, the silicon nitride film 140 is formed under the same conditions as the film formation condition and film thickness condition of the silicon nitride film 120 in the previous step of FIG.
[0096]
Next, in the step shown in FIG. 13D, a contact hole 141 is formed in the silicon nitride film 140 and the silicon oxide film 135 by reactive ion etching in order to make contact between the lead portion L5 and the like and the upper layer.
[0097]
Then, the pads P1 to P6 are formed on the end portions of the lead portions L1 to L6 and the thin film portion MB is formed similarly to the series of steps shown in FIG.
Also by this embodiment described above, the same effects as the above (1) to (4) of the first embodiment can be obtained.
[0098]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment in which the flow sensor according to the present invention is applied to a flow meter for detecting the intake air amount of an in-vehicle internal combustion engine will be described with reference to the drawings focusing on the differences from the first embodiment. However, it will be explained.
[0099]
The flow meter has the same configuration as that shown in FIG. 1, and is arranged in the intake passage in the manner shown in FIG. The planar configuration of the flow sensor according to this embodiment is the same as the configuration shown in FIG.
[0100]
FIG. 14 shows a cross-sectional configuration of the flow sensor FS according to the present embodiment. FIG. 14 also shows a cross section similar to the AA cross section shown in FIG. As shown in FIG. 14, a silicon oxide film 230 is stacked on a semiconductor substrate 210 made of, for example, silicon. On the silicon oxide film 230, an upstream heater Rha, a downstream heater Rhb, lead portions L2 and L5, an upstream thermometer Rka, and a downstream thermometer Rkb are each formed of single crystal silicon. A silicon oxide film 235 and a silicon nitride film 240 are laminated so as to cover the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, the lead portions L2 and L5, the upstream thermometer Rka, and the downstream thermometer Rkb. . Incidentally, the silicon nitride film 240 and the silicon oxide films 230 and 235 are also laminated and formed in almost all regions above the semiconductor substrate 10 including the cavity H.
[0101]
Here, the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb, the upstream thermometer Rka and the downstream thermometer Rkb, and the lead portions L1 to L6 are all formed of single crystal silicon. For this reason, in this embodiment, the unevenness | corrugation of the surface (surface of a protective film) of the thin film part MB is reduced compared with the case where a polycrystalline silicon is used. Incidentally, since polycrystalline silicon has a crystal grain boundary, the protective film covering the upper part of the resistor such as the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb formed by the polycrystalline silicon corresponds to this crystal grain boundary. Unevenness is formed. On the other hand, unevenness reflecting the unevenness of the polycrystalline silicon is also generated in the etched portion of the polycrystalline silicon other than the heater portion due to the difference in etching time. Since the presence of such irregularities acts as a stress concentration point when the thin film portion MB is deformed, it may cause a decrease in strength of the thin film portion MB. On the other hand, when single crystal silicon is used as in the present embodiment, it is avoided that irregularities due to such crystal grain boundaries are formed on the surface of the protective film.
[0102]
Next, the configuration of the thin film portion MB according to the present embodiment will be described in detail.
FIG. 15 shows a region where the thin film portion MB is not damaged when the total film thickness X of the thin film portion MB in FIG. 14 and the ratio Y of the film thickness of the silicon nitride film 240 to the total film thickness X are used as parameters. .
[0103]
As shown in FIG. 15, the condition not to be damaged is represented by the following equation (c2).
Y-4exp {-0.7X}> 0 (c2)
FIG. 15 also shows a region where the total film thickness X is up to “5.0 μm”. As shown in FIG. 19, the film thickness of the thin film portion MB is larger than “5.0 μm”. This is because the flow rate detection accuracy of the flow meter FM decreases. In the region where the total film thickness is “5.0 μm”, the film thickness of the silicon nitride film 240 is “0.6 μm” or more.
[0104]
Therefore, in the present embodiment, the thickness of the thin film portion MB is set to a range that is “5.0 μm” or less and satisfies the above formula (c2). Incidentally, the ratio Y of the film thickness of the silicon nitride film 140 to the total film thickness X is “1” or less.
[0105]
Here, an example of the manufacturing process of the flow sensor FS shown in FIG. 14 will be described with reference to FIG. The cross section shown in FIG. 16 is the same cross section as the BB cross section shown in FIG.
[0106]
In this series of manufacturing steps, first, an SOI (Silicon On Insulator) substrate as shown in FIG. Here, this SOI substrate has, for example, a silicon oxide film 230 having a film thickness of “2 μm”, for example, a P-type conductivity type on a semiconductor substrate 210 made of single crystal silicon having an N-type conductivity type. A single crystal silicon film 250 having a predetermined film thickness (for example, “1 μm”) is laminated.
[0107]
Next, in the step shown in FIG. 16B, an impurity (for example, boron B) is added to the single crystal silicon film 250 at a predetermined concentration (for example, “1 × 10”).20cmThreeThe above is inject | poured. Then, heat treatment is performed at a predetermined temperature (for example, “1150 ° C.”) for a predetermined time (for example, “2 hours”) in order to activate the single crystal silicon film 250 into which impurities are implanted. The single crystal silicon film 250 is patterned by reactive ion etching to form the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, and the lead portion L5. Although not shown here, in this step, an upstream thermometer Rka, a downstream thermometer Rkb, and lead portions L1 to L4 and L6 are also formed.
[0108]
Next, in the step shown in FIG. 16C, a silicon oxide film 235 is deposited with a film thickness of, for example, “0.2 μm” by plasma CVD. Thereafter, in order to stabilize the stress of the silicon oxide film 235, heat treatment is performed at a predetermined temperature (for example, “1100 ° C.”) for a predetermined time (for example, “2 hours”). Further, the silicon nitride film 240 is formed with a film thickness of “2.5 μm”, for example, under the film forming conditions in the process shown in FIG.
[0109]
Thereafter, in the step shown in FIG. 16D, the contact hole 241 is formed by etching the silicon nitride film 240 and the silicon oxide film 235 by reactive ion etching in order to make contact between the lead portion L5 and the upper layer. To do.
[0110]
Then, the pads P1 to P6 are formed on the end portions of the lead portions L1 to L6 and the thin film portion MB is formed similarly to the series of steps shown in FIG.
According to this embodiment described above, in addition to the effects (1) to (4) of the first embodiment, the following effects can be further obtained.
[0111]
(5) The upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, the upstream thermometer Rka, the downstream thermometer Rkb, and the lead portions L1 to L6 are made of single crystal silicon. Thereby, the unevenness | corrugation of the surface of the protective film which covers these can be reduced, and the fall of the intensity | strength by there being an unevenness | corrugation can be suppressed.
[0112]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment in which the flow sensor according to the present invention is applied to a flow meter for detecting the intake air amount of an in-vehicle internal combustion engine will be described with reference to the drawings with a focus on differences from the third embodiment. However, it will be explained.
[0113]
The flow meter has the same configuration as that shown in FIG. 1, and is arranged in the intake passage in the manner shown in FIG.
FIG. 17 is a plan view of the flow sensor FS according to the present embodiment. As shown in FIG. 17, the flow sensor FS of the present embodiment also has an upstream heater Rha and a downstream heater on the silicon oxide film 330 formed on the semiconductor substrate 310, as in the third embodiment. Rhb, upstream thermometer Rka, downstream thermometer Rkb, and lead portions L1 to L6 are each formed of single crystal silicon.
[0114]
Here, in this embodiment, the lead part L2 and the lead part L5 are formed so as to cover the side of the thin film part MB perpendicular to the fluid flow direction. FIG. 18 shows a cross section taken along line AA of FIG. As shown in FIG. 18, the lead portion L2 and the lead portion L5 cover both end portions of the thin film portion MB. For this reason, the film thickness fl at both ends of the thin film portion MB is thicker than the total film thickness of the silicon oxide films 330 and 335 and the silicon nitride film 340 by the film thickness of the lead portion L2 and the lead portion L5. Will be formed. Therefore, the area | region which covers the edge part of thin film part MB among this lead part L2 and lead part L5 functions as an edge part reinforcement | strengthening film | membrane which reinforces the intensity | strength of the edge part.
[0115]
Thus, since thin film part MB is locally thickly formed in the edge part, the tolerance of the thin film part MB can be maintained high. In particular, as shown in FIG. 20, the end of the thin film portion MB is likely to be damaged, and the strength of the thin film portion MB is likely to decrease due to this scratch. Thus, the resistance of the thin film portion MB can be remarkably improved.
[0116]
In addition, as shown in FIG. 17, since the thin film portion MB has a rectangular shape and the end portions in the longitudinal direction are covered with the lead portions L2 and L5, the durability of the thin film portion MB can be further improved. it can. That is, when the thin film portion MB is deformed, the stress applied to the end of the thin film portion MB is maximized on the two sides in the longitudinal direction. Therefore, strengthening these two sides significantly improves the resistance of the thin film portion MB. be able to.
[0117]
As shown in FIGS. 17 and 18, the lead portion L2 and the lead portion L5 are formed so as to cover the end portion of the thin film portion MB, but not to enter the thin film portion MB as much as possible. It is desirable to do. By doing so, the heat capacity of the thin film portion MB can be kept as low as possible while strengthening the end portion of the thin film portion MB.
[0118]
Further, the lead portion L2 and the lead portion L5 are formed of single crystal silicon. Thereby, the surfaces of the silicon oxide film 335 and the silicon nitride film 340 covering them can be formed smoothly. On the other hand, when the lead portion L2 and the lead portion L5 are formed of polycrystalline silicon, as described in the third embodiment, the unevenness caused by the crystal grain boundaries of the polycrystalline silicon is silicon nitride. It will be formed on the surface of the film 340 and the like. Therefore, when the lead portion L2 and the lead portion L5 are formed of single crystal silicon, the unevenness on the surface of the silicon nitride film 340 due to the crystal grain boundary is not formed unlike the case where they are formed of polycrystalline silicon. For this reason, it is possible to avoid stress concentration on the uneven portion, and the strength of the thin film portion MB can be significantly improved. Incidentally, according to an experiment in which pressure is applied from the surface to the thin film portion MB and the pressure at which the thin film portion MB is damaged is compared, when single crystal silicon is used as the lead portion L2 and the lead portion L5, polycrystalline silicon is used. About twice the strength when used was obtained.
[0119]
Note that the manufacturing process of the flow sensor FS according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. Therefore, the end portion reinforcing film that reinforces the end portion of the thin film portion MB is formed at the same time as a part of the lead portion L2 and the lead portion L5. For this reason, the increase in the manufacturing man-hour concerning formation of an edge part reinforcement film | membrane can also be avoided.
[0120]
According to the present embodiment described above, in addition to the effects (1) to (4) of the previous first embodiment and the effect (5) of the previous third embodiment, the following further An effect comes to be acquired.
[0121]
(6) By covering both end portions of the thin film portion MB with the lead portion L2 and the lead portion L5, the strength of the end portion can be enhanced.
Each of the above embodiments may be modified as follows.
[0122]
In the second embodiment, the film thicknesses of the silicon nitride film 120 and the silicon nitride film 140 are set to be equal to each other, and the film thicknesses of the silicon oxide film 130 and the silicon oxide film 135 are set to be equal to each other. Absent. For example, by setting the thickness of the silicon nitride film 140 to “0.6 μm” or more and satisfying the above formula (c1), the thickness of the silicon oxide films 130 and 135 and the silicon nitride film 120 is changed as appropriate, thereby reducing the thickness of the thin film portion. MB damage and resistance value change of the resistor can be avoided. At this time, by setting the total film thickness to “5.0 μm” or less, the flow rate detection accuracy using this flow sensor can be maintained high.
[0123]
Further, at this time, the film thickness of the silicon nitride film 120 is not necessarily set to “0.6 μm” or more. For example, when the side surface and the back surface of the flow sensor FS are protected by the accommodating portion sp of the flow path member FP as shown in FIG. 3, the back surface side is larger than the front surface side of the flow sensor FS. Since the hardness is not required, the film thickness may be “0.6 μm” or less. However, as shown in FIG. 3 above, in view of the fact that there is a predetermined clearance between the flow sensor FS and the accommodating portion sp, the above-described influence of the resistance value change due to ion diffusion or the like should be avoided. It is effective to provide the silicon nitride film 120. Further, in the process shown in FIG. 9C and the like, when the semiconductor substrate is dry-etched with an alkaline etching solution, a silicon nitride film is provided also on the back surface side in order to ensure a sufficient selection ratio. It is effective.
[0124]
In the third embodiment, even if the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, the upstream thermometer Rka, the downstream thermometer Rkb, and the lead portions L1 to L6 are all formed of polycrystalline silicon, The effects (1) to (4) of the first embodiment can be obtained.
[0125]
In each of the above embodiments and their modifications, the surface of the protective film (the surface of the silicon nitride film) that covers the upper surface of the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, etc. was not flattened, but may be flattened. .
[0126]
The arrangement mode of the flow meter FM in the intake passage is not limited to that illustrated in FIG. For example, the back side of the flow sensor FS may also be exposed in the intake passage. In this case, depending on the flow state of the fluid to the back side, it is desirable that the surface on the hollow portion H side of the thin film portion MB does not become a silicon oxide film as in the second embodiment. However, the surface on the cavity H side of the surface of the thin film portion MB does not directly serve as a fluid flow path because of the cavity H. It is often less severe than the outermost film on the front side of the thin film portion.
[0127]
Instead of making the heating element and the temperature sensing element that senses the temperature in the vicinity of the heating element (the heating element itself or the vicinity of the heating element) the same as the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb, You may comprise by another member.
[0128]
-It is good also as a structure provided in the signal generation circuit SG instead of setting it as the structure which equips the flow sensor FS with the upstream thermometer Rka and the downstream thermometer Rkb which sense the environmental temperature of the said flow meter FM. Even in this case, the resistance temperature coefficient between the upstream heater Rha and the upstream thermometer Rka and the resistance temperature coefficient between the downstream heater Rhb and the downstream thermometer Rkb are made to coincide with each other.
[0129]
Even if the upstream heater Rha and the downstream heater Rhb are not provided, even if the heater is configured to include a single heater (a heating element and a temperature sensing element that senses the temperature in the vicinity of the heating element), The flow rate of the fluid can be sensed based on the amount of power supplied. Furthermore, as described in Patent Document 3, for example, the heating element itself is used as the second temperature sensing element, thereby controlling the heating element to a predetermined value while sensing its own temperature, and the temperature in the vicinity of the temperature sensing element is controlled. It is good also as a structure which senses with the body and senses the heat deprived by the fluid among the calorie | heat amount which a heat generating body produces based on this.
[0130]
The structure of the thin film portion MB is not limited to that illustrated in FIGS. For example, the thin film portion MB may be formed in a rectangular shape, and only its two sides may be connected to the thin film on the semiconductor substrate. Further, the shape of the thin film portion MB is not limited to a rectangle. Further, the shape of the opening on the back surface of the semiconductor substrate may not be rectangular while the thin film portion MB is rectangular. This is formed by applying the condition that the back surface of the semiconductor substrate 10 is the {110} plane instead of the above-described condition B in the step shown in FIG. 9C.
[0131]
Furthermore, it is good also as a structure where a fluid distribute | circulates equally on both sides of thin film part MB. In this case, there are two surface protective films formed on the fluid flow path side. In the configurations of the second embodiment and the modified example, one of them is the surface protective film. The other side is defined as a protective film on the back surface. In this case, as exemplified in the first embodiment, the second embodiment, and the modifications thereof, it is effective to form a silicon nitride film symmetrically on these two surfaces.
[0132]
In addition, the flow sensor FS has a thin film portion including a heating element, a temperature sensing element that senses the temperature near the heating element, and a protective film that covers the heating element and the temperature sensing element. You may change suitably in the range provided with the silicon nitride film mentioned above in the outermost protective film which comprises this thin film part. That is, for example, a silicon nitride film and an insulating film other than the silicon oxide film may be used in combination as the protective film. Further, for example, the heating element and the temperature sensing element are not limited to those formed of silicon material. Further, for example, the temperature sensing element is not limited to one that senses the temperature by using a change in resistance value.
[0133]
-Furthermore, as a manufacturing method of the flow sensor FS, at least as a protective film on the fluid flow path side, a silicon nitride film in which the composition ratio is larger than the stoichiometric composition ratio is formed by a thermal chemical vapor deposition method. In the range to form, you may change suitably. For example, in the process shown in FIG. 8B, impurities may be implanted after the upstream heater Rha, the downstream heater Rhb, etc. are patterned.
[0134]
The flow sensor FS is not limited to detecting the intake air amount of the in-vehicle internal combustion engine, but may be any sensor that detects an appropriate fluid flow rate. Depending on the usage environment of the flow sensor, the film thickness of the thin film portion may be set to “2.0 μm” or less. Moreover, it may be “5.0 μm” or more depending on the required flow rate detection accuracy and the like. Further, the thickness of the silicon nitride film on the outermost surface of the protective film constituting the thin film portion may be “0.6 μm” or less. However, even in such a case, for example, when a silicon nitride film having a film thickness of “0.3 μm” or more is desired, the silicon nitride film is formed by a thermal chemical vapor deposition method, and the composition ratio is the stoichiometric composition ratio. It is effective to use a silicon nitride film having a larger silicon ratio.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a flow meter according to a first embodiment.
FIG. 2 is a plan view showing a configuration of a flow sensor according to the embodiment.
FIG. 3 is a view showing an arrangement mode of a flow meter according to the embodiment.
FIG. 4 is a sectional view showing a sectional configuration of the flow sensor according to the embodiment;
FIG. 5 is a view showing the durability of the flow sensor according to the embodiment.
FIG. 6 is a view showing a durability characteristic of a resistance value of the flow sensor according to the embodiment.
FIG. 7 is a view showing a film forming condition of the silicon nitride film and characteristics of the silicon nitride film according to the embodiment.
FIG. 8 is an exemplary cross-sectional view showing a manufacturing process of the flow sensor according to the embodiment;
FIG. 9 is an exemplary cross-sectional view showing a manufacturing process of the flow sensor according to the embodiment;
FIG. 10 is a view showing characteristics of the silicon nitride film according to the embodiment.
FIG. 11 is a sectional view showing a sectional configuration of a flow sensor according to a second embodiment.
FIG. 12 is a view showing a film thickness condition of a thin film portion of the flow sensor of the same embodiment.
FIG. 13 is an exemplary cross-sectional view showing a manufacturing process of the flow sensor according to the embodiment;
FIG. 14 is a sectional view showing a sectional configuration of a flow sensor according to a third embodiment.
FIG. 15 is a view showing a film thickness condition of a thin film portion of the flow sensor according to the embodiment.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the flow sensor according to the embodiment;
FIG. 17 is a plan view showing a configuration of a flow sensor according to a fourth embodiment.
FIG. 18 is a sectional view showing a sectional configuration of the flow sensor according to the embodiment;
FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the thin film portion of the flow sensor and the flow rate detection accuracy of the flow meter.
FIG. 20 is a diagram schematically showing the mechanism of breakage of the flow sensor.
FIG. 21 is a sectional view showing a sectional configuration of a conventional flow sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor substrate, 20 ... Silicon nitride film, 40 ... Silicon nitride film, 41 ... Contact hole, 50 ... Silicon nitride film, 110 ... Semiconductor substrate, 120 ... Silicon nitride film, 130 ... Silicon oxide film, 135 ... Silicon oxide film , 140 ... silicon nitride film, 141 ... contact hole, 210 ... semiconductor substrate, 230 ... silicon oxide film, 235 ... silicon oxide film, 240 ... silicon nitride film, 241 ... contact hole, 250 ... single crystal silicon film, 310 ... semiconductor Substrate, 330 ... silicon oxide film, 335 ... silicon oxide film, 340 ... silicon nitride film.

Claims (13)

発熱体と、該発熱体の近傍の温度を感知する感温体と、これら発熱体及び感温体を覆う保護膜とを備える薄膜部を有して流体の流量を検出するために用いられるフローセンサにおいて、
前記保護膜の少なくとも前記流体の流通経路側に形成されている表面の保護膜が、ＮＨ 3 ガスに対するＳｉＨ 2 Ｃｌ 2 ガスの流量比を、成膜温度が「７５０℃」のとき「４／１〜８／１」の範囲とし、成膜温度が「８５０℃」のとき「１／１〜４／１」の範囲とし、成膜温度が「７５０℃」よりも高く且つ「８５０℃」未満であるときには、成膜温度が「８００℃」のときに「２／１〜６／１」となる態様にて補間された流量比とする条件下の熱化学気相成長法によって形成されて、且つ、その組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きいシリコン窒化膜にて膜応力が「０ＭＰａ」より大きく「８００ＭＰａ」以下の引張応力を有して形成されてなる
ことを特徴とするフローセンサ。A flow used to detect a flow rate of a fluid having a thin film portion including a heating element, a temperature sensing element that senses a temperature in the vicinity of the heating element, and a protective film that covers the heating element and the temperature sensing element In the sensor
When the protective film on the surface formed on at least the fluid flow path side of the protective film has a flow rate ratio of SiH 2 Cl 2 gas to NH 3 gas , the film formation temperature is “750 ° C.”, “4/1. ˜8 / 1 ”, and when the film formation temperature is“ 850 ° C. ”, the range is“ 1/1 to 4/1 ”, and the film formation temperature is higher than“ 750 ° C. ”and less than“ 850 ° C. ”. In some cases, the film is formed by a thermal chemical vapor deposition method under the condition of the flow rate ratio interpolated in the form of “2/1 to 6/1” when the film forming temperature is “800 ° C.” , and And a silicon nitride film having a composition ratio larger than that of the stoichiometric composition ratio and having a tensile stress of more than “0 MPa” and not more than “800 MPa”. Flow sensor. 前記表面の保護膜は、その屈折率が「２．１〜２．３」に設定されてなる
請求項１記載のフローセンサ。The flow sensor according to claim 1, wherein the protective film on the surface has a refractive index set to “2.1 to 2.3”. 前記表面の保護膜は、その膜厚が「０．６μｍ」以上である
請求項１又は２記載のフローセンサ。The flow sensor according to claim 1, wherein the protective film on the surface has a thickness of “0.6 μm” or more. 前記薄膜部の膜厚が、「２μｍ」以上である
請求項１〜３のいずれかに記載のフローセンサ。The flow sensor according to claim 1, wherein a film thickness of the thin film portion is “2 μm” or more. 前記薄膜部の膜厚が、「５μｍ」以下である
請求項１〜４いずれかに記載のフローセンサ。The flow sensor according to claim 1, wherein a film thickness of the thin film portion is “5 μm” or less. 請求項１〜５のいずれかに記載のフローセンサにおいて、
前記流体の流通経路の裏面側に形成される裏面の保護膜が更に、熱化学気相成長法によって形成されて、且つ、その組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きいシリコン窒化膜にて膜応力が「０ＭＰａ」より大きく「８００ＭＰａ」以下の引張応力を有して形成されてなる
ことを特徴とするフローセンサ。In the flow sensor according to any one of claims 1 to 5,
The back protective film formed on the back side of the fluid flow path is further formed by thermal chemical vapor deposition, and the composition ratio of silicon is larger than the stoichiometric composition ratio. A flow sensor characterized by being formed of a nitride film having a tensile stress greater than “0 MPa” and not greater than “800 MPa” . 請求項６記載のフローセンサにおいて、
前記表面及び裏面の保護膜の合計の膜厚をαとするとき、これら２つの保護膜の間には、次式
（α／α＋β）―２．７ｅｘｐ｛―０．５（α＋β）｝＞０
を満たすβ（＞０）を膜厚とするシリコン酸化膜が更に形成されてなる
ことを特徴とするフローセンサ。The flow sensor according to claim 6, wherein
When the total thickness of the protective films on the front and back surfaces is α, the following formula (α / α + β) −2.7exp {−0.5 (α + β)}> 0
A flow sensor characterized in that a silicon oxide film having a thickness of β (> 0) satisfying the above condition is further formed. 請求項１〜５のいずれかに記載のフローセンサにおいて、
前記保護膜は、前記表面の保護膜の膜厚をαとして、次の式
（α／α＋β）―４ｅｘｐ｛―０．７（α＋β）｝＞０
を満たすβ（＞０）を膜厚とするシリコン酸化膜を更に備える
ことを特徴とするフローセンサ。In the flow sensor according to any one of claims 1 to 5,
The protective film has the following formula (α / α + β) −4exp {−0.7 (α + β)}> 0, where α is the thickness of the protective film on the surface.
A flow sensor characterized by further comprising a silicon oxide film having a thickness of β (> 0) satisfying the above. 請求項１〜８のいずれかに記載のフローセンサにおいて、
空洞部を有する半導体基板を備えるとともに、前記薄膜部が該半導体基板の空洞部を架橋する部分として形成されてなり、同薄膜部の端部には、少なくとも前記感温体の長手方向に平行な端部を覆う端部強化膜が前記感温体と同層に形成されてなる
ことを特徴とするフローセンサ。In the flow sensor according to any one of claims 1 to 8,
A semiconductor substrate having a cavity portion, and the thin film portion is formed as a portion that bridges the cavity portion of the semiconductor substrate, and the end portion of the thin film portion is parallel to at least the longitudinal direction of the temperature sensing element. An end portion reinforcing film covering the end portion is formed in the same layer as the temperature sensing element. 前記端部強化膜は、前記感温体と同一の材料からなる
請求項９記載のフローセンサ。The flow sensor according to claim 9, wherein the end portion reinforcing film is made of the same material as the temperature sensing element. 前記発熱体及び前記感温体を構成する材料が多結晶シリコンである
請求項１〜１０のいずれかに記載のフローセンサ。The flow sensor according to claim 1, wherein a material constituting the heating element and the temperature sensing element is polycrystalline silicon. 前記発熱体及び前記感温体を構成する材料が単結晶シリコンである
請求項１〜５又は８〜１０のいずれかに記載のフローセンサ。The flow sensor according to any one of claims 1 to 5 or 8 to 10, wherein the material constituting the heating element and the temperature sensing element is single crystal silicon. 発熱体と、該発熱体の近傍の温度を感知する感温体と、これら発熱体及び感温体を覆う保護膜とを備える薄膜部を有して流体の流量を検出するために用いられるフローセンサの製造方法であって、
前記保護膜の少なくとも前記流体の流通経路側の保護膜として、組成比が化学量論的組成比よりもシリコンの比率が大きいシリコン窒化膜が熱化学気相成長法によって形成され、
前記窒化シリコン膜を成膜する熱化学気相成長法の条件は、ＮＨ 3 ガスに対するＳｉＨ 2 Ｃｌ 2 ガスの流量比を、成膜温度が「７５０℃」のとき「４／１〜８／１」の範囲とし、成膜温度が「８５０℃」のとき「１／１〜４／１」の範囲とし、成膜温度が「７５０℃」よりも高く且つ「８５０℃」未満であるときには、成膜温度が「８００℃」のときに「２／１〜６／１」となる態様にて補間された流量比とする条件であり、
さらに、窒化シリコン膜の成膜時の応力が「０ＭＰａ」より大きく「８００ＭＰａ」以下の引張応力となるように形成する
ことを特徴とするフローセンサの製造方法。 A flow used to detect a flow rate of a fluid having a thin film portion including a heating element, a temperature sensing element that senses a temperature in the vicinity of the heating element, and a protective film that covers the heating element and the temperature sensing element A method for manufacturing a sensor, comprising:
As a protective film on at least the fluid flow path side of the protective film, a silicon nitride film having a composition ratio larger than a stoichiometric composition ratio of silicon is formed by thermal chemical vapor deposition ,
The conditions of the thermal chemical vapor deposition method for forming the silicon nitride film are as follows: the flow rate ratio of SiH 2 Cl 2 gas to NH 3 gas is “4/1 to 8/1” when the film forming temperature is “750 ° C.”. When the film forming temperature is “850 ° C.”, the range is “1/1 to 4/1”. When the film forming temperature is higher than “750 ° C.” and lower than “850 ° C.”, It is a condition for the flow rate ratio interpolated in a mode of “2/1 to 6/1” when the membrane temperature is “800 ° C.”
Further, the flow sensor is formed such that the stress at the time of forming the silicon nitride film is a tensile stress greater than “0 MPa” and not greater than “800 MPa” .
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