JP4253969B2

JP4253969B2 - Micro heater, manufacturing method thereof, and flow sensor

Info

Publication number: JP4253969B2
Application number: JP35481699A
Authority: JP
Inventors: 信之加藤; 弘幸和戸; 敏雅山本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2019-12-14
Also published as: JP2001165737A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に形成された空洞部の上に設けられ、内部に発熱素子が形成された発熱素子領域を有する薄膜構造のマイクロヒータおよびその製造方法ならびにフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フローセンサや湿度センサなどにおいては、その検出原理上、数百度に加熱可能なマイクロヒータが必要となっている。このマイクロヒータは、昇温時における基板への熱の逃げを抑制するために、数μｍの薄膜構造で形成され、さらに、その薄膜構造には貫通孔を形成するなどの断熱構造が採用されている。さらには、これらの構造を採用すると共にセンサ寸法の縮小化を図ることにより、熱応答性や消費電力の低減を図るようにしている。
【０００３】
一般に、マイクロヒータを形成している薄膜構造は、発熱体材料の薄膜を上下の保護膜で挟むようにして形成した構造である。ここで、発熱体材料としては、Ｐｔ（白金）、ポリシリコン、ＮｉＣｒ（ニッケルクロム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｗ（タングステン）などの導電性材料が用いられ、保護膜としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ₂（二酸化シリコン）、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化シリコン）、Ｔａ₂Ｏ₅（酸化タンタル）、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁性材料の薄膜が用いられる。
【０００４】
また、マイクロヒータを構成する薄膜構造は、基板に形成された空洞部の上にダイアフラムもしくはブリッジとして設けられる。このため、強度的に非常に不利となるため、特開平１１−２７１１２３号公報に見られるように、膜応力を調整して、熱ストレス耐性を向上させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したマイクロヒータを有するセンサとして、エンジン内の吸気量制御に使われるフローセンサなどにおいては、雨等で吸気管内に水が浸入することが考えられる。この状態でフローセンサの動作を保証するためには、水中においても破壊することなく耐久性がなくてはならない。
【０００６】
本発明者らが、フローセンサにおけるマイクロヒーターの水中耐久性を検討したところ、マイクロヒーター上では熱により水が蒸発して気泡となり、その気泡部では断熱されるため、周囲への放熱が小さくなり、マイクロヒーターの温度が上昇するが、水に接触しているところではマイクロヒーターは１００℃以上にはならない。このため、部分的に温度差が生じ、その温度差から生じる熱膨張の差により歪みが生じて、マイクロヒータが破壊する可能性があることがわかった。
【０００７】
本発明は、気泡の発生を制御することにより上記の問題を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板（１）に形成された空洞部（１ａ）の上に設けられ、内部に発熱素子（４０）が形成された発熱素子領域（５０）を有する薄膜構造のマイクロヒータにおいて、発熱素子領域（５０）の表面を、液体がついた場合に発熱素子領域（５０）で蒸発の核生成が起きないような平らな面にしたことを特徴としている。
【０００９】
このことにより、液体がついた場合にヒータ領域５０で蒸発の核生成を低減することができる。
【００１０】
さらに、請求項１に記載の発明では、発熱素子領域（５０）以外の箇所に、核生成を促進する核生成促進領域（６０）を形成しているので、沸騰の核生成を核生成促進領域（６０）から始まるようにすることができ、ヒータ領域（５０）での蒸発の核生成を一層低減することができる。
【００１３】
なお、上記した核生成促進領域（６０）は、請求項２に記載の発明のように、発熱素子領域（５０）の周囲に形成することのが好ましい。
【００１４】
また、上記した核生成促進領域（６０）としては、請求項３に記載の発明のように、表面に突起（６１）が設けられた領域、あるいは請求項４に記載の発明のように、表面の面粗度が発熱素子領域（５０）の面粗度より高い領域とすることができる。後者の場合、さらに請求項５に記載の発明のように、薄膜構造の最上膜の表面の面粗度を成膜状態より高くした領域、あるいは請求項６に記載の発明のように、表面膜が多結晶体膜（６２）になっている領域とすることができる。
【００２０】
請求項７ないし１２に記載の発明によれば、上記したようなマイクロヒータを製造する方法を提供することができる。
【００２１】
また、請求項１３に記載の発明によれば、請求項１ないし６のいずれか１つに記載のマイクロヒータを有して流体の流量を検出するように構成したフローセンサを提供することができる。
【００２２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態にかかるフローセンサの斜視図、図２に、図１中のＡ−Ａ断面図を示す。
【００２４】
このフローセンサは、単結晶シリコン等で形成された半導体基板１の上に、下層絶縁膜となるシリコン窒化膜１１およびシリコン酸化膜１２が形成され、その上に、温度計をなす流体温度検出体２０および流量検出体（測温体）３０が形成されるとともにヒータ（発熱素子）４０が形成され、さらにその上に、上層絶縁膜となるシリコン酸化膜１３およびシリコン窒化膜１４が形成された構造となっている。
【００２５】
半導体基板１には、図２に示すように、空洞部１ａが形成されており、この空洞部１ａ上に薄膜構造のダイヤフラム１０が形成され、ダイヤフラム１０に流量検出体３０とヒータ４０とが配置されている。
【００２６】
流体温度検出体２０、流量検出体３０およびヒータ４０は、流体の流れの方向（図１中の白抜き矢印で示す）に対し、上流側からその順で配置されており、いずれもＰｔなどの配線材料からなる抵抗体膜でパターン形成されている。
【００２７】
流体温度検出体２０は、流体の温度を検出するもので、ヒータ４０の熱がその温度検出に影響を及ぼさないようにヒータ４０から十分離隔した位置に配設されている。ヒータ４０は、流体温度検出体２０で検出された温度より一定温度高い基準温度になるように、図示しない制御回路によって制御される。
【００２８】
このように構成されたフローセンサにおいて、流体が流れると、その流体温度が流体温度検出体２０により計測され、その計測された温度よりも一定温度高い基準温度になるようにヒータ４０が通電制御される。そして、流体の流れの大きさによってヒータ４０の熱分布が変化し、その熱分布の変化により流量検出体３０の抵抗値が変化することで、流量が検出される。
【００２９】
ここで、この実施形態においては、図２に示すように、ダイアフラム１０のうち内部にヒータ４０を有するヒータ領域５０の表面が平らな面となっている。これにより、液体がついた場合にヒータ領域５０で蒸発の核生成が起きないようにすることができる。
【００３０】
また、ヒータ領域５０の近傍の周囲には、ヒータ領域５０を囲むように、シリコン酸化膜１３上に形成された凸部１５により、表面に突起６１が形成されている。この突起６１が形成された凹凸領域は、気泡の核生成を促進する核生成促進領域６０となっている。なお、核生成促進領域６０は、ヒータ領域５０を囲むように形成されていなくても、気泡の核生成が促進できるのに十分な領域にのみ形成されていてもよい。
【００３１】
このような構造において、ヒータ４０が発熱している状態で水が付着した場合を考えると、ヒータ領域５０は、１００℃以上に発熱しているが、付着した水は非常に清潔で平滑な面上では沸点以上の温度となっても沸騰は始まらない。因みに、図３に示すように、半導体基板１上に、シリコン窒化膜１１およびシリコン酸化膜１２を積層し、その上に流量検出体３０、ヒータ４０をパターン形成し、さらにその上にシリコン酸化膜１３およびシリコン窒化膜１４を積層した構造の場合には、ヒータ４０のパターンによりヒータ領域５０の表面に凹凸が存在し、そこを核として沸騰が始まり、ヒータ領域５０上に気泡が発生する。
【００３２】
また、この実施形態では、ヒータ領域５０の表面を平らにするとともに、ヒータ領域５０の周囲に核生成促進領域６０を設けているため、沸騰の核生成は核生成促進領域６０から始まり、これにより核生成促進領域６０を中心に沸騰が起きる。このため、ヒータ領域５０上の水は、この気泡により撹拌されて伝熱が良くなり、ヒータ領域５０上では沸騰は起こらない。
【００３３】
従って、この実施形態によれば、ヒータ領域５０上での気泡の付着が抑制されるため、ヒータ領域５０での気泡による断熱効果で温度差が発生することがなくなり、熱膨張係数の差でダイアフラム１０が破壊されるのを防ぐことができる。
【００３４】
次に、上記したフローセンサの製造方法について、図４、図５に示す工程図（図１中のＡ−Ａ断面に対応する図）を参照して順に説明する。
［図４（ａ）の工程］
半導体基板として単結晶のシリコン基板１を用い、その一面（表面）側にシリコン窒化膜１１をＬＰＣＶＤ法などで形成し、その上にシリコン酸化膜１２をＣＶＤ法などで形成する。
【００３５】
このようにシリコン窒化膜１１上にシリコン酸化膜１２を積層することによって、シリコン酸化膜１２の上に形成される配線材料との密着性を良好にし、また薄膜構造体を形成した場合に、外側に耐水性のあるシリコン窒化膜１１を配置しているため、薄膜構造体の耐湿性を向上させることができる。
［図４（ｂ）の工程］
抵抗体材料としてＰｔ膜を２００℃で真空蒸着機によりシリコン酸化膜１２の上に堆積させ、Ｐｔ膜をエッチング等により流体温度検出体２０、流量検出体３０およびヒータ４０の配線形状にパターニングする。
【００３６】
ここで、抵抗体材料としては、ポリシリコン、ＮｉＣｒ、ＴａＮ、ＳｉＣ、Ｗなどでもよい。この場合、多層膜とするよりは単一膜の方が望ましい。また、シリコン酸化膜１２とＰｔ膜との間に接着層としてＴｉ層あるいはＣｒ層を密着力を高める目的で挿入してもよく、また接着層を抵抗体材料と上部の膜との間にも挿入してもよい。
［図４（ｃ）の工程］
流体温度検出体２０、流量検出体３０およびヒータ４０間の絶縁のために、シリコン酸化膜１３を堆積させる。ここで、流体温度検出体２０、流量検出体３０およびヒータ４０の上は、パターンの影響でシリコン酸化膜１３の表面に凹凸ができている。
［図４（ｄ）の工程］
シリコン酸化膜１３の表面にできた凹凸を除去するために、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）等を行い、シリコン酸化膜１３の表面を平坦化する。なお、その平坦化は、エッチバックを用いて行うようにしてもよい。
［図５（ａ）の工程］
シリコン酸化膜１３の上にシリコン窒化膜を成膜し、エッチングによりパターニングして、凸部１５を形成する。この場合、例えばリン酸などを用いたエッチングによりシリコン窒化膜を選択的に除去でき、シリコン酸化膜１３をほとんどエッチングしないようにすることができる。また、この凸部１５は、シリコン酸化膜１３を図４（ｄ）のＣＭＰ工程の後でパターニングして形成することもできるが、エッチングのムラによる凹凸の発生などが考えられるため、シリコン窒化膜で凸部１５を形成するのが望ましい。
［図５（ｂ）の工程］
表面保護膜であるシリコン窒化膜１４を形成する。この状態において、シリコン窒化膜１４の表面に突起６１が形成される。
【００３７】
この後、図示してないが、流体温度検出体２０、流量検出体３０およびヒータ４０の電極パッド形成のためにシリコン窒化膜１４に開口を形成する。
［図５（ｃ）の工程］
シリコン基板１の裏面にマスク材（例えばシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜）１６を形成し、エッチングして開口部１７を形成する。
［図５（ｄ）の工程］
シリコン基板１の裏面側をシリコン窒化膜１１が露出するまで異方性エッチングして空洞部１ａを形成する。このときの終点検出は、例えばエッチング液にＴＭＡＨ（水酸化４メチルアンモニウム）を用いることにより、シリコンに対してシリコン窒化膜１１のエッチング速度が非常に小さいため容易に止めることができる。
【００３８】
このようにして、図１、図２に示すフローセンサを製造することができる。
（第２実施形態）
上記した第１実施形態では、突起６１により核生成促進領域６０を形成するものを示したが、核生成促進領域６０の面粗度をヒータ領域５０よりも高くしてもよい。例えば、図６に示すように、シリコン窒化膜１４の表面をエッチングにより荒らくして核生成促進領域６０を形成するようにしてもよい。このようにすることにより、平滑なヒータ領域５０上よりも面粗度の高い核生成促進領域６０で気泡を発生しやすくすることができる。
【００３９】
この実施形態では、第１実施形態における図４（ｄ）の工程を経たのち、凸部１５を設ける工程を行わずに、図５（ｂ）の工程でシリコン窒化膜１４を形成し、その後、図７（ａ）に示すように、流量検出体３０の形成領域およびヒータ領域５０をレジスト１８で保護し、図７（ｂ）に示すように、レジスト１８で保護した以外の部分を例えばドライエッチングなどで処理して、表面の面粗度を大きくする。この後、図５（ｃ）、（ｄ）に示す工程を行って、図６に示すフローセンサを作製する。
【００４０】
また、シリコン窒化膜１４の表面を荒らくすることに代えて、図８に示すように、多結晶シリコン等の面粗度の高い膜６２を形成して、核生成促進領域６０とするようにしてもよい。この場合も、平滑なヒータ領域５０上より面粗度の高い膜６２の形成領域で気泡を発生しやすくすることができる。
【００４１】
なお、図３に示す構成に対し、上記第１、第２実施形態で示しような凹凸領域６０、面粗度がヒータ領域５０よりも高い領域６１、６２を形成するだけでも、そのような領域を中心に沸騰が起きるため、ヒータ領域５０上での沸騰を抑制することができる。
（第３実施形態）
上記した第１、第２実施形態では、ヒータ領域５０の表面を平らにして、ヒータ領域５０での気泡の発生を抑制するものを示したが、図９に示すように、ヒータ領域５０の上に濡れ性の良い（親水性の）膜７０を形成してもよい。親水性の膜７０は、気泡の膜７０への吸着力を小さくすることができるので、気泡が膜７０から離脱するのを促進することができる。その結果、ヒータ領域５０での気泡の発生を抑制することができる。
【００４２】
この実施形態におけるメカニズムについて説明する。
【００４３】
図１０（ａ）に示すように、基板の上に液体を一滴落としたとすると、半球上の液体の接線方向に液体と気体の界面張力σ（液気）が、基板と液体の間には界面張力σ（固液）、基板と気泡の間にはσ（固気）があり、液体と気体の界面張力は基板に対してθの角度で発生する。この場合、σ（固気）、σ（固液）、σ（液気）の間には、数式１の関係がある。
【００４４】
【数１】
σ（固気）−σ（固液）＝σ（液気）ｃｏｓθ
また、基板を液体に浸して、基板を加熱して、気泡が発生しているとすると、同様に図１０（ｂ）に示すようになる。このときの気泡は、浮力と基板への付着力とが釣り合っていることから、数式２の関係が成立する（文献：ＦｒｉｔｚＷ．，Ｐｈｙｓ．Ｚｅｉｔｓｃｈ．，３６（１９３５），ｐ．３７９参照）。
【００４５】
【数２】

【００４６】
ここで、Ｄは気泡直径、σ（液気）は界面張力、θは離脱時の接触角、ｇは重力加速度、ρ_vは気体の密度、ρ_lは液体の密度である。
【００４７】
数式２から、界面張力σ（液気）が小さい（基板に置き換えるとσ（固気）が大きいもしくはσ（固液）が小さい）、すなわち膜への濡れ性が良い（親水性である）と、気泡直径Ｄが小さくなり、気泡が早く離脱することになる。
【００４８】
従って、図９に示すように、濡れ性の良い（親水性の）膜７０をヒータ領域５０の上に形成することで、ヒータ領域５０上の気泡が離脱し易いようにすることができる。ここで、濡れ性の良い、親水性を示す材料としては、例えばＴｉＯ₂（酸化チタン）に紫外線を当てたものを用いることができる。ＴｉＯ₂に紫外線を当てることにより、超親水状態となるため、このような膜を形成することによって、気泡の離脱を促進することができる。
【００４９】
なお、上記した種々の実施形態では、流量検出体３０およびヒータ４０の薄膜構造体として、ダイアフラム型構造のものを示したが、ブリッジ型構造のものであってもよい。また、流量検出体３０は、ヒータ４０の一方側のみでなく両側に設けられていてもよい。この場合、両側に設けられた流量検出体３０の検出温度差によって流量が測定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるフローセンサの斜視図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１、図２に示す実施形態に対する比較例の断面構成を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかるフローセンサの製造方法を示す工程図である。
【図５】図４に示す工程を示す工程図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかるフローセンサの第１の例を示す断面図である。
【図７】図６に示すフローセンサの部分的な製造方法を示す工程図である。
【図８】本発明の第２実施形態にかかるフローセンサの第２の例を示す断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態にかかるフローセンサを示す断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態にかかるフローセンサのメカニズムを説明のに供する説明図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、１ａ…空洞部、１０…ダイアフラム、
１１…シリコン窒化膜、１２…シリコン酸化膜、１３…シリコン酸化膜、
１４…シリコン窒化膜、１５…凸部、２０…流体温度検出体、
３０…流量検出体、４０…ヒータ、５０…ヒータ領域、６０…凹凸領域、
６１…面粗度の高い領域、６２…多結晶シリコン等の面粗度の高い膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microheater having a heat generating element region provided on a cavity formed in a substrate and having a heat generating element formed therein, a manufacturing method thereof, and a flow sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a flow sensor, a humidity sensor, or the like, a microheater that can be heated to several hundred degrees is required due to its detection principle. This microheater is formed with a thin film structure of several μm in order to suppress the escape of heat to the substrate at the time of temperature rise, and furthermore, the thin film structure adopts a heat insulating structure such as forming a through hole. Yes. Furthermore, by adopting these structures and reducing the size of the sensor, thermal response and power consumption are reduced.
[0003]
In general, a thin film structure forming a microheater is a structure formed by sandwiching a thin film of a heating element material between upper and lower protective films. Here, as the heating element material, a conductive material such as Pt (platinum), polysilicon, NiCr (nickel chromium), TaN (tantalum nitride), SiC (silicon carbide), W (tungsten) is used, and a protective film For example, a thin film of an insulating material such as MgO (magnesium oxide), SiO ₂ (silicon dioxide), Si ₃ N ₄ (silicon nitride), Ta ₂ O ₅ (tantalum oxide), or Al ₂ O ₃ is used.
[0004]
Moreover, the thin film structure which comprises a microheater is provided as a diaphragm or a bridge | bridging on the cavity part formed in the board | substrate. For this reason, since it is very disadvantageous in strength, as seen in JP-A-11-271123, the film stress is adjusted to improve the heat stress resistance.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As a sensor having the above-described microheater, in a flow sensor used for intake air amount control in an engine, water may enter the intake pipe due to rain or the like. In order to guarantee the operation of the flow sensor in this state, it must be durable without being destroyed even in water.
[0006]
When the present inventors examined the underwater durability of the micro heater in the flow sensor, water is evaporated by heat on the micro heater to form bubbles, and the bubbles are thermally insulated, so heat radiation to the surroundings is reduced. The temperature of the microheater rises, but the microheater does not reach 100 ° C. or higher when it is in contact with water. For this reason, it has been found that there is a possibility that a temperature difference partially occurs, distortion is caused by a difference in thermal expansion resulting from the temperature difference, and the micro heater is destroyed.
[0007]
An object of the present invention is to solve the above problems by controlling the generation of bubbles.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1, a heating element region (provided on the cavity (1 a) formed in the substrate (1) and having a heating element (40) formed therein ( 50), the surface of the heating element region (50) is made flat so that evaporation nucleation does not occur in the heating element region (50) when liquid is applied. It is a feature.
[0009]
Thus, evaporation nucleation can be reduced in the heater region 50 when liquid is applied.
[0010]
Further, the invention described in claim 1, the portion other than the heat generating element region (50), so forming a nucleation promoting region (60) to promote nucleation, the nucleation promoting region nucleation boiling can be like starting from (60), the nucleation of evaporation heater area (50) can be further reduced.
[0013]
The nucleation promotion region (60) described above is preferably formed around the heating element region (50) as in the invention described in claim 2 .
[0014]
As the nucleation promoting region (60) described above, as in the invention of claim 3, area projection (61) is provided on the surface or, as in the embodiment described in claim 4, the surface The surface roughness of the heating element region (50) can be higher than the surface roughness. In the latter case, as in the invention described in claim 5 , the surface roughness of the surface of the uppermost film of the thin film structure is made higher than the film formation state, or the surface film as in the invention described in claim 6. Can be a region where a polycrystalline film (62) is formed.
[0020]
According to invention of Claim 7 thru | or 12 , the method of manufacturing the above micro heaters can be provided.
[0021]
According to the invention described in claim 13 , it is possible to provide a flow sensor configured to detect the flow rate of the fluid having the microheater according to any one of claims 1 to 6. .
[0022]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a flow sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[0024]
In this flow sensor, a silicon nitride film 11 and a silicon oxide film 12 serving as a lower insulating film are formed on a semiconductor substrate 1 made of single crystal silicon or the like, and a fluid temperature detector that forms a thermometer thereon. 20 and a flow rate detection body (temperature measuring body) 30 and a heater (heat generating element) 40 are formed, and a silicon oxide film 13 and a silicon nitride film 14 to be an upper insulating film are further formed thereon. It has become.
[0025]
As shown in FIG. 2, a cavity 1 a is formed in the semiconductor substrate 1, and a diaphragm 10 having a thin film structure is formed on the cavity 1 a, and a flow rate detector 30 and a heater 40 are disposed on the diaphragm 10. Has been.
[0026]
The fluid temperature detector 20, the flow detector 30 and the heater 40 are arranged in that order from the upstream side with respect to the direction of fluid flow (indicated by the white arrow in FIG. 1). A pattern is formed by a resistor film made of a wiring material.
[0027]
The fluid temperature detector 20 detects the temperature of the fluid, and is disposed at a position sufficiently separated from the heater 40 so that the heat of the heater 40 does not affect the temperature detection. The heater 40 is controlled by a control circuit (not shown) so that the reference temperature is higher than the temperature detected by the fluid temperature detector 20 by a certain temperature.
[0028]
In the flow sensor configured as described above, when a fluid flows, the fluid temperature is measured by the fluid temperature detecting body 20, and the heater 40 is energized and controlled so as to reach a reference temperature that is higher than the measured temperature by a certain temperature. The Then, the heat distribution of the heater 40 changes depending on the size of the fluid flow, and the flow rate is detected by changing the resistance value of the flow rate detector 30 due to the change of the heat distribution.
[0029]
Here, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the surface of the heater region 50 having the heater 40 inside the diaphragm 10 is a flat surface. This prevents evaporation nucleation from occurring in the heater region 50 when liquid is applied.
[0030]
Further, a protrusion 61 is formed on the surface of the vicinity of the heater region 50 by the convex portion 15 formed on the silicon oxide film 13 so as to surround the heater region 50. The uneven area where the protrusions 61 are formed is a nucleation promotion area 60 that promotes nucleation of bubbles. It should be noted that the nucleation promotion region 60 may not be formed so as to surround the heater region 50 but may be formed only in a region sufficient to promote bubble nucleation.
[0031]
In such a structure, considering the case where water adheres while the heater 40 is generating heat, the heater region 50 generates heat at 100 ° C. or higher, but the adhering water is very clean and smooth. Above, boiling does not start even if the temperature is higher than the boiling point. Incidentally, as shown in FIG. 3, a silicon nitride film 11 and a silicon oxide film 12 are laminated on a semiconductor substrate 1, a flow rate detector 30 and a heater 40 are formed thereon, and a silicon oxide film is further formed thereon. In the case of the structure in which the silicon nitride film 14 and the silicon nitride film 14 are laminated, unevenness exists on the surface of the heater region 50 due to the pattern of the heater 40, and boiling starts from there as a nucleus, and bubbles are generated on the heater region 50.
[0032]
In this embodiment, since the surface of the heater region 50 is flattened and the nucleation promotion region 60 is provided around the heater region 50, boiling nucleation starts from the nucleation promotion region 60. Boiling occurs around the nucleation promotion region 60. For this reason, the water on the heater region 50 is agitated by the bubbles to improve heat transfer, and boiling does not occur on the heater region 50.
[0033]
Therefore, according to this embodiment, since the adhesion of bubbles on the heater region 50 is suppressed, a temperature difference does not occur due to the heat insulating effect due to the bubbles in the heater region 50, and the diaphragm is caused by the difference in thermal expansion coefficient. 10 can be prevented from being destroyed.
[0034]
Next, the manufacturing method of the above-described flow sensor will be described in order with reference to the process diagrams shown in FIGS. 4 and 5 (the figure corresponding to the AA cross section in FIG. 1).
[Step of FIG. 4A]
A single crystal silicon substrate 1 is used as a semiconductor substrate, a silicon nitride film 11 is formed on one surface (front surface) side by LPCVD, and a silicon oxide film 12 is formed thereon by CVD.
[0035]
Thus, by laminating the silicon oxide film 12 on the silicon nitride film 11, the adhesion with the wiring material formed on the silicon oxide film 12 is improved, and when the thin film structure is formed, the outer side Since the silicon nitride film 11 having water resistance is disposed on the substrate, the moisture resistance of the thin film structure can be improved.
[Step of FIG. 4B]
A Pt film as a resistor material is deposited on the silicon oxide film 12 at 200 ° C. by a vacuum vapor deposition machine, and the Pt film is patterned into a wiring shape of the fluid temperature detector 20, the flow detector 30 and the heater 40 by etching or the like.
[0036]
Here, the resistor material may be polysilicon, NiCr, TaN, SiC, W, or the like. In this case, a single film is more preferable than a multilayer film. Further, a Ti layer or a Cr layer may be inserted between the silicon oxide film 12 and the Pt film as an adhesive layer for the purpose of enhancing the adhesion, and the adhesive layer may be interposed between the resistor material and the upper film. It may be inserted.
[Step of FIG. 4C]
A silicon oxide film 13 is deposited for insulation between the fluid temperature detector 20, the flow rate detector 30 and the heater 40. Here, the surface of the silicon oxide film 13 is uneven due to the pattern on the fluid temperature detector 20, the flow detector 30 and the heater 40.
[Step of FIG. 4D]
In order to remove the irregularities formed on the surface of the silicon oxide film 13, CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like is performed to flatten the surface of the silicon oxide film 13. Note that the planarization may be performed using etch back.
[Step of FIG. 5A]
A silicon nitride film is formed on the silicon oxide film 13 and patterned by etching to form the convex portion 15. In this case, for example, the silicon nitride film can be selectively removed by etching using phosphoric acid or the like, and the silicon oxide film 13 can be hardly etched. The protrusion 15 can be formed by patterning the silicon oxide film 13 after the CMP process of FIG. 4D. However, since the unevenness due to etching unevenness is considered, the silicon nitride film It is desirable to form the convex part 15 with.
[Step of FIG. 5B]
A silicon nitride film 14 which is a surface protective film is formed. In this state, a protrusion 61 is formed on the surface of the silicon nitride film 14.
[0037]
Thereafter, although not shown, openings are formed in the silicon nitride film 14 in order to form electrode pads for the fluid temperature detector 20, the flow detector 30 and the heater 40.
[Step of FIG. 5C]
A mask material (for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film) 16 is formed on the back surface of the silicon substrate 1 and etched to form an opening 17.
[Step of FIG. 5D]
The cavity 1a is formed by anisotropically etching the back side of the silicon substrate 1 until the silicon nitride film 11 is exposed. The end point detection at this time can be easily stopped by using, for example, TMAH (4-methylammonium hydroxide) as an etching solution because the etching rate of the silicon nitride film 11 is very small with respect to silicon.
[0038]
In this way, the flow sensor shown in FIGS. 1 and 2 can be manufactured.
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the nucleation promotion region 60 is formed by the protrusion 61. However, the surface roughness of the nucleation promotion region 60 may be higher than that of the heater region 50. For example, as shown in FIG. 6, the nucleation promotion region 60 may be formed by roughening the surface of the silicon nitride film 14 by etching. By doing so, bubbles can be easily generated in the nucleation promotion region 60 having a higher surface roughness than on the smooth heater region 50.
[0039]
In this embodiment, after the step of FIG. 4D in the first embodiment, the silicon nitride film 14 is formed in the step of FIG. As shown in FIG. 7A, the formation region of the flow rate detector 30 and the heater region 50 are protected by a resist 18, and as shown in FIG. 7B, portions other than the portion protected by the resist 18 are dry-etched, for example. To increase the surface roughness. Thereafter, the steps shown in FIGS. 5C and 5D are performed to manufacture the flow sensor shown in FIG.
[0040]
Further, instead of making the surface of the silicon nitride film 14 rough, a film 62 having a high surface roughness such as polycrystalline silicon is formed as shown in FIG. May be. Also in this case, bubbles can be easily generated in the formation region of the film 62 having a higher surface roughness than on the smooth heater region 50.
[0041]
In addition to the configuration shown in FIG. 3, such a region can be obtained only by forming the uneven region 60 and the

regions

61 and 62 whose surface roughness is higher than that of the heater region 50 as shown in the first and second embodiments. Therefore, boiling on the heater region 50 can be suppressed.
(Third embodiment)
In the first and second embodiments described above, the surface of the heater region 50 is flattened to suppress the generation of bubbles in the heater region 50. However, as shown in FIG. A film 70 having good wettability (hydrophilicity) may be formed. Since the hydrophilic film 70 can reduce the adsorption force of the bubbles to the film 70, it is possible to promote the separation of the bubbles from the film 70. As a result, generation of bubbles in the heater region 50 can be suppressed.
[0042]
The mechanism in this embodiment will be described.
[0043]
As shown in FIG. 10A, when a drop of liquid is dropped on the substrate, the liquid-gas interfacial tension σ (liquid-gas) is in the tangential direction of the liquid on the hemisphere, and the interface between the substrate and liquid is the interface. There is a tension σ (solid liquid) and σ (solid gas) between the substrate and bubbles, and the interfacial tension between the liquid and gas is generated at an angle θ with respect to the substrate. In this case, there is a relationship of Mathematical Formula 1 among σ (solid gas), σ (solid liquid), and σ (liquid gas).
[0044]
[Expression 1]
σ (solid gas) −σ (solid liquid) = σ (liquid gas) cos θ
If the substrate is immersed in a liquid and the substrate is heated to generate bubbles, the result is as shown in FIG. At this time, since the buoyancy and the adhesion force to the substrate are balanced, the relationship of Formula 2 is established (see: Fritz W., Phys. Zeitsch., 36 (1935), p. 379). .
[0045]
[Expression 2]

[0046]
Here, D is the bubble diameter, σ (liquid-gas) is the interfacial tension, θ is the contact angle at the time of separation, g is the gravitational acceleration, ρ _v is the gas density, and ρ _l is the liquid density.
[0047]
From Equation 2, the interfacial tension σ (liquid / gas) is small (σ (solid gas) is large or σ (solid / liquid) is small when replaced with a substrate), that is, the film has good wettability (hydrophilicity). The bubble diameter D becomes small, and the bubbles are released quickly.
[0048]
Therefore, as shown in FIG. 9, by forming a film 70 with good wettability (hydrophilicity) on the heater region 50, the bubbles on the heater region 50 can be easily separated. Here, as a material having good wettability and showing hydrophilicity, for example, a material obtained by applying ultraviolet rays to TiO ₂ (titanium oxide) can be used. By applying ultraviolet light to TiO ₂ , it becomes a superhydrophilic state, and by forming such a film, detachment of bubbles can be promoted.
[0049]
In the various embodiments described above, the diaphragm type structure is shown as the thin film structure of the flow rate detector 30 and the heater 40, but a bridge type structure may be used. Further, the flow rate detector 30 may be provided not only on one side of the heater 40 but also on both sides. In this case, the flow rate is measured by the detected temperature difference between the flow rate detectors 30 provided on both sides.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a flow sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
3 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a comparative example with respect to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
FIG. 4 is a process chart showing the flow sensor manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a process diagram showing a process shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a first example of a flow sensor according to a second embodiment of the present invention.
7 is a process diagram showing a partial manufacturing method of the flow sensor shown in FIG. 6; FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a second example of a flow sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a flow sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the mechanism of a flow sensor according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate, 1a ... Hollow part, 10 ... Diaphragm,
11 ... Silicon nitride film, 12 ... Silicon oxide film, 13 ... Silicon oxide film,
14 ... Silicon nitride film, 15 ... Projection, 20 ... Fluid temperature detector,
30 ... Flow rate detector, 40 ... Heater, 50 ... Heater region, 60 ... Uneven region,
61: High surface roughness region, 62: High surface roughness film such as polycrystalline silicon.

Claims

In a microheater having a thin film structure provided on a cavity (1a) formed in a substrate (1) and having a heating element region (50) in which a heating element (40) is formed,
The surface of the heating element region (50) is a flat surface that does not cause nucleation of evaporation in the heating element region (50) when liquid is applied,
A nucleation promotion region (60) that promotes nucleation of evaporation when liquid is applied to a portion other than the heating element region (50) .

The micro heater according to claim 1 , wherein the nucleation promoting region (60) is formed around the heating element region (50).

The microheater according to claim 1 or 2 , wherein the nucleation promotion region (60) is a region having a protrusion (61) on a surface thereof .

The micro heater according to claim 1 or 2 , wherein the nucleation promotion region (60) is a region having a surface roughness higher than that of the heat generating element region (50).

The microheater according to claim 4 , wherein the region having a high surface roughness of the surface is a region in which the surface roughness of the surface of the uppermost film of the thin film structure is higher than the film formation state.

The microheater according to claim 4 , wherein the region having a high surface roughness is a region in which a surface film is a polycrystalline film (62).

A microheater having a thin film structure having a heating element region (50) in which a plurality of films (11-14, 20, 30, 40) are stacked on a substrate (1) and a heating element (40) is formed therein. In the method of manufacturing
In the film (13) formed after forming the heating element (40), the film (13) has a step of removing unevenness caused by the formation of the heating element (40) and flattening the film surface,
Step, CMP (Chemical Mechanical Polishing) by the method of manufacturing a micro-heater characterized in that the step of flattening the film surface to flatten the irregularities.

A microheater having a thin film structure having a heating element region (50) in which a plurality of films (11-14, 20, 30, 40) are stacked on a substrate (1) and a heating element (40) is formed therein. In the method of manufacturing
In the film (13) formed after forming the heating element (40), the film (13) has a step of removing unevenness caused by the formation of the heating element (40) and flattening the film surface,
The method for manufacturing a micro-heater you characterized in that the step of flattening the film surface by etching back to flatten the irregularities.

A microheater having a thin film structure having a heating element region (50) in which a plurality of films (11-14, 20, 30, 40) are stacked on a substrate (1) and a heating element (40) is formed therein. In the method of manufacturing
Removing the unevenness caused by the formation of the heating element (40) in the film (13) formed after forming the heating element (40), and flattening the film surface;
Thereafter, the micro heater characterized in that it comprises the the portion other than the heat generating element region (50), forming a nucleation promoting region (60) to encourage nucleation of the evaporated when with the liquid, the Manufacturing method.

The method for manufacturing a microheater according to claim 9 , wherein the step of forming the nucleation promotion region (60) is a step of forming a protrusion (61) on the surface.

The method for producing a microheater according to claim 9 , wherein the step of forming the nucleation promotion region (60) is a step of roughening the surface by etching.

The method for producing a microheater according to claim 9 , wherein the step of forming the nucleation promotion region (60) is a step of forming a polycrystalline film (62) as a surface film.

A flow sensor comprising the microheater according to any one of claims 1 to 6 and configured to detect a flow rate of a fluid.