JP4590791B2

JP4590791B2 - Sensor manufacturing method

Info

Publication number: JP4590791B2
Application number: JP2001202472A
Authority: JP
Inventors: 明彦勅使河原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: JP2003014519A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアフローセンサ等、薄膜構造部（メンブレン）を有するセンサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のセンサは、一般に、一面から他面へと貫通する空洞部を有する基板と、基板の一面上にて空洞部上に設けられた薄膜構造部（メンブレン）とを備えた構造となっている。このようなものとしては、エアフローセンサやガスセンサ等が種々知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなセンサとして、例えば、エンジンの吸排気系統に取り付けられ吸気や排気の流量を検出するエアフローセンサを考えた場合、エンジンのバックファイアによる圧力上昇に対して、センサの薄膜構造部が十分な静耐圧を持っていなければならない。また、測定流体中に含まれるダストの衝突に対して十分な衝撃耐性を持っていなければならない。
【０００４】
この様な問題に対して、単純には、薄膜構造部の厚さを大きくしたり、面積を縮小したりすることが考えられる。薄膜構造部の利点は、熱逃げを抑制することにあるが、薄膜構造部の厚さの増加やサイズの縮小による静耐圧・衝撃耐性の向上は、薄膜構造部の熱逃げを大きくし、消費電力の増加等の弊害を招いてしまう。
【０００５】
そこで、本出願人は、先に、エアフローセンサに係るものとして、特願２０００−６３６１号（平成１２年１月１２日出願）において、次の図７に示す様なセンサ構造を提案している。
【０００６】
このものは、一面から他面へと貫通する空洞部１ａを有する基板１と、基板１の一面上に設けられた犠牲層２と、基板１の一面上にて犠牲層２を介して空洞部１ａ上に設けられた薄膜構造部１０とを備え、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間には、空洞部１ａと連通する隙間部１１ａが形成されているものである。
【０００７】
ここで、薄膜構造部１０は、下部絶縁膜３と上部絶縁膜８との間に、測温体６やヒータ７といった流量検出用の抵抗体パターンが挟まれた積層構造をなしている。そして、図７において、センサの上部を流れる流体の流量は、これら抵抗体の抵抗値変化等に基づいて検出されるようになっている。
【０００８】
なお、このようなセンサは、基板１の一面に、犠牲層２、薄膜構造部１０を形成した後、基板１の他面から基板１をエッチングすることにより空洞部１ａを形成し、続いて、空洞部１ａから犠牲層２をエッチングすることにより薄膜構造部１０の端部において基板１と薄膜構造部１０との間に、空洞部１ａと連通する隙間部１１ａを形成することにより製造することができる。
【０００９】
この図７に示すセンサによれば、薄膜構造部１０の端部にて隙間部１１ａが形成されているため、隙間部１１ａにて薄膜構造部１０と対向する基板１の部分が支え部１ｂとして構成される。そのため、大きな圧力やダスト等の衝撃力により薄膜構造部１０が、下方にたわんでも、上記支え部１ｂにより薄膜構造部１０の変形を支え、その破壊を防止することができる。
【００１０】
しかしながら、支え部１ｂの機能を向上させるには、支え部１ｂの出っ張り量を大きくする必要があるが、このように支え部１ｂの出っ張り量が大きくなってくると、薄膜構造部１０と支え部１ｂとの接触面積が大きくなり、両者が付着（スティッキング）しやすくなる。すると、薄膜構造部１０が変形したままとなる等、弊害が生じる。
【００１１】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、薄膜構造部と支え部とのスティッキングを極力抑制することを目的とする。
【００１２】
【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に記載の発明が製造するセンサは、一面から他面へと貫通する空洞部（１ａ）を有する基板（１）と、基板の一面上に設けられた犠牲層（２）と、基板の一面上にて犠牲層を介して空洞部上に設けられた薄膜構造部（１０）とを備え、薄膜構造部の端部において、基板と薄膜構造部との間には、空洞部と連通する隙間部（１１）が形成されており、この隙間部の大きさは犠牲層の厚さよりも大きくなっていることを特徴とする。
【００１３】
上記図７に示したセンサでは、隙間部の大きさ（薄膜構造部と基板との間隔）が犠牲層の厚さと同じであるが、本発明が製造するセンサでは、隙間部の大きさは犠牲層の厚さよりも大きくなっている。
【００１４】
それにより、本発明が製造するセンサでは、隙間部における薄膜構造部と基板（つまり、支え部）との間隔を、従来に比べて大きくすることができるため、薄膜構造部と支え部とのスティッキングを極力抑制することができる。
【００１５】
ここで、請求項３に記載の発明のように、基板（１）と犠牲層（２）とは同一の元素から構成される材料よりなるものにできる。
【００１６】
このような材料としては、請求項４や請求項５に記載の発明のように、基板（１）が単結晶シリコンよりなる場合、犠牲層（２）としては、多結晶シリコンやアモルファスシリコン等を採用することができる。
【００２２】
そして、請求項１に記載の発明では、基板（１）を用意し、基板の一面に、基板とはエッチング条件が同一である材料よりなる犠牲層（２）を形成する工程と、犠牲層の上に薄膜構造部（１０）を形成する工程と、基板の他面から基板をエッチングすることにより、基板の他面から犠牲層まで通じる空洞部（１ａ）を形成した後、同一のエッチング条件にて、空洞部から犠牲層をエッチングすることにより、犠牲層のうち空洞部に面した部分及び空洞部の周囲に位置する一部を除去する工程とを備え、
犠牲層のうち空洞部に面した部分及び空洞部の周囲に位置する一部を除去する工程で、犠牲層の除去により形成された隙間（１１ａ）において薄膜構造部と対向する基板の部分を、犠牲層と同時に一部エッチングすることにより、薄膜構造部の端部であって、基板と薄膜構造部との間に、空洞部と連通し、かつ、犠牲層の厚さよりも大きな間隔を有する隙間部（１１）を形成することを特徴とする。
【００２３】
それによれば、犠牲層が、基板とはエッチング条件が同一である材料よりなるため、基板の他面から基板をエッチングする工程と犠牲層をエッチングする工程とは、同一エッチング条件にて続けて行うことができ、工程の簡略化が図れる。
【００２４】
また、基板と犠牲層とは、エッチング条件が同一である材料よりなるため、犠牲層のうち空洞部の周囲に位置する一部を除去する際に、犠牲層の除去により形成された隙間において薄膜構造部と対向する基板の部分も、犠牲層と同時に一部エッチング除去される。
【００２６】
また、請求項２に記載の発明では、犠牲層（２）を形成する工程では、犠牲層がエッチングされる領域のみに犠牲層が配置されるように、犠牲層をパターニングすることを特徴とする。
【００２７】
それによれば、予めエッチングされるべき部分にのみ犠牲層を配置することができるので、犠牲層エッチングの時間管理が不要になる。薄膜構造部の面積や支え部の出っ張り量は、犠牲層がエッチングされた量によって画定されるが、本発明によれば、これら部分のサイズが犠牲層エッチングの時間任せにならずに、精度の良いものとなる。
【００２８】
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一例である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下の実施形態では、薄膜構造部をもつセンサとしてフローセンサに本発明を適用した場合について示す。なお、各実施形態において、互いに同一部分には、図中、同一符号を付してある。
【００３０】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るフローセンサＳ１の斜視図であり、図２は第１実施形態に係るフローセンサＳ１の断面図であって、図１におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【００３１】
１は、本発明でいう基板であり、単結晶シリコン等で形成された半導体基板より構成されている。図２に示す様に、基板１には、一面（図中の上面）から他面（図中の下面）へと貫通する空洞部１ａが形成されている。
【００３２】
基板１の一面上には、空洞部１ａ上を除いてシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）よりなる設けられた犠牲層２が形成されている。そして、犠牲層２の上には、下層絶縁膜となるシリコン窒化膜（ＳｉＮ）３およびシリコン酸化膜４が順次形成されており、これら下部絶縁膜３、４は、空洞部１ａ上にも形成されている。
【００３３】
下部絶縁膜３、４の上（シリコン酸化膜４の上）には、温度計をなす流体温度検出体５および流量検出体（測温体）６が形成されるとともにヒータ（発熱体）７が形成されている。これら部材５、６、７は、図１に示す様に、蛇行形状にパターニングされた流量検出用の抵抗体膜であり、Ｐｔ等により構成されている。
【００３４】
流体温度検出体５、流量検出体６およびヒータ７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いる。流体温度検出体５は、流体の温度を検出するもので、ヒータ７の熱がその温度検出に影響を及ぼさないようにヒータ７から十分離隔した位置に配設されている。ヒータ７は、流体温度検出体５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。
【００３５】
また、これら抵抗体膜５〜７および下部絶縁膜３、４の上には、上部絶縁膜となるシリコン酸化膜８およびシリコン窒化膜９が形成された構造となっている。こうして、空洞部１ａ上には、流量検出体６及びヒータ７が下部絶縁膜３、４と上部絶縁膜８、９とに挟まれて積層された薄膜構造部（メンブレン）１０が形成されており、この薄膜構造部１０は、基板１の一面上にて犠牲層２を介して空洞部１ａ上に設けられた形となっている。
【００３６】
また、本実施形態では、図２に示す様に、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間には、空洞部１ａと連通する隙間部１１が形成されている。この隙間部１１の大きさは犠牲層２の厚さよりも大きくなっている。
【００３７】
具体的に、図２に示す例では、隙間部１１は、その犠牲層２側の端部と空洞部１ａ側の端部との間に段差を有し、空洞部側が一段と低くなっている。そして、隙間部１１を介して薄膜構造部１０と対向する基板１の部分が、薄膜構造部１０の変形を支える支え部１ｂとして構成されている。
【００３８】
このようなフローセンサＳ１では、流体温度検出体５から得られる流体温度よりも一定温度高い温度になるようにヒータ７を駆動する。そして、流体が流れることにより、図１の白抜き矢印で示す順流においては、流量検出体６は熱を奪われて温度が下がり、白抜き矢印の逆方向である逆流では熱が運ばれて温度が上がるため、この流量検出体６と流体温度検出体５との温度差から流体の流量および流れ方向を検出するものである。このとき、流体温度検出体５および流量検出体６を形成している金属配線の抵抗値変動から温度を測定（検出）している。
【００３９】
次に、上記図２を参照し、フローセンサＳ１の製造方法について述べる。基板として単結晶のシリコン基板１を用意する（基板用意工程）。この基板１は、空洞部１ａが形成されていないものである。
【００４０】
まず、基板１の一面に、基板１とはエッチング条件（エッチャントの種類やエッチング温度等）が異なる材料としてＳｉＯ₂よりなる犠牲層２を、熱酸化等により形成する（犠牲層形成工程）。このとき、犠牲層２は、基板１の一面において空洞部１ａとなる予定の部位の上にも形成される。
【００４１】
次に、犠牲層２の上に、熱ＣＶＤ法等によりシリコン窒化膜３を成膜し、その上に、プラズマＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜４を成膜する。これにより、下部絶縁膜３、４が形成される（下部絶縁膜形成工程）。
【００４２】
次に、抵抗体膜材料としてＰｔ膜を真空蒸着等によりシリコン酸化膜４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５、流量検出体６およびヒータ７の配線形状にパターニングする（抵抗体膜形成工程）。
【００４３】
次に、流体温度検出体５、流量検出体６およびヒータ７間の絶縁のために、プラズマＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜８を堆積させる。その上に、熱ＣＶＤ法等によりシリコン窒化膜９を成膜することで上部絶縁膜８、９が形成される（上部絶縁膜形成工程）。
【００４４】
こうして、下部絶縁膜形成、抵抗体膜形成、および上部絶縁膜形成の各工程を経て、犠牲層２の上に、薄膜構造部１０が形成される。なお、その後、図示しないが、各抵抗体膜５〜７の電極パッド形成のために上部絶縁膜８、９に開口を形成する。
【００４５】
次に、基板１の他面から基板１をエッチングすることにより、基板１の他面から犠牲層２まで通じる空洞部１ａを形成する（基板エッチング工程）。具体的には、シリコン基板１の裏面に、例えばシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜よりなるマスク材Ｍ（図２参照）を形成し、このマスク材Ｍをエッチングして空洞部１ａに対応した開口部を形成する。
【００４６】
そして、シリコン基板１の他面側を犠牲層２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ＳｉＯ₂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。
【００４７】
次に、空洞部１ａから犠牲層２をエッチングすることにより、犠牲層２のうち空洞部１ａに面した部分及び空洞部１ａの周囲に位置する一部を除去する（犠牲層エッチング工程）。具体的には、基板エッチング工程とはエッチング条件を変え、フッ酸等のウェットエッチングにて、犠牲層２を構成するシリコン酸化膜を除去する。
【００４８】
図３は、本製造方法におけるエッチングに係る工程を説明するための説明図である。上記犠牲層エッチング工程の終了に伴い、図３中の破線にて示す様に、薄膜構造部１０の端部には、犠牲層２の厚さと同等の間隔を有する隙間１１ａが形成される。
【００４９】
次に、犠牲層２の除去により形成された隙間１１ａにおいて薄膜構造部１０と対向する基板１の部分を、エッチングする（隙間部形成工程）。具体的には、上記基板エッチング工程のエッチング条件と同様、ＴＭＡＨ等を用いたシリコンの異方性エッチングを行う。それにより、図３において破線状態から実線状態にまで、基板１がエッチングされる。
【００５０】
このとき、ＴＭＡＨエッチングの異方性により、基板１のテーパ面はほとんどエッチングされないが、隙間１１ａに面した基板１の面はエッチングが進むため、図３のように隙間１１ａが広がる。
【００５１】
このようにして、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間に、空洞部１ａと連通し且つ犠牲層２の厚さよりも間隔の広い隙間部１１が形成されることにより、上記図１、図２に示すフローセンサＳ１を適切に製造することができる。
【００５２】
ところで、本実施形態によれば、上記図７に示すセンサと同様、薄膜構造部１０の端部にて隙間部１１を形成することで、基板１に支え部１ｂを形成しているため、大きな圧力やダスト等の衝撃力により薄膜構造部１０が、空洞部１ａ側にたわんでも、支え部１ｂにより薄膜構造部１０の変形を支え、その破壊を防止することができる。
【００５３】
また、隙間部１１の大きさを犠牲層２の厚さよりも大きくしているため、隙間部における薄膜構造部と基板（つまり、支え部）との間隔を、従来のフローセンサ（上記図７参照）に比べて大きくすることができる。
【００５４】
そのため、薄膜構造部１０と支え部１ｂとが接触した時の薄膜構造部２のたわみ度合は、従来よりも大きくなり、支え部１ｂから薄膜構造部１０が離れようとする力も従来よりも大きくなる。その結果、薄膜構造部１０と支え部１ｂとのスティッキングを防止することができる。
【００５５】
なお、本実施形態によれば、薄膜構造部２がたわんで支え部１ｂに接するまでの距離は、従来よりも増大するが、本実施形態のように、エッチングにより隙間部１１の間隔を大きくする方法では、上記距離の増大は、薄膜構造部２がたわみ変形可能な程度（破損しない程度）の範囲に抑えられるため、問題はない。
【００５６】
また、隙間部１１の間隔を大きくするためには、単純には、犠牲層２の厚さを厚くすることが考えられるが、その場合、犠牲層２の成膜に時間がかかるし、センサ全体の厚みも増大してしまう。しかし、本実施形態によれば、上記構成および製造方法から明らかなように、犠牲層２の厚さを厚くすることなく、隙間部１１の間隔を大きくすることができる。
【００５７】
（第２実施形態）
本実施形態は、上記第１実施形態において、犠牲層２をシリコン酸化膜に代えて、基板１とはエッチング条件が同一であってエッチング速度の異なる材料、具体的には、基板１が単結晶シリコンの場合、犠牲層２を多結晶シリコンやアモルファスシリコン等より構成するようにしたものであり、上記第１実施形態とは、主として製造方法の点で相違するものである。
【００５８】
本実施形態のフローセンサの製造方法は、上記第１実施形態同様、基板１を用意する。次に、基板１の一面に、基板１とはエッチング条件が同一である材料よりなる犠牲層２を形成する（犠牲層形成工程）。具体的には、基板１の一面上に、ＣＶＤ法等により多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）またはアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）よりなる犠牲層２を成膜する。
【００５９】
次に、上記第１実施形態と同様に、下部絶縁膜形成、抵抗体膜形成、および上部絶縁膜形成の各工程を経て、犠牲層２の上に、薄膜構造部１０を形成する。
【００６０】
次に、本実施形態においても、基板１の他面から基板１をエッチングすることにより、基板１の他面から犠牲層２まで通じる空洞部１ａを形成する工程（基板エッチング工程）と、空洞部１ａから犠牲層２をエッチングすることにより、犠牲層２のうち空洞部１ａに面した部分及び空洞部１ａの周囲に位置する一部を除去する工程（犠牲層エッチング工程）とを、行う。
【００６１】
ここにおいて、本実施形態では、犠牲層２は、基板１とエッチング条件が同一である材料（ｐｏｌｙ−Ｓｉまたはα−Ｓｉ等）よりなるため、基板エッチング工程と犠牲層エッチング工程とは、同一のエッチング条件、例えばＴＭＡＨを用いたエッチングによって続けて行うことができる。
【００６２】
このエッチングについて、図４を参照して説明する。まず、ワークをＴＭＡＨエッチング液中に浸漬し、異方性エッチングによって空洞部１ａを形成する。続いて、ワークをエッチング液中に浸漬したままエッチングを継続する。すると、犠牲層２がエッチング除去されるが、このとき、犠牲層２の除去により形成された隙間１１ａにおいて薄膜構造部１０と対向する基板１の部分も、図中の破線から実線に示す様に、犠牲層２と同時に一部エッチングされる。
【００６３】
このとき、ＴＭＡＨエッチングの異方性により、基板１のテーパ面はほとんどエッチングされないが、犠牲層２は多結晶あるいはアモルファスであるがゆえエッチングが進行する。そして、犠牲層２がエッチングされた部分では基板１もエッチングされるため、図４のようなテーパ形状になる。
【００６４】
それによって、本実施形態においても、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間には、空洞部１ａと連通し且つ犠牲層２の厚さよりも大きな間隔を有する隙間部１１が形成される。本実施形態では、図４に示す様に、隙間部１１は、その犠牲層２側の端部から空洞部１ａ側の端部へ向かってテーパ状に低くなっている。
【００６５】
そして、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏するフローセンサを実現することができる。また、本実施形態の製造方法によれば、エッチング条件をいちいち変えることなく、空洞部１ａおよび隙間部１１を形成することができ、工程の簡略化につながる。
【００６６】
（第３実施形態）
図５は、本実施形態の要部を示す概略断面図である。本実施形態においても、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間には、空洞部１ａと連通する隙間部１１が形成されている。
【００６７】
ここにおいて、本実施形態では、隙間部１１にて薄膜構造部１０と対向する基板１の面が、荒れた面すなわち微小な凹凸を有する面となっている。エッチング液の濃度や温度を制御することによってエッチング面を荒らすという技術が知られており、この技術を用いて本実施形態における荒れた面を実現することができる。
【００６８】
例えば、上記第１実施形態にて基板用意工程から犠牲層エッチング工程までを行った後、隙間部形成工程において、エッチング液の濃度や温度を、基板エッチング工程とは変えて制御することにより、上記荒れた面を形成することができる。
【００６９】
本実施形態によれば、隙間部１１にて薄膜構造部１０と対向する基板１の面（つまり支え部１ｂの面）が、基板１と薄膜構造部１０との付着を防止可能なように荒れた面とすることができるため、薄膜構造部１０と支え部１ｂとのスティッキングを極力抑制することができる。
【００７０】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態に示した製造方法において、犠牲層形成工程では、犠牲層２が犠牲層エッチング工程にてエッチングされる領域のみに、犠牲層２が配置されるように、犠牲層２をフォトリソグラフ法等によりパターニングするようにしても良い。つまり、最終的な薄膜構造部１０の外形に対応した形状に犠牲層２をパターニングする。そのような例を、図６に一部概略断面図として示す。
【００７１】
それによれば、予めエッチングされるべき部分にのみ犠牲層２を配置することができるので、後の犠牲層エッチング工程におけるエッチング時間の管理が不要になる。薄膜構造部１０の面積や支え部１ｂの出っ張り量は、犠牲層２がエッチングされた量によって画定されるが、本例によれば、薄膜構造部１０のサイズが犠牲層エッチングの時間任せにならずに、精度の良いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るフローセンサの斜視図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ概略断面図である。
【図３】上記第１実施形態に係るフローセンサの製造方法におけるエッチングに係る工程を説明するための説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るフローセンサの製造方法におけるエッチングに係る工程を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るフローセンサの要部を示す概略断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態の要部を示す概略断面図である。
【図７】本出願人の先願に係るフローセンサの概略断面図である。
【符号の説明】
１…基板、１ａ…空洞部、２…犠牲層、１０…薄膜構造部、１１…隙間部、
１１ａ…隙間。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensor having a thin film structure (membrane) such as an airflow sensor and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
This type of sensor generally has a structure including a substrate having a hollow portion penetrating from one surface to the other surface, and a thin film structure (membrane) provided on the hollow portion on one surface of the substrate. Yes. As such a thing, an airflow sensor, a gas sensor, etc. are variously known.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As such a sensor, for example, when considering an airflow sensor that is attached to an intake / exhaust system of an engine and detects a flow rate of intake or exhaust, a thin film structure portion of the sensor is sufficient for an increase in pressure due to an engine backfire. Must have static pressure resistance. Moreover, it must have sufficient impact resistance against the collision of dust contained in the measurement fluid.
[0004]
To solve such a problem, simply increasing the thickness of the thin film structure or reducing the area can be considered. The advantage of the thin film structure is that it suppresses heat escape, but the increase in thickness and reduction in size of the thin film structure increases the static pressure resistance and impact resistance, thereby increasing the heat escape of the thin film structure. It will cause adverse effects such as an increase in power.
[0005]
Therefore, the applicant has previously proposed a sensor structure as shown in FIG. 7 in Japanese Patent Application No. 2000-6361 (filed on January 12, 2000) as an air flow sensor. .
[0006]
This includes a substrate 1 having a cavity 1a penetrating from one surface to the other surface, a sacrificial layer 2 provided on one surface of the substrate 1, and a cavity portion on one surface of the substrate 1 via the sacrificial layer 2. And a thin film structure portion 10 provided on 1a. At the end of the thin film structure portion 10, a gap portion 11a communicating with the cavity portion 1a is formed between the substrate 1 and the thin film structure portion 10. Is.
[0007]
Here, the thin film structure 10 has a laminated structure in which a flow rate detecting resistor pattern such as a temperature measuring element 6 and a heater 7 is sandwiched between the lower insulating film 3 and the upper insulating film 8. In FIG. 7, the flow rate of the fluid flowing through the upper part of the sensor is detected based on a change in the resistance value of these resistors.
[0008]
In such a sensor, the sacrificial layer 2 and the thin film structure 10 are formed on one surface of the substrate 1, and then the cavity 1a is formed by etching the substrate 1 from the other surface of the substrate 1, It can be manufactured by etching the sacrificial layer 2 from the cavity 1 a to form a gap 11 a communicating with the cavity 1 a between the substrate 1 and the thin film structure 10 at the end of the thin film structure 10. it can.
[0009]
According to the sensor shown in FIG. 7, since the gap 11a is formed at the end of the thin film structure 10, the portion of the substrate 1 that faces the thin film structure 10 in the gap 11a serves as the support 1b. Composed. Therefore, even if the thin film structure portion 10 bends downward due to a large pressure or an impact force such as dust, the support portion 1b supports the deformation of the thin film structure portion 10 and can prevent the destruction.
[0010]
However, in order to improve the function of the support portion 1b, it is necessary to increase the amount of protrusion of the support portion 1b. When the amount of protrusion of the support portion 1b increases as described above, the thin film structure portion 10 and the support portion are increased. The contact area with 1b becomes large, and it becomes easy for both to adhere (sticking). Then, a bad effect arises, such as the thin film structure part 10 remaining deformed.
[0011]
In view of the above problems, an object of the present invention is to suppress sticking between a thin film structure portion and a support portion as much as possible.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a sensor manufactured by the invention according to claim 1 includes a substrate (1) having a cavity (1a) penetrating from one surface to the other surface, and a sacrifice provided on one surface of the substrate. A layer (2) and a thin film structure (10) provided on the cavity through a sacrificial layer on one surface of the substrate, and between the substrate and the thin film structure at the end of the thin film structure Is formed with a gap portion (11) communicating with the hollow portion, and the size of the gap portion is larger than the thickness of the sacrificial layer.
[0013]
In the sensor shown in FIG. 7, the size of the gap (the distance between the thin film structure and the substrate) is the same as the thickness of the sacrificial layer. However, in the sensor manufactured by the present invention, the size of the gap is sacrificed. It is larger than the thickness of the layer.
[0014]
As a result, in the sensor manufactured by the present invention, the gap between the thin film structure portion and the substrate (that is, the support portion) in the gap portion can be increased as compared with the conventional case. Can be suppressed as much as possible.
[0015]
Here, as in the third aspect of the invention, the substrate (1) and the sacrificial layer (2) can be made of a material composed of the same element.
[0016]
As such a material, when the substrate (1) is made of single crystal silicon as in the inventions according to claims 4 and 5, the sacrificial layer (2) is made of polycrystalline silicon, amorphous silicon, or the like. Can be adopted.
[0022]
Then, in the invention according to claim 1, prepared substrate (1), on one surface of a substrate, forming a sacrificial layer made of a material etching conditions are the same as the substrate (2), the sacrificial layer Forming the thin film structure (10) on the top and etching the substrate from the other surface of the substrate to form the cavity (1a) from the other surface of the substrate to the sacrificial layer, and then the same etching conditions And etching the sacrificial layer from the cavity to remove a portion of the sacrificial layer facing the cavity and a portion located around the cavity ,
In the step of removing the portion facing the cavity portion and the portion located around the cavity portion of the sacrificial layer, the portion of the substrate that faces the thin film structure portion in the gap (11a) formed by removing the sacrificial layer, By partially etching at the same time as the sacrificial layer, a gap is formed at the end of the thin film structure part, between the substrate and the thin film structure part, communicating with the cavity and having a gap larger than the thickness of the sacrificial layer It characterized that you form a unit (11).
[0023]
According to this, since the sacrificial layer is made of a material having the same etching condition as that of the substrate, the step of etching the substrate from the other surface of the substrate and the step of etching the sacrificial layer are continuously performed under the same etching conditions. Therefore, the process can be simplified.
[0024]
In addition, since the substrate and the sacrificial layer are made of materials having the same etching conditions, a thin film is formed in the gap formed by removing the sacrificial layer when removing a portion of the sacrificial layer located around the cavity. The portion of the substrate facing the structure portion is also partially etched away simultaneously with the sacrificial layer.
[0026]
In the invention described in claim 2 , in the step of forming the sacrificial layer (2), the sacrificial layer is patterned so that the sacrificial layer is disposed only in a region where the sacrificial layer is etched. .
[0027]
According to this, since the sacrificial layer can be disposed only in the portion to be etched in advance, the time management of the sacrificial layer etching becomes unnecessary. The area of the thin film structure and the amount of protrusion of the support are defined by the amount of sacrificial layer etched.According to the present invention, the size of these parts does not depend on the time of sacrificial layer etching, and the accuracy of It will be good.
[0028]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following embodiments, a case where the present invention is applied to a flow sensor as a sensor having a thin film structure will be described. In each embodiment, the same reference numerals are given to the same parts in the drawings.
[0030]
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a flow sensor S1 according to the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the flow sensor S1 according to the first embodiment, showing a cross section taken along line AA in FIG.
[0031]
Reference numeral 1 denotes a substrate referred to in the present invention, which is composed of a semiconductor substrate formed of single crystal silicon or the like. As shown in FIG. 2, the substrate 1 is formed with a cavity 1a penetrating from one surface (upper surface in the drawing) to the other surface (lower surface in the drawing).
[0032]
A sacrificial layer 2 made of a silicon oxide film (SiO ₂ ) is formed on one surface of the substrate 1 except on the cavity 1a. On the sacrificial layer 2, a silicon nitride film (SiN) 3 and a silicon oxide film 4 which are lower insulating films are sequentially formed. These lower insulating films 3 and 4 are also formed on the cavity 1a. Has been.
[0033]
On the lower insulating films 3 and 4 (on the silicon oxide film 4), a fluid temperature detecting body 5 and a flow rate detecting body (temperature measuring body) 6 forming a thermometer are formed, and a heater (heating element) 7 is provided. Is formed. As shown in FIG. 1, these members 5, 6, and 7 are flow rate detecting resistor films patterned in a meandering shape, and are made of Pt or the like.
[0034]
The fluid temperature detection body 5, the flow rate detection body 6, and the heater 7 are arranged in that order from the upstream side in the fluid flow direction (indicated by the white arrow in FIG. 1). The fluid temperature detector 5 detects the temperature of the fluid, and is disposed at a position sufficiently separated from the heater 7 so that the heat of the heater 7 does not affect the temperature detection. The heater 7 is controlled by a control circuit (not shown) so as to reach a reference temperature that is a certain temperature higher than the temperature detected by the fluid temperature detector 5.
[0035]
Further, a silicon oxide film 8 and a silicon nitride film 9 serving as an upper insulating film are formed on the resistor films 5 to 7 and the lower insulating films 3 and 4. Thus, a thin film structure (membrane) 10 in which the flow rate detector 6 and the heater 7 are sandwiched and laminated between the lower insulating films 3 and 4 and the upper insulating films 8 and 9 is formed on the cavity 1a. The thin film structure portion 10 has a shape provided on the cavity portion 1a via the sacrificial layer 2 on one surface of the substrate 1.
[0036]
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, a gap 11 communicating with the cavity 1 a is formed between the substrate 1 and the thin film structure 10 at the end of the thin film structure 10. . The size of the gap 11 is larger than the thickness of the sacrificial layer 2.
[0037]
Specifically, in the example shown in FIG. 2, the gap portion 11 has a step between the end portion on the sacrificial layer 2 side and the end portion on the cavity portion 1a side, and the cavity portion side is further lowered. A portion of the substrate 1 that faces the thin film structure portion 10 via the gap portion 11 is configured as a support portion 1 b that supports deformation of the thin film structure portion 10.
[0038]
In such a flow sensor S <b> 1, the heater 7 is driven so that the temperature becomes a certain temperature higher than the fluid temperature obtained from the fluid temperature detector 5. In the forward flow indicated by the white arrow in FIG. 1 due to the flow of the fluid, the flow rate detector 6 is deprived of heat and the temperature is lowered, and in the reverse flow in the reverse direction of the white arrow, the heat is carried and the temperature is reduced. Therefore, the flow rate and the flow direction of the fluid are detected from the temperature difference between the flow rate detector 6 and the fluid temperature detector 5. At this time, the temperature is measured (detected) from the resistance value fluctuation of the metal wiring forming the fluid temperature detector 5 and the flow rate detector 6.
[0039]
Next, a manufacturing method of the flow sensor S1 will be described with reference to FIG. A single crystal silicon substrate 1 is prepared as a substrate (substrate preparation step). This substrate 1 is one in which the cavity 1a is not formed.
[0040]
First, a sacrificial layer 2 made of SiO ₂ is formed on one surface of the substrate 1 as a material having etching conditions (such as etchant type and etching temperature) different from those of the substrate 1 by thermal oxidation (sacrificial layer forming step). At this time, the sacrificial layer 2 is also formed on a portion of the substrate 1 that is to be the cavity 1a.
[0041]
Next, a silicon nitride film 3 is formed on the sacrificial layer 2 by a thermal CVD method or the like, and a silicon oxide film 4 is formed thereon by a plasma CVD method or the like. Thereby, the lower insulating films 3 and 4 are formed (lower insulating film forming step).
[0042]
Next, a Pt film as a resistor film material is deposited on the silicon oxide film 4 by vacuum deposition or the like, and the Pt film is patterned into a wiring shape of the fluid temperature detecting body 5, the flow rate detecting body 6 and the heater 7 by etching or the like. (Resistor film forming step).
[0043]
Next, a silicon oxide film 8 is deposited by plasma CVD or the like for insulation between the fluid temperature detector 5, the flow rate detector 6 and the heater 7. An upper insulating film 8, 9 is formed thereon by forming a silicon nitride film 9 by a thermal CVD method or the like (upper insulating film forming step).
[0044]
In this way, the thin film structure portion 10 is formed on the sacrificial layer 2 through the steps of lower insulating film formation, resistor film formation, and upper insulating film formation. After that, although not shown, openings are formed in the upper insulating films 8 and 9 in order to form electrode pads for the resistor films 5 to 7.
[0045]
Next, the substrate 1 is etched from the other surface of the substrate 1 to form a cavity 1a that communicates from the other surface of the substrate 1 to the sacrificial layer 2 (substrate etching step). Specifically, a mask material M (see FIG. 2) made of, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed on the back surface of the silicon substrate 1, and the mask material M is etched to open an opening corresponding to the cavity 1a. Form.
[0046]
Then, the cavity 1a is formed by performing anisotropic etching on the other surface side of the silicon substrate 1 until the sacrificial layer 2 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 SiO ₂ with respect to silicon is very small.
[0047]
Next, by etching the sacrificial layer 2 from the cavity 1a, a part of the sacrificial layer 2 facing the cavity 1a and a part located around the cavity 1a are removed (sacrificial layer etching step). Specifically, the silicon oxide film constituting the sacrificial layer 2 is removed by wet etching such as hydrofluoric acid while changing the etching conditions in the substrate etching process.
[0048]
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a process related to etching in the present manufacturing method. With the completion of the sacrificial layer etching step, a gap 11a having an interval equal to the thickness of the sacrificial layer 2 is formed at the end of the thin film structure 10 as indicated by a broken line in FIG.
[0049]
Next, the portion of the substrate 1 facing the thin film structure portion 10 in the gap 11a formed by removing the sacrificial layer 2 is etched (gap portion forming step). Specifically, anisotropic etching of silicon using TMAH or the like is performed similarly to the etching conditions of the substrate etching process. Thereby, the substrate 1 is etched from the broken line state to the solid line state in FIG.
[0050]
At this time, the taper surface of the substrate 1 is hardly etched due to the anisotropy of the TMAH etching, but the surface of the substrate 1 facing the gap 11a is etched, so that the gap 11a is widened as shown in FIG.
[0051]
In this manner, at the end portion of the thin film structure portion 10, a gap portion 11 is formed between the substrate 1 and the thin film structure portion 10 so as to communicate with the cavity 1a and have a larger interval than the thickness of the sacrificial layer 2. Thus, the flow sensor S1 shown in FIGS. 1 and 2 can be appropriately manufactured.
[0052]
By the way, according to this embodiment, since the gap portion 11 is formed at the end of the thin film structure portion 10 as in the sensor shown in FIG. Even if the thin film structure portion 10 bends toward the hollow portion 1a due to an impact force such as pressure or dust, the support portion 1b can support the deformation of the thin film structure portion 10 and prevent its destruction.
[0053]
Further, since the size of the gap portion 11 is larger than the thickness of the sacrificial layer 2, the distance between the thin film structure portion and the substrate (that is, the support portion) in the gap portion is determined by a conventional flow sensor (see FIG. 7 above). ) Can be increased.
[0054]
Therefore, the degree of deflection of the thin film structure portion 2 when the thin film structure portion 10 and the support portion 1b come into contact with each other is larger than before, and the force for separating the thin film structure portion 10 from the support portion 1b is also larger than before. . As a result, sticking between the thin film structure portion 10 and the support portion 1b can be prevented.
[0055]
According to the present embodiment, the distance until the thin film structure portion 2 bends and comes into contact with the support portion 1b is increased as compared with the conventional case. However, as in the present embodiment, the interval between the gap portions 11 is increased by etching. In the method, the increase in the distance is suppressed to the extent that the thin film structure portion 2 can be flexibly deformed (not damaged), so that there is no problem.
[0056]
In order to increase the gap 11, the sacrificial layer 2 can be simply increased in thickness, but in this case, it takes time to form the sacrificial layer 2, and the entire sensor This also increases the thickness. However, according to the present embodiment, as apparent from the configuration and the manufacturing method, the gap 11 can be increased without increasing the thickness of the sacrificial layer 2.
[0057]
(Second Embodiment)
In the present embodiment, the sacrificial layer 2 is replaced with a silicon oxide film in the first embodiment, and the substrate 1 is made of a material having the same etching conditions and a different etching rate. Specifically, the substrate 1 is a single crystal. In the case of silicon, the sacrificial layer 2 is made of polycrystalline silicon, amorphous silicon, or the like, and is different from the first embodiment mainly in terms of the manufacturing method.
[0058]
In the flow sensor manufacturing method of the present embodiment, the substrate 1 is prepared as in the first embodiment. Next, a sacrificial layer 2 made of a material having the same etching conditions as that of the substrate 1 is formed on one surface of the substrate 1 (sacrificial layer forming step). Specifically, a sacrificial layer 2 made of polycrystalline silicon (poly-Si) or amorphous silicon (α-Si) is formed on one surface of the substrate 1 by a CVD method or the like.
[0059]
Next, as in the first embodiment, the thin film structure 10 is formed on the sacrificial layer 2 through the steps of lower insulating film formation, resistor film formation, and upper insulating film formation.
[0060]
Next, also in the present embodiment, by etching the substrate 1 from the other surface of the substrate 1, a step of forming the cavity 1 a leading from the other surface of the substrate 1 to the sacrificial layer 2 (substrate etching step), By etching the sacrificial layer 2 from 1a, a step (sacrificial layer etching step) of removing a portion of the sacrificial layer 2 facing the cavity 1a and a portion located around the cavity 1a is performed.
[0061]
Here, in this embodiment, since the sacrificial layer 2 is made of a material (poly-Si or α-Si or the like) having the same etching conditions as the substrate 1, the substrate etching process and the sacrificial layer etching process are the same. The etching can be performed continuously by etching using, for example, TMAH.
[0062]
This etching will be described with reference to FIG. First, the work is immersed in a TMAH etching solution, and the cavity 1a is formed by anisotropic etching. Subsequently, the etching is continued while the work is immersed in the etching solution. Then, the sacrificial layer 2 is removed by etching. At this time, the portion of the substrate 1 facing the thin film structure portion 10 in the gap 11a formed by the removal of the sacrificial layer 2 is also shown by the solid line from the broken line in the figure. The sacrificial layer 2 is partially etched at the same time.
[0063]
At this time, the taper surface of the substrate 1 is hardly etched due to the anisotropy of TMAH etching, but the sacrificial layer 2 is polycrystalline or amorphous, so that the etching proceeds. And since the board | substrate 1 is also etched in the part into which the sacrificial layer 2 was etched, it becomes a taper shape like FIG.
[0064]
Accordingly, also in the present embodiment, at the end of the thin film structure portion 10, the gap between the substrate 1 and the thin film structure portion 10 communicates with the cavity 1 a and has a gap larger than the thickness of the sacrificial layer 2. Part 11 is formed. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the gap 11 is tapered downward from the end on the sacrificial layer 2 side toward the end on the cavity 1 a side.
[0065]
Also in this embodiment, it is possible to realize a flow sensor that exhibits the same operational effects as those of the first embodiment. Moreover, according to the manufacturing method of this embodiment, the cavity 1a and the gap 11 can be formed without changing the etching conditions one by one, leading to simplification of the process.
[0066]
(Third embodiment)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the main part of the present embodiment. Also in the present embodiment, a gap 11 that communicates with the cavity 1 a is formed between the substrate 1 and the thin film structure 10 at the end of the thin film structure 10.
[0067]
Here, in the present embodiment, the surface of the substrate 1 facing the thin film structure portion 10 in the gap portion 11 is a rough surface, that is, a surface having minute unevenness. A technique of roughening the etching surface by controlling the concentration and temperature of the etching solution is known, and the rough surface in the present embodiment can be realized using this technique.
[0068]
For example, after performing from the substrate preparation step to the sacrificial layer etching step in the first embodiment, in the gap portion forming step, the concentration and temperature of the etching solution are controlled differently from the substrate etching step, thereby A rough surface can be formed.
[0069]
According to the present embodiment, the surface of the substrate 1 (that is, the surface of the support portion 1 b) that faces the thin film structure portion 10 in the gap portion 11 is rough so that adhesion between the substrate 1 and the thin film structure portion 10 can be prevented. Therefore, sticking between the thin film structure portion 10 and the support portion 1b can be suppressed as much as possible.
[0070]
(Other embodiments)
In the manufacturing method shown in each of the above embodiments, in the sacrificial layer forming step, the sacrificial layer 2 is disposed only in a region where the sacrificial layer 2 is etched in the sacrificial layer etching step. Patterning may be performed by a photolithographic method or the like. That is, the sacrificial layer 2 is patterned into a shape corresponding to the final shape of the thin film structure portion 10. Such an example is shown as a partial schematic sectional view in FIG.
[0071]
According to this, since the sacrificial layer 2 can be disposed only in a portion to be etched in advance, management of the etching time in the later sacrificial layer etching step becomes unnecessary. The area of the thin film structure portion 10 and the protruding amount of the support portion 1b are defined by the amount by which the sacrificial layer 2 is etched, but according to this example, the size of the thin film structure portion 10 depends on the sacrificial layer etching time. Therefore, the accuracy is improved.
[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 schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a process related to etching in the manufacturing method of the flow sensor according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a process related to etching in a method for manufacturing a flow sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a flow sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a main part of another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a flow sensor according to the prior application of the present applicant.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 1a ... Cavity part, 2 ... Sacrificial layer, 10 ... Thin film structure part, 11 ... Gap part,
11a: A gap.

Claims

Prepare the substrate (1),
Forming a sacrificial layer (2) made of a material having the same etching conditions as the substrate on one surface of the substrate;
Forming a thin film structure (10) on the sacrificial layer;
After etching the substrate from the other surface of the substrate to form a cavity (1a) leading from the other surface of the substrate to the sacrificial layer, the sacrificial layer is removed from the cavity under the same etching conditions. Removing a portion of the sacrificial layer facing the cavity and a portion located around the cavity by etching .
In the step of removing a portion of the sacrificial layer facing the cavity and a portion located around the cavity, the gap (11a) formed by removing the sacrificial layer is opposed to the thin film structure portion. Etching the portion of the substrate at the same time as the sacrificial layer to communicate with the cavity at the end of the thin film structure, between the substrate and the thin film structure, and method for producing a sensor, characterized that you form a gap portion (11) having a gap larger than the thickness of the sacrificial layer.

In the step of forming the sacrificial layer (2), sensor of claim 1, wherein the sacrificial layer is such that the sacrificial layer only in the region to be etched is placed, characterized by patterning the sacrificial layer Manufacturing method.

The method for manufacturing a sensor according to claim 1 or 2, wherein the substrate (1) and the sacrificial layer (2) are made of a material composed of the same element.

The method for manufacturing a sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate (1) is made of single crystal silicon and the sacrificial layer (2) is made of polycrystalline silicon.

The substrate (1) is made of monocrystalline silicon, the sacrificial layer (2) the method for producing a sensor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that consisting of amorphous silicon.