JP4830221B2

JP4830221B2 - Flow sensor

Info

Publication number: JP4830221B2
Application number: JP2001199123A
Authority: JP
Inventors: 俊樹磯貝; 晃一後藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP2003014518A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を検出するフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のフローセンサの一般的な概略断面構成を図６に示す。このものは、空洞部１ａを有する半導体基板１と、基板１の空洞部１ａ上に設けられた流量検出部としての薄膜構造部（ダイアフラム）１０とを備える。
【０００３】
薄膜構造部１０は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜１０ａが複数積層されたものであり、発熱体および測温体等として機能するＰｔ等よりなる抵抗体膜３０、４０が、これら絶縁膜１０ａに挟まれた形となっている。
【０００４】
このようなフローセンサにあっては、例えば、半導体基板１上の薄膜構造部１０以外の領域に設けられた流体温度検出体（図示せず）にて検出した温度より所定の温度高くなるように発熱体４０の温度を制御し、流体の流れによる測温体３０の温度変化に基づいて流体の流量を検出するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のフローセンサでは、感度向上、低消費電力化のために、発熱体４０が位置する部分を薄膜構造としているが、このように、薄膜構造とした場合、その部分の強度が低下し、薄膜構造部１０の一面側と他面側に差圧が発生して薄膜構造部１０がたわんだ場合に、薄膜構造部１０が破壊しやすくなるという問題がある。
【０００６】
さらに、薄膜構造部１０を構成する絶縁膜１０ａにおいて、成膜条件等により緻密な膜が形成できない場合、特に膜中に存在するピンホールＰの密度が多くなってしまう場合、設計上、十分な強度を確保することができない。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、フローセンサにおいて薄膜構造部の強度を確保できるように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、２に記載の発明では、空洞部（１ａ）を有する基板（１）と、この基板の空洞部上に設けられ複数の積層された絶縁膜（１１、１２、１３、１４）よりなる流量検出部としての薄膜構造部（１０）とを備えるフローセンサにおいて、
薄膜構造部は、４層の絶縁膜（１１〜１４）と、発熱体および測温体の少なくとも一方として機能する金属よりなる抵抗体膜（３０、４０）とを有し、４層の絶縁膜のうち２層が抵抗体膜の上に形成され、４層の絶縁膜のうち残りの２層が抵抗体膜の下に形成された構成を採用する。
そして、請求項１に記載の発明では、４層の絶縁膜の最上層（１４）は他の３層（１１〜１３）に比べてピンホールの密度が低い膜としての減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であり、他の３層（１１〜１３）はプラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明では、４層の絶縁膜の最上層（１４）と最下層（１１）は他の２層（１２、１３）に比べてピンホールの密度が低い膜としての減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であり、他の２層（１２、１３）はプラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、薄膜構造部がたわんだ場合に最大応力が発生する最上層（もしくは最上層と最下層の両方）を、ピンホールの無い膜または従来に比べてピンホールの少ない膜とすることにより、たわみに対する薄膜構造部の強度を十分に確保することができる。
【００１４】
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。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるフローセンサＳ１の斜視図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った一部概略断面図である。
【００１６】
このフローセンサＳ１は、単結晶シリコン等で形成された半導体基板１を有する。半導体基板１の上には、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（発熱体）４０が形成され、さらにその上に、上部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。
【００１７】
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上に薄膜構造部をなすダイアフラム１０が形成され、ダイアフラム１０に流量検出体３０とヒータ４０とが配置されている。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
このように構成されたフローセンサＳ１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。
【００２１】
ここで、本フローセンサＳ１においては、半導体基板１の空洞部１ａ上に設けられ複数の積層された絶縁膜１１〜１４よりなる流量検出部としてのダイアフラム（薄膜構造部）１０が形成されているが、これら絶縁膜１１〜１４における最上層１４および最下層１１の少なくとも一方が、ピンホールが低減された膜となっている。
【００２２】
図２に示す例（第１の例）では、絶縁膜１１〜１４における最上層１４が、ピンホールの無い膜となっている。また、本実施形態では、次の図３〜図５に示す形態も可能である。なお、図２〜図５において、ピンホールＰは、小さな白丸にて示してある。
【００２３】
図３に示す第２の例では、絶縁膜１１〜１４における最上層１４が、当該最上層１４以外の層１１〜１３に比べてピンホールＰの少ない膜となっている。また、図４に示す第３の例では、絶縁膜１１〜１４における最上層１４と最下層１１が、ピンホールの無い膜となっている。また、図５に示す第４の例では、絶縁膜１１〜１４における最上層１４と最下層１１が、それ以外の層１２、１３に比べてピンホールＰの少ない膜となっている。
【００２４】
これらピンホールの無い膜およびピンホールＰの少ない膜は、具体的には熱ＣＶＤより成膜されたシリコン窒化膜であり、より具体的には、減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）により成膜されたシリコン窒化膜（ＬＰ−ＳｉＮ膜）よりなる。また、比較的ピンホールＰの多い膜は、プラズマＣＶＤより成膜されたシリコン酸化膜やシリコン窒化膜である。
【００２５】
次に、上記したフローセンサＳ１の製造方法について、図２に示す第１の例を製造する場合について述べる。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、プラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化膜１１、その上にシリコン酸化膜１２を形成する。
【００２６】
次に、抵抗体材料としてＰｔ膜を真空蒸着等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。
【００２７】
次に、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、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜１３を堆積させる。その上に、減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）により、ピンホールの無い膜であるＬＰ−ＳｉＮ膜１４を形成する。その後、図示しないが、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ＬＰ−ＳｉＮ膜１４に開口を形成する。
【００２８】
次に、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）を形成し、このマスク材をエッチングして空洞部に対応した開口部を形成する。
【００２９】
そして、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。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。
【００３０】
ところで、本実施形態によれば、ダイアフラム（薄膜構造部）１０の絶縁膜１１〜１４における最上層１４および最下層１１の少なくとも一方が、ピンホールが低減された膜となっていることを特徴とする。
【００３１】
本実施形態では、ピンホールが低減された膜として減圧ＣＶＤ等の熱ＣＶＤにより成膜されたＳｉＮ膜としている。例えば、減圧ＣＶＤは成膜温度（例えば７００〜８００℃）がプラズマＣＶＤの成膜温度（例えば４００℃）に比べて高い。この成膜温度の違い等によりピンホールの少ない緻密な膜質を実現できると考えられる。
【００３２】
そして、本実施形態では、ダイアフラム１０がたわんだ場合に最大応力が発生する最上層１４および最下層１１の少なくとも一方の絶縁膜を、ピンホールの無い膜または従来に比べてピンホールの少ない膜とすることにより、たわみに対するダイアフラム１０の強度を十分に確保することができる。
【００３３】
一般に、ダイアフラム１０の両面に発生する差圧により、ダイアフラム１０は空洞部１ａ側に凸となるようにたわむ。この場合、最大応力が発生するのは、最上層１４である。そこで、上記図２等に示す様に、最上層１４が、ピンホールが低減された膜となっていれば、上記効果を有効に発揮できる。
【００３４】
また、ダイアフラム１０に加わる圧力の方向が逆になって、ダイアフラム１０が空洞部１ａとは反対側に凸となるように、たわむ場合には、最大応力が発生するのは、最下層１１である。この場合、上記図４や図５に示す様に、最下層１４が、ピンホールが低減された膜となっていれば、上記効果を有効に発揮できる。
【００３５】
また、ダイアフラム１０の絶縁膜１１〜１４全てが、ピンホールが低減された膜となっているこても良く、この場合、より高いレベルにて上記効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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線に沿った概略断面図である。
【図３】上記実施形態の第２の例を示す概略断面図である。
【図４】上記実施形態の第３の例を示す概略断面図である。
【図５】上記実施形態の第４の例を示す概略断面図である。
【図６】従来の一般的なフローセンサを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、１ａ…空洞部、１０…ダイアフラム（薄膜構造部）、
１１〜１４…絶縁膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow sensor that detects a flow rate of a fluid.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows a general schematic cross-sectional configuration of this type of flow sensor. This includes a semiconductor substrate 1 having a cavity 1 a and a thin film structure (diaphragm) 10 as a flow rate detection unit provided on the cavity 1 a of the substrate 1.
[0003]
The thin film structure portion 10 is formed by laminating a plurality of insulating films 10a such as a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the resistor films 30 and 40 made of Pt or the like functioning as a heating element and a temperature measuring body The shape is sandwiched between the insulating films 10a.
[0004]
In such a flow sensor, for example, a predetermined temperature is higher than a temperature detected by a fluid temperature detector (not shown) provided in a region other than the thin film structure 10 on the semiconductor substrate 1. The temperature of the heating element 40 is controlled, and the flow rate of the fluid is detected based on the temperature change of the temperature measuring element 30 due to the flow of the fluid.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional flow sensor described above, the portion where the heating element 40 is located has a thin film structure in order to improve the sensitivity and reduce the power consumption. When the thin film structure portion 10 is bent and the differential pressure is generated between the one surface side and the other surface side and the thin film structure portion 10 is bent, there is a problem that the thin film structure portion 10 is easily broken.
[0006]
Furthermore, in the insulating film 10a constituting the thin film structure 10, when a dense film cannot be formed due to film forming conditions or the like, particularly when the density of pinholes P existing in the film is increased, the design is sufficient. The strength cannot be secured.
[0007]
In view of the above problems, an object of the present invention is to ensure the strength of a thin film structure in a flow sensor.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the first and second aspects of the present invention, a substrate (1) having a cavity (1a) and a plurality of stacked insulating films (11, 11) provided on the cavity of the substrate are provided. 12, 13, 14), a flow sensor comprising a thin film structure (10) as a flow rate detection unit,
The thin film structure includes a four-layer insulating film (11 to 14) and a resistor film (30, 40) made of a metal that functions as at least one of a heating element and a temperature measuring element. Of these, two layers are formed on the resistor film, and the remaining two layers of the four insulating films are formed below the resistor film.
In the first aspect of the invention, the uppermost layer (14) of the four insulating films is formed by a low pressure CVD method as a film having a lower pinhole density than the other three layers (11 to 13). The other three layers (11 to 13) are silicon nitride films formed by a plasma CVD method .
In the invention according to claim 2 , the uppermost layer (14) and the lowermost layer (11) of the four-layered insulating film are films having lower pinhole density than the other two layers (12, 13) . It is a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method, and the other two layers (12, 13) are silicon nitride films formed by a plasma CVD method .
[0009]
In the present invention, the uppermost layer ( or both the uppermost layer and the lowermost layer) in which the maximum stress is generated when the thin film structure is bent is made into a film having no pinholes or a film having fewer pinholes than the conventional one. The strength of the thin film structure portion against deflection can be sufficiently secured.
[0014]
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.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. FIG. 1 is a perspective view of a flow sensor S1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partial schematic cross-sectional view along the line AA in FIG.
[0016]
The flow sensor S1 has a semiconductor substrate 1 formed of single crystal silicon or the like. On the semiconductor substrate 1, a silicon nitride film 11 and a silicon oxide film 12 are formed as lower insulating films, and a fluid temperature detecting body 20 and a flow rate detecting body (temperature measuring body) 30 forming a thermometer are formed thereon. At the same time, a heater (heating element) 40 is formed, and a silicon oxide film 13 and a silicon nitride film 14 which are upper insulating films are further formed thereon.
[0017]
As shown in FIG. 2, a cavity 1 a is formed in the semiconductor substrate 1, and a diaphragm 10 forming a thin film structure is formed on the cavity 1 a, and a flow rate detector 30 and a heater 40 are formed on the diaphragm 10. Is arranged.
[0018]
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 with a resistor film made of a wiring material.
[0019]
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.
[0020]
In the flow sensor S1 configured as described above, when a fluid flows, the fluid temperature is measured by the fluid temperature detector 20, and the heater 40 is energized and controlled so that the reference temperature is higher than the measured temperature by a constant temperature. Is done. 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.
[0021]
Here, in this flow sensor S1, a diaphragm (thin film structure portion) 10 is formed as a flow rate detection portion which is provided on the cavity portion 1a of the semiconductor substrate 1 and is composed of a plurality of stacked insulating films 11-14. However, at least one of the uppermost layer 14 and the lowermost layer 11 in these insulating films 11 to 14 is a film with reduced pinholes.
[0022]
In the example shown in FIG. 2 (first example), the uppermost layer 14 of the insulating films 11 to 14 is a film without a pinhole. Moreover, in this embodiment, the form shown to the following FIGS. 3-5 is also possible. 2 to 5, the pinhole P is indicated by a small white circle.
[0023]
In the second example shown in FIG. 3, the uppermost layer 14 in the insulating films 11 to 14 is a film having fewer pinholes P than the layers 11 to 13 other than the uppermost layer 14. In the third example shown in FIG. 4, the uppermost layer 14 and the lowermost layer 11 in the insulating films 11 to 14 are films without pinholes. In the fourth example shown in FIG. 5, the uppermost layer 14 and the lowermost layer 11 in the insulating films 11 to 14 are films having fewer pinholes P than the other layers 12 and 13.
[0024]
These films without pinholes and films with few pinholes P are specifically silicon nitride films formed by thermal CVD, and more specifically silicon nitride formed by low pressure CVD (LPCVD). It consists of a film (LP-SiN film). A film having a relatively large number of pinholes P is a silicon oxide film or a silicon nitride film formed by plasma CVD.
[0025]
Next, the manufacturing method of the flow sensor S1 described above will be described in the case of manufacturing the first example shown in FIG. A single crystal silicon substrate 1 is used as a semiconductor substrate, and a silicon nitride film 11 and a silicon oxide film 12 are formed on the one surface (front surface) by plasma CVD.
[0026]
Next, a Pt film as a resistor material is deposited on the silicon oxide film 12 by vacuum evaporation or the like, and the Pt film is patterned into wiring shapes of the fluid temperature detecting body 20, the flow rate detecting body 30 and the heater 40 by etching or the like.
[0027]
Next, a silicon oxide film 13 is deposited by plasma CVD for insulation between the fluid temperature detector 20, the flow detector 30 and the heater 40. On top of that, an LP-SiN film 14 which is a film without pinholes is formed by low pressure CVD (LPCVD). Thereafter, although not shown, openings are formed in the LP-SiN film 14 in order to form electrode pads for the fluid temperature detector 20, the flow detector 30 and the heater 40.
[0028]
Next, a mask material (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 is etched to form an opening corresponding to the cavity.
[0029]
Then, 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. In this way, the flow sensor shown in FIGS. 1 and 2 can be manufactured.
[0030]
By the way, according to the present embodiment, at least one of the uppermost layer 14 and the lowermost layer 11 in the insulating films 11 to 14 of the diaphragm (thin film structure portion) 10 is a film with reduced pinholes. To do.
[0031]
In this embodiment, the SiN film formed by thermal CVD such as low pressure CVD is used as the film with reduced pinholes. For example, in low-pressure CVD, the film formation temperature (for example, 700 to 800 ° C.) is higher than the film formation temperature of plasma CVD (for example, 400 ° C.). It is considered that a dense film quality with few pinholes can be realized due to the difference in film forming temperature.
[0032]
In this embodiment, an insulating film of at least one of the uppermost layer 14 and the lowermost layer 11 in which the maximum stress is generated when the diaphragm 10 is bent is a film having no pinholes or a film having fewer pinholes than the conventional one. By doing so, the strength of the diaphragm 10 against the deflection can be sufficiently ensured.
[0033]
In general, the diaphragm 10 bends so as to be convex toward the cavity 1 a side due to the differential pressure generated on both surfaces of the diaphragm 10. In this case, the maximum stress is generated in the uppermost layer 14. Therefore, as shown in FIG. 2 and the like, if the uppermost layer 14 is a film with reduced pinholes, the above effect can be effectively exhibited.
[0034]
Further, when the direction of pressure applied to the diaphragm 10 is reversed and the diaphragm 10 is bent so as to protrude to the opposite side of the cavity 1a, it is the lowermost layer 11 that generates the maximum stress. . In this case, as shown in FIG. 4 and FIG. 5, if the lowermost layer 14 is a film with reduced pinholes, the above effect can be effectively exhibited.
[0035]
Further, all of the insulating films 11 to 14 of the diaphragm 10 may be films with reduced pinholes, and in this case, the above effect can be exhibited at a higher level.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a flow sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along the line AA in FIG.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a second example of the embodiment.
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a third example of the embodiment.
FIG. 5 is a schematic sectional view showing a fourth example of the embodiment.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a conventional general flow sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 1a ... Hollow part, 10 ... Diaphragm (thin film structure part),
11-14: Insulating films.

Claims

A substrate (1) having a cavity (1a);
In a flow sensor comprising a thin film structure portion (10) as a flow rate detection portion provided on the cavity portion of the substrate and having a plurality of laminated insulating films (11 to 14),
The thin film structure portion includes four layers of insulating films (11 to 14) and a resistor film (30, 40) made of a metal that functions as at least one of a heating element and a temperature measuring element,
Two of the four insulating films are formed on the resistor film, and the remaining two of the four insulating films are formed below the resistor film,
The uppermost layer (14) of the four insulating films is a silicon nitride film formed by a low pressure CVD method as a film having a lower pinhole density than the other three layers (11 to 13) . The three layers (11 to 13) are silicon nitride films formed by a plasma CVD method .

A substrate (1) having a cavity (1a);
In a flow sensor comprising a thin film structure portion (10) as a flow rate detection portion provided on the cavity portion of the substrate and having a plurality of laminated insulating films (11 to 14),
The thin film structure portion includes four layers of insulating films (11 to 14) and a resistor film (30, 40) made of a metal that functions as at least one of a heating element and a temperature measuring element,
Two of the four insulating films are formed on the resistor film, and the remaining two of the four insulating films are formed below the resistor film,
The uppermost layer (14) and the lowermost layer (11) of the four-layer insulating film are silicon nitride films formed by a low pressure CVD method as a film having a lower pinhole density than the other two layers (12, 13). The other two layers (12, 13) are silicon nitride films formed by a plasma CVD method .