JP5197714B2 - 流量検出装置 - Google Patents

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Description

この発明は、空気量を測定するための流量検出装置に関するものである。
従来から、例えば内燃機関の空気量を測定するための装置として、流入温度依存性の抵抗体を利用した流量検出装置が知られている。このような流量検出装置には、発熱体と吸気温検出体とを有するセンサ素子が設けられている。そして、吸気温検出体で検出された温度よりも発熱体の温度が一定温度高くなるような制御を維持し、発熱体が流体に放熱した熱量に相当する電圧を検出することによって、最終的に流量を検出している。
特許文献1には、このような流量検出装置におけるセンサ素子の支持構造の一例が開示されている。特許文献1のセンサ素子は、半導体の平板状シリコン基材裏面に、その基材を部分的に除去して形成された空洞部(キャビティ)を有し、さらに、そのキャビティの上部に、検出素子を持った薄膜部を有している。そして、センサ素子は、その片側のみを支持体組込み部に接着され、すなわち、片持ち態様で支持されている。
特許文献1のような片持ち支持構造を持つ流量検出装置においては、小流量域では被計測流体は、センサ素子の表面のみを流れるが、大流量域ではセンサ素子と支持体組込み部との隙間にも被計測流体が流れ込み(以下、これを「底流」と称す)、流量検出精度の低下を招くという問題がある。このような問題を解決するために、特許文献1では、支持体組込み部内にセンサ素子の周りに沿って溝状のスロットを設けて、大流量域で生じる底流がセンサ素子へ直接当たることを防止しようとしていた。
しかしながら、スロットに導かれた被計測流体は、センサ素子と支持体組込み部との隙間に回り込むことがあり、底流を十分に防止することはできなかった。
特開平9−26343号公報
この発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、センサ素子と支持体組込み部との隙間に回り込む底流を抑制し、流量検出精度の低下を防止することができる流量検出装置を提供することを目的としている。
上述した目的を達成するため、本発明の流量検出装置は、センサ素子と、支持体とを備え、上記センサ素子は、半導体の平板状シリコン基材の裏面に、該平板状シリコン基材を部分的に除去して形成されたキャビティと、該キャビティの上部に、検出素子が形成された薄膜部とを有し、上記支持体は、上記センサ素子が配置される組込み部を有し、上記センサ素子は、接着剤によって、上記組込み部に浮動態様で支持され、上記センサ素子と上記組込み部との間に形成された間隙には、底流防止剤が充填され、上記センサ素子における上記組込み部と対向する面には、凹凸を含むテクスチャが形成され、且つ、上記底流防止剤は、該テクスチャに接触している。
本発明の流量検出装置によれば、センサ素子と支持体組込み部との隙間に回り込む底流を抑制し、流量検出精度の低下を防止することができる。
この発明の実施の形態1におけるセンサ素子を備えた支持体の平面図である。 図1のII―II線における断面を模式的に示した断面図である。 図1のIII―III線における断面を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態1におけるチップ分割前のセンサ素子を下方から見た図で、(a)は裏面図、(b)はIV―IV線におけるセンサ素子の断面を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態1におけるチップの分割前から分割後に到るセンサ素子の加工状態を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態1におけるテクスチャの形成過程を示す図である。 図6のテクスチャ形成前後の析出面の面方位を示し、(a)は(100)面を、(b)は(111)面を示した模式図である。 テクスチャを模式的に示した斜視図である。 実施の形態1におけるセンサ素子組込み前後の支持体の断面を模式的に示した図である。 比較例として、テクスチャを有していない構成に関する図9と同態様の図である。 この発明の実施の形態2におけるフォトマスクパターンを示す一例である。 この発明の実施の形態2における逆ピラミッド型テクスチャの形成過程を示す図である。 この発明の実施の形態2における逆ピラミッド型テクスチャの模式図である。 この発明の実施の形態3における流量検出装置の平面図である。 実施の形態3に関し、ドライプロセス<I>の一例を説明する図である。 実施の形態3に関し、ドライプロセス<I>の別の例を説明する図である。 実施の形態3に関し、ドライプロセス<II>の一例を説明する図である。
以下、本発明に係る流量検出装置の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。以下に説明する流量検出装置は、例えば内燃機関の流入空気量を測定するための装置として適用することができる。
実施の形態1.
以下、図1〜図10に基づいて実施の形態1におけるセンサ素子1の構造と製造プロセスについて説明する。図1は、本発明の実施の形態1の流量検出装置の平面図、図2は図1のII-IIの部位を、図3はIII-IIIの部位を、それぞれ切り出した場合の断面構造図を示している。
この実施の形態1にかかる流量検出装置100は、センサ素子1と、支持体とを有する。センサ素子は、半導体の平板状シリコン基材の裏面に、平板状シリコン基材を部分的に除去して形成されたキャビティ4と、そのキャビティの上部に、検出素子が形成された薄膜部(発熱体)とを有する。また、支持体は、センサ素子が配置・組込まれる組込み部2を有しており、被計測流体が流通する管路に設置されている。センサ素子は、支持体組込み部にダイボンド剤11で接着され、センサ素子と支持体組込み部との隙間は、被計測流体が流れ込む、いわゆる底流の流れ込みを防ぐ底流防止剤3で充填され、さらにセンサ素子裏面には、底流防止剤のしみ出しを防止するSi結晶の(111)面を構成面とするピラミッド型(四角錐)のサブミクロンサイズのテクスチャ20が設けられている。
各部について、さらに詳細に説明する。実施の形態1の構造は、シリコン基材6に設けられたセンサ素子1をカッターなどによって切断、分離して得られた構造であり、例えば厚さ0.5mmのベアシリコンウェハから長辺側12mm×短辺側3mmに切り出された流量検出装置である。この流量検出装置の表側には、発熱体5および吸気温検出体8が形成されている。発熱体5は、リード部9aを経て外部との電気的接続を行うための電極10aとつながっている。また、吸気温検出体8は、リード部9bを経て電極10bとつながっている。センサ素子1は、図1及び図3で示すように、支持体組込み部2にダイボンド剤11で接着されている。
ダイボンド剤11は、支持体組込み部2の底面にあらかじめ塗布しておき、その塗布領域は、センサ素子1の電極10a,10bの裏側と接触する領域(支持体組込み部2の底面で電極10a、10bが真下に位置するセンサ素子1の領域)である。
図4に示されるように、センサ素子1は、後述するプロセスの最終段階でダイシングライン7に沿って分断されて得られ、センサ素子1はそれぞれ、半導体の平板状シリコン基材6の裏面に、この平板状シリコン基材6を部分的に除去して形成されたキャビティ4と、キャビティ4の上部に検出素子(被計測流体の流量を検出する感熱抵抗)が形成された薄膜部19とを有している。また、平板状シリコン基材6の裏面には、後述する機能を持つテクスチャ20を有し、実施の形態1におけるテクスチャ20は、センサ素子1における組込み部2との接触面に形成されている。
次に、センサ素子1の製造プロセスを図5〜図8を用いて説明する。なお、図5(a)〜(e)は、それぞれの作業時における素子の上下方向とは無関係に、図5全体を通して素子の上下方向を揃えて図示している。
まず、図5(a)に示される状態を得るまでのプロセスを説明する。平板状シリコン基材(基板)6の表面に、窒化シリコン等よりなる絶縁性の支持膜15がスパッタまたはCVD(chemical vapor deposition)等の方法で成膜され、続いて、支持膜15の上に、白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体5が蒸着やスパッタ等の方法で着膜される。そして、発熱体5の電流路を構成するためのパターニングは、例えば、フォトリソグラフィや、ウェットあるいはドライエッチング等の方法を用いて行われる。また、白金等の感熱抵抗膜よりなる吸気温検出体8の着膜・パターニングも発熱体5と同様の方法で形成される。そして、発熱体5の上に、窒化シリコン等よりなる絶縁性の保護膜14がスパッタまたはCVD等の方法で成膜された状態が、図5(a)に示される状態である。
次に、図5(a)の状態から、平板状シリコン基材6上に積層された支持膜15と裏面保護膜14とにエッチングホールを形成後、ウェットエッチングを行うことで、図5(b)に示すようにキャビティ4を形成する。キャビティ4は、発熱体5の側面に形成する。
次に、図5(c)に示されるように、シリコン基材6における発熱体5等の逆側の面であって、キャビティ4の周りの領域に、テクスチャ20を形成する。具体例を挙げると、加温した水酸化カリウム(KOH)または水酸化テトラ・メチル・アンモニウム(TMAH)水溶液に、イソプロピルアルコールを添加し、得られた混合液に平板状シリコン基材6を10分間浸漬することで、テクスチャ構造が形成される。この過程について詳細に説明すると、図6(a)に示されるように、まず、アルコール成分22が液中でシリコン基材6に付着し、それらアルコール成分22がエッチングマスクと同様の効果を発揮することから、アルコール成分22がきっかけとなって、図6(b)に示されるようにエッチングが進行する。また、図7(a)に示すシリコン(100)面は速くエッチングされ、図7(b)に示すシリコン(111)面が遅くエッチングされることから、図6(b)に示されるように、ランダムにシリコン(111)面が析出する。さらに、エッチング途中でも、アルコール成分22が、析出したシリコン(111)面に付着していき、上記のエッチングレートの相違も相まって、図6(c)のような凹凸構造が形成されていく。このようにして、図8に示されるように、(111)面を構成面とするピラミッド状凸部を含んだ凹凸構造(テクスチャ20)
を形成する。このテクスチャ20は、センサ素子1を支持体12の組込み部2に配置した際に、センサ素子1において組込み部2と接触する面に形成されることとなる。
このようにして平板状シリコン基材6に、複数のセンサ素子を形成した後、図5(d)に示すように、センサ素子の境界21に沿ったダイシング領域18をダイシングソー等のカッターで切断することにより、図5(e)に示すような個々のセンサ素子1を得る。
続いて、図9に基づいて、実施の形態1における支持体組込み部2の構造と、センサ素子1の支持体組込み部2への組込み過程について説明する。支持体組込み部2は、センサ素子1を完全に収容できる形状を有している。つまり、支持体組込み部2は、センサ素子1を支持体12の上面から殆ど突出させないように収容することができる。また、支持体組込み部2における少なくとも上流側底面には、凹凸面を有するテクスチャ20が設けられている。
図9(a)に示すように支持体組込み部2の上流側の側面の下部近傍(あるいは底面の上流側の部分近傍)に、底流防止剤3をあらかじめ塗布しておき、また、支持体組込み部2の底面の適所(電極10a,10bの下方に相当する領域)に、ダイボンド剤11をあらかじめ塗布しておく。その後、図9(b)に示すようにセンサ素子1を支持体組込み部2に組込む。センサ素子1を支持体組込み部2へ組込んだ時、底流防止剤3は、図9(c)に示すようにセンサ素子1と支持体組込み部2との隙間を矢印16に示すように移動し、支持体12表面と同じ高さまで充填された状態となる。
また、ダイボンド剤11には熱硬化型の接着剤を用い、底流防止剤3には常温硬化型の接着剤を用いておく。熱硬化型の接着剤は硬化度合を管理しやすいため、熱硬化型のダイボンド剤11に用いることで、センサ素子1と支持体12の接着が不完全なまま次の工程に進むことを防止できる。常温硬化型の接着剤は、熱硬化型に比べ硬化時に広がりにくいため、常温硬化型の底流防止剤3に用いることで、硬化時のセンサ素子1の表面やキャビティ4へのしみ出しを防止できる。
以上のような実施の形態1によれば、上記のように底流防止剤を設けることにより、浮動的支持構造を持つ流量検出装置において、流量検出精度の低下を招く底流を防止することができる。
ここで、単に底流防止剤を設けた組み込み態様としては、図10に示す比較例のような態様もありうる。すなわち、図10(a)に示すように、支持体組込み部502の側面に、底流防止剤503を塗布した後、図10(b)に示すように、センサ素子501を支持体組込み部502に組込むことによって、センサ素子501と支持体組込み部502との隙間に底流防止剤503を充填する態様である。
しかしながら、上記比較例では、底流防止剤503の塗布量のばらつきに起因し、センサ素子501を支持体組込み部502へ組込む際、底流防止剤503が、図10(c)に示すように矢印516の方向に流れ、センサ素子1表面及びセンサ素子1裏面にしみ出る可能性がある。そして、底流防止剤503がセンサ素子501表面にしみ出すと、センサ素子501表面の被計測流体の流れ513に乱れが生じ、流量検出装置の出力にばらつきが生じる。また、底流防止剤503がセンサ素子501裏面のキャビティ504にしみ出すと、しみ出した底流防止剤503が検出素子のある薄膜部519に付着し、薄膜部519を損傷させる恐れがある。
これに対し、本発明では、センサ素子1を支持体組込み部2に組込む際、図9(c)に示されるように、余分な底流防止剤3は、テクスチャ20によるセンサ素子1裏面の表面積拡大効果によって、センサ素子1表面およびキャビティ4にまでしみ出ることが抑制されている。これにより、センサ素子1表面での被計測流体の流れ13に乱れが生じず、出力のばらつきを小さくできる。同時に、余分な底流防止剤3はキャビティ4にもしみ出さないため、薄膜部19を損傷させることも防止できる。このように、本発明によれば、流量検出精度および感度の良い流量検出装置を提供することができる。
また、テクスチャ20における凸部の高さは制御可能であることから、センサ素子1と支持体組込み部2との接触面に一定の容積を確保することができる。また、接着剤厚の影響を少なくし、センサ素子を支持体に対し平行に保ち、段差を少なくすることができる利点もある。さらに、既存のSiエッチャントに微量なアルコールを添加するだけでセルフアラインにて凹凸形成が可能となるため、生産性が高く、且つ、既存プロセスへの導入負荷が少ないので適用が容易である。
また、仮に、底流防止剤が支持体表面と同じ高さまで充填されていない場合、底流防止剤上へダストが堆積する。そして、底流防止剤上のダストの堆積量が変化すると、センサ素子表面の被計測流体の流れが変化し、流量検出装置の出力にばらつきが生じるため、流量検出精度が低下する問題につながる。
これに対し、この実施の形態1では、底流防止剤3は、支持体12表面と同じ高さまで充填されるので、上記のようなダスト堆積を極力抑制することができる。また、センサ素子1の裏面のダイボンド剤11及び底流防止剤3の厚みにより、センサ素子1表面と支持体12表面とに若干の段差ができることが考えられるが、そのような場合でも、底流防止剤3が支持体12表面の高さまで充填されることで段差は緩和されることから、流量検出精度の低下を防止することができる。
実施の形態2.
図11から図13に基づいて実施の形態2を説明する。この実施の形態2は、実施の形態1におけるセンサ素子1のテクスチャとして正四角錐状の窪みを、規則正しく配列した凹凸構造(以下、逆ピラミッド型テクスチャとも称する)としたものである。
以下その製造プロセスを説明する。図5(a)に示した平板状シリコン基材6にキャビティ4を形成するまでのセンサ素子1の製造プロセスは、実施の形態1と同様である。すなわち図5(b)に示すように、キャビティ4は実施の形態1と同様、発熱体側面に形成する。
本実施の形態では、図5(b)のキャビティ形成後、図11に示すような矩形の窓開口を有する格子状のフォトマスクパターン122を用いたフォトリソグラフィプロセス及びエッチングによりSiウェハ裏面に格子状の酸化膜パターンを形成する。さらに、その酸化膜パターンを用いて、加温した水酸化カリウム(KOH)または水酸化テトラ・メチル・アンモニウム(TMAH)水溶液等によるウェットエッチングによって、逆ピラミッド型テクスチャを形成する。
図12は、上記ウェットエッチングの進行過程を示す。まず、図12(a)のように、シリコン基材6の裏面にはパターニングされた酸化膜が設けられている。そして、図12(b)のように、析出面である(100)面はアルカリ溶液には溶解する。その後、図12(b)に示すように、正方形状の開口部の四隅部分より(111)面の析出が始まる。図12(b)をさらにエッチング進行させると、格子ラインの四隅部分から析出した(111)面に収束して、正四角錐状の窪みが完成する。このようにして、図13に示す逆ピラミッド型の窪みによるテクスチャ20が形成される。以降の製造プロセスは実施の形態1と同様である。
本実施の形態2によれば、上記実施の形態1と同様、センサ素子1表面での被計測流体の流れ13に乱れを防止し、且つ、出力のばらつきを小さくできる。加えて、本実施の形態2では、テクスチャサイズがより均一かつ寸法制御性に優れるため、特性への影響がほとんど生じないで済むという非常に好適な効果も得られる。
実施の形態3.
実施の形態3として、半導体技術で用いられるドライプロセスを用いてテクスチャを形成する態様を示す。図14は、本発明の実施の形態3で得られる流量検出装置の平面図であり、図15及び図16は、図14のA−A線からみた断面で示された形成プロセスを示す図である。本実施の形態3で得られる構造は、シリコン基材に設けられた流量検出装置をカッターなどによって切断、分離して得られた構造を示している。この流量検出装置の表側には、感熱抵抗膜や絶縁材料からなる支持膜15や保護膜14が積層構造で形成されている。流量検出装置裏面には、開口を有するキャビティが配置されている。また、ここで述べる流量検出装置は、表面側に、感熱抵抗膜や窒化シリコン膜などからなる保護膜14や支持膜15によって形成され、裏面側に、キャビティが形成された、両面プロセスであることを特徴としたデバイスである。
図14〜図16に示されるように、テクスチャ20を構成する凹凸は、流量検出装置の裏面に設けられるキャビティの開口部周辺の上流側に設けられる。この部位に凹凸を施す態様として、以下に示す2つの方法を例示する。
概略を述べると、まず第1の方法は、必要領域に例えばフォトレジストなどを用いて予めマスク形成を行い、ドライエッチングを用いて加工を行うことで必要形状を得る方法である。第2の方法は、凹凸を必要とする領域を囲うように、予めその周辺にマスク材となるメタルマスクを例えばスパッタリングとフォトリソグラフィによって確保する。そして、ドライエッチングプロセスで処理することで、上述するメタルマスクから放出されるミクロンオーダーのメタル粒子を、凹凸を設ける開口部に付着させる。そして、この付着したメタル粒子をマイクロマスキングとして利用し、例えばICP−RIE(誘電結合方式リアクティブイオンエッチング)でディープエッチングする方法である。上述する手法のうち、前者をドライプロセス<I>、後者をドライプロセス<II>として、凹凸形成方法についての詳細な説明を行う。
ドライプロセス<I>
図15は、流量検出装置の裏面に凹凸を施す工程フロー図を示している。なお、本実施の形態3では、500μm厚の5インチφシリコンウェハを用いて複数の流量検出装置を一括形成する。また、本説明ではウェハ内に形成される流量検出装置うちの1つを断面工程フロー図として説明に用いているが、ウェハ内にある他の流量検出装置も断面フロー図と同じように一括形成されている。
まず、図15(a)に至る処理を説明する。流量検出装置の表面(図15(a)の紙面下側の面)である回路面側には、感熱抵抗膜や絶縁膜が形成される。この表面をレジストマスクで全体を覆う。次に、流量検出装置の裏面(図15(a)の紙面上側の面)には、例えば厚さ500nmのシリコン酸化膜23をPE−CVD法によって形成する。この面にレジスト塗布、フォトリソグラフィ処理を順次行い、バッファードフッ酸などの湿式法を用いて加工を行う。不要となった両面のレジストマスクはプラズマアッシャーなどの処理によって除去することで流量検出装置裏面に凹凸を形成するための開口部27と異方性エッチングにてキャビティを設けるための開口28を同時に得る。本実施の形態3では50μm角の開口部27を図14で図示されたテクスチャ20のある領域に複数個設けている。また、開口部27間は150μmとなるように設計されている。
次に、図15(b)を得る処理を説明する。凹凸を設ける開口部27間はシリコンがむき出しになっているために、例えばCF4(四フッ化炭素)と酸素との混合ガスでドライエッチングによる等方性エッチングを行うことで、断面が半円形状の構造を得る。なお、図示されているようにキャビティ形成領域も同様にエッチングは進行することになる。
図15(c)に示されるように、次に、上述するエッチングされた開口部27を含む周辺付近をフォトリソグラフィ等を用いてマスク層としてのレジスト24で覆う。一方で、例えばTMAH(テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド)水溶液の入った浴槽を例えば80℃で加温し、設定温度に達したら流量検出装置が設けられたシリコンウェハを浸漬させる。そして、攪拌棒などで攪拌しながら温度制御と液循環を行いながら、シリコンの異方性エッチング処理し、図15(d)に示す状態を得る。異方性エッチングは、支持膜15にエッチストップとしての機能を持たせることで図示された断面構造の流量検出装置が形成される。
図15(e)に示されるように、最後に図15(c)において設けたレジスト24を例えばプラズマアッシングなどの手法を用いてレジスト灰化処理を行い、表面側をレジストマスクなどで全面保護したのちにBHF(バッファードフッ酸)薬液槽に浸漬させて、裏面に残存するシリコン酸化膜23の除去を行う。これら一連の工程を行うことで、実施の形態3で必要とする裏面側に凹凸を施した流量検出装置を得ることが出来る。
なお、上記説明では、流量検出装置裏面側にPE−CVD法による酸化膜を用いたが、これに限定される訳ではなく、ここで用いる酸化膜にはTMAH水溶液などアルカリ溶液に対して耐薬品性に優れた材料を選択すればよい。例えば同じ酸化膜であるSOG(スピンオングラス)や熱酸化膜を用いても同じ機能を得ることは可能である。また、PE−CVD以外にも減圧CVD、常圧CVD、酸化膜をターゲットとしたスパッタやシリコンターゲットと酸素ガスからなるリアクティブスパッタ法で形成しても良い。また、酸化膜以外の材料として有機ならばレジストマスクやポリイミド材、無機ならばSION膜を用いても構わない。また、必要膜厚に関しては耐薬品性の機能が保てるのであれば何れの厚みでも構わない。また、酸化膜エッチングでは湿式法を用いたが、例えばイオンミリングなどの物理エッチングを用いても同じ効果が得られる。
また、酸化膜をマスクとして設けられる凹凸形成開口部の等方性エッチング法の他の一例として、例えばXeF2(フッ化キセノン)ガスによるケミカルエッチングを用いても断面が半円状の構造を得ることができる。また、プラズマを用いないためにレジストへのダメージが無く、酸化膜表層にレジスト残渣が残り難い利点も得られる。また、等方性エッチングに用いたガスはSF6(六フッ化硫黄)と酸素の混合ガスを用いても構わない。さらに、図示された断面形状が得られて、露出するシリコンや酸化膜にダメージを与えないのであれば何れのガスを使用しても構わない。
上記構成では、凹凸を設ける開口部サイズを100μm角としたが、上述した説明は、大きさに制限を設ける意味ではない。また、パターン形状も角型以外に丸型や任意の形状で設けても良い。但し、開口部は等方性エッチング処理されるため、互いの開口部が干渉しないように十分な間隔を設ける必要がある。
また、等方性エッチング後の開口部保護にレジストマスクを用いたが、他のマスク材としてポリイミドを用いても良い。また、シリコンの異方性エッチングではTMAH水溶液を用いたが、他のエッチャントとして例えばKOH(水酸化カリウム)溶液を選定しても同様の形状を得ることができる。また、浴槽温度もこれに限定される訳では無いが、エッチングレート向上を見込むのであれば80℃ほどの高い温度で処理する方が望ましい。更に、図15(e)に至る処理では、プラズマアッシングによるレジスト除去処理を例として挙げたが、レジスト剥離液などの湿式法による薬液エッチングを使用しても良い。更に、アッシングとレジスト剥離液処理を併用することで残渣等の影響を改善することが出来る。
次に、ドライプロセス<I>に関する他の例について、図16に基づいて説明する。まず、図15と同じように流量検出装置の裏面側に酸化膜を用いて開口部以外にフォトリソグラフィやドライエッチングを駆使してシリコン酸化膜マスク形成と開口処理を順次行って、図16(a)の状態を得る。この段階でキャビティとなる部位や凹凸形成の開口部27では、シリコンが露出している。また、レジストマスクは、ウェハ両面に塗布されており、凹凸形成の開口部側のレジストは、開口後にエッチャーなどで除去してしまう。なお、流量検出装置の表面側のレジストはそのまま残す。
次に、図16(b)に示されるように、凹凸が形成される流量検出装置の表面側の開口部を含むウェハ全面をフォトリソグラフィなどによってレジストマスクで覆う。そして、80℃で加温したTMAH水溶液の浴槽に流量検出装置が形成されるシリコンウェハを浸漬させて異方性エッチングを行い、図16(c)に示されるように、キャビティ4として、断面形状が逆台形形状の空洞を得る。この工程でも支持膜15がエッチングストッパーとしての役割を担うことになる。
キャビティ形成後、凹凸開口部上のレジストマスクをレジストアッシング処理によって除去してシリコンを露出させる。表側全面をレジストマスクで覆ったのちに、CF4(四フッ化炭素)と酸素との混合ガスでドライエッチングによる等方性エッチングを行うことで、図16(d)に示す状態を得る。なお、この際に、逆台形側壁のシリコン面も同時にエッチングが進行することになるが、側壁全体が均等に後退(奥側に進行)する形でエッチングが進行する。このドライエッチング処理によって流量検出装置の裏面に設けた酸化膜先端が庇状になり、キャビティ内体積は大きく仕上がる点が、先に説明した図15のプロセスによる構造と異なる。更に、キャビティ内に露出している支持膜もドライエッチングによってエッチングされるため初期膜厚より薄くなる。最後に、バッファードフッ酸などの湿式法を用いて不要になったシリコン酸化膜を除去後、流量検出装置の表面側に設けたレジストマスクをプラズマアッシング処理などで除去することで、図16(e)に示される状態となり、必要とする流量検出装置を得ることが出来る。
本工程で得られる流量検出装置に関しては、凹凸をキャビティ形成後に行うが、裏面の酸化膜上を全面レジストで覆うため、例えば流量検出装置表面の処理過程で発生した傷などを覆い隠す事が可能となり、傷から進行する異方性エッチングを制止できる。なお、図16では、流量検出装置の表面保護を目的としたレジストマスクを最終工程まで残している。このため、プラズマダメージやTMAH水溶液のダメージを受けており、通常のプラズマアッシャーと併用してレジスト剥離液を用いてレジスト除去するとより好適である。
ドライプロセス<II>
本実施の形態3における第2の態様は、ICP−RIEを用いて出来るマイクロマスキングを利用して凹凸領域に柱状の針を密集させて形成する事を特徴としている。図17は、その工程フロー図である。
図17(a)に至る工程を説明する。まず、流量検出装置の裏面(図17の紙面上側の面)には、500nm厚のシリコン酸化膜23と、例えば厚さ500nmのアルミニウムからなるメタルマスク25とが積層構造で形成されている。これらの膜は全てスパッタリングを用いて成膜されており、表面側には保護のためのレジストマスクを設けているものとする。スパッタリングにて設けられた裏面側の積層構造に、フォトリソグラフィを用いて、凹凸を設けるための開口部を除く全領域をレジストマスクで覆う。次に、アルミエッチャント浴槽に流量検出装置が設けられるシリコンウェハを浸漬して不要なアルミニウム除去を行い、水洗とスピンドルによる乾燥を経て、バッファードフッ酸浴槽に浸漬して開口部に残る酸化膜の除去を行う。以上の工程を行う事で、図17(a)に示されるように、凹凸形成される開口部のマスク形成が完了する。
次に、ICP−RIEを用いてパルスエッチング処理を行い、図17(b)の状態を得る。ICP−RIEは放電形式に誘導結合方式を用いた深堀りエッチング装置である。この装置ではアスペクト比が大きい形状を得ることが可能で、通常のRIE(リアクティブイオンエッチング)と比べて高エッチング速度が得られ、高選択性、異方性に優れている。また、エッチングはBOSCH法にて行われ、デポジションとエッチングプロセスを繰り返し行い、エッチング側壁を保護しながらアスペクト比の大きい溝(凹部)を形成する。エッチングガスはC4F8とSF6(六フッ化硫黄)を交互に切り替えながらチャンバー内に供給される。C4F8ガスはデポジションプロセス時に使用され、プラズマ重合でテフロン(登録商標)のような物質が堆積することで凹部の側壁を保護する。SF6ガスによるエッチングプロセスでは、デポジションで出来た凹部底面のポリマーをエッチングすることでシリコン面が露出する。このシリコンをフッ素ラジカルでエッチングする工程を必要回数繰り返し行うことで、必要とする深さまでエッチング処理する事が可能となる。なお、このエッチングでは通常シリコン酸化膜やレジストをマスク材として使用する。このマスクに例えばアルミニウムからなるマスク材を用いて処理すると、マスク材から飛び出したミクロンサイズの粒子が飛散する。ICP−RIEではアルミニウムに対してはエッチングされないため、飛散した粒子はそのまま残存することになる。このメタル粒子をマイクロマスキングとして利用することでアスペクト比の高い針状あるいは柱状の凸部26を凹凸開口部に設けている。
次に、凹凸開口部及びその周辺を含むキャビティが形成される部位の周囲を、マスク層であるレジスト24で覆い、流量検出装置の裏面のキャビティ4を設ける領域のアルミニウムとシリコン酸化膜とをエッチャントで除去する。次に、80℃に加温したTMAH水溶液浴槽に流量検出装置を設けたシリコン基材6を浸漬させて異方性エッチングを行いキャビティを形成し、図17(c)の状態を得る。最後に、レジスト24をプラズマアッシングやレジスト剥離液で除去後、不要となったシリコン酸化膜とアルミニウムからなるマスク材を除去することで、図17(d)に示されるように、凹凸からなるテクスチャ20と、キャビティ4とが形成された流量検出装置を得ることが出来る。
なお、本発明では、シリコン酸化膜上にアルミニウムをスパッタリングで用いたが、アルミ以外のメタル材を用いても良く、膜厚も500nmに限定される訳ではない。また、マスク材としてシリコン酸化膜を用いているが、シリコン酸化膜を無くしてアルミニウムだけでも凹凸部の形成は出来る。また、シリコン酸化膜とアルミ材のエッチングに湿式エッチングを用いたが、イオンミリングなどのドライエッチングで開口処理しても構わない。本発明では、アスペクト比の高い柱状の針を凹凸開口部に設けたことで、底流防止剤の浸透性が増して表面積が増えるため馴染が良くなる。
実施の形態3によれば、実施の形態2の効果に加え、凹凸の形成に位置選択性があり、特にドライプロセス<I>では等方的なエッチングが可能となるため、センサ素子1を支持体組込み部2との接触面に一定の容積を確保することができる。
以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。
例えば、上述した実施の形態1〜3では、底流防止剤を、平面矩形状のセンサ素子に関して主に被計測流体の流れの上流側の一辺をなす部位に充填するものとして示してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。よって、本発明における底流防止剤は、センサ素子に関して少なくとも流れの下流側の一部に未充填部位を残すような態様で配置されていればよく、例えば、流れに関する上流及び左右両側方を含む「コ」字状の領域を充填領域とするような態様で設けてもよい。さらに、センサ素子、及び、センサ素子と支持体との間の隙間は、矩形及び矩形環状であることに限定されるものではない。
1 センサ素子、2 支持体組込み部、3 底流防止剤、4 キャビティ、5 発熱体、6 シリコン基材、7 ダイシングライン、8 吸気温検出体、9a,9b リード部、10a,10b 電極、11 ダイボンド剤、12 支持体、13 被計測流体の流れ、14 保護膜、15 支持膜、16 底流防止剤の流れ、17 ワイヤ、18 ダイシング領域、19 薄膜部、20 テクスチャ、21 センサ素子の境界、22 アルコール成分、23 酸化膜、24 レジスト、25 メタルマスク、26 柱状凸部、27 開口部、28 開口。

Claims (7)

  1. センサ素子と、支持体とを備え、
    上記センサ素子は、半導体の平板状シリコン基材の裏面に、該平板状シリコン基材を部分的に除去して形成されたキャビティと、該キャビティの上部に、検出素子が形成された薄膜部とを有し、
    上記支持体は、上記センサ素子が配置される組込み部を有し、
    上記センサ素子は、接着剤によって、上記組込み部に浮動態様で支持され、
    上記センサ素子と上記組込み部との間に形成された間隙には、底流防止剤が充填され、
    上記接着剤は、上記組込み部における、上記センサ素子の電極の真下に位置する領域に配置された、熱硬化型の接着剤であり、
    上記底流防止剤は、上記隙間における上流側に配置された、常温硬化型であり、
    上記センサ素子には、底流防止剤が接触するテクスチャが形成されており、
    上記テクスチャは、上記センサ素子における裏面の前記キャビティの開口部の上流側に形成されている、
    流量検出装置。
  2. 上記テクスチャは、ウェットエッチングを用いて形成する請求項1の流量検出装置。
  3. 上記テクスチャは、矩形の開口窓を有するマスクを有するウェットエッチングを用いて形成する請求項2の流量検出装置。
  4. 上記ウェットエッチングでは、アルカリ系エッチャントにアルコールを添加したものを用いる請求項2または3の流量検出装置。
  5. 上記テクスチャは、予めマスク形成を行い、ドライエッチングを用いて形成する請求項1の流量検出装置。
  6. 上記テクスチャは、凹凸が必要とされる領域を囲うように、予めその周辺にマスク材を配置したのち、ドライエッチングを用いて上記マスク材から放出されるマイクロマスキング形成とエッチングとを同時処理することで得る請求項3または5の流量検出装置。
  7. 上記底流防止剤は、上記支持体の表面と同じ高さまで充填されている請求項1乃至6の何れか一項の流量検出装置。
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