JP6652479B2

JP6652479B2 - 差圧検出素子及び流量計測装置

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Publication number: JP6652479B2
Application number: JP2016202744A
Authority: JP
Inventors: 達也塩入
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2036-10-14
Also published as: JP2018063224A

Description

本発明は、圧力差を検出するための差圧検出素子、及び、その差圧検出素子を用いて流路内の上流と下流の圧力差から流量を求める流量計測装置に関するものである。

連通開口が形成されたセンサ本体と、センサ本体に片持ち状に支持された状態で連通開口の内側に配設されたカンチレバーと、カンチレバーの基端部に形成されたピエゾ抵抗と、ピエゾ抵抗に接続された配線部と、ピエゾ抵抗及び配線部を被覆する絶縁膜と、を備えた圧力センサが知られている（例えば特許文献１（段落［００２９］）参照）。

特開２０１３−２３４８５３号公報

上記の圧力センサの絶縁膜をシリコン酸化膜で形成し、当該圧力センサを高温且つ高湿度の環境下に長時間放置した場合、シリコン酸化膜はガスバリア性に若干劣るため、吸湿により絶縁膜が膨張してしまう。これにより、オフセット状態（カンチレバーに圧力が印加されていない状態）においてカンチレバーが徐々に下方に撓んでしまい、オフセット電圧（オフセット状態における圧力センサの出力電圧）が経時的に変動してしまう、という問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、オフセット電圧の経時的な変動を抑制することが可能な差圧検出素子、及び、その差圧検出素子を用いた流量計測装置を提供することである。

［１］本発明に係る差圧検出素子は、支持部と、前記支持部に支持されていると共に、差圧に応じて弾性変形する変形可能部と、前記変形可能部の固定端に設けられたピエゾ抵抗部を含む拡散層と、少なくとも前記拡散層を覆う第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層に積層された第２の絶縁層と、を備えており、前記第２の絶縁層は、少なくとも前記拡散層の近傍において、前記第１の絶縁層の端面も覆っている差圧検出素子である。

［２］上記発明において、前記第２の絶縁層のガス透過率は、前記第１の絶縁層のガス透過率に対して相対的に低くてもよい。

［３］上記発明において、前記第２の絶縁層の密度は、前記第１の絶縁層の密度に対して相対的に高くてもよい。

［４］上記発明において、前記第１の絶縁層は、シリコン酸化層であり、前記第２の絶縁層は、シリコン窒化層であってもよい。

［５］上記発明において、前記差圧検出素子は、前記拡散層に電気的に接続された一対の配線部をさらに備え、前記拡散層は、一対の前記配線部と前記ピエゾ抵抗部を電気的に直列接続するリード部を含んでおり、前記リード部における不純物の濃度は、前記ピエゾ抵抗部における不純物の濃度に対して相対的に高く、前記第１の絶縁層は、前記リード部も覆っていてもよい。

［６］上記発明において、前記支持部は、開口を有しており、前記変形可能部は、前記開口に突出するように前記支持部に片持ち支持されたカンチレバー部を含んでもよい。

［７］本発明に係る流量計測装置は、主流路を流れる流体の流量を検出する流量計測装置であって、上記の差圧検出素子と、一対の連通口を介して前記主流路に連通していると共に、前記差圧検出素子が設けられたバイパス路と、前記差圧検出素子の出力に基づいて前記流体の流量を演算する流量演算部と、を備えた流量計測装置である。

［８］本発明に係る差圧検出素子の製造方法は、上記の差圧検出素子の製造方法であって、第１の平面形状を有する前記第１の絶縁層を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁層を形成した後に、第２の平面形状を有する前記第２の絶縁層を形成する第２の工程と、を備えており、前記第２の工程は、少なくとも前記ピエゾ抵抗部の近傍において、前記第２の絶縁層が前記第１の絶縁層の端面を覆うように、前記第１の絶縁層よりも前記第２の絶縁層を大きく形成することを含む差圧検出素子の製造方法である。

［９］上記発明において、前記第１の工程は、前記第１の絶縁層をエッチングする第１のエッチング工程を含み、前記第２の工程は、前記第２の絶縁層をエッチングする第２のエッチング工程を含んでおり、前記第１のエッチング工程と前記第２のエッチング工程とが相互に独立した別々の工程であってもよい。

本発明によれば、第１の絶縁層に積層された第２の絶縁層が、少なくとも前記ピエゾ抵抗部の近傍において、当該第１の絶縁層の端面も覆っている。このため、第１の絶縁層の表面からの吸湿に加えて、当該第１の絶縁層の端面からの吸湿も抑制することができるので、差圧検出素子のオフセット電圧の経時的な変動を抑制することが可能となる。

図１は、本発明の実施形態における差圧検出素子を用いた流量計測装置の構成を示す図である。図２は、本発明の実施形態における差圧検出素子の平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。図４は、本発明の実施形態におけるバイパス路の変形例を示す図である。図５は、本発明の実施形態における差圧検出素子の製造方法を示す工程図である。図６（ａ）〜図６（ｇ）は、図５の各ステップを示す断面図である。図７（ｈ）〜図７（ｍ）は、図５の各ステップを示す断面図である。図８は、本発明の他の実施形態における差圧検出素子の平面図である。図９は、図８のIX-IX線に沿った断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態における差圧検出素子を用いた流量計測装置の構成を示す図である。

本実施形態における流量計測装置１は、図１に示すように、主流路２を流れる流体の流量を計測する装置である。この流量計測装置１は、主流路２から分岐するバイパス路４に設けられた差圧検出素子１０と、当該差圧検出素子１０に電気的に接続された流量演算部２０と、を備えている。主流路２内を流れる流体の具体例としては、例えば、空気などの気体や、水などの液体を例示することができる。

なお、図１では、流体が主流路２内を右側から左側に向かって流れている状況を図示しているが、流体の流通方向は特にこれに限定されない。流体が主流路２内を左側から右側に向かって流れる場合もある。

この流量計測装置１は、差圧検出素子１０のカンチレバー部１２の弾性変形によって、バイパス路４の上流開口５と下流開口６との間の圧力差を検出し、流量演算部２０がその圧力差に基づいて主流路２を流れる流体の流量を演算する。

なお、図１に示す例では、当該圧力差を積極的に発生させるために、オリフィス３を有する絞り機構が主流路２に設けられているが、特にこれに限定されない。例えば、こうした絞り機構に代えて、整流ガイドを主流路２に設けてもよいし、或いは、絞り機構を省略してもよい。

図２及び図３は本実施形態における差圧検出素子の平面図及び断面図である。

差圧検出素子１０は、図２及び図３に示すように、支持部（支持基板）１１と、カンチレバー部１２と、拡散層１３と、第１の絶縁層１４と、第２の絶縁層１５と、配線部１６，１７と、を備えたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子である。

後述するように、支持部１１とカンチレバー部１２は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハ３０を加工することで一体的に形成されている。支持部１１は、第１のシリコン層３１、シリコン酸化層３２、及び、第２のシリコン層３３からなる積層体で構成されている。この支持部１１には、当該支持部１１を貫通する矩形形状の開口１１１が形成されている。

一方、カンチレバー部１２は、第１のシリコン層３１のみから構成されており、２００ｎｍ〜１０μｍ程度の厚さｗ_ａを有している。このカンチレバー部１２は、支持部１１の開口１１１に突出するように当該カンチレバー部１２の固定端１２１で支持部１１に片持ち支持されている。このため、カンチレバー部１２の固定端１２１を除いて、カンチレバー部１２の外縁と開口１１１の内壁面との間に、隙間（ギャップ）１２２が確保されている。特に限定されないが、この隙間１２２は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度の幅を有している。

拡散層１３は、ピエゾ抵抗部１３１，１３２とリード部１３３〜１３５を含んでいる。リード部１３３〜１３５によって、一対のピエゾ抵抗部１３１，１３２が、後述する配線部１６，１７と電気的に直列接続されている。

ピエゾ抵抗部１３１，１３２は、ｐ型の不純物を第１のシリコン層３１（ｎ型半導体）にドーピングすることで形成されている。このピエゾ抵抗部１３１，１３２は、圧力印加時にカンチレバー部１２において応力が最大となる固定端１２１に設けられており、カンチレバー部１２の弾性変形に伴って当該ピエゾ抵抗部１３１，１３２の抵抗値が変化する。

拡散層１３のリード部１３３〜１３５も、ｐ型の不純物を第１のシリコン層３１にドーピングすることで形成されているが、このリード部１３３〜１３５における不純物の濃度は、ピエゾ抵抗部１３１，１３２における不純物の濃度に対して相対的に高くなっている。すなわち、本実施形態では、拡散層１３のピエゾ抵抗部１３１，１３２は、ｐ⁻型の半導体で構成されているのに対し、当該拡散層１３のリード部１３３〜１３５は、ｐ^＋型の半導体で構成されている。これにより、ピエゾ抵抗部１３１，１３２の電気的な抵抗値が、リード部１３３〜１３５の電気的な抵抗値に対して相対的に高くなっている。

第１のリード部１３３は、一方のピエゾ抵抗部１３１の一端（図２における上端）と、他方のピエゾ抵抗部１３２の一端（図２における上端）とを電気的に接続している。一方、第２のリード部１３４は、一方のピエゾ抵抗部１３１の他端（図２における下端）と、第１の配線部１６とを電気的に接続している。また、第３のリード部１３５は、他方のピエゾ抵抗部１３２の他端（図２の下端）と、第２の配線部１７とを電気的に接続している。

なお、ｎ型の不純物を第１のシリコン層３１（ｐ型半導体）にドーピングすることで、拡散層１３を形成してもよい。この場合には、ピエゾ抵抗部１３１，１３２は、ｎ⁻型の半導体で構成され、リード部１３３〜１３５は、ｎ^＋型の半導体で構成される。

なお、拡散層１３の構成は、特に上記に限定されない。例えば、リード部１３３〜１３５を、シリコン層に不純物をドーピングした拡散層に代えて、配線部１６，１７と同様の導電性材料で構成して、拡散層１３をピエゾ抵抗部１３１，１３２のみで構成してもよい。或いは、後述する図８及び図９に示すように、拡散層１３Ｂが、一つのピエゾ抵抗部１３１と、当該ピエゾ抵抗部１３１の両端に接続された一対のリード部１３４，１３５と、からなる構成であってもよい。さらに、当該拡散層１３Ｂを一つのピエゾ抵抗部１３１のみで構成し、一対のリード部１３４，１３５を導電性材料で構成してもよい。

この拡散層１３は、第１の絶縁層１４によって覆われており、ピエゾ抵抗部１３１，１３２、及び、リード部１３３〜１３５の電気絶縁性が確保されていると共に、Ｎａイオン等による汚染から保護されている。本実施形態では、この第１の絶縁層１４は、平面視（図２参照）において、支持部１１の開口１１１に対応した第１の開口１４１を除いた支持部１１の全面に形成されていると共に、当該第１の開口１４１に突出して拡散層１３を覆う第１の凸部１４２を有している。この第１の絶縁層１４は、電気絶縁性を有する層から構成されており、具体的にはシリコン酸化（ＳｉＯ_２）層から構成されている。この第１の絶縁層１４は、例えば、０．５ｎｍ〜２００ｎｍ程度の厚さｗ_ｂを有している。なお、第１の絶縁層１４の平面形状は、少なくとも拡散層１３及び当該拡散層１３の近傍を覆っていれば、特に上記に限定されない。

さらに、この第１の絶縁層１４の上に第２の絶縁層１５が積層されている。この第２の絶縁層１５は、電気絶縁性を有すると共に、第１の絶縁層１４と比べて水蒸気を吸収し難い特性を有する層から構成されている。具体的には、この第２の絶縁層１５は、第１の絶縁層１４のガス透過率に対して相対的に低いガス透過率を有している。また、この第２の絶縁層１５は、第１の絶縁層１４の密度に対して相対的に高い密度を有している。より具体的には、本実施形態では、この第２の絶縁層１５は、シリコン窒化（ＳｉＮ）層から構成されている。

一例を挙げれば、プラズマ励起ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ：Plasma Enhanced CVD）により形成されたシリコン酸化層のガス透過率は、０．６３［ｇ／ｍ^２・ｄａｙ］であるのに対し、同じくＰＥＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化層のガス透過率は、１．０×１０^−５［ｇ／ｍ^２・ｄａｙ］であり、シリコン窒化層は、シリコン酸化層のガス透過率に対して相対的に低いガス透過率を有している。また、シリコン酸化層の密度は、２．２［ｇ／ｃｍ^２］であるのに対し、シリコン窒化層の密度は、３．４４［ｇ／ｃｍ^２］であり、シリコン窒化層は、シリコン酸化層の密度に対して相対的に高い密度を有している。

ここで、上述のように、シリコン酸化（ＳｉＯ_２）層のみで構成した絶縁層を備えた圧力センサを、高温且つ高湿度の環境下に長時間放置した場合、吸湿により当該シリコン酸化層が膨張してしまい、オフセット電圧が経時的に変動してしまう。

これに対し、本実施形態では、非常に緻密であり、水分をほぼ透過しないシリコン窒化物からなる第２の絶縁層１５を、シリコン酸化物からなる第１の絶縁層１４の上に積層する。そのため、第１の絶縁層１４の表面からの吸湿を抑制することができるので、オフセット状態におけるカンチレバー部１２の経時的な撓みの発生を抑制することができ、結果的に、差圧検出素子１０のオフセット電圧の経時的な変動を抑制することができる。

この第２の絶縁層１５は、平面視（図２参照）において、第１の開口１４１に対応した第２の開口１５１を除いて第１の絶縁層１４の全面に形成されており、第１の凸部１４２に対応した第２の凸部１５２を有している。この第２の絶縁層１５は、例えば、３ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の厚さｗ_ｃを有している。第１及び第２の絶縁層１４，１５の厚さは、差圧検出素子１０の感度を損なわずに拡散層１３を保護することができる厚さであることが好ましい。具体的には、カンチレバー部１２の厚さｗ_ａと、第１の絶縁層１４の厚さｗ_ｂと、第２の絶縁層１５の厚さｗ_ｃと、が下記の（１）式を満たしていることが好ましい。

また、本実施形態では、この第２の絶縁層１５は、第１の絶縁層１４から迫り出しており、第２の絶縁層１５が第１の絶縁層１４の端面１４３，１４４も覆っている。

具体的には、第２の凸部１５２において、第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４からカンチレバー部１２の可動部分側（図２及び図３中の＋Ｙ方向）に向かって迫り出していると共に、第１の絶縁層１４から幅方向（図２及び図３中の±Ｘ方向）に向かって迫り出している。これにより、第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４の第１の凸部１４２の端面１４３を覆っている。

また、第２の開口１５１に関しても、第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４からカンチレバー部１２の可動部分側（図２及び図３中の＋Ｙ方向）に向かって迫り出している。これにより、第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４の第１の開口１４１の端面１４４を覆っている。

この際、図３に示すように、拡散層１３の近傍の領域において、第１の絶縁層１４の端面１４３から拡散層１３の端部１３６までの距離Ｌ_１は、２μｍ〜５０μｍ程度の長さとなっている。また、第２の絶縁層１５の端面１５３から拡散層１３の端部１３６までの距離Ｌ_２は、５μｍ〜３５０μｍ程度の長さとなっている。さらに、これらの距離Ｌ_１，Ｌ_２が、下記の（２）式を満たしていることが好ましい。

第２の絶縁層１５の端面１５３から第１の絶縁層１４の端面１４３までの距離（Ｌ_２−Ｌ_１）が２μｍ未満である場合には、第１の絶縁層１４が吸湿し易くなってしまう。一方、第２の絶縁層１５の端面１５３から第１の絶縁層１４の端面１４３までの距離（Ｌ_２−Ｌ_１）が３０μｍよりも大きい場合には、第２の絶縁層１５によりカンチレバー部１２が固くなり、差圧検出素子１０の感度が悪化してしまう。

このように、本実施形態では、第１の絶縁層１４に積層された第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４から迫り出して、当該第１の絶縁層１４の端面１４３，１４４も覆っている。このため、第１の絶縁層１４の表面からの吸湿に加えて、当該第１の絶縁層１４の端面１４３，１４４からの吸湿も抑制することができるので、差圧検出素子１０のオフセット電圧の経時的な変動を一層抑制することができる。

なお、第２の絶縁層１５は、少なくとも拡散層１３の近傍において第１の絶縁層１４の端面を覆っていればよく、第２の絶縁層１５が第１の開口１４１の端面１４４を全域に亘って覆っている必要はない。例えば、第２の絶縁層１５が、第１の開口１４１の端面１４４において拡散層１３の近傍の部分のみを覆ってもよい。

ここで、特に限定されないが、「拡散層１３の近傍」とは、例えば、平面視において、第１の絶縁層１４の端面から拡散層１３の外縁における当該端面に最も近い部分までの距離が上記のＬ_１以下である領域のことを意味する。因みに、リード部１３３〜１３５が導電性材料で構成され、拡散層がピエゾ抵抗部１３１，１３２のみで構成されている場合には、特に限定されないが、「拡散層１３の近傍」とは、例えば、平面視において、第１の絶縁層１４の端面からピエゾ抵抗部１３１，１３２の外縁における当該端面に最も近い部分までの距離が上記のＬ_１以下である領域のことを意味する。

また、本実施形態では、第１の絶縁層１４の第１の開口１４１の他の端面１４５〜１４７を第２の絶縁層１５が覆っていないが、特にこれに限定されない。例えば、第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４の他の端面１４５〜１４７を覆ってもよい。

第１の配線部１６は、第２のリード部１３４の端部（図２における下端）と接するように、第１及び第２の絶縁層１４，１５の貫通孔１４８，１５８を介して、支持部１１の上面１１２に設けられており、第２のリード部１３４に接続されている。この第１の配線部１６は、導電性を有する材料から構成されている。こうした導電性材料の具体例としては、銅、アルミニウム、金等の金属材料を例示することができる。

第２の配線部１７も、第３のリード部１３５の端部（図２における下端）と接するように、第１及び第２の絶縁層１４，１５の貫通孔１４９，１５９を介して、支持部１１の上面１１２に設けられており、第３のリード部１３５に接続されている。この第２の配線部１７も、第１の配線部１６と同様に、導電性材料から構成されている。

これらの配線部１６，１７は、特に図示しない配線等を介して、上述の流量演算部２０に電気的に接続されている。なお、複数の配線部、リード部、及び、ピエゾ抵抗部を用いてブリッジ回路を構成してもよい。この場合、少ない抵抗値変化を大きな出力として取り出すことが可能となる。

以上に説明した差圧検出素子１０は、図１に示すように、カンチレバー部１２の延在方向がバイパス路４の延在方向（すなわち、バイパス路４内における流体の流通方向）に対して実質的に直交すると共に、支持部１１の開口１１１の軸方向がバイパス路４の延在方向に対して実質的に平行となるように、バイパス路４内に設置されている。

主流路２を流体が流れている場合、壁面との摩擦等に起因して圧力損失が生じ、下流側ほど圧力が小さくなるので、バイパス路４の下流開口６の圧力が上流開口５の圧力と比較して低くなる。一方、差圧検出素子１０の隙間１２２は流体がほとんど流れない程度に狭くなっている。そのため、カンチレバー部１２の上流側には上流開口５の圧力が加わるのに対し、カンチレバー部１２の下流側には下流開口６の圧力が加わる。そして、この開口５，６間の圧力差に応じて差圧検出素子１０のカンチレバー部１２が弾性変形し、ピエゾ抵抗部１３１，１３２に歪みが生じる。

流量演算部２０は、上記の差圧に対応したピエゾ抵抗部１３１，１３２の抵抗値の変化を、配線部１６，１７を介して検出する。そして、当該流量演算部２０は、流体の圧力損失と流量との間に相関関係があることを利用して、主流路２内の差圧に基づいて流体の流量を演算する。この流量演算部２０は、例えば、コンピュータやアナログ回路等で構成することができる。

なお、図１に示す例では、バイパス路４が途中で折れ曲がっているが、バイパス路４の形状は特にこれに限定されない。例えば、図４に示すように、バイパス路４が途中で折れ曲がっていない形状を有してもよい。図４はバイパス路４の変形例を示す図である。

本実施形態における支持部１１が本発明における支持部の一例に相当し、本実施形態におけるカンチレバー部１２が本発明における変形可能部の一例に相当し、本実施形態における拡散層１３が本発明における拡散層の一例に相当し、本実施形態における第１の絶縁層１４が本発明における第１の絶縁層の一例に相当し、本実施形態における第２の絶縁層１５が本発明における第２の絶縁層の一例に相当する。また、本実施形態におけるピエゾ抵抗部１３１，１３２が本発明におけるピエゾ抵抗部の一例に相当し、本実施形態におけるリード部１３３〜１３５が本発明におけるリード部の一例に相当する。

以下に、本実施形態における差圧検出素子１０の製造方法について、図５〜図７を参照しながら説明する。なお、以下に説明する差圧検出素子１０の製造方法は一例に過ぎず、この製造方法に特に限定されない。

図５は本実施形態における差圧検出素子の製造方法を示す工程図、図６（ａ）〜図７（ｍ）は図５の各ステップを示す断面図である。

先ず、図５のステップＳ１１において、図６（ａ）に示すように、ＳＯＩウェハ３０を準備する。このＳＯＩウェハ３０は、第１のシリコン層３１（活性層）と、シリコン酸化層３２（ＢＯＸ（Buried Oxide）層）と、第２のシリコン層３３（ハンドル層）と、から構成されており、２つのシリコン層３１，３３の間にシリコン酸化層３２を挟むように、３つの層３１〜３３が積層されている。

こうしたＳＯＩウェハ３０を形成する手法としては、例えば、シリコン酸化層が形成されたシリコン基板に別のシリコン基板を貼り合わせる方法や、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）法、スマートカット法等を例示することができる。

次いで、図５のステップＳ１２において、ＳＯＩウェハ３０の第１のシリコン層３１に拡散層１３を形成する。

具体的には、先ず、図６（ｂ）に示すように、ＳＯＩウェハ３０に対して熱酸化処理を行うことで、第１のシリコン層３１に熱シリコン酸化層４１を形成する。なお、この熱シリコン酸化層４１は、上述の第１の絶縁層１４の一部を構成することになると共に、後述の拡散層１３の形成時のイオン注入時のイオンのチャネリングを抑制する機能と、イオン注入後のアニール処理時のイオンの外方拡散を抑制する機能と、を有する。

次いで、図６（ｃ）に示すように、熱シリコン酸化層４１上に第１のレジスト層５１を形成する。この第１のレジスト層５１は、拡散層１３のリード部１３３〜１３５の形状に対応した開口を有している。

次いで、同図に示すように、第１のレジスト層５１の開口を介して、ｐ型の不純物を第１のシリコン層３１にドーピングすることで、リード部１３３〜１３５を形成し、その後、第１のレジスト層５１を除去する。

次いで、図６（ｄ）に示すように、ＳＯＩウェハ３０上に第２のレジスト層５２を形成する。この第２のレジスト層５２は、ピエゾ抵抗部１３１，１３２を含めた拡散層１３全体の形状に対応した開口を有している。

次いで、同図に示すように、第２のレジスト層５２の開口を介して、ｐ型の不純物を第１のシリコン層３１にドーピングすることで、ピエゾ抵抗部１３１，１３２を形成し、その後、第２のシリコン層３２を除去する。

ＳＯＩウェハ３０の第１のシリコン層３１に不純物をドーピングする手法としては、例えば、イオン注入法（Ion Implantation）等を例示することができる。この際、リード部１３３〜１３５における不純物の濃度が、ピエゾ抵抗部１３１，１３２における不純物の濃度よりも高くなるように、イオン注入を制御する。

次いで、図５のステップＳ１３に示すように、ウェハ３０上に第１の絶縁層１４を形成する。

具体的には、先ず、図６（ｅ）に示すように、減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ：Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法によって、熱シリコン酸化層４１の上にシリコン酸化膜をさらに堆積させて、堆積シリコン酸化層４２を形成する。なお、堆積シリコン酸化層４２の形成方法は、特に限定されず、減圧ＣＶＤ法以外の熱ＣＶＤ法（例えば、常温ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ：Atmospheric Pressure CVD））や、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法等を用いて、堆積シリコン酸化層４２を形成してもよい。

次いで、図６（ｆ）に示すように、相互に積層された熱シリコン酸化層４１と堆積シリコン酸化層４２に対してアニール処理を行って、これら２つのシリコン酸化層４１，４２を一体化することで、第１の絶縁層１４を形成する。

次いで、図６（ｇ）に示すように、第１の絶縁層１４上に第３のレジスト層５３を形成する。この第３のレジスト層５３は、上述の第１の開口１４１及び貫通孔１４８，１４９にそれぞれ対応した複数の開口を有している。

次いで、同図に示すように、第３のレジスト層５３の開口を介して、第１の絶縁層１４に対してエッチング処理を行い、その後、第３のレジスト層５３を除去する。これにより、第１の絶縁層１４の第１の開口１４１及び貫通孔１４８，１４９が形成される。なお、具体的なエッチング方法としては、ドライエッチング法やウェットエッチング法を例示することができる。

なお、このステップＳ１３では、熱酸化処理によって形成した熱シリコン酸化層４１と、ＬＰＣＶＤ法によって形成した堆積シリコン酸化層４２と、の２層をアニール処理することで、第１の絶縁層１４を形成したが、第１の絶縁層１４を形成する方法は特にこれに限定されない。例えば、熱酸化法、ＣＶＤ法、又は、スピンコート法等のいずれかの手法によって形成された１層のシリコン酸化層のみによって第１の絶縁層１４を構成してもよい。

次いで、図５のステップＳ１４に示すように、第１の絶縁層１４の上に第２の絶縁層１５を形成する。

具体的には、先ず、図７（ｈ）に示すように、減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）法によって、第１の絶縁層１４及び第１のシリコン層３１の上にシリコン窒化膜を堆積させることで、第２の絶縁層１５を形成する。なお、第２の絶縁層１５の形成方法は、特に限定されず、減圧ＣＶＤ法以外の熱ＣＶＤ法（例えば、常温ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）や、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法等を用いて、第２の絶縁層１５を形成してもよい。

次いで、図７（ｉ）に示すように、第２の絶縁層１５及び第１のシリコン層３１の上に第４のレジスト層５４を形成する。この第４のレジスト層５４は、上述の第２の開口１５１及び貫通孔１５８，１５９にそれぞれ対応した複数の開口を有している。

次いで、同図に示すように、第４のレジスト層５４の開口を介して、第２の絶縁層１５に対してエッチング処理を行い、その後、第４のレジスト層５４を除去する。これにより、第２の絶縁層１５の第２の開口１５１及び貫通孔１５８，１５９が形成される。なお、具体的なエッチング方法としては、ドライエッチング法やウェットエッチング法を例示することができる。

この際、本実施形態では、第２の開口１５１に対応する第４のレジスト層５４の開口は、第１の凸部１４２の近傍において、第１の絶縁層１４の第１の開口１４１よりも若干小さくなっている。このため、第４のレジスト層５４の開口を介して第２の絶縁層１５がエッチングされた後も、第２の凸部１５２において、第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４から迫り出して、第１の絶縁層１４の第１の凸部１４２の端面１４３を第２の絶縁層１５が覆っている。また、第２の開口１５１に関しても、第１の絶縁層１４から迫り出し、第１の絶縁層１４の第１の開口１４１の端面１４４を第２の絶縁層１５が覆っている。

次いで、図５のステップＳ１５において、配線部１６，１７を形成する。

具体的には、図７（ｊ）に示すように、第２の絶縁層１５及び第１のシリコン層３１上に第５のレジスト層５５を形成する。この第５のレジスト層５５は、配線部１６，１７に対応した開口を有している。

次いで、同図に示すように、第１及び第２の絶縁層１４，１５の開口１４８，１４９，１５８，１５９の中に導電性材料を充填し、その後、第５のレジスト層５５を除去する。これにより、配線部１６，１７が形成される。こうした導電性材料としては、例えば、銅、アルミニウム、金等の金属材料を例示することができる。また、導電性材料を充填する手法としては、例えば、スパッタリング、真空蒸着、めっき等を例示することができる。

次いで、図５のステップＳ１６において、カンチレバー部１２を形成する。

具体的には、図７（ｋ）に示すように、第１のシリコン層３１、第２の絶縁層１５及び配線部１６，１７の上に、第６のレジスト層５６を形成する。この第６のレジスト層５６は、上述の隙間１２２に対応した開口を有している。

次いで、同図に示すように、第６のレジスト層５６の開口を介して、第１のシリコン層３１に対してエッチング処理を行い、その後、第６のレジスト層５６を除去する。これにより、隙間１２２によってカンチレバー部１２が画定される。この際、ＳＯＩウェハ３０のシリコン酸化層３２がエッチングストッパとして機能する。

次いで、図５のステップＳ１７において、支持部１１を形成する。

具体的には、図７（ｌ）に示すように、ＳＯＩウェハ３０の下面に第７のレジスト層５７を形成する。この第７のレジスト層５７は、上述の支持部１１の開口１１１に対応した開口を有している。

次いで、同図に示すように、第２のシリコン層３３に対して下方からエッチング処理を行う。この際、ＳＯＩウェハ３０のシリコン酸化層３２がエッチングストッパとして機能する。

次いで、第７のレジスト層５７を除去した後、図７（ｍ）に示すように、シリコン酸化層３２に対して下方からエッチング処理を行うことで、開口１１１を有する支持部１１が形成される。

以上に説明したステップＳ１１〜Ｓ１７を実行することで、一枚のＳＯＩウェハ３０に多数の差圧検出素子１０が一括で形成される。このため、図５のステップＳ１８において、当該多数の差圧検出素子１０をダイシングによって個片化することで、個々の差圧検出素子１０が完成する。

以上のように、本実施形態では、水分をほぼ透過しない第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４の上に積層されている。そのため、第１の絶縁層１４の表面からの吸湿を抑制することができるので、差圧検出素子１０のオフセット電圧の経時的な変動を抑制することができる。

また、第１の絶縁層１４に積層された第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４から迫り出して、当該第１の絶縁層１４の端面１４３，１４４も覆っている。このため、第１の絶縁層１４の表面からの吸湿に加えて、当該第１の絶縁層１４の端面１４３，１４４からの吸湿も抑制することができるので、差圧検出素子１０のオフセット電圧の経時的な変動を一層抑制することができる。

また、本実施形態では、第１の絶縁層１４を形成するためのエッチング処理（図５のステップＳ１３）と、第２の絶縁層１５を形成するためのエッチング処理（図５のステップＳ１４）を別々に実施するので、第２の絶縁層１５により第１の絶縁層１４の端面１４３，１４４を覆う構造を容易に形成することができる。

本実施形態における図５のステップＳ１３が本発明における第１の工程の一例に相当し、本実施形態における図５のステップＳ１４が本発明における第２の工程の一例に相当する。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、図８及び図９に示すような一般的なダイアフラム式の差圧検出素子に本発明を適用してもよい。図８は本発明の他の実施形態における差圧検出素子の平面図であり、図９は図８のIX-IX線に沿った断面図である。なお、図８及び図９において、上述した差圧検出素子１０（図２及び図３参照）と同様の構成である部分については同一の符号を付す。

本実施形態における差圧検出素子１０Ｂは、カンチレバー部１２に代えて、ダイアフラム部１２Ｂを備えている。このダイアフラム部１２Ｂの周囲には隙間が形成されておらず、当該ダイアフラム部１２Ｂは支持部１１の開口１１１を閉塞している。このダイアフラム部１２Ｂの四方に拡散層１３Ｂがそれぞれ設けられている。それぞれの拡散層１３Ｂは、一つのピエゾ抵抗部１３１と、当該ピエゾ抵抗部１３１の両端に接続された一対のリード部１３４，１３５と、から構成されている。４つのピエゾ抵抗部１３１は、ダイアフラム部１２Ｂの固定端１２１にそれぞれ配置されている。なお、差圧検出素子１０Ｂが、この拡散層１３Ｂに代えて、例えば、２つのピエゾ抵抗部１３１，１３２を備えた上述の拡散層１３を備えてもよい。

本実施形態においても、上述の差圧検出素子１０と同様に、拡散層１３Ｂを覆う第１の絶縁層１４の上に第２の絶縁層１５が積層されている。そのため、第１の絶縁層１４の表面からの吸湿を抑制することができるので、差圧検出素子１０Ｂのオフセット電圧の経時的な変動を抑制することができる。

また、第１の絶縁層１４に積層された第２の絶縁層１５が、第１の絶縁層１４から迫り出して、当該第１の絶縁層１４の端面１４３，１４４も覆っている。このため、第１の絶縁層１４の表面からの吸湿に加えて、当該第１の絶縁層１４の端面１４３，１４４からの吸湿も抑制することができるので、差圧検出素子１０Ｂのオフセット電圧の経時的な変動を一層抑制することができる。

本実施形態における支持部１１が本発明における支持部の一例に相当し、本実施形態におけるダイアフラム部１２Ｂが本発明における変形可能部の一例に相当し、本実施形態における拡散層１３Ｂが本発明における拡散層の一例に相当し、本実施形態における第１の絶縁層１４が本発明における第１の絶縁層の一例に相当し、本実施形態における第２の絶縁層１５が本発明における第２の絶縁層の一例に相当する。また、本実施形態におけるピエゾ抵抗部１３１が本発明におけるピエゾ抵抗部の一例に相当し、本実施形態におけるリード部１３４，１３５が本発明におけるリード部の一例に相当する。

１…流量計測装置
２…主流路
３…オリフィス
４…バイパス路
５…上流開口
６…下流開口
１０…差圧検出素子
１１…支持部
１１１…開口
１１２…上面
１２…カンチレバー部
１２１…固定端
１２２…隙間
１３…拡散層
１３１，１３２…ピエゾ抵抗部
１３３〜１３５…リード部
１３６…端部
１４…第１の絶縁層
１４１…第１の開口
１４２…第１の凸部
１４３〜１４７…端面
１４８，１４９…貫通孔
１５…第２の絶縁層
１５１…第２の開口
１５２…第２の凸部
１５３…端面
１５８，１５９…貫通孔
１６，１７…配線部
２０…流量演算部
３０…ＳＯＩウェハ
３１…第１のシリコン層
３２…シリコン酸化層
３３…第２のシリコン層
４１…熱シリコン酸化層
４２…堆積シリコン酸化層
５１〜５７…第１〜第７のレジスト層

Claims

支持部と、
前記支持部に支持されていると共に、差圧に応じて弾性変形する変形可能部と、
前記変形可能部の固定端に設けられたピエゾ抵抗部を含む拡散層と、
少なくとも前記拡散層を覆う第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層に積層された第２の絶縁層と、を備えており、
前記第２の絶縁層は、少なくとも前記拡散層の近傍において、前記第１の絶縁層の端面も覆っている差圧検出素子。
請求項１に記載の差圧検出素子であって、
前記第２の絶縁層のガス透過率は、前記第１の絶縁層のガス透過率に対して相対的に低い差圧検出素子。
請求項１又は２に記載の差圧検出素子であって、
前記第２の絶縁層の密度は、前記第１の絶縁層の密度に対して相対的に高い差圧検出素子。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の差圧検出素子であって、
前記第１の絶縁層は、シリコン酸化層であり、
前記第２の絶縁層は、シリコン窒化層である差圧検出素子。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の差圧検出素子であって、
前記差圧検出素子は、前記拡散層に電気的に接続された一対の配線部をさらに備え、
前記拡散層は、一対の前記配線部と前記ピエゾ抵抗部を電気的に直列接続するリード部を含んでおり、
前記リード部における不純物の濃度は、前記ピエゾ抵抗部における不純物の濃度に対して相対的に高く、
前記第１の絶縁層は、前記リード部も覆っている差圧検出素子。
主流路を流れる流体の流量を検出する流量計測装置であって、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の差圧検出素子と、
一対の連通口を介して前記主流路に連通していると共に、前記差圧検出素子が設けられたバイパス路と、
前記差圧検出素子の出力に基づいて前記流体の流量を演算する流量演算部と、を備えた流量計測装置。