JPH11271123A - マイクロヒータおよびその製造方法ならびにエアフローセンサ - Google Patents
マイクロヒータおよびその製造方法ならびにエアフローセンサInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 薄膜発熱部の発熱体膜を保持する下部薄膜と
上部薄膜の膜厚を厚くして機械的強度を高めることがで
き、且つ全体の反りを極力低減する。 【解決手段】 シリコン基板に形成した空洞部を架橋す
るように薄膜発熱部４を形成する。薄膜発熱部４は、下
部薄膜６，ヒータ層７および上部薄膜８を積層した構造
である。薄膜６，８は、引張応力膜と圧縮応力膜とをヒ
ータ層７を挟んで対称となるように積層している。引張
応力膜を耐湿性の良いＳｉ３Ｎ４膜９，１２とし、圧縮
応力膜を密着性の良いＳｉＯ２として形成する。両者は
内部応力を打ち消し合うので内部応力を緩和でき、反り
モーメントも打ち消して全体の反りも抑制でき、膜厚を
厚くしても機械的強度の向上を図れる。
上部薄膜の膜厚を厚くして機械的強度を高めることがで
き、且つ全体の反りを極力低減する。 【解決手段】 シリコン基板に形成した空洞部を架橋す
るように薄膜発熱部４を形成する。薄膜発熱部４は、下
部薄膜６，ヒータ層７および上部薄膜８を積層した構造
である。薄膜６，８は、引張応力膜と圧縮応力膜とをヒ
ータ層７を挟んで対称となるように積層している。引張
応力膜を耐湿性の良いＳｉ３Ｎ４膜９，１２とし、圧縮
応力膜を密着性の良いＳｉＯ２として形成する。両者は
内部応力を打ち消し合うので内部応力を緩和でき、反り
モーメントも打ち消して全体の反りも抑制でき、膜厚を
厚くしても機械的強度の向上を図れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板に形成された
空洞部を架橋するように設けられた薄膜発熱部を有する
構成のマイクロヒータおよびその製造方法ならびにエア
フローセンサに関する。
空洞部を架橋するように設けられた薄膜発熱部を有する
構成のマイクロヒータおよびその製造方法ならびにエア
フローセンサに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】近年、半導体チップ上
に形成するフローセンサや湿度センサなどが提供されつ
つあり、これらの構造にはその検出原理上で必要となる
マイクロヒータを設ける構成としている。この場合、マ
イクロヒータの構成は、昇温時における基板への熱の逃
げを防止するために、構造体を数μｍ程度の薄膜構造に
形成し、さらに、薄膜構造に貫通孔などを形成するなど
の断熱構造を採用するようにしている。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。
に形成するフローセンサや湿度センサなどが提供されつ
つあり、これらの構造にはその検出原理上で必要となる
マイクロヒータを設ける構成としている。この場合、マ
イクロヒータの構成は、昇温時における基板への熱の逃
げを防止するために、構造体を数μｍ程度の薄膜構造に
形成し、さらに、薄膜構造に貫通孔などを形成するなど
の断熱構造を採用するようにしている。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），Ｓｉ（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
いられる。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。
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），Ｓｉ（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
いられる。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】しかし、従来の膜構造では、室温および昇
温時において構造体の内部応力の分布が調整されていな
いことが多く、このことに起因して構造体の内部に残存
する応力により凸型あるいは凹型に反るなどの変形が生
じていることがある。そして、発熱体の温度変化に対応
して各材料の熱膨張係数の差によって反りはさらに変化
し、熱ストレスが構造体に発生することになる。このた
め、電源のオンオフの変化や断続通電する際には、膜構
造に実質的に冷熱サイクルを繰り返し与えることにな
り、ひいては膜構造体の破壊や発熱体の断線などの不具
合に至ることが予想される。
温時において構造体の内部応力の分布が調整されていな
いことが多く、このことに起因して構造体の内部に残存
する応力により凸型あるいは凹型に反るなどの変形が生
じていることがある。そして、発熱体の温度変化に対応
して各材料の熱膨張係数の差によって反りはさらに変化
し、熱ストレスが構造体に発生することになる。このた
め、電源のオンオフの変化や断続通電する際には、膜構
造に実質的に冷熱サイクルを繰り返し与えることにな
り、ひいては膜構造体の破壊や発熱体の断線などの不具
合に至ることが予想される。
【０００５】このような熱ストレスによる破壊を防止す
る方法として、特開平８−１０７２３６号公報に示され
るものがある。すなわち、このものは、ヒータ材料を挟
んで上部膜と下部膜とを同一材質で形成した構成のもの
である。このように、熱膨張率を一致させることでヒー
タ材料の上下での伸縮により発生する応力を相殺するよ
うにして熱ストレスを減少させるものである。また、こ
のとき、上部膜と下部膜とを同じ厚さに形成することで
さらに効果を高めることができる。具体的には、ヒータ
材料としてＰｔを０．５μｍ、上部膜および下部膜とし
てＴａ２Ｏ５を１．２５μｍに形成している。
る方法として、特開平８−１０７２３６号公報に示され
るものがある。すなわち、このものは、ヒータ材料を挟
んで上部膜と下部膜とを同一材質で形成した構成のもの
である。このように、熱膨張率を一致させることでヒー
タ材料の上下での伸縮により発生する応力を相殺するよ
うにして熱ストレスを減少させるものである。また、こ
のとき、上部膜と下部膜とを同じ厚さに形成することで
さらに効果を高めることができる。具体的には、ヒータ
材料としてＰｔを０．５μｍ、上部膜および下部膜とし
てＴａ２Ｏ５を１．２５μｍに形成している。
【０００６】しかし、この構成においても、機械的強度
を向上させるために、全体の膜厚を厚く形成しようとす
ると、膜自身の内部応力によって破壊が生ずる場合があ
る。これは圧縮応力膜を用いた場合には内部応力の増大
に伴って座屈現象が生じ、引張応力膜を用いた場合には
内部応力の増大に伴ってクラックが生ずるといった不具
合となる場合がある。
を向上させるために、全体の膜厚を厚く形成しようとす
ると、膜自身の内部応力によって破壊が生ずる場合があ
る。これは圧縮応力膜を用いた場合には内部応力の増大
に伴って座屈現象が生じ、引張応力膜を用いた場合には
内部応力の増大に伴ってクラックが生ずるといった不具
合となる場合がある。
【０００７】さらに、このような上部膜および下部膜に
おいて使用しているＴａ２Ｏ５やＡｌ２Ｏ３などの材料
を用いて形成した膜は、ヒータ材料を特性改善のために
高温処理などを行なったときに膜が多結晶膜になり易い
性質を有する。ところが、多結晶膜は、結晶粒の大きさ
に応じて発生する内部応力が異なるため、膜厚や形成工
程の影響を受け易く制御が難しい。また、膜自体の内部
で均一で同等な内部応力が発生しなくなり、これによっ
て、実際には予定している応力に起因した反りを制御す
ることが困難となる不具合がある。
おいて使用しているＴａ２Ｏ５やＡｌ２Ｏ３などの材料
を用いて形成した膜は、ヒータ材料を特性改善のために
高温処理などを行なったときに膜が多結晶膜になり易い
性質を有する。ところが、多結晶膜は、結晶粒の大きさ
に応じて発生する内部応力が異なるため、膜厚や形成工
程の影響を受け易く制御が難しい。また、膜自体の内部
で均一で同等な内部応力が発生しなくなり、これによっ
て、実際には予定している応力に起因した反りを制御す
ることが困難となる不具合がある。
【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、形成時の内部応力や動作時の発熱によ
る内部応力を構造的に調整することにより、反りを低減
して熱ストレス耐性を向上させ、応力調整することで構
造体膜厚を自由に変えることを可能とし、機械的強度の
向上も図ることができるようにしたマイクロヒータおよ
びその製造方法ならびにエアフローセンサを提供するこ
とにある。
で、その目的は、形成時の内部応力や動作時の発熱によ
る内部応力を構造的に調整することにより、反りを低減
して熱ストレス耐性を向上させ、応力調整することで構
造体膜厚を自由に変えることを可能とし、機械的強度の
向上も図ることができるようにしたマイクロヒータおよ
びその製造方法ならびにエアフローセンサを提供するこ
とにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、基板に形成する薄膜発熱部を、発熱体膜と、この発
熱体膜を上下から挟むように設ける上部薄膜および下部
薄膜とから構成し、上部薄膜および下部薄膜を、それぞ
れ複数層の薄膜を積層すると共にそれらの薄膜を圧縮応
力膜および引張応力膜を組み合わせた構成として全体の
内部応力を緩和するように構成したので、発熱体膜の伸
縮に伴う反りの応力を上部薄膜および下部薄膜で挟んだ
状態として緩和することができると共に、全体の膜厚を
厚く形成することにより機械的強度の向上を図ろうとす
る場合でも、膜の伸縮によって薄膜発熱部自体が破壊す
ることを防止することができるようになり、反りを低減
しながら熱ストレスの耐性を高めることができるように
なる。
ば、基板に形成する薄膜発熱部を、発熱体膜と、この発
熱体膜を上下から挟むように設ける上部薄膜および下部
薄膜とから構成し、上部薄膜および下部薄膜を、それぞ
れ複数層の薄膜を積層すると共にそれらの薄膜を圧縮応
力膜および引張応力膜を組み合わせた構成として全体の
内部応力を緩和するように構成したので、発熱体膜の伸
縮に伴う反りの応力を上部薄膜および下部薄膜で挟んだ
状態として緩和することができると共に、全体の膜厚を
厚く形成することにより機械的強度の向上を図ろうとす
る場合でも、膜の伸縮によって薄膜発熱部自体が破壊す
ることを防止することができるようになり、反りを低減
しながら熱ストレスの耐性を高めることができるように
なる。
【００１０】請求項２の発明によれば、上部薄膜および
下部薄膜を、それぞれが有する内部応力が薄膜発熱部の
面を凸状に反らせるように作用する応力および凹状に反
らせる方向に作用する応力となる場合にこれらを打ち消
し合うような膜構造に形成しているので、薄膜発熱部の
発熱体膜が温度変化に伴って内部応力が変化する場合で
も、上部薄膜と下部薄膜の中間位置に配置されているこ
とから発熱体膜自体の内部応力による反りの量を低減す
ることができると共に、上部薄膜および下部薄膜による
薄膜発熱部を凸状に反らせようとする応力と凹状に反ら
せようとする応力とが打ち消し合うように働くので、薄
膜発熱部全体がいずれかの方向に反るのを防止すること
ができるようになり、熱ストレスの耐性を高めることが
できるようになる。
下部薄膜を、それぞれが有する内部応力が薄膜発熱部の
面を凸状に反らせるように作用する応力および凹状に反
らせる方向に作用する応力となる場合にこれらを打ち消
し合うような膜構造に形成しているので、薄膜発熱部の
発熱体膜が温度変化に伴って内部応力が変化する場合で
も、上部薄膜と下部薄膜の中間位置に配置されているこ
とから発熱体膜自体の内部応力による反りの量を低減す
ることができると共に、上部薄膜および下部薄膜による
薄膜発熱部を凸状に反らせようとする応力と凹状に反ら
せようとする応力とが打ち消し合うように働くので、薄
膜発熱部全体がいずれかの方向に反るのを防止すること
ができるようになり、熱ストレスの耐性を高めることが
できるようになる。
【００１１】請求項３の発明によれば、上部薄膜および
下部薄膜を、それぞれを構成している圧縮応力膜および
引張応力膜の積層層数を同じとしているので、全体とし
て膜構造を単純にしたものとしながら上述した機能を実
現させることができるようになる。
下部薄膜を、それぞれを構成している圧縮応力膜および
引張応力膜の積層層数を同じとしているので、全体とし
て膜構造を単純にしたものとしながら上述した機能を実
現させることができるようになる。
【００１２】請求項４の発明によれば、上部薄膜および
下部薄膜を、それぞれを構成している圧縮応力膜および
引張応力膜の積層構造が、発熱体膜を中心として対称と
なるような順に積層した状態に形成しているので、薄膜
発熱部を反らせようとする応力を打ち消すための構造を
単純な構成とすることができるようになる。
下部薄膜を、それぞれを構成している圧縮応力膜および
引張応力膜の積層構造が、発熱体膜を中心として対称と
なるような順に積層した状態に形成しているので、薄膜
発熱部を反らせようとする応力を打ち消すための構造を
単純な構成とすることができるようになる。
【００１３】請求項８の発明によれば、上部薄膜および
下部薄膜を構成する圧縮応力膜および引張応力膜を、ア
モルファス材料により形成しているので、圧縮応力膜お
よび引張応力膜はそれぞれ内部応力が均等に発生する膜
として利用することができるようになり、多結晶膜のよ
うな結晶粒の大きさに伴う内部応力の変動要因をなくし
た安定した特性を得ることができる。
下部薄膜を構成する圧縮応力膜および引張応力膜を、ア
モルファス材料により形成しているので、圧縮応力膜お
よび引張応力膜はそれぞれ内部応力が均等に発生する膜
として利用することができるようになり、多結晶膜のよ
うな結晶粒の大きさに伴う内部応力の変動要因をなくし
た安定した特性を得ることができる。
【００１４】請求項９の発明によれば、圧縮応力膜を酸
化シリコン膜により形成し、引張応力膜を窒化シリコン
膜により形成するので、酸化シリコン膜を発熱体膜側に
配置する構成とする場合には、発熱体膜との密着性を高
めることができ、それよりも外側に位置する窒化シリコ
ン膜により耐湿性の向上を図ることができ全体としての
特性の向上を計ることができるようになる。
化シリコン膜により形成し、引張応力膜を窒化シリコン
膜により形成するので、酸化シリコン膜を発熱体膜側に
配置する構成とする場合には、発熱体膜との密着性を高
めることができ、それよりも外側に位置する窒化シリコ
ン膜により耐湿性の向上を図ることができ全体としての
特性の向上を計ることができるようになる。
【００１５】請求項１０の発明によれば、上部薄膜およ
び下部薄膜を構成している圧縮応力膜としての酸化シリ
コン膜を、引張応力膜としての窒化シリコン膜に対する
膜厚比（酸化シリコン膜厚／窒化シリコン膜厚）が５〜
７の範囲となるように形成しているので、応力緩和の点
から膜応力による破壊が起こり難い程度の応力とするこ
とができるようになる。
び下部薄膜を構成している圧縮応力膜としての酸化シリ
コン膜を、引張応力膜としての窒化シリコン膜に対する
膜厚比（酸化シリコン膜厚／窒化シリコン膜厚）が５〜
７の範囲となるように形成しているので、応力緩和の点
から膜応力による破壊が起こり難い程度の応力とするこ
とができるようになる。
【００１６】請求項１２の発明によれば、上記した構成
のマイクロヒータを製造する場合において、基板に下部
薄膜，発熱体膜および上部薄膜を順次積層形成して薄膜
発熱部を形成するときに、膜形成工程の後で次の膜形成
工程を実施する前に、その膜形成工程以降の工程中で行
なわれる熱処理の温度のうちの最も高い温度と同等以上
の熱処理温度で熱処理を行なうようにしているので、次
の膜を形成する前に最終工程までの間に受ける熱処理に
より新たに発生する内部応力をなくすことができるよう
になる。
のマイクロヒータを製造する場合において、基板に下部
薄膜，発熱体膜および上部薄膜を順次積層形成して薄膜
発熱部を形成するときに、膜形成工程の後で次の膜形成
工程を実施する前に、その膜形成工程以降の工程中で行
なわれる熱処理の温度のうちの最も高い温度と同等以上
の熱処理温度で熱処理を行なうようにしているので、次
の膜を形成する前に最終工程までの間に受ける熱処理に
より新たに発生する内部応力をなくすことができるよう
になる。
【００１７】請求項１３の発明によれば、内燃機関に連
通された吸気管内に配置され、請求項９ないし１１のい
ずれかに記載のマイクロヒータを備えると共に、基板に
形成された空洞部を架橋するように設けられた温度セン
サとを備え、温度センサ側からマイクロヒータ側に流通
する吸気管内の吸入空気の流量を検出する構成としてい
るので、自動車や船舶などの内燃機関における吸気流量
を測定するといった悪条件下においても、耐水性および
耐湿性を高めた状態の構成であるから耐環境性に優れた
ものとすることができる。
通された吸気管内に配置され、請求項９ないし１１のい
ずれかに記載のマイクロヒータを備えると共に、基板に
形成された空洞部を架橋するように設けられた温度セン
サとを備え、温度センサ側からマイクロヒータ側に流通
する吸気管内の吸入空気の流量を検出する構成としてい
るので、自動車や船舶などの内燃機関における吸気流量
を測定するといった悪条件下においても、耐水性および
耐湿性を高めた状態の構成であるから耐環境性に優れた
ものとすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を自動車や船舶など
の内燃機関の吸気量を検出する部分に配設するエアフロ
ーセンサに適用した場合の一実施形態について図面を参
照しながら説明する。図２はブリッジ型の構造を採用し
たマイクロヒータの機能を備えたエアフローセンサ１の
チップ外観を示している。基板としての矩形状の単結晶
シリコン基板２の中央部には、表面に対角線方向に沿っ
た長尺状の凹部が空洞部３として形成されている。この
空洞部３には、幅方向側に架橋するように薄板状の薄膜
発熱部４および温度センサ５が所定間隔のスリット部３
ａを存して並んだ状態に設けられている。
の内燃機関の吸気量を検出する部分に配設するエアフロ
ーセンサに適用した場合の一実施形態について図面を参
照しながら説明する。図２はブリッジ型の構造を採用し
たマイクロヒータの機能を備えたエアフローセンサ１の
チップ外観を示している。基板としての矩形状の単結晶
シリコン基板２の中央部には、表面に対角線方向に沿っ
た長尺状の凹部が空洞部３として形成されている。この
空洞部３には、幅方向側に架橋するように薄板状の薄膜
発熱部４および温度センサ５が所定間隔のスリット部３
ａを存して並んだ状態に設けられている。
【００１９】マイクロヒータとして機能する薄膜発熱部
４および温度センサ５は同様の膜構造を採用して形成し
たもので、これは図３にも示すように、下部薄膜６，発
熱体膜としてのヒータ層７および上部薄膜８を順次積層
形成してなるものである。薄膜発熱部４および温度セン
サ５のいずれにおいても、ヒータ層７は、例えば膜厚が
２００ｎｍ程度のＰｔ（白金）膜を形成してこれを空洞
部３の幅方向に２往復分だけ連続するようにパターニン
グされたもので、単結晶シリコン基板２の表面端部にそ
れぞれの両端部が電極パッド７ａとして導出されてい
る。なお、後述するように、ヒータ層７は、下部薄膜６
や上部薄膜８との間の密着性を高める目的で、接着層と
してのＴｉ層を極薄く（例えば膜厚５〜１０ｎｍ程度）
形成した状態で積層形成されている。
４および温度センサ５は同様の膜構造を採用して形成し
たもので、これは図３にも示すように、下部薄膜６，発
熱体膜としてのヒータ層７および上部薄膜８を順次積層
形成してなるものである。薄膜発熱部４および温度セン
サ５のいずれにおいても、ヒータ層７は、例えば膜厚が
２００ｎｍ程度のＰｔ（白金）膜を形成してこれを空洞
部３の幅方向に２往復分だけ連続するようにパターニン
グされたもので、単結晶シリコン基板２の表面端部にそ
れぞれの両端部が電極パッド７ａとして導出されてい
る。なお、後述するように、ヒータ層７は、下部薄膜６
や上部薄膜８との間の密着性を高める目的で、接着層と
してのＴｉ層を極薄く（例えば膜厚５〜１０ｎｍ程度）
形成した状態で積層形成されている。
【００２０】図１は、図２に示した薄膜発熱部４（温度
センサ５も同じ）の部分を図中Ａ−Ａ線に沿って切断し
た断面を模式的に示すもので、ヒータ層７は、４本のパ
ターン部分に分割された状態として下部薄膜６および上
部薄膜８とにより挟まれて保持されている。下部薄膜６
および上部薄膜８は、それぞれ２層の薄膜を積層した構
造に形成されるもので、ヒータ層７を挟んで同種の薄膜
が対称に配置されている。
センサ５も同じ）の部分を図中Ａ−Ａ線に沿って切断し
た断面を模式的に示すもので、ヒータ層７は、４本のパ
ターン部分に分割された状態として下部薄膜６および上
部薄膜８とにより挟まれて保持されている。下部薄膜６
および上部薄膜８は、それぞれ２層の薄膜を積層した構
造に形成されるもので、ヒータ層７を挟んで同種の薄膜
が対称に配置されている。
【００２１】すなわち、下部薄膜６は、下面側に引張応
力膜として膜厚が０．１５μｍ程度のＳｉ３Ｎ４膜（窒
化シリコン膜）９が形成されると共に、その上面側（ヒ
ータ層７と接する側）に圧縮応力膜として膜厚が１．０
μｍ程度のＳｉＯ２膜（酸化シリコン膜）１０が積層形
成されたものである。上部薄膜８は、下面側（ヒータ層
７と接する側）に圧縮応力膜として膜厚が１．０μｍ程
度のＳｉＯ２膜１１が形成されると共に、その上面側に
引張応力膜として膜厚が０．１５μｍ程度のＳｉ３Ｎ４
膜１２が積層形成されたものである。したがって、下部
薄膜６と上部薄膜８とでは、ヒータ層７を挟んで対称と
なるように配置された膜の種類および膜厚についても全
く同じとなるように構成されたものである。
力膜として膜厚が０．１５μｍ程度のＳｉ３Ｎ４膜（窒
化シリコン膜）９が形成されると共に、その上面側（ヒ
ータ層７と接する側）に圧縮応力膜として膜厚が１．０
μｍ程度のＳｉＯ２膜（酸化シリコン膜）１０が積層形
成されたものである。上部薄膜８は、下面側（ヒータ層
７と接する側）に圧縮応力膜として膜厚が１．０μｍ程
度のＳｉＯ２膜１１が形成されると共に、その上面側に
引張応力膜として膜厚が０．１５μｍ程度のＳｉ３Ｎ４
膜１２が積層形成されたものである。したがって、下部
薄膜６と上部薄膜８とでは、ヒータ層７を挟んで対称と
なるように配置された膜の種類および膜厚についても全
く同じとなるように構成されたものである。
【００２２】上記構成のエアフローセンサ１は、図示は
しないが、自動車や船舶などの内燃機関に連通された吸
気管内に配置され、内燃機関の内部に導入する吸気の量
を検出するように設けられる。この場合、エアフローセ
ンサ１は、検出しようとする空気の流れが図２あるいは
図３中で白抜きの矢印Ｆで示している方向となるように
配置される。
しないが、自動車や船舶などの内燃機関に連通された吸
気管内に配置され、内燃機関の内部に導入する吸気の量
を検出するように設けられる。この場合、エアフローセ
ンサ１は、検出しようとする空気の流れが図２あるいは
図３中で白抜きの矢印Ｆで示している方向となるように
配置される。
【００２３】吸気流量を検出する原理としては、白抜き
の矢印Ｆで示す方向から空気が流れてくると、その空気
の温度Ｔを温度センサ５により検出し、薄膜発熱部４に
対して検出した空気の温度Ｔよりも一定温度ΔＴだけ高
い状態を保持するように通電する。このとき、薄膜発熱
部４の表面を流通する空気の流量に応じて表面から奪わ
れる熱量が異なるので、薄膜発熱部４へ供給する電流も
空気の流量に応じて変化することになる。そこで、この
とき薄膜発熱部４へ供給している電流から吸気流量を検
出することができるようになるのである。
の矢印Ｆで示す方向から空気が流れてくると、その空気
の温度Ｔを温度センサ５により検出し、薄膜発熱部４に
対して検出した空気の温度Ｔよりも一定温度ΔＴだけ高
い状態を保持するように通電する。このとき、薄膜発熱
部４の表面を流通する空気の流量に応じて表面から奪わ
れる熱量が異なるので、薄膜発熱部４へ供給する電流も
空気の流量に応じて変化することになる。そこで、この
とき薄膜発熱部４へ供給している電流から吸気流量を検
出することができるようになるのである。
【００２４】さて、上述のように検出動作を行なう場合
においては、薄膜発熱部４は例えば数百度程度までヒー
タ層７により昇温されるため、急激な温度上昇や低下が
繰り返される。これにより、導電性材料層であるヒータ
層７は、上部薄膜８および下部薄膜６と比較して、温度
の変化により大きく伸縮するようになる。そこで、ヒー
タ層７を保持している下部薄膜６および上部薄膜８との
間で応力歪みを生じ、それに伴い、薄膜発熱部４に反り
変化が生じ、熱的なストレスが発生することになる。本
実施形態においては、このような事態に対処すべく上部
薄膜６および下部薄膜８を前述のように構成しているの
で、熱ストレスによる悪影響を極力防止することができ
るものである。
においては、薄膜発熱部４は例えば数百度程度までヒー
タ層７により昇温されるため、急激な温度上昇や低下が
繰り返される。これにより、導電性材料層であるヒータ
層７は、上部薄膜８および下部薄膜６と比較して、温度
の変化により大きく伸縮するようになる。そこで、ヒー
タ層７を保持している下部薄膜６および上部薄膜８との
間で応力歪みを生じ、それに伴い、薄膜発熱部４に反り
変化が生じ、熱的なストレスが発生することになる。本
実施形態においては、このような事態に対処すべく上部
薄膜６および下部薄膜８を前述のように構成しているの
で、熱ストレスによる悪影響を極力防止することができ
るものである。
【００２５】このことを、薄膜発熱部４の構造におい
て、膜構造の中心（ヒータ層７の部分）に対して厚さ方
向の距離とその位置で発生している内部応力との積の値
を想定して、これが薄膜発熱部４を上方に凸状に反らせ
る応力としてあるいは下方に凸状（上方に凹状）に反ら
せる応力として作用するものと想定して、これらを次に
示すような反りのモーメントモデルを用いて説明する。
て、膜構造の中心（ヒータ層７の部分）に対して厚さ方
向の距離とその位置で発生している内部応力との積の値
を想定して、これが薄膜発熱部４を上方に凸状に反らせ
る応力としてあるいは下方に凸状（上方に凹状）に反ら
せる応力として作用するものと想定して、これらを次に
示すような反りのモーメントモデルを用いて説明する。
【００２６】図４および図５は、それぞれ図１において
Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線で示す部分の膜厚方向（ｙ方
向）に対する距離ｙとその位置で発生している内部応力
σと反りモーメントＭの分布状態をパターン化して示し
たものである。つまり、図４は、ヒータ層７を含んだ部
分について示し、図５はヒータ層７を含まない部分につ
いて膜厚方向の内部応力σおよび反りモーメントＭを示
したものである。
Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線で示す部分の膜厚方向（ｙ方
向）に対する距離ｙとその位置で発生している内部応力
σと反りモーメントＭの分布状態をパターン化して示し
たものである。つまり、図４は、ヒータ層７を含んだ部
分について示し、図５はヒータ層７を含まない部分につ
いて膜厚方向の内部応力σおよび反りモーメントＭを示
したものである。
【００２７】まず、図４においては、ヒータ層７は、一
般に導電性材料を蒸着したものを用いているので、内部
応力としては大きい引張応力σ１が内在している。そし
て、材料の性質から温度に対して大幅に伸縮することか
ら、温度変化に対する内部応力の変動も大きい。しか
し、ヒータ層７を膜構造全体でみると中心Ｏに位置する
ように構成しているので、中心位置からの膜厚方向（ｙ
方向）の距離ｙは小さい。いま、膜構造全体を反らせる
力として作用する反りモーメントＭを、内部応力σと中
心からの距離ｙとの積の値で定義することにする。具体
的には、反りモーメントＭの値は、中心からの距離ｙと
その位置での内部応力値Δσの値の積をｙ方向に沿って
積分した値となる。
般に導電性材料を蒸着したものを用いているので、内部
応力としては大きい引張応力σ１が内在している。そし
て、材料の性質から温度に対して大幅に伸縮することか
ら、温度変化に対する内部応力の変動も大きい。しか
し、ヒータ層７を膜構造全体でみると中心Ｏに位置する
ように構成しているので、中心位置からの膜厚方向（ｙ
方向）の距離ｙは小さい。いま、膜構造全体を反らせる
力として作用する反りモーメントＭを、内部応力σと中
心からの距離ｙとの積の値で定義することにする。具体
的には、反りモーメントＭの値は、中心からの距離ｙと
その位置での内部応力値Δσの値の積をｙ方向に沿って
積分した値となる。
【００２８】すると、ヒータ層７の反りモーメントＭ１
は、同図（ｂ）に示すように、中心位置Ｏからの距離ｙ
が短いことから、小さい値とすることができる。そし
て、このヒータ層７の反りモーメントＭ１は、中心位置
Ｏから上部が凹型反りモーメントＭ１ａとして作用し、
下部が凸型反りモーメントＭ１ｂとして作用することに
なり、両者の値はほぼ同じであるから打ち消し合って薄
膜発熱部４の膜構造を反らせるように作用するモーメン
トはほとんどなくなる。したがって、温度変化に伴って
ヒータ層７が伸縮する場合でも、ヒータ層７に発生して
いる内部応力によって反りモーメントが発生することは
ほとんどなくなる。つまり、ヒータ層７をほぼ中心位置
Ｏに配置することで、ヒータ層７の応力分布が一様でな
い場合であってもそれによる反りモーメントを極めて小
さくすることができるのである。
は、同図（ｂ）に示すように、中心位置Ｏからの距離ｙ
が短いことから、小さい値とすることができる。そし
て、このヒータ層７の反りモーメントＭ１は、中心位置
Ｏから上部が凹型反りモーメントＭ１ａとして作用し、
下部が凸型反りモーメントＭ１ｂとして作用することに
なり、両者の値はほぼ同じであるから打ち消し合って薄
膜発熱部４の膜構造を反らせるように作用するモーメン
トはほとんどなくなる。したがって、温度変化に伴って
ヒータ層７が伸縮する場合でも、ヒータ層７に発生して
いる内部応力によって反りモーメントが発生することは
ほとんどなくなる。つまり、ヒータ層７をほぼ中心位置
Ｏに配置することで、ヒータ層７の応力分布が一様でな
い場合であってもそれによる反りモーメントを極めて小
さくすることができるのである。
【００２９】一方、ヒータ層７の下側および上側に位置
する下部薄膜６および上部薄膜８については、引張応力
膜としてのＳｉ３Ｎ４膜９，１２および圧縮応力膜とし
てのＳｉＯ２膜１０，１１を積層形成したものであるか
ら、それぞれの内部応力が互いに作用し合うことにより
全体として作用する内部応力が緩和されるようになる。
例えば、下部薄膜６および上部薄膜８は、使用温度範囲
内では破壊しない程度の内部応力となるように各膜の内
部応力を調整して設定すれば良く、実用的には、使用温
度範囲内で例えば若干の引張応力として１０ＭＰａ〜２
００ＭＰａ程度の範囲内の応力が作用する程度に設定す
ることが好ましい。
する下部薄膜６および上部薄膜８については、引張応力
膜としてのＳｉ３Ｎ４膜９，１２および圧縮応力膜とし
てのＳｉＯ２膜１０，１１を積層形成したものであるか
ら、それぞれの内部応力が互いに作用し合うことにより
全体として作用する内部応力が緩和されるようになる。
例えば、下部薄膜６および上部薄膜８は、使用温度範囲
内では破壊しない程度の内部応力となるように各膜の内
部応力を調整して設定すれば良く、実用的には、使用温
度範囲内で例えば若干の引張応力として１０ＭＰａ〜２
００ＭＰａ程度の範囲内の応力が作用する程度に設定す
ることが好ましい。
【００３０】いま、下部薄膜６全体に作用する応力をσ
Ａ，上部薄膜８全体に作用する応力をσＢとして考える
と、これらを構成するＳｉＯ２膜１０，１１およびＳｉ
３Ｎ４膜９，１２の各内部応力をσ２，σ３，σ４，σ
５とし、膜厚をｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５としたときに、 σＡ＝（σ２×ｄ２＋σ４×ｄ４）／（ｄ２＋ｄ４） σＢ＝（σ３×ｄ３＋σ５×ｄ５）／（ｄ３＋ｄ５） として表すことができる。したがって、圧縮応力膜およ
び引張応力膜を組み合わせた構成の上部薄膜６および下
部薄膜８では、一方の内部応力のみを有する膜のみから
構成された従来構成のものに比べると、明らかに上式で
示される内部応力の値σＡ，σＢの値を小さくすること
ができることがわかる。
Ａ，上部薄膜８全体に作用する応力をσＢとして考える
と、これらを構成するＳｉＯ２膜１０，１１およびＳｉ
３Ｎ４膜９，１２の各内部応力をσ２，σ３，σ４，σ
５とし、膜厚をｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５としたときに、 σＡ＝（σ２×ｄ２＋σ４×ｄ４）／（ｄ２＋ｄ４） σＢ＝（σ３×ｄ３＋σ５×ｄ５）／（ｄ３＋ｄ５） として表すことができる。したがって、圧縮応力膜およ
び引張応力膜を組み合わせた構成の上部薄膜６および下
部薄膜８では、一方の内部応力のみを有する膜のみから
構成された従来構成のものに比べると、明らかに上式で
示される内部応力の値σＡ，σＢの値を小さくすること
ができることがわかる。
【００３１】ここで、本実施形態においては、後述する
ようにして形成したＳｉ３Ｎ４膜９，１２は、引張応力
が例えば１２００ＭＰａ程度であり、ＳｉＯ２膜１０，
１１は、圧縮応力が例えば１５０ＭＰａ程度であったの
で、それぞれの膜厚ｄ２，ｄ３が０．１５μｍで膜厚ｄ
４，ｄ５が１．０μｍを代入して下部薄膜６の内部応力
σＡと上部薄膜８の内部応力σＢとを計算すると、両者
共に引張応力としてσＡ＝σＢ＝２６ＭＰａが得られ
る。
ようにして形成したＳｉ３Ｎ４膜９，１２は、引張応力
が例えば１２００ＭＰａ程度であり、ＳｉＯ２膜１０，
１１は、圧縮応力が例えば１５０ＭＰａ程度であったの
で、それぞれの膜厚ｄ２，ｄ３が０．１５μｍで膜厚ｄ
４，ｄ５が１．０μｍを代入して下部薄膜６の内部応力
σＡと上部薄膜８の内部応力σＢとを計算すると、両者
共に引張応力としてσＡ＝σＢ＝２６ＭＰａが得られ
る。
【００３２】この値は上述した内部応力を緩和するため
の条件を満たしている。そして、実測したデータでは３
０ＭＰａ程度が得られていることから、ほぼ計算どおり
の結果が得られていることがわかった。また、下部薄膜
６と上部薄膜８とでは、上述のように膜厚および中心位
置Ｏからの距離を等しく設定していることから、反りモ
ーメントとして作用する成分が共に等しく且つ反対とな
ることから、図４（ｂ）に示したように、各内部応力σ
２，σ３，σ４，σ５による反りモーメントＭ２，Ｍ
３，Ｍ４，Ｍ５の大きさは図示のようになる。ここで、
図中の各モーメントの大きさは、Ｍ２＝−Ｍ３，Ｍ５＝
−Ｍ４である。
の条件を満たしている。そして、実測したデータでは３
０ＭＰａ程度が得られていることから、ほぼ計算どおり
の結果が得られていることがわかった。また、下部薄膜
６と上部薄膜８とでは、上述のように膜厚および中心位
置Ｏからの距離を等しく設定していることから、反りモ
ーメントとして作用する成分が共に等しく且つ反対とな
ることから、図４（ｂ）に示したように、各内部応力σ
２，σ３，σ４，σ５による反りモーメントＭ２，Ｍ
３，Ｍ４，Ｍ５の大きさは図示のようになる。ここで、
図中の各モーメントの大きさは、Ｍ２＝−Ｍ３，Ｍ５＝
−Ｍ４である。
【００３３】そして、下部薄膜６，上部薄膜８のそれぞ
れにおいて、全体としての反りモーメントＭＡ，ＭＢの
値は一方が凸型反りモーメントとして他方が凹型反りモ
ーメントとして同程度の値となる。具体的には、凸型反
りモーメントとして作用するモーメントはＭ３，Ｍ４，
Ｍ１ｂであり、凹型反りモーメントとして作用するモー
メントはＭ２，Ｍ５，Ｍ１ａである。下部薄膜６のモー
メントＭＡおよび上部薄膜８のモーメントＭＢは、それ
ぞれ、 ＭＡ＝Ｍ２＋Ｍ４，ＭＢ＝Ｍ３＋Ｍ５ である。したがって、両者は薄膜発熱部４全体として考
えたときに、上述の関係から、互いに打ち消し合うこと
で全体をいずれかの方向に反らせるモーメントはなくな
り、常温の内部応力による反りも、温度変化に伴う反り
もほとんど打ち消されるようになる。
れにおいて、全体としての反りモーメントＭＡ，ＭＢの
値は一方が凸型反りモーメントとして他方が凹型反りモ
ーメントとして同程度の値となる。具体的には、凸型反
りモーメントとして作用するモーメントはＭ３，Ｍ４，
Ｍ１ｂであり、凹型反りモーメントとして作用するモー
メントはＭ２，Ｍ５，Ｍ１ａである。下部薄膜６のモー
メントＭＡおよび上部薄膜８のモーメントＭＢは、それ
ぞれ、 ＭＡ＝Ｍ２＋Ｍ４，ＭＢ＝Ｍ３＋Ｍ５ である。したがって、両者は薄膜発熱部４全体として考
えたときに、上述の関係から、互いに打ち消し合うこと
で全体をいずれかの方向に反らせるモーメントはなくな
り、常温の内部応力による反りも、温度変化に伴う反り
もほとんど打ち消されるようになる。
【００３４】さらに、このような条件は、ヒータ層７が
ない部分においても全く同様に考えることができるの
で、図１に示したＣ−Ｃ線に沿った部分の断面でも図５
に示したように内部応力および反りモーメントの値を求
めることができ、これによって薄膜発熱部４全体の反り
を防止することができることがわかる。
ない部分においても全く同様に考えることができるの
で、図１に示したＣ−Ｃ線に沿った部分の断面でも図５
に示したように内部応力および反りモーメントの値を求
めることができ、これによって薄膜発熱部４全体の反り
を防止することができることがわかる。
【００３５】次に、上記エアフローセンサの製造方法に
ついて図６および図７を参照して説明する。まず、同図
（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板２の表面にＬ
ＰＣＶＤ法によりＳｉ３Ｎ４膜１３を０．１５μｍ堆積
させる。このとき、単結晶シリコン基板２の加熱温度つ
まり基板温度を７５０℃程度に設定した状態で行なう。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜１４を１．
０μｍ堆積させる。このとき基板温度は２００℃程度で
ある。
ついて図６および図７を参照して説明する。まず、同図
（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板２の表面にＬ
ＰＣＶＤ法によりＳｉ３Ｎ４膜１３を０．１５μｍ堆積
させる。このとき、単結晶シリコン基板２の加熱温度つ
まり基板温度を７５０℃程度に設定した状態で行なう。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜１４を１．
０μｍ堆積させる。このとき基板温度は２００℃程度で
ある。
【００３６】なお、プラズマＣＶＤ法で形成したＳｉＯ
２膜１４は、膜質が不安定となることが多いので、Ｓｉ
Ｏ２膜１４を形成した後に、高温の熱処理を行なう。こ
のときの熱処理条件は、その後の工程で受ける熱処理温
度と同等の温度つまり７５０℃程度とし、窒素雰囲気中
で所定時間だけ実施する。これにより、この後の工程を
経たときに受ける熱処理条件によってＳｉＯ２膜１４の
内部応力の変化を抑制して安定したものとすることがで
きる。
２膜１４は、膜質が不安定となることが多いので、Ｓｉ
Ｏ２膜１４を形成した後に、高温の熱処理を行なう。こ
のときの熱処理条件は、その後の工程で受ける熱処理温
度と同等の温度つまり７５０℃程度とし、窒素雰囲気中
で所定時間だけ実施する。これにより、この後の工程を
経たときに受ける熱処理条件によってＳｉＯ２膜１４の
内部応力の変化を抑制して安定したものとすることがで
きる。
【００３７】ここで、引張応力膜としてＳｉ３Ｎ４膜１
３を形成し、圧縮応力膜としてＳｉＯ２膜１４を形成し
ているのは、シリコン系の製造プロセスにおいて一般的
に用いられるものである点と、アモルファス材料である
点とから選定されたものである。膜としては、例えばＴ
ｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５あるいはＭｇＯを用い
ても形成することができ、これらを基板に対して内部応
力を考慮して圧縮応力膜と引張応力膜とを組み合わせて
形成することもできる。
３を形成し、圧縮応力膜としてＳｉＯ２膜１４を形成し
ているのは、シリコン系の製造プロセスにおいて一般的
に用いられるものである点と、アモルファス材料である
点とから選定されたものである。膜としては、例えばＴ
ｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５あるいはＭｇＯを用い
ても形成することができ、これらを基板に対して内部応
力を考慮して圧縮応力膜と引張応力膜とを組み合わせて
形成することもできる。
【００３８】しかし、材料とその熱処理温度によって
は、多結晶となるものがあり、その場合にはその粒径の
大きさに応じて内部応力の値が変動し、また膜内で一様
な安定した内部応力を実現することが困難になる場合が
ある。この点、アモルファス材料を用いれば、内部応力
を膜内で一様なものとして得ることができる。このよう
な点から、半導体製造プロセスに適したＳｉＯｘ，Ｓｉ
ｘＮｙあるいはＳｉｘＯｙＮｚ（ｘ，ｙ，ｚは任意の正
整数）などの材料を用いることが好ましい。
は、多結晶となるものがあり、その場合にはその粒径の
大きさに応じて内部応力の値が変動し、また膜内で一様
な安定した内部応力を実現することが困難になる場合が
ある。この点、アモルファス材料を用いれば、内部応力
を膜内で一様なものとして得ることができる。このよう
な点から、半導体製造プロセスに適したＳｉＯｘ，Ｓｉ
ｘＮｙあるいはＳｉｘＯｙＮｚ（ｘ，ｙ，ｚは任意の正
整数）などの材料を用いることが好ましい。
【００３９】さらに、ＳｉＯ２膜１４は、密着性に優れ
ることからヒータ層７と隣接する位置に形成することで
安定した構造を得ることができ、Ｓｉ３Ｎ４膜１３はＳ
ｉＯ２膜１４よりも耐湿性に優れることから、内側に位
置するＳｉＯ２膜１４を水分から保護する機能を持たせ
ることができ、全体として耐湿性の高いものを得ること
ができる点もメリットである。また、この点は、前述し
たように、薄膜発熱部４を含む構造のエアフローセンサ
１を配置する環境が水分を含むような部分である場合で
も、耐環境性の点で大きな効果をもたらすものとして採
用することができる。
ることからヒータ層７と隣接する位置に形成することで
安定した構造を得ることができ、Ｓｉ３Ｎ４膜１３はＳ
ｉＯ２膜１４よりも耐湿性に優れることから、内側に位
置するＳｉＯ２膜１４を水分から保護する機能を持たせ
ることができ、全体として耐湿性の高いものを得ること
ができる点もメリットである。また、この点は、前述し
たように、薄膜発熱部４を含む構造のエアフローセンサ
１を配置する環境が水分を含むような部分である場合で
も、耐環境性の点で大きな効果をもたらすものとして採
用することができる。
【００４０】ヒータ層７は、Ｐｔ（白金）膜を真空蒸着
法により２００℃で２００ｎｍ程度の膜厚で成膜する。
なお、ヒータ層７は、熱変動に対する伸縮の影響や応力
分布を考慮すると多層膜構造よりも単層膜で形成した方
が良い。実際には、Ｐｔ層を形成する前に下地のＳｉＯ
２膜１４との密着性を向上させるために接着層としてＴ
ｉ層を極薄く成膜すると良く、ヒータ層７としてはＰｔ
／Ｔｉ層を形成することになる。このときのＴｉ層の膜
厚は、ヒータ層７としてのＰｔ膜の膜厚が１００〜５０
０ｎｍ程度の範囲である場合に、５〜１０ｎｍ程度の極
薄い膜厚で形成すると良い。
法により２００℃で２００ｎｍ程度の膜厚で成膜する。
なお、ヒータ層７は、熱変動に対する伸縮の影響や応力
分布を考慮すると多層膜構造よりも単層膜で形成した方
が良い。実際には、Ｐｔ層を形成する前に下地のＳｉＯ
２膜１４との密着性を向上させるために接着層としてＴ
ｉ層を極薄く成膜すると良く、ヒータ層７としてはＰｔ
／Ｔｉ層を形成することになる。このときのＴｉ層の膜
厚は、ヒータ層７としてのＰｔ膜の膜厚が１００〜５０
０ｎｍ程度の範囲である場合に、５〜１０ｎｍ程度の極
薄い膜厚で形成すると良い。
【００４１】この後、成膜したＰｔ膜を薄膜発熱部４お
よび温度センサ５の各ヒータ層７のパターンを形成すべ
く、フォトリソグラフィ処理によって不要な部分をエッ
チング除去する（同図（ｂ）参照）。このとき、単結晶
シリコン基板２の上面端部側にはヒータ層７の電極パッ
ド７ａが形成されている。この後、応力を安定させると
共に特性を改善させる目的で、７５０℃で窒素雰囲気中
で所定時間熱処理を実施する。
よび温度センサ５の各ヒータ層７のパターンを形成すべ
く、フォトリソグラフィ処理によって不要な部分をエッ
チング除去する（同図（ｂ）参照）。このとき、単結晶
シリコン基板２の上面端部側にはヒータ層７の電極パッ
ド７ａが形成されている。この後、応力を安定させると
共に特性を改善させる目的で、７５０℃で窒素雰囲気中
で所定時間熱処理を実施する。
【００４２】次に、上部薄膜８を形成するために、ヒー
タ層７を形成した面にプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ
２膜１５を１．０μｍ堆積させる。このとき基板温度は
２００℃程度である。この後、ＳｉＯ２膜１５の膜質を
安定させるために高温の熱処理を行なう。このときの熱
処理条件は、前述同様にして、その後の工程で受ける熱
処理温度と同等の温度つまり７５０℃程度とし、窒素雰
囲気中で所定時間だけ実施する。これにより、この後の
工程を経たときに受ける熱処理条件によってＳｉＯ２膜
１４の内部応力の変化を抑制して安定したものとするこ
とができる。
タ層７を形成した面にプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ
２膜１５を１．０μｍ堆積させる。このとき基板温度は
２００℃程度である。この後、ＳｉＯ２膜１５の膜質を
安定させるために高温の熱処理を行なう。このときの熱
処理条件は、前述同様にして、その後の工程で受ける熱
処理温度と同等の温度つまり７５０℃程度とし、窒素雰
囲気中で所定時間だけ実施する。これにより、この後の
工程を経たときに受ける熱処理条件によってＳｉＯ２膜
１４の内部応力の変化を抑制して安定したものとするこ
とができる。
【００４３】続いて、ＬＰＣＶＤ法によりＳｉ３Ｎ４膜
１６を０．１５μｍ堆積させる。このとき、基板温度は
７５０℃程度である。なお、これらの成膜条件は、下部
薄膜６と全く同じに設定されている。したがって、形成
された下部薄膜６および上部薄膜８は、ヒータ層７を中
心として応力分布および反りモーメント分布が対称とな
り、前述したように応力が緩和されると共に反りの発生
を抑制することができる。
１６を０．１５μｍ堆積させる。このとき、基板温度は
７５０℃程度である。なお、これらの成膜条件は、下部
薄膜６と全く同じに設定されている。したがって、形成
された下部薄膜６および上部薄膜８は、ヒータ層７を中
心として応力分布および反りモーメント分布が対称とな
り、前述したように応力が緩和されると共に反りの発生
を抑制することができる。
【００４４】次に、上部薄膜８および下部薄膜６の所定
部分をフォトリソグラフィ処理によってエッチングする
ことで所定形状にパターニングする（図７（ａ）参
照）。これにより、薄膜発熱部４部分および温度センサ
５部分を分離形成する。このとき、電極パッド７ａの部
分にはコンタクトをとるために上部薄膜８に開口部を８
ａを形成しておく。この後、空洞部３を形成する工程で
のエッチングに備えて保護膜１７として全面に５００ｎ
ｍ程度の膜厚のＡｕ膜を蒸着などの方法により形成し、
電極パッド７ａの部分に対応してパターニングして他の
部分をエッチングで除去する。
部分をフォトリソグラフィ処理によってエッチングする
ことで所定形状にパターニングする（図７（ａ）参
照）。これにより、薄膜発熱部４部分および温度センサ
５部分を分離形成する。このとき、電極パッド７ａの部
分にはコンタクトをとるために上部薄膜８に開口部を８
ａを形成しておく。この後、空洞部３を形成する工程で
のエッチングに備えて保護膜１７として全面に５００ｎ
ｍ程度の膜厚のＡｕ膜を蒸着などの方法により形成し、
電極パッド７ａの部分に対応してパターニングして他の
部分をエッチングで除去する。
【００４５】最後に、空洞部３を形成すべく、単結晶シ
リコン基板２の表面側から所定形状にパターニングした
部分からＴＭＡＨ溶液などを用いて異方性エッチングを
行ない、薄膜発熱部４および温度センサ５の部分がブリ
ッジ状になるように形成する。これにより、薄膜発熱部
４および温度センサ５は、空洞部３を架橋するように薄
膜の構造体として残された状態の構成とすることができ
る。
リコン基板２の表面側から所定形状にパターニングした
部分からＴＭＡＨ溶液などを用いて異方性エッチングを
行ない、薄膜発熱部４および温度センサ５の部分がブリ
ッジ状になるように形成する。これにより、薄膜発熱部
４および温度センサ５は、空洞部３を架橋するように薄
膜の構造体として残された状態の構成とすることができ
る。
【００４６】このような本実施形態によれば、第１に、
薄膜発熱部４の構造として、ヒータ層７を挟んで下部薄
膜６および上部薄膜８を、引張応力膜としてのＳｉ３Ｎ
４膜（窒化シリコン膜）と圧縮応力膜としてのＳｉＯ２
膜（酸化シリコン膜）とから構成しているので、それぞ
れにおける内部応力を緩和して膜厚の増加による内部応
力の増大を抑制して機械的強度の向上を図りながら破壊
を防止することができるようになる。
薄膜発熱部４の構造として、ヒータ層７を挟んで下部薄
膜６および上部薄膜８を、引張応力膜としてのＳｉ３Ｎ
４膜（窒化シリコン膜）と圧縮応力膜としてのＳｉＯ２
膜（酸化シリコン膜）とから構成しているので、それぞ
れにおける内部応力を緩和して膜厚の増加による内部応
力の増大を抑制して機械的強度の向上を図りながら破壊
を防止することができるようになる。
【００４７】第２に、下部薄膜６および上部薄膜８のそ
れぞれの膜構成をヒータ層７を挟んで膜の材質とその膜
厚を同種で対称となるように配置しているので、両者に
より薄膜発熱部４を凸状あるいは凹条に反らせる内部応
力を互いに打ち消し合うように調整することができ、全
体として反りにくい構造とすることができるようにな
る。
れぞれの膜構成をヒータ層７を挟んで膜の材質とその膜
厚を同種で対称となるように配置しているので、両者に
より薄膜発熱部４を凸状あるいは凹条に反らせる内部応
力を互いに打ち消し合うように調整することができ、全
体として反りにくい構造とすることができるようにな
る。
【００４８】第３に、圧縮応力膜として用いたＳｉＯ２
膜１０，１１をヒータ層７に隣接して設けているので、
接着層を用いてヒータ層７との密着性を高めることがで
き、引張応力膜としてＳｉ３Ｎ４膜９，１２を用いてい
るので耐湿性を高めることができ、水分を含んだ空気の
流量を検出する場合でも耐環境性に優れたエアフローセ
ンサとして使用することができるようになる。また、こ
れらの膜を採用することで、シリコン系の製造プロセス
において特種なプロセスを採用することなく形成するこ
とができるようになる。
膜１０，１１をヒータ層７に隣接して設けているので、
接着層を用いてヒータ層７との密着性を高めることがで
き、引張応力膜としてＳｉ３Ｎ４膜９，１２を用いてい
るので耐湿性を高めることができ、水分を含んだ空気の
流量を検出する場合でも耐環境性に優れたエアフローセ
ンサとして使用することができるようになる。また、こ
れらの膜を採用することで、シリコン系の製造プロセス
において特種なプロセスを採用することなく形成するこ
とができるようになる。
【００４９】本発明は、上記実施形態にのみ限定される
ものではなく、次のように変形また拡張できる。基板
は、単結晶シリコン基板２に代えて、ＳｉＣ（炭化シリ
コン）基板，ガラス基板あるいはセラミック基板など種
々のものを用いることができる。圧縮応力膜や引張応力
膜として、ＳｉＯｘ，ＳｉｘＮｙ，ＳｉｘＯｙＮｚ
（ｘ，ｙ，ｚは任意の整数）などのシリコンと酸素や窒
素との化合物を用いた膜を採用することができる。
ものではなく、次のように変形また拡張できる。基板
は、単結晶シリコン基板２に代えて、ＳｉＣ（炭化シリ
コン）基板，ガラス基板あるいはセラミック基板など種
々のものを用いることができる。圧縮応力膜や引張応力
膜として、ＳｉＯｘ，ＳｉｘＮｙ，ＳｉｘＯｙＮｚ
（ｘ，ｙ，ｚは任意の整数）などのシリコンと酸素や窒
素との化合物を用いた膜を採用することができる。
【００５０】ヒータ層７を形成する材料は、Ｓｉ，Ｎｉ
Ｃｒ，ＴａＮ，ＳｉＣ，Ｗなど種々のものを使用するこ
とができる。ヒータ層７に形成する接着層は、Ｔｉ膜以
外に接着機能を持つ材料を用いることができるし、ある
いは、ヒータ層７が下地と直接密着する場合には設けな
い構成とすることもできる。
Ｃｒ，ＴａＮ，ＳｉＣ，Ｗなど種々のものを使用するこ
とができる。ヒータ層７に形成する接着層は、Ｔｉ膜以
外に接着機能を持つ材料を用いることができるし、ある
いは、ヒータ層７が下地と直接密着する場合には設けな
い構成とすることもできる。
【００５１】下部薄膜６と上部薄膜８とは、ヒータ層７
を挟んで全く対称となるように構成するもの以外に、各
薄膜の内部応力を緩和すると共に、反りモーメントを互
いに打ち消し合うような特性を有するものであれば、膜
の積層数や膜厚あるいは材質なども適宜選択設定した膜
構造を採用することができる。また、上記条件を満たす
ようにすれば、圧縮応力膜および引張応力膜を１層ずつ
ではなく、複数層ずつ形成しても良いし、配置の順序を
入れ替える構成としても良い。さらには、下部薄膜６お
よび上部薄膜８を構成する各膜をアモルファス材料では
なく多結晶系の材質の膜として形成することもできる。
ただし、この場合には、アモルファス材料を用いた場合
に比べて膜の内部応力の安定性が多少低下する場合もあ
る。
を挟んで全く対称となるように構成するもの以外に、各
薄膜の内部応力を緩和すると共に、反りモーメントを互
いに打ち消し合うような特性を有するものであれば、膜
の積層数や膜厚あるいは材質なども適宜選択設定した膜
構造を採用することができる。また、上記条件を満たす
ようにすれば、圧縮応力膜および引張応力膜を１層ずつ
ではなく、複数層ずつ形成しても良いし、配置の順序を
入れ替える構成としても良い。さらには、下部薄膜６お
よび上部薄膜８を構成する各膜をアモルファス材料では
なく多結晶系の材質の膜として形成することもできる。
ただし、この場合には、アモルファス材料を用いた場合
に比べて膜の内部応力の安定性が多少低下する場合もあ
る。
【００５２】エッチング保護膜１７は、必要に応じて設
ければ良く、ヒータ層７の材料がシリコンのエッチング
に耐える材質のものを使用する場合には省いた構成とす
ることができる。
ければ良く、ヒータ層７の材料がシリコンのエッチング
に耐える材質のものを使用する場合には省いた構成とす
ることができる。
【００５３】マイクロヒータの薄膜発熱部４は、空洞部
３を架橋させるブリッジタイプのもの以外に、空洞部３
を覆うように形成した薄膜部分に形成するダイヤフラム
にタイプのものにも適用できる。
３を架橋させるブリッジタイプのもの以外に、空洞部３
を覆うように形成した薄膜部分に形成するダイヤフラム
にタイプのものにも適用できる。
【００５４】空洞部３は、凹部とする構成の他に、単結
晶シリコン基板２の背面側に貫通する構造とすることも
できる。
晶シリコン基板２の背面側に貫通する構造とすることも
できる。
【００５５】エアフローセンサ以外に、他の気体あるい
は液体などの流体の流量を計測するフローセンサにも適
用できるし、湿度センサなどにも適用することができ
る。
は液体などの流体の流量を計測するフローセンサにも適
用できるし、湿度センサなどにも適用することができ
る。
【図１】本発明の一実施形態を示す要部断面の模式図
【図２】エアフローセンサチップの外観斜視図
【図３】エアフローセンサの測定する空気の流れる方向
に沿った模式的断面図
に沿った模式的断面図
【図４】内部応力と反りモーメントの分布を示す図（そ
の１）
の１）
【図５】内部応力と反りモーメントの分布を示す図（そ
の２）
の２）
【図６】製造工程を示す図（その１）
【図７】製造工程を示す図（その２）
１はエアフローセンサ、２は単結晶シリコン基板、３は
空洞部、４はマイクロヒータ、５は温度センサ、６は下
部薄膜、７はヒータ層（発熱体膜）、８は上部薄膜、
９，１２はＳｉ３Ｎ４膜（引張応力膜）、１０，１１は
ＳｉＯ２膜（圧縮応力膜）、１３，１６はＳｉ３Ｎ４膜
（引張応力膜）、１４，１５はＳｉＯ２膜（圧縮応力
膜）、１７はエッチング保護膜である。
空洞部、４はマイクロヒータ、５は温度センサ、６は下
部薄膜、７はヒータ層（発熱体膜）、８は上部薄膜、
９，１２はＳｉ３Ｎ４膜（引張応力膜）、１０，１１は
ＳｉＯ２膜（圧縮応力膜）、１３，１６はＳｉ３Ｎ４膜
（引張応力膜）、１４，１５はＳｉＯ２膜（圧縮応力
膜）、１７はエッチング保護膜である。
Claims (13)
- 【請求項１】 基板に形成された空洞部を架橋するよう
に設けられた薄膜発熱部を有する構成のマイクロヒータ
において、 前記薄膜発熱部は、発熱体膜と、この発熱体膜を上下か
ら挟むように設けられる上部薄膜および下部薄膜とから
構成され、 前記上部薄膜および下部薄膜は、それぞれ複数層の薄膜
を積層してなりそれらの薄膜を圧縮応力膜および引張応
力膜を組み合わせた構成として全体の内部応力を緩和す
るように構成したことを特徴とするマイクロヒータ。 - 【請求項２】 請求項１に記載のマイクロヒータにおい
て、 前記発熱体膜は、前記薄膜発熱部のほぼ膜中心に位置す
るように形成され、 前記上部薄膜および下部薄膜は、それぞれが有する内部
応力が前記薄膜発熱部の面を凸状に反らせるように作用
する応力および凹状に反らせる方向に作用する応力とな
る場合にこれらを打ち消し合うような膜構造に形成され
ていることを特徴とするマイクロヒータ。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載のマイクロヒー
タにおいて、 前記上部薄膜および下部薄膜は、それぞれを構成してい
る前記圧縮応力膜および引張応力膜の積層層数を同じと
していることを特徴とするマイクロヒータ。 - 【請求項４】 請求項３に記載のマイクロヒータにおい
て、 前記上部薄膜および下部薄膜は、それぞれを構成してい
る前記圧縮応力膜および引張応力膜の積層構造が、前記
発熱体膜の位置を基準として上下で対称となるような順
に積層された状態とされていることを特徴とするマイク
ロヒータ。 - 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載のマ
イクロヒータにおいて、 前記上部薄膜および下部薄膜は、両者が対向する側に前
記圧縮応力膜が位置しそれよりも外側に前記引張応力膜
が位置するように積層形成されていることを特徴とする
マイクロヒータ。 - 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載のマ
イクロヒータにおいて、 前記圧縮応力膜および引張応力膜は、同じ材質の膜形成
材料を用いて形成していることを特徴とするマイクロヒ
ータ。 - 【請求項７】 請求項３ないし６のいずれかに記載のマ
イクロヒータにおいて、 前記上部薄膜および下部薄膜は、両者の間で前記圧縮応
力膜および前記引張応力膜との膜厚がそれぞれ実質的に
等しくなるように形成されていることを特徴とするマイ
クロヒータ。 - 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれかに記載のマ
イクロヒータにおいて、 前記上部薄膜および下部薄膜を構成する前記圧縮応力膜
および引張応力膜は、アモルファス材料により形成され
ていることを特徴とするマイクロヒータ。 - 【請求項９】 請求項８に記載のマイクロヒータにおい
て、 前記圧縮応力膜は、酸化シリコン膜により形成され、 前記引張応力膜は、窒化シリコン膜により形成されてい
ることを特徴とするマイクロヒータ。 - 【請求項１０】 請求項９に記載のマイクロヒータにお
いて、 前記圧縮応力膜としての酸化シリコン膜は、前記引張応
力膜としての窒化シリコン膜に対する膜厚比（酸化シリ
コン膜厚／窒化シリコン膜厚）が５〜７の範囲となるよ
うに形成されていることを特徴とするマイクロヒータ。 - 【請求項１１】 請求項１ないし１０のいずれかに記載
のマクロヒータにおいて、 前記発熱体膜は、白金系の金属膜に接着層を付加した膜
により形成されていることを特徴とするマイクロヒー
タ。 - 【請求項１２】 請求項１ないし１１のいずれかに記載
のマイクロヒータを製造する方法において、 前記基板に前記下部薄膜，発熱体膜および上部薄膜を順
次積層形成して前記薄膜発熱部を形成する際に、膜形成
工程の後で次の膜形成工程を実施する前に、その膜形成
工程以降の工程中で行なわれる熱処理の温度のうちの最
も高い温度と同等以上の熱処理温度で熱処理を行なうよ
うにしたことを特徴とするマイクロヒータの製造方法。 - 【請求項１３】 内燃機関に連通された吸気管内に配置
され、 請求項９ないし１１のいずれかに記載のマイクロヒータ
を備えると共に、前記基板に形成された空洞部を架橋す
るように設けられた温度センサとを備え、 前記温度センサ側から前記マイクロヒータ側に流通する
前記吸気管内の吸入空気の流量を検出することを特徴と
するエアフローセンサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07208298A JP3867393B2 (ja) | 1998-03-20 | 1998-03-20 | マイクロヒータおよびその製造方法ならびにエアフローセンサ |
| US09/499,020 US6450025B1 (en) | 1998-03-20 | 2000-02-04 | Micro-heater and airflow sensor using the same |
Applications Claiming Priority (1)
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