技術分野
本発明は、発熱体あるいは発熱体によって加熱された部分から流体への熱伝達現象に基づいて、流体の流速ないしは流量を計測する発熱体自身並びに流量センサ等の熱式センサに関するものである。
背景技術
流体の流速ないしは流量と該流体中に配置された発熱体から流体への熱伝達量との間に成立するほぼ一義的な関数関係を利用して、該熱伝達量に基づいて流体の流速ないしは流量を検出するようにした感熱式流量素子、あるいは該流量検出素子を用いた流量センサは、従来から内燃機関の吸入空気量の検出等に広く用いられている。
第１１図は、例えば特開平４−２９６７号公報に開示されている従来の感熱式流量検出素子の一部断面図、第１２図は保護膜を取り除いた状態における平面図である。図において、１０２はシリコンよりなる平板状基材１０１の裏側から形成された開口部（空洞部）、１０３は平板状基材１０１の表面に設けられた下地膜、１０５は平板状基材１の裏面に設けられた裏面保護膜、１０６及び１０７はそれぞれ下地膜１０３の上に配置された白金よりなる薄膜状の感熱抵抗体であり、これらの感熱抵抗体１０６，１０７ないし下地膜１０３は絶縁性の保護膜１０４で覆われている。ここで、下地膜１０３、保護膜１０４、裏面保護膜１０５はＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２よりなる絶縁性の膜からなる。なお、感熱抵抗体１０６，１０７の成膜部の下方において平板状基材１０１に形成されている開口部１０２は、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２に損傷を与えないエッチング液を用いてシリコンからなる平板状基材１の一部を除去して形成されたものである。
上記のような従来の流量検出素子では、感熱抵抗体１０６，１０７に通電する加熱電流が、感熱抵抗体１０７と温度補償抵抗体１０８の温度差が一定になるように、図示していない制御回路によって一定に維持されている。なお、矢印１１０は空気の流れの方向を示す。
例えば、気流が増加して感熱抵抗体１０７の温度が減少すると、その分だけ感熱抵抗体１０６に流れる電流が増えて、感熱抵抗体１０７と温度補償抵抗体１０８の温度差が一定になるように感熱抵抗体１０６の電流源が制御される。したがって、感熱抵抗体１０６にある電流を流すために該感熱抵抗体１０６に印加される電圧は、感熱抵抗体１０７から気流に伝達される熱が多ければ多いほど、すなわち気流の流速が大きいほど増す。
このように感熱抵抗体１０６に印加される電圧は、計測される気体の流速の関数となるため、気体の流速、あるいは定められた通路内を通過する気体の流量を計測することができる。
以上に述べた計測原理は、感熱抵抗体１０７の抵抗値を流速にかかわらず所定値に保つ定温度差制御の場合であるが、感熱抵抗体１０６への加熱電流を一定にしておいて流速に応じた感熱抵抗体１０７の抵抗値変化からでも流速を検出することができる。
従来の熱式流量センサは上記のように構成されており、白金薄膜の抵抗温度係数（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；以下ＴＣＲと称する）が大きいほど測定感度が高いため、ＴＣＲの大きな白金薄膜が期待されている。しかし、バルク状白金のＴＣＲは３９２０ｐｐｍ／℃であるにもかかわらず、白金薄膜では３０００ｐｐｍ／℃程度にとどまっている。
第１３図に平板状シリコン基板にＳｉＮｘの絶縁性下地膜を形成し、その上にスパッタにより成膜された白金薄膜のＴＣＲを示す。例えば白金膜厚０．２μｍの場合、熱処理温度７００℃で抵抗温度係数は最大となり、３１００ｐｐｍ／℃であるが、それ以上の熱処理温度ではＴＣＲが低下する。また、第１４図には白金薄膜の熱処理後の表面状態を電子顕微鏡で観察した結果を示す。図中（ａ）は８００℃で熱処理したもの、（ｂ）は１０００℃で熱処理したものの表面状態である。図中（ａ）のように８００℃では析出粒子が観察され、図中（ｂ）のように１０００℃では薄膜としては存在せず、白金薄膜すべてが粒子化する。これは、熱処理によって白金と下地膜のＳｉＮｘが反応し、形成されたシリコン白金金属間化合物の融点が８５０℃以下にあることに起因するものと考えられる。すなわち、熱処理温度８００℃ではシリコン白金金属間化合物の一部が部分的に融解して析出が起こり始め、熱処理温度１０００℃ではシリコン白金金属間化合物が完全に融解したために粒子化が起こるためである。
同様の報告がセンサーズアンドアクチュエーターズ Ａ３０７６（２００１）１−７（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ３０７６（２００１）１−７）でもなされており、マグネトロンスパッタで成膜した白金薄膜抵抗（膜厚０．３μｍ）のＴＣＲは熱処理温度６００℃で３１００ｐｐｍ／℃となるが熱処理温度６００℃以上では熱処理温度を上げても、ＴＣＲは小さくなる。これらは、白金薄膜と下地膜の間の拡散によって形成される白金の金属間化合物の融点が低いためである。
一方で、車載用熱式センサにおいては、環境への対応からアイドリング時の回転数を下げ、消費ガソリンを減じＣＯ２排出量を低減したい要望があり、１ｇ／ｓの空気流量が計測できる流量センサが必要とされている。車載用の流量センサに白金薄膜を適用する場合、抵抗温度係数が３１００ｐｐｍ／℃では、１ｇ／ｓの流量を計測するための感度が不足していた。
また、実使用においては、水滴などによるショートを防ぐために、白金膜上に保護膜を形成する必要があるが、ＳｉＯ２を主成分とするペースト剤をスピンコートして保護膜を形成し、保護膜安定化の熱処理を実施すると、白金膜厚０．６μｍ以上では保護膜にクラックが入り使用することができないので、白金薄膜は薄い方がよい。
この発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、平板状シリコン基板上に抵抗温度係数が従来よりも大きな白金薄膜を提供し、さらには該白金薄膜を用いて熱式センサを構成することで、感度の高い熱式センサを提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の第１の白金薄膜は、平板状シリコン基板上の絶縁膜上に形成された白金薄膜であって、該白金薄膜の抵抗の温度係数が３５００ｐｐｍ／℃以上であるので、この白金薄膜を用いて熱式センサを構成すればセンサの感度が向上する。
本発明の第２の白金薄膜は、平板状シリコン基板上の絶縁膜上に形成された白金薄膜であって、上記絶縁膜のうち上記白金薄膜と接する絶縁膜を構成する材料は、この材料と白金との金属間化合物と白金との共晶点が８５０℃以下にない材料であることを特徴とするもので、このような材料を選択して、平板状シリコン基板に絶縁膜を形成し、その上に白金薄膜を形成して、８５０℃以上で熱処理すると白金薄膜の抵抗の温度係数ＴＣＲを３５００ｐｐｍ／℃以上とすることができ、この白金薄膜を用いて熱式センサを構成すればセンサの感度が向上する。さらに、白金薄膜の膜厚を０．５μｍ以下としているので、スピンコート等の手法により簡便に保護膜を成膜できる。
また、本発明の第１または第２の発明に係る白金薄膜において、絶縁膜のうち上記白金薄膜と接する絶縁膜を構成する材料がアルミニウムあるいはジルコニウムの酸化物もしくは窒化物であるので、白金薄膜形成後に高温（８５０℃以上）で熱処理しても、熱処理中に白金とアルミニウム白金金属間化合物、あるいはジルコニウム白金金属間化合物の一部が融解しないので、すなわち白金とアルミニウム白金金属間化合物との共晶点、あるいは白金とジルコニウム白金金属間化合物との間の共晶点が８５０℃以下にないので、安定な熱処理が可能となり、白金薄膜の抵抗温度係数ＴＣＲを３５００ｐｐｍ／℃以上に制御可能となる。
上記発明に係る白金薄膜において、白金薄膜上にさらにアルミニウムあるいはジルコニウムの酸化物もしくは窒化物からなる第２の絶縁膜を形成したので、第２の絶縁膜形成後に熱処理を施しても白金薄膜の抵抗温度係数ＴＣＲを３５００ｐｐｍ／℃以上に制御可能となる。
本発明の熱式センサは、平板状シリコン基板の第１の面に配置された絶縁性の支持膜と、該支持膜に感熱抵抗膜からなる感熱抵抗体および温度検知部が形成され、該感熱抵抗体が形成された領域の下方で上記基材が部分的に除去されてダイヤフラム部が形成されてなる熱式センサにおいて、少なくとも感熱抵抗体として上記白金薄膜を用いたので、抵抗温度係数ＴＣＲを３５００ｐｐｍ／℃以上に制御することができ、熱式センサの感度が向上する。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、従来の白金薄膜がバルク白金のＴＣＲより小さい３１００ｐｐｍ／℃あったため、これを向上する手法を見出したことによる。すなわち、高温で安定に熱処理する、従来ＴＣＲが低下していた熱処理温度である８００℃を越える温度で熱処理を達成できるようにしたものである。具体的には、白金薄膜を高温で安定に熱処理できるように白金薄膜の直下に、白金と金属間化合物を形成した時に、その金属間化合物と白金との共晶点が８５０℃以下にない金属材料を含む酸化物または窒化物を絶縁膜として設け、また同絶縁膜を白金薄膜の直上に設けることで、高温熱処理時に白金薄膜の粒子化を抑制できるようにした。その結果、ＴＣＲが３５００ｐｐｍ／℃以上の、よりバルクに近いＴＣＲを有する白金薄膜が実現でき、熱式センサの感度向上が達成できた。
以下、この発明の実施例を図について説明する。
実施例１．
第１図は、この発明の一実施例による白金薄膜及び白金薄膜が搭載された熱式センサを説明するための図で、図中（ａ）は熱式センサの一部平面図、（ｂ）は一部断面図である。
図において、１はシリコンよりなる平板状基材であり、３は平板状基材１の表面に設けられた酸化アルミニウム３ａよりなる下地膜としての絶縁膜である。そして、６は絶縁膜３の上に配置された白金よりなる薄膜状の感熱抵抗体であり、これらの感熱抵抗体６ないし絶縁膜３は酸化シリコン膜４ａよりなる絶縁性の保護膜４で覆われている。さらに、感熱抵抗体６の形成された部位の下方の平板状基材１は除去されて空洞部２をなす。ここで、絶縁（下地）膜３は支持膜として作用する。
次に、本実施例の製造プロセスを図を用いて簡単に説明する。第２図は製造プロセスフローを示した図である。図中の（１）〜（８）は工程順を示し、この工程順に対応して説明する。
（１）０．５μｍ厚さの熱酸化膜９付きの、面方位（１００）のシリコンウエハ１（厚さ３８０μｍ）を準備する。
（２）下地膜３として例えばスパッタ法により酸化アルミニウム膜３ａを約２μｍの厚さ、熱酸化膜９上に形成する。
（３）例えばスパッタ法により白金膜６ａを０．２μｍの厚さ、上記酸化アルミニウム膜３ａ上に形成する。
（４）熱処理炉を用いて、大気中で９００℃の温度にて、１時間熱処理する。
（５）フォトリソグラフィー法を用いて、第１図中（ａ）の平面図のように白金膜６ａをパターニングし、感熱抵抗体６と配線部分を形成する（配線は図示していない）。
（６）保護膜４として、酸化シリコン膜４ａを約０．５μｍ、スピンコート法で形成し、その後保護膜安定化の熱処理を行う。
（７）ドライエッチングによりワイヤボンディング用のパッド部１１を開口する。
（８）裏面の酸化膜を開口し、シリコン基材をウェットエッチングにより除去してダイヤフラム１２を形成し、ダイヤフラム下部のシリコン酸化膜を除去し、空洞部２が形成され完成する。
上記プロセスにおいて、第４の工程（４）の熱処理温度を９００℃としたが、第３図にこの熱処理温度と白金薄膜（厚さ０．２μｍ）の抵抗の温度係数との関係を調べた結果を従来のものと対比して示す。熱処理温度９００℃以上（少なくとも８５０℃以上）でＴＣＲが３５００ｐｐｍ／℃以上を得ることができた。
なお、この白金薄膜のＴＣＲは、次のようにして求める。温度測定確度０．０２℃の白金測温抵抗体で温度制御されたフロリナート中で、被測定物である白金薄膜抵抗体に通電し、白金薄膜の抵抗値を四端子法により測定する。この時、フロリナートの測定温度（測定サンプル温度）の温度変化が±０．０２℃以下となる温度安定な白金薄膜抵抗体の抵抗値を白金薄膜抵抗体が発熱しない電流量（０．１ｍＡ）を白金薄膜抵抗体に通電して測定する。温度範囲−２０℃〜８０℃において、５℃毎に各温度で５回測定し、５回の平均抵抗値と平均温度を計算し、最小二乗法により温度範囲−２０℃〜８０℃の白金薄膜抵抗値の直線近似線の傾きと０℃における抵抗値を算出し、この傾きを０℃における抵抗値で除して求める。
上記本実施例では、下地膜３として酸化アルミニウム膜を用いたが、感熱抵抗体６と接触する部分が絶縁体であって、熱処理中に下地膜と白金薄膜の界面にて拡散により白金との金属間化合物を形成し、熱処理中に、白金と該金属間化合物の一部が融解しなければ、高いＴＣＲを得るための熱処理が可能となるため、他のものでもよい。すなわち、白金と該金属間化合物との間の共晶点が８５０℃以下になければ、少なくともＴＣＲ３５００ｐｐｍ／℃の白金薄膜を得ることができる。例えば、下地膜３の材料は、例えば窒化アルミニウムや酸化ジルコニウムあるいは窒化ジルコニウムであっても良い。
実施例２．
第４図は、この発明の一実施例による白金薄膜が搭載された熱式センサを説明するための図で、熱式センサの一部断面図である。
図において、１はシリコンよりなる平板状基材で、熱酸化膜９が形成されており、３は平板状基材１の表面に設けられた絶縁性の下地膜で、酸化アルミニウム３ａと窒化シリコン３ｂの２層からなる。そして、６は下地膜３の上に配置された白金よりなる薄膜状の感熱抵抗体であり、これらの感熱抵抗体６ないし下地膜３は酸化シリコン膜よりなる絶縁性の保護膜４で覆われている。さらに、感熱抵抗体６の形成された部位の下方の平板状基材１は除去されて空洞部２をなす。ここで、絶縁（下地）膜３は支持膜として作用する。
次に、本実施例の製造プロセスを簡単に説明する。
（１）０．５μｍ厚さの熱酸化膜９付きの、面方位（１００）のシリコンウエハ１（厚さ３８０μｍ）を準備する。
（２）例えばスパッタ法により窒化シリコンを１．８μｍ成膜した後に酸化アルミニウム膜を０．２μｍの厚さ、熱酸化膜９上に形成する。
（３）例えばスパッタ法により０．３μｍの厚さの白金膜を上記酸化アルミニウム膜３ａ上に形成する。
（４）熱処理炉を用いて、大気中で１０００℃の温度にて、１時間熱処理する。
（５）フォトリソグラフィー法を用いて、第１図中（ａ）の平面図のように白金膜６ａをパターニングし、感熱抵抗体６と配線部分を形成する（配線は図示していない）。
（６）保護膜４として、酸化シリコン膜４ａを約０．５μｍ、スピンコート法で形成し、その後保護膜安定化の熱処理を行う。
（７）ドライエッチングによりワイヤボンディング用のパッド部１１を開口する。
（８）裏面の酸化膜を開口し、シリコン基材をウェットエッチングにより除去してダイヤフラム１２を形成し、ダイヤフラム下部のシリコン酸化膜を除去し、空洞部２が形成され完成する。
このようにして作成されたに白金薄膜抵抗体は、実施例１で述べたのと同様の効果が得られるため、白金薄膜のＴＣＲを３５００ｐｐｍ／℃以上にできる。
また、下地膜を２層とし、下層に応力コントロールがより容易な窒化シリコンを用いたので、ダイヤフラム部の応力制御がより容易にできる。
なお、ここでは白金膜直下の下地膜３ａに酸化アルミニウムを用いた例を示したが、前記酸化アルミニウムが窒化アルミニウムあるいは酸化ジルコニウムや窒化ジルコニウムを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
実施例３．
第５図は、この発明の一実施例による白金薄膜が搭載された熱式センサを説明するための図で、熱式センサの一部断面図である。実施例１の保護膜４を酸化アルミニウム膜４ｂで形成した例である。
図において、１はシリコンよりなる平板状基材で、熱酸化膜９が形成されており、３は平板状基材１の表面に設けられた絶縁性の下地膜で、酸化アルミニウムからなる。そして、６は下地膜３の上に配置された白金よりなる薄膜状の感熱抵抗体であり、これらの感熱抵抗体６ないし下地膜３は酸化アルミニウム膜４ｂよりなる絶縁性の保護膜４で覆われている。さらに、感熱抵抗体６の形成された部位の下方の平板状基材１は除去されて空洞部２をなす。ここで、絶縁（下地）膜３は支持膜として作用する。
次に、本実施例の製造プロセスを簡単に説明する。
（１）０．５μｍ厚さの熱酸化膜９付きの、面方位（１００）のシリコンウエハ１（厚さ３８０μｍ）を準備する。
（２）例えばスパッタ法により酸化アルミニウム膜３ａを２．０μｍの厚さ、熱酸化膜９上に形成する。
（３）例えばスパッタ法により白金膜を０．５μｍの厚さ、上記酸化アルミニウム膜上に形成する。
（４）フォトリソグラフィー法を用いて、第１図中（ａ）の平面図のように白金膜６ａをパターニングし、感熱抵抗体６と配線部分を形成する（配線は図示していない）。
（５）保護膜４として、酸化アルミニウム膜４ｂを例えばスパッタ法で約１μｍ形成する。
（６）熱処理炉を用いて、大気中で１１００℃の温度にて、１時間熱処理する。
（７）ドライエッチングによりワイヤボンディング用のパッド部１１を開口する。
（８）裏面の酸化膜を開口し、シリコン基材をウェットエッチングにより除去してダイヤフラム１２を形成し、ダイヤフラム下部のシリコン酸化膜を除去し、空洞部２が形成され完成する。
このようにして作成されたに白金薄膜抵抗体は、実施例１で述べたのと同様の効果が得られるため、白金薄膜のＴＣＲを３５００ｐｐｍ／℃以上にできる。
また、白金薄膜からなる感熱抵抗体６を発熱させて使用する場合は、保護膜の信頼性のために保護膜の安定化熱処理が必要となるが、この場合は一回の熱処理で白金薄膜のＴＣＲを大きくすることと保護膜の安定化を兼ねることができるため、保護膜安定化の熱処理を省略できる。
ここでは白金薄膜の直下、直上の膜に酸化アルミニウムを用いた例を示したが、前記酸化アルミニウムが窒化アルミニウムあるいは酸化ジルコニウムや窒化ジルコニウムを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
実施例４．
第６図は、この発明の一実施例による白金薄膜が搭載された熱式センサを説明するための図で、熱式センサの一部断面図である。
図において、１はシリコンよりなる平板状基材で、熱酸化膜９が形成されており、３は平板状基材１の表面に設けられた絶縁性の下地膜で、酸化アルミニウム３ａからなる。そして、６は下地膜３の上に配置された白金よりなる薄膜状の感熱抵抗体であり、これらの感熱抵抗体６ないし下地膜３は窒化シリコン膜４ｃよりなる絶縁性の保護膜４で覆われている。さらに、感熱抵抗体６の形成された部位の下方の平板状基材１は除去されて空洞部２をなす。ここで、絶縁（下地）膜３は支持膜として作用する。
構造は実施例１の第１図で示したものに類似するが、本実施例では保護膜４を一旦酸化アルミニウム４ｂで形成して熱処理後、感熱抵抗体とともにパターニングし、最終的な保護膜として他の膜を形成したものである。
次に、本実施例の製造プロセスを簡単に説明する。
（１）０．５μｍ厚さの熱酸化膜９付きの、面方位（１００）のシリコンウエハ１（厚さ３８０μｍ）を準備する。
（２）例えばスパッタ法により酸化アルミニウム膜３ａを２．０μｍの厚さ、熱酸化膜９上に形成する。
（３）例えばスパッタ法により白金膜を０．５μｍの厚さ、上記酸化アルミニウム膜上に形成する。
（４）保護膜４として、酸化アルミニウム膜４ｂを例えばスパッタ法で約０．２μｍ形成する。
（５）熱処理炉を用いて、大気中で１２００℃の温度にて、１時間熱処理する。
（６）フォトリソグラフィー法を用いて、第１図中（ａ）の平面図のように白金膜６ａを酸化アルミニウム保護膜４ｂとともにパターニングし、感熱抵抗体６と配線部分を形成する（配線は図示していない）。
（７）保護膜４として、下地膜３と感熱抵抗体６を覆うように窒化シリコン膜を例えばスパッタ法で約０．８μｍ形成する。
（８）ドライエッチングによりワイヤボンディング用のパッド部１１を開口し、保護膜の酸化アルミニウム４ｂは除去する。
（９）裏面の酸化膜を開口し、シリコン基材をウェットエッチングにより除去してダイヤフラム１２を形成し、ダイヤフラム下部のシリコン酸化膜を除去し、空洞部２が形成され完成する。
このようにして作成されたに白金薄膜抵抗体は、実施例１で述べたのと同様の効果が得られるため、白金薄膜の抵抗温度係数を３５００ｐｐｍ／℃以上にできる。
また、酸化シリコンであっても応力コントロールは可能であるが、保護膜に応力コントロールがより容易な窒化シリコン膜を用いたので、ダイヤフラム部の応力制御がより容易にできる。
ここではプロセス中に白金膜直下、直上に酸化アルミニウムを用いた例を示したが、前記酸化アルミニウムが窒化アルミニウムあるいは酸化ジルコニウムや窒化ジルコニウムを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
実施例５．
第７図は、この発明の一実施例による白金薄膜が搭載された熱式センサを説明するための図で、熱式センサの一部断面図である。
図において、１はシリコンよりなる平板状基材で、熱酸化膜９が形成されており、３は平板状基材１の表面に設けられた絶縁性の下地膜で、酸化アルミニウム３ａと窒化シリコン３ｂの２層からなる。そして、６は下地膜３の上に配置された白金よりなる薄膜状の感熱抵抗体であり、これらの感熱抵抗体６ないし下地膜３は窒化シリコン膜４ｃよりなる絶縁性の保護膜４で覆われている。さらに、感熱抵抗体６の形成された部位の下方の平板状基材１は除去されて空洞部２をなす。ここで、絶縁（下地）膜は支持膜として作用する。
構造は実施例２の第４図で示したものに類似するが、本実施例では保護膜４を一旦酸化アルミニウム４ｂで形成して熱処理後、感熱抵抗体とともにパターニングし、最終的な保護膜として他の膜を形成したものである。
次に、本実施例の製造プロセスを簡単に説明する。
（１）０．５μｍ厚さの熱酸化膜９付きの、面方位（１００）のシリコンウエハ１（厚さ３８０μｍ）を準備する。
（２）例えばスパッタ法により窒化シリコンを１．８μｍ成膜した後に酸化アルミニウム膜を０．２μｍの厚さ、熱酸化膜９上に形成する。
（３）例えばスパッタ法により白金膜を０．２μｍの厚さ、上記酸化アルミニウム膜上に形成する。
（４）保護膜４として、酸化アルミニウム膜４ｂを例えばスパッタ法で約０．２μｍ形成する。
（５）熱処理炉を用いて、大気中で９００℃の温度にて、１時間熱処理する。
（６）フォトリソグラフィー法を用いて、第１図中（ａ）の平面図のように白金膜６ａを酸化アルミニウムの保護膜４ｂとともにパターニングし、感熱抵抗体６と配線部分を形成する（配線は図示していない）。
（７）保護膜４として、下地膜３と感熱抵抗体６を覆うように窒化シリコン膜４ｃを例えばスパッタ法で約０．８μｍ形成する。
（８）ドライエッチングによりワイヤボンディング用のパッド部１１を開口し、この時保護膜の酸化アルミニウム４ｂは除去する。
（９）裏面の酸化膜を開口し、シリコン基材をウェットエッチングにより除去してダイヤフラム１２を形成し、ダイヤフラム下部のシリコン酸化膜を除去し、空洞部２が形成され完成する。
このようにして作成されたに白金薄膜抵抗体は、実施例１で述べたのと同様の効果が得られるため、白金薄膜の抵抗温度係数を３５００ｐｐｍ／℃以上にできる。
また、酸化シリコンであっても応力コントロールは可能であるが、下地膜、保護膜に応力コントロールがより容易な窒化シリコン膜を用いたので、ダイヤフラム部の応力制御がより容易にできる。
ここではプロセス中に白金膜直下、直上に酸化アルミニウムを用いた例を示したが、前記酸化アルミニウムが窒化アルミニウムあるいは酸化ジルコニウムや窒化ジルコニウムを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
なお、以上の実施例１乃至５において、図示しなかったが、感熱抵抗体の近傍にはセンサの温度補償のための温度検知部（温度センサ）が従来のように形成されており、本発明においてはこの温度検知部用の感熱抵抗体としても本発明の白金薄膜を用いることができる。
実施例６．
第８図、第９図は、本発明の一実施例による熱式センサのうち流量センサの構成を説明する図で、流体の通路に配設した図である。
図において、２１は流量検出素子で上記実施例１乃至５で示したＴＣＲが３５００ｐｐｍ／℃の白金薄膜抵抗体を用いた流量検出素子、２２は検出管路、２３は流体の通路である主通路、２４は格子状の整流器、２５は制御回路が収められたケース、２６は該流量センサに電源を供給したり出力を取り出すためのコネクタである。なお、矢印１０は通常時の空気流れの方向を示している。
例えば、車載用の流量センサでは、対環境の問題から消費ガソリンを低減するため、アイドリング流量の低流量化が進んでおり、１ｇ／ｓ以下の低流量計測が求められているが、このような流量センサに、ＴＣＲが３１００ｐｐｍ／℃の膜を適用した場合には、低流量の感度不足により、１ｇ／ｓの流量を検出するための精度が悪くなる。
第１０図に、ＴＣＲと流量ドリフトとの関係を示す。すなわち、図において、異なる抵抗温度係数における、流量と流量ドリフト（強制的にヒーター温度センシング抵抗の抵抗値を１％変化させて計測した流量／初期計測流量×１００［％］、耐久評価後の抵抗値変動が０．１％以下で、その時の流量ドリフトが３％以下である領域が精度保証できる範囲。）の関係を調査した結果を示す。このドリフト量は感度に読み替えることができ、ドリフト値が小さいほど感度は高いと言える。この流量ドリフト値が３０％程度以下であれば、信頼性と精度が確保できる。ＴＣＲが３１００ｐｐｍ／℃の場合は、２ｇ／ｓの流量ドリフトは３１％であるが、ＴＣＲが３５００ｐｐｍ／℃の場合は、１ｇ／ｓの流量ドリフトは３０％であり、より低流量の計測が可能となる。
このように、本発明による白金薄膜抵抗体を搭載した熱式流量センサは従来と比して感度が向上する。
ここでは、熱式の流量センサについて述べたが、熱式の他のセンサ、例えば圧力センサ等にも実施例１〜５に係る白金薄膜抵抗体を組み込めば、温度変化に対する抵抗変化を大きくできるので、センサの感度を向上した熱型センサを得ることができる。
産業上の利用可能性
この発明による白金薄膜は熱式のセンサに搭載され、この熱式のセンサは例えば車両用等の内燃機関の吸入空気量計測等の流量センサや圧力センサに利用される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例による白金薄膜を搭載した熱式センサを説明するための模式図で、図中（ａ）は感熱抵抗体の一部平面図、（ｂ）は熱式センサのセンサ素子一部断面図、第２図はその製造プロセスを説明するための図で、図中（１）〜（８）は工程順を示している。第３図は、酸化アルミニウム下地膜上の白金薄膜の抵抗温度係数と熱処理温度の関係を従来のものと対比して説明するための図で、横軸は熱処理温度、縦軸は抵抗温度係数（ＴＣＲ）である。
第４図は、本発明の第２の実施例による熱式センサを説明するためのセンサ素子断面図である。
第５図は、本発明の第３の実施例による熱式センサを説明するためのセンサ素子断面図である。
第６図は、本発明の第４の実施例による熱式センサを説明するためのセンサ素子断面図である。
第７図は、本発明の第５の実施例による熱式センサを説明するためのセンサ素子断面図である。
第８図及び第９図は、本発明の第６の実施例による熱式センサとして流量センサを説明するための図である。
第１０図は、ＴＣＲと流量ドリフトの関係を説明するための図で、横軸は抵抗温度係数（ＴＣＲ）、縦軸は流量ドリフトである。
第１１図は、従来の熱式センサの外観を示したセンサ素子断面図、第１２図は第１１図の熱式センサにおける抵抗体のレイアウトを説明する平面図である。第１３図は、窒化シリコン下地膜上に形成された膜厚の異なる白金薄膜の抵抗温度係数と熱処理温度との関係図で、横軸は熱処理温度、縦軸は抵抗温度係数（ＴＣＲ）である。第１４図は、窒化シリコン下地膜上の白金薄膜の表面状態を示した電子顕微鏡観察結果で、図中（ａ）は８００℃熱処理後の白金薄膜の表面の析出粒子を示した図、（ｂ）は１０００℃熱処理後の白金薄膜の表面の析出粒子を示した図である。Technical field
The present invention relates to a heat sensor such as a heat generator and a flow sensor for measuring a flow rate or flow rate of a fluid based on a heat transfer phenomenon from a heat generator or a portion heated by the heat generator to a fluid.
Background art
The flow rate or flow rate of the fluid is determined based on the heat transfer amount by utilizing a substantially unique functional relationship established between the flow rate or flow rate of the fluid and the heat transfer amount from the heating element disposed in the fluid to the fluid. 2. Description of the Related Art A thermal type flow element that detects a flow rate or a flow sensor that uses the flow rate detection element has been widely used for detecting the intake air amount of an internal combustion engine.
FIG. 11 is a partial cross-sectional view of a conventional thermal type flow rate detecting element disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-2967, and FIG. 12 is a plan view in a state where a protective film is removed. In the figure, 102 is an opening (cavity) formed from the back side of the flat substrate 101 made of silicon, 103 is a base film provided on the surface of the flat substrate 101, and 105 is the flat substrate 1. The back surface protective films 106 and 107 provided on the back surface are thin film thermal resistors made of platinum and disposed on the base film 103. These thermal resistors 106 and 107 or the base film 103 are insulative. The protective film 104 is covered. Here, the base film 103, the protective film 104, and the back surface protective film 105 are made of Si. 3 N 4 Or SiO 2 It consists of an insulating film. Note that the openings 102 formed in the flat substrate 101 below the film-forming portions of the thermal resistors 106 and 107 are made of Si. 3 N 4 Or SiO 2 This is formed by removing a part of the flat substrate 1 made of silicon using an etching solution that does not damage the substrate.
In the conventional flow rate detection element as described above, a control circuit (not shown) is used so that the temperature difference between the thermal resistor 107 and the temperature compensation resistor 108 is constant for the heating current applied to the thermal resistors 106 and 107. Is kept constant by. An arrow 110 indicates the direction of air flow.
For example, when the air flow increases and the temperature of the thermal resistor 107 decreases, the current flowing through the thermal resistor 106 increases accordingly, so that the temperature difference between the thermal resistor 107 and the temperature compensation resistor 108 becomes constant. The current source of the thermal resistor 106 is controlled. Therefore, the voltage applied to the thermal resistor 106 for flowing a current in the thermal resistor 106 increases as the heat transferred from the thermal resistor 107 to the airflow increases, that is, the flow velocity of the airflow increases. .
Thus, since the voltage applied to the thermal resistor 106 is a function of the measured gas flow velocity, the gas flow velocity or the flow rate of the gas passing through the determined passage can be measured.
The measurement principle described above is the case of constant temperature difference control in which the resistance value of the thermal resistor 107 is kept at a predetermined value regardless of the flow rate. However, the heating current to the thermal resistor 106 is kept constant to obtain a flow rate. The flow velocity can also be detected from the corresponding change in resistance value of the thermal resistor 107.
A conventional thermal flow sensor is configured as described above, and a platinum thin film having a large TCR is expected because the measurement sensitivity is higher as the temperature coefficient of resistance of the platinum thin film (Temperature Coefficient of Resistance; hereinafter referred to as TCR) increases. ing. However, despite the TCR of bulk platinum being 3920 ppm / ° C., the platinum thin film is only about 3000 ppm / ° C.
FIG. 13 shows a TCR of a platinum thin film formed by sputtering an SiNx insulating base film formed on a flat silicon substrate. For example, when the platinum film thickness is 0.2 μm, the temperature coefficient of resistance becomes maximum at a heat treatment temperature of 700 ° C. and is 3100 ppm / ° C., but the TCR decreases at a heat treatment temperature higher than that. FIG. 14 shows the result of observation of the surface state of the platinum thin film after heat treatment with an electron microscope. In the figure, (a) shows the surface state of the heat-treated at 800 ° C., and (b) shows the surface state of the heat-treated at 1000 ° C. Precipitated particles are observed at 800 ° C. as shown in (a) in the figure, and as a thin film at 1000 ° C. as shown in (b) in the figure, all the platinum thin film becomes particles. This is considered to be due to the fact that platinum and the SiNx of the base film react with each other by the heat treatment, and the melting point of the formed silicon platinum intermetallic compound is 850 ° C. or less. That is, when the heat treatment temperature is 800 ° C., a part of the silicon platinum intermetallic compound is partially melted and starts to precipitate, and at the heat treatment temperature of 1000 ° C., the silicon platinum intermetallic compound is completely melted to cause particle formation. .
A similar report has been made in Sensors and Actuators A3076 (2001) 1-7 (Sensors and Actuators A3076 (2001) 1-7), and the platinum thin film resistor (thickness 0.3 μm) formed by magnetron sputtering was also reported. The TCR is 3100 ppm / ° C. at a heat treatment temperature of 600 ° C., but at a heat treatment temperature of 600 ° C. or higher, the TCR decreases even if the heat treatment temperature is increased. These are because the melting point of the platinum intermetallic compound formed by diffusion between the platinum thin film and the base film is low.
On the other hand, in the automotive thermal sensor, the idling speed is reduced to reduce the consumption gasoline and CO2 for environmental reasons. 2 There is a desire to reduce the discharge amount, and a flow rate sensor capable of measuring an air flow rate of 1 g / s is required. When a platinum thin film is applied to an in-vehicle flow rate sensor, the sensitivity for measuring a flow rate of 1 g / s is insufficient when the resistance temperature coefficient is 3100 ppm / ° C.
In actual use, it is necessary to form a protective film on the platinum film in order to prevent a short circuit due to water droplets. 2 If a protective film is formed by spin coating a paste containing the main component and heat treatment for stabilizing the protective film is performed, the protective film cracks and cannot be used with a platinum film thickness of 0.6 μm or more. A thin film is better.
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and provides a platinum thin film having a resistance temperature coefficient larger than that of the conventional one on a flat silicon substrate, and further, a thermal method using the platinum thin film. An object of the present invention is to provide a highly sensitive thermal sensor by configuring the sensor.
Disclosure of the invention
The first platinum thin film of the present invention is a platinum thin film formed on an insulating film on a flat silicon substrate, and the temperature coefficient of resistance of the platinum thin film is 3500 ppm / ° C. or higher. If a thermal sensor is used, the sensitivity of the sensor is improved.
The second platinum thin film of the present invention is a platinum thin film formed on an insulating film on a flat silicon substrate, and a material constituting the insulating film in contact with the platinum thin film among the insulating films is It is characterized in that the eutectic point of the intermetallic compound with platinum and platinum is not lower than 850 ° C., and selecting such a material, forming an insulating film on the flat silicon substrate, If a platinum thin film is formed thereon and heat-treated at 850 ° C. or higher, the temperature coefficient TCR of the resistance of the platinum thin film can be increased to 3500 ppm / ° C. or higher. Sensitivity is improved. Furthermore, since the thickness of the platinum thin film is 0.5 μm or less, the protective film can be easily formed by a technique such as spin coating.
Further, in the platinum thin film according to the first or second invention of the present invention, the material constituting the insulating film in contact with the platinum thin film among the insulating films is an oxide or nitride of aluminum or zirconium. Even if heat treatment is performed later at a high temperature (850 ° C. or higher), platinum and aluminum platinum intermetallic compound or part of zirconium platinum intermetallic compound does not melt during the heat treatment, that is, eutectic of platinum and aluminum platinum intermetallic compound. Since the point or the eutectic point between platinum and zirconium-platinum intermetallic compound is not less than 850 ° C., stable heat treatment is possible, and the resistance temperature coefficient TCR of the platinum thin film can be controlled to 3500 ppm / ° C. or more.
In the platinum thin film according to the invention, since the second insulating film made of an oxide or nitride of aluminum or zirconium is further formed on the platinum thin film, the resistance of the platinum thin film is maintained even if heat treatment is performed after the second insulating film is formed. The temperature coefficient TCR can be controlled to 3500 ppm / ° C. or higher.
The thermal sensor of the present invention includes an insulating support film disposed on a first surface of a flat silicon substrate, a heat sensitive resistor made of a heat sensitive film and a temperature detection unit formed on the support film, and the heat sensitive film. In the thermal sensor in which the base material is partially removed and the diaphragm portion is formed below the region where the resistor is formed, since the platinum thin film is used as at least the thermal resistor, the resistance temperature coefficient TCR is It can be controlled to 3500 ppm / ° C. or higher, and the sensitivity of the thermal sensor is improved.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention is based on the finding of a technique for improving the conventional platinum thin film, which is 3100 ppm / ° C., which is smaller than the TCR of bulk platinum. That is, heat treatment can be achieved at a temperature exceeding 800 ° C., which is a heat treatment temperature at which the TCR has been lowered, which is stably heat treated at a high temperature. Specifically, when a platinum thin film is formed directly under the platinum thin film so that the platinum thin film can be stably heat-treated at a high temperature, a metal whose eutectic point between the intermetallic compound and platinum is not lower than 850 ° C. An oxide or nitride containing a material is provided as an insulating film, and the insulating film is provided immediately above the platinum thin film, so that the formation of particles of the platinum thin film can be suppressed during high-temperature heat treatment. As a result, a platinum thin film having a TCR closer to the bulk with a TCR of 3500 ppm / ° C. or higher could be realized, and the sensitivity of the thermal sensor could be improved.
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Example 1.
FIG. 1 is a view for explaining a platinum thin film and a thermal sensor on which a platinum thin film is mounted according to one embodiment of the present invention, in which (a) is a partial plan view of the thermal sensor, and (b). FIG.
In the figure, 1 is a flat substrate made of silicon, and 3 is an insulating film as a base film made of aluminum oxide 3 a provided on the surface of the flat substrate 1. Reference numeral 6 denotes a thin-film heat sensitive resistor made of platinum disposed on the insulating film 3, and these heat sensitive resistors 6 to 3 are covered with an insulating protective film 4 made of a silicon oxide film 4a. It has been broken. Further, the flat substrate 1 below the portion where the thermal resistor 6 is formed is removed to form the cavity 2. Here, the insulating (base) film 3 functions as a support film.
Next, the manufacturing process of the present embodiment will be briefly described with reference to the drawings. FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process flow. (1) to (8) in the figure indicate the order of the steps, and will be described corresponding to the order of the steps.
(1) A silicon wafer 1 (thickness: 380 μm) having a surface orientation (100) with a thermal oxide film 9 having a thickness of 0.5 μm is prepared.
(2) As the base film 3, an aluminum oxide film 3a is formed on the thermal oxide film 9 to a thickness of about 2 μm by sputtering, for example.
(3) A platinum film 6a having a thickness of 0.2 μm is formed on the aluminum oxide film 3a by sputtering, for example.
(4) Heat treatment is performed in the atmosphere at a temperature of 900 ° C. for 1 hour using a heat treatment furnace.
(5) Using a photolithography method, the platinum film 6a is patterned as shown in the plan view of FIG. 1A to form the thermal resistor 6 and the wiring portion (wiring is not shown).
(6) As the protective film 4, a silicon oxide film 4a is formed to a thickness of about 0.5 μm by a spin coating method, and then heat treatment for stabilizing the protective film is performed.
(7) Open the wire bonding pad 11 by dry etching.
(8) The oxide film on the back surface is opened, the silicon base material is removed by wet etching to form the diaphragm 12, the silicon oxide film under the diaphragm is removed, and the cavity 2 is formed and completed.
In the above process, the heat treatment temperature in the fourth step (4) was set to 900 ° C. FIG. 3 shows the result of investigating the relationship between the heat treatment temperature and the temperature coefficient of resistance of the platinum thin film (thickness 0.2 μm). Is shown in contrast with the conventional one. A TCR of 3500 ppm / ° C. or higher was obtained at a heat treatment temperature of 900 ° C. or higher (at least 850 ° C. or higher).
In addition, TCR of this platinum thin film is calculated | required as follows. In a Fluorinert controlled by a platinum resistance thermometer having a temperature measurement accuracy of 0.02 ° C., the platinum thin film resistor, which is the object to be measured, is energized, and the resistance value of the platinum thin film is measured by the four-terminal method. At this time, the current value (0.1 mA) at which the platinum thin film resistor does not generate heat is the resistance value of the temperature stable platinum thin film resistor in which the temperature change of the measurement temperature of the florinate (measurement sample temperature) is ± 0.02 ° C. or less. Measure by energizing the platinum thin film resistor. In a temperature range of −20 ° C. to 80 ° C., measurement is made 5 times at each temperature every 5 ° C., the average resistance value and the average temperature are calculated 5 times, and the platinum thin film in the temperature range of −20 ° C. to 80 ° C. by the least square method The slope of the linear approximation line of the resistance value and the resistance value at 0 ° C. are calculated, and this slope is divided by the resistance value at 0 ° C.
In the present embodiment, an aluminum oxide film is used as the base film 3, but the portion in contact with the thermal resistor 6 is an insulator, and the platinum film is diffused at the interface between the base film and the platinum thin film during the heat treatment. If an intermetallic compound is formed and platinum and a part of the intermetallic compound are not melted during the heat treatment, a heat treatment for obtaining a high TCR can be performed, and therefore other materials may be used. That is, if the eutectic point between platinum and the intermetallic compound is not lower than 850 ° C., a platinum thin film having a TCR of 3500 ppm / ° C. can be obtained. For example, the material of the base film 3 may be, for example, aluminum nitride, zirconium oxide, or zirconium nitride.
Example 2
FIG. 4 is a view for explaining a thermal sensor on which a platinum thin film according to one embodiment of the present invention is mounted, and is a partial sectional view of the thermal sensor.
In the figure, reference numeral 1 is a flat substrate made of silicon, on which a thermal oxide film 9 is formed, and 3 is an insulating base film provided on the surface of the flat substrate 1, which includes aluminum oxide 3 a and silicon nitride. It consists of two layers 3b. Reference numeral 6 denotes a thin-film thermal resistor made of platinum disposed on the base film 3, and the thermal resistor 6 or the base film 3 is covered with an insulating protective film 4 made of a silicon oxide film. ing. Further, the flat substrate 1 below the portion where the thermal resistor 6 is formed is removed to form the cavity 2. Here, the insulating (base) film 3 functions as a support film.
Next, the manufacturing process of the present embodiment will be briefly described.
(1) A silicon wafer 1 (thickness: 380 μm) having a surface orientation (100) with a thermal oxide film 9 having a thickness of 0.5 μm is prepared.
(2) After a silicon nitride film having a thickness of 1.8 μm is formed by sputtering, for example, an aluminum oxide film is formed on the thermal oxide film 9 to a thickness of 0.2 μm.
(3) A platinum film having a thickness of 0.3 μm is formed on the aluminum oxide film 3a by sputtering, for example.
(4) Heat treatment is performed in the atmosphere at a temperature of 1000 ° C. for 1 hour using a heat treatment furnace.
(5) Using a photolithography method, the platinum film 6a is patterned as shown in the plan view of FIG. 1A to form the thermal resistor 6 and the wiring portion (wiring is not shown).
(6) As the protective film 4, a silicon oxide film 4a is formed to a thickness of about 0.5 μm by a spin coating method, and then heat treatment for stabilizing the protective film is performed.
(7) Open the wire bonding pad 11 by dry etching.
(8) The oxide film on the back surface is opened, the silicon base material is removed by wet etching to form the diaphragm 12, the silicon oxide film under the diaphragm is removed, and the cavity 2 is formed and completed.
Since the platinum thin film resistor thus produced has the same effect as described in Example 1, the TCR of the platinum thin film can be 3500 ppm / ° C. or higher.
In addition, since the base film is made of two layers and silicon nitride, which is easier to control stress, is used for the lower layer, the stress control of the diaphragm portion can be made easier.
Although an example in which aluminum oxide is used for the base film 3a immediately below the platinum film is shown here, it goes without saying that the same effect can be obtained even if the aluminum oxide is aluminum nitride, zirconium oxide or zirconium nitride.
Example 3 FIG.
FIG. 5 is a view for explaining a thermal sensor on which a platinum thin film according to one embodiment of the present invention is mounted, and is a partial sectional view of the thermal sensor. In this example, the protective film 4 of Example 1 is formed of an aluminum oxide film 4b.
In the figure, 1 is a flat substrate made of silicon, on which a thermal oxide film 9 is formed, and 3 is an insulating base film provided on the surface of the flat substrate 1 and is made of aluminum oxide. Reference numeral 6 denotes a thin-film thermal resistor made of platinum disposed on the base film 3, and these thermal resistor 6 and the base film 3 are covered with an insulating protective film 4 made of an aluminum oxide film 4b. It has been broken. Further, the flat substrate 1 below the portion where the thermal resistor 6 is formed is removed to form the cavity 2. Here, the insulating (base) film 3 functions as a support film.
Next, the manufacturing process of the present embodiment will be briefly described.
(1) A silicon wafer 1 (thickness: 380 μm) having a surface orientation (100) with a thermal oxide film 9 having a thickness of 0.5 μm is prepared.
(2) An aluminum oxide film 3a having a thickness of 2.0 μm is formed on the thermal oxide film 9 by sputtering, for example.
(3) A platinum film having a thickness of 0.5 μm is formed on the aluminum oxide film by sputtering, for example.
(4) Using a photolithography method, the platinum film 6a is patterned as shown in the plan view of FIG. 1A to form the thermal resistor 6 and the wiring portion (wiring is not shown).
(5) As the protective film 4, an aluminum oxide film 4 b is formed with a thickness of about 1 μm by sputtering, for example.
(6) Heat treatment is performed in the atmosphere at a temperature of 1100 ° C. for 1 hour using a heat treatment furnace.
(7) Open the wire bonding pad 11 by dry etching.
(8) The oxide film on the back surface is opened, the silicon base material is removed by wet etching to form the diaphragm 12, the silicon oxide film under the diaphragm is removed, and the cavity 2 is formed and completed.
Since the platinum thin film resistor thus produced has the same effect as described in Example 1, the TCR of the platinum thin film can be 3500 ppm / ° C. or higher.
In addition, when the thermal resistor 6 made of a platinum thin film is used by generating heat, a heat treatment for stabilizing the protective film is required for the reliability of the protective film. In this case, the platinum thin film is formed by a single heat treatment. Since the TCR can be increased and the protective film can be stabilized, the heat treatment for stabilizing the protective film can be omitted.
Although an example in which aluminum oxide is used for the film immediately below and immediately above the platinum thin film is shown here, it goes without saying that the same effect can be obtained even if the aluminum oxide is aluminum nitride, zirconium oxide or zirconium nitride.
Example 4
FIG. 6 is a view for explaining a thermal sensor on which a platinum thin film according to one embodiment of the present invention is mounted, and is a partial sectional view of the thermal sensor.
In the figure, reference numeral 1 denotes a flat substrate made of silicon, on which a thermal oxide film 9 is formed, and 3 denotes an insulating base film provided on the surface of the flat substrate 1 and is made of aluminum oxide 3a. Reference numeral 6 denotes a thin-film thermal resistor made of platinum disposed on the base film 3. These thermal resistor 6 and the base film 3 are covered with an insulating protective film 4 made of a silicon nitride film 4c. It has been broken. Further, the flat substrate 1 below the portion where the thermal resistor 6 is formed is removed to form the cavity 2. Here, the insulating (base) film 3 functions as a support film.
Although the structure is similar to that shown in FIG. 1 of the first embodiment, in this embodiment, the protective film 4 is once formed with aluminum oxide 4b, heat-treated, and then patterned together with the thermal resistor to form a final protective film. Another film is formed.
Next, the manufacturing process of the present embodiment will be briefly described.
(1) A silicon wafer 1 (thickness: 380 μm) having a surface orientation (100) with a thermal oxide film 9 having a thickness of 0.5 μm is prepared.
(2) An aluminum oxide film 3a having a thickness of 2.0 μm is formed on the thermal oxide film 9 by sputtering, for example.
(3) A platinum film having a thickness of 0.5 μm is formed on the aluminum oxide film by sputtering, for example.
(4) As the protective film 4, an aluminum oxide film 4b is formed with a thickness of about 0.2 μm, for example, by sputtering.
(5) Heat treatment is performed in the atmosphere at a temperature of 1200 ° C. for 1 hour using a heat treatment furnace.
(6) Using a photolithography method, the platinum film 6a is patterned together with the aluminum oxide protective film 4b as shown in the plan view of FIG. 1A to form the thermal resistor 6 and the wiring portion (the wiring is shown in the figure). Not shown).
(7) As the protective film 4, a silicon nitride film is formed with a thickness of about 0.8 μm by sputtering, for example, so as to cover the base film 3 and the thermal resistor 6.
(8) The pad 11 for wire bonding is opened by dry etching, and the aluminum oxide 4b as the protective film is removed.
(9) The oxide film on the back surface is opened, the silicon base material is removed by wet etching to form the diaphragm 12, the silicon oxide film under the diaphragm is removed, and the cavity 2 is formed and completed.
Since the platinum thin film resistor produced in this way has the same effect as described in Example 1, the temperature coefficient of resistance of the platinum thin film can be 3500 ppm / ° C. or higher.
Although stress control is possible even with silicon oxide, the stress control of the diaphragm portion can be more easily performed because a silicon nitride film that allows easier stress control is used as the protective film.
Here, an example in which aluminum oxide is used immediately below and immediately above the platinum film during the process is shown, but it goes without saying that the same effect can be obtained even if the aluminum oxide uses aluminum nitride, zirconium oxide or zirconium nitride.
Example 5 FIG.
FIG. 7 is a view for explaining a thermal sensor on which a platinum thin film according to one embodiment of the present invention is mounted, and is a partial sectional view of the thermal sensor.
In the figure, reference numeral 1 is a flat substrate made of silicon, on which a thermal oxide film 9 is formed, and 3 is an insulating base film provided on the surface of the flat substrate 1, which includes aluminum oxide 3 a and silicon nitride. It consists of two layers 3b. Reference numeral 6 denotes a thin-film thermal resistor made of platinum disposed on the base film 3. These thermal resistor 6 and the base film 3 are covered with an insulating protective film 4 made of a silicon nitride film 4c. It has been broken. Further, the flat substrate 1 below the portion where the thermal resistor 6 is formed is removed to form the cavity 2. Here, the insulating (base) film acts as a support film.
Although the structure is similar to that shown in FIG. 4 of the second embodiment, in this embodiment, the protective film 4 is formed once with aluminum oxide 4b, heat-treated, and then patterned together with the thermal resistor to form a final protective film. Another film is formed.
Next, the manufacturing process of the present embodiment will be briefly described.
(1) A silicon wafer 1 (thickness: 380 μm) having a surface orientation (100) with a thermal oxide film 9 having a thickness of 0.5 μm is prepared.
(2) After a silicon nitride film having a thickness of 1.8 μm is formed by sputtering, for example, an aluminum oxide film is formed on the thermal oxide film 9 to a thickness of 0.2 μm.
(3) A platinum film having a thickness of 0.2 μm is formed on the aluminum oxide film by sputtering, for example.
(4) As the protective film 4, an aluminum oxide film 4b is formed with a thickness of about 0.2 μm, for example, by sputtering.
(5) Heat treatment is performed in the atmosphere at a temperature of 900 ° C. for 1 hour using a heat treatment furnace.
(6) Using a photolithographic method, the platinum film 6a is patterned together with the protective film 4b made of aluminum oxide as shown in the plan view of FIG. Not shown).
(7) As the protective film 4, a silicon nitride film 4 c is formed to a thickness of about 0.8 μm by sputtering, for example, so as to cover the base film 3 and the thermal resistor 6.
(8) The pad 11 for wire bonding is opened by dry etching, and at this time, the aluminum oxide 4b of the protective film is removed.
(9) The oxide film on the back surface is opened, the silicon base material is removed by wet etching to form the diaphragm 12, the silicon oxide film under the diaphragm is removed, and the cavity 2 is formed and completed.
Since the platinum thin film resistor produced in this way has the same effect as described in Example 1, the temperature coefficient of resistance of the platinum thin film can be 3500 ppm / ° C. or higher.
Moreover, although stress control is possible even with silicon oxide, since the silicon nitride film, which is easier to control stress, is used for the base film and the protective film, the stress control of the diaphragm portion can be made easier.
Here, an example in which aluminum oxide is used immediately below and immediately above the platinum film during the process is shown, but it goes without saying that the same effect can be obtained even if the aluminum oxide uses aluminum nitride, zirconium oxide or zirconium nitride.
Although not shown in the above Examples 1 to 5, a temperature detection part (temperature sensor) for temperature compensation of the sensor is formed in the vicinity of the thermal resistor as in the prior art, and the present invention. In the present invention, the platinum thin film of the present invention can also be used as a heat sensitive resistor for the temperature detector.
Example 6
FIGS. 8 and 9 are diagrams for explaining the configuration of the flow sensor in the thermal sensor according to one embodiment of the present invention, and are arranged in the fluid passage.
In the figure, 21 is a flow rate detecting element, a flow rate detecting element using a platinum thin film resistor having a TCR of 3500 ppm / ° C. shown in the first to fifth embodiments, 22 is a detection conduit, and 23 is a main passage which is a fluid passage. , 24 is a grid-like rectifier, 25 is a case in which a control circuit is housed, and 26 is a connector for supplying power to the flow sensor and taking out an output. In addition, the arrow 10 has shown the direction of the air flow at the normal time.
For example, in an in-vehicle flow sensor, in order to reduce gasoline consumption due to environmental problems, the idling flow rate has been reduced, and a low flow rate measurement of 1 g / s or less is required. When a film having a TCR of 3100 ppm / ° C. is applied to the flow rate sensor, the accuracy for detecting a flow rate of 1 g / s is deteriorated due to insufficient sensitivity of the low flow rate.
FIG. 10 shows the relationship between TCR and flow rate drift. That is, in the figure, flow rate and flow rate drift at different resistance temperature coefficients (flow rate measured by forcibly changing the resistance value of the heater temperature sensing resistance by 1% / initial measured flow rate × 100 [%], resistance after durability evaluation The result of investigating the relationship of the range in which the value fluctuation is 0.1% or less and the flow rate drift at that time is 3% or less can be guaranteed. This drift amount can be read as sensitivity, and the smaller the drift value, the higher the sensitivity. If this flow rate drift value is about 30% or less, reliability and accuracy can be ensured. When the TCR is 3100ppm / ° C, the flow rate drift of 2g / s is 31%, but when the TCR is 3500ppm / ° C, the flow rate drift of 1g / s is 30%, and the lower flow rate can be measured. It becomes.
Thus, the sensitivity of the thermal flow sensor equipped with the platinum thin film resistor according to the present invention is improved as compared with the conventional one.
Here, the thermal type flow sensor has been described. However, if the platinum thin film resistor according to the first to fifth embodiments is also incorporated into another thermal type sensor, such as a pressure sensor, the resistance change with respect to the temperature change can be increased. A thermal sensor with improved sensor sensitivity can be obtained.
Industrial applicability
The platinum thin film according to the present invention is mounted on a thermal sensor, and this thermal sensor is used for a flow sensor or a pressure sensor for measuring an intake air amount of an internal combustion engine for a vehicle or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view for explaining a thermal sensor mounted with a platinum thin film according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a partial plan view of a thermal resistor, and FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining the manufacturing process, and (1) to (8) in FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the resistance temperature coefficient of the platinum thin film on the aluminum oxide underlayer and the heat treatment temperature in comparison with the conventional one, in which the horizontal axis represents the heat treatment temperature and the vertical axis represents the resistance temperature coefficient ( TCR).
FIG. 4 is a sensor element sectional view for explaining a thermal sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sensor element sectional view for explaining a thermal sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sensor element sectional view for explaining a thermal sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sensor element sectional view for explaining a thermal sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIGS. 8 and 9 are views for explaining a flow rate sensor as a thermal sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between TCR and flow rate drift. The horizontal axis represents the resistance temperature coefficient (TCR), and the vertical axis represents the flow rate drift.
FIG. 11 is a sensor element sectional view showing the appearance of a conventional thermal sensor, and FIG. 12 is a plan view for explaining the layout of resistors in the thermal sensor of FIG. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the resistance temperature coefficient and the heat treatment temperature of platinum thin films having different film thicknesses formed on the silicon nitride underlayer, with the horizontal axis representing the heat treatment temperature and the vertical axis representing the resistance temperature coefficient (TCR). . FIG. 14 is an electron microscope observation result showing the surface state of the platinum thin film on the silicon nitride underlayer, in which (a) shows the precipitated particles on the surface of the platinum thin film after heat treatment at 800 ° C. ) Is a diagram showing precipitated particles on the surface of the platinum thin film after heat treatment at 1000 ° C. FIG.
