JP3867393B2

JP3867393B2 - 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

Publication number: JP3867393B2
Application number: JP07208298A
Authority: JP
Inventors: 弘幸和戸; 義則大塚; 栄嗣川崎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2018-03-20
Also published as: JPH11271123A; US6450025B1

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。
【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。
【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），ＳｉＯ_２（二酸化シリコン），Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン），Ｔａ_２Ｏ_５（酸化タンタル），Ａｌ_２Ｏ_３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。
【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Ｔａ_２Ｏ_５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。
【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Ｔａ_２Ｏ_５やＡｌ_２Ｏ_３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。
【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。
【００１０】
そして、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。
【００１１】
請求項２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。
そして、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。
【００１２】
また、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。
【００１３】
請求項４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。
【００１４】
そして、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。
【００１５】
さらに、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。
【００１６】
請求項５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。
【００１７】
請求項６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。
【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３ａ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。
【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。
【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Ｓｉ_３Ｎ_４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１．０μｍ程度のＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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Ｓｉ_３Ｎ_４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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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Ｓｉ_３Ｎ_４膜９，１２および圧縮応力膜としてのＳｉＯ_２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〜２００ＭＰａ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σＡ，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ＳｉＯ_２膜１０，１１およびＳｉ_３Ｎ_４膜９，１２の各内部応力をσ２，σ３，σ４，σ５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Ｓｉ_３Ｎ_４膜９，１２は、引張応力が例えば１２００ＭＰａ程度であり、ＳｉＯ_２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ｄ４，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３０ＭＰａ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σ２，σ３，σ４，σ５による反りモーメントＭ２，Ｍ３，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。
【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。
【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ＬＰＣＶＤ法によりＳｉ_３Ｎ_４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ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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Ｓｉ_３Ｎ_４膜１３を形成し、圧縮応力膜としてＳｉＯ_２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ＴｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｔａ_２Ｏ_５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，ＳｉｘＮｙ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、ＳｉＯ_２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、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１３はＳｉＯ_２膜１４よりも耐湿性に優れることから、内側に位置するＳｉＯ_２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Ｔｉ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１００〜５００ｎｍ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。
【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、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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Ｓｉ_３Ｎ_４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。
【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８ａ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５００ｎｍ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。
【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Ｓｉ_３Ｎ_４膜（窒化シリコン膜）と圧縮応力膜としてのＳｉＯ_２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。
【００４８】
第３に、圧縮応力膜として用いたＳｉＯ_２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Ｓｉ_３Ｎ_４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。
【００５０】
ヒータ層７を形成する材料は、Ｓｉ，ＮｉＣｒ，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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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
【図４】内部応力と反りモーメントの分布を示す図（その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）
【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）
【符号の説明】
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Ｓｉ_３Ｎ_４膜（引張応力膜）、１０，１１はＳｉＯ_２膜（圧縮応力膜）、１３，１６はＳｉ_３Ｎ_４膜（引張応力膜）、１４，１５はＳｉＯ_２膜（圧縮応力膜）、１７はエッチング保護膜である。

Claims

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され、
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。
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、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、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。
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、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、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。
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、
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、
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、
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１ないし４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。
内燃機関に連通された吸気管内に配置され、
請求項４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。