JPH10221143A

JPH10221143A - マイクロヒータ

Info

Publication number: JPH10221143A
Application number: JP9034446A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Higuchi; 誠良樋口; Tomonori Seki; 知範積; Masakazu Shiiki; 正和椎木; Kenichi Nakamura; 健一中村; Norihiro Konda; 徳大根田
Original assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ヒータ線を形成した部分の強度を低下させる
ことなく、絶縁膜を介して熱拡散するのを抑制し、測定
精度の高いマイクロヒータを提供すること【解決手段】矩形状のシリコン基板１０の上面に絶縁
膜１２を設け、その上面に所定パターン形状の導電体膜
を形成し、ヒータ線１４を構成することにより、マイク
ロヒータの基本構造が形成される。係る基本構造に対
し、絶縁膜の上面所定位置に凹部１６ａ，１６ｂを形成
する。これにより、凹部を設けた領域では、絶縁膜の膜
厚が薄いので熱拡散しにくくなり、ヒータ線に通電した
電流は、そのままヒータ線の発熱に寄与し、絶縁膜を介
して周囲に逃げることがなく、高精度な測定が可能とな
る。さらに、肉厚が薄いものの絶縁膜は存在しているの
で、絶縁膜の周囲部分は、すべて開口部１０ａの内周面
に接続されるため、強度の低下を抑制し、肉厚を薄くし
た割りには、強度が低下しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、検知部の温度変化
を電気信号の変化として検出し、ガスや液体などの流
量，流速，湿度等の物理量を測定するために用いられる
マイクロヒータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来のマイクロヒータの一例を
示している。同図に示すように、平面ロ字型の基板１の
上面に、絶縁膜２が接合されて一体化されている。基板
１の中央の開口１ａに対向する絶縁膜２の部分が検知部
となる。すなわち、絶縁膜２の表面に所定パターンの多
結晶シリコン膜を成膜してヒータ線３を形成しており、
このヒータ線３が検知部となる。

【０００３】このマイクロヒータは、ヒータ線３に通電
するとそのヒータ線３が発熱する。一方、センサ周辺に
流体の流れが存在すると、ヒータ線３に発生している熱
が奪われ、ヒータ線３の抵抗値が変化する。そして、ヒ
ータ線３の抵抗の温度係数は既知であるので、抵抗値の
変化から温度の変化を求めることができ、その温度変化
（奪われた熱量）から流速等を求めるようになってい
る。

【０００４】なお、基板１の開口１ａに対向する絶縁膜
２の部分は、同図（Ａ）に示すように平坦面となってい
るものと、同図（Ｂ）に示すようにヒータ線３未形成領
域に貫通孔２ａを形成したものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のマイクロヒータでは、以下に示す問題があっ
た。すなわち、同図（Ａ）に示す構造のものでは、通電
してヒータ線３が発熱しても、絶縁膜２を伝わって熱拡
散が進んでしまい、周囲に流体の流れがなくても熱が奪
われることがある。すると、高精度な測定ができなくな
る。

【０００６】一方、同図（Ｂ）に示す構造のものでは、
熱拡散の問題はないが、ヒータ線３が形成された絶縁膜
２の部分は、対向する２辺部分でのみで周囲と接続さ
れ、撓みやすく、強度が弱くなると言う問題がある。

【０００７】また、いずれのタイプのものでも、ヒータ
線３を形成する絶縁膜２の表面は平坦面であり、係る平
坦面の上に多結晶シリコン薄膜をパターニングして形成
するため、ヒータ線３の部分が絶縁膜表面よりも突出
し、段差を生じる。すると、測定対象の流体に粉塵が含
まれていると、その粉塵が段差部分に付着し、感度の低
下を招く。

【０００８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、ヒータ線を形成した部分の強度を低下させることな
く、絶縁膜を介して熱拡散するのを抑制し、測定精度の
高いマイクロヒータを提供することにある。また、別の
目的は、粉塵等の異物がヒータ線周囲に付着することが
なく、高精度の測定感度が長期にわたって劣化すること
のないマイクロヒータを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、基板上に絶縁膜を設けるととも
に、その絶縁膜にヒータ線を設けてなるマイクロヒータ
において、前記絶縁膜上のヒータ線未形成領域の所定位
置の膜厚を薄くなるように構成した（請求項１）。

【００１０】膜厚を薄くするための構成としては、実施
の形態では、絶縁膜の表面，裏面の少なくとも一方の面
の所定領域を除去して凹部を形成することにより実現し
ている。なお、通常は絶縁膜の表面は保護膜が形成され
ているため、絶縁膜が部分的に無くてもその上に保護膜
が存在し、全体として貫通孔が形成されない場合には、
本発明の膜厚を薄くするという概念に含まれる。換言す
ると、保護膜が無い場合に絶縁膜の一部が上下に貫通す
るように除去されたり、保護膜があっても、その保護膜
の一部も上下に貫通するように除去され開口されている
場合（図１（Ｂ）のようになる）には、含まれない。

【００１１】係る構成にすると、絶縁膜の部分的に薄く
なった部分で熱拡散が生じにくくなり、熱絶縁性が良好
となる。よってヒータ線に通電して発熱させた場合に、
その熱が拡散して逃げることが可及的に抑制され、ヒー
タ線の熱が奪われるのは周囲に存在する流体の状態に基
づくものとなり、高精度な測定ができる。

【００１２】また、部分的に膜厚が薄くなっても、上下
に貫通しておらずその全周囲が基板に接続されるため、
絶縁膜の一部に大きな応力が加わらないので、亀裂や破
損を生じない。

【００１３】また、前記絶縁膜は、単一の材料を用いて
成膜して形成するようにしてもよく、また、複数の材料
を用いて積層形成してもよい。そして、そのように複数
層から構成する場合であってしかも複数の材料の熱伝導
率の異なる場合には、少なくとも熱伝導率の高い薄膜の
所定位置を除去することにより、前記膜厚の薄い部分を
形成するようにしてもよい（請求項２）。ここで実施の
形態では、熱伝導率の異なる材料として、窒化膜と酸化
膜を用いており、窒化膜の方が熱伝導率が高い。したが
って、窒化膜の方を除去することにより、同じ膜厚でも
熱拡散を効果的に抑制できる。

【００１４】上記した各構成を前提とし、さらに前記絶
縁膜の裏面側の所定位置を除去することにより、前記膜
厚の薄い部分を形成するようにし、かつ、前記絶縁膜の
表面側を平坦面にするとよい（請求項３）。表面が平坦
面となると、ヒータ線の周囲に段差がなく、たとえ測定
対象の流体中に粉塵などの異物があっても、係る異物が
ヒータ線の周囲に引っ掛かって溜ることがない。よっ
て、長期にわたって初期の状態を保持でき、感度が低下
することなく請求項１，２により実現された高感度状態
を維持できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図２は、本発明に係るマイクロヒ
ータの第１の実施の形態を示している。同図に示すよう
に、基本的な構成は従来と同様で、矩形状のシリコン基
板１０の上面に絶縁膜（誘電体膜）１２を設けている。
シリコン基板１０は、平面略ロ字型からなり、中央は上
下に貫通する開口部１０ａとなる。同図（Ｂ）に示すよ
うに、絶縁膜１２は、酸化膜１２ａ，窒化膜１２ｂ，酸
化膜１２ｃの順に積層した三層構造となっている。

【００１６】そして、絶縁膜１２（酸化膜１２ｃ）の上
面に所定パターン形状の導電体膜を形成する。この導電
体膜は、例えば多結晶シリコンを適宜折れ曲がった線状
にパターニングして形成し、これによりヒータ線１４を
構成する。このヒータ線１４の両端が、端子部１４ａ，
１４ａとなり、この端子部１４ａ，１４ａ間に通電する
ことにより、ヒータ線１４を発熱させる。そして、絶縁
膜１２の上面側（ヒータ線１４の形成側）に流れる流体
の流量を検出するようになっている。なお、本例では、
同図（Ｂ）に示すように、シリコン基板１０の下面に
も、酸化膜１５ａを成膜し、さらにその表面に窒化膜１
５ｂを形成し、絶縁性及び長期保存性を高めている。な
お、上記した各構成は基本的に従来と同様であるので、
詳細な説明を省略する。

【００１７】ここで本発明では、絶縁膜１２の上面所定
位置に凹部１６ａ，１６ｂを形成し、部分的に肉厚を薄
くしている。すなわち、シリコン基板１０の開口部１０
ａに対向する絶縁膜１２の部分（図中波線で示す領域の
内側）のうち、ヒータ線１４の未形成領域に形成してい
る。より具体的には、図中矢印で示す方向に流体の流れ
がある場合に、ヒータ線１４を挟んで下流側に凹部１６
ａを設けるとともに、上流側に凹部１６ｂを設けてい
る。

【００１８】そして、この凹部１６ａ，１６ｂは、絶縁
膜１２を構成する最上層の酸化膜１２ｃの所定領域を除
去することにより形成している。これにより、その凹部
１６ａ，１６ｂの底面には、中間の窒化膜１２ｂが露出
するようになっている。本例では、各層を構成する材質
が異なることから、選択エッチングにより簡単に行うこ
とができ、凹部１６ａ，１６ｂの深さを精度よく制御で
きる。しかも、片面側からのエッチングであるため、処
理工程数も少なくてすむ。

【００１９】なお、本例では、ヒータ線１４及び絶縁膜
１２の表面を覆うようにして、保護膜１８が形成されて
いる。そして、この保護膜１８としては、例えば酸化膜
を成膜することにより形成できるが、形成材料はこれに
限ることはない。また、各膜の厚さ寸法としては、例え
ば絶縁膜１２の膜厚が１μｍ程度で、ヒータ線１４の膜
厚が０．８μｍ程度で、保護膜１８の膜厚が０．２μｍ
程度とすることができる。

【００２０】係る構成にすることにより、凹部１６ａ，
１６ｂを設けた領域では、絶縁膜１２の膜厚が薄いた
め、熱拡散しにくくなる。その結果、両端子部１４ａ，
１４ａ間に通電した電流は、そのままヒータ線１４の発
熱に寄与し、絶縁膜１２を介して周囲に逃げることがな
く、高精度な測定が可能となる。

【００２１】さらに、肉厚が薄いものの絶縁膜１２は存
在しているので、ヒータ線１４が形成された絶縁膜１２
の周囲部分は、すべて開口部１０ａの内周面に接続され
ることになり、仮にその絶縁膜１２に圧力が加わって撓
もうとした場合でも、その開口部１０ａの内周面の全周
に均等に応力が加わるため、絶縁膜１２に亀裂その他の
損傷を生じることがない。また、酸化膜と窒化膜を比べ
た場合、窒化膜の方が強度が高い。したがって、肉厚を
薄くした割りには、強度の低下を抑えることができる。

【００２２】ここで簡単に製造プロセスを説明すると、
図３（Ａ）に示すように、化学気相堆積法処理により平
板状のシリコン基板１０の上面全面に、酸化膜１２ａ，
窒化膜１２ｂ，酸化膜１２ｃを順次積層形成し、さらに
その酸化膜１２ｃの上面所定位置に多結晶シリコン薄膜
１４′を形成する。また、シリコン基板１０の下面の周
囲（最終的に残す枠体部分）にも、同様にして酸化膜１
５ａ，窒化膜１５ｂを形成する。

【００２３】次に多結晶シリコン薄膜１４′に対してエ
ッチングして所定のパターンに形成することにより、ヒ
ータ線１４及び端子部１４ａ（図示せず）を形成する。
その後、化学気相堆積法処理により上面全面を酸化膜で
被覆して保護膜１８を形成する。さらに、保護膜１８の
うち、端子部１４ａに対向する部位をエッチングで除去
して当該端子部１４ａを露出させ、その後露出した部分
に金属を蒸着，スパッタなどにて成膜する。これにより
同図（Ｂ）に示すような中間品が形成される。そして、
ここまでの工程は、従来のものと同様である。

【００２４】そして、その後に、シリコン基板１０をＫ
ＯＨ等を用いたディープエッチングを行う。すると、シ
リコン基板１０の上面は保護膜１８で覆われるととも
に、下面の周囲も酸化膜１５ａ，窒化膜１５ｂで覆われ
ているので、それら各膜で覆われていないシリコン基板
１０の下面中央部が除去され、開口部１０ａが形成され
る。その後、パターンニングしたマスクで所定位置を覆
うとともに、選択エッチングして、露出した酸化膜１４
を除去する。これにより図２（Ｂ）に示すように絶縁膜
１２の上面のみに凹部１６ａ．１６ｂを有するものが形
成される。

【００２５】なお、凹部を形成する位置としては、図示
したようにヒータ線１４の上流側と下流側の両方に設け
る必要はなく、上流側の凹部１６ａのみにしたり、下流
側の凹部１６ｂのみにしても良い。さらには図４に示す
ように、端子部１４ａの設置位置と反対側のヒータ線１
４の先端側未形成領域にも凹部１６ｃを形成し、図２に
示す上流側と下流側に設けた２つの凹部１６ａ，１６ｂ
を連結し、全体として平面略コ字状の凹部としてもよ
い。

【００２６】さらには、凹部１６を形成する面は、上記
した例では絶縁膜１２の上側としたが、本発明はこれに
限ることはなく、図５に示すように、絶縁膜１２の上下
両側、すなわち、両酸化膜１２ａ，１２ｃをそれぞれ選
択エッチングして除去するようにしてもよい。また、下
面側のみを除去するようにしてもよい。

【００２７】さらには、図６（Ａ）に示すように、ヒー
タ線１４の周囲の未形成領域に、小さな凹部１６ｄを複
数個設けるようにしても良い。この構成では、隣接する
凹部１６ｄ間に凹部がなく膜厚が薄くならない領域Ｒが
存在するため、係る領域Ｒの部分で絶縁膜１２の強度が
保てる。従って、凹部１６ｄは、同図（Ｂ）に示すよう
に、窒化膜１２ｂの部分まで除去することができる。係
る構成にすると、熱伝導率の高い窒化膜がなくなるの
で、熱拡散するのをより抑制でき熱絶縁性が向上する。
もちろん、上記した各実施の形態のように、上側または
下側の少なくとも一方の酸化膜を除去するようにしても
良い。

【００２８】また、図６の例では、ヒータ線１４の周囲
の４方すべてに凹部１６ｄを形成したが、このように小
さい凹部１６ｄを形成するタイプのものでも、図４に示
したように、ヒータ線１４の３方に形成したり、図２に
示したように、上流側と下流側に形成したり、さらに
は、上流側と下流側の一方に形成するようにしてもよ
く、その形成位置は任意である。そして、上流側や下流
側に形成する場合でも凹部１６ｄの設置個数や間隔は図
６に示すものに限られず適宜変更可能なのはもちろんで
ある。

【００２９】そして、上記のように凹部の形成位置等は
種々変更実施可能であるが、いずれの場合でも凹部の形
成領域・面積・深さを大きくする方が熱拡散が抑制で
き、また、凹部の寸法形状等が同じであってもヒータ線
１４に対する相対的な形成位置がヒータ線１４に近い方
がよい。

【００３０】図７は、本発明の第２の実施の形態を示し
ている。本実施の形態では、上記した絶縁膜１２の所定
位置に凹部を形成し、肉厚を薄くし、熱絶縁性の向上を
図るようにした主要部を共通とし、さらに、ヒータ線１
４側表面の段差をなくすようにしている。

【００３１】すなわち、製造プロセスを追いながら具体
的な構造を説明すると、三層構造の絶縁膜１２を製造
後、多結晶シリコン膜を成膜する前に、最上層の酸化膜
１２ｃに対してエッチングを行い、多結晶シリコン薄膜
（ヒータ線，端子部）の形成領域に予め凹所を形成し、
その凹所内に多結晶シリコン薄膜を堆積する。これによ
り、図７（Ａ）に示すように、ヒータ線１４と酸化膜１
２ｃの表面が面一の平坦面となる。よって、その後に、
上面に保護膜１８を形成してもやはりその表面は平坦面
となる。なお、図２，図３と対応する部材については同
一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【００３２】そして、上記した図３（Ｂ）と同様に、シ
リコン基板１０の下面をエッチングして除去することに
より、開口部１０ａを形成し、さらに、その開口部１０
ａを介して露出する下側の酸化膜１２ａおよび窒化膜１
２ｂの所定位置をエッチングすることにより、凹部１６
を形成する。係る構成にすると、ヒータ線１４及びその
周囲に段差がなく、流体とともに流れてくる塵埃等が付
着することがなく、長期にわたって感度が低下しない。

【００３３】なお、図示の例では、窒化膜１２ｂまでエ
ッチングで除去しているが、凹部１６の形成領域の上方
には、酸化膜１２ｃと保護膜１８が存在しているので、
強度が保てる。さらに、凹部１６の形成パターンとして
は、上記した各実施の形態のように各種の態様を採るこ
とができる。

【００３４】図８は、図７と同様に表面を平坦化するタ
イプの変形例である。本例では、保護膜２０とし、ポリ
イミド樹脂を用いている。すなわち、上記した図３
（Ａ）と同様にシリコン基板１０の上に酸化膜１２ａ，
窒化膜１２ｂ，酸化膜１２ｃの順に積層し、その上に多
結晶シリコン薄膜をパターニングして設けることによ
り、ヒータ線１４を形成する。そして、通常であれば、
その上に再度酸化膜を堆積するところ、図８（Ａ）に示
すように、ポリイミド樹脂２０′を成膜する。ポリイミ
ド樹脂の場合には、適度な厚さに塗布することにより、
ヒータ線１４の厚さに基づく段差を吸収し、その表面を
なだらかにし、すべての表面位置がヒータ線１４よりも
高くなる。

【００３５】次に、ポリイミド樹脂２０′を硬化させた
後、表面をアッシングして平坦化する。この時、ヒート
線１４の上面には、保護膜として非常に薄いポリイミド
樹脂が残るようにする。その後、シリコン基板１０の底
面側より適宜エッチングして、同図（Ｂ）に示すよう
に、開口部１０ａおよび凹部１６を形成する。このよう
にポリイミド樹脂で保護膜２０を形成することにより、
平坦化が容易に行えるとともに、精度良く形成できる。

【００３６】なお、図示の例は、下面に形成する凹部１
６は、酸化膜１２ａ，窒化膜１２ｂならびに酸化膜１２
ｃのすべてをエッチングして所定領域を除去することに
より形成したため、より熱絶縁性が良好になる。もちろ
ん、このように３つの層すべてを除去するのではなく、
２または１層のみを除去しても良い。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るマイクロヒ
ータでは、ヒータ線未形成の絶縁膜の一部の膜厚を薄く
したため、ヒータ線を形成した部分の強度を低下させる
ことなく、しかも絶縁膜を介して熱拡散するのを抑制す
ることが出来る。その結果、測定精度の高いマイクロヒ
ータを構成できる。

【００３８】また、請求項３のように構成した場合に
は、ヒータ線の周囲に段差がなく、たとえ粉塵等の異物
が流れてきてもそれがヒータ線の周囲に付着することが
なく、高精度の測定感度の状態が長期にわたって劣化す
ることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例を示す図である。

【図２】本発明に係るマイクロヒータの第１の実施の形
態を示す図である。

【図３】その製造プロセスの一例を示す図である。

【図４】変形例を示す図である。

【図５】さらに他の変形例を示す図である。

【図６】さらに別の変形例を示す図である。

【図７】本発明に係るマイクロヒータの第２の実施の形
態を示す図である。

【図８】その変形例を示す図である。

【符号の説明】

１０シリコン基板１２絶縁膜１４ヒータ線１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ凹部（膜厚を
薄くする部分）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者椎木正和京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (72)発明者中村健一東京都港区海岸一丁目５番20号東京瓦斯株式会社内 (72)発明者根田徳大東京都港区海岸一丁目５番20号東京瓦斯株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に絶縁膜を設けるとともに、その
絶縁膜にヒータ線を設けてなるマイクロヒータにおい
て、前記絶縁膜上のヒータ線未形成領域の所定位置の膜厚を
薄くしたことを特徴とするマイクロヒータ。
【請求項２】前記絶縁膜は、熱伝導率の異なる種類の
薄膜を積層形成して構成され、少なくとも熱伝導率の高い薄膜の所定位置を除去するこ
とにより、前記膜厚の薄い部分を形成するようにしたこ
とを特徴とする請求項１に記載のマイクロヒータ。
【請求項３】前記絶縁膜の裏面側の所定位置を除去す
ることにより、前記膜厚の薄い部分を形成するように
し、かつ、前記絶縁膜の表面側を平坦面としたことを特徴と
する請求項１または２に記載のマイクロヒータ。