JPH10227675A

JPH10227675A - フローセンサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10227675A
Application number: JP9033692A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Konda; 徳大根田; Kenichi Nakamura; 健一中村; Masakazu Shiiki; 正和椎木; Tomonori Seki; 知範積; Fumihiko Sato; 文彦佐藤
Original assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1997-02-18
Filing date: 1997-02-18
Publication date: 1998-08-25

Abstract

(57)【要約】【課題】劈開と異方性エッチングを利用しつつ、ヒータ
線をチップの辺に平行に形成して、ヒータ線に垂直方向
にガス流が流れてもチップ角による渦の影響がないよう
にし、流体中の塵埃によりセンサの信頼性が低下するこ
とを防止する。【解決手段】本発明のフローセンサは、（１００）面の
表面及び裏面と＜０１１＞軸または＜０１−１＞軸方向
にほぼ平行な少なくとも一辺を有するシリコン単結晶基
板３０と、基板３０の裏面側から前記表面に達する様に
形成され（１１１）面の斜面を有する所定形状の貫通孔
３６と、基板３０の表面上に形成され前記貫通孔３６を
塞ぐ様に形成された自立膜と、自立膜上に形成され、前
記基板３０の四辺のいずれかの一辺６１に平行な方向に
延びるヒータ線３４とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン等の単結
晶基板上に微細線状のヒータ線を形成したフローセンサ
に係り、流量の検出特性を改良したフローセンサ及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン等の単結晶基板上に微細線状の
ヒータ線を形成し、一定の電流を流して発熱させ、流体
の流量に応じてヒータ線温度の低下の程度を電圧値等で
検出するフローセンサが知られている。かかるフローセ
ンサは、低消費電力で微少サイズのセンサとして注目さ
れている。

【０００３】かかるフローセンサは、基板の表面に所定
形状の窪みを形成し、その窪みの上に微細線状のヒータ
線を浮かせて形成し、ヒータ線に対する熱絶縁性を高
め、低消費電力、感度向上及び高速の応答性を実現して
いる。そのような構造のフローセンサは、例えば、特公
平３−５２０２８号公報等に提案されている。

【０００４】図６は、上記公報に開示されているフロー
センサの構成を示す平面図である。また、図７は、図６
中のＡ−Ａの断面図である。シリコン単結晶基板１０の
表面に形成した絶縁の自立膜１２上に、一対の電極１
４，１６を結ぶ微細線状のヒータ線１８が形成される。
そして、ヒータ線１８の下には窪み２２が形成され、ヒ
ータ線１８は自立膜１２に支えられている。かかる構成
にすることで、ヒータ線１８の熱絶縁性が高くなると同
時に熱容量が低くなり、フローセンサとして高感度で高
速応答性を持つ。

【０００５】流量値の検出は、一般に、このヒータ線１
８に一定の電流を流しながら、測定対象の流路内にヒー
タ線１８を流路方向に垂直になるように挿入し、流量に
応じてヒータ線１８の温度が低下し、その変化を抵抗値
の変化として電圧値等を検出することで行われる。

【０００６】上記の窪み２２の形成は、例えば、自立膜
１２に２つの開口２０を設け、所定のウエットエッチン
グを所定時間だけ施すことにより、（１００）面の底面
２３と（１１１）面の斜面を有する窪みが形成される。
このエッチング工程は、（１００）面を表面とするシリ
コン等の単結晶基板を、所定のエッチング液に浸すこと
による異方性エッチングとして知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】シリコン等の結晶構造
を有する基板では、＜０１１＞軸や＜０１−１＞軸方向
が劈開面となる。したがって、ウエハから各チップを切
り出す工程で、この＜０１１＞軸または＜０１−１＞軸
方向の劈開が利用される。劈開を利用せずフルカットダ
イシングを行う場合、自立膜にかかる応力が大きいので
歩留まりが悪くなり切り出し工程に要する時間も長くな
る。それに対して、上記の異方性エッチングは、所定の
エッチング液では（１１１）面方向のエッチングがほと
んど進まない性質を利用している。そして、その（１１
１）面は、図６，７等から明らかな通り、＜０１１＞軸
または＜０１−１＞軸方向に平行であり（１００）面に
約５４. ７度傾いた面である。従って、開口２０からヒ
ータ線１８の下にアンダーエッチングを施す為には、開
口２０の方向を＜０１１＞軸または＜０１−１＞軸方向
に対して所定角度ずれている必要がある。所定角度ずれ
ることで、エッチングの開口２０からアンダーエッチン
グが施され、開口２０の形状と方向で一義的にその窪み
２２の形状が決まる。

【０００８】その結果、図６に示される通り、４角形の
チップ基板１０の４辺２５，２６に対して、開口２０と
その間のヒータ線１８は例えば４５度傾いた構造とな
る。

【０００９】ところが、上記の通り異方性エッチングの
利用と劈開面の利用の結果、ヒータ線１８が基板１０の
４辺２５，２６から傾いた構造となる為、流路の方向が
図６中の矢印２８の方向になる。これは、流路の方向２
８に対してヒータ線１８が垂直になるときが最も感度が
高くなるからである。その場合、矢印２８方向に流れて
くる流体が、基板の角部２９の存在により例えば左右に
渦を発生して流れの乱れを招く。この流れの乱れは、ヒ
ータ線の温度低下に影響を与え、センサ出力の誤差とな
って検出される。

【００１０】更に、開口２０を＜０１１＞軸または＜０
１−１＞軸方向から斜めにずらして形成し、その開口２
０からエッチング液をしみこませるため、窪み２２の面
積が不必要に大きくなり、自立膜１８の強度が低くなる
問題もある。また、開口２０自体が、流体内の塵埃を取
り込む入り口となり、窪み２２内に蓄積される塵埃はセ
ンサの信頼性を低下させる問題もある。

【００１１】そこで、本発明の目的は、上記の問題点を
解決した新規の構造のフローセンサを提供することにあ
る。

【００１２】更に、本発明の別の目的は、＜０１１＞軸
または＜０１−１＞軸方向の劈開面と（１１１）面の異
方性エッチングを利用しつつ、流体の乱れを発生するこ
となくセンサ特性の優れたフローセンサ及びその製造方
法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する為
に、本発明のフローセンサは、（１００）面の表面及び
裏面とを有するシリコン単結晶基板と、該基板の裏面側
から前記表面に達する様に形成された貫通孔と、該基板
の表面上に形成され前記貫通孔を塞ぐ様に形成された自
立膜と、該自立膜上に形成され、前記基板の一辺に平行
な方向に延びるヒータ線とを有することを特徴とする。

【００１４】更に、上記目的を達成する為に、別の発明
は、結晶基板上にヒータ線を形成し、該ヒータ線の下側
の該結晶基板が少なくとも一部除去されたフローセンサ
の製造方法において、（１００）面の表面と裏面を有す
る結晶基板の該表面上に、自立膜を形成する工程と、該
自立膜上に前記結晶基板の＜０１１＞軸あるいは＜０１
ー１＞軸方向に平行に延びるヒータ線を形成する工程
と、前記結晶基板の裏面側に形成した所定形状の開口を
介して異方性エッチングを施し（１１１）面の斜面を有
し該結晶基板の表面側に達する貫通孔を形成し、前記ヒ
ータ線の下側の結晶基板を除去する工程と、前記結晶基
板を前記＜０１１＞軸あるいは＜０１ー１＞軸方向に平
行に切り出す工程とを有することを特徴とする。

【００１５】上記の発明によれば、＜０１１＞軸または
＜０１−１＞軸方向の劈開の性質を利用し、更に（１１
１）面方向にエッチングが進行しない異方性エッチング
を利用し、ヒータ線をチップの一辺に平行に形成するこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲
はその実施の形態に限定されるものではない。

【００１７】図１は、本発明の実施の形態例を示す平面
図である。また、図２は、図１のＢーＢの断面図であ
る。本実施の形態例では、主要面が（１００）面からな
るシリコン単結晶基板３０の裏面側から異方性エッチン
グにより貫通孔３６が形成され、その貫通孔３６の基板
表面側に形成された自立膜の架橋構造４４上にヒータ線
３４が形成される。そして、基板表面側のヒータ線３４
の方向が、基板３０の辺６０または６１に平行に形成さ
れる。基板３０の辺６０，６１が劈開面である＜０１１
＞軸または＜０１−１＞軸方向であっても、貫通孔３６
の形成が基板裏面側から行われるので、異方性エッチン
グ用のエッチング開口形状に依存することなくヒータ線
３４の方向を定めることができる。そして、ヒータ線３
４を基板３０の辺６１に平行に形成することで、流路内
にこのフローセンサを設置する時ヒータ線３４を流路の
方向に垂直にしても、ガス流は図中矢印７０の如く辺６
１に垂直の方向に流れるので、従来の如くガス流が乱さ
れることはない。

【００１８】図１、２の実施の形態例では、基板３０の
（１００）表面上に自立膜として、シリコン酸化膜３
１、シリコン窒化膜３２、シリコン酸化膜３３の３層構
造が形成され、その上に、基板３０の辺６１に平行に不
純物がドープされたポリシリコン膜からなるヒータ線３
４が４本形成される。このヒータ線３４は、同様にポリ
シリコン膜から形成された引き出し電極３８，３９にそ
の両端で接続される。また、引き出し電極３８、３９は
ボンディング領域４０、４１まで延在し、ボンディング
領域３８、３９上には金等からなるボンディング電極４
２、４３が形成される。

【００１９】図２に示される通り、ヒータ線３４の熱絶
縁性を高めるために、貫通孔３６が基板３０の裏面側か
らの異方性エッチングにより形成され、上記の３層構造
が図中４４の如く基板表面側で架橋構造となる。また、
劈開面となる＜０１１＞軸または＜０１−１＞軸方向に
対して、異方性エッチングにより残される（１１１）面
３７は平行に形成される。その結果、架橋構造４４の表
面での輪郭は基板３０の劈開面６０、６１と同様に＜０
１１＞軸または＜０１−１＞軸方向に平行になる。従っ
て、基板３０の辺６１に平行に形成されるヒータ線３４
のパターン形状にできるだけ整合した狭い架橋構造４４
に形成することができ、自立膜の強度を上げることがで
きる。

【００２０】そして、従来例の如く基板表面側に異方性
エッチング用の大きな開口２０を設ける必要もなく、流
体内の塵埃が、架橋構造４４の下に蓄積されることはな
い。

【００２１】図１、２に示された実施の形態例では、ヒ
ータ線３４として不純物がドープされたポリシリコン膜
が利用される。しかし、このヒータ膜３４は、白金等の
酸化しにくい物質で形成されても良い。但し、白金等を
利用する場合、その抵抗値が低くヒータ線での消費電力
が大きくなる傾向にある。消費電力を抑える為に白金の
膜圧を薄くするとその自立の為の強度が低下し、製造が
困難になる。それを回避する為に、上下のシリコン酸化
膜を厚くすると熱容量の増大によりヒータ線の応答性が
悪くなる。かかる理由から、本発明の実施の形態例で
は、不純物が適当な量だけドープされたポリシリコン膜
が利用される。ポリシリコン膜を利用することにより、
ある程度その抵抗値を高く形成でき、しかも自立強度を
十分持つ膜圧に形成してもその抵抗値を高めにすること
ができる。そして、その分、保護膜であるシリコン酸化
膜３５の膜圧を抑えて熱容量を下げることができる。

【００２２】図３及び図４は、図１、２に示した実施の
形態例の製造プロセスの一例を示す図である。これらの
製造プロセスは、通常シリコンウエハ上に複数のチップ
を同時に形成し、最後に劈開面に沿って切り出しを行う
ものであるが、図３、４では、説明の便宜上１つのチッ
プだけを示している。

【００２３】まず、図３（１）に示される通り、表面が
（１００）面のシリコン結晶基板３０の両面に、熱酸化
により約０．１μｍのシリコン酸化膜３１、５１が形成
される。更に、図３（２）に示される通り、一般に良く
知られた減圧ＣＶＤ法により約０．２μｍの窒化シリコ
ン膜３２、５２が形成される。この窒化シリコン膜３２
は、緻密性が高く自立膜としての強度を高める膜とな
る。そして、裏面側の窒化シリコン膜５２の一部が、一
般的なリソグラフィ工程とドライエッチング工程により
除去され、開口５０が形成される。この開口５０の形状
は、図１の（１１１）面３７の外側の形状である。即
ち、劈開面となる＜０１１＞軸または＜０１−１＞軸方
向と平行であって、ヒータ線３４の支える架橋構造４４
の形状にほぼ相似の形状に形成される。

【００２４】更に、図３（３）に示される通り、減圧Ｃ
ＶＤ法により両側に酸化シリコン膜３３、５３を約０．
１μｍ程度形成する。これにより、基板３０の表面側に
酸化シリコン膜３１、窒化シリコン膜３２及び酸化シリ
コン膜３３の３層構造の自立膜が形成される。両側の酸
化シリコン膜３１、３３は、窒化リシコン膜３２による
基板３０及びヒータ線３４とのストレス緩和作用も有す
る。

【００２５】図３（４）に示される通り、表面側に例え
ば減圧ＣＶＤ法によりポリシリコン膜を、例えば約１μ
ｍ形成し、全面に不純物のイオン注入を行い、アニーリ
ング工程によりその不純物イオンを拡散させる。その結
果、ポリシリコン膜は、約２×１０¹⁶ｃｍ^-3程度の不純
物を有する。その後、ドライエッチングによりポリシリ
コン膜をパターニングして、ヒータ線３４、電極引き出
し部３８、３９及びボンディング部４０、４１を形成す
る。更に、同時に、自立膜の架橋構造４４の電極引き出
し部３８、３９とは反対側であって架橋構造４４の中心
に関して対象な位置にも、図１に示した様な架橋構造補
強用の自立膜押さえ用パターン４５も形成される。この
結果、図１に示される通り、架橋構造４４の両側に厚い
ポリシリコン膜３８、３９及び４５が形成されて、自立
膜の強度が向上する。

【００２６】図３（５）に示される通り、ポリシリコン
膜３４，４０，４１上に酸化シリコン膜３５、５４を、
例えば減圧ＣＶＤ法により０．３μｍ程度形成する。こ
の酸化シリコン膜３５は、ヒータ線３４及び電極引き出
し部３８，３９などの保護膜となる。

【００２７】次に、図４（１）に示される通り、ボンデ
ィング部４０，４１上に所定のレジストパターン膜を形
成し、基板３０を例えばフッ酸液に浸してウエットエッ
チング法により、ボンディング部４０、４１上の領域５
５の酸化シリコン３５と、基板裏面側の酸化シリコン膜
５４とを除去する。その結果、基板３０の裏面側は、開
口５０によりシリコンが露出する。そして、基板表面側
に、例えばＣｒ層とＡｕ層を蒸着し、ウエットエッチン
グによりパターニングしてボンディング電極４２、４３
を形成する。

【００２８】次に、図４（３）に示される通り、基板裏
面側に形成されたシリコン窒化膜５２の開口５０をマス
クにして、例えばＫＯＨのエッチング液に浸すウエット
エッチングにより基板裏面側がエッチングされる。この
エッチング工程では、基板３０の（１００）面方向には
エッチングが進行するが、（１１１）面方向にはエッチ
ングが進行しない。かかる異方性エッチングにより、基
板の裏面側から表面に達し（１１１）面の斜面３７を有
する四角錐の一部をなす貫通孔３６が形成される。そし
て、基板表面には自立膜による架橋構造４４が形成され
る。この領域４４の形状は、異方性エッチングに従えば
開口５０の形状とシリコン基板３０の厚みから一義的に
決まる。したがって、架橋構造４４の形状を最適のサイ
ズに容易にコントロールすることができる。

【００２９】更に、図４（４）に示される通り、圧力調
整孔５６がドライエッチングにより形成される。この圧
力調整孔５６は、図１に示される様に、例えば、架橋構
造４４の任意の位置に塵埃が入らないような比較的小さ
いサイズで形成される。基板３０の裏面側がマザーボー
ド上に固着されて架橋構造４４の下側の空洞３６が、ヒ
ータ膜３４の温度上昇により膨張して自立膜にストレス
が加えられるのを防止するためである。したがって、そ
のサイズは例えば、５μｍ角程度で十分であり、上記し
たガス流内の塵埃の問題はない。

【００３０】そして、図４（４）の状態で、図１に示し
た通り、劈開面である＜０１１＞軸または＜０１−１＞
軸方向にしたがってチップの切り出しが行われ、フロー
センサチップが完成する。チップ状のフローセンサは、
図示しないマザーボード上に固着され、図４（５）に示
される通り、ボンディング電極４２、４３上に例えばア
ルミニウム線のボンディングワイヤが固着されて、図示
しないマザーボードと接続される。

【００３１】以上が、本発明の実施の形態例のプロセス
工程の一例である。さて、この様にして形成された図
１、図２に示されるフローセンサに対して、図中矢印７
０の方向に流れの方向が一致する様に設置した時の出力
特性と、従来例として示した図６の矢印方向２８に流れ
の方向が一致する様に設置した時の出力特性とを、図５
に示す。

【００３２】この例は、ヒータ線３４の両側に一定の電
流を供給し、流体の流速を変化させた時に検出されるヒ
ータ線３４の両側の電圧の変化率を示すグラフである。
具体的には、ヒータ線３４に無風状態でヒータ線の温度
が室温よりも１００Ｋだけ高くなる様に例えば１．７ｍ
Ａの一定電流を流す。無風状態でのヒータ線の端子電圧
値は約５．４Ｖ程度であり、そこに空気流を当てるとヒ
ータ線が強制対流熱伝導によって熱を奪われその温度が
低下する。その結果、ヒータ線の抵抗値が下がり両端子
間の電圧値も下がる。したがって、図５の縦軸にその電
圧の変化率（％）を示した。

【００３３】図中、黒丸が本発明の実施の形態例に示さ
れるヒータ線３４の上流にチップ角が存在しない場合で
あり、黒三角が従来例の通りヒータ線３４の上流にチッ
プ角が存在する場合である。

【００３４】このグラフに示される通り、ヒータ線３４
の上流にチップ角が存在しない本発明の例では、ガス流
速に応じて電圧の変化率は一定の割合で変化する。それ
に対して、ヒータ線３４の上流にチップ角が存在する従
来例では、その流れに乱れが生じることから、検出され
る電圧の変化率は一定の割合で変化しないで、若干高い
方に変動している。これは、チップ角に衝突した流れに
よって渦などが発生してその流れが乱れ、ヒータ線の熱
拡散が活発になる為と考えられる。

【００３５】尚、上記の実施の形態例で、基板表面を
（１００）面にすると説明したが、（１００）面は結晶
的には（０１０）面、（００１）面と同等である。ま
た、上記の（１００）面に対する＜０１１＞軸または＜
０１−１＞軸とは、（０１０）面に対する＜１０１＞軸
または＜１０−１＞軸と、あるいは（００１）面に対す
る＜１１０＞軸または＜１−１０＞軸と同等である。

【００３６】更に、図１において、破線で示される通
り、貫通孔３６の表面部分において、上記した自立膜押
さえパターン４５に加えて、貫通孔の他の２辺に対して
も同様の自立膜押さえパターン４５Ａ、４５Ｂを追加す
ることで、自立膜３１，３２，３３へのストレスをより
緩和することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、劈
開面となる＜０１１＞軸または＜０１−１＞軸方向をチ
ップの四辺と一致させてチップ切り出しを容易にすると
共に、（１１１）面方向でエッチングが進まない異方性
エッチングを利用して貫通孔の形成を容易にし、更にヒ
ータ線の方向をチップの辺に平行に形成してセンサの流
速検出特性を大きく向上させることができる。

【００３８】更に、基板の表面上に従来の如きアンダー
エッチング用の開口部を有していないので、従来のよう
な塵埃による信頼性低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態例を示す平面図である。

【図２】図１のＢＢの断面図である。

【図３】実施の形態例の製造プロセスの一例を示す図で
ある。

【図４】実施の形態例の製造プロセスの一例を示す図で
ある。

【図５】流速とセンサの電圧変化率との関係を示す図で
ある。

【図６】従来のフローセンサの構成を示す平面図であ
る。

【図７】図６中のＡ−Ａの断面図である。

【符号の説明】

３０シリコン単結晶基板３１，３２，３３自立膜３４ヒータ線３６貫通孔３７（１１１）面斜面３８，３９電極引き出し線

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者積知範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)発明者佐藤文彦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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（１００）面の表面及び裏面とを有するシ
リコン単結晶基板と、該基板の裏面側から前記表面に達する様に形成された貫
通孔と、該基板の表面上に形成され前記貫通孔を塞ぐ様に形成さ
れた自立膜と、該自立膜上に形成され、前記基板の一辺に平行な方向に
延びるヒータ線とを有することを特徴とするフローセン
サ。
【請求項２】請求項１において、前記基板の一辺が＜０１１＞軸あるいは＜０１ー１＞軸
に平行であることを特徴とするフローセンサ。
【請求項３】請求項１または２において、前記貫通孔は、（１１１）面の斜面を有することを特徴
とするフローセンサ。
【請求項４】請求項１または２において、前記ヒータ線の両端は、前記自立膜上に形成され前記貫
通孔の表面側に達する引き出し電極用の導体膜に接続さ
れ、更に、該貫通孔の表面側であって前記引き出し電極
用の導体膜とは該貫通孔の中心に対して反対側に自立膜
押さえパターンの導体膜が形成されてなることを特徴と
するフローセンサ。
【請求項５】請求項４において、更に、前記自立膜押さえパターンの導体膜が、更に該貫
通孔の周囲に形成されてなることを特徴とするフローセ
ンサ。
【請求項６】請求項１または２において、前記自立膜に表面から該貫通孔に達する圧力調整孔が形
成されていることを特徴とするフローセンサ。
【請求項７】結晶基板上にヒータ線を形成し、該ヒータ
線の下側の該結晶基板が少なくとも一部除去されたフロ
ーセンサの製造方法において、（１００）面の表面と裏面を有する結晶基板の該表面上
に、自立膜を形成する工程と、該自立膜上に前記結晶基板の＜０１１＞軸あるいは＜０
１ー１＞軸方向に平行に延びるヒータ線を形成する工程
と、前記結晶基板の裏面側に形成した所定形状の開口を介し
て異方性エッチングを施し（１１１）面の斜面を有し該
結晶基板の表面側に達する貫通孔を形成し、前記ヒータ
線の下側の結晶基板を除去する工程と、前記結晶基板を前記＜０１１＞軸あるいは＜０１ー１＞
軸方向に平行に切り出す工程とを有することを特徴とす
るフローセンサの製造方法。