(57)【要約】【課題】熱式センサの性能向上を図る。【解決手段】熱式湿度センサでは、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間（スペース）に、引張応力を有し、かつ、膜厚方向の厚さがヒータ１１の厚さよりも小さい絶縁膜３０と、圧縮応力を有する絶縁膜６の一部とが埋め込まれている。【選択図】図９
2020091191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、
前記支持基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された抵抗配線と、
を備える、熱式センサであって、
前記抵抗配線は、
第１方向に延在する第１部分と、
前記第１部分と並行する第２部分と、
を含み、
前記熱式センサは、前記第１部分と前記第２部分との間に形成され、かつ、引張応力を有し、かつ、膜厚方向の厚さが前記抵抗配線の厚さよりも小さい第１膜を有する、熱式センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記第１膜は、前記絶縁膜と接する、熱式センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記第１部分と前記第２部分との間に形成された前記第１膜の占有体積は、前記第１部分と前記第２部分との間の体積の１／３以上である、熱式センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記第１膜は、前記第１部分上および前記第２部分上にも形成されている、熱式センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記熱式センサは、前記抵抗配線と前記第１膜との間に中間膜を有する、熱式センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記熱式センサは、さらに、前記第１膜の上方に形成され、かつ、引張応力を有し、かつ、表面が平坦な第２膜を含む、熱式センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記熱式センサは、さらに、前記第１膜の下方に形成され、かつ、引張応力を有し、かつ、表面が平坦な第３膜を含む、熱式センサ。
【請求項８】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記熱式センサは、
平面視において、前記抵抗配線が形成された第１領域と、
平面視において、前記第１領域の外側の第２領域と、
を含み、
前記第１膜は、平面視において、前記第１領域内に形成されている、熱式センサ。
【請求項９】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記第１膜は、前記抵抗配線に撓みを発生させる要因となる応力を緩和する応力緩和膜である、熱式センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記第１膜は、窒化アルミニウム膜、または、窒化シリコン膜である、熱式センサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記第１方向と直交する第２方向における前記抵抗配線の幅は、前記第１部分と前記第２部分との間の距離よりも大きい、熱式センサ。
【請求項１２】
請求項１に記載の熱式センサにおいて、
前記熱式センサは、湿度センサである、熱式センサ。
【請求項１３】
（ａ）支持基板上に絶縁膜を形成する工程、
（ｂ）絶縁膜上に抵抗配線を形成する工程、
（ｃ）前記抵抗配線を覆う第１膜を形成する工程、
を備える、熱式センサの製造方法であって、
前記抵抗配線は、
第１方向に延在する第１部分と、
前記第１部分と並行する第２部分と、
を含み、
前記第１膜は、引張応力を有し、かつ、膜厚方向の厚さが前記抵抗配線の厚さよりも小さい、熱式センサの製造方法。
【請求項１４】
熱式センサが形成された第１半導体チップと、
前記熱式センサを制御する制御回路が形成された第２半導体チップと、
を有する、半導体装置であって、
前記第１半導体チップは、
支持基板と、
前記支持基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された抵抗配線と、
を備え、
前記抵抗配線は、
第１方向に延在する第１部分と、
前記第１部分と並行する第２部分と、
を含み、
前記第１半導体チップは、前記第１部分と前記第２部分との間に形成され、かつ、引張応力を有し、かつ、膜厚方向の厚さが前記抵抗配線の厚さよりも小さい第１膜を有する、半導体装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の半導体装置において、
前記半導体装置は、内燃機関に組み込み可能なセンサモジュールである、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱式センサおよびその製造技術並びに半導体装置に関し、例えば、湿度を測定する湿度センサおよびその製造方法並びに湿度センサを含む半導体装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１０−１３３８９７号公報（特許文献１）には、微細加工された発熱抵抗体の下方に位置する絶縁膜を圧縮応力膜と引張応力膜との積層膜から形成することにより、ダイヤフラムの応力不均衡を抑制して、気体流量の測定精度を向上できる流量センサに関する技術が記載されている。
【０００３】
特開２０１４−１６１７７号公報（特許文献２）には、加熱を必要とするセンサにおいて、熱応力によるクラックの発生を防止するために、絶縁膜よりも熱伝導率の高い熱応力緩和膜をヒータ部と接触させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１３３８９７号公報
【特許文献２】特開２０１４−１６１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、自動車などの内燃機関において、燃費向上のために電子制御された燃料噴射装置が設けられている。そして、この燃料噴射装置には、吸入空気量や吸入空気の圧力や湿度を検出する各種熱式センサが組み込まれている。このような熱式センサとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）技術により製造されたＭＥＭＳセンサがある。このＭＥＭＳセンサは、応答性に優れ、かつ、低電力での駆動が可能であり、さらにコスト低減を図ることができるという利点を有している。
【０００６】
このようなＭＥＭＳセンサからなる熱式センサでは、熱を利用して物理量を計測する。特に、熱式センサでは、抵抗配線を利用して加熱源となるヒータを構成したり、抵抗配線の抵抗変化を利用して物理量を測定するために抵抗配線が使用される。
【０００７】
ここで、例えば、抵抗配線は、絶縁膜で覆われるが、本発明者の検討によると、抵抗配線を覆う絶縁膜に種類によっては、抵抗配線を覆う絶縁膜と抵抗配線との線膨張率の相違から、抵抗配線から発生する熱に起因して塑性変形が生じることを新規に見出した。
【０００８】
そして、抵抗配線を覆う絶縁膜に塑性変形が生じると、絶縁膜で覆われている抵抗配線にたわみが生じて、抵抗配線の抵抗が経時的に変化する。たわみに伴う抵抗配線の抵抗変化は、熱式センサにおける物理量の測定精度の低下を招くことに繋がる。したがって、抵抗配線の経時的な抵抗変化を抑制することが望まれている。特に、抵抗配線のたわみによって、抵抗配線の経時的な抵抗変化が引き起こされることを考慮すると、抵抗配線のたわみを引き起こす原因となる絶縁膜の塑性変形を低減する工夫が望まれている。
【０００９】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施の形態における熱式センサは、第１方向に延在する第１部分とこの第１部分と並行する第２部分とを含む抵抗配線を有する。このとき、熱式センサは、第１部分と第２部分との間に形成され、かつ、引張応力を有し、かつ、膜厚方向の厚さが抵抗配線の厚さよりも小さい応力調整膜を有する。
【発明の効果】
【００１１】
一実施の形態によれば、熱式センサの性能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態における熱式湿度センサが組み込まれたセンサモジュールを示す模式図であり、実施の形態におけるセンサモジュールの表面カバーを透過して内部を示す模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図３】熱式湿度センサを構成する半導体チップのレイアウト構成を示す図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図５】関連技術の熱式湿度センサにおいて、ダイヤフラム上に形成されている上層部の一部を拡大して示す断面図である。
【図６】上層部に撓みが発生する状態を模式的に示す図である。
【図７】対策案を具現化した構造を示す断面図である。
【図８】対策案の改良を示す断面図である。
【図９】実施の形態における熱式湿度センサの部分構成を示す断面図である。
【図１０】実施の形態における熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図１１】図１０に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図１２】図１１に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図１３】図１２に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図１４】変形例１における熱式湿度センサの上層部を示す模式図である。
【図１５】ヒータによる加熱の前後における表面段差変化量を示すグラフである。
【図１６】熱式湿度センサ（半導体チップ）を５００℃に加熱した状態で、ヒータに電流を流して、所定の時間毎にヒータの抵抗値を測定した結果を示すグラフである。
【図１７】変形例１における熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図１８】図１７に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図１９】図１８に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図２０】図１９に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図２１】図２０に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図２２】図２１に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図２３】図２２に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図２４】図２３に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図２５】図２４に続く熱式湿度センサの製造工程を示す断面図である。
【図２６】変形例２における熱式湿度センサの構成を示す模式図である。
【図２７】変形例３における熱式湿度センサの構成を示す模式図である。
【図２８】変形例４における熱式湿度センサの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００１４】
＜センサモジュールの構成＞
本実施の形態におけるセンサモジュール（半導体装置）は、熱式センサが組み込まれたセンサモジュールである。熱式センサの適用箇所に制限はないが、この熱式センサは、例えば、各種センサとともにセンサモジュールに組み込むことができる。
【００１５】
本実施の形態では、センサモジュールに組み込まれる熱式センサとして、湿度センサを例に挙げて説明する。図１および図２は、本実施の形態における熱式湿度センサが組み込まれたセンサモジュールを示す模式図である。特に、図１は、本実施の形態におけるセンサモジュールの表面カバーを透過して内部を示す模式図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００１６】
図１において、本実施の形態におけるセンサモジュール１００は、気体が流れる吸気管１０１に装着されており、支持基板１０２を有する。この支持基板１０２は、例えば、配線が印刷されたプリント基板から構成され、支持基板１０２上には、様々な種類の部品が搭載されている。具体的に、支持基板１０２上には、例えば、吸気管１０１を流れる気体の流量を測定する流量センサが形成された半導体チップ１０３と、気体の湿度を測定する熱式湿度センサが形成された半導体チップ１０４と、流量センサおよび熱式湿度センサを制御回路が形成された半導体チップ１０５とが搭載されている。このように構成されている支持基板１０２は、コネクタ１０６と接続されている。
【００１７】
センサモジュール１００のボディ１０７は、表面カバーや内壁を有し、表面カバーや内壁によって、ボディの内部空間は、流量センサが形成された半導体チップ１０３と制御回路が形成された半導体チップ１０５とが配置された制御空間１０７Ａと、熱式湿度センサが形成された半導体チップ１０４が配置された検出空間１０７Ｂとに区画されている。
【００１８】
また、センサモジュール１００のボディ１０７には、副流路１０８が設けられており、流量センサが形成されている半導体チップ１０３の一部は、副流路１０８と接している。
【００１９】
さらに、センサモジュール１００のボディ１０７によって区画された検出空間１０７Ｂは、気体入れ替え口１０９と連通している。この気体入れ替え口１０９は、気体の流れの影響を受けないように気体が流れる下流側に設けられている。そして、気体入れ替え口１０９の開口面積は、副流路１０８と比べて小さく、クランク形状から構成されている。特に、検出空間１０７Ｂの内部に配置されている熱式湿度センサ（半導体チップ１０４）に急激な流れの気体が接すると、熱式湿度センサの温度分布に悪影響を及ぼして、熱式湿度センサの検出精度が低下する。このことから、上述した気体入れ替え口１０９を介して、検出空間１０７Ｂを吸気管１０１の内部と連通させる構成が採用されている。
【００２０】
次に、図２に示すように、センサモジュール１００のボディ１０７によって、制御回路が形成された半導体チップ１０５が配置されている制御空間１０７Ａと、熱式湿度センサが形成された半導体チップ１０４が配置されている検出空間１０７Ｂとが分離されている。そして、検出空間１０７Ｂは、気体入れ替え口１０９と連通している。
【００２１】
図２において、例えば、熱式湿度センサが形成された半導体チップ１０４は、ワイヤ１１０Ａを介して、支持基板１０２の表面に形成されている配線と電気的に接続されている。同様に、例えば、制御回路が形成された半導体チップ１０５は、ワイヤ１１０Ｂを介して、支持基板１０２の表面に形成されている配線と電気的に接続されている。このとき、ワイヤ１１０Ａやワイヤ１１０Ｂは、腐食から保護するため、保護材１１１で覆われるように構成されていてもよい。図２では、一例として、ワイヤ１１０Ａが保護材１１１で覆われている構成が図示されている。
【００２２】
以上のようにして、本実施の形態におけるセンサモジュール１００が構成されている。なお、本実施の形態におけるセンサモジュール１００は、上述した構成に限らず、例えば、圧力センサが配置された他の検出空間を備えるように構成することもできる。すなわち、本実施の形態におけるセンサモジュール１００では、流量センサと熱式湿度センサとを組み合わせたセンサモジュールについて説明しているが、これに限らず、例えば、圧力センサや他のガスセンサと熱式湿度センサとを組み合わせたセンサモジュールや、熱式湿度センサ単体のセンサモジュールとすることもできる。
【００２３】
＜センサモジュールの動作＞
本実施の形態におけるセンサモジュール１００は、上記のように構成されており、以下に、その動作について簡単に説明する。
【００２４】
まず、図１において、吸気管１０１の内部に取り込まれた気体（例えば、空気）は、副流路１０８を通る。このとき、副流路１０８と接するように設けられた流量センサ（半導体チップ１０３）により、気体の流量が測定され、気体の流量に対応づけられた電気信号が流量センサ（半導体チップ１０３）から出力される。また、気体は、気体入れ替え口１０９から検出空間１０７Ｂに流入する。この結果、検出空間１０７Ｂの内部に設けられている熱式湿度センサ（半導体チップ１０４）によって、気体の湿度が測定され、気体の湿度に対応づけられた電気信号が湿度センサ（半導体チップ１０４）から出力される。
【００２５】
流量センサ（半導体チップ１０５）から出力された電気信号と、熱式湿度センサ（半導体チップ１０４）から出力された電気信号は、制御回路が形成された半導体チップ１０５に入力される。そして、制御回路によって、気体の流量に対応づけられた電気信号に基づいて気体の流量が算出されて、気体の流量を示す流量データが、制御回路が形成された半導体チップ１０５からコネクタ１０６を介して、外部機器に出力される。同様に、制御回路によって、気体の湿度に対応づけられた電気信号に基づいて気体の湿度が算出されて、気体の湿度を示す湿度データが、制御回路が形成された半導体チップ１０５からコネクタ１０６を介して、外部機器に出力される。以上のようにして、本実施の形態におけるセンサモジュール１００を動作させることができる。
【００２６】
例えば、このように構成されているセンサモジュール１００を自動車などの内燃機関に組み込んで、吸入空気量、吸入空気の圧力や湿度を検出して、最適な量の燃料を内燃機関に噴霧することにより、内燃機関の燃費を向上することができる。
【００２７】
＜熱式湿度センサの構成＞
次に、センサモジュール１００に組み込まれている熱式湿度センサについて説明する。
【００２８】
図３は、熱式湿度センサを構成する半導体チップ１０４のレイアウト構成を示す模式図である。図３において、半導体チップ１０４の平面形状は、矩形形状をしている。この半導体チップ１０４の裏面には、例えば、四角形状からなるダイヤフラム１０が形成されている。図３では、破線によってダイヤフラム１０が図示されている。
【００２９】
具体的に、このダイヤフラム１０の平面形状は、例えば、一辺が６００μｍの四角形形状から構成されている。ダイヤフラム１０は、その他の半導体チップの部分よりも厚さの薄い薄肉部として定義される。
【００３０】
続いて、図３に示すように、半導体チップ１０４の表面には、平面視において、ダイヤフラム１０に内包されるように、ヒータ形成領域が設けられており、このヒータ形成領域にヒータ１１が形成されている。例えば、ヒータ形成領域は、９０μｍ角の四角形状をしている。このようなヒータ形成領域に形成されているヒータ１１は、例えば、折り返し形状を有する抵抗配線から構成されている。具体的に、ヒータ１１は、ｙ方向に延在する第１部分１１ａと、第１部分１１ａと並行してｙ方向に延在する第２部分１１ｂと、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとを接続する接続部分１１ｃとを有する。
【００３１】
そして、ヒータ１１の一端は、引き出し配線であるリード配線１２ａと接続されている一方、ヒータ１１の他端は、引き出し配線であるリード配線１２ｂと接続されている。そして、リード配線１２ａは、プラグ１４ａを介して、外部接続端子として機能する電極１３ａと電気的に接続されている。同様に、リード配線１２ｂは、プラグ１４ｂを介して、外部接続端子として機能する電極１３ｂと電気的に接続されている。
【００３２】
このように構成されている半導体チップ１０４では、電極１３ａと電極１３ｂとの間に電流を流すことにより、電極１３ａと電極１３ｂとを接続するヒータ１１に電流を流すことができる。この結果、ヒータ１１を構成する抵抗配線からジュール熱を発生させることができる。このとき、図３に示すように、平面視において、ヒータ１１は、厚さの薄い薄肉部であるダイヤフラム１０に内包されるように設けられているため、ヒータ１１の加熱特性を向上することができる。すなわち、ダイヤフラム１０は、ヒータ１１の加熱特性を向上するために形成されているということができる。
【００３３】
次に、図４は、図３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【００３４】
図４において、熱式湿度センサを構成する半導体チップ１０４は、大まかにいうと、下層部２０ａと上層部２０ｂの２つの部位を有する。
【００３５】
図４に示すように、下層部２０ａは、開口部１ａが形成された支持体である半導体基板１と、半導体基板１に開口部１ａを形成する際にマスクとして使用された絶縁膜２から構成されている。半導体基板１は、例えば、単結晶シリコンから構成されており、半導体基板１の裏面に形成されている絶縁膜２は、例えば、酸化シリコン膜から形成されている。
【００３６】
続いて、図４に示すように、下層部２０ａ上には、上層部２０ｂが設けられており、この上層部２０ｂは、複数の膜（積層膜）から構成されている。
【００３７】
具体的に、まず、上層部２０ｂは、開口部１ａが形成された半導体基板１上に形成された絶縁膜３を有する。この絶縁膜３は、酸化シリコン膜から形成されている。そして、上層部２０ｂは、絶縁膜３上に形成された絶縁膜４と、絶縁膜４上に形成された絶縁膜５とを有する。このとき、絶縁膜４は、窒化シリコン膜から形成されている一方、絶縁膜５は、酸化シリコン膜から形成されている。
【００３８】
次に、図４に示すように、上層部２０ｂは、絶縁膜５上に形成された抵抗配線（ヒータ用配線）からなるヒータ１１を有する。このヒータ１１は、湿度センサの発熱抵抗体として機能する。ヒータ１１は、電流を流すことができるように導電性材料から構成されている。特に、ヒータ１１は、電流が流れることにより発生するジュール熱が大きい導電性材料を使用することが望ましく、さらに、耐熱性も考慮して、例えば、高融点金属材料から構成することが望ましい。高融点金属材料としては、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）を挙げることができる。
【００３９】
続いて、上層部２０ｂは、ヒータ１１を覆うように絶縁膜５上に形成された絶縁膜６と、絶縁膜６上に形成された絶縁膜７と、絶縁膜７上に形成された絶縁膜８とを有する。このとき、絶縁膜６は、酸化シリコン膜から形成されている一方、絶縁膜７は、窒化シリコン膜から形成されている。また、絶縁膜８は、酸化シリコン膜から形成されている。
【００４０】
ここで、図４に示すように、半導体基板１に形成された開口部１ａ上には、上層部２０ｂを構成する積層膜（絶縁膜３〜８およびヒータ１１）だけが形成されている。このことから、半導体基板１に形成された開口部１ａ上の厚さ（上層部２０ｂだけの厚さ）は、開口部１ａ以外の部位の厚さ（下層部２０ａ＋上層部２０ｂの厚さ）よりも薄くなる。この結果、半導体チップ１０４には、半導体基板１に開口部１ａを形成することによって、薄肉部となるダイヤフラム１０が形成されることになる。
【００４１】
＜熱式湿度センサの動作＞
以上のようにして、熱式湿度センサを構成する半導体チップ１０４が構成されており、以下では、熱式湿度センサの動作について、図面を参照しながら説明することにする。
【００４２】
まず、制御回路が形成された図１に示す半導体チップ１０５は、熱式湿度センサが形成された半導体チップ１０４と電気的に接続されている。そして、半導体チップ１０５に形成されている制御回路は、ＣＰＵ（中央演算処理部）とメモリとを有しており、ＣＰＵの制御によって、図３に示す半導体チップ１０４（熱式湿度センサ）に形成されている電極１３ａと電極１３ｂとの間に電圧（電位差）が印加される。例えば、電極１３ａに接地電位（０Ｖ）が印加される一方、電極１３ｂに電源電位（例えば、５Ｖ）が印加される。この結果、電極１３ａと電極１３ｂとに接続されている抵抗配線からなるヒータ１１に電流が流れる。これにより、ヒータ１１では、ジュール熱が発生して、ヒータ１１は、発熱することになる。このとき、例えば、ヒータ１１に流れる電流が一定となるように、ＣＰＵは、定電流制御を行なうことによって、例えば、ヒータ１１が形成されているヒータ形成領域の温度を５００℃程度に維持する。
【００４３】
ここで、図４に示すように、ヒータ１１が発熱すると、ヒータ１１の上方および下方に存在する気体が加熱されて、気体に含まれる水分が蒸発（気化）する。このとき、ヒータ１１から発生した熱の一部が、気体に含まれる水分の蒸発に必要とされる気化熱に消費される。すなわち、ヒータ１１に供給された電力の一部が、気化熱に消費されるが、この気化熱のために消費される電力は、気体に含まれる水分量によって変化する。例えば、気体に含まれる水分が多くなると、水分の蒸発に必要とされる電力は大きくなる。一方、気体に含まれる水分が少なくなると、水分の蒸発に必要とされる電力は小さくなる。このことは、気体の湿度に応じて、水分の蒸発に必要とされる電力が変化することを意味する。そして、ここでは、ＣＰＵによって、ヒータ１１を流れる電流を一定にする定電流制御が行なわれていることから、水分の蒸発に消費される電力の変化は、電極１３ａと電極１３ｂとの間の電位差の変化として現れる。したがって、電極１３ａと電極１３ｂとの間の電位差の変化を検出することによって、気体の湿度を測定することができる。
【００４４】
具体的に、半導体チップ１０４における電極１３ａと電極１３ｂとの間の電位差の変化は、半導体チップ１０５に含まれるＣＰＵによって監視されている。そして、ＣＰＵは、電極１３ａと電極１３ｂとの間の電位差に対応した電気信号を熱式湿度センサから入力すると、例えば、予め電気信号の電圧値と気体の湿度（湿度データ）とを対応付けたテーブルを記憶しているメモリにアクセスして、熱式湿度センサから入力した電気信号の電圧値に対応した気体の湿度（湿度データ）を取得する。その後、ＣＰＵは、取得した気体の湿度（湿度データ）を外部に出力する。このようにして、気体の湿度を測定できる。
【００４５】
このようにヒータ１１を使用して絶対湿度を測定する熱式湿度センサは、例えば、感湿膜を使用して、感湿膜の抵抗値や容量値の変化から相対湿度を測定する湿度センサに比べて、湿度の検出感度が高いという利点を有している。なぜなら、例えば、感湿膜は、水分を吸着することにより抵抗値や容量値が変化するが、水分を吸着する量に限界があり、湿度が高い環境においては、感湿膜に吸着する水分の量が飽和して、湿度に対応した抵抗値や容量値の変化が起こらなくなってしまうからである。これに対し、熱式湿度センサでは、水分の蒸発に必要な熱量の大小によってヒータ１１の両端の電位差が変化すること利用して気体の湿度を測定しているため、たとえ、湿度が高い状態でも検出精度を確保することができる。つまり、熱式湿度センサは、感湿膜による水分の吸着を利用する湿度センサではないため、感湿膜による水分吸着の飽和に起因する湿度の検出感度の低下を招くことがない。このことから、熱式湿度センサは、感湿膜を使用する湿度センサに比べて、気体の湿度の検出精度が高いという利点を有しているのである。したがって、特に、熱式湿度センサは、高温高湿環境の湿度検出に優れているということができる。
【００４６】
例えば、熱式湿度センサでは、ヒータ１１の温度を５００℃以上にすると、湿度の検出感度が良好であり、空気だけでなく、一酸化炭素（ＣＯ）や他のガスにおいて適切な検出感度を得ることができる。さらには、熱式湿度センサでは、６００℃以上でも精度良く、かつ、多様なガスに対応する湿度センサを実現することができる。
【００４７】
ところが、本発明者が検討したところ、熱式湿度センサには、熱を利用することに起因して、改善の余地が存在することが明らかになった。そこで、以下では、熱式湿度センサに存在する改善の余地について、関連技術を使用しながら説明する。
【００４８】
＜改善の検討＞
本明細書でいう「関連技術」は、新規に発明者が見出した課題を有する技術であって、公知である従来技術ではないが、新規な技術的思想の前提技術（未公知技術）を意図して記載された技術である。
【００４９】
図５は、関連技術の熱式湿度センサにおいて、ダイヤフラム（図５では図示されず）上に形成されている上層部２０ｂの一部を拡大して示す断面図である。
【００５０】
図５に示すように、関連技術における湿度センサは、絶縁膜３と、絶縁膜３上に形成された絶縁膜４と、絶縁膜４上に形成された絶縁膜５とを有する。そして、関連技術における湿度センサは、絶縁膜５上に、ヒータ１１を有する。このヒータ１１は、少なくとも、互いに隣接する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとを含んでいる。そして、関連技術における熱式湿度センサは、さらに、ヒータ１１を覆うように形成された絶縁膜６と、絶縁膜６上に形成された絶縁膜７と、絶縁膜７上に形成された絶縁膜８とを有する。
【００５１】
このとき、図５に示すように、関連技術における熱式湿度センサでは、例えば、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に絶縁膜６が埋め込まれている。ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれている絶縁膜６は、例えば、酸化シリコン膜から構成される。
【００５２】
ここで、関連技術における熱式湿度センサを動作させると、ヒータ１１に電流が流れる。この結果、ヒータ１１においてジュール熱が発生して、ヒータ１１の温度は高くなる。このとき、熱式湿度センサでは、ヒータ１１の設定温度を高くするほど、湿度センサによる湿度の検出感度が高くなる。なぜなら、ヒータ１１の温度を高くするということは、ヒータ１１の両端に印加する電位差が大きくなることを意味し、気体に含まれる水分の蒸発（気化）に消費される熱量に対応する電圧変化（ΔＶ）が大きくなるからである。例えば、ヒータ１１の両端に印加する電位差が「２Ｖ」である場合に、気体に含まれる水分の蒸発に消費される熱量に対応する電圧変化（ΔＶ）が０．２Ｖであるとすると、ヒータ１１の両端に印加する電位差が「３Ｖ」である場合には、気体に含まれる水分の蒸発に消費される熱量に対応する電圧変化（ΔＶ）が０．３Ｖとなる（０．２Ｖ／２Ｖ＝０．３Ｖ／３Ｖ）。つまり、ヒータ１１の両端に印加する電位差が「２Ｖ」の場合、検出すべき電圧信号の絶対値は、０．２Ｖとなる一方、ヒータ１１の両端に印加する電位差が「３Ｖ」の場合、検出すべき電圧信号の絶対値は、０．３Ｖとなる。そして、例えば、検出系の背景ノイズが「０．０１Ｖ」であるとすると、ヒータ１１の両端に印加する電位差が「２Ｖ」の場合のＳ／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）は、「０．２Ｖ／０．０１Ｖ＝２０」となる。これに対し、ヒータ１１の両端に印加する電位差が「３Ｖ」の場合のＳ／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）は、「０．３Ｖ／０．０１Ｖ＝３０」となる。したがって、ヒータ１１の両端に印加する電位差が大きくなると、Ｓ／Ｎ比が大きくなることになり、このことは、ヒータ１１の両端に印加する電位差が大きくなると検出感度が向上することを意味する。以上のことから、熱式湿度センサでは、ヒータ１１の設定温度を高くするほど、湿度センサによる湿度の検出感度が高くなるのである。
【００５３】
したがって、例えば、関連技術における熱式湿度センサにおいては、その他の流量センサに代表される熱式センサに比べて、ヒータ１１の設定温度が高めとなっている。具体的に、熱式湿度センサにおいて、ヒータ１１の温度は、３００℃〜６００℃程度に設定されている。この場合、関連技術における熱式湿度センサでは、改善の余地が顕在化する。
【００５４】
具体的に、図５に示すように、関連技術における熱式湿度センサでは、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に酸化シリコン膜からなる絶縁膜６が埋め込まれている。このとき、ヒータ１１は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）に代表される高融点金属材料から構成されており、例えば、モリブデン（Ｍｏ）の線膨張係数は、約５．１×１０−６／Ｋである。一方、絶縁膜６を構成する酸化シリコンの線膨張係数は、約０．７×１０−６／Ｋである。したがって、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａや第２部分１１ｂの線膨張率と、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれた絶縁膜６との線膨張率は、相違することになる。そして、ヒータ１１を構成するモリブデン（Ｍｏ）の線膨張係数が約５．１×１０−６／Ｋである一方、絶縁膜６を構成する酸化シリコンの線膨張係数が約０．７×１０−６／Ｋであることを考慮すると、ヒータ１１を加熱した場合、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂには、引張応力となる熱応力が加わる。一方、第１部分１１ａと第２部分１１ｂに埋め込まれた絶縁膜６（酸化シリコン膜）には、圧縮応力となる熱応力が加わる。
【００５５】
ここで、関連技術における熱式湿度センサでは、ヒータ１１の温度が３００℃〜６００℃程度の高温となることから、ヒータ１１を覆う絶縁膜６（特に、第１部分１１ａと第２部分１１ｂに埋め込まれた絶縁膜６）も高温となる。そして、絶縁膜６は、酸化シリコン膜から構成されており、この酸化シリコン膜は、３００℃〜６００℃程度の高温が加わると軟化する性質を有している（ガラス転移）。したがって、ヒータ１１を加熱すると、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれた絶縁膜６には、圧縮応力となる熱応力が加わるとともに軟化する。この結果、例えば、図６に示すように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれた絶縁膜６は、塑性変形することになる。特に、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれた絶縁膜６の塑性変形は、経時的に進む。これにより、図６に示すように、絶縁膜３〜８の積層膜から構成される上層部２０ｂに撓みが発生する。このことは、上層部２０ｂに埋め込まれているヒータ１１にも撓みが生じることを意味する。そして、ヒータ１１に撓みが発生するということは、ヒータ１１の抵抗値が変化することを意味する。特に、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれた絶縁膜６に経時的な塑性変形が生じることは、ヒータ１１に生じる撓みも経時変化することを意味し、これによって、ヒータ１１の抵抗値は経時変化することになる。
【００５６】
このとき、関連技術における熱式湿度センサでは、ヒータ１１に流れる電流を一定にする定電流制御が行なわれており、気体の湿度によってヒータ１１の両端の間の電位差が変動することを利用して、気体の湿度を測定している。ところが、定電流制御において、ヒータ１１の抵抗値が経時的に変化するということは、たとえ、気体の湿度が同じであっても、ヒータ１１の両端間の電位差が変動することを意味する。このことは、関連技術における熱式湿度センサでは、気体の湿度を検出する精度が低下することを意味する。つまり、ヒータ１１の抵抗値が経時的に変化するということは、長期間にわたる気体の湿度の検出精度を維持することが困難となることを意味する。言い換えれば、ヒータ１１の抵抗値が経時的に変化するということは、関連技術における熱式湿度センサの長期信頼性を確保できなくなることを意味するのである。このように、ヒータ１１の温度が高温となる関連技術における熱式湿度センサでは、ヒータ１１の第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に挟まれた絶縁膜６に塑性変形が生じることに起因して、ヒータ１１の抵抗値が経時変化する。この結果、関連技術における熱式湿度センサでは、長期間にわたる気体の湿度の検出精度を確保することが困難となるという改善の余地が顕在化するのである。
【００５７】
＜対策案＞
上述したメカニズムによると、熱式湿度センサにおいて長期間にわたる気体の湿度の検出精度を確保するためには、ヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制することが重要であることがわかる。そして、ヒータ１１の抵抗値の経時変化を引き起こす原因は、ヒータ１１の第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に挟まれた絶縁膜６に塑性変形が生じることにある。この塑性変形は、ヒータの温度が高温になると軟化する性質と、ヒータ１１を構成する高融点金属材料との線膨張率の相違から圧縮応力となる熱応力が加わる性質とによって引き起こされる。したがって、熱式湿度センサにおいて長期間にわたる気体の湿度の検出精度を確保するためには、ヒータ１１の第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれる絶縁膜６として、ヒータ１１の温度が３００℃〜６００℃程度の高温となる場合でも塑性変形を生じにくい絶縁膜を使用すればよいと考えられる。すなわち、対策案としては、ヒータ１１の第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれる絶縁膜６として、ヒータの温度が高温になっても軟化しにくい性質と、圧縮応力ではなく、ヒータ１１を構成する高融点金属材料との線膨張率の相違から引張応力となる熱応力が加わる性質とを有する絶縁膜を使用することが考えられる。
【００５８】
図７は、上述した対策案を具現化した構造を示す断面図である。図７において、対策案では、ヒータ１１を覆うように絶縁膜３０が形成されている。これにより、例えば、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間には、絶縁膜６ではなくて、絶縁膜３０が埋め込まれることになる。ここで、絶縁膜６は、酸化シリコン膜であり、ヒータ１１の温度が３００℃〜６００℃程度の高温となると、軟化する性質と圧縮応力となる熱応力が加わる膜である。したがって、図５に示す関連技術のように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に酸化シリコン膜からなる絶縁膜６が埋め込まれる場合、ヒータ１１の温度が３００℃〜６００℃程度の高温となると塑性変形が生じる（図６参照）。これに対し、図７に示す対策案において、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれている絶縁膜３０は、例えば、窒化シリコン膜から構成されている。この窒化シリコン膜は、ヒータ１１の温度が３００℃〜６００℃程度の高温となっても軟化しにくく、かつ、ヒータ１１を構成する高融点金属材料との線膨張率の相違から引張応力となる熱応力が加わる膜である。このため、図７に示す対策案では、たとえ、ヒータ１１の温度が３００℃〜６００℃程度の高温となる場合であっても、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれた絶縁膜３０に塑性変形が生じない。この結果、対策案では、塑性変形に起因するヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制することができると考えることができる。
【００５９】
ところが、上述した対策案では、絶縁膜３０の塑性変形を抑制することはできても、別の要因によって、ヒータ１１の抵抗値の経時変化が大きくなる。すなわち、図７に示すように、対策案では、ヒータ１１の全体を覆うように一体的な絶縁膜３０が形成されている。言い換えれば、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間を埋め込むように絶縁膜３０が形成されているだけでなく、第１部分１１ａや第２部分１１ｂの上部も覆うように絶縁膜３０が形成されている。この場合、ヒータ１１の温度が高温となると、図７に示すように、一体的な絶縁膜３０には、大きな引張応力が加わることになる。そして、この絶縁膜３０に加わる大きな引張応力によって、ヒータ１１が形成されているヒータ形成領域全体にわたって反りが発生し、これによって、ヒータ１１に歪みが発生する。この結果、歪みの影響によって、ヒータ１１の抵抗値が変動することになる。このため、対策案では、ヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制する観点から不充分である。
【００６０】
この点に関し、対策案の改良として、例えば、図８に示すように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間にだけ絶縁膜３０を形成することが考えられる。すなわち、図７に示すように、ヒータ１１全体を覆うように一体的な絶縁膜３０を形成するのではなく、図８に示すように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間にだけ絶縁膜３０を形成する。これにより、ヒータ１１の隙間に埋め込まれた絶縁膜３０が分断されるため、絶縁膜３０による引張応力の大きさを小さくすることができる。これにより、図８に示す対策案の改良では、ヒータ１１が形成されているヒータ形成領域全体にわたる反りの発生を抑制することができる。ただし、図８に示す対策案の改良においても、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間全体に絶縁膜３０が埋め込まれているため、絶縁膜３０に起因する引張応力によって、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａや第２部分１１ｂに歪みが発生する。ヒータ１１を構成する第１部分１１ａや第２部分１１ｂに歪みが発生するということは、歪みの影響によって、ヒータ１１の抵抗値が変動することを意味する。したがって、図８に示す対策案の改良においても、ヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制する観点から不充分であることがわかる。このように、絶縁膜３０として、ヒータの温度が高温になっても軟化しにくい性質と、圧縮応力ではなく、ヒータ１１を構成する高融点金属材料との線膨張率の相違から引張応力となる熱応力が加わる性質とを有する絶縁膜を使用する対策案は、ヒータ１１の抵抗値の変動を抑制して、長期間にわたる気体の湿度の検出精度を確保する観点から不充分な対策であるということができる。
【００６１】
そこで、本実施の形態では、ヒータ１１の抵抗値の変動を抑制して、長期間にわたる気体の湿度の検出精度を確保する熱式湿度センサを提供するための工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について説明する。
【００６２】
＜実施の形態における熱式湿度センサの構成＞
図９は、本実施の形態における熱式湿度センサの部分構成を示す断面図である。
【００６３】
図９では、本実施の形態の熱式湿度センサにおいて、図４に示すダイヤフラム１０上の上層部２０ｂに対応する構成が図示されている。図９に示すように、本実施の形態における熱式湿度センサは、ダイヤフラム（図９では図示されず）上に形成された絶縁膜３と、絶縁膜３上に形成された絶縁膜４と、絶縁膜４上に形成された絶縁膜５とを有する。そして、本実施の形態における熱式湿度センサは、絶縁膜５上に形成されたヒータ１１を有する。このヒータ１１は、折り返された抵抗配線から構成されており（図３参照）、少なくとも、互いに離間して並んで配置された第１部分１１ａと第２部分１１ｂとを有する。この第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間には、隙間（スペース）が設けられており、この隙間には、絶縁膜３０（半絶縁性膜およびワイドギャップ半導体膜も含む概念で使用される）と絶縁膜６とが埋め込まれている。この絶縁膜６は、ヒータ１１を覆うように、ヒータ１１の上方にも形成されている。なお、絶縁膜３０は、ヒータ１１に撓みを発生させる要因となる応力を緩和する応力緩和膜である。
【００６４】
さらに、本実施の形態における熱式湿度センサは、絶縁膜６上に形成された絶縁膜７と、絶縁膜７上に形成された絶縁膜８とを有する。ここで、絶縁膜３は、酸化シリコン膜から構成されており、絶縁膜４は、窒化シリコン膜から形成されている。また、絶縁膜５は、酸化シリコン膜から形成されている。さらに、絶縁膜６も酸化シリコン膜から構成されている一方、絶縁膜７は、窒化シリコン膜から構成されている。また、絶縁膜８は、酸化シリコン膜から構成されている。一方、絶縁膜３０は、窒化アルミニウム膜や窒化シリコン膜から構成されている。
【００６５】
ここで、酸化シリコン膜は、圧縮応力を有する膜であり、窒化シリコン膜よりも軟らかい膜である。一方、窒化アルミニウム膜は、引張応力を有する膜であり、酸化シリコン膜よりも硬い膜である。ここでいう「圧縮応力」および「引張応力」は、シリコンと接する場合を基準として規定されている。すなわち、酸化シリコン膜をシリコン（基板）と接触させた場合、酸化シリコン膜の線膨張率とシリコンの線膨張率の相違から酸化シリコン膜には、圧縮応力が加わる。一方、窒化アルミニウム膜をシリコン（基板）と接触させた場合、窒化アルミニウム膜の線膨張率とシリコンの線膨張率の相違から窒化アルミニウム膜には、引張応力が加わる。同様に、窒化シリコン膜をシリコン（基板）と接触させた場合、窒化シリコン膜の線膨張率とシリコンの線膨張率の相違から窒化シリコン膜には、引張応力が加わる。さらに言えば、酸化シリコン膜と窒化アルミニウム膜とを接触させた場合、酸化シリコン膜には、圧縮応力が加わる一方、窒化アルミニウム膜には、引張応力が加わる。同様に、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを接触させた場合、酸化シリコン膜には、圧縮応力が加わる一方、窒化シリコン膜には、引張応力が加わる。
【００６６】
図９において、図９では図示しないダイヤフラム上に絶縁膜３と絶縁膜４と絶縁膜５とからなる積層膜を形成しているが、これは以下の理由による。すなわち、ダイヤフラム上に、例えば、酸化シリコン膜だけを形成する場合、酸化シリコン膜は、圧縮応力膜として機能することから、酸化シリコン膜の下方に形成されるダイヤフラムに大きな熱応力が加わることになり、これによって、ダイヤフラムは破損するおそれがある。そこで、図９に示すように、ダイヤフラム上に酸化シリコン膜（絶縁膜３）と窒化シリコン膜（絶縁膜４）と酸化シリコン膜（絶縁膜５）からなる積層膜を形成している。この場合、酸化シリコン膜は、圧縮応力膜として機能する一方、窒化シリコン膜は、引張応力膜として機能する。このことから、積層膜全体としての熱応力は、圧縮応力と引張応力との打ち消し合いによって小さくなる。このことは、ダイヤフラムに加わる熱応力が小さくなることを意味する。この結果、ダイヤフラムの破損を抑制することができる。つまり、ダイヤフラム上に絶縁膜３と絶縁膜４と絶縁膜５からなる積層膜を形成する技術的意義は、熱応力に起因するダイヤフラムの破損を抑制することにある。これにより、熱式湿度センサの信頼性向上を図ることができる。
【００６７】
次に、図９において、ヒータ１１上に絶縁膜６と絶縁膜７と絶縁膜８からなる積層膜を形成している理由について説明する。例えば、絶縁膜６は、酸化シリコン膜から形成され、かつ、絶縁膜７は、窒化シリコン膜から形成され、かつ、絶縁膜７は、酸化シリコン膜から形成されている。ここで、酸化シリコン膜は、窒化シリコン膜よりも軟らかい性質を有し、かつ、クラックが入りにくい性質を有している。一方、窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜よりも硬い性質を有するが、硬いがゆえにクラックが入りやすいという性質を有している。したがって、ヒータ１１を覆う絶縁膜として酸化シリコン膜単体を使用する場合には、クラック耐性には優れているが、軟らかいため、強度が弱くなる。一方、ヒータ１１を覆う絶縁膜として窒化シリコン膜単体を使用する場合、硬いため、強度を確保できるが、クラック耐性が劣化することになる。そこで、ヒータ１１を覆う絶縁膜として、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜を使用することにより、クラック耐性に優れているという酸化シリコン膜の利点と、外部衝撃からの強度を確保できるという窒化シリコン膜の利点とを得ることができる。つまり、ヒータ１１を覆う絶縁膜として、絶縁膜６と絶縁膜７と絶縁膜８からなる積層膜を使用する技術的意義は、クラック耐性の向上と強度の確保とを両立させることにある。これにより、熱式湿度センサの信頼性を向上できる。
【００６８】
さらに言えば、窒化シリコン膜は、緻密な膜であり、水分の浸入を防止するバリア膜として機能する。このことから、図９に示すように、ヒータ１１を挟むように、上下に窒化シリコン膜（絶縁膜４と絶縁膜７）を設けることにより、ヒータ１１に達する水分の浸入を抑制することができ、これによって、金属材料から構成されるヒータ１１の水分による腐食の発生を抑制することができる。この観点からも、熱式湿度センサの信頼性を向上することができる。
【００６９】
続いて、図９に示すように、本実施の形態における熱式湿度センサでは、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間(スペース)に、引張応力を有し、かつ、膜厚方向の厚さがヒータ１１の厚さよりも小さな絶縁膜３０が形成されている。言い換えれば、本実施の形態における熱式湿度センサでは、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間(スペース)に、線膨張係数が１．０×１０−６／Ｋ以上９．０×１０−６／Ｋ以下であり、かつ、膜厚方向の厚さがヒータ１１の厚さよりも小さな絶縁膜３０が形成されているということもできる。そして、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間(スペース)には、上述した絶縁膜３０の他に、圧縮応力を有する絶縁膜６も埋め込まれている。
【００７０】
このとき、絶縁膜３０は、絶縁膜５上に形成されており、絶縁膜３０は、絶縁膜５と接している。そして、例えば、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間(スペース)に形成されている絶縁膜３０の占有体積は、この隙間（スペース）の体積の１／３以上である。また、例えば、図９に示すように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａの幅（ｘ方向）Ｌは、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間（スペース）の幅（ｘ方向）Ｓよりも大きくなっている。
【００７１】
次に、例えば、図３に示すように、熱式湿度センサ（半導体チップ１０４）は、平面視において、ヒータ１１が形成されているヒータ形成領域と、ヒータ形成領域の外側の外側領域とを有している。このとき、図９に示すように、絶縁膜３０は、ヒータ形成領域内に形成されている。
【００７２】
以上のようにして、本実施の形態における熱式湿度センサが構成されている。
【００７３】
＜実施の形態における特徴＞
続いて、本実施の形態における熱式湿度センサの特徴点について説明する。
【００７４】
本実施の形態における第１特徴点は、例えば、図９に示すように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間（スペース）に、引張応力を有し、かつ、膜厚方向の厚さがヒータ１１の厚さよりも小さい絶縁膜３０と、圧縮応力を有する絶縁膜６の一部とが埋め込まれている点にある。これにより、本実施の形態における熱式湿度センサによれば、ヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制することができ、これによって、熱式湿度センサの長期間にわたる気体湿度の検出精度を確保することができる。
【００７５】
以下に、この理由について説明する。
【００７６】
例えば、上述した関連技術のように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に、圧縮応力を有する絶縁膜６である酸化シリコン膜だけを埋め込む場合、熱式湿度センサを動作させるために、ヒータ１１の温度を３００℃〜６００℃程度の高温にすると、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に埋め込まれた酸化シリコン膜も高温となる。そして、この酸化シリコン膜は、３００℃〜６００℃程度の高温が加わると軟化する性質を有している。したがって、ヒータ１１を加熱すると、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれた酸化シリコン膜には、圧縮応力となる熱応力が加わるとともに軟化する。この結果、例えば、図６に示すように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に埋め込まれた酸化シリコン膜は、塑性変形することになる。これにより、図６に示すように、ヒータ１１に撓みが生じる。そして、ヒータ１１に撓みが発生するということは、ヒータ１１の抵抗値が変化することを意味する。したがって、例えば、関連技術のように、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に、圧縮応力を有する酸化シリコン膜だけを埋め込む構成では、酸化シリコン膜に塑性変形が生じる結果、ヒータ１１の抵抗値が経時変化してしまう。
【００７７】
そこで、例えば、図７や図８に示す対策案（改良も含む）のように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に、引張応力を有する窒化シリコン膜だけを埋め込む構成を採用すると、塑性変形に起因するヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制できる一方、強すぎる引張応力によって、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａおよび第２部分１１ｂに歪みが発生する。この結果、ヒータ１１の抵抗値が経時変化する。したがって、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に、酸化シリコン膜単体を埋め込む構成（関連技術）と、窒化シリコン膜単体を埋め込む構成（対策案）のいずれの構成であっても、ヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制することは困難となる。
【００７８】
この点に関し、本実施の形態における第１特徴点によれば、例えば、図９に示すように、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間（スペース）に、引張応力を有し、かつ、膜厚方向の厚さがヒータ１１の厚さよりも小さい絶縁膜３０と、圧縮応力を有する絶縁膜６の一部とが埋め込まれている。この構成では、ヒータ１１の温度を３００℃〜６００℃程度の高温にすると、隙間に埋め込まれている酸化シリコン膜（絶縁膜６）が軟化して塑性変形しようとするが、この隙間には、軟化しない絶縁膜３０も埋め込まれている。このことから、この絶縁膜３０によって、隙間のサイズ（間隔）が固定されるため、たとえ、隙間の一部に埋め込まれている酸化シリコン膜（絶縁膜６）が軟化しても、塑性変形することが阻害される。つまり、本実施の形態における第１特徴点を採用すると、隙間に埋め込まれている絶縁膜３０が存在することによって、絶縁膜３０とともに隙間に埋め込まれている酸化シリコン膜の塑性変形が抑制される。これにより、本実施の形態における第１特徴点によれば、酸化シリコン膜の塑性変形に起因するヒータ１１の抵抗値の変動を抑制することができる。
【００７９】
さらに、本実施の形態における第１特徴点によれば、隙間に埋め込まれている絶縁膜３０は、引張応力を有する一方、隙間に埋め込まれている酸化シリコン膜（絶縁膜６）は、圧縮応力を有する。したがって、隙間に埋め込まれている絶縁膜３と酸化シリコン膜（絶縁膜６）に加わる熱応力が逆特性であることから、隙間に埋め込まれている絶縁膜３０と酸化シリコン膜（絶縁膜６）の組み合わせた積層膜に働く応力の絶対値は小さくなる。この結果、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂのそれぞれに生じる歪みは、例えば、図７および図８に示す対応案のように、隙間に引張応力を有する絶縁膜３０単体を埋め込む構成に比べて、第１部分１１ａおよび第２部分１１ｂに生じる歪みを低減することができる。このことは、本実施の形態における第１特徴点によれば、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａおよび第２部分１１ｂに生じる歪みに起因するヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制できることを意味する。
【００８０】
以上のことから、本実施の形態における第１特徴点を有する熱式湿度センサは、ヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制する観点から、関連技術における熱式湿度センサや対策案における熱式湿度センサに比べて、優位性を有していることがわかる。つまり、本実施の形態１における第１特徴点を採用することにより、今までの技術では実現困難であった熱式湿度センサにおけるヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制することができる。この結果、本実施の形態における熱式湿度センサによれば、長期間にわたる気体湿度の検出精度を確保することができる。言い換えれば、本実施の形態によれば、熱式湿度センサの性能向上を図ることができる。
【００８１】
ここで、隙間に埋め込まれている絶縁膜３０の占有体積は、隙間の体積（容積）の１／３以上であることが望ましい。なぜなら、隙間に埋め込まれている絶縁膜３０の占有体積が隙間の体積の１／３を下回ると、絶縁膜３０が隙間のサイズ（間隔）を固定するという機能を充分に発揮することが困難となるからである。すなわち、隙間に埋め込まれている絶縁膜３０の占有体積が隙間の体積の１／３を下回ると、圧縮応力を有する酸化シリコン膜の軟化によって塑性変形が生じることを抑制できにくくなるからである。
【００８２】
なお、隙間に埋め込まれている絶縁膜３０の占有体積は、隙間に埋め込まれている酸化シリコン膜（絶縁膜６）との関係で決定することが望ましい。具体的には、隙間に埋め込まれている酸化シリコン膜（絶縁膜６）は圧縮応力を有する一方、隙間に埋め込まれている絶縁膜３０は、引張応力を有する。このとき、酸化シリコン膜に加わる圧縮応力と絶縁膜３０に加わる引張応力とが互いに相殺すると、隙間に埋め込まれた酸化シリコン膜（絶縁膜６）と絶縁膜３０との合わせたトータルの熱応力が非常に小さくなる。この場合、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａおよび第２部分１１ｂに歪みが発生しにくくなり、これによって、ヒータ１１の抵抗値の経時変化を効果的に抑制することができるからである。したがって、隙間に埋め込まれている絶縁膜３０の占有体積は、隙間の体積（容積）の１／３以上であることを前提として、隙間に埋め込まれている酸化シリコン膜（絶縁膜６）に加わる圧縮応力を打ち消す大きさの引張応力を有するように決定することが望ましい。さらに言えば、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａおよび第２部分１１ｂに歪みを与えない観点から、絶縁膜３０の線膨張率は、ヒータ１１を構成する金属材料の線膨張係数に近いことが望ましい。
【００８３】
絶縁膜３０は、例えば、窒化アルミニウム膜や窒化シリコン膜から構成することができる。ここで、例えば、絶縁膜３０を窒化アルミニウム膜から構成する場合、窒化アルミニウム膜は熱伝導率が高い性質を有することから、ヒータ１１が形成されているヒータ形成領域内の温度分布のばらつきを抑制することができる。例えば、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間に温度差が生じている場合であっても、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に埋め込まれた熱伝導率の高い窒化アルミニウム膜（絶縁膜３０）によって、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の温度差が緩和される。これにより、ヒータ１１が形成されているヒータ形成領域内の温度分布を均一に近づけることができる。このことは、気体の水分蒸発による電圧ばらつきが小さくなることを意味し、これによって、本実施の形態における熱式湿度センサによれば、湿度の測定精度を向上することができる。一方、絶縁膜３０を窒化シリコン膜から構成する場合、窒化シリコンは、シリコンデバイスの製造技術において頻繁に使用されて、シリコンとの親和性の高い材料であることから、シリコンデバイスである熱式湿度センサに適用することが容易であるという利点が得られる。
【００８４】
次に、本実施の形態における第２特徴点は、例えば、図９に示すように、絶縁膜３０がヒータ形成領域内にだけ形成されている点にある。これは、以下に示す理由による。すなわち、絶縁膜３０として、例えば、窒化アルミニウム膜が使用されるが、上述したように、この窒化アルミニウム膜は、熱伝導率が高いという性質がある。したがって、例えば、絶縁膜３０をヒータ形成領域内だけでなく、ヒータ形成領域の外側領域にも形成すると、ヒータ１１で発生した熱が、熱伝導率の高い窒化アルミニウム膜によって、ヒータ形成領域の外側領域に容易に逃げてしまう。このことは、ヒータ形成領域を所定の温度にまでに上昇させる電力が大きくなることを意味する。つまり、絶縁膜３０をヒータ形成領域内だけでなく、ヒータ形成領域の外側領域にまで形成すると、電力の消費効率が低下して、熱式湿度センサの消費電力が必要以上に大きくなってしまう。この点に関し、絶縁膜３０をヒータ形成領域内にだけ形成するという本実施の形態における第２特徴点によれば、長期間にわたる気体湿度の検出精度を確保しながらも、熱式湿度センサの低消費電力化を図ることができるという利点が得られる。
【００８５】
＜実施の形態における熱式湿度センサの製造方法＞
続いて、本実施の形態における熱式湿度センサの製造方法について、図面を参照しながら説明する。まず、図１０に示すように、絶縁膜３と絶縁膜４と絶縁膜５からなる積層膜を形成する。このとき、絶縁膜３は、例えば、酸化シリコン膜から形成されており、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を使用することにより形成することができる。また、絶縁膜４は、例えば、窒化シリコン膜から形成されており、例えば、ＣＶＤ法を使用することができ、絶縁膜５は、例えば、酸化シリコン膜から形成されており、例えば、ＣＶＤ法を使用することにより形成することができる。その後、絶縁膜５上に、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やタングステンに代表される高融点金属材料からなる金属膜を形成する。この金属膜は、例えば、スパッタリング法を使用することにより形成できる。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、金属膜をパターニングして、抵抗配線からなるヒータ１１を形成する。このヒータ１１は、折り返し形状に加工された抵抗配線から構成され、少なくとも、第１方向に延在する第１部分１１ａと、第１部分１１ａと並行しながら第１方向に延在する第２部分１１ｂとを含む。このとき、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間には、隙間（スペース）が形成される。
【００８６】
次に、図１１に示すように、ヒータ１１を覆うように、絶縁膜５上に絶縁膜３０を形成する。この絶縁膜３０は、例えば、窒化アルミニウム膜や窒化シリコン膜から形成される。窒化アルミニウム膜は、例えば、スパッタリング法を使用することにより形成される。一方、窒化シリコン膜は、例えば、ＣＶＤ法を使用することにより形成することができる。ここで、絶縁膜３０は、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂの間の隙間に形成されるとともに、第１部分１１ａの上面および第２部分１１ｂの上面にも形成される。そして、絶縁膜５０の膜厚は、ヒータ１１の膜厚よりも小さくなっている。
【００８７】
続いて、図１２に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、絶縁膜３０をパターニングする。絶縁膜３０のパターニングは、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂの間の隙間にだけ絶縁膜３０が残存するように行なわれる。
【００８８】
次に、図１３に示すように、ヒータ１１上および絶縁膜３０上を含む絶縁膜５上に、絶縁膜６を形成する。絶縁膜６は、例えば、酸化シリコン膜から形成されており、例えば、ＣＶＤ法を使用することにより形成することができる。このとき、絶縁膜６の一部は、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に埋め込まれる。この結果、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間には、絶縁膜３０と絶縁膜６とが埋め込まれる。具体的に、隙間には、窒化アルミニウム膜と酸化シリコン膜が埋め込まれる。
【００８９】
その後の工程は、省略する。以上のようにして、本実施の形態における熱式湿度センサを製造することができる。
【００９０】
＜変形例１＞
次に、実施の形態における変形例１について説明する。
【００９１】
＜＜熱式湿度センサの構成＞＞
図１４は、本変形例１における熱式湿度センサの一部分（上層部）を示す模式図である。
【００９２】
図１４に示す本変形例１における熱式湿度センサの構成は、例えば、図９に示す実施の形態における熱式湿度センサの構成とほぼ同様の構成をしているため、相違点を中心に説明する。図１４において、本変形例１における熱式湿度センサは、ヒータ１１を覆う絶縁膜３０を有している。特に、本変形例１では、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に絶縁膜３０を形成するだけでなく、第１部分１１ａ上および第２部分１１ｂ上にも絶縁膜３０が形成されている。すなわち、本変形例１における絶縁膜３０は、ヒータ１１の有する凹凸形状に合わせて、凹凸形状を有する一体的な膜として形成されている。このように構成されている本変形例１における熱式湿度センサでも、隙間に絶縁膜３０（引張応力を有する膜）と絶縁膜６（圧縮応力を有する膜）とを設けるという実施の形態における第１特徴点が採用されている。このため、本変形例１における熱式湿度センサでも、実施の形態における熱式湿度センサと同様に、ヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制することができる。
【００９３】
ここで、本変形例１における絶縁膜３０は、ヒータ１１の凹凸形状に合わせて、凹凸形状を有する一体的な膜から形成されているが、例えば、図７に示す対策案とは異なり、ヒータ１１の凹凸形状を反映している膜である。このため、図１４に示すように、例えば、第１部分１１ａ上に形成されている絶縁膜３０の部分と、第２部分１１ｂ上に形成されている絶縁膜３０の部分とは離間しており、引張応力は分散される。したがって、本変形例１における絶縁膜３０を形成しても、図７に示す対策案とは異なり、絶縁膜３０の引張応力が反りを発生させるほどに大きくならない。このため、本変形例１における熱式湿度センサ（図１４参照）は、実施の形態における熱式湿度センサ（図９参照）と同様にヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制することができる。以下では、この点を説明する。
【００９４】
＜＜変形例１における効果＞＞
図１５は、ヒータによる加熱の前後における表面段差変化量を示すグラフである。
【００９５】
ここで、表面段差は、ダイヤフラム上の上層部の表面における段差を示している。そして、本変形例１では、触針式の段差計を使用して、ヒータ１１による加熱前と、ヒータ１１による加熱後（５００℃で１０００時間）の変化量を測定している。
【００９６】
図１５において、横軸は、ヒータ１１の中心からの距離を示しており、縦軸は、加熱前と加熱後の表面段差変化量を示している。そして、グラフ（１）は、本変形例１における加熱後の測定結果を示している一方、グラフ（２）は、図５に示す関連技術における加熱後の測定結果を示している。なお、ヒータ形成領域は、中心±４５μｍの範囲である。
【００９７】
図１５のグラフ（２）に着目すると、関連技術では、ヒータ形成領域の外側領域（約±１００μｍ）から中心に向かって、表面が下方に変形していることがわかる。具体的に、ヒータ１１の中心では約−０．１３μｍの変化が生じていることがわかる。これは、関連技術における熱式湿度センサでは、ヒータ形成領域の中心部が塑性変形していることを意味している。これに対し、図１５のグラフ（１）に着目すると、本変形例１では、加熱後においても、表面段差変化量がほとんどないことがわかる。この結果から、本変形例１における熱式湿度センサでは、膜の塑性変形が抑制されることが裏付けられている。
【００９８】
図１６は、熱式湿度センサ（半導体チップ）を５００℃に加熱した状態で、ヒータ１１に電流を流して、所定の時間毎にヒータ１１の抵抗値を測定（加速試験）した結果を示すグラフである。図１６において、横軸は、加熱時間（通電時間）（時）を示しており、縦軸は、ヒータ抵抗変化率（％）を示している。そして、グラフ（１）は、本変形例１における測定結果を示している一方、グラフ（２）は、図５に示す関連技術における測定結果を示している。
【００９９】
図１６のグラフ（２）に着目すると、関連技術では、加熱時間が数時間で０．１％以上、加熱時間が１０００時間で約０．４％の抵抗値の変化（変化率）が見られることがわかる。このヒータ１１の抵抗値の変化量は、絶対湿度の誤差に換算すると、約２０ｇ／ｍ２であり、室温における湿度が約１０％も相違することになってしまう。
【０１００】
これに対し、図１６のグラフ（１）に着目すると、本変形例１では、加熱時間の初期に約０．０２％変化するが、加熱時間が１０００時間まで最大でもヒータ１１の抵抗値の変化率は、約０．０３％であり、ヒータの抵抗値の経時変化が抑制されていることがわかる。
【０１０１】
図１５および図１６の結果から、ヒータの抵抗値の変化は、ヒータ形成領域での塑性変形に大きく関係していることがわかる。すなわち、ヒータ１１をモリブデン（Ｍｏ）から構成する場合、その線膨張係数は、約５．１×１０−６／Ｋである。また、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間には、酸化シリコン膜が埋め込まれており、その線膨張係数は、約０．７×１０−６／Ｋである。このような線膨張係数の相違によって、関連技術では、長時間加熱すると、熱応力に起因する塑性変形が酸化シリコン膜に生じる。この結果、関連技術では、ヒータ１１自体も変形して、ヒータ１１の抵抗値が大きく変化することになる。
【０１０２】
これに対し、本変形例１においては、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に酸化シリコン膜だけではなく、線膨張係数が４．５×１０−６／Ｋの窒化アルミニウム膜が埋め込まれている。これにより、隙間に埋め込まれている材料の線膨張係数が平均化される。この結果、応力の分散効果を得ることができるため、酸化シリコン膜の塑性変形が抑制される。したがって、酸化シリコン膜の塑性変形に起因するヒータ１１の抵抗値の経時変化が抑制されることから、熱式湿度センサの長期信頼性を確保することができる。
【０１０３】
＜＜熱式湿度センサの製造方法＞＞
次に、本変形例１における熱式湿度センサの製造方法について説明する。
【０１０４】
まず、図１７に示すように、半導体基板１を準備する。半導体基板１としては、例えば、単結晶シリコン基板（シリコンウェハ）を用いることができる。単結晶シリコン基板は、例えば、＜１００＞の結晶方位のシリコン（Ｓｉ）からなる。
【０１０５】
続いて、図１８に示すように、半導体基板１上に、３層の絶縁膜を形成する。具体的には、半導体基板１上に、酸化シリコン膜からなる絶縁膜３を形成する。例えば、絶縁膜３は、半導体基板１を熱酸化することにより形成することができる。例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁膜３は、熱酸化炉に酸素または水蒸気を導入して、１０００℃以上の熱を加えることにより形成することができる。熱酸化法によって形成された酸化シリコン膜は、圧縮応力を有する膜となる。なお、本工程では、半導体基板１の上面だけでなく、半導体基板１の下面にも酸化シリコン膜からなる絶縁膜２が形成される。ただし、半導体基板１の上面に形成される絶縁膜３と、半導体基板１の下面に形成される絶縁膜２は、異なる工程で形成することもできる。その後、絶縁膜３上に絶縁膜４を形成する。絶縁膜４は、窒化シリコン膜からなり、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を使用することにより形成することができる。窒化シリコン膜は、ＣＶＤ法で形成した場合、引張応力を有する膜となる。そして、絶縁膜４上に絶縁膜５を形成する。絶縁膜５は、酸化シリコン膜からなり、例えば、ＣＶＤ法を使用することにより形成することができる。ＣＶＤ法で形成された酸化シリコン膜は、圧縮応力を有する膜となる。
【０１０６】
このように、圧縮応力を有する膜と引張応力を有する膜とを積層することにより、膜応力が低減される結果、湿度センサ自体に不所望な応力が加わることを防止できる。
【０１０７】
本変形例では、３層の絶縁膜（絶縁膜３と絶縁膜４と絶縁膜５）を積層する構成について説明したが、この構成に限らず、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを追加してもよい。さらに、３層の絶縁膜を形成した時点で、例えば、窒素雰囲気において、例えば、１０００℃の加熱処理を実施することにより、膜応力の安定化を図ることもできる。
【０１０８】
次に、酸化シリコン膜からなる絶縁膜５の表面をわずかにエッチングすることにより、絶縁膜５の表面を改質する。具体的には、例えば、アルゴンガス（Ａｒガス）を使用したスパッタエッチングにより、絶縁膜５の表面を１５ｎｍ程度エッチングする。その後、図１９に示すように、表面を改質した絶縁膜５上に金属膜（導電性膜）１５を形成する。例えば、絶縁膜５上に、スパッタリング法を使用して高融点金属膜を形成する。ここでは、高融点金属膜として、モリブデン膜（Ｍｏ膜）を１６０ｎｍ形成する。なお、モリブデン膜に替えて、タングステン膜（Ｗ膜）を使用することもできる。
【０１０９】
続いて、図２０に示すように、金属膜１５をパターニングする。具体的には、金属膜１５上にフォトレジスト膜（図示せず）を塗布した後、フォトレジスト膜に対して露光・現像処理を施すことにより、フォトレジスト膜をパターニングする。そして、パターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして、金属膜１５をドライエッチングする。これにより、金属膜１５がパターニングされて、金属膜１５からなるヒータ１１およびリード配線（図３に示すリード配線１２ａとリード配線１２ｂ）を形成することができる。その後、パターニングしたフォトレジスト膜を除去する。
【０１１０】
このようにして、ヒータ１１とリード配線１２ａ、１２ｂとは、同層に形成される。同層に形成されるとは、同じ材料を用いて同じ工程で形成されることを意味する。
【０１１１】
なお、耐熱性向上のため、モリブデン膜からなる金属膜１５を形成した後、窒素雰囲気において、熱式湿度センサを使用する際の加熱温度である５００℃以上、望ましくは１０００℃の熱処理を行う。これにより、金属膜１５の粒成長を促して、長時間にわたるヒータ加熱に対しても、ヒータの抵抗値の変動を抑制することができる。ここで、モリブデン膜（金属膜１５）の線膨張係数は、５．１×１０−６／Ｋであり、酸化シリコン膜の約０．７×１０−６／Ｋと比較して大きいことから、モリブデン膜は引張応力を有する膜となる。
【０１１２】
次に、図２１に示すように、ヒータ１１を覆うように応力調整膜として機能する絶縁膜３０を形成する。例えば、絶縁膜３０は、窒化アルミニウム膜から構成され、例えば、スパッタリング法を使用することより形成することができる。このとき、窒化アルミニウム膜からなる絶縁膜３０の膜厚は、モリブデン膜からなるヒータ１１の膜厚よりも薄い１５０ｎｍである。したがって、絶縁膜３０は、ヒータ１１の有する凹凸形状に合わせて、凹凸形状を有する一体的な膜として形成される。窒化アルミニウム膜の線膨張係数は、４．５×１０−６／Ｋであり、モリブデン膜の線膨張係数とほぼ等しいことから、引張応力を有する膜となる。ここで、窒化アルミニウム膜は、熱伝導率が高いという性質がある。したがって、例えば、絶縁膜３０をヒータ形成領域内だけでなく、ヒータ形成領域の外側領域にも形成したままであると、ヒータ１１で発生した熱が、熱伝導率の高い窒化アルミニウム膜によって、ヒータ形成領域の外側領域に容易に逃げてしまう。このことは、ヒータ形成領域を所定の温度にまでに上昇させる電力が大きくなることを意味する。つまり、絶縁膜３０をヒータ形成領域内だけでなく、ヒータ形成領域の外側領域にまで形成すると、電力の消費効率が低下して、熱式湿度センサの消費電力が必要以上に大きくなってしまう。
【０１１３】
このことから、図２２に示すように、フォトレジスト膜をマスクとして、ヒータ形成領域にだけ絶縁膜３０が残るようにパターニングする。これにより、本変形例１においても、絶縁膜３０をヒータ形成領域内にだけ形成することができる。
【０１１４】
なお、応力調整膜として機能する絶縁膜３０の安定化のために、熱式湿度センサを使用する際の加熱温度である５００℃以上、望ましくは１０００℃の熱処理を、絶縁膜３０のパターニング工程の前後のいずれかに行うことが望ましい。
【０１１５】
続いて、図２３に示すように、ヒータ１１を覆う絶縁膜３０上および絶縁膜５上にわたって、３層の絶縁膜を形成する。具体的に、まず、ヒータ１１を覆う絶縁膜３０上および絶縁膜５上にわたって絶縁膜６を形成する。この絶縁膜６は、例えば、酸化シリコン膜からなり、例えば、ＣＶＤ法を使用することにより形成することができる。絶縁膜６の膜厚は、例えば、６００ｎｍ程度である。このとき、絶縁膜６の一部は、ヒータ１１の隙間に埋め込まれる。この結果、ヒータ１１の隙間には、絶縁膜３０と絶縁膜６とが埋め込まれる。具体的に、隙間には、窒化アルミニウム膜と酸化シリコン膜が埋め込まれる。
【０１１６】
その後、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を使用することにより、絶縁膜６の表面を平坦化する。そして、平坦化された絶縁膜６上に絶縁膜７を形成する。絶縁膜７は、窒化シリコン膜から形成され、例えば、ＣＶＤ法を使用することにより形成することができる。次に、絶縁膜７上に絶縁膜８を形成する。絶縁膜８は、酸化シリコン膜からなり、例えば、ＣＶＤ法を使用することにより形成することができる。
【０１１７】
このように、酸化シリコン膜からなる絶縁膜６の表面を平坦化することにより、絶縁膜６上に形成される絶縁膜７と絶縁膜８とが平坦な積層膜として形成される。これにより、熱式湿度センサ自体に不所望な応力が加わることを抑制できる。
【０１１８】
なお、絶縁膜６〜８のそれぞれの応力を調整するため、それぞれの絶縁膜６〜８を形成した後に熱処理を行なうこともできる。また、窒化シリコン膜からなる絶縁膜４と、窒化シリコン膜からなる絶縁膜７は、ヒータ１１が発熱した際に、ヒータ１１を覆う絶縁膜３０が熱応力で降伏状態まで伸縮しないように制限する機能も有している。
【０１１９】
ここで、例えば、図２３に示すように、本変形例１において、窒化シリコン膜からなる絶縁膜７は、絶縁膜３０の上方に形成され、かつ、引張応力を有し、かつ、表面が平坦な膜である。これにより、窒化シリコン膜からなる絶縁膜７に備わる引張応力によって、例えば、ヒータ１１を覆う絶縁膜３０の角部に加わる熱応力が緩和される。このことは、ヒータ１１を覆う絶縁膜３０の角部にクラックは発生することを抑制できることを意味する。すなわち、本変形例１において、窒化シリコン膜からなる絶縁膜７は、さらに、ヒータ１１を覆うように形成された絶縁膜３０の角部に発生するクラックを抑制するという技術的意義も有していることになる。
【０１２０】
次に、例えば、図３および図２３を参考にしながら、プラグ１４ａを介してリード配線１２ａと電気的に接続される電極１３ａと、プラグ１４ｂを介してリード配線１２ｂと電気的に接続される電極１３ｂとの形成工程を説明する。ここで、以下では、例えば、リード配線（１２ａ、１２ｂ）のように、図３に示されている符号は、（符号）で記載する。
【０１２１】
まず、図２３において、ヒータ１１を覆うように絶縁膜６〜８が形成されているが、ヒータ１１とリード配線（１２ａ、１２ｂ）は、同層に形成されている。このため、リード配線（１２ａ、１２ｂ）上にも絶縁膜６〜８が形成されている。
【０１２２】
このことを前提として、まず、絶縁膜８上にフォトレジスト膜を塗布した後、フォトレジスト膜に対して露光・現像処理を施すことにより、コンタクトホール形成領域を開口するフォトレジスト膜を形成する（フォトレジスト膜のパターニング）。そして、パターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして、絶縁膜８と絶縁膜７と絶縁膜６とを順次ドライエッチングすることにより、リード配線（１２ａ、１２ｂ）のそれぞれに達するコンタクトホールを形成する。これらのコンタクトホールの底部には、リード配線（１２ａ、１２ｂ）の表面が露出する。その後、パターニングしたフォトレジスト膜を除去する。
【０１２３】
続いて、絶縁膜８の表面と、コンタクトホールから露出するリード配線（１２ａ、１２ｂ）の表面をわずかにエッチングすることにより、これらの表面を改質する。具体的に、例えば、アルゴンガス（Ａｒガス）を使用したスパッタエッチングにより１５ｎｍ程度エッチングする。
【０１２４】
その後、リード配線（１２ａ、１２ｂ）と電気的に接続される電極（１３ａ、１３ｂ）を形成する。具体的に、まず、コンタクトホール内を含む絶縁膜８上に金属膜（導電性膜）を形成する。例えば、コンタクトホール内を含む絶縁膜８上に、スパッタリング法を使用して、バリアメタル膜を形成し、このバリアメタル膜上に主金属膜を形成する。ここでは、例えば、バリアメタル膜として、チタン膜（Ｔｉ膜）を２０ｎｍ〜２００ｎｍ形成した後、主金属膜として、アルミニウム膜（Ａｌ膜）をバリアメタル膜よりも厚い膜厚で形成する。これにより、コンタクトホールの内部は、バリアメタル膜と主金属膜とによって埋め込まれて、プラグ（１４ａ、１４ｂ）が形成される。
【０１２５】
なお、バリアメタル膜は、チタン膜の他、例えば、窒化チタン膜（ＴｉＮ膜）や窒化タングステン膜（ＴｉＷ膜）を使用することもできるし、バリアメタル膜として、これらの積層膜を使用することもできる。一方、主金属膜は、アルミニウム膜に限らず、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とするアルミニウム合金膜を使用することもできる。
【０１２６】
次に、主金属膜上にフォトレジスト膜を塗布して、フォトレジスト膜に対して、露光・現像処理を施すことにより、電極（１３ａ、１３ｂ）を形成する電極形成領域を覆うようにフォトレジスト膜をパターニングする。そして、パターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして、主金属膜とバリアメタル膜をドライエッチングすることにより、電極（１３ａ、１３ｂ）を形成する。これにより、電極（１３ａ）は、コンタクトホール内のプラグ（１４ａ）を介してリード配線（１２ａ）と電気的に接続される。同様に、電極（１３ｂ）は、コンタクトホール内のプラグ（１４ｂ）を介してリード配線（１２ｂ）と電気的に接続される。この後、パターニングしたフォトレジスト膜は除去される。
【０１２７】
続いて、図２４に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、半導体基板１の裏面に形成されている酸化シリコン膜からなる絶縁膜２をパターニングする。絶縁膜２のパターニングは、ダイヤフラム形成領域を開口するように行なわれる。その後、図２５に示すように、パターニングした絶縁膜２をマスクとして、半導体基板１を絶縁膜３が露出するまでウェットエッチングすることにより、半導体基板１にダイヤフラム（薄肉部）１０を形成する。例えば、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液またはＴＭＡＨ（テトラメチルアミド）溶液を使用してウェットエッチングを行なう。ただし、ウェットエッチングに限らず、例えば、フッ素系ガスを使用したドライエッチングにより、半導体基板１にダイヤフラム１０を形成することもできる。
【０１２８】
ここでは、半導体基板１の裏面に形成された酸化シリコン膜からなる絶縁膜２をハードマスクとして利用しているが、これに限らず、例えば、絶縁膜２上に他の膜を積層した積層膜（例えば、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜）をハードマスクとして利用することもできる。さらには、半導体基板１の上面側の処理が終了した後（例えば、電極（１３ａ、１３ｂを形成した後）、半導体基板１の裏面に別途絶縁膜を形成して、この絶縁膜をマスクに使用することもできる。
【０１２９】
なお、半導体基板１にダイヤフラム１０を形成した後、絶縁膜８および電極（１３ａ、１３ｂ）を覆うように保護絶縁膜を形成し、電極（１３ａ、１３ｂ）上に形成されている保護絶縁膜に開口部を形成することにより、電極（１３ａ、１３ｂ）の一部を露出させたパッドを形成することもできる。このようにして、パッドを形成した後、例えば、半導体ウェハ状態（シリコンウェハ状態）の半導体基板１をダイシングすることにより、本変形例１における熱式湿度センサ（半導体チップ）を形成することができる。なお、例えば、熱式湿度センサとなる半導体チップに形成されているパッドは、ボンディングワイヤを使用して、配線基板（プリント基板）の配線（端子）と電気的に接続される。
【０１３０】
＜変形例２＞
続いて、実施の形態における変形例２について説明する。
【０１３１】
＜＜熱式湿度センサの構成＞＞
図２６は、本変形例２における熱式湿度センサの模式的な構成を示す断面図である。
【０１３２】
図２６において、本変形例２における熱式湿度センサでは、ヒータ１１と絶縁膜３０との間に中間膜４０が設けられている。その他の構成は、変形例１における熱式湿度センサの構成と同様である。
【０１３３】
例えば、ヒータ１１を覆うように形成される絶縁膜３０は、窒化アルミニウム膜や窒化シリコン膜から構成される。ここで、窒化シリコン膜は、ヒータ１１を構成する高融点金属膜（例えば、モリブデン膜）との密着性がそれほど良好ではないという性質がある。例えば、絶縁膜３０を窒化シリコン膜から構成する場合、ヒータ１１を構成する高融点金属膜と、絶縁膜３０を構成する窒化シリコン膜とが密着することになるが、高融点金属膜と窒化シリコン膜との密着力が弱いため、製造工程中において加えられる熱処理などによって、絶縁膜３０がヒータ１１から剥離する可能性がある。
【０１３４】
この点に関し、本変形例２では、ヒータ１１と絶縁膜３０との間に、例えば、酸化シリコン膜からなる中間膜４０を挿入している。この場合、ヒータ１１を構成する高融点金属膜と、中間膜４０を構成する酸化シリコン膜との密着性は良好であるため、ヒータ１１からの絶縁膜３０の剥離を抑制することができる。さらには、中間膜４０を構成する酸化シリコン膜と、絶縁膜３０を構成する窒化シリコン膜との密着性も良好であるため、中間膜４０と絶縁膜３０との密着性も向上することができる。
【０１３５】
以上のことから、本変形例２では、ヒータ１１と絶縁膜３０との間に中間膜４０を設けることにより、ヒータ１１と中間膜４０との密着力の向上と、中間膜４０と絶縁膜３０との密着力の向上の両方を実現することができる。これにより、本変形例２によれば、信頼性の高い熱式湿度センサを提供することができる。
【０１３６】
＜＜熱式湿度センサの製造方法＞＞
本変形例２では、ヒータ１１を形成した後、ヒータ１１よりも膜厚の小さい中間膜４０を形成する。中間膜４０は、例えば、プラズマＣＶＤ法を使用することにより形成された酸化シリコン膜から構成される。このとき、中間膜４０を構成する酸化シリコン膜の膜厚は、例えば、約５０ｎｍである。その後、中間膜４０上に、例えば、窒化シリコン膜からなる絶縁膜３０を形成する。この窒化シリコン膜の膜厚は、約１００ｎｍである。
【０１３７】
以降の工程は、変形例１における熱式湿度センサの製造方法とほぼ同様である。以上のようにして、本変形例２における熱式湿度センサを製造することができる。
【０１３８】
なお、中間膜４０は、酸化シリコン膜に限らず、例えば、窒素を含有する酸化シリコン膜、炭素を含有する酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、非導電性を有する金属酸化物膜などから構成することもできる。特に、中間膜４０は、例えば、融点が１０００℃以上の耐熱性に優れた膜から構成することが望ましい。
【０１３９】
＜変形例３＞
次に、実施の形態における変形例３について説明する。
【０１４０】
＜＜熱式湿度センサの構成＞＞
図２７は、本変形例３における熱式湿度センサの模式的な構成を示す断面図である。
【０１４１】
図２７において、本変形例３における熱式湿度センサでは、ヒータ１１の下層に、ヒータ１１を構成する高融点金属の線膨張係数に近い線膨張係数を有する絶縁膜４５が形成されている。すなわち、ヒータ１１の下層に引張応力を有する絶縁膜４５が形成されている。この絶縁膜４５は、ヒータ１１を覆うように形成されている絶縁膜３０と同じ材料から構成され、例えば、絶縁膜４５の膜厚は、絶縁膜３０の膜厚よりも薄くなっている。その他の構成は、変形例１における熱式湿度センサの構成と同様である。このように本変形例３における熱式湿度センサでは、絶縁膜３０の下方に形成され、かつ、引張応力を有し、かつ、表面が平坦な絶縁膜４５がヒータ１１の下層に形成されている。
【０１４２】
例えば、圧縮応力を有する絶縁膜５（酸化シリコン膜）がヒータ１１と接触するようにヒータ１１の下層に形成されていると、ヒータ１１を加熱する際、ヒータ１１と絶縁膜５との接触部分で大きな熱応力が発生する。この熱応力は、ヒータ１１の抵抗値の変動を引き起こす要因となるため、小さくすることが望ましい。
【０１４３】
この点に関し、本変形例３では、引張応力を有する絶縁膜４５をヒータ１１と接触するようにヒータ１１の下層に形成している。これにより、ヒータ１１を加熱する際、ヒータ１１自体に引張応力が加わるとともに、ヒータ１１の下層に位置する絶縁膜４５にも引張応力が加わる。したがって、ヒータ１１と絶縁膜４５との接触部分における熱応力を小さくすることができる。この結果、本変形例３によれば、ヒータ１１の抵抗値の変動を抑制することができる。
【０１４４】
さらに、絶縁膜４５は、熱伝導率の高い材料から構成されることが望ましい。なぜなら、ヒータ１１の下層に位置する絶縁膜４５を熱伝導率の高い材料から構成することにより、ヒータ形成領域内の温度分布を均一化することができるからである。このことは、高温となりやすいヒータ形成領域の中心部での塑性変形を抑制できやすくなることを意味し、これによって、長期間にわたる熱式湿度センサの検出精度を維持することができる。
【０１４５】
＜＜熱式湿度センサの製造方法＞＞
本変形例３では、酸化シリコン膜からなる絶縁膜５を形成した後、絶縁膜５上に絶縁膜４５を形成する。この絶縁膜４５は、例えば、窒化アルミニウム膜から形成され、例えば、スパッタリング法を使用することにより形成することができる。絶縁膜４５の膜厚は、例えば、約５０ｎｍである。次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、絶縁膜４５をパターニングする。絶縁膜４５のパターニングは、ヒータ形成領域にだけ絶縁膜４５が残存するように行なわれる。これは、窒化アルミニウム膜から構成される絶縁膜４５の熱伝導率が高いため、ヒータ形成領域の外側領域にまで延在するように形成すると、ヒータ形成領域に形成されているヒータから発生した熱が、ヒータ形成領域の外側領域まで容易に拡散して（熱逃げ）、消費電力の増大を抑制することを考慮したものである。以降の工程は、変形例１における熱式湿度センサの製造方法とほぼ同様である。以上のようにして、本変形例３における熱式湿度センサを製造することができる。
【０１４６】
なお、絶縁膜４５の膜厚は、ヒータ１１の膜厚よりも薄く、かつ、ヒータ１１を覆う絶縁膜３０の膜厚よりも薄いことが望ましい。なぜなら、絶縁膜４５の膜厚が厚くなると、絶縁膜４５の線膨張に起因する熱応力が大きくなりすぎるからである。
【０１４７】
＜変形例４＞
続いて、実施の形態における変形例４について説明する。
【０１４８】
＜＜熱式湿度センサの構成＞＞
図２８は、本変形例４における熱式湿度センサの模式的な構成を示す断面図である。
【０１４９】
図２８において、本変形例４における熱式湿度センサでは、絶縁膜３０が、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に形成された第１膜部位３０ａと、第１部分１１ａ上および第２部分１１ｂ上に形成された第２膜部位３０ｂから構成されており、第１膜部位３０ａと第２膜部位３０ｂとが分離されている。言い換えれば、本変形例４における熱式湿度センサでは、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａの側壁および第２部分１１ｂの側壁に絶縁膜３０が形成されていない。その他の構成は、変形例１における熱式湿度センサの構成と同様である。
【０１５０】
このように構成されている本変形例４における熱式湿度センサでは、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａの側壁および第２部分１１ｂの側壁に絶縁膜３０が形成されないことから、第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間の距離を小さくしても、この隙間に引張応力を有する絶縁膜３０（第１膜部位３０ａ）と圧縮応力を有する絶縁膜６の一部を埋め込むことができる。そして、本変形例４では、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間に埋め込まれる絶縁膜６の体積を低減することができる。このことは、塑性変形しやすい絶縁膜６の体積を低減できるということは、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間自体が塑性変形しにくくなることを意味し、これによって、ヒータ１１の撓みを抑制することができる。したがって、本変形例４では、さらに、圧縮応力を有する絶縁膜６の塑性変形に起因するヒータ１１の抵抗値の経時変化を抑制することができる。また、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａと第２部分１１ｂとの間の隙間の体積（容積）を小さくできるということは、ヒータ１１の発熱部位（例えば、第１部分１１ａや第２部分１１ｂ）の占有密度を向上できることを意味し、これによって、ヒータ１１の発熱効率を向上することができる。そして、ヒータ１１の発熱効率を向上できるということは、熱式湿度センサの低消費電力化を図ることができることを意味する。以上のことから、本変形例４における熱式湿度センサによれば、低消費電力化を図りながら、長期間にわたる熱式湿度センサの検出精度を維持できる。
【０１５１】
＜＜熱式湿度センサの製造方法＞＞
本変形例４では、ヒータ１１を形成した後、絶縁膜３０を形成する。具体的に、フォトリソグラフィ技術を利用して、フォトレジスト膜に対して、ヒータ形成領域だけを開口するようにパターニングする。そして、パターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして、指向性の高いロングスロースパッタリング法により、例えば、窒化アルミニウム膜からなる第１膜部位３０ａおよび第２膜部位３０ｂからなる絶縁膜３０を形成する。すなわち、ロングスロースパッタリング法を使用した場合、ヒータ１１を構成する第１部分１１ａの側壁および第２部分１１ｂの側壁には、ほとんど窒化アルミニウム膜が形成されない。以降の工程は、変形例１における熱式湿度センサの製造方法とほぼ同様である。以上のようにして、本変形例４における熱式湿度センサを製造することができる。
【０１５２】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【０１５３】
実施の形態では、熱式センサの一例として、熱式湿度センサを例に挙げて、実施の形態における技術的思想を説明したが、実施の形態における技術的思想は、これに限らず、例えば、熱式流量センサや熱式ガスセンサに代表される幅広い熱式センサに適用できる。なぜなら、例えば、熱式流量センサは、ヒータを使用して気体を温め、温めた気体の上流側の温度と下流側の温度との温度差が気体の流量に応じて変化することを利用して、気体の流量を測定するセンサであり、ヒータを使用するからである。また、熱式ガスセンサでは、例えば、ヒータによる加熱によって吸着したガス分子を開放するリセット動作が行なわれるため、必然的に、ヒータが使用されるからである。
【０１５４】
前記実施の形態は、以下の形態を含む。
【０１５５】
（付記１）
支持基板と、
前記支持基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された抵抗配線と、
を備える、熱式センサであって、
前記抵抗配線は、
第１方向に延在する第１部分と、
前記第１部分と並行する第２部分と、
を含み、
前記熱式センサは、前記第１部分と前記第２部分との間に形成され、かつ、膜厚方向の厚さが前記抵抗配線の厚さよりも小さい第１膜を有し、
前記第１膜は、線膨張係数が１．０×１０−６／Ｋ以上９．０×１０−６／Ｋ以下の膜である、熱式センサ。
【符号の説明】
【０１５６】
１  半導体基板
２  絶縁膜
３  絶縁膜
４  絶縁膜
５  絶縁膜
６  絶縁膜
７  絶縁膜
８  絶縁膜
１０  ダイヤフラム
１１  ヒータ
１１ａ  第１部分
１１ｂ  第２部分
３０  絶縁膜
３０ａ  第１膜部位
３０ｂ  第２膜部位
４０  中間膜
４５  絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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