(57)【要約】本発明の熱式センサは、１５０μｍ以上の厚さの平板状基板１の表面に配置された発熱体２及び出力信号に必要なセンサへの配線３が基板表面から裏面に形成された貫通配線４に電気的に接続され更に基板の裏面に形成された入出力配線部１２に電気的に接続するようにしたので、従来、基板表面の検出部から十分離して形成しなければならなかった入出力部を基板裏面に形成できるようになり、検出部に対し入出力部を自由に配置できるようになったので、素子の小型化が可能になり製造コストが削減できる。
2003060434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１５０μｍ以上の厚さを有する平板状基板の第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発熱体とが形成され、該発熱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、上記発熱体への配線及びセンサへの入出力用配線が上記基板の第１の面から第２の面に貫通するように形成された貫通配線を介して上記基板の第２の面に形成された入出力配線部に接続されることを特徴とする熱式センサ。
【請求項２】
ダイヤフラムのうち発熱体の形成されていない周辺領域を除去しブリッジ状の支持膜に上記発熱体を保持したことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の熱式センサ。
【請求項３】
基板の第２の面の入出力配線部に導電性バンプを形成したことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の熱式センサ。
【請求項４】
貫通配線がＰ形もしくはＮ形の不純物を高濃度に含んだシリコンであり、上記貫通配線の周囲にシリコンの酸化物からなる絶縁層を有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の熱式センサ。
【請求項５】
１５０μｍ以上の厚さを有する平板状基板の第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発熱体とが形成され、該発熱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、上記発熱体への配線及び入出力用配線が上記基板の第１の面から第２の面に貫通するように形成された貫通配線を介して上記基板の第２の面に形成された入出力配線部に接続されてなる熱式センサの製造方法であって、上記基板の第１の面に形成された上記配線の一部領域まで貫通するように上記基板の第２の面から貫通穴を開口し、該貫通穴に溶融金属の液滴を選択的に導入して該液滴を貫通穴に埋め込み硬化して上記貫通配線を形成することを特徴とする熱式センサの製造方法。
【請求項６】
１５０μｍ以上の厚さを有する平板状基板の第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発熱体とが形成され、該発熱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、上記発熱体への配線及び入出力用配線が上記基板の第１の面から第２の面に貫通するように形成された貫通配線を介して上記基板の第２の面に形成された入出力配線部に接続されてなる熱式センサの製造方法であって、上記基板としてＰ形もしくはＮ形の不純物を高濃度に含んだシリコンを用い、該シリコン基板の一部領域を筒状に上記基板の第１の面から第２の面に渡って酸化して筒状の絶縁層を形成し、該絶縁層で囲まれた部分を上記貫通配線としたことを特徴とする熱式センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、基板表面に形成された薄膜抵抗体からなる発熱体が発する熱量の損失量を熱式検出素子を用いて計測する熱式センサに関するものである。
背景技術
第１４図は、例えば特開平１１−２８１４４５号公報に開示された熱式センサの一つである流量検出素子の一部を模式的に示した素子外観図である。また第１５図は第１４図の熱式センサの実装形態を含めた断面図である。
図において１０１は例えばシリコンウエハから切り出された熱式センサ素子１０００を構成する平板状基板で、１０７、１０８は平板状基板１の一方の面に形成された絶縁性の支持膜で、例えば窒化シリコン膜からなる。窒化シリコン膜１０８は保護膜も兼ねている。窒化シリコン膜１０７、１０８の間に感熱抵抗体膜１０２が形成される。この感熱抵抗体膜１０２は、発熱抵抗、測温抵抗に利用される発熱部に相当するもので、例えば白金からなる。また感熱抵抗体膜１０２で発生した熱がシリコン基板１０１に逃げずに発熱部の温度が上昇するように感熱抵抗体膜１０２の周囲のシリコン基板１０１が除去されていて（１０１ａ）窒化シリコン膜１０７、１０８からなるダイヤフラム１０５が形成されている。１０３は感熱抵抗膜１０２と入出力パッド１５０を接続する配線で例えば感熱抵抗膜１０２と同じ膜で形成されている。１５１は熱式センサのパッケージで例えばエポキシ樹脂である。熱式センサ素子１０００の基板１０１は接着剤１５５によりパッケージ１５１に固定されている。１５３は外部入出力リード、１５４は入出力パッド１５０と外部入出力リード１５３を電気的に接続するためのワイヤーボンド材で例えば２５μｍ径の金（Ａｕ）線である。また１５２はワイヤーボンド１５４を覆うパッケージ１５１の蓋である。
次に、第１４図，第１５図に示される熱式センサ素子の主要部の製造方法について説明する。板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１０１上に、例えば厚さ約１μｍの窒化シリコン膜１０７をスパッタ法等の方法により形成し、さらにその上に例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜１０２を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜１０２は写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングがおこなわれ、これにより第１４図のようなパターンの発熱部１０２と配線１０３が形成される。パターニングされた、白金膜１０２、１０３の上に、保護膜として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜１０８をスパッタ法等により形成する。次に、配線１０３上の裏面保護膜１０８の一部を写真製版法等を用いてエッチングして入出力部１５０を形成する。窒化シリコン膜１０７、１０８からなるダイヤフラム１０５は支持膜１０７、１０８が配置されている方の表面とは反対側の面に写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこない、例えばアルカリエッチング等を施すことにより形成される。このように作成した熱式センサ素子をパッケージ１５１に接着剤１５５で固定し、熱式センサ素子入出力パッド１５０と外部入出力リード１５３をワイヤーボンド１５４で接続する。最後にパッケージの蓋１５２を接着固定してワイヤーボンド部を保護する。こうして素子の搭載された熱式センサが完成する。
次に熱式センサ素子を流量センサとして使用する場合の動作について説明する。感熱抵抗膜１０２に電流を流し発熱させる。第１４図中矢印Ｙに示す通り、発熱部の表面を流量を計測する気体が流れるように素子を配置すると、気体の流量が大きいほど発熱部表面から奪われる熱量も大きくなる。したがって感熱抵抗膜に一定の電流を流している場合、流量が大きくなると発熱部の温度は低下する。発熱部に例えば白金抵抗膜を用いている場合、抵抗膜の温度が低下すると抵抗値も減少するので流量を抵抗値の変化として求めることができる。発熱と温度計測を別々の抵抗体で構成することもある。また流量が増加して奪われる熱量が大きくなった分だけ電流値を増加させて絶えず発熱部の温度が一定になるように制御して、この制御電流の変化を信号出力とする読み出し方法もある。また外気温度によっても出力が変化するので、温度補正用の外気温度センサを基板１０１上に形成する場合もある。パッケージ１５１は熱式センサの検出部１０２付近で気流の乱れが生じないように翼状で検出部周辺には凹凸がないような形状に設計される。したがって検出部からパッケージの蓋１５２までの距離ｘ（第１５図中に記載）は気流が乱れないように十分大きくする必要があり、おおよそ２ｍｍ以上であることが望ましい。
上記のように、従来の熱式センサはセンサ素子を構成する基板１０１の検出部１０２の形成された面と同じ面に信号出力部１５０が形成されているので、検出に影響しないように出力部を検出部から十分離して配置しなければならず、検出部から出力部への配線領域を長くとることが必要となっていた。そのため、素子サイズが大きくなり素子の製造コストが高くなるとともに、実装においてもパッケージ構造が複雑で大きくなり組み立て工数や部品コストが増大するなどの問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小型で簡素な実装構造をもつ熱式センサを得ることを目的とするものである。
発明の開示
本発明に係る熱式センサは、１５０μｍ以上の厚さを有する平板状基板の第１の面に配置きれた絶縁性の支持膜と、該支持膜に感熱抵抗膜からなる発熱体とが形成され、該発熱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、上記発熱体への配線及びセンサへの入出力用配線が上記基板の第１の面から第２の面に貫通するように形成された貫通配線を介して上記基板の第２の面に形成された入出力配線部に接続されるようにしたので、基板表面に形成された熱式センサの各素子の入出力配線を貫通配線を用いて基板裏面の配線へ接続することが可能になり、従来、基板表面の検出部から十分離して形成しなければならなかった入出力部を基板裏面に形成できるようになり、検出部に対し入出力部を自由に配置できるようになったので、素子の小型化が可能になり製造コストが削減できる。また、検出面と反対の面から出力を取り出せるため実装形態の小型化も可能になりコストが減少する効果がある。また基板厚さを１５０μｍ以上にして発熱体のダイヤフラムの裏面から実装基板までの距離を１５０μｍ以上としたのでダイヤフラム裏面からの熱損失を出力信号に対し無視できるレベルに削減できるので、信号精度の向上と消費電力の削減が可能になる効果がある。
また、上記熱式センサにおいて、ダイヤフラムのうち発熱体の形成されていない周辺領域を除去しブリッジ状の支持膜に上記発熱体を保持したので、基板と発熱体の熱絶縁が向上し、発熱体から基板の開口部までの距離を小さくできるため素子の小型化が可能になり製造コストが削減できる。
さらに、上記熱式センサにおいて、基板の第２の面の入出力配線部に導電性バンプを形成したので、裏面の配線に導電性バンプを接続してパッケージや回路基板へのバンプ接続が可能にしたので、実装構造が小型化できて簡素になり組み立て工数や実装部品点数が削減できてコストが減少する効果がある。
さらに、上記熱式センサにおいて、貫通配線がＰ形もしくはＮ形の不純物を高濃度に含んだシリコンであり、上記貫通配線の周囲にシリコンの酸化物からなる絶縁層を有するようにしたので、Ｐ形もしくはＮ形の不純物を高濃度に含んだシリコン基板の一部の領域の周辺をリング状に酸化して絶縁層を形成して絶縁層で囲まれた部分を貫通配線として、あらかじめ貫通配線を形成した基板を用いて熱式センサを形成することができ、容易に裏面出力の熱式センサが得られて、製造コストが削減できる効果がある。
本発明の熱式センサの製造方法は、上記熱式センサを製造するにあたって、上記基板の第１の面に形成された上記配線の一部領域まで貫通するように上記基板の第２の面から貫通穴を開口し、該貫通穴に溶融金属の液滴を選択的に導入して該液滴を貫通穴に埋め込み硬化して上記貫通配線を形成するように、例えば溶融金属もしくは導電性ペーストの液滴をインクジェット法により貫通穴に埋め込み硬化して作成したので、長さ１５０μｍ以上で１００μｍ以上の幅をもつ大きな貫通穴を完全に導電材で埋めることが容易に実現できて製造コストがかからない裏面出力の熱式センサが得られる効果がある。
また、本発明の熱式センサの製造方法は、上記熱式センサを製造するにあたって、基板としてＰ形もしくはＮ形の不純物を高濃度に含んだシリコンを用い、該シリコン基板の一部領域を筒状に上記基板の第１の面から第２の面に渡って酸化して筒状の絶縁層を形成し、該絶縁層で囲まれた部分を上記貫通配線としたので、あらかじめ貫通配線を形成した基板を用いて熱式センサを形成したので容易に裏面出力の熱式センサが得られて、製造コストが削減できる効果がある。
発明を実施するための最良の形態
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熱式センサを気体の流量センサとして用いた場合の素子外観図である。また、第２図は、第１図で示した流量センサの実装形態を示す断面図である。
図において、１は例えばシリコンウエハから切り出された熱式センサ素子１００を形成する平板状基板で、１５０μｍ以上の厚さの基板である。７，８は平板状基板１の一方の面に形成された絶縁性の支持膜で、例えば窒化シリコン膜からなる。窒化シリコン膜８は保護膜も兼ねている。窒化シリコン膜７，８の間に感熱抵抗体膜２が形成される。この感熱抵抗体膜２は、発熱抵抗、測温抵抗に利用される発熱部に相当するもので、例えば白金（Ｐｔ）からなる。また感熱抵抗体膜２で発生した熱がシリコン基板１に逃げずに発熱部の温度が上昇するように感熱抵抗体膜２の周囲を含む下方のシリコン基板１が除去され、空洞部１ａをなし、その部分では窒化シリコン膜７，８からなるダイヤフラム５が形成される。３は感熱抵抗膜２と貫通配線４を接続する表側の配線で、例えば感熱抵抗膜２と同じ材料の膜で形成されている。６は貫通配線４と基板１を電気的に絶縁する絶縁層である。９は基板裏面の配線層１０を基板１から電気的に絶縁するための絶縁層で例えば窒化シリコン膜である。また１１は裏面の保護膜で例えば窒化シリコン膜で、１２は裏面保護膜１１の開口部で熱式センサの裏面入出力パッドである。２１は熱式センサのパッケージで例えばエポキシ樹脂である。熱式センサ素子１００は接着剤１８によりパッケージ２１に固定されている。２３は外部入出力リード、２４は入出力パッド１２と外部入出力リード２３を電気的に接続するためのワイヤーボンド材で例えば２５μｍ径の金（Ａｕ）線である。また２２はワイヤーボンド２４を覆うパッケージ２１の蓋でパッケージ２１と同様エポキシ樹脂である。
なお、図中矢印Ｙは気流の方向を示すものである。
次に、第１図，第２図に示される熱式センサ素子１００の主要部の製造方法について説明する。板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１上に、例えば厚さ１μｍの窒化シリコン膜７をスパッタ法等の方法により形成し、さらにその上に例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜２を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜２は写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングがおこなわれ、これにより第１図のようなパターンの発熱部２と表面配線３が形成される。パターニングされた、白金膜２，３の上に、保護膜として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜８をスパッタ法等により形成する。貫通配線４は絶縁層６で基板１と電気的に絶縁されて形成される。表面配線３は支持膜７の開口部で貫通配線と電気的に接続されている。裏面配線１０は例えば以下のように形成される。裏面に厚さ約０．５μｍの窒化シリコン膜９をスパッタ法等により形成する。貫通配線４の部分の絶縁膜９を写真製版法等を用いて開口した後、裏面の配線膜として例えばＡｌＳｉ膜をスパッタ法等により形成する。裏面配線膜を写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこないエッチングして裏面配線１０を形成する。次に裏面保護膜１１として厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等により形成する。次に裏面配線１０上の裏面保護膜１１の一部を写真製版法等を用いてエッチングして出力部１２を形成する。これらの貫通配線４と裏面配線１０により表面に形成された発熱部や信号検出部などの各種センサの入出力が裏面出力部１２から取り出せるようになる。窒化シリコン膜７，８からなるダイヤフラム５は支持膜７，８が配置されている方の表面とは反対側の面に写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこない、例えばアルカリエッチング等を施すことにより形成される。このように作成した熱式センサ素子１００をパッケージ２１に接着剤１８で固定し、熱式センサ素子入出力パッド１２と外部入出力リード２３をワイヤーボンド２４で接続する。最後にパッケージの蓋２２を接着固定してワイヤーボンド部を保護する。
大気圧で熱式センサを利用する場合空気の熱伝導によってダイヤフラム５の裏面側からパッケージ２１へ流れる熱流による損失を考慮する必要がある。気体の流量を測定する熱式センサはセンサの発熱部２上を流れる気体によって奪われる熱量が流量に応じて変化することを用いて流量を測定する。したがって気体の流れによってダイヤフラム５の表面側から奪われる熱量に対しダイヤフラム５の裏面側からパッケージ２１へ流れる損失熱量は無視しうるほど小さくなければならない。この損失熱量はダイヤフラム５の裏面側から回路基板への距離Ｌ（第２図中）を大きくすることにより小さくできる。単純化した熱抵抗モデルでは損失は１／Ｌに比例するので、ある距離以上で急激に損失は減少する。大気圧ではＬを約１５０μｍ以上にすることで熱損失を無視できるほど小さくできる。したがって熱式センサの基板１の厚さを約１５０μｍ以上にすれば裏面方向への熱損失を無視できるほど小さくすることができて、検出精度を向上することや消費電力を削減することが可能になる。
そのため、本願発明においては、基板を１５０μｍ以上のものを用いかつ、このような厚さの基板に貫通穴を形成して貫通配線を用いることで、コンパクトにかつ熱損失の抑制された熱式センサが実現できた。
さらに、第３図は本実施例によるセンサ素子の外観図を示したものであるが、この図中の気流の方向Ｙは配線の取り出し口の方向と合致している。従来の素子では気流の方向Ｙに対して検出部の上流側と下流側は入出力部を配置することができなかった。本発明では入出力部を貫通配線で検出部の裏面側から取り出すようにしたので、第３図に示すように貫通配線４を気流の方向にも配置することが可能になり素子サイズを小さくすることができる。
実施例２．
第４図は、本発明の他の実施例による熱式センサの上面概略図で、発熱体２、貫通配線４等のレイアウトを示すものである。２６はセンサ素子用基板１上に配置された温度センサ素子である。ダイヤフラム５内には複数の発熱体２が配置されている。発熱体２と温度センサ２６の配線は貫通配線４により裏面から取り出せるようになっている。貫通配線の配置はダイヤフラム５の周囲の上下左右に配置してもよいし、片側のみに集中して配置してもよくセンサ素子を形成する基板１のどの位置に配置されてもよい。したがって素子のサイズを最小にして裏面への出力が取り出しやすい配置を選択できる。
実施例３．
第５図は、本発明の他の実施例の熱式センサの外観図である。図において、１９は基板１だけでなく、第３図中のダイヤフラム５の一部領域も除去した開口部で、ブリッジ状の支持膜２７で発熱体２を保持している。ブリッジにすることによりダイヤフラム構造に比べ水平方向の熱抵抗を高くできるので基板１に形成された空洞部１ａの大きさを小さくできるため素子サイズを小さくすることができる。
実施例４．
第６図は本発明の他の実施例による熱式センサの実装形態を示す断面図である。１５は裏面の入出力パッド１２と外部入出力リード２３を電気的に接続するバンプで例えば半田などの溶融金属や金で形成される。１８は素子と回路基板を固定し封止するためのエポキシ樹脂などの封止材である。なお、その他の構成は実施例１の第２図と同様である。
実施例１の第２図では、裏面の入出力パッド１２とパッケージ２１の外部入出力リード２３とをワイヤーボンド２４で接続した例について説明したが、本実施例ではワイヤーボンドの代わりにバンプを利用する。
次に第６図の熱式センサの実装方法を説明する。熱式センサ素子の入出力パッド１２とパッケージ２１の外部入出力リード２３のパッドの両方またはいずれかに例えば高さ数十μｍの金バンプを形成する。金バンプはワイヤーボンダを用いて個々のパッド１２、２３ａ（外部入出力リード２３のパッド部）上に金を圧接固定したり、メッキしたりしてパッド部に形成する。熱式センサ素子のパッド１２が外部入出力リード２３のパッド部（２３ａ）の真上にくるようにアライメントした後に加圧し温度を上げて接合し、パッド間を金バンプで電気的に接続する。この時接合をより強固にするため超音波を印加することもある。
またバンプ１５として半田などの溶融金属を用いる場合は以下のように作成する。熱式センサ素子の入出力パッド１２とパッケージ２１の外部入出力リード２３のパッド２３ａの両方またはいずれかに例えばメッキで数十μｍ大の半田バンプを形成する。熱式センサ素子のパッド１２が外部入出力リード２３のパッド２３ａの真上にくるようにアライメントした後に半田が溶ける温度まで加熱してパッド間を半田バンプで電気的に接続する。最後に、エポキシ樹脂などの封止材１８を素子とパッケージの間に入れて硬化する。バンプ構造にすることによりパッケージの構造が簡単になり、また小型化も可能になる。
上記実装方法は、実施例１の実装方法に代わるものであることは言うまでもなく、実施例２，３においても適用できることは言うまでもない。
実施例５．
第７図はバンプ接続を用いた本発明の他の実施例による熱式センサの実装形態を示す断面図である。１３は熱式センサ素子１００と信号処理回路素子１７を接続する配線基板で例えばガラスエポキシ樹脂で形成される。１４は配線基板１３の配線層であってバンプ１５で熱式センサの入出力パッド１２と電気的に接続されており、かつ信号処理回路素子１７の入出力パッド１７ａにもバンプ１６で接続されている。バンプ１５，１６は例えば半田などの溶融金属や金で形成される。１８は素子と回路基板を固定し封止するためのエポキシ樹脂などの封止材である。また２５はモールド樹脂である。バンプの接続方法は上記実施例４の第６図の場合と同様である。配線基板１３の上に熱式センサ素子１００と信号処理回路素子１７をバンプ１５，１６で接続した後にエポキシ樹脂などの封止材１８をセンサ素子１００や信号処理回路素子１７と回路基板１３の間に入れて硬化する。最後にモールド樹脂２５で検出面除く全体を封止する。この構造により信号処理回路を含めた小型化が可能になる。
上記実装方法は、実施例１乃至３のいずれの熱式センサにも適用できることは言うまでもない。
実施例６．
本実施例では、上記実施例１乃至５に記載された熱式センサ中の貫通配線の具体的形成方法について説明する。
貫通配線は従来例えば特開２００１−６８６１８号公報で示されているように基板に貫通穴を開け穴の内壁に絶縁膜を形成した後メッキ法で金属を貫通穴内に充填する方法で一般には形成されるが、熱式センサでは基板の厚さが１５０μｍ以上必要なので、この基板を貫く貫通配線の長さも１５０μｍ以上になる。プロセスを考慮すると、基板厚は小さい方が良いが、熱式センサの場合前述したとおり、熱損失の点で１５０μｍ以上必要となる。そのため、従来の手法では難しく、貫通配線形成には特別な方法が必要になる。例えば厚さ４００μｍの基板に１００μｍ大の貫通穴を開ける時は、貫通穴のアスペクト比（穴長さ／径）は４と比較的小さいので通常のプラズマ異方性エッチングで貫通穴は容易に形成できる。しかしながらメッキ法で大きな貫通穴に金属を完全に充填しようとすると作業時間と材料コストが大きくなってしまう。貫通穴を完全に埋め込めない場合、裏面に凹部ができてしまい貫通配線以降の写真製版加工が難しくなる。一方、貫通穴を例えば４μｍ径程度の小ささにすればＣＶＤ法やメッキ法など一般的な金属の成膜方法で貫通穴の表面を導電材で覆うことは可能になるが、貫通穴のアスペクト比が１００と大きくなり貫通穴全長にわたって均一に導電材を埋め込むのは困難である。またこの大きなアスペクト比では貫通穴のエッチング加工も難しくなる。
第８図（ａ）から（ｅ１，２）は本発明の一実施例の貫通配線を形成する方法を説明するための図である。以下、貫通配線の形成方法を図に従って説明する。
図中（ａ）において、板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１上に、例えば厚さ約１μｍの窒化シリコン膜７をスパッタ法等の方法により形成する。次に貫通配線が形成される領域の一部の窒化シリコン膜７を開口してコンタクトホール３０を形成する。このコンタクトホール３０を介して表面配線３は貫通配線へ電気的に接続される。次に、例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜２を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜２を写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングして第１図で示したようなパターンの発熱部（感熱抵抗膜）２と表面配線３が形成される。次に、白金膜２，３の上に、保護膜として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜８をスパッタ法等により形成する。次に支持膜７、８が配置されている方の表面とは反対側の面に写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこない、例えば反応性イオンビームエッチングにより窒化シリコン膜７が露出するまでＳｉの異方性エッチングをおこない１００μｍ程度の大きさの貫通穴３１を形成する。この時コンタクトホール部３０の表面配線３が露出するまでエッチングされる。貫通穴のアスペクト比は４程度で小さいので通常のプラズマ異方性エッチングで貫通穴は容易に形成できる。
次に、図中（ｂ）に示すように、貫通穴３１の壁面及び基板１の裏面に例えば窒化シリコン膜などの絶縁膜３２をスパッタ法やＣＶＤ法などで成膜した後、コンタクトホール３０の部分の絶縁膜３２を除去する。なお表面配線形成前に形成したコンタクトホール３０は、この絶縁膜３２の一部除去時に貫通穴３１側から絶縁膜７をエッチングして形成してもよい。次に、図中（ｃ）に示すように、例えば直径７０μｍ程度の半田などの溶融金属の液滴３３を例えばインクジェット法を用いて貫通穴３１内に選択的に打ち込み、貫通穴３１を溶融金属で埋めていく。貫通穴に打ち込む液滴の数を調整して裏面の表面まで溶融金属を埋めて、図中（ｄ）で示すような貫通配線３４が形成される。この時、基板１を加熱して溶融金属の液滴を溶けたまま貫通穴に溜めてその後冷却して硬化しても良いし、加熱せずに適量の液滴を打ち込んだ後で基板１を加熱して溶融し硬化しても良い。このように貫通配線材料を貫通穴の表面まで調整して埋め込むことにより裏面の貫通穴部の凹部はなくなり以降の写真製版加工が容易になる。
次に、図中（ｅ１）に示すように裏面の配線膜として例えばＡｌＳｉ膜をスパッタ法等により形成する。裏面配線膜を写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこないエッチングして裏面配線１０を形成する。次に裏面保護膜１１として厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等により形成する。次に裏面配線１０上の裏面保護膜１１の一部を写真製版法等を用いてエッチングして出力部１２を形成する。これらの貫通配線３４と裏面配線１０により表面に形成された発熱部や信号検出部などの各種センサの入出力が裏面出力部１２から取り出せるようになる。
また、図中（ｅ２）に示すように貫通配線部に接続バンプ３５を直接形成すれば裏面配線１０は必要なくなる。
図中（ｅ１）、（ｅ２）ともに、最後に裏面配線の形成される側より基板１をエッチングし、感熱抵抗体膜２の形成された部分をダイヤフラム部５に仕上げる。
また、上記実施例では溶融金属として半田を用いたがこれは他の溶融金属でも良い。
さらに、貫通穴とダイヤフラム部の基板のエッチングとしてプラズマ異方性エッチングを用いたが、これは例えばＫＯＨなどのアルカリ溶液を用いたウエットエッチング等でもよいし、また同時に開口してもよい。第９図に貫通穴とダイヤフラム部の基板のエッチングをウエットエッチングにより同時におこなった場合の工程の概略断面図を示す。形成方法を図に従って説明する。図中（ａ）において、板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１上に、例えば厚さ約１μｍの窒化シリコン膜７をスパッタ法等の方法により形成する。次に貫通配線が形成される領域の一部の窒化シリコン膜７を開口してコンタクトホール３０を形成する。このコンタクトホール３０は表面配線３を貫通配線へ電気的に接続する。次に、例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜２を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜２を写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングして第１図のようなパターンの発熱部（感熱抵抗体膜）２と表面配線３が形成される。次に、白金膜２，３の上に、保護膜として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜８をスパッタ法等により形成する。次に支持膜７，８が配置されている方の表面とは反対側の面に写真製版法等を用いて、貫通穴とダイヤフラムとの部分がエッチングされるように所望のパターニングをおこなう。そして、ＫＯＨなどのアルカリ溶液を用いたウエットエッチング法により窒化シリコン膜７が露出するまでＳｉの異方性エッチングをおこない、６００μｍ程度の大きさの貫通穴３１とダイヤフラム５を形成する。この時コンタクトホール部３０の表面配線３も露出する。方位（１００）のＳｉウエハを基材とした場合（１１１）面でエッチングが止まるので図に示すように５４．７度のスロープが形成される。したがって貫通穴の裏面側の開口部を６００μｍ角に設計すると表面側の開口３４μｍ角になる。
次に、図中（ｂ）に示すように貫通穴３１の壁面及び基板１の裏面に例えば窒化シリコン膜などの絶縁膜３２をスパッタ法やＣＶＤ法などで成膜した後、コンタクトホール３０の部分とダイヤフラム５の部分の絶縁膜３２を除去する。なお第８図中（ｂ）の説明でも述べたが、表面配線形成前に形成したコンタクトホール３０は、この時に絶縁膜３２と絶縁膜７を同時にエッチングすることで形成してもよい。
次に、図中（ｃ）に示すように、例えば直径７０μｍ程度の半田などの溶融金属の液滴３３を例えばインクジェット法を用いて貫通穴３１内に選択的に打ち込み、貫通穴３２を溶融金属で埋めていく。
次に、図中（ｄ）に示すように、貫通穴に打ち込む液滴の数を調整して裏面の表面まで溶融金属を埋めて貫通配線３４が形成される。この時、基板１を加熱して溶融金属の液滴を溶けたまま貫通穴に溜めてその後冷却して硬化しても良いし、加熱せずに適量の液滴を打ち込んだ後で基板１を加熱して溶融し硬化しても良い。
次に、図中（ｅ１）に示すように裏面の配線膜として例えばＡｌＳｉ膜をスパッタ法等により形成する。裏面配線膜を写真製版法等を用いて所望のパターニングをおこないエッチングして裏面配線１０を形成する。次に裏面保護膜１１として厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等により形成する。次に裏面配線１０上の裏面保護膜１１の一部を写真製版法等を用いてエッチングして出力部１２を形成する。これらの貫通配線４と裏面配線１０により表面に形成された発熱部や信号検出部などの各種センサの入出力が裏面出力部１２から取り出せるようになる。
また、図中（ｅ２）に示すように貫通配線部に接続バンプ３５を直接形成すれば裏面配線１０は必要なくなる。
なお、図中（ｂ）以下は第８図中（ｂ）以下と同様である。
実施例７．
本実施例では、上記実施例１乃至５に記載された熱式センサ中の貫通配線の具体的形成方法について他の例を説明する。
第１０図及び第１１図は本発明の実施例の貫通配線を形成する他の方法の一例を説明するための図である。第１０図は斜視図、第１１図は形成の手順に従った工程図である。以下、形成方法を図に従って説明する。
まず、第１０図を用いて貫通配線部の作成方法を説明する。基材１としてＮ形もしくはＰ形の不純物を高濃度に含んだシリコンウエハを使用する。図中（ａ）に示すように板状基材である厚さ約４００μｍのシリコンウエハ１の貫通配線形成部周辺を囲むように幅５μｍ程度の微細貫通穴４１の配列を形成する。この時微細貫通穴４１の配列のピッチは隣り合う微細貫通穴間のシリコン壁が薄くなるように設定する。例えばＳｉ壁が２μｍ程度になるように設定する。これらの微細貫通穴は、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いたシリコンのドライエッチングやシリコンとフッ酸水溶液の電気化学反応を用いたエレクトロケミカルエッチングのような方法で形成される。
次に、９００℃以上の酸素雰囲気中で基板１を酸化することにより微細貫通穴４１の周辺を酸化する。ここでは酸化された基板表面部は除去したが、必要に応じて残してもよい。約１μｍ以上酸化すると図中（ｂ）で示すように隣り合う微細貫通穴間のシリコン壁が完全に酸化されてシリコン酸化膜によるドーナツ状の絶縁層４２が形成される。絶縁層４２に囲まれた酸化されずに残った基材１の部分が貫通配線４３になる。基材１で貫通配線４３を形成するが素子基板の他の部分と貫通配線４３は絶縁層４２で電気的に分離されている。基板１の表面側の配線と裏面側の配線を貫通配線４３に接続すれば表面に形成された素子の入出力を裏面側から取り出すことが可能になる。この貫通配線の抵抗は基材１の抵抗で決まる。例えば、基材１に０．００５Ωｃｍの高濃度ｐ形シリコン基板を用いた場合、貫通配線部４３の大きさを２００μｍ×２００μｍとすると貫通配線の抵抗は０．５Ωになる。これは数１００〜数１０００Ωの感熱抵抗膜の抵抗値に比べ十分に小さい。
上記の貫通配線を用いた熱式センサ素子の作成方法を第１１図中（ａ）から（ｄ）に従って説明する。まず、図中（ａ）のように、第１０図の方法で貫通配線４３を形成した基板１を用意する。次に、図中（ｂ）のように、基板１の表面に、例えば厚さ約１μｍの窒化シリコン膜７をスパッタ法等の方法により形成する。次に貫通配線４３上の窒化シリコン膜７を開口してコンタクトホール３０を形成する。このコンタクトホール３０を介して表面配線３を貫通配線４３へ電気的に接続する。次に、例えば厚さ０．２μｍの白金等よりなる感熱抵抗体膜２を蒸着法やスパッタ法等により形成する。その後、安定化のために約６００℃で数時間アニールする。この白金膜２を写真製版法、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法等を用いてパターニングして第１図のようなパターンの発熱部２と表面配線３が形成される。次に、白金膜２，３の上に、保護膜として、厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜８をスパッタ法等により形成する。次に、図中（ｃ）に示すように裏面に厚さ約０．５μｍの窒化シリコン膜９をスパッタ法等により成膜して貫通配線４３の部分の絶縁膜９の一部４３を写真製版法等により開口する。次に、裏面の配線膜として例えばＡｌＳｉ膜をスパッタ法等により形成する。裏面配線膜を写真製版法等によって所望のパターニングをおこないエッチングして裏面配線１０を形成する。次に裏面保護膜１１として厚さ約０．８μｍの窒化シリコン膜をスパッタ法等により形成する。次に、裏面配線１０上の裏面保護膜１１の一部を写真製版法等によってエッチングして出力部１２を形成する。
最後に、図中（ｄ）のように、裏面より基板１をエッチングしてダイヤフラム部５を作成する。こうして貫通配線４３と裏面配線１０により表面に形成された発熱部や信号検出部などの各種センサの入出力が裏面出力部１２から取り出せるようになる。
なお、図中（ｃ）工程で、絶縁膜９を形成し、開口部４４を形成した後、上記実施例６の第８図、第９図中（ｅ２）のように接続バンプを設けて、入出力部としても良い。
実施例８．
上記実施例１乃至７においては熱式センサとして、流量センサの例を挙げて説明したが、他の熱式センサ、たとえば受圧ダイヤフラムと熱式センサを組み合わせた熱式の圧力センサであってもよい。第１２図は本発明の熱式センサを圧力センサとして使用した場合の外観を示した模式図で、第１３図は実装形態を示す断面図である。第１３図では、実施例５の第７図に示した流量センサの実装形態と同じバンプ接続を用いた場合の圧力センサの実装形態を示している。図において、熱式センサ素子１００の部分の構造と製造方法とは実施例１乃至７で示した熱式の流量センサと同様のものが使用できる。４５はＳＵＳやコバールなどの金属で形成されたダイヤフラムの筐体で圧力が印加されると４６の薄膜ダイヤフラム部が熱式センサ素子１００の方へ膨らむ。４７はダイヤフラム４６と熱式センサ素子１００の間の数十μｍのギャップを定めるスペーサーで例えばポリイミド樹脂などで形成される。このスペーサー４７の上方が受圧部、下方がセンサ部となり圧力センサを構成する。流量センサではセンサの発熱部２上を流れる気体によって奪われる熱量が流量に応じて変化することを用いて流量を測定したが、圧力センサではダイヤフラム４６の中心部と感熱抵抗膜２の形成された発熱部との距離が圧力（図中Ｐ）に応じて変化し、それによって発熱部からダイヤフラム４６へ奪われる熱量が変化することを用いて圧力を測定する。１３は熱式センサ素子１００と信号処理回路素子１７を接続する配線基板で例えばガラスエポキシ樹脂で形成される。１４は配線基板１３の配線層で配線基板１３の両面に形成され、バンプ１５で熱式センサの入出力パッド１２と電気的に接続されている。さらに、信号処理回路素子１７の入出力パッド１７ａにもバンプ１６で接続されている。バンプ１５，１６は例えば半田などの溶融金属や金で形成される。１８は素子と回路基板を固定し封止するためのエポキシ樹脂などの封止材である。バンプの接続方法は上記実施例４の第６図の場合と同様である。配線基板１３の上に熱式センサ素子１００と信号処理回路素子１７をバンプ１５，１６で接続した後にエポキシ樹脂などの封止材１８をセンサ素子１００や信号処理回路素子１７と回路基板１３の間に入れて硬化する。最後にダイヤフラム筐体４５とセンサ素子１００をスペーサー４７の部分で接着剤などにより接着するか回路基板１３をバネなどでダイヤフラム筐体４５の方へ押し付けて固定する。
従来の表面から出力を取り出す熱式センサをセンサ部として使用した場合は出力パッドから出力をダイヤフラム筐体の外側まで引き出す必要があり、その分基板を大きくしていたので、ダイヤフラム筐体より小さなセンサ素子は実現できなかった。この実施例の構造によりダイヤフラム筐体よりも小さなセンサ素子が実現できる。また信号処理回路を含めた小型化が可能になる。
産業上の利用可能性
この発明による熱式センサは、例えば車両用等の内燃機関の吸入空気量の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の実施例による熱式センサ（流量センサ）の素子部の外観を示した模式図で、第２図は熱式センサの実装形態を示す断面図である。第３図は第１図とは別のセンサ素子の模式図である。
第４図は、本発明の第２の実施例による熱式センサの素子部の上面概略図で、発熱体、貫通配線のレイアウトを示したものである。
第５図は、本発明の第３の実施例による熱式センサの素子部の外観を示した模式図である。
第６図は、本発明の第４の実施例による熱式センサの実装形態を示す断面図で、第１〜３の実施例で示した熱式センサの実装形態の具体例を示したものである。
第７図は、本発明の第５の実施例による熱式センサの実装形態を示す断面図で、第１〜３の実施例で示した熱式センサの実装形態の具体例としてバンプ接続の例を示したものである。
第８図は、本発明の第６の実施例による熱式センサの製造工程を（ａ）から（ｅ１）乃至（ｅ２）の順に示すもので、特に貫通配線の形成過程を示すためのもので、第９図は貫通穴とダイヤフラム形成を第８図のプラズマエッチングとは異なるウエットエッチング法で形成する例を示した工程図である。
第１０図、第１１図は、本発明の第７の実施例による熱式センサの製造工程を説明するための図で、第１０図は貫通穴形成を説明するための一部斜視図、第１１図は、第１０図によって形成された貫通穴を用いて（ａ）から（ｅ１）乃至（ｅ２）の順に貫通配線の形成過程を示すため図である。
第１２図は本発明の第８の実施例による熱式センサ（圧力センサ）の素子部の外観を示した模式図で、第１３図はセンサの実装形態を示す断面図である。
第１４図は、従来の熱式センサの外観を示したセンサ素子外観図、第１５図は、第１４図の熱式センサの実装形態を含んだ断面模式図である。
【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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【国際調査報告】
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