(57)【要約】【課題】この発明は、出力特性の信頼性の高い熱式センサおよび発熱構造体を得る。【解決手段】開口が穿設された平板状の基材と、支持膜４が基材１の表面上の全面に形成され、所定のパターンの白金膜からなる発熱抵抗６が支持膜４上に形成され、保護膜５が発熱抵抗６を覆うように支持膜４の全面に形成されている。そして、基材１の裏面側から支持膜４に至るように基材１を除去して、キャビティ２が発熱抵抗６の形成領域の下部に形成され、ダイヤフラム部の発熱構造体８Ａが構築されている。そして、支持膜４および保護膜５が２．２５未満の屈折率を有するシリコン窒化膜で構成されている。【選択図】        図２
2004156988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１絶縁性膜と、上記第１絶縁性膜上に配設された白金膜からなる発熱抵抗と、上記発熱抵抗上に形成された第２絶縁性膜とを備えた発熱構造体において、
上記第１および第２絶縁性膜との少なくとも一方の絶縁性膜が２．２５未満の屈折率を有するシリコン窒化膜で構成されていることを特徴とする発熱構造体。
【請求項２】
上記発熱抵抗は、６００℃以上、７５０℃以下の温度で熱処理されていることを特徴とする請求項１記載の発熱構造体。
【請求項３】
開口が穿設された平板状の基材と、支持膜が上記基材の第１の表面上に上記開口を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗が上記開口上の上記支持膜の部位に形成され、さらに保護膜が上記発熱抵抗上に形成されて構成されたダイヤフラム構造の発熱構造体とを備えた熱式センサにおいて、
上記支持膜および上記保護膜の少なくとも一方の膜が２．２５未満の屈折率を有するシリコン窒化膜で構成されていることを特徴とする熱式センサ。
【請求項４】
開口が穿設された平板状の基材と、支持膜が上記基材の第１の表面上に上記開口を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗が上記開口上の上記支持膜の部位に形成され、さらに保護膜が上記支持膜上に上記発熱抵抗を覆うように形成されて構成されたダイヤフラム構造の発熱構造体とを備えた熱式センサにおいて、
上記支持膜および上記保護膜がシリコン窒化膜で構成され、かつ、上記発熱構造体が５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するように構成されていることを特徴とする熱式センサ。
【請求項５】
開口が穿設された平板状の基材と、支持膜が上記基材の第１の表面上に上記開口を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗が上記開口上の上記支持膜の部位に形成され、第１保護膜が上記発熱抵抗上に形成され、中間膜が上記支持膜上に上記第１保護膜を覆うように形成され、さらに第２保護膜が上記中間膜上に形成されて構成されたダイヤフラム構造の発熱構造体とを備えた熱式センサにおいて、
上記支持膜、上記第１保護膜および上記第２保護膜がシリコン窒化膜で構成され、上記発熱構造体が５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するように構成され、かつ、上記中間膜が上記支持膜の膜厚と上記第２保護膜の膜厚との総和の１／１０以下の膜厚に形成されていることを特徴とする熱式センサ。
【請求項６】
上記発熱抵抗は、６００℃以上、７５０℃以下の温度で熱処理されていることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の熱式センサ。
【請求項７】
上記シリコン窒化膜が化学量論組成であるＳｉ３Ｎ４膜の組成比率よりＳｉリッチな膜に形成されていることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の熱式センサ。
【請求項８】
上記中間膜がＳＯＧ膜であることを特徴とする請求項５記載の熱式センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流量、加速度、圧力等を検出する熱式センサおよびそれに用いられる発熱構造体に関し、特に熱式流量センサにように微少な抵抗変化が出力変動として増幅されて現れるアプリケーションに用いられる熱式センサおよびそれに用いられる発熱構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
第１の従来の熱式流量センサの発熱構造体は、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２からなる支持膜がシリコン基板の表面の全面に被覆形成され、白金からなる発熱抵抗が支持膜上に形成され、さらにＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２からなる保護膜が発熱抵抗を覆うように支持膜上に形成されている。そして、キャビティが発熱抵抗の配設領域の下部のシリコン基板をその裏面側から支持膜に至るように除去して形成されている。これにより、支持膜、発熱抵抗および保護膜からなるダイヤフラム構造の発熱構造体がキャビティ上部に形成されている。（例えば、特許文献１）
また、第２の熱式流量センサの発熱構造体は、ダイヤフラム部を構成する支持膜および保護膜をシリコン基板に対して軽度の引張応力が生じるように形成している。（例えば、特許文献２）
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２９６７号公報（図１）
【特許文献２】
特開平１１−１９４０４３号公報（図２、段落００１２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この第１の従来の発熱構造体においては、ダイヤフラム部を構成する支持膜および保護膜に圧縮応力となりやすいＳｉＯ２のような材料を用いると、発熱抵抗が発熱した際に、ダイヤフラム部が熱膨張して変形することになる。そして、ダイヤフラム部のサイズが大きくなるほど、ダイヤフラム部の変形が大きくなる。これにより、ダイヤフラム部からの放熱特性が変化し、計測にバラツキを生じる。
一方、第２の従来の発熱構造体においては、ダイヤフラム部を構成する支持膜および保護膜がシリコン基板に対して軽度の引張応力が生じるように形成されているので、発熱抵抗に発熱によるダイヤフラム部の変形を抑制することができる。しかしながら、軽度の引張応力の具体的な数値、ダイヤフラム部のサイズと引張応力との関係ついては何ら述べられていない。
【０００５】
このような状況に鑑み、本出願人は、ダイヤフラム部を構成する支持膜および保護膜としてシリコン窒化膜を選択し、スパッタリング装置では、アルゴンや窒素の流量、および、真空室内のガス圧等を調整し、またプラズマＣＶＤ装置では、シラン、アンモニア等の材料ガスの流量比率を調整することにより、引張応力のシリコン窒化膜を安定して形成できることを見出し、本発明を発明するに至ったものである。そして、製造装置によっては、引張応力のシリコン窒化膜を得るためには、化学量論組成であるＳｉ３Ｎ４膜におけるＳｉとＮとの組成比率に対し、Ｓｉリッチな膜とする必要があることを見出した。
しかしながら、このＳｉリッチなシリコン窒化膜で形成された支持膜および保護膜により白金膜からなる発熱抵抗を挟み込んで構成される発熱構造体では、下記の如く、出力特性の信頼性が得られないという課題があった。
また、この発熱構造体を動作させる温度条件としては、水分の吸着による汚損を考慮すると、周囲の雰囲気温度よりも１００℃以上高い温度に発熱させるのが好ましいが、そのような温度条件下で、このＳｉリッチなシリコン窒化膜で形成された支持膜および保護膜により白金膜からなる発熱抵抗を挟み込んで構成される発熱構造体の発熱抵抗への通電加熱を連続して行った場合、連続通電加熱後の発熱抵抗の抵抗値が、連続通電加熱前の抵抗値に対して変動する現象がみられる。この連続通電加熱後の発熱抵抗の抵抗値の変動に起因して、出力特性変動が生じる。
また、発熱構造体を構成する支持膜および保護膜が軽度な引張応力を有していても、矩形のダイヤフラム部の短辺の長さが１ｍｍ以上の大きなサイズでは、引張応力が小さすぎると、発熱抵抗の発熱時にダイヤフラム部が熱膨張し、撓みを発生する。このダイヤフラム部の撓み、即ち変形はダイヤフラム部からの放熱特性を変化させ、出力のバラツキをもたらす。
【０００６】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、シリコン窒化膜の余剰Ｓｉを少なくして抵抗値上昇の要因となる発熱抵抗のシリサイド化を抑制し、またシリコン窒化膜の引張応力の大きさを規定して発熱抵抗の発熱時に発生するダイヤフラム部の変形を抑制し、出力特性の信頼性の高い発熱構造体およびそれを用いた熱式センサを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る発熱構造体は、第１絶縁性膜と、上記第１絶縁性膜上に配設された白金膜からなる発熱抵抗と、上記発熱抵抗上に形成された第２絶縁性膜とを備え、上記第１および第２絶縁性膜との少なくとも一方の絶縁性膜が２．２５未満の屈折率を有するシリコン窒化膜で構成されている。
【０００８】
この発明に係る熱式センサは、開口が穿設された平板状の基材と、支持膜が上記基材の第１の表面上に上記開口を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗が上記開口上の上記支持膜の部位に形成され、さらに保護膜が上記発熱抵抗上に形成されて構成されたダイヤフラム部の発熱構造体とを備え、上記支持膜および上記保護膜の少なくとも一方の膜が２．２５未満の屈折率を有するシリコン窒化膜で構成されている。
【０００９】
また、この発明に係る熱式センサは、開口が穿設された平板状の基材と、支持膜が上記基材の第１の表面上に上記開口を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗が上記開口上の上記支持膜の部位に形成され、さらに第１保護膜が上記支持膜上に上記発熱抵抗を覆うように形成されて構成されたダイヤフラム部の発熱構造体とを備え、上記支持膜および上記第１保護膜がシリコン窒化膜で構成され、かつ、上記発熱構造体が５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するように構成されている。
【００１０】
また、この発明に係る熱式センサは、開口が穿設された平板状の基材と、支持膜が上記基材の第１の表面上に上記開口を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗が上記開口上の上記支持膜の部位に形成され、第１保護膜が上記発熱抵抗上に形成され、中間膜が上記支持膜上に上記第１保護膜を覆うように形成され、さらに第２保護膜が上記中間膜上に形成されて構成されたダイヤフラム部の発熱構造体とを備え、上記支持膜、上記第１保護膜および上記第２保護膜がシリコン窒化膜で構成され、上記発熱構造体が５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するように構成され、かつ、上記中間膜が上記支持膜の膜厚と上記第２保護膜の膜厚との総和の１／１０以下の膜厚に形成されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る発熱構造体を示す断面図である。
なお、図１では、構成をわかりやすくするために、実際の寸法比で描かれていない。これは、以下の各図においても同様である。
【００１２】
図１において、発熱構造体８は、アルミナ膜からなる第１絶縁性膜としての下地膜３が平板状のシリコン基板からなる基材１の表面の全面に形成され、感熱抵抗材である白金膜を所定のパターンに形成された発熱抵抗６が下地膜３上に形成され、さらに窒化シリコン膜からなる第２絶縁性膜としての保護膜５が発熱抵抗６を覆うように下地膜３上に形成されて、構成されている。そして、保護膜５を構成するシリコン窒化膜が２．２５未満の屈折率となるように成膜されている。
【００１３】
つぎに、この発熱構造体８の製造方法について説明する。
まず、スパッタリング等の方法を用いて、基材１の表面の全面に例えば２μｍの厚さにアルミナ膜を成膜して、基材１上に絶縁性の下地膜３を形成する。ついで、蒸着やスパッタリング等の方法を用いて、下地膜３の表面の全面に例えば０．５μｍの厚さに白金膜を成膜する。そして、白金膜が成膜された基材１を真空中で６００℃〜７５０℃の熱処理を施す。ついで、写真製版、ウエットエッチング（あるいはドライエッチング）等の方法を用いて、白金膜をパターニングし、所定パターンの発熱抵抗６を形成する。さらに、スパッタ、プラズマＣＶＤ等の方法を用いて、発熱抵抗６を覆うように下地膜３の表面の全面に例えば２μｍの厚さにシリコン窒化膜を成膜して、絶縁性の保護膜５を形成し、発熱構造体８が得られる。
【００１４】
つぎに、保護膜５の屈折率を変化させた発熱構造体８を作製し、１３０℃の雰囲気温度の下、発熱構造体の発熱抵抗６の発熱温度が雰囲気温度より１２０℃高い温度（２５０℃）を維持するように発熱抵抗６に５００時間、連続通電し、連続通電の前後における発熱抵抗６の抵抗値変化率を測定した結果を図５に○で示す。
なお、図５中、縦軸は連続通電の前後における発熱抵抗の抵抗値変化率を示し、横軸は保護膜の屈折率である。また、抵抗値変化率は、通電前の抵抗値に対する（通電後の抵抗値−通電前の抵抗値）の割合である。また、保護膜５の屈折率は８３０ｎｍの波長の光で測定した。そして、保護膜５であるシリコン窒化膜のＳｉとＮとの元素比率を変えて屈折率を変化させている。
【００１５】
図５から、保護膜５の屈折率が大きくなるにつれ抵抗値変化率が大きくなることがわかる。そして、保護膜５の屈折率が２．２５未満では、抵抗変化率が０．１５％以下に安定しているが、屈折率が２．２５を超えると抵抗値変化率が急激に増加して０．２％以上となった。
これは、屈折率が２．２５以上であると、シリコン窒化膜中の余剰Ｓｉが多くなり過ぎ、過剰な余剰Ｓｉが発熱抵抗６の発熱中に発熱抵抗６を構成する白金膜のシリサイド化を助長し、発熱抵抗６の抵抗値変動を大きくしてしまう。そして、屈折率が２．２５未満であると、シリコン窒化膜中のＳｉ比率が適正化されており、余剰Ｓｉが少なくなり、余剰Ｓｉによる発熱抵抗６を構成する白金膜のシリサイド化の助長作用が軽減され、発熱抵抗６の抵抗値変動が抑制されたもの、と考えられる。
【００１６】
そして、発熱抵抗６の抵抗値変化率が０．２％以上となると、センシング感度が得られにくい条件下、増幅率を高めて出力するような場合、出力特性に影響を及ぼしてしまう。
しかしながら、この実施の形態１では、シリコン窒化膜で構成された保護膜５の屈折率を２．２５未満とし、白金膜のシリサイド化に起因する発熱抵抗６の抵抗値変化率を小さくしているので、過酷な使用条件下でも、出力特性変動が小さく、安定した信頼性の高い発熱構造体８が得られる。
【００１７】
ここで、自動車の内燃機関の吸入空気流量を測定する場合、雰囲気温度１３０℃といった厳しい条件下で、発熱抵抗６の発熱温度が雰囲気温度より１００℃以上高い温度に維持されるように発熱抵抗６への通電が制御される。さらに、センシング感度が得られにくい条件下では、増幅率を高めて出力することになる。
従って、シリコン窒化膜で構成された保護膜５の屈折率を２．２５未満とする発熱構造体８を自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定に適用した場合、過酷な使用条件下、発熱抵抗６の抵抗値変化が少ないので、出力特性変動が小さく、吸入空気流量を安定して信頼性よく検出することができる。
【００１８】
また、この実施の形態１では、発熱抵抗６（白金膜）に真空中で熱処理している。
そして、熱処理温度が６００℃未満であると、白金膜の抵抗温度係数ＴＣＲ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が２８００ｐｐｍ／℃より小さく、白金膜の抵抗変動に対する出力特性変動の割合が大きくなってしまう。また、熱処理温度が７５０℃を超えると、発熱抵抗６の発熱中におけるシリコン窒化膜中の余剰Ｓｉによる白金膜のシリサイド化が助長され、発熱抵抗６の抵抗値変化率がおおきくなってしまう。そこで、白金膜の熱処理温度を６００℃〜７５０℃とすることが望ましい。そして、白金膜を６００℃〜７５０℃で熱処理することにより、白金膜の抵抗温度係数ＴＣＲを２８００ｐｐｍ／℃〜３３００ｐｐｍ／℃に高めることができる。
そこで、この実施の形態１では、発熱抵抗６（白金膜）に真空中で６００℃〜７５０℃の温度で熱処理しているので、白金膜のシリサイド化に起因する発熱抵抗６の抵抗値変化率を小さくでき、白金膜の抵抗温度係数ＴＣＲが２８００ｐｐｍ／℃〜３３００ｐｐｍ／℃に高まり、白金膜の抵抗変動に対する出力特性変動の割合を比較的低くすることができる。
【００１９】
なお、上記実施の形態１では、下地膜３にアルミナ膜を用いるものとしているが、下地膜に熱酸化膜（ＳｉＯ２）やＰＳＧ膜（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）等のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を用いてもよい。そして、下地膜にシリコン窒化膜を用いる場合には、シリコン窒化膜の屈折率を２．２５未満にすることになる。
また、上記実施の形態１では、基材１としてシリコン基板を用いるものとして説明しているが、基材１の材料は特に特定されるものではなく、例えばアルミナ基板やガラス基板を用いてもよい。そして、基材１がアルミナ基板で作製されている場合には、下地膜３を省略して、発熱抵抗６および保護膜５を基材１上に直接形成するようにしてもよい。
また、上記実施の形態１では、保護膜５が発熱抵抗６を覆うように下地膜３上に形成されているものとしているが、保護膜５が発熱抵抗６の上面のみを覆うように形成され、別の保護膜が保護膜５と発熱抵抗６とを覆うように形成されていてもよい。
【００２０】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る熱式センサの発熱構造体の構造を説明するための断面図、図３はこの発明の実施の形態２に係る熱式センサの発熱構造体周りを示す平面図である。なお、図３は保護膜５を除去した状態を示している。
【００２１】
図２および図３において、熱式センサ２０は、開口としてのキャビティ２が穿設された平板状の基材１と、基材１の表面（第１の面）上にキャビティ２を覆うように形成されたダイヤフラム部の発熱構造体８Ａとを備えている。
基材１は、平板状のシリコン基板であり、その表面の全面が熱酸化膜等の基材保護膜９で覆われている。そして、キャビティ２が基材１の裏面（第２の面）側から基材１および基材保護膜９の一部を除去して形成されている。
発熱構造体８Ａは、シリコン窒化膜からなる絶縁性の支持膜４が基材１の表面上にキャビティ２を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗６および感熱抵抗７がキャビティ２上の支持膜４の部位に形成され、さらにシリコン窒化膜からなる絶縁性の保護膜５が支持膜４上に発熱抵抗６および感熱抵抗７を覆うように形成されて構成されている。そして、支持膜４および保護膜５を構成するシリコン窒化膜が２．２５未満の屈折率となるように成膜されている。
【００２２】
つぎに、この熱式センサ２０の製造方法について説明する。
まず、スパッタリング、プラズマＣＶＤ等の方法を用いて、基材１の基材保護膜９の表面の全面に例えば２μｍの厚さにシリコン窒化膜を成膜して、基材１上に絶縁性の支持膜４を形成する。ついで、蒸着やスパッタリング等の方法を用いて、支持膜４の表面の全面に例えば０．２μｍの厚さに白金膜を成膜する。そして、白金膜が成膜された基材１を真空中で６００℃〜７５０℃の熱処理を施す。ついで、写真製版、ウエットエッチング（あるいはドライエッチング）等の方法を用いて、白金膜をパターニングし、所定パターンの発熱抵抗６、感熱抵抗７および電流路１０を形成する。さらに、スパッタ、プラズマＣＶＤ等の方法を用いて、発熱抵抗６、感熱抵抗７および電流路１０を覆うように支持膜４の表面の全面に例えば３μｍの厚さにシリコン窒化膜を成膜して、絶縁性の保護膜５を形成する。
【００２３】
ついで、基材１の裏面の全面にレジストを塗布し、裏面保護膜（図示せず）を形成する。そして、写真製版等を用いて、裏面保護膜の一部を除去して、エッチングホール（図示せず）を形成する。その後、例えばアルカリエッチングを施して、基材１の裏面側から支持膜４に至るように基材１および基材保護膜９を除去し、キャビティ２を形成する。このキャビティ２は、発熱抵抗６および感熱抵抗７の形成領域の下部に対応して形成されている。これにより、発熱抵抗６および感熱抵抗７が支持膜４に支持されてキャビティ２上に形成され、さらに保護膜５が発熱抵抗６および感熱抵抗７を覆うように支持膜４上に形成されてダイヤフラム構造の発熱構造体８Ａが構築される。
ここでは、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）、ＮａＯＨ等がエッチャントとして使用される。
【００２４】
この実施の形態２の熱式センサ２０は、キャビティ２の基材１の表面側を塞口するように基材１の表面上に形成されたダイヤフラム部の発熱構造体８Ａを備えている。このダイヤフラム部の発熱構造体８Ａは、１．５ｍｍ×４ｍｍの矩形形状を有し、発熱抵抗６および感熱抵抗７が発熱構造体８Ａの中央部に０．８ｍｍ×２ｍｍの大きさに形成されている。そして、熱式センサ２０は、感熱抵抗７が発熱抵抗６の温度を検出する測温抵抗素子として機能する。
【００２５】
つぎに、支持膜４の屈折率を２．０に固定し、保護膜５の屈折率を変化させた発熱構造体８Ａを有する熱式センサ２０を作製し、１３０℃の雰囲気温度の下、発熱構造体８Ａの発熱抵抗６の発熱温度が雰囲気温度より１２０℃高い温度（２５０℃）を維持するように発熱抵抗６に２００時間、連続通電し、連続通電の前後における発熱抵抗６の抵抗値変化率を測定した結果を図５に△で示す。
なお、支持膜４および保護膜５の屈折率は８３０ｎｍの波長の光で測定した。そして、保護膜５であるシリコン窒化膜のＳｉとＮとの元素比率を変えて屈折率を変化させている。
【００２６】
図５から、保護膜５の屈折率が大きくなるにつれ抵抗値変化率が大きくなることがわかる。そして、保護膜５の屈折率が２．２５未満では、抵抗変化率が０．１５％以下に安定しているが、屈折率が２．２５を超えると抵抗値変化率が急激に増加して０．２％以上となった。
従って、この実施の形態２においても、シリコン窒化膜で構成された支持膜４および保護膜５の屈折率を２．２５未満とすることにより、発熱抵抗６の発熱時の白金膜のシリサイド化に起因する発熱抵抗６の抵抗値変化率を小さくでき、自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定のような過酷な使用条件下でも、出力特性変動が小さく、安定した信頼性の高い熱式センサ２０が得られる。
なお、保護膜５の屈折率を２．２５以上とした熱式センサを自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定に適用したところ、感度が得られにくい低流量域で、流量換算出力±３％以内というドリフト規格から外れる結果が得られた。
【００２７】
また、この実施の形態２においても、発熱抵抗６（白金膜）に真空中で６００℃〜７５０℃の温度で熱処理を施しているので、白金膜のシリサイド化に起因する発熱抵抗６の抵抗値変化率を小さくでき、かつ、白金膜の抵抗変動に対する出力特性変動の割合を比較的低くすることができる。
【００２８】
また、この実施の形態２では、支持膜４および保護膜５が化学量論組成であるＳｉ３Ｎ４膜の組成比率よりＳｉリッチなシリコン窒化膜で形成されているので、基材１に対して引張応力を有する支持膜４および保護膜５を容易に形成することができ、発熱抵抗６の発熱時の熱膨張による発熱構造体８Ａのダイヤフラム部の変形に伴う出力のバラツキを抑えることができる。
【００２９】
ここで、上記実施の形態２では、シリコン窒化膜をスパッタリングやプラズマＣＶＤの方法で成膜するものとしているが、スパッタリングの成膜方法は、ＡｒとＮ２との流量、真空室内のガス圧等を制御することでＳｉとＮとの組成比率を調整することができる。従って、スパッタリングの成膜方法は、プラズマＣＶＤの成膜方法に比べて制御パラメータが少なく、さらにシランガス等の危険なガスを用いることがなく、シリコン窒化膜の成膜に有効である。
【００３０】
なお、上記実施の形態２では、発熱抵抗６と感熱抵抗７とが発熱構造体８Ａ内に形成されているものとしているが、発熱抵抗６のみが発熱構造体８Ａ内に形成されてしてもよい。また、発熱抵抗６と感熱抵抗７とが発熱構造体８Ａ内にそれぞれ複数形成されていてもよい。
また、上記実施の形態２では、支持膜４にシリコン窒化膜を用いるものとしているが、支持膜にシリコン酸化膜（熱酸化膜、ＰＳＧ膜）を用いても、同様の効果が得られる。この場合、シリコン酸化膜はシリコン窒化膜に比べて白金膜のシリサイド化への関与が極めて少ないので、シリコン窒化膜からなる保護膜５の屈折率のみを２．２５未満に調整することになる。
【００３１】
実施の形態３．
この実施の形態２では、支持膜４および保護膜５の屈折率を２．２５未満とするようにシリコン窒化膜を成膜するものとしているが、この実施の形態３では、支持膜４および保護膜５が基材１に対して５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するようにシリコン窒化膜を成膜するものとしている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。
【００３２】
この実施の形態３では、発熱構造体は、上記実施の形態２と同様に、発熱抵抗６および感熱抵抗７を支持膜４と保護膜５とで挟み込んでダイヤフラム部を採っている。このダイヤフラム部においては、発熱抵抗６の発熱によりダイヤフラム部が熱膨張して変形することなる。そして、このダイヤフラム部の変形は、ダイヤフラム部からの放熱性を変動させ、出力のバラツキを引き起こすことになる。そこで、出力特性の信頼性の観点から、ダイヤフラム部の変形を抑えることが重要となる。
【００３３】
ここで、このダイヤフラム部におけるダイヤフラム部の基材１に対する応力と発熱抵抗６の発熱によるダイヤフラム部の変形との関係について検討する。
まず、ダイヤフラム部を構成する支持膜４および保護膜５が基材１に対して圧縮応力を有していると、発熱抵抗６の発熱によりダイヤフラム部が熱膨張して大きく変形してしまう。
そして、支持膜４および保護膜５が基材１に対して引張応力を有していると、発熱抵抗６の発熱に起因するダイヤフラム部の変形が低減される。
しかし、短辺が１ｍｍを超える矩形のダイヤフラム部の場合、ダイヤフラム部を構成する支持膜４および保護膜５の引張応力が５０ＭＰａ未満であると、発熱抵抗６の発熱に起因するダイヤフラム部の変形が十分に低減できない。
従って、出力特性の信頼性を高めるには、ダイヤフラム部を構成する支持膜４および保護膜５の引張応力を５０ＭＰａ以上にすることが望ましい。
【００３４】
また、ダイヤフラム部を構成する支持膜４および保護膜５の引張応力が２５０ＭＰａを超えると、熱式センサ２０の製造時、著しく大きな反りが基材１に発生し、熱式センサ２０の搬送時にチャッキングエラーや基材１の割れを発生させることになる。
そこで、製造時の基材１の反りを抑制するためには、ダイヤフラム部を構成する支持膜４および保護膜５の引張応力を２５０ＭＰａ以下にすることが望ましい。
【００３５】
この実施の形態３によれば、スパッタリングやプラズマＣＶＤの成膜方法を用い、支持膜４および保護膜５を構成するシリコン窒化膜の成膜条件を制御して、基材１に対して５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するように形成しているので、発熱抵抗６の発熱による発熱構造体のダイヤフラム部の変形に起因する出力のバラツキが低減され、検出特性の信頼性が向上されるとともに、熱式センサの製造時に基材１に発生する反りが低減され、熱式センサの搬送時のチャッキングエラーや基材１の割れの発生を抑えることができる。
【００３６】
そこで、この熱式センサを自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定に適用しても、出力特性変動が小さく、吸入空気流量を安定して信頼性よく測定できる。
また、このように構成された熱式センサは、支持膜４および保護膜５が５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有しているので、外力による大きな変形に対しても復元力を有し、機械的な強度に優れている。そこで、この熱式センサを自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定に適用しても、ダストの衝突による割れの問題を回避できる。
【００３７】
なお、この実施の形態３において、支持膜４および保護膜５が基材１に対して５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有し、かつ、２．２５未満の屈折率を有するようにシリコン窒化膜を成膜してもよい。この場合、発熱抵抗６の発熱による熱膨張に起因する発熱構造体のダイヤフラム部の変形を小さくでき、かつ、発熱抵抗６の発熱時に白金膜のシリサイド化に起因する発熱抵抗６の抵抗値変化率を小さくできる。
【００３８】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係る熱式センサの発熱構造体の構造を説明するための断面図である。
【００３９】
図４において、熱式センサ２０Ａは、開口としてのキャビティ２が穿設された平板状の基材１と、基材１の表面（第１の面）上にキャビティ２を覆うように形成されたダイヤフラム部の発熱構造体８Ｂとを備えている。
基材１は、平板状のシリコン基板であり、その表面の全面が熱酸化膜等の基材保護膜９で覆われている。そして、キャビティ２が基材１の裏面（第２の面）側から基材１および基材保護膜９の一部を除去して形成されている。
発熱構造体８Ｂは、シリコン窒化膜からなる絶縁性の支持膜４が基材１の表面上にキャビティ２を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗６および感熱抵抗７がキャビティ２上の支持膜４の部位に形成され、シリコン窒化膜からなる第１保護膜５ａが発熱抵抗６および感熱抵抗７と同一のパターンに形成されて発熱抵抗６および感熱抵抗７上に形成され、ＳＯＧ膜１１が第１保護膜５ａ、発熱抵抗６および感熱抵抗７を覆うように支持膜４上に被覆され、さらに窒化シリコン膜からなる絶縁性の第２保護膜５ｂがＳＯＧ膜１１上に形成されて構成されている。そして、支持膜４および第１保護膜５ａを構成するシリコン窒化膜が２．２５未満の屈折率となるように成膜されている。
【００４０】
つぎに、この熱式センサ２０Ａの製造方法について説明する。
まず、スパッタリング、プラズマＣＶＤ等の方法を用いて、基材１の基材保護膜９の表面の全面に例えば２μｍの厚さにシリコン窒化膜を成膜して、基材１上に絶縁性の支持膜４を形成する。ついで、蒸着やスパッタリング等の方法を用いて、支持膜４の表面の全面に例えば０．２μｍの厚さに白金膜を成膜する。さらに、スパッタ、プラズマＣＶＤ等の方法を用いて、白金膜の全面に例えば０．２μｍの厚さにシリコン窒化膜を成膜する。そして、白金膜およびシリコン窒化膜が成膜された基材１に真空中で６００℃〜７５０℃の熱処理を施す。ついで、写真製版、ウエットエッチング（あるいはドライエッチング）等の方法を用いて、白金膜およびシリコン窒化膜をパターニングし、所定パターンの発熱抵抗６、感熱抵抗７および電流路（図示せず）を形成する。これにより、０．２μｍの厚のシリコン窒化膜からなる第１保護膜５ａが発熱抵抗６、感熱抵抗７および電流路上のみに形成される。
ついで、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）膜（塗布シリコン酸化膜）が、第１保護膜５ａが被覆された発熱抵抗６、感熱抵抗７および電流路を覆うように支持膜４の表面の全面に例えば０．２μｍの厚さに形成され、中間膜１１を得る。さらに、スパッタ、プラズマＣＶＤ等の方法を用いて、中間膜１１の全面に例えば３μｍの厚さにシリコン窒化膜を成膜して、第２保護膜５ｂを形成する。
【００４１】
ついで、基材１の裏面の全面にレジストを塗布し、裏面保護膜（図示せず）を形成する。そして、写真製版等を用いて、裏面保護膜の一部を除去して、エッチングホール（図示せず）を形成する。その後、例えばアルカリエッチングを施して、基材１の裏面側から支持膜４に至るように基材１および基材保護膜９の一部を除去し、キャビティ２を形成する。このキャビティ２は発熱抵抗６および感熱抵抗７の形成領域の下部に対応して形成されている。これにより、発熱抵抗６および感熱抵抗７が支持膜４に支持されてキャビティ２上に形成され、第１保護膜５ａが発熱抵抗６および感熱抵抗７上に被覆され、中間膜１１が第１保護膜５ａが被覆された発熱抵抗６および感熱抵抗７を覆うように支持膜４上に形成され、さらに第２保護膜５ｂが中間層１１の全面に被覆されて構成されたダイヤフラム構造の発熱構造体８Ｂが構築される。
ここでは、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）、ＮａＯＨ等がエッチャントとして使用される。
【００４２】
この実施の形態４の熱式センサ２０Ａは、キャビティ２の基材１の表面側を塞口するように基材１の表面上に形成されたダイヤフラム部の発熱構造体８Ｂを備えている。このダイヤフラム部の発熱構造体８Ｂは、１．５ｍｍ×４ｍｍの矩形形状を有し、発熱抵抗６および感熱抵抗７が発熱構造体８Ｂの中央部に０．８ｍｍ×２ｍｍの大きさに形成されている。そして、熱式センサ２０Ａは、感熱抵抗７が発熱抵抗６の温度を検出する測温抵抗素子として機能する。
【００４３】
つぎに、支持膜４の屈折率を２．０に固定し、第１保護膜５ａの屈折率を変化させた発熱構造体８Ｂを有する熱式センサを作製し、１３０℃の雰囲気温度の下、発熱構造体８の発熱抵抗６の発熱温度が雰囲気温度より１２０℃高い温度（２５０℃）を維持するように発熱抵抗６に２００時間、連続通電し、連続通電の前後における発熱抵抗６の抵抗値変化率を測定した結果を図５に□で示す。
なお、支持膜４および第１保護膜５ａの屈折率は８３０ｎｍの波長の光で測定した。そして、第１保護膜５ａであるシリコン窒化膜のＳｉとＮとの元素比率を変えて屈折率を変化させている。
【００４４】
図５から、第１保護膜５ａの屈折率が大きくなるにつれ抵抗値変化率が大きくなることがわかる。そして、第１保護膜５ａの屈折率が２．２５未満では、抵抗変化率が０．１５％以下に安定しているが、屈折率が２．２５を超えると抵抗値変化率が急激に増加して０．２％以上となった。
従って、この実施の形態４においても、シリコン窒化膜で構成された支持膜４および第１保護膜５ａの屈折率を２．２５未満とすることにより、発熱抵抗６の抵抗値変化率を小さくでき、自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定のような過酷な使用条件下でも、出力特性変動が小さく、安定した信頼性の高い熱式センサ２０Ａが得られる。
なお、第１保護膜５ａの屈折率を２．２５以上とした熱式センサを自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定に適用したところ、感度が得られにくい低流量域で、流量換算出力±３％以内というドリフト規格から外れる結果が得られた。
【００４５】
また、この実施の形態４においても、支持膜４、第１保護膜５ａおよび第２保護膜５ｂが化学量論組成であるＳｉ３Ｎ４膜の組成比率よりＳｉリッチなシリコン窒化膜で形成されているので、基材１に対して引張応力を有する支持膜４、第１保護膜５ａおよび第２保護膜５ｂを容易に形成することができ、発熱抵抗６の発熱による発熱構造体８Ｂのダイヤフラム部の変形に伴う出力のバラツキを抑えることができる。
【００４６】
また、この実施の形態４の熱式センサ２０Ａでは、ＳＯＧ膜の中間膜１１が形成されている。このＳＯＧ膜は、ＳｉとＯとを主成分とし、極めて高い流動性を有している。そこで、このＳＯＧ膜からなる中間膜１１を形成することにより、発熱抵抗６、感熱抵抗７および第１保護膜５ａと支持膜４との間に形成される急峻な段差が平滑化される。その結果、発熱抵抗６、感熱抵抗７および第１保護膜５ａと支持膜４との段差部における第２保護膜５ｂの被覆性が格段に向上し、外力により発熱構造体８Ｂが変形しても、第２保護膜５ｂが該段差部で亀裂を発生することも防止される。即ち、外力による変形に対する耐性が強化される。さらに、この熱式センサを自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定に適用した場合、雰囲気中の水分や燃料などの侵入が防止され、腐食やクラックの発生が抑制され、信頼性が向上される。
【００４７】
また、この実施の形態４においても、発熱抵抗６（白金膜）に真空中で６００℃〜７５０℃の温度で熱処理を施しているので、発熱抵抗６の発熱中におけるシリコン窒化膜中の余剰Ｓｉによる白金膜のシリサイド化が低減され、発熱抵抗６の抵抗値変化率を小さくできる。また、この白金膜の熱処理により、白金膜の抵抗温度係数を２８００ｐｐｍ／℃〜３３００ｐｐｍ／℃に高めることができるので、白金膜の抵抗変動に対する出力特性変動の割合を比較的低くすることができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態４では、発熱抵抗６と感熱抵抗７とが発熱構造体８Ｂ内に形成されているものとしているが、発熱抵抗６のみが発熱構造体８Ｂ内に形成されてしてもよい。また、発熱抵抗６と感熱抵抗７とが発熱構造体８Ｂ内にそれぞれ複数形成されていてもよい。
また、上記実施の形態４では、支持膜４にシリコン窒化膜を用いるものとしているが、支持膜にシリコン酸化膜（熱酸化膜、ＰＳＧ膜）を用いても、同様の効果が得られる。この場合、シリコン酸化膜はシリコン窒化膜に比べて白金膜のシリサイド化への関与が極めて少ないので、発熱抵抗６に接しているシリコン窒化膜からなる第１保護膜５ａの屈折率を２．２５未満に調整することになる。
【００４９】
実施の形態５．
この実施の形態４では、支持膜４および第１保護膜５ａの屈折率を２．２５未満とするようにシリコン窒化膜を成膜するものとしているが、この実施の形態５では、支持膜４および第２保護膜５ｂが基材１に対して５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するようにシリコン窒化膜を成膜するものとしている。
なお、他の構成は上記実施の形態４と同様に構成されている。
【００５０】
従って、この実施の形態５によれば、発熱構造体は、支持膜４および第２保護膜５ｂを構成するシリコン窒化膜の成膜条件を制御して、基材１に対して５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するように形成されているので、上記実施の形態３と同様に、発熱抵抗６の発熱による発熱構造体のダイヤフラム部の変形が抑制され、発熱構造体のダイヤフラム部の変形に起因する出力のバラツキが低減され、検出特性の信頼性が向上される。また、この熱式センサは、外力による大きな変形に対しても復元力を有し、機械的な強度に優れているので、自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定に適用しても、ダストの衝突による割れの問題を回避できる。
また、ＳＯＧ膜自体の応力が極めて小さいので、中間膜１１の膜厚を支持膜４の膜厚と第２保護膜５ｂの膜厚との総和の１／１０以下にしておけば、支持膜４および第２保護膜５ｂのシリコン窒化膜による引張応力の調整に寄与せず、有効である。
【００５１】
なお、この実施の形態５において、支持膜４および第２保護膜５ｂが基材１に対して５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有し、かつ、支持膜４および第１保護膜５ａが２．２５未満の屈折率を有するようにシリコン窒化膜を成膜してもよい。この場合、発熱抵抗６の発熱による熱膨張に起因する発熱構造体のダイヤフラム部の変形を小さくでき、かつ、発熱抵抗６の発熱時に白金膜のシリサイド化に起因する発熱抵抗６の抵抗値変化率を小さくできる。
【００５２】
また、上記実施の形態２乃至５では、基材１としてシリコン基板を用いるものとして説明しているが、基材１の材料は特に特定されるものではなく、例えばアルミナ基板やガラス基板を用いてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、第１絶縁性膜と、上記第１絶縁性膜上に配設された白金膜からなる発熱抵抗と、上記発熱抵抗上に形成された第２絶縁性膜とを備え、上記第１および第２絶縁性膜との少なくとも一方の絶縁性膜が２．２５未満の屈折率を有するシリコン窒化膜で構成されているので、発熱抵抗の発熱に起因する白金膜のシリサイド化が抑制され、出力特性の信頼性の高い発熱構造体が得られる。
【００５４】
また、開口が穿設された平板状の基材と、支持膜が上記基材の第１の表面上に上記開口を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗が上記開口上の上記支持膜の部位に形成され、さらに保護膜が上記発熱抵抗上に形成されて構成されたダイヤフラム部の発熱構造体とを備え、上記支持膜および上記保護膜の少なくとも一方の膜が２．２５未満の屈折率を有するシリコン窒化膜で構成されているので、発熱抵抗の発熱に起因する白金膜のシリサイド化が抑制され、出力特性の信頼性の高い熱式センサが得られる。
【００５５】
また、開口が穿設された平板状の基材と、支持膜が上記基材の第１の表面上に上記開口を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗が上記開口上の上記支持膜の部位に形成され、さらに第１保護膜が上記支持膜上に上記発熱抵抗を覆うように形成されて構成されたダイヤフラム部の発熱構造体とを備え、上記支持膜および上記第１保護膜がシリコン窒化膜で構成され、かつ、上記発熱構造体が５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するように構成されているので、発熱抵抗の発熱に起因する発熱構造体のダイヤフラム部の変形が抑制され、出力特性の信頼性の高い熱式センサが得られる。
【００５６】
また、開口が穿設された平板状の基材と、支持膜が上記基材の第１の表面上に上記開口を塞口するように形成され、白金膜からなる発熱抵抗が上記開口上の上記支持膜の部位に形成され、第１保護膜が上記発熱抵抗上に形成され、中間膜が上記支持膜上に上記第１保護膜を覆うように形成され、さらに第２保護膜が上記中間膜上に形成されて構成されたダイヤフラム部の発熱構造体とを備え、上記支持膜、上記第１保護膜および上記第２保護膜がシリコン窒化膜で構成され、上記発熱構造体が５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下の引張応力を有するように構成され、かつ、上記中間膜が上記支持膜の膜厚と上記第２保護膜の膜厚との総和の１／１０以下の膜厚に形成されているので、発熱抵抗の発熱に起因する発熱構造体のダイヤフラム部の変形が抑制され、かつ、外力による変形に対する耐性が強化され、出力特性の信頼性の高い、耐久性に優れた熱式センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る発熱構造体を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る熱式センサの発熱構造体の構造を説明するための断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る熱式センサの発熱構造体周りを示す平面図である。
【図４】この発明の実施の形態４に係る熱式センサの発熱構造体の構造を説明するための断面図である。
【図５】この発明における抵抗値変化率と窒化シリコン膜の屈折率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  基材、２  キャビティ（開口）、３  下地膜、４  支持膜、５  保護膜、５ａ  第１保護膜、５ｂ  第２保護膜、６  発熱抵抗、８、８Ａ、８Ｂ  発熱構造体、１１  中間膜、２０、２０Ａ  熱式センサ。
【図１】
2004156988.tif 000003
【図２】
2004156988.tif 000004
【図３】
2004156988.tif 000005
【図４】
2004156988.tif 000006
【図５】
2004156988.tif 000007