(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）を用意し、
前記基板の一面に、前記基板とはエッチング条件が同一である材料よりなる犠牲層（２）を形成する工程と、
前記犠牲層の上に、薄膜構造部（１０）を形成する工程と、
前記基板の他面から前記基板をエッチングすることにより、前記基板の他面から前記犠牲層まで通じる空洞部（１ａ）を形成した後、同一のエッチング条件にて、前記空洞部から前記犠牲層をエッチングすることにより、前記犠牲層のうち前記空洞部に面した部分及び前記空洞部の周囲に位置する一部を除去する工程とを備え、
前記犠牲層のうち前記空洞部に面した部分及び前記空洞部の周囲に位置する一部を除去する工程で、前記犠牲層の除去により形成された隙間（１１ａ）において前記薄膜構造部と対向する前記基板の部分を、前記犠牲層と同時に一部エッチングすることにより、前記薄膜構造部の端部であって、前記基板と前記薄膜構造部との間に、前記空洞部と連通し、かつ、前記犠牲層の厚さよりも大きな間隔を有する隙間部（１１）を形成することを特徴とするセンサの製造方法。
【請求項２】
前記犠牲層（２）を形成する工程では、前記犠牲層がエッチングされる領域のみに前記犠牲層が配置されるように、前記犠牲層をパターニングすることを特徴とする請求項１に記載のセンサの製造方法。
【請求項３】
前記基板（１）と前記犠牲層（２）とは、同一の元素から構成される材料よりなることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサの製造方法。
【請求項４】
前記基板（１）は単結晶シリコンよりなり、前記犠牲層（２）は多結晶シリコンよりなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のセンサの製造方法。
【請求項５】
前記基板（１）は単結晶シリコンよりなり、前記犠牲層（２）はアモルファスシリコンよりなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアフローセンサ等、薄膜構造部（メンブレン）を有するセンサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のセンサは、一般に、一面から他面へと貫通する空洞部を有する基板と、基板の一面上にて空洞部上に設けられた薄膜構造部（メンブレン）とを備えた構造となっている。このようなものとしては、エアフローセンサやガスセンサ等が種々知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなセンサとして、例えば、エンジンの吸排気系統に取り付けられ吸気や排気の流量を検出するエアフローセンサを考えた場合、エンジンのバックファイアによる圧力上昇に対して、センサの薄膜構造部が十分な静耐圧を持っていなければならない。また、測定流体中に含まれるダストの衝突に対して十分な衝撃耐性を持っていなければならない。
【０００４】
この様な問題に対して、単純には、薄膜構造部の厚さを大きくしたり、面積を縮小したりすることが考えられる。薄膜構造部の利点は、熱逃げを抑制することにあるが、薄膜構造部の厚さの増加やサイズの縮小による静耐圧・衝撃耐性の向上は、薄膜構造部の熱逃げを大きくし、消費電力の増加等の弊害を招いてしまう。
【０００５】
そこで、本出願人は、先に、エアフローセンサに係るものとして、特願２０００−６３６１号（平成１２年１月１２日出願）において、次の図７に示す様なセンサ構造を提案している。
【０００６】
このものは、一面から他面へと貫通する空洞部１ａを有する基板１と、基板１の一面上に設けられた犠牲層２と、基板１の一面上にて犠牲層２を介して空洞部１ａ上に設けられた薄膜構造部１０とを備え、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間には、空洞部１ａと連通する隙間部１１ａが形成されているものである。
【０００７】
ここで、薄膜構造部１０は、下部絶縁膜３と上部絶縁膜８との間に、測温体６やヒータ７といった流量検出用の抵抗体パターンが挟まれた積層構造をなしている。そして、図７において、センサの上部を流れる流体の流量は、これら抵抗体の抵抗値変化等に基づいて検出されるようになっている。
【０００８】
なお、このようなセンサは、基板１の一面に、犠牲層２、薄膜構造部１０を形成した後、基板１の他面から基板１をエッチングすることにより空洞部１ａを形成し、続いて、空洞部１ａから犠牲層２をエッチングすることにより薄膜構造部１０の端部において基板１と薄膜構造部１０との間に、空洞部１ａと連通する隙間部１１ａを形成することにより製造することができる。
【０００９】
この図７に示すセンサによれば、薄膜構造部１０の端部にて隙間部１１ａが形成されているため、隙間部１１ａにて薄膜構造部１０と対向する基板１の部分が支え部１ｂとして構成される。そのため、大きな圧力やダスト等の衝撃力により薄膜構造部１０が、下方にたわんでも、上記支え部１ｂにより薄膜構造部１０の変形を支え、その破壊を防止することができる。
【００１０】
しかしながら、支え部１ｂの機能を向上させるには、支え部１ｂの出っ張り量を大きくする必要があるが、このように支え部１ｂの出っ張り量が大きくなってくると、薄膜構造部１０と支え部１ｂとの接触面積が大きくなり、両者が付着（スティッキング）しやすくなる。すると、薄膜構造部１０が変形したままとなる等、弊害が生じる。
【００１１】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、薄膜構造部と支え部とのスティッキングを極力抑制することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明が製造するセンサは、一面から他面へと貫通する空洞部（１ａ）を有する基板（１）と、基板の一面上に設けられた犠牲層（２）と、基板の一面上にて犠牲層を介して空洞部上に設けられた薄膜構造部（１０）とを備え、薄膜構造部の端部において、基板と薄膜構造部との間には、空洞部と連通する隙間部（１１）が形成されており、この隙間部の大きさは犠牲層の厚さよりも大きくなっていることを特徴とする。
【００１３】
上記図７に示したセンサでは、隙間部の大きさ（薄膜構造部と基板との間隔）が犠牲層の厚さと同じであるが、本発明が製造するセンサでは、隙間部の大きさは犠牲層の厚さよりも大きくなっている。
【００１４】
それにより、本発明が製造するセンサでは、隙間部における薄膜構造部と基板（つまり、支え部）との間隔を、従来に比べて大きくすることができるため、薄膜構造部と支え部とのスティッキングを極力抑制することができる。
【００１５】
ここで、請求項３に記載の発明のように、基板（１）と犠牲層（２）とは同一の元素から構成される材料よりなるものにできる。
【００１６】
このような材料としては、請求項４や請求項５に記載の発明のように、基板（１）が単結晶シリコンよりなる場合、犠牲層（２）としては、多結晶シリコンやアモルファスシリコン等を採用することができる。
【００２２】
そして、請求項１に記載の発明では、基板（１）を用意し、基板の一面に、基板とはエッチング条件が同一である材料よりなる犠牲層（２）を形成する工程と、犠牲層の上に薄膜構造部（１０）を形成する工程と、基板の他面から基板をエッチングすることにより、基板の他面から犠牲層まで通じる空洞部（１ａ）を形成した後、同一のエッチング条件にて、空洞部から犠牲層をエッチングすることにより、犠牲層のうち空洞部に面した部分及び空洞部の周囲に位置する一部を除去する工程とを備え、
犠牲層のうち空洞部に面した部分及び空洞部の周囲に位置する一部を除去する工程で、犠牲層の除去により形成された隙間（１１ａ）において薄膜構造部と対向する基板の部分を、犠牲層と同時に一部エッチングすることにより、薄膜構造部の端部であって、基板と薄膜構造部との間に、空洞部と連通し、かつ、犠牲層の厚さよりも大きな間隔を有する隙間部（１１）を形成することを特徴とする。
【００２３】
それによれば、犠牲層が、基板とはエッチング条件が同一である材料よりなるため、基板の他面から基板をエッチングする工程と犠牲層をエッチングする工程とは、同一エッチング条件にて続けて行うことができ、工程の簡略化が図れる。
【００２４】
また、基板と犠牲層とは、エッチング条件が同一である材料よりなるため、犠牲層のうち空洞部の周囲に位置する一部を除去する際に、犠牲層の除去により形成された隙間において薄膜構造部と対向する基板の部分も、犠牲層と同時に一部エッチング除去される。
【００２６】
また、請求項２に記載の発明では、犠牲層（２）を形成する工程では、犠牲層がエッチングされる領域のみに犠牲層が配置されるように、犠牲層をパターニングすることを特徴とする。
【００２７】
それによれば、予めエッチングされるべき部分にのみ犠牲層を配置することができるので、犠牲層エッチングの時間管理が不要になる。薄膜構造部の面積や支え部の出っ張り量は、犠牲層がエッチングされた量によって画定されるが、本発明によれば、これら部分のサイズが犠牲層エッチングの時間任せにならずに、精度の良いものとなる。
【００２８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下の実施形態では、薄膜構造部をもつセンサとしてフローセンサに本発明を適用した場合について示す。なお、各実施形態において、互いに同一部分には、図中、同一符号を付してある。
【００３０】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るフローセンサＳ１の斜視図であり、図２は第１実施形態に係るフローセンサＳ１の断面図であって、図１におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【００３１】
１は、本発明でいう基板であり、単結晶シリコン等で形成された半導体基板より構成されている。図２に示す様に、基板１には、一面（図中の上面）から他面（図中の下面）へと貫通する空洞部１ａが形成されている。
【００３２】
基板１の一面上には、空洞部１ａ上を除いてシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）よりなる設けられた犠牲層２が形成されている。そして、犠牲層２の上には、下層絶縁膜となるシリコン窒化膜（ＳｉＮ）３およびシリコン酸化膜４が順次形成されており、これら下部絶縁膜３、４は、空洞部１ａ上にも形成されている。
【００３３】
下部絶縁膜３、４の上（シリコン酸化膜４の上）には、温度計をなす流体温度検出体５および流量検出体（測温体）６が形成されるとともにヒータ（発熱体）７が形成されている。これら部材５、６、７は、図１に示す様に、蛇行形状にパターニングされた流量検出用の抵抗体膜であり、Ｐｔ等により構成されている。
【００３４】
流体温度検出体５、流量検出体６およびヒータ７は、流体の流れの方向（図１中の白抜き矢印で示す）に対し、上流側からその順で配置されている。流体温度検出体５は、流体の温度を検出するもので、ヒータ７の熱がその温度検出に影響を及ぼさないようにヒータ７から十分離隔した位置に配設されている。ヒータ７は、流体温度検出体５で検出された温度より一定温度高い基準温度になるように、図示しない制御回路によって制御される。
【００３５】
また、これら抵抗体膜５〜７および下部絶縁膜３、４の上には、上部絶縁膜となるシリコン酸化膜８およびシリコン窒化膜９が形成された構造となっている。こうして、空洞部１ａ上には、流量検出体６及びヒータ７が下部絶縁膜３、４と上部絶縁膜８、９とに挟まれて積層された薄膜構造部（メンブレン）１０が形成されており、この薄膜構造部１０は、基板１の一面上にて犠牲層２を介して空洞部１ａ上に設けられた形となっている。
【００３６】
また、本実施形態では、図２に示す様に、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間には、空洞部１ａと連通する隙間部１１が形成されている。この隙間部１１の大きさは犠牲層２の厚さよりも大きくなっている。
【００３７】
具体的に、図２に示す例では、隙間部１１は、その犠牲層２側の端部と空洞部１ａ側の端部との間に段差を有し、空洞部側が一段と低くなっている。そして、隙間部１１を介して薄膜構造部１０と対向する基板１の部分が、薄膜構造部１０の変形を支える支え部１ｂとして構成されている。
【００３８】
このようなフローセンサＳ１では、流体温度検出体５から得られる流体温度よりも一定温度高い温度になるようにヒータ７を駆動する。そして、流体が流れることにより、図１の白抜き矢印で示す順流においては、流量検出体６は熱を奪われて温度が下がり、白抜き矢印の逆方向である逆流では熱が運ばれて温度が上がるため、この流量検出体６と流体温度検出体５との温度差から流体の流量および流れ方向を検出するものである。このとき、流体温度検出体５および流量検出体６を形成している金属配線の抵抗値変動から温度を測定（検出）している。
【００３９】
次に、上記図２を参照し、フローセンサＳ１の製造方法について述べる。基板として単結晶のシリコン基板１を用意する（基板用意工程）。この基板１は、空洞部１ａが形成されていないものである。
【００４０】
まず、基板１の一面に、基板１とはエッチング条件（エッチャントの種類やエッチング温度等）が異なる材料としてＳｉＯ2よりなる犠牲層２を、熱酸化等により形成する（犠牲層形成工程）。このとき、犠牲層２は、基板１の一面において空洞部１ａとなる予定の部位の上にも形成される。
【００４１】
次に、犠牲層２の上に、熱ＣＶＤ法等によりシリコン窒化膜３を成膜し、その上に、プラズマＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜４を成膜する。これにより、下部絶縁膜３、４が形成される（下部絶縁膜形成工程）。
【００４２】
次に、抵抗体膜材料としてＰｔ膜を真空蒸着等によりシリコン酸化膜４の上に堆積させ、Ｐｔ膜をエッチング等により流体温度検出体５、流量検出体６およびヒータ７の配線形状にパターニングする（抵抗体膜形成工程）。
【００４３】
次に、流体温度検出体５、流量検出体６およびヒータ７間の絶縁のために、プラズマＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜８を堆積させる。その上に、熱ＣＶＤ法等によりシリコン窒化膜９を成膜することで上部絶縁膜８、９が形成される（上部絶縁膜形成工程）。
【００４４】
こうして、下部絶縁膜形成、抵抗体膜形成、および上部絶縁膜形成の各工程を経て、犠牲層２の上に、薄膜構造部１０が形成される。なお、その後、図示しないが、各抵抗体膜５〜７の電極パッド形成のために上部絶縁膜８、９に開口を形成する。
【００４５】
次に、基板１の他面から基板１をエッチングすることにより、基板１の他面から犠牲層２まで通じる空洞部１ａを形成する（基板エッチング工程）。具体的には、シリコン基板１の裏面に、例えばシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜よりなるマスク材Ｍ（図２参照）を形成し、このマスク材Ｍをエッチングして空洞部１ａに対応した開口部を形成する。
【００４６】
そして、シリコン基板１の他面側を犠牲層２が露出するまで異方性エッチングして空洞部１ａを形成する。このときの終点検出は、例えばエッチング液にＴＭＡＨ（水酸化４メチルアンモニウム）を用いることにより、シリコンに対してＳｉＯ2のエッチング速度が非常に小さいため容易に止めることができる。
【００４７】
次に、空洞部１ａから犠牲層２をエッチングすることにより、犠牲層２のうち空洞部１ａに面した部分及び空洞部１ａの周囲に位置する一部を除去する（犠牲層エッチング工程）。具体的には、基板エッチング工程とはエッチング条件を変え、フッ酸等のウェットエッチングにて、犠牲層２を構成するシリコン酸化膜を除去する。
【００４８】
図３は、本製造方法におけるエッチングに係る工程を説明するための説明図である。上記犠牲層エッチング工程の終了に伴い、図３中の破線にて示す様に、薄膜構造部１０の端部には、犠牲層２の厚さと同等の間隔を有する隙間１１ａが形成される。
【００４９】
次に、犠牲層２の除去により形成された隙間１１ａにおいて薄膜構造部１０と対向する基板１の部分を、エッチングする（隙間部形成工程）。具体的には、上記基板エッチング工程のエッチング条件と同様、ＴＭＡＨ等を用いたシリコンの異方性エッチングを行う。それにより、図３において破線状態から実線状態にまで、基板１がエッチングされる。
【００５０】
このとき、ＴＭＡＨエッチングの異方性により、基板１のテーパ面はほとんどエッチングされないが、隙間１１ａに面した基板１の面はエッチングが進むため、図３のように隙間１１ａが広がる。
【００５１】
このようにして、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間に、空洞部１ａと連通し且つ犠牲層２の厚さよりも間隔の広い隙間部１１が形成されることにより、上記図１、図２に示すフローセンサＳ１を適切に製造することができる。
【００５２】
ところで、本実施形態によれば、上記図７に示すセンサと同様、薄膜構造部１０の端部にて隙間部１１を形成することで、基板１に支え部１ｂを形成しているため、大きな圧力やダスト等の衝撃力により薄膜構造部１０が、空洞部１ａ側にたわんでも、支え部１ｂにより薄膜構造部１０の変形を支え、その破壊を防止することができる。
【００５３】
また、隙間部１１の大きさを犠牲層２の厚さよりも大きくしているため、隙間部における薄膜構造部と基板（つまり、支え部）との間隔を、従来のフローセンサ（上記図７参照）に比べて大きくすることができる。
【００５４】
そのため、薄膜構造部１０と支え部１ｂとが接触した時の薄膜構造部２のたわみ度合は、従来よりも大きくなり、支え部１ｂから薄膜構造部１０が離れようとする力も従来よりも大きくなる。その結果、薄膜構造部１０と支え部１ｂとのスティッキングを防止することができる。
【００５５】
なお、本実施形態によれば、薄膜構造部２がたわんで支え部１ｂに接するまでの距離は、従来よりも増大するが、本実施形態のように、エッチングにより隙間部１１の間隔を大きくする方法では、上記距離の増大は、薄膜構造部２がたわみ変形可能な程度（破損しない程度）の範囲に抑えられるため、問題はない。
【００５６】
また、隙間部１１の間隔を大きくするためには、単純には、犠牲層２の厚さを厚くすることが考えられるが、その場合、犠牲層２の成膜に時間がかかるし、センサ全体の厚みも増大してしまう。しかし、本実施形態によれば、上記構成および製造方法から明らかなように、犠牲層２の厚さを厚くすることなく、隙間部１１の間隔を大きくすることができる。
【００５７】
（第２実施形態）
本実施形態は、上記第１実施形態において、犠牲層２をシリコン酸化膜に代えて、基板１とはエッチング条件が同一であってエッチング速度の異なる材料、具体的には、基板１が単結晶シリコンの場合、犠牲層２を多結晶シリコンやアモルファスシリコン等より構成するようにしたものであり、上記第１実施形態とは、主として製造方法の点で相違するものである。
【００５８】
本実施形態のフローセンサの製造方法は、上記第１実施形態同様、基板１を用意する。次に、基板１の一面に、基板１とはエッチング条件が同一である材料よりなる犠牲層２を形成する（犠牲層形成工程）。具体的には、基板１の一面上に、ＣＶＤ法等により多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）またはアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）よりなる犠牲層２を成膜する。
【００５９】
次に、上記第１実施形態と同様に、下部絶縁膜形成、抵抗体膜形成、および上部絶縁膜形成の各工程を経て、犠牲層２の上に、薄膜構造部１０を形成する。
【００６０】
次に、本実施形態においても、基板１の他面から基板１をエッチングすることにより、基板１の他面から犠牲層２まで通じる空洞部１ａを形成する工程（基板エッチング工程）と、空洞部１ａから犠牲層２をエッチングすることにより、犠牲層２のうち空洞部１ａに面した部分及び空洞部１ａの周囲に位置する一部を除去する工程（犠牲層エッチング工程）とを、行う。
【００６１】
ここにおいて、本実施形態では、犠牲層２は、基板１とエッチング条件が同一である材料（ｐｏｌｙ−Ｓｉまたはα−Ｓｉ等）よりなるため、基板エッチング工程と犠牲層エッチング工程とは、同一のエッチング条件、例えばＴＭＡＨを用いたエッチングによって続けて行うことができる。
【００６２】
このエッチングについて、図４を参照して説明する。まず、ワークをＴＭＡＨエッチング液中に浸漬し、異方性エッチングによって空洞部１ａを形成する。続いて、ワークをエッチング液中に浸漬したままエッチングを継続する。すると、犠牲層２がエッチング除去されるが、このとき、犠牲層２の除去により形成された隙間１１ａにおいて薄膜構造部１０と対向する基板１の部分も、図中の破線から実線に示す様に、犠牲層２と同時に一部エッチングされる。
【００６３】
このとき、ＴＭＡＨエッチングの異方性により、基板１のテーパ面はほとんどエッチングされないが、犠牲層２は多結晶あるいはアモルファスであるがゆえエッチングが進行する。そして、犠牲層２がエッチングされた部分では基板１もエッチングされるため、図４のようなテーパ形状になる。
【００６４】
それによって、本実施形態においても、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間には、空洞部１ａと連通し且つ犠牲層２の厚さよりも大きな間隔を有する隙間部１１が形成される。本実施形態では、図４に示す様に、隙間部１１は、その犠牲層２側の端部から空洞部１ａ側の端部へ向かってテーパ状に低くなっている。
【００６５】
そして、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏するフローセンサを実現することができる。また、本実施形態の製造方法によれば、エッチング条件をいちいち変えることなく、空洞部１ａおよび隙間部１１を形成することができ、工程の簡略化につながる。
【００６６】
（第３実施形態）
図５は、本実施形態の要部を示す概略断面図である。本実施形態においても、薄膜構造部１０の端部において、基板１と薄膜構造部１０との間には、空洞部１ａと連通する隙間部１１が形成されている。
【００６７】
ここにおいて、本実施形態では、隙間部１１にて薄膜構造部１０と対向する基板１の面が、荒れた面すなわち微小な凹凸を有する面となっている。エッチング液の濃度や温度を制御することによってエッチング面を荒らすという技術が知られており、この技術を用いて本実施形態における荒れた面を実現することができる。
【００６８】
例えば、上記第１実施形態にて基板用意工程から犠牲層エッチング工程までを行った後、隙間部形成工程において、エッチング液の濃度や温度を、基板エッチング工程とは変えて制御することにより、上記荒れた面を形成することができる。
【００６９】
本実施形態によれば、隙間部１１にて薄膜構造部１０と対向する基板１の面（つまり支え部１ｂの面）が、基板１と薄膜構造部１０との付着を防止可能なように荒れた面とすることができるため、薄膜構造部１０と支え部１ｂとのスティッキングを極力抑制することができる。
【００７０】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態に示した製造方法において、犠牲層形成工程では、犠牲層２が犠牲層エッチング工程にてエッチングされる領域のみに、犠牲層２が配置されるように、犠牲層２をフォトリソグラフ法等によりパターニングするようにしても良い。つまり、最終的な薄膜構造部１０の外形に対応した形状に犠牲層２をパターニングする。そのような例を、図６に一部概略断面図として示す。
【００７１】
それによれば、予めエッチングされるべき部分にのみ犠牲層２を配置することができるので、後の犠牲層エッチング工程におけるエッチング時間の管理が不要になる。薄膜構造部１０の面積や支え部１ｂの出っ張り量は、犠牲層２がエッチングされた量によって画定されるが、本例によれば、薄膜構造部１０のサイズが犠牲層エッチングの時間任せにならずに、精度の良いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るフローセンサの斜視図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ概略断面図である。
【図３】上記第１実施形態に係るフローセンサの製造方法におけるエッチングに係る工程を説明するための説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るフローセンサの製造方法におけるエッチングに係る工程を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るフローセンサの要部を示す概略断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態の要部を示す概略断面図である。
【図７】本出願人の先願に係るフローセンサの概略断面図である。
【符号の説明】
１…基板、１ａ…空洞部、２…犠牲層、１０…薄膜構造部、１１…隙間部、
１１ａ…隙間。
【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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