(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）に形成された空洞部（１ａ）の上に設けられ、内部に発熱素子（４０）が形成された発熱素子領域（５０）を有する薄膜構造のマイクロヒータにおいて、
前記発熱素子領域（５０）の表面が、液体がついた場合に前記発熱素子領域（５０）で蒸発の核生成が起きないような平らな面になっており、
前記発熱素子領域（５０）以外の箇所に、液体がついた場合に蒸発の核生成を促進する核生成促進領域（６０）が形成されていることを特徴とするマイクロヒーター。
【請求項２】
前記核生成促進領域（６０）は、前記発熱素子領域（５０）の周囲に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロヒーター。
【請求項３】
前記核生成促進領域（６０）は、表面に突起（６１）が設けられた領域であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロヒーター。
【請求項４】
前記核生成促進領域（６０）は、表面の面粗度が前記発熱素子領域（５０）の面粗度より高い領域であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロヒーター。
【請求項５】
前記表面の面粗度が高い領域は、前記薄膜構造の最上膜の表面の面粗度を成膜状態より高くした領域であることを特徴とする請求項４に記載のマイクロヒーター。
【請求項６】
前記表面の面粗度が高い領域は、表面膜が多結晶体膜（６２）になっている領域であることを特徴とする請求項４に記載のマイクロヒーター。
【請求項７】
基板（１）の上に複数の膜（１１〜１４、２０、３０、４０）を積層して、内部に発熱素子（４０）が形成された発熱素子領域（５０）を有する薄膜構造のマイクロヒータを製造する方法において、
前記発熱素子（４０）を形成した後に形成される膜（１３）において、前記発熱素子（４０）の形成によって生じた凹凸を無くし膜表面を平らにする工程を有し、
前記凹凸を平らにする工程は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により膜表面を平らにする工程であることを特徴とするマイクロヒーターの製造方法。
【請求項８】
基板（１）の上に複数の膜（１１〜１４、２０、３０、４０）を積層して、内部に発熱素子（４０）が形成された発熱素子領域（５０）を有する薄膜構造のマイクロヒータを製造する方法において、
前記発熱素子（４０）を形成した後に形成される膜（１３）において、前記発熱素子（４０）の形成によって生じた凹凸を無くし膜表面を平らにする工程を有し、
前記凹凸を平らにする工程は、エッチバックにより膜表面を平らにする工程であることを特徴とするマイクロヒーターの製造方法。
【請求項９】
基板（１）の上に複数の膜（１１〜１４、２０、３０、４０）を積層して、内部に発熱素子（４０）が形成された発熱素子領域（５０）を有する薄膜構造のマイクロヒータを製造する方法において、
前記発熱素子（４０）を形成した後に形成される膜（１３）において、前記発熱素子（４０）の形成によって生じた凹凸を無くし膜表面を平らにする工程と、
この後、前記発熱素子領域（５０）以外の箇所に、液体がついた場合に蒸発の核生成を促進する核生成促進領域（６０）を形成する工程と、を有することを特徴とするマイクロヒーターの製造方法。
【請求項１０】
前記核生成促進領域（６０）を形成する工程は、表面に突起（６１）をつける工程であることを特徴とする請求項９に記載のマイクロヒーターの製造方法。
【請求項１１】
前記核生成促進領域（６０）を形成する工程は、表面をエッチングにより荒らす工程であることを特徴とする請求項９に記載のマイクロヒーターの製造方法。
【請求項１２】
前記核生成促進領域（６０）を形成する工程は、表面膜として多結晶体膜（６２）を形成する工程であることを特徴とする請求項９に記載のマイクロヒーターの製造方法。
【請求項１３】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載のマイクロヒータを有して流体の流量を検出するように構成したフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に形成された空洞部の上に設けられ、内部に発熱素子が形成された発熱素子領域を有する薄膜構造のマイクロヒータおよびその製造方法ならびにフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フローセンサや湿度センサなどにおいては、その検出原理上、数百度に加熱可能なマイクロヒータが必要となっている。このマイクロヒータは、昇温時における基板への熱の逃げを抑制するために、数μｍの薄膜構造で形成され、さらに、その薄膜構造には貫通孔を形成するなどの断熱構造が採用されている。さらには、これらの構造を採用すると共にセンサ寸法の縮小化を図ることにより、熱応答性や消費電力の低減を図るようにしている。
【０００３】
一般に、マイクロヒータを形成している薄膜構造は、発熱体材料の薄膜を上下の保護膜で挟むようにして形成した構造である。ここで、発熱体材料としては、Ｐｔ（白金）、ポリシリコン、ＮｉＣｒ（ニッケルクロム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｗ（タングステン）などの導電性材料が用いられ、保護膜としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ2（二酸化シリコン）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化シリコン）、Ｔａ2Ｏ5（酸化タンタル）、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁性材料の薄膜が用いられる。
【０００４】
また、マイクロヒータを構成する薄膜構造は、基板に形成された空洞部の上にダイアフラムもしくはブリッジとして設けられる。このため、強度的に非常に不利となるため、特開平１１−２７１１２３号公報に見られるように、膜応力を調整して、熱ストレス耐性を向上させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したマイクロヒータを有するセンサとして、エンジン内の吸気量制御に使われるフローセンサなどにおいては、雨等で吸気管内に水が浸入することが考えられる。この状態でフローセンサの動作を保証するためには、水中においても破壊することなく耐久性がなくてはならない。
【０００６】
本発明者らが、フローセンサにおけるマイクロヒーターの水中耐久性を検討したところ、マイクロヒーター上では熱により水が蒸発して気泡となり、その気泡部では断熱されるため、周囲への放熱が小さくなり、マイクロヒーターの温度が上昇するが、水に接触しているところではマイクロヒーターは１００℃以上にはならない。このため、部分的に温度差が生じ、その温度差から生じる熱膨張の差により歪みが生じて、マイクロヒータが破壊する可能性があることがわかった。
【０００７】
本発明は、気泡の発生を制御することにより上記の問題を解決することを目的とする。
【０００８】
【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に記載の発明では、基板（１）に形成された空洞部（１ａ）の上に設けられ、内部に発熱素子（４０）が形成された発熱素子領域（５０）を有する薄膜構造のマイクロヒータにおいて、発熱素子領域（５０）の表面を、液体がついた場合に発熱素子領域（５０）で蒸発の核生成が起きないような平らな面にしたことを特徴としている。
【０００９】
このことにより、液体がついた場合にヒータ領域５０で蒸発の核生成を低減することができる。
【００１０】
さらに、請求項１に記載の発明では、発熱素子領域（５０）以外の箇所に、核生成を促進する核生成促進領域（６０）を形成しているので、沸騰の核生成を核生成促進領域（６０）から始まるようにすることができ、ヒータ領域（５０）での蒸発の核生成を一層低減することができる。
【００１３】
なお、上記した核生成促進領域（６０）は、請求項２に記載の発明のように、発熱素子領域（５０）の周囲に形成することのが好ましい。
【００１４】
また、上記した核生成促進領域（６０）としては、請求項３に記載の発明のように、表面に突起（６１）が設けられた領域、あるいは請求項４に記載の発明のように、表面の面粗度が発熱素子領域（５０）の面粗度より高い領域とすることができる。後者の場合、さらに請求項５に記載の発明のように、薄膜構造の最上膜の表面の面粗度を成膜状態より高くした領域、あるいは請求項６に記載の発明のように、表面膜が多結晶体膜（６２）になっている領域とすることができる。
【００２０】
請求項７ないし１２に記載の発明によれば、上記したようなマイクロヒータを製造する方法を提供することができる。
【００２１】
また、請求項１３に記載の発明によれば、請求項１ないし６のいずれか１つに記載のマイクロヒータを有して流体の流量を検出するように構成したフローセンサを提供することができる。
【００２２】
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ものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態にかかるフローセンサの斜視図、図２に、図１中のＡ−Ａ断面図を示す。
【００２４】
このフローセンサは、単結晶シリコン等で形成された半導体基板１の上に、下層絶縁膜となるシリコン窒化膜１１およびシリコン酸化膜１２が形成され、その上に、温度計をなす流体温度検出体２０および流量検出体（測温体）３０が形成されるとともにヒータ（発熱素子）４０が形成され、さらにその上に、上層絶縁膜となるシリコン酸化膜１３およびシリコン窒化膜１４が形成された構造となっている。
【００２５】
半導体基板１には、図２に示すように、空洞部１ａが形成されており、この空洞部１ａ上に薄膜構造のダイヤフラム１０が形成され、ダイヤフラム１０に流量検出体３０とヒータ４０とが配置されている。
【００２６】
流体温度検出体２０、流量検出体３０およびヒータ４０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おり、いずれもＰｔなどの配線材料からなる抵抗体膜でパターン形成されている。
【００２７】
流体温度検出体２０は、流体の温度を検出するもので、ヒータ４０の熱がその温度検出に影響を及ぼさないようにヒータ４０から十分離隔した位置に配設されている。ヒータ４０は、流体温度検出体２０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。
【００２８】
このように構成されたフローセンサにおいて、流体が流れると、その流体温度が流体温度検出体２０により計測され、その計測された温度よりも一定温度高い基準温度になるようにヒータ４０が通電制御される。そして、流体の流れの大きさによってヒータ４０の熱分布が変化し、その熱分布の変化により流量検出体３０の抵抗値が変化することで、流量が検出される。
【００２９】
ここで、この実施形態においては、図２に示すように、ダイアフラム１０のうち内部にヒータ４０を有するヒータ領域５０の表面が平らな面となっている。これにより、液体がついた場合にヒータ領域５０で蒸発の核生成が起きないようにすることができる。
【００３０】
また、ヒータ領域５０の近傍の周囲には、ヒータ領域５０を囲むように、シリコン酸化膜１３上に形成された凸部１５により、表面に突起６１が形成されている。この突起６１が形成された凹凸領域は、気泡の核生成を促進する核生成促進領域６０となっている。なお、核生成促進領域６０は、ヒータ領域５０を囲むように形成されていなくても、気泡の核生成が促進できるのに十分な領域にのみ形成されていてもよい。
【００３１】
このような構造において、ヒータ４０が発熱している状態で水が付着した場合を考えると、ヒータ領域５０は、１００℃以上に発熱しているが、付着した水は非常に清潔で平滑な面上では沸点以上の温度となっても沸騰は始まらない。因みに、図３に示すように、半導体基板１上に、シリコン窒化膜１１およびシリコン酸化膜１２を積層し、その上に流量検出体３０、ヒータ４０をパターン形成し、さらにその上にシリコン酸化膜１３およびシリコン窒化膜１４を積層した構造の場合には、ヒータ４０のパターンによりヒータ領域５０の表面に凹凸が存在し、そこを核として沸騰が始まり、ヒータ領域５０上に気泡が発生する。
【００３２】
また、この実施形態では、ヒータ領域５０の表面を平らにするとともに、ヒータ領域５０の周囲に核生成促進領域６０を設けているため、沸騰の核生成は核生成促進領域６０から始まり、これにより核生成促進領域６０を中心に沸騰が起きる。このため、ヒータ領域５０上の水は、この気泡により撹拌されて伝熱が良くなり、ヒータ領域５０上では沸騰は起こらない。
【００３３】
従って、この実施形態によれば、ヒータ領域５０上での気泡の付着が抑制されるため、ヒータ領域５０での気泡による断熱効果で温度差が発生することがなくなり、熱膨張係数の差でダイアフラム１０が破壊されるのを防ぐことができる。
【００３４】
次に、上記したフローセンサの製造方法について、図４、図５に示す工程図（図１中のＡ−Ａ断面に対応する図）を参照して順に説明する。
［図４（ａ）の工程］
半導体基板として単結晶のシリコン基板１を用い、その一面（表面）側にシリコン窒化膜１１をＬＰＣＶＤ法などで形成し、その上にシリコン酸化膜１２をＣＶＤ法などで形成する。
【００３５】
このようにシリコン窒化膜１１上にシリコン酸化膜１２を積層することによって、シリコン酸化膜１２の上に形成される配線材料との密着性を良好にし、また薄膜構造体を形成した場合に、外側に耐水性のあるシリコン窒化膜１１を配置しているため、薄膜構造体の耐湿性を向上させることができる。
［図４（ｂ）の工程］
抵抗体材料としてＰｔ膜を２００℃で真空蒸着機によりシリコン酸化膜１２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２０、流量検出体３０およびヒータ４０の配線形状にパターニングする。
【００３６】
ここで、抵抗体材料としては、ポリシリコン、ＮｉＣｒ、ＴａＮ、ＳｉＣ、Ｗなどでもよい。この場合、多層膜とするよりは単一膜の方が望ましい。また、シリコン酸化膜１２とＰｔ膜との間に接着層としてＴｉ層あるいはＣｒ層を密着力を高める目的で挿入してもよく、また接着層を抵抗体材料と上部の膜との間にも挿入してもよい。
［図４（ｃ）の工程］
流体温度検出体２０、流量検出体３０およびヒータ４０間の絶縁のために、シリコン酸化膜１３を堆積させる。ここで、流体温度検出体２０、流量検出体３０およびヒータ４０の上は、パターンの影響でシリコン酸化膜１３の表面に凹凸ができている。
［図４（ｄ）の工程］
シリコン酸化膜１３の表面にできた凹凸を除去するために、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等を行い、シリコン酸化膜１３の表面を平坦化する。なお、その平坦化は、エッチバックを用いて行うようにしてもよい。
［図５（ａ）の工程］
シリコン酸化膜１３の上にシリコン窒化膜を成膜し、エッチングによりパターニングして、凸部１５を形成する。この場合、例えばリン酸などを用いたエッチングによりシリコン窒化膜を選択的に除去でき、シリコン酸化膜１３をほとんどエッチングしないようにすることができる。また、この凸部１５は、シリコン酸化膜１３を図４（ｄ）のＣＭＰ工程の後でパターニングして形成することもできるが、エッチングのムラによる凹凸の発生などが考えられるため、シリコン窒化膜で凸部１５を形成するのが望ましい。
［図５（ｂ）の工程］
表面保護膜であるシリコン窒化膜１４を形成する。この状態において、シリコン窒化膜１４の表面に突起６１が形成される。
【００３７】
この後、図示してないが、流体温度検出体２０、流量検出体３０およびヒータ４０の電極パッド形成のためにシリコン窒化膜１４に開口を形成する。
［図５（ｃ）の工程］
シリコン基板１の裏面にマスク材（例えばシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜）１６を形成し、エッチングして開口部１７を形成する。
［図５（ｄ）の工程］
シリコン基板１の裏面側をシリコン窒化膜１１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、シリコンに対してシリコン窒化膜１１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。
【００３８】
このようにして、図１、図２に示すフローセンサを製造することができる。
（第２実施形態）
上記した第１実施形態では、突起６１により核生成促進領域６０を形成するものを示したが、核生成促進領域６０の面粗度をヒータ領域５０よりも高くしてもよい。例えば、図６に示すように、シリコン窒化膜１４の表面をエッチングにより荒らくして核生成促進領域６０を形成するようにしてもよい。このようにすることにより、平滑なヒータ領域５０上よりも面粗度の高い核生成促進領域６０で気泡を発生しやすくすることができる。
【００３９】
この実施形態では、第１実施形態における図４（ｄ）の工程を経たのち、凸部１５を設ける工程を行わずに、図５（ｂ）の工程でシリコン窒化膜１４を形成し、その後、図７（ａ）に示すように、流量検出体３０の形成領域およびヒータ領域５０をレジスト１８で保護し、図７（ｂ）に示すように、レジスト１８で保護した以外の部分を例えばドライエッチングなどで処理して、表面の面粗度を大きくする。この後、図５（ｃ）、（ｄ）に示す工程を行って、図６に示すフローセンサを作製する。
【００４０】
また、シリコン窒化膜１４の表面を荒らくすることに代えて、図８に示すように、多結晶シリコン等の面粗度の高い膜６２を形成して、核生成促進領域６０とするようにしてもよい。この場合も、平滑なヒータ領域５０上より面粗度の高い膜６２の形成領域で気泡を発生しやすくすることができる。
【００４１】
なお、図３に示す構成に対し、上記第１、第２実施形態で示しような凹凸領域６０、面粗度がヒータ領域５０よりも高い領域６１、６２を形成するだけでも、そのような領域を中心に沸騰が起きるため、ヒータ領域５０上での沸騰を抑制することができる。
（第３実施形態）
上記した第１、第２実施形態では、ヒータ領域５０の表面を平らにして、ヒータ領域５０での気泡の発生を抑制するものを示したが、図９に示すように、ヒータ領域５０の上に濡れ性の良い（親水性の）膜７０を形成してもよい。親水性の膜７０は、気泡の膜７０への吸着力を小さくすることができるので、気泡が膜７０から離脱するのを促進することができる。その結果、ヒータ領域５０での気泡の発生を抑制することができる。
【００４２】
この実施形態におけるメカニズムについて説明する。
【００４３】
図１０（ａ）に示すように、基板の上に液体を一滴落としたとすると、半球上の液体の接線方向に液体と気体の界面張力σ（液気）が、基板と液体の間には界面張力σ（固液）、基板と気泡の間にはσ（固気）があり、液体と気体の界面張力は基板に対してθの角度で発生する。この場合、σ（固気）、σ（固液）、σ（液気）の間には、数式１の関係がある。
【００４４】
【数１】
σ（固気）−σ（固液）＝σ（液気）ｃｏｓθ
また、基板を液体に浸して、基板を加熱して、気泡が発生しているとすると、同様に図１０（ｂ）に示すようになる。このときの気泡は、浮力と基板への付着力とが釣り合っていることから、数式２の関係が成立する（文献：Ｆｒｉｔｚ  Ｗ．，Ｐｈｙｓ．Ｚｅｉｔｓｃｈ．，３６  （１９３５），ｐ．３７９参照）。
【００４５】
【数２】
0004253969.tif 000002
【００４６】
ここで、Ｄは気泡直径、σ（液気）は界面張力、θは離脱時の接触角、ｇは重力加速度、ρvは気体の密度、ρlは液体の密度である。
【００４７】
数式２から、界面張力σ（液気）が小さい（基板に置き換えるとσ（固気）が大きいもしくはσ（固液）が小さい）、すなわち膜への濡れ性が良い（親水性である）と、気泡直径Ｄが小さくなり、気泡が早く離脱することになる。
【００４８】
従って、図９に示すように、濡れ性の良い（親水性の）膜７０をヒータ領域５０の上に形成することで、ヒータ領域５０上の気泡が離脱し易いようにすることができる。ここで、濡れ性の良い、親水性を示す材料としては、例えばＴｉＯ2（酸化チタン）に紫外線を当てたものを用いることができる。ＴｉＯ2に紫外線を当てることにより、超親水状態となるため、このような膜を形成することによって、気泡の離脱を促進することができる。
【００４９】
なお、上記した種々の実施形態では、流量検出体３０およびヒータ４０の薄膜構造体として、ダイアフラム型構造のものを示したが、ブリッジ型構造のものであってもよい。また、流量検出体３０は、ヒータ４０の一方側のみでなく両側に設けられていてもよい。この場合、両側に設けられた流量検出体３０の検出温度差によって流量が測定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるフローセンサの斜視図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１、図２に示す実施形態に対する比較例の断面構成を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかるフローセンサの製造方法を示す工程図である。
【図５】図４に示す工程を示す工程図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかるフローセンサの第１の例を示す断面図である。
【図７】図６に示すフローセンサの部分的な製造方法を示す工程図である。
【図８】本発明の第２実施形態にかかるフローセンサの第２の例を示す断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態にかかるフローセンサを示す断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態にかかるフローセンサのメカニズムを説明のに供する説明図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、１ａ…空洞部、１０…ダイアフラム、
１１…シリコン窒化膜、１２…シリコン酸化膜、１３…シリコン酸化膜、
１４…シリコン窒化膜、１５…凸部、２０…流体温度検出体、
３０…流量検出体、４０…ヒータ、５０…ヒータ領域、６０…凹凸領域、
６１…面粗度の高い領域、６２…多結晶シリコン等の面粗度の高い膜。
【図１】
0004253969.tif 000003
【図２】
0004253969.tif 000004
【図３】
0004253969.tif 000005
【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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