(57)【要約】【課題】貫通孔の形成においてエッチングによる貫通孔内側面の荒れを防止して、貫通孔の断面積のばらつき、ひいてはセンサの出力特性のばらつきを抑えたフローセンサの製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係るフローセンサ１の製造方法は、半導体基板２に感圧部３を形成する第一工程と、前記感圧部の少なくとも一部に貫通孔４を形成する第二工程と、前記貫通孔が形成された前記半導体基板を熱処理する第三工程と、少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成する第四工程と、前記酸化膜を除去する第五工程と、を少なくとも備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に感圧部を形成する第一工程と、
前記感圧部の少なくとも一部に貫通孔を形成する第二工程と、
前記貫通孔が形成された前記半導体基板を熱処理する第三工程と、
少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成する第四工程と、
前記酸化膜を除去する第五工程と、を少なくとも備えたことを特徴とするフローセンサの製造方法。
【請求項２】
前記第二工程において、前記感圧部の中心部に前記貫通孔を形成することを特徴とする請求項１に記載のフローセンサの製造方法。
【請求項３】
前記第三工程において、前記熱処理は高温水素アニール処理を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のフローセンサの製造方法。
【請求項４】
前記第五工程において、前記酸化膜の除去はウェットエッチング法を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフローセンサの製造方法。
【請求項５】
半導体基板に感圧部を形成する第一工程と、
前記感圧部の少なくとも一部に貫通孔を形成する第二工程と、
前記貫通孔が形成された前記半導体基板を熱処理する第三工程と、
少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成する第四工程と、
前記酸化膜を除去する第五工程と、を少なくとも備えたフローセンサの製造方法により製造されたことを特徴とするフローセンサ。
【請求項６】
半導体基板に感圧部を形成する第一工程と、
前記感圧部の少なくとも一部に貫通孔を形成する第二工程と、
前記貫通孔が形成された前記半導体基板を熱処理する第三工程と、
少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成する第四工程と、
前記酸化膜を除去する第五工程と、を少なくとも備えたフローセンサの製造方法により製造されたフローセンサを、搭載したことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フローセンサの製造方法、フローセンサ及び電子機器に係る。より詳細には、貫通孔を有するダイアフラムを通過する流体の圧力差から、流量を測定するピエゾ抵抗型のフローセンサの製造方法、フローセンサ及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業計測の分野において、流体の流量を測定する方法として、流体を導く管の途中にオリフィス板を設け、このオリフィス前後の圧力差を検出することにより流量を求める差圧式流量測定法が広く用いられている。
【０００３】
図６に一例を示す。この図において５１は上流側の流路、５２は下流側の流路であり、これらはオリフィス部５３を介して接続されている。また、５４は差圧測定用の半導体センサであり、この半導体センサ５４には、上流側及び下流側の流路からそれぞれ圧力導入管５８が接続されている。このような構造において、流体が上流側から下流側へ流れると、流体はオリフィス部で抵抗を受け、上流側と下流側で圧力差が生じる。また、この圧力差と流量にはベルヌイの定理で知られるように、一定の関係が有り、この圧力差を圧カセンサ５４で検知することにより、流体の流量を計測することができる。
【０００４】
しかしながら、このような従来の流量計では、オリフィスの断面積を小さく差圧を大きくして流量の精度を上げようとすれば、流体回路のエネルギーロスが大きくなるという問題がある、一方、流体がポンプ等を使用して内圧が高い状態で圧送された場合には、高レンジの半導体センサを使用しなければならないため、低差圧での計測は誤差が大きくなるという問題がある。さらには、導圧管を設けなければならないため手間と費用がかかるといった問題もある。
【０００５】
一方で、昨今のセンサ小型化の要求に対して、熱式のフローセンサが利用されている（例えば、特許文献１参照）。
また、その他にも半導体半導体センサのダイアフラム中央に貫通孔を形成し、この貫通孔を流れる流体の圧力差から流量を計測するフローセンサが考案されている。
【０００６】
図７に小型化されたフローセンサを示す（例えば、特許文献２参照）。この図においては、上流側の流路６１と下流側の流路６２を、ダイアフラム中央部に貫通孔６４を有するピエゾ抵抗型圧カセンサ６３を介して接続されている。このような構造において、上流側から下流側へ流体が流れると、ダイアフラムに圧力差が生じ、これを検出することによって、流量を計測することができる。このような構造のため、従来のフローセンサにおける圧力導入部が不要となり、コストの低減及び小型化が可能となる。
【０００７】
しかしながら、図７に示す小型化されたフローセンサにおいて、以下に示すような問題がある。
すなわち、図７に示すようなフローセンサの製造において、前記貫通孔６４は、通常、フッ素系ガスによるプラズマエッチングにより形成されている。この場合、エッチングにより貫通孔の内側面が荒れ、貫通孔の断面積がチップ間でばらついてしまう。その結果、センサの出力特性にもばらつきが生じるという問題があった。
【特許文献１】特許第３７０５６８１号公報
【特許文献２】特開昭６３−２３６９２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、貫通孔の形成においてエッチングによる貫通孔内側面の荒れを防止して、貫通孔の断面積のばらつき、ひいてはセンサの出力特性のばらつきを抑えたフローセンサの製造方法を提供することを第一の目的とする。
【０００９】
また、本発明は、貫通孔の断面積のばらつき、ひいては出力特性のばらつきが抑えられ、安定した特性を有するフローセンサを提供することを第二の目的とする。
【００１０】
また、本発明は、フローセンサの貫通孔の断面積のばらつき、ひいては出力特性のばらつきが抑えられ、安定した特性を有する電子機器を提供することを第三の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に記載のフローセンサの製造方法は、半導体基板に感圧部を形成する第一工程と、前記感圧部の少なくとも一部に貫通孔を形成する第二工程と、前記貫通孔が形成された前記半導体基板を熱処理する第三工程と、少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成する第四工程と、前記酸化膜を除去する第五工程と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載のフローセンサの製造方法は、請求項１において、前記第二工程において、前記感圧部の中心部に前記貫通孔を形成することを特徴とする。
本発明の請求項３に記載のフローセンサの製造方法は、請求項１又は２において、前記第三工程において、前記熱処理は高温水素アニール処理を用いることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載のフローセンサの製造方法は、請求項１乃至３のいずれか一項において、前記第五工程において、前記酸化膜の除去はウェットエッチング法を用いることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載のフローセンサは、半導体基板に感圧部を形成する第一工程と、前記感圧部の少なくとも一部に貫通孔を形成する第二工程と、前記貫通孔が形成された前記半導体基板を熱処理する第三工程と、少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成する第四工程と、前記酸化膜を除去する第五工程と、を少なくとも備えたフローセンサの製造方法により製造されたことを特徴とする。
本発明の請求項６に記載の電子機器は、半導体基板に感圧部を形成する第一工程と、前記感圧部の少なくとも一部に貫通孔を形成する第二工程と、前記貫通孔が形成された前記半導体基板を熱処理する第三工程と、少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成する第四工程と、前記酸化膜を除去する第五工程と、を少なくとも備えたフローセンサの製造方法により製造されたフローセンサを、搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のフローセンサの製造方法では、半導体基板に貫通孔を形成した後、該貫通孔が形成された半導体基板を熱処理して、少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜を除去することで、貫通孔内側面の荒れを防止することができる。これにより、貫通孔内側面を平滑化することができる。その結果、本発明では、貫通孔の断面積のばらつき、ひいてはセンサの出力特性のばらつきを抑えたフローセンサの製造方法を提供することができる。
【００１３】
また、本発明のフローセンサは、半導体基板に貫通孔を形成した後、該貫通孔が形成された半導体基板を熱処理して、少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜を除去することにより製造される。このようにして得られるフローセンサは、貫通孔内側面の荒れが防止され、平滑化されたものとなる。その結果、本発明では、貫通孔の断面積のばらつき、ひいては出力特性のばらつきが抑えられ、安定した特性を有するフローセンサを提供することができる。
【００１４】
また、本発明の電子機器は、半導体基板に貫通孔を形成した後、該貫通孔が形成された半導体基板を熱処理して、少なくとも前記貫通孔の内側面に酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜を除去することにより製造されたフローセンサを搭載している。このようにして得られるフローセンサは、貫通孔内側面の荒れが防止され、平滑化されたものとなる。その結果、本発明では、フローセンサの貫通孔の断面積のばらつき、ひいては出力特性のばらつきが抑えられ、安定した特性を有する電子機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係るフローセンサの一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明に係るフローセンサ１の一例を示す断面図である。
本発明のフローセンサ１は、ピエゾ抵抗型フローセンサであり、上流側流路１１と、半導体センサ１０と、下側側流路１２と、から構成される場合である。なお、以下では、図１の構成例について詳細に説明するが、前述した本発明の作用・効果は、流路の上下を逆転させた構成例（すなわち、図１において右側から左側へ進む方向の流れをもち（Ｐ０とＰ１の矢印が逆向き）１２が上流側流路、１１が下流側流路をそれぞれなす構成例）においても有効である。
【００１７】
半導体センサ１０は、例えばシリコン基板等からなる半導体基板２と、半導体基板２に配された感圧部３（ダイアフラムとも言う。）と、感圧部３の少なくとも一部に配された貫通孔４と、感圧部３の表面に配された４つのｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ１〜Ｒ４（図ではＲ１，Ｒ２の２つのみ記載）と、半導体基板２の表面に配された電極５と、前記感圧部３の両面にそれぞれ配された第一保護層６、７及び第二保護層８と、から構成されている。
【００１８】
具体的には後述するように、本発明の半導体センサ１０は、半導体基板２に貫通孔４を形成した後、該貫通孔４が形成された半導体基板２を熱処理して、少なくとも前記貫通孔４の内側面に酸化膜９を形成し、その後、前記酸化膜９を除去することにより製造される。このようにして得られる半導体センサ１０は、貫通孔４内側面の荒れが防止され、平滑化されたものとなる。
その結果、貫通孔４の断面積のばらつきや流体のオリフィス内での圧損のばらつきが小さくなるため、結果としてセンサの出力バラツキを小さくすることができる。これによりフローセンサ１は安定した特性を有するものとなる。
【００１９】
半導体センサ１０は、例えば、ｎ型単結晶シリコンによって構成され、その中央部がエッチング等の手法により取り除かれ、厚さが非常に薄くなった感圧部が形成されており、感圧部の中心部に、流体Ｆが通過する貫通孔４が形成されている。
【００２０】
ｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ１〜Ｒ４は、感圧部３の圧力変動を検出する検出回路（ストレンゲージ）を構成するものであり、いわゆるホイットストーンブリッジ回路を構成するよう互いが接続されている。また、各抵抗体は、例えばシリコン基板中にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。
【００２１】
また、半導体基板２には、配線部（一部のみ図示されている）が設けられている。この配線部は、例えばシリコン基板中にボロン（ｐ型抵抗体よりも高濃度のもの）などの拡散源を注入することによって形成することができる。そして、この配線部の一端部は、ｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と電気的に接続され、他端部は、半導体基板２上に例えばアルミニウムなどによって形成された電極５と電気的に接続されている。
【００２２】
前記第一保護層６、７及び第二保護層８は、例えば、シリコン酸化物等の絶縁体からなり、その厚さは、特に限定されるものではないが、例えば０．１〜１．０μｍとすることが好ましい。また、第一保護層７には開口部７ａ、第二保護層８には開口部８ｂが形成されており、該開口部７ａ、８ｂから電極５が露出している。
【００２３】
以上のような構造を有するフローセンサ１では、流体Ｆが図１に矢印で示すように上流側流路１１から下側側流路１２へ向って流れると、感圧部３に形成された貫通孔４がオリフィスとして機能し、上流側の圧力Ｐ０と、下流側の圧力Ｐ１との間に、貫通孔４の内径等の条件に応じた圧力差（Ｐ０−Ｐ１）が生じる。
【００２４】
この上流側と下流側との圧力差によって感圧部３が撓む（変形する）と、各ｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４に応力が発生する。このとき、感圧部３の変形量に応じて各ｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化を電気信号として取り出すことによって、圧力差（Ｐ０−Ｐ１）を検出することができる。この圧力差は、流量と一定の関係があるので、この圧力差から流体Ｆの流量が求められる。
【００２５】
次に、このような半導体センサ１０の製造方法について説明する。
本発明の半導体センサ１０の製造方法は、半導体基板２に感圧部３を形成する第一工程と、前記感圧部３の少なくとも一部に貫通孔４を形成する第二工程と、前記貫通孔４が形成された前記半導体基板２を熱処理する第三工程と、少なくとも前記貫通孔４の内側面に酸化膜９を形成する第四工程と、前記酸化膜９を除去する第五工程と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００２６】
本発明の半導体センサ１０の製造方法では、半導体基板２に貫通孔４を形成した後、該貫通孔４が形成された半導体基板２を熱処理して、少なくとも前記貫通孔４の内側面に酸化膜９を形成し、その後、前記酸化膜９を除去することで、貫通孔４内側面の荒れを防止することができる。これにより、貫通孔４内側面を平滑化することができる。
その結果、本発明では、半導体センサ１０の貫通孔４の断面積のばらつきや流体のオリフィス内での圧損のばらつきが小さくなるため、結果としてセンサの出力ばらつきを小さくすることができる。これにより本発明の方法では安定した特性を有する半導体センサ１０を製造することができる。この半導体基板２の一面側にはアルミニウム等により電極５が形成されている。
【００２７】
以下、各工程について説明する。
シリコン基板からなる半導体基板２を用意する。半導体基板２の両面には、熱酸化法等により、シリコン酸化膜９からなる第一保護層６、７及び第二保護層８が形成されている。
【００２８】
次に、図２（ａ）に示すように、半導体基板２の一面側に、マスクをパターン形成するとともに、熱拡散法を用いて半導体基板２内に拡散源としてボロンを選択的に導入することにより、半導体基板２の表面にｐ型抵抗体Ｒ１〜Ｒ４（図ではＲ１，Ｒ２の２つのみ記載）を形成する。その後半導体基板２を熱酸化することで、半導体基板２表面に拡散された不純物濃度の調整を行う。同様の手順を繰り返して、配線部を形成する（図では配線部１、配線部２のみ記載）。
【００２９】
また、半導体基板２の一部を薄く加工することにより、圧力を検知するための感圧部３を形成する（第一工程）。
具体的には、以下に示すようなプロセスにより行う。
まず、図２（ｂ）に示すように、半導体基板２の両面に、例えばＣＶＤ法等により、窒化膜８を形成する。
次に、図２（ｃ）に示すように、半導体基板２の一面側に配された第一保護層６及び前記窒化膜８に、感圧部３を形成するための開口部６ａ，８ａを、フォトリソグラフィーにより形成する。
【００３０】
次に、図３（ａ）に示すように、半導体基板２を例えばＫＯＨのような強アルカリ溶液に浸漬させ、半導体基板２をエッチングし、感圧部（ダイアフラム部とも呼ぶ）３を形成する。
なお、ここではウェットエッチング法により感圧部３を形成した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、反応性ガスイオンエッチング法（ＲＩＥ法）やＣＦ４−Ｏ２プラズマエッチング法などのいわゆるドライエッチング法であってもよい。
【００３１】
次に、前記感圧部３の少なくとも一部に貫通孔４を形成する（第二工程）。
まず、フォトリソグラフィー法を用いて半導体基板２の一面側からエッチングすることにより、感圧部３の少なくとも一部に貫通孔４を形成する。
このとき、前記感圧部３の中心部に前記貫通孔４を形成する。貫通孔４が感圧部３の中心にあることにより、流体が貫通孔４を通過した際に、感圧部３の端部の４辺に配された抵抗体Ｒ１〜Ｒ４に発生する応力を均等にすることができ、結果として測定精度を向上することができる。
具体的には、以下のようなプロセスにより、貫通孔４の形成を行う。
【００３２】
まず、図３（ｂ）に示すように、窒化膜８上にドライエッチング用のマスク２０をパターン形成する。このマスク２０には、貫通孔４に対応する部分に、フォトリソグラフィーにより開口部２０ａが配されている。
マスク２０はドライエッチング用の保護マスクであり、例えばレジスト等を使用することができる。また、マスク２０のパターニングを行う際は、窒化膜８を侵食しない方法を選択しなければならない。
【００３３】
次に、図３（ｃ）に示すように、フッ素系ガスを用いたドライエッチングにより貫通孔４を形成する。この際に、貫通孔４を基板表面に垂直に形成するためには、ボッシュプロセスと呼ばれるＳＦ６  ガスプラズマによるエッチングと、Ｃ４Ｆ８ガスプラズマによる保護膜形成とを交互に繰り返すプロセスが多く用いられている。このボッシュプロセスで貫通孔４形成を行うと、図５に示すように、貫通孔４の側壁にスキャロップ４ａと呼ばれる周期的な段差が生じる。
【００３４】
次に、前記貫通孔４が形成された前記半導体基板２を熱処理する（第三工程）。
ここで、熱処理には高温水素アニール処理を用いることが好ましい。具体的には、例えば温度１０００℃、水素圧力４０torrの高温水素雰囲気化で熱処理をすると、スキャロップ４ａの鋭角な部分をなまらせることができ、その後の熱酸化、エッチングにより効果的に段差を減少させることができる。
【００３５】
次に、少なくとも前記貫通孔４の内側面に酸化膜９を形成する（第四工程）。
レジスト２０を剥離し、半導体基板２を高温酸化雰囲気中に置く。これにより図４（ａ）に示すように、露出した半導体基板２の表面に加えて、貫通孔４内部にも酸化膜９が形成される。このように酸化すると酸化の進行は等方的に進むことが知られている。
【００３６】
次に、前記酸化膜９を除去する（第五工程）。
図４（ｂ）に示すように、前記酸化膜９を例えばウェットエッチング法を用いて除去する。これにより貫通孔４の内側面の荒れが防止され平滑化されたものとなる。貫通孔４の内側面に形成された酸化膜９をウェットエッチングすることにより、貫通孔４内部においても効率的に酸化膜９を除去することできる。このとき、例えばバッファードフッ酸などを用いることで、貫通孔４の内側面の段差をより低減することができる。
最後に、図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィーにより開口部７ａ、８ｂを形成した後、スパッタリング等によりアルミ膜を表面に成膜し、次いでフォトリソグラフィーによりアルミ膜のパターニングを行うことにより、アルミからなる配線５を形成する。図４（ｃ）において、１０は開口部７ａ、８ｂ内部に配された配線５の一部を表す。
以上のようにして、図１に示すようなフローセンサ１が得られる。
【００３７】
このようにして得られるフローセンサ１は、貫通孔４の内側面の荒れが防止され平滑化されたものとなる。その結果、貫通孔４の断面積のばらつきや流体のオリフィス内での圧損のばらつきが小さくなるため、結果としてセンサの出力バラツキを小さくすることができる。これによりフローセンサ１は安定した特性を有するものとなる。
【００３８】
次に、このようなフローセンサを搭載した本発明の電子機器について説明する。
本発明の電子機器は、半導体基板３に感圧部３を形成する第一工程と、前記感圧部３の少なくとも一部に貫通孔４を形成する第二工程と、前記貫通孔４が形成された前記半導体基板２を熱処理する第三工程と、少なくとも前記貫通孔４の内側面に酸化膜９を形成する第四工程と、前記酸化膜９を除去する第五工程と、を少なくとも備えたフローセンサの製造方法により製造されたフローセンサ１を、搭載したことを特徴とする。
【００３９】
本発明の電子機器は、上述したように、半導体基板２に貫通孔４を形成した後、該貫通孔４が形成された半導体基板２を熱処理して、少なくとも前記貫通孔４の内側面に酸化膜９を形成し、その後、前記酸化膜を９除去することにより製造されたフローセンサ１を搭載している。このようにして得られるフローセンサ１は、貫通孔４の内側面が平滑化されたものとなる。その結果、本発明では、搭載されたフローセンサ１の貫通孔４の断面積のばらつき、ひいては出力特性のばらつきが抑えられ、安定した特性を有するものとなる。
【００４０】
以上、本発明のフローセンサ及びその製造方法、該フローセンサを備えた電子機器について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、ストレンゲージとして機能するｐ型抵抗体の配置及び数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、感圧部の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
さらに、上述した実施形態においては、感圧部に１個の貫通孔を形成した場合を例にして述べたが、この貫通孔を複数個、形成しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、フローセンサ及びその製造方法、該フローセンサを搭載した電子機器に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のフローセンサの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のフローセンサの製造方法を説明する断面図である。
【図３】本発明のフローセンサの製造方法を説明する断面図である。
【図４】本発明のフローセンサの製造方法を説明する断面図である。
【図５】貫通孔の部分を拡大して示す断面図である。
【図６】従来のフローセンサの一例を示す断面図である。
【図７】従来のフローセンサの他の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  フローセンサ、２  半導体基板、３  感圧部、４  貫通孔、５  配線、６  第一保護層、７  第二保護層、７ａ  開口部、８  窒化膜、８ｂ  開口部、９  酸化膜、１０  半導体センサ、１１  上流側流路、１２  下側側流路、２０  マスク、Ｒ１〜Ｒ４  ｐ型抵抗体。
【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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