(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に形成したシリコン酸化膜に薄膜素子の支持領域をパターンニングした上で、該領域，およびシリコン基板の外周枠部を残して基板材料を除去して前記外周枠部の間に跨がる梁状のブリッジを形成したマイクロ構造体において、前記ブリッジをその断面形状が凹型であるチャンネル形梁となしてその内面側に薄膜素子を成膜したことを特徴とするマイクロブリッジ構造体。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロブリッジ構造体において、ブリッジに形成する薄膜素子を減圧ＣＶＤ法により成膜することを特徴とするマイクロブリッジ構造体。
【請求項３】
シリコン基板上のブリッジ形成領域に凹溝をエッチングにより加工する工程と、該凹溝を含めてシリコン基板上にシリコン酸化膜，および導電膜を形成する工程と、導電膜，およびシリコン酸化膜にブリッジをパターンニングする工程と、ブリッジ，およびシリコン基板の周枠部を残して基板材料をエッチングにより除去する工程を経て製造したことを特徴とする請求項１に記載のマイクロブリッジ構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に形成して薄膜素子を支持するマイクロブリッジ構造体，およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
頭記のマイクロブリッジ構造体は、現在ではマスフローセンサのヒータ，および測温抵抗体や、加速度センサなどの薄膜素子の支持体として用いられているが、これ以外にも赤外分析計の光源用ヒータ，マイクロバルブの支持梁など様々な応用が考えられる。
【０００３】
上記のように薄膜素子の支持体として各種用途に適用するマイクロブリッジ構造体は、薄膜素子の基板（シリコン基板）からの熱的な分離，熱容量の低減，および各種の素子に対するフレキシブルな支持性などが必要であることから、マイクロブリッジはその膜厚ができるだけ薄く、かつ曲げ剛性の高い強度が求められる。
【０００４】
次に、マイクロブリッジ構造体の適用例として、マイクロマスフローセンサを例に従来構造を図２に示す。なお、マイクロマスフローセンサの原理は周知であり、発熱抵抗体によって加熱された測温抵抗体の抵抗値が流体の移動によってその抵抗値が変化することを利用して流体の流量を検出するものである。
図２(a),(b) において、１はシリコン基板、１ａはシリコン基板の外周枠部の間に跨がってマイクロマシニーング手法により形成した梁状のブリッジ、２はシリコン基板１の外周枠部，およびブリッジ１ａの部分を残して基板材料を除去して形成した貫通穴であり、中央に並ぶブリッジ１ａの上面には発熱抵抗体３が、また発熱抵抗体３を挟んで左右に並ぶブリッジには第一の測温抵抗体４，および第二の測温抵抗体５が形成されている。なお、６は各抵抗体の端子となるコンタクトパッドである。また、前記ブリッジ１ａはシリコン基板１の上に熱絶縁用の酸化シリコン膜を形成した上で、この酸化シリコン膜をパターンニングして形成したものであり、従来構造では、ブリッジ１ａの断面形状が図２(b) で示すように平角状に形成されている。
【０００５】
かかる構成で、発熱抵抗体３に定電流を流すと測温抵抗体４，５の温度が上昇する。この状態で、第一の測温抵抗体４側から第二の測温抵抗体５に向かう方向に流体を流すと、流体は第一の測温抵抗体４を冷却した後、発熱抵抗体３により加熱され、その下流側に並ぶ第二の測温抵抗体５が加熱された流体により加熱される。このようにして、被測定流体の通流により第一の測温抵抗体４は温度が低下し、第二の測温抵抗体５は温度が上昇する。ここで、二つの測温抵抗体４，５はブリッジ回路に接続されており、測温抵抗体４，５の温度変化によって生ずる抵抗値の変化から発生するブリッジ電圧により流体の流量を検出することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２に示した従来のマイクロブリッジ構造体では次に記すような問題点がある。すなわち、ブリッジ１ａはその断面形状が方形状の平角梁であることからその断面係数が小さく、したがって梁の曲げ剛性も小さくて曲げ応力に対して撓み，捩じれが生じ易い。このために、実使用状態で周囲温度の変化や加熱に起因してブリッジ１ａに熱膨張，収縮が生じると、薄膜素子との間の熱膨張差によりブリッジ１ａに反り，捩じれが生じ、これが原因でブリッジ１ａに成膜した薄膜素子（薄膜の発熱抵抗体３，測温抵抗体４，５）の特性が変化してセンサとしての測定精度が低下するといった問題がある。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、ブリッジの膜厚を増すことなく、梁の曲げ剛性を大幅に増強できるように改良したマイクロブリッジ構造体，およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明によれば、シリコン基板上に形成したシリコン酸化膜に薄膜素子の支持領域をパターンニングした上で、該領域，およびシリコン基板の外周枠部を残して基板材料を除去して前記外周枠部の間に跨がる梁状のブリッジを形成したマイクロ構造体において、
前記ブリッジをその断面形状が凹型であるチャンネル形梁となしてその内面側に薄膜素子を成膜する（請求項１）ものとし、前記ブリッジに形成する薄膜素子を減圧ＣＶＤ法により成膜する（請求項２）。
【０００９】
また、本発明によれば、前記構成のマイクロ構造体は、シリコン基板上のブリッジ形成領域に凹溝をエッチングにより加工する工程と、該凹溝を含めてシリコン基板上にシリコン酸化膜，および導電膜を形成する工程と、導電膜，およびシリコン酸化膜にブリッジをパターンニングする工程と、ブリッジ，およびシリコン基板の周枠部を残して基板材料をエッチングにより除去する工程を経て製造するものとする（請求項３）。
【００１０】
上記のようにシリコン基板上に形成したブリッジをチャンネル形梁となすことにより、従来の平角梁と比べて曲げ剛性は１０倍以上増加し、これにより温度変化等によるブリッジの撓み，捩じれが抑制され、ブリッジに成膜した薄膜素子の温度変化による特性変動を低減させることができる。加えて、この溝型梁の内面に薄膜素子を成膜することで、ブリッジ自身の幅を変えずに薄膜素子の成膜面域，および放熱面積が増大する。
【００１１】
また、ブリッジの凹溝内面側に形成する薄膜素子を減圧ＣＶＤ法によって成膜することにより、梁の側面にも底面にもほぼ同じ膜厚で成膜することが可能になり、膜厚不均一に起因するブリッジの捩じれを低減してできる。かかる点、チャンネル形梁としてなるブリッジへの薄膜素子の成膜を通常の成膜法に用いている抵抗加熱式蒸着法，スパッタ蒸着法のようにメカニカルに蒸著させる成膜方法を採用すると、凹溝の内面に成膜される導電膜の膜厚が底面と側面とでばらつきが生じてしまう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示の実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図２に対応する同一部材には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
まず、本発明のマイクロブリッジ構造体を採用したマイクロマスフローセンサの実施例を図１(a) 〜(c) に示す。図示実施例は基本的に図２(a) に示したマイクロマスフローセンサと同様であるが、薄膜素子である第一，第二の測温抵抗体３，４，および発熱抵抗体５を支持するブリッジ１ａが、図１(b) あるいは(c) で示すように断面形状が凹状になるチャンネル形梁で形成されている。なお、図１(b) の実施例ではブリッジ１ａの底壁に対して左右側壁が垂直、図１(c) の実施例では側壁が角度を付けて外方に広がっている。なお、このような形状はエッチング工程で使用するエッチングガスとしてＣＦ4 の流量などを制御することで可能である。
【００１３】
次に、前記したマイクロマスフローセンサの製造工程を図３(a) 〜(g) により説明する。
(1) まず、シリコン基板１の上下両面に熱酸化法によりマスキング用のシリコン酸化膜７を形成する（(a) 図）。
(2) 次に、ブリッジ１ａを形成する領域をパターンニングし、シリコン酸化膜７をマスクとしてエッチングガスＣＦ4 による反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でシリコン基板１のブリッジ形成領域に凹溝８を加工する（(b) 図）。
【００１４】
(3) 続く工程でマスクとして使用した酸化シリコン７を除去した後、再度熱酸化法により前工程で形成した凹溝８を含めてシリコン基板１の両面にシリコン酸化膜９を形成する（(c) 図）。
(4) 次に、シリコン基板１の上面側で、シリコン酸化膜９の上に、導電膜１０として例えばリンをドーピングした多結晶シリコン層を減圧ＣＶＤ法により成膜する（(d) 図）。
【００１５】
(5) この状態で、フォトリソグラフイ手法により導電膜１０に図１で示した第一の測温抵抗体３，第二の測温抵抗体４，および発熱抵抗体５をパターンニングし、続くエッチング処理によりシリコン基板１の外周枠部，およびブリッジ形成領域を除いた残り領域のシリコン酸化膜９，および導電膜（多結晶シリコン層）１０を除去し、さらにシリコン基板１の裏面側についてもシリコン基板１の外周枠部を残してシリコン酸化膜９，および多結晶シリコン層１０を除去する（(e) 図）。
【００１６】
（f)続いて、シリコン基板１の裏面側にアルミニウム層を成層してパターンニングし、さらにシリコン酸化膜を同様にパターンニングした後、エッチングガスＣＦ4 の雰囲気中で反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、シリコン基板１の外周枠部を残して第一の測温抵抗体３，第二の測温抵抗体４，および発熱抵抗体５の相互間，および下面側の基板材料（シリコン）を除去して貫通部２を形成する（(f) 図) 。
【００１７】
次に、前記工程を経て形成したマイクロブリッジ構造体のブリッジ（チャンネル形梁）１ａ、および図２(b) に示した従来構造によるブリッジ（平角梁）に関する曲げ剛性との比較結果を図４，図５で説明する。なお、図４(a),(b) はそれぞれ図１(b) ，図２(b) に対応するブリッジ１ａの断面形状を示している。
ここで、ブリッジ１ａを形成するシリコン酸化膜９（図３参照）の膜厚をｓ、ブリッジ１ａの横幅をｂ、チャンネル形梁の高さをｄ、平角形梁の側壁高さをｈ、側壁の膜厚をｔ／２（ｔ＝２ｓ）、梁の力学的な中立軸からチャンネル形梁の上下面までの距離をｅ1,ｅ2 とし、かつ梁の断面形状が全長域で一様と仮定として、(b) 図に対応するチャンネル形梁の曲げ剛性Ｇ1 ，および(a) 図に対応する平角形梁の曲げ剛性Ｇ2 （いずれもシリコン基板面に対し垂直な方向に関する梁の曲げ剛性）は次式のように表される。なお、式の中でＥは縦弾性係数，Ｉは中立軸に関する二次断面モーメントである。
【００１８】
Ｇ1 ＝ＥＩ＝Ｅ・ｂ・ｓ3 ／１２
Ｇ2 ＝ＥＩ＝Ｅ｛ｔ・ｅ13＋ｂ・ｅ23−（ｂ−ｔ)(ｅ2 −ｓ）3 ｝／３
ｅ1 ＝ｄ−｛ｄ2 ・t ＋ｓ2 （ｂ−ｔ）｝／｛２（ｂ・ｓ＋ｈ・ｔ）｝
ｅ2 ＝｛ｄ2 ・ｔ＋ｓ2 （ｂ−ｔ）｝／｛２（ｂ・ｓ＋ｈ・ｔ）｝
次に、上記式に具体的な諸寸法の数値を入れて計算した結果を図５のグラフに示す（図中の縦軸は対数目盛り）。この図から判るように、ブリッジ１ａを形成するシリコン酸化膜の膜厚ｓが厚い範囲では曲げ剛性Ｇ1 とＧ2 の差はさほど大きくないが、ブリッジの熱容量をできるだけ低く抑えるために膜厚ｓを薄くすると、同じ膜厚でも曲げ剛性Ｇ1 とＧ2 の差が大きくなり、ブリッジの形状をチャンネル形とすることにより強度増加に対する効果が飛躍的に増すようになる。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、シリコン基板上に形成したシリコン酸化膜に薄膜素子の搭載領域をパターンニングした上で、該領域，およびシリコン基板の外周枠部を残して基板材料を除去して前記外周枠部の間に跨がる梁状のブリッジを形成したマイクロ構造体において、前記ブリッジを断面が凹状のチャンネル形梁となしてその内面側に薄膜素子を成膜したことにより、シリコン基板上に薄膜で形成したブリッジの膜厚，幅を従来構造と同一として、その梁の曲げ剛性を１０倍以上に高めることができるほか、ブリッジ上に成膜して支持するマイクロ素子の形成面域，および放熱面積の増大化が図れ、これにより素子の特性安定化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロマスフローセンサに適用した本発明実施例の構成図であり、(a) はセンサ全体の平面図、(b) は(a) 図の矢視Ａ−Ａ断面図、(c) は応用例の矢視Ａ−Ａ断面図
【図２】従来例のマイクロブリッジ構造体を適用したマイクロマスフローセンサの構成図であり、(a) はセンサ全体の平面図、(b) は(a) 図の矢視Ａ−Ａ断面図
【図３】図１(a) に示したマイクロマスフローセンサの製造方法の説明図であり、(a) 〜(g) はその製造の各工程を表す図
【図４】本発明の実施例，および従来例のブリッジ構造体に対するブリッジの諸寸法を表す図であり、(a),(b) はそれぞれ図１(b) ，図２(b) に対応する図
【図５】図４(a),および(b) に対応したブリッジの膜厚と基板と垂直方向の曲げ剛性との関係を表すグラフ図
【符号の説明】
１    シリコン基板
１ａ  ブリッジ
２    貫通穴
３    マイクロマスフローセンサの第一の測温抵抗体（薄膜素子）
４    第二の測温抵抗体（薄膜素子）
５    発熱抵抗体（薄膜素子）
８    ブリッジを作り込む凹溝
９    ブリッジを形成するシリコン酸化膜
１０    薄膜素子を形成する導電膜
【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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