JP5108234B2 - マイクロヒータ及びセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロヒータ及びこのマイクロヒータを採用してなるセンサに関するものである。
従来、マイクロヒータとしては、下記特許文献１にて開示されたものがある。このマイクロヒータにおいては、薄膜発熱部が、シリコン基板に設けられた空洞部を架橋するように形成されている。
ここで、この薄膜発熱部は、窒化シリコンからなる引張応力膜、ヒータ層及び酸化シリコンからなる圧縮応力膜を積層して構成されている。これにより、当該マイクロヒータにおいては、互いに積層される引張応力膜及び圧縮応力膜が、内部応力を打ち消し合って当該内部応力を緩和するようになっている。
また、マイクロヒータとしては、下記特許文献２にて開示されたものもある。このマイクロヒータにおいては、ダイヤフラム層及び被覆層が共に軽度の引張応力を有するように形成されている。
特開平１１−２７１１２３号公報
特開平１１−１９４０４３号公報
ところで、上述特許文献１のようなマイクロヒータにおいては、圧縮応力膜の引張応力膜に対する膜厚比に依っては、内部応力が引張応力において小さくなる。このため、マイクロヒータが配置される雰囲気内の温度が高温（例えば、４００（℃）以上の温度）になると、ヒータ層を構成する発熱抵抗素子が、その形成材料の熱膨張に起因して、引張応力膜、ヒータ層及び圧縮応力膜の積層膜構造に反りを発生させる。その結果、熱応力がマイクロヒータに発生し当該マイクロヒータに熱損傷を誘起するという不具合を招く。また、ダイヤフラム層及び被覆層が軽度の引張応力を有している特許文献２のようなマイクロヒータにおいても、当該マイクロヒータが配置される雰囲気内の温度が４００℃以上の高温になると、積層膜構造に反りが発生し、同様な不具合を招く。
そこで、本発明は、以上のようなことに対処するため、引張応力膜と圧縮応力膜との積層膜構造に埋設される発熱抵抗素子に熱膨張が生じても、当該積層膜構造の反りの発生を未然に防止するようにしたマイクロヒータ及びこのマイクロヒータを採用してなるセンサを提供することを目的とする。
上記課題の解決にあたり、本発明に係るマイクロヒータは、請求項１に記載によれば、
板厚方向に空洞部（１３０、１５０）を形成してなる半導体基板（１００）と、
この半導体基板の一側面（１１０）に沿い上記空洞部を閉じるように設けられる絶縁層（２００）と、
この絶縁層のうち上記空洞部に対する対応部位に埋設され、金属材料からなる発熱抵抗素子（４００）とを備える。
板厚方向に空洞部（１３０、１５０）を形成してなる半導体基板（１００）と、
この半導体基板の一側面（１１０）に沿い上記空洞部を閉じるように設けられる絶縁層（２００）と、
この絶縁層のうち上記空洞部に対する対応部位に埋設され、金属材料からなる発熱抵抗素子（４００）とを備える。
当該マイクロヒータにおいて、絶縁層は、
半導体基板の一側面側に設けられる下側絶縁膜と、
この下側絶縁膜に半導体基板とは反対側から積層される上側絶縁膜とでもって構成されており、
上側絶縁膜及び下側絶縁膜は、それぞれ、３００（ＭＰａ）以上の引張応力を有しており、
発熱抵抗素子は、上記空洞部に対応するように上側絶縁膜及び下側絶縁膜の間に介装されることで、絶縁層に埋設されていることを特徴とする。
半導体基板の一側面側に設けられる下側絶縁膜と、
この下側絶縁膜に半導体基板とは反対側から積層される上側絶縁膜とでもって構成されており、
上側絶縁膜及び下側絶縁膜は、それぞれ、３００（ＭＰａ）以上の引張応力を有しており、
発熱抵抗素子は、上記空洞部に対応するように上側絶縁膜及び下側絶縁膜の間に介装されることで、絶縁層に埋設されていることを特徴とする。
このように、上側絶縁層及び下側絶縁層が、それぞれ、３００（ＭＰａ）以上の引張応力を有するように形成されている。従って、上側絶縁層及び下側絶縁層の内部応力は、引張応力において従来のマイクロヒータよりも大きな値にて残存することとなる。
これにより、請求項１に係るマイクロヒータが、例えば、４００（℃）以上の高温の雰囲気内に置かれることで、発熱抵抗素子が大きく熱膨張し、この熱膨張が絶縁層に対し大きな熱応力として作用しても、当該熱応力が、上述のように残存する引張応力でもって有効に緩和される。
その結果、下側絶縁層と上側絶縁層の積層膜構造からなる絶縁層のうち上記空洞部に対する対応部位において反りの発生が未然に防止され、当該マイクロヒータの熱応力耐性を高めることができる。
また、本発明は、請求項２の記載によれば、請求項１に記載のマイクロヒータにおいて、
下側絶縁膜は、
半導体基板の一側面側に設けられる下側引張応力膜（２１１）と、
この下側引張応力膜に半導体基板とは反対側から積層される下側圧縮応力膜（２１２）とでもって構成されており、
上側絶縁膜は、
下側圧縮応力膜に下側引張応力膜とは反対側から積層される上側圧縮応力膜（２２１）と、
この上側圧縮応力膜に下側圧縮応力膜とは反対側から積層される上側引張応力膜（２２２）とでもって構成されており、
各圧縮応力膜は、それぞれ、酸化シリコンで形成されており、
下側引張応力膜は、窒化シリコンでもって、下側圧縮応力膜の膜厚以上の膜厚にて形成されており、
上側引張応力膜は、窒化シリコンでもって、上側圧縮応力膜の膜厚以上の膜厚にて形成されており、
発熱抵抗素子は、上記空洞部に対応するように両圧縮応力膜の間に介装されることで、前記絶縁層に埋設されていることを特徴とする。
下側絶縁膜は、
半導体基板の一側面側に設けられる下側引張応力膜（２１１）と、
この下側引張応力膜に半導体基板とは反対側から積層される下側圧縮応力膜（２１２）とでもって構成されており、
上側絶縁膜は、
下側圧縮応力膜に下側引張応力膜とは反対側から積層される上側圧縮応力膜（２２１）と、
この上側圧縮応力膜に下側圧縮応力膜とは反対側から積層される上側引張応力膜（２２２）とでもって構成されており、
各圧縮応力膜は、それぞれ、酸化シリコンで形成されており、
下側引張応力膜は、窒化シリコンでもって、下側圧縮応力膜の膜厚以上の膜厚にて形成されており、
上側引張応力膜は、窒化シリコンでもって、上側圧縮応力膜の膜厚以上の膜厚にて形成されており、
発熱抵抗素子は、上記空洞部に対応するように両圧縮応力膜の間に介装されることで、前記絶縁層に埋設されていることを特徴とする。
このように、上側絶縁層及び下側絶縁層において、各引張応力膜が、それぞれ、窒化シリコンでもって、酸化シリコンからなる各対応圧縮応力膜の膜厚以上の膜厚にて形成されている。従って、このように形成した上側絶縁層及び下側絶縁層の内部応力は、引張応力において従来のマイクロヒータよりも大きな値にて残存することとなる。
しかも、上述のように、各上側の引張応力膜及び圧縮応力膜が、各下側の圧縮応力膜及び引張応力膜に対し、発熱抵抗素子を介装してなる上側及び下側の両圧縮応力膜の間を基準に対称的に積層されている。
従って、このような対称的積層膜構造に形成した絶縁層の残存引張応力は、上側及び下側の引張応力膜及び圧縮応力膜の組毎に、相乗的に作用することとなる。
これにより、請求項２に係るマイクロヒータが、例えば、４００（℃）以上の高温の雰囲気内に置かれることで、発熱抵抗素子が大きく熱膨張し、この熱膨張が絶縁層に対し大きな熱応力として作用しても、当該熱応力が、上述のように対称的に残存する引張応力でもってより一層有効に緩和される。
また、本発明は、請求項３の記載によれば、請求項１または２に記載のマイクロヒータにおいて、絶縁層は、３００（ＭＰａ）以上の引張応力を有することを特徴とする。
これにより、請求項３に係るマイクロヒータが、例えば、４００（℃）以上の高温の雰囲気内に置かれることで、発熱抵抗素子が大きく熱膨張し、この熱膨張が絶縁層に対し大きな熱応力として作用しても、当該熱応力が、上述のように残存する引張応力でもってより一層有効に緩和される。その結果、絶縁層のうち上記空洞部に対する対応部位において反りの発生が未然に防止され、当該マイクロヒータの熱応力耐性を高めることができる。
また、本発明は、請求項４の記載によれば、請求項１〜３のいずれか１つに記載のマイクロヒータにおいて、絶縁層のうち空洞部に対する対応部位の板厚方向からみた面積は、０．２５（ｍｍ２）以上であることを特徴とする。
絶縁層のうち空洞部に対する対応部位の板厚方向からみた面積が０．２５（ｍｍ２）以上である場合、当該対応部位にて反りが発生しやすい。そこで、このようなマイクロヒータに本発明を適用することにより、絶縁層のうち空洞部に対する対応部位において反りの発生を防止することができる。
また、本発明は、請求項５の記載によれば、請求項２〜４のいずれか１つに記載のマイクロヒータにおいて、引張応力膜は、低圧ＣＶＤ法により形成されていることを特徴とする。
これにより、引張応力膜の強度を高めることができ、その結果、請求項２〜４のいずれか１つに記載の発明の作用効果をより一層向上し得る。
また、本発明に係るセンサは、請求項６の記載によれば、請求項１〜５のいずれか１つに記載のマイクロヒータを備える。
これにより、請求項１〜５のいずれか１つに記載の発明の作用効果を達成し得るセンサの提供が可能となる。
但し、請求項２〜６のいずれかの記載における引張応力膜は、化学量論組成或いはこの化学量論組成に近い組成からなる窒化シリコンでもって形成される。ここで、化学量論組成としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）の窒素（Ｎ）に対する比（Ｓｉ／Ｎ）＝３／４が挙げられる。また、引張応力膜が圧縮応力膜以上の膜厚を有するとは、例えば、圧縮応力膜の引張応力膜の膜厚比が０．２５〜１の範囲以内にあることをいう。また、絶縁層の膜厚は１．０（μｍ）以下であることが望ましい。さらに、絶縁層の引張応力は、９００（ＭＰａ）以下、好ましくは８００（ＭＰａ）以下であることが望ましい。
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。
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明に係るマイクロヒータの第１実施形態を示している。このマイクロヒータは、シリコン基板からなる半導体基板１００と、この半導体基板１００の表面１１０に沿い形成される絶縁層２００と、半導体基板１００の裏面１２０に形成される裏側絶縁膜３００とを備えている。
（第１実施形態）
図１は、本発明に係るマイクロヒータの第１実施形態を示している。このマイクロヒータは、シリコン基板からなる半導体基板１００と、この半導体基板１００の表面１１０に沿い形成される絶縁層２００と、半導体基板１００の裏面１２０に形成される裏側絶縁膜３００とを備えている。
半導体基板１００は、図１にて示すごとく、空洞部１３０を備えており、この空洞部１３０は、絶縁層２００の裏面側において、半導体基板１００にその板厚方向に向け断面八の字状に貫通形成されている。
絶縁層２００は、図１及び図２から分かるように、下側薄膜２１０及び上側薄膜２２０を備えている。下側薄膜２１０は、引張応力膜２１１及び圧縮応力膜２１２を有しており、引張応力膜２１１は、半導体基板１００の表面１１０に沿い、窒化シリコンでもって、膜状に形成されている。また、圧縮応力膜２１２は、引張応力膜２１１の表面に沿い、酸化シリコン（ＳｉＯ2２）でもって、膜状に形成されている。
本第１実施形態では、引張応力膜２１１の形成材料である窒化シリコンは、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝３／４を有するように、シリコン及び窒素からなるＳｉ3３Ｎ4４でもって構成されている。また、引張応力膜２１１の膜厚は、０．２（μｍ）であり、圧縮応力膜２１２の膜厚は、０．１（μｍ）である。
また、上側薄膜２２０は、圧縮応力膜２２１及び引張応力膜２２２を有しており、圧縮応力膜２２１は、圧縮応力膜２１２の表面に沿い、この圧縮応力膜２１２と同様に、酸化シリコン（ＳｉＯ2２）でもって、膜状に形成されている。引張応力膜２２２は、圧縮応力膜２２１の表面に沿い、窒化シリコンでもって、膜状に形成されている。
本第１実施形態では、引張応力膜２２２の形成材料である窒化シリコンは、引張応力膜２１１の形成材料と同様に、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝３／４を有するように、Ｓｉ3３Ｎ4４でもって構成されている。また、圧縮応力膜２２１の膜厚は、上述した圧縮応力膜２１２の膜厚と同一であり、引張応力膜２２２の膜厚は、上述した引張応力膜２１１の膜厚と同一である。但し、絶縁層２００の厚さは、１．０（μｍ）以下であることが望ましい。
本第１実施形態では、引張応力膜２２２の形成材料である窒化シリコンは、引張応力膜２１１の形成材料と同様に、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝３／４を有するように、Ｓｉ3３Ｎ4４でもって構成されている。また、圧縮応力膜２２１の膜厚は、上述した圧縮応力膜２１２の膜厚と同一であり、引張応力膜２２２の膜厚は、上述した引張応力膜２１１の膜厚と同一である。但し、絶縁層２００の厚さは、１．０（μｍ）以下であることが望ましい。
なお、裏側絶縁膜３００は、半導体基板１００の裏面１２０に沿い窒化シリコン（Ｓｉ3３Ｎ4４）でもって膜状に形成されており、この裏側絶縁膜３００は、その空洞部１３０に対する対応部位にて、除去され、空洞部１３０の開口部として形成されている。
これにより、絶縁層２００の引張応力膜２１１は、その裏面のうち空洞部１３０に対する対応部にて、当該空洞部１３０の開口部を通して外方に露呈している。なお、半導体基板１００のうち空洞部１３０以外の部位を、以下、基板部１４０という。
また、当該マイクロヒータは、図１にて示すごとく、絶縁層２００に埋設してなる発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０を備えている。
発熱抵抗素子４００は、下側薄膜２１０と上側薄膜２２０との間、即ち両圧縮応力膜２１２、２２１の間にて、空洞部１３０に対応するように、挟持されており、当該発熱抵抗素子４００は、圧縮応力膜２１２の表面に図１にて図示紙面に直交する方向に沿い、白金（Ｐｔ）でもって、蛇行状にかつ薄膜状に形成されている。
なお、本第１実施形態において、絶縁層２００のうち半導体基板１００の空洞部１３０に対する対応部位は、この対応部位に埋設されている発熱抵抗素子４００をも含めて、当該マイクロヒータのダイアフラム部ともいう。
発熱抵抗素子４００は、下側薄膜２１０と上側薄膜２２０との間、即ち両圧縮応力膜２１２、２２１の間にて、空洞部１３０に対応するように、挟持されており、当該発熱抵抗素子４００は、圧縮応力膜２１２の表面に図１にて図示紙面に直交する方向に沿い、白金（Ｐｔ）でもって、蛇行状にかつ薄膜状に形成されている。
なお、本第１実施形態において、絶縁層２００のうち半導体基板１００の空洞部１３０に対する対応部位は、この対応部位に埋設されている発熱抵抗素子４００をも含めて、当該マイクロヒータのダイアフラム部ともいう。
左側配線膜４１０は、図１にて示すごとく、空洞部１３０の図１にて図示左側において、下側薄膜２１０と上側薄膜２２０との間、即ち両圧縮応力膜２１２、２２１の間にて、半導体基板１００の基板部１４０に対応するように挟持されており、当該左側配線膜４１０は、圧縮応力膜２１２の表面に図１にて図示紙面に直交する方向に沿い、白金（Ｐｔ）でもって、薄膜状に形成されている。なお、当該左側配線膜４１０は、発熱抵抗素子４００の一端に接続されている。
一方、右側配線膜４２０は、図１にて示すごとく、空洞部１３０の図１にて図示右側において、両圧縮応力膜２１２、２２１の間にて、半導体基板１００の基板部１４０に対応するように挟持されており、当該右側配線膜４２０は、圧縮応力膜２１２の表面に図１にて図示紙面に直交する方向に沿い、白金（Ｐｔ）でもって、薄膜状に形成されている。なお、当該右側配線膜４２０は、発熱抵抗素子４００の他端に接続されている。
また、当該マイクロヒータは、図１にて示すごとく、左右両側電極膜４３０、４４０を備えており、左側電極膜４３０は、上側薄膜２２０に形成したコンタクトホール２２３を通して左側配線膜４１０上に形成されている。なお、コンタクトホール２２３は、上側薄膜２２０のうち左側配線膜４１０に対する対応部位に形成されている。
また、右側電極膜４４０は、上側薄膜２２０に形成したコンタクトホール２２４を通して右側配線膜４２０上に形成されている。なお、コンタクトホール２２４は、上側薄膜２２０のうち右側配線膜４２０に対する対応部位に形成されている。
次に、上述のように構成されるマイクロヒータの製造工程について図３〜図６及び図１を参照して説明する。なお、当該マイクロヒータは、マイクロマシン技術を利用して製造される。
（１）引張応力膜２１１及び裏側絶縁膜３００の成膜工程
まず、洗浄したシリコン基板を半導体基板１００として準備する（図３参照）。次に、このように準備した半導体基板１００の表面に、引張応力膜２１１を、低圧ＣＶＤ法（ＬＰ−ＣＶＤ法）により、窒化シリコンでもって、膜厚０．２（μｍ）にて、図３にて示すごとく、成膜する。
（１）引張応力膜２１１及び裏側絶縁膜３００の成膜工程
まず、洗浄したシリコン基板を半導体基板１００として準備する（図３参照）。次に、このように準備した半導体基板１００の表面に、引張応力膜２１１を、低圧ＣＶＤ法（ＬＰ−ＣＶＤ法）により、窒化シリコンでもって、膜厚０．２（μｍ）にて、図３にて示すごとく、成膜する。
但し、当該窒化シリコンとしては、上述のごとく、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝３／４となるように、シリコン及び窒素からなる窒化シリコン（Ｓｉ3３Ｎ4４）が採用されている。なお、引張応力膜２１１の上述のような成膜の際には、絶縁膜３００も半導体基板１００の裏面１２０に薄膜状に成膜される（図３参照）。
（２）圧縮応力膜２１２成膜工程
然る後、圧縮応力膜２１２を、引張応力膜２１１の表面に沿い、プラズマＣＶＤ法により、酸化シリコン（ＳｉＯ2２）でもって、膜厚＝０．１（μｍ）にて、図３にて示すごとく成膜する。
（３）発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０の成膜工程
ついで、白金（Ｐｔ）を、スパッタリングにより、圧縮応力膜２１２の表面に薄膜状の白金膜として成膜し、然る後、この白金膜にパターニング処理を施して、発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０を圧縮応力膜２１２の表面に一体に形成する（図４参照）。
（４）圧縮応力膜２２１成膜工程
このような形成後、圧縮応力膜２２１を、プラズマＣＶＤ法により、酸化シリコン（ＳｉＯ2２）でもって、発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０を覆うようにして、圧縮応力膜２１２の表面に沿い、膜厚＝０．１（μｍ）にて、図５にて示すごとく、成膜する。
（５）引張応力膜２２２の成膜工程
ついで、引張応力膜２２２を、低圧ＣＶＤ法により、窒化シリコンでもって、圧縮応力膜２２１の表面に沿い、膜厚０．２（μｍ）にて、図５にて示すごとく、成膜する。これにより、圧縮応力膜２２１及び引張応力膜２２２からなる上側薄膜２２０が、発熱抵抗素子４００、換言すれば両圧縮応力膜２１２、２２１の間を基準に、引張応力膜２１１及び圧縮応力膜２１２からなる下側薄膜２１０に対し対称的に形成される。
（２）圧縮応力膜２１２成膜工程
然る後、圧縮応力膜２１２を、引張応力膜２１１の表面に沿い、プラズマＣＶＤ法により、酸化シリコン（ＳｉＯ2２）でもって、膜厚＝０．１（μｍ）にて、図３にて示すごとく成膜する。
（３）発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０の成膜工程
ついで、白金（Ｐｔ）を、スパッタリングにより、圧縮応力膜２１２の表面に薄膜状の白金膜として成膜し、然る後、この白金膜にパターニング処理を施して、発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０を圧縮応力膜２１２の表面に一体に形成する（図４参照）。
（４）圧縮応力膜２２１成膜工程
このような形成後、圧縮応力膜２２１を、プラズマＣＶＤ法により、酸化シリコン（ＳｉＯ2２）でもって、発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０を覆うようにして、圧縮応力膜２１２の表面に沿い、膜厚＝０．１（μｍ）にて、図５にて示すごとく、成膜する。
（５）引張応力膜２２２の成膜工程
ついで、引張応力膜２２２を、低圧ＣＶＤ法により、窒化シリコンでもって、圧縮応力膜２２１の表面に沿い、膜厚０．２（μｍ）にて、図５にて示すごとく、成膜する。これにより、圧縮応力膜２２１及び引張応力膜２２２からなる上側薄膜２２０が、発熱抵抗素子４００、換言すれば両圧縮応力膜２１２、２２１の間を基準に、引張応力膜２１１及び圧縮応力膜２１２からなる下側薄膜２１０に対し対称的に形成される。
但し、引張応力膜２２２の形成材料である窒化シリコンとしては、引張応力膜２１１の形成材料と同様に、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝３／４となるように、シリコン及び窒素からなる窒化シリコン（Ｓｉ3３Ｎ4４）が採用されている。
なお、引張応力膜２２２の上述のような成膜の際には、絶縁膜３００も半導体基板１００の裏面１２０に薄膜状に成膜される（図５参照）。
（６）電極膜形成工程
この電極膜形成工程では、図５のように引張応力膜２２２を成膜した後において、まず、上側薄膜２２０のうち左右両側配線膜４１０、４２０に対する各対応部位に、エッチング処理でもって、各コンタクトホール２２３、２２４を形成する。なお、これに伴い、左右両側配線膜４１０、４２０は、その各表面にて、各対応コンタクトホール２２３、２２４を通して外部に露呈する。
（６）電極膜形成工程
この電極膜形成工程では、図５のように引張応力膜２２２を成膜した後において、まず、上側薄膜２２０のうち左右両側配線膜４１０、４２０に対する各対応部位に、エッチング処理でもって、各コンタクトホール２２３、２２４を形成する。なお、これに伴い、左右両側配線膜４１０、４２０は、その各表面にて、各対応コンタクトホール２２３、２２４を通して外部に露呈する。
上述のように各コンタクトホール２２３、２２４を形成した後、金（Ａｕ）等のコンタクト金属を、引張応力膜２２２の表面に、各コンタクトホール２２３、２２４の内部をも含めて、スパッタリングにより、コンタクト金属膜として成膜する。ついで、当該コンタクト金属膜にパターニング処理及びエッチング処理を施すことで、左右両側電極膜４３０、４４０を各コンタクトホール２２３、２２４に形成する（図６参照）。
（７）空洞部形成工程
上述のように電極膜形成工程が終了すると、裏側絶縁膜３００に対し、空洞部１３０を形成するに要するパターニング処理及びエッチング処理を施す。ついで、異方性エッチング液（例えば、ＴＭＡＨ）を用いて、半導体基板１００にエッチング処理を施す。これにより、半導体基板１００には、空洞部１３０が形成される（図１参照）。以上の工程でもって、当該マイクロヒータの製造が終了する。
（７）空洞部形成工程
上述のように電極膜形成工程が終了すると、裏側絶縁膜３００に対し、空洞部１３０を形成するに要するパターニング処理及びエッチング処理を施す。ついで、異方性エッチング液（例えば、ＴＭＡＨ）を用いて、半導体基板１００にエッチング処理を施す。これにより、半導体基板１００には、空洞部１３０が形成される（図１参照）。以上の工程でもって、当該マイクロヒータの製造が終了する。
以上説明したように、本第１実施形態では、絶縁層２００において、上側及び下側の各引張応力膜２１１、２２２が、それぞれ、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝３／４からなる窒化シリコンでもって、酸化シリコンからなる各対応の圧縮応力膜２１２、２２１の膜厚の２倍の膜厚にて形成されている。
従って、このように形成した絶縁層２００の内部応力は、引張応力において従来のマイクロヒータよりも大きな値にて残存することとなる。
しかも、上述のように、絶縁層２００において、各上側の引張応力膜２２２及び圧縮応力膜２２１が、各下側の圧縮応力膜２１２及び引張応力膜２１１に対し、発熱抵抗素子４００を挟持してなる上側及び下側の両圧縮応力膜２２１、２１２の間を基準に、対称的に積層形成されている。
このため、このような対照的積層膜構造からなる絶縁層２００の残存引張応力は、上側及び下側の引張応力膜及び圧縮応力膜の組毎に、相乗的に作用することとなる。
従って、当該マイクロヒータが、例えば、４００（℃）以上の高温の雰囲気内に置かれることで、発熱抵抗素子４００が大きく熱膨張し、この熱膨張が絶縁層２００に対し大きな熱応力として作用しても、当該熱応力が、上述のように相乗的に作用する残存引張応力でもってより一層有効に緩和される。
これにより、絶縁層２００の空洞部１３０に対する対応部位である上記ダイアフラム部において反りの発生がより一層未然に防止され、当該マイクロヒータの熱応力耐性をより一層高めることができる。その結果、当該マイクロヒータは、上述のような高温の雰囲気内でも、安定状態にて使用され得る。
特に、当該マイクロヒータに対する断続的通電の際には、絶縁層２００の上記ダイアフラム部に冷熱サイクルを繰り返し与えることになるが、このような場合であっても、上記ダイアフラム部における反りの発生は未然に防止され得る。従って、上記ダイアフラム部の破壊や発熱抵抗素子４００の断線等の不具合が発生することがない。
また、上述のように、引張応力膜２１１、２２２は、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝３／４からなる窒化シリコンでもって、低圧ＣＶＤ法により形成されている。従って、各引張応力膜２１１、２２２の強度を高めることができる。その結果、上述の作用効果がより一層向上され得る。
ちなみに、上述のように製造したマイクロヒータにおいて、各引張応力膜及び各圧縮応力膜の応力を測定したところ、各圧縮応力膜の圧縮応力は、−１２０（ＭＰａ）程度であり、各引張応力膜の引張応力は、１０００（ＭＰ）程度であった。
従って、絶縁層全体としては、６３０（ＭＰ）程度の引張応力が残存する。よって、このような大きさの残存引張応力があれば、上述した反りの発生が未然に防止され得ることが分かる。なお、上述の圧縮応力及び引張応力の測定にあたっては、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＦＬＸ−２３２０型薄膜ストレス測定装置を用いた。
（第２実施形態）
図７は、本発明に係るマイクロヒータの第２実施形態を示している。この第２実施形態では、上記第１実施形態にて述べたマイクロヒータの半導体基板１００が、空洞部１３０に代えて、空洞部１５０を有する構成となっている。この空洞部１５０は、図７にて示すごとく、上記第１実施形態にて述べた絶縁層２００の上記ダイアフラム部に対する半導体基板１００の対応部位にて当該半導体基板１００の表面１１０側から形成されている。
従って、絶縁層全体としては、６３０（ＭＰ）程度の引張応力が残存する。よって、このような大きさの残存引張応力があれば、上述した反りの発生が未然に防止され得ることが分かる。なお、上述の圧縮応力及び引張応力の測定にあたっては、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＦＬＸ−２３２０型薄膜ストレス測定装置を用いた。
（第２実施形態）
図７は、本発明に係るマイクロヒータの第２実施形態を示している。この第２実施形態では、上記第１実施形態にて述べたマイクロヒータの半導体基板１００が、空洞部１３０に代えて、空洞部１５０を有する構成となっている。この空洞部１５０は、図７にて示すごとく、上記第１実施形態にて述べた絶縁層２００の上記ダイアフラム部に対する半導体基板１００の対応部位にて当該半導体基板１００の表面１１０側から形成されている。
ここで、当該空洞部１５０は、次のようにして形成される。即ち、上記第１実施形態にて述べたように絶縁層２００を半導体基板１００の表面１１０に積層した後において、絶縁層２００の上記ダイアフラム部のうち発熱抵抗素子４００の各蛇行状部位の両側に形成される各スリット２３０（図７参照）を通して、エッチング液を半導体基板１００にその表面１１０側から注入する。これにより、当該半導体基板１００の上記ダイアフラム部に対する対応部位をエッチングする。
このようなエッチングにより、空洞部１５０が、上述のごとく、半導体基板１００の上記ダイアフラム部に対する対応部位に形成される。その他の構成は上記第１実施形態と同様である。
このように構成した本第２実施形態において、上述のように半導体基板１００にその表面１１０側から空洞部１５０を形成するようにしても、上記第１実施形態と実質的に同様の絶縁層２００の積層膜構造を有することから、上記第１実施形態と同様の作用効果が達成され得る。
（第３実施形態）
図８は、本発明に係るマイクロヒータの第３実施形態を示している。この第３実施形態では、上記第１実施形態にて述べたマイクロヒータにおいて、下側引張応力膜２１１及び裏側絶縁膜３００の成膜に先立って、両熱酸化膜１６０、１７０が、それぞれ、半導体基板１００の表面１１０及び裏面１２０に沿い成膜された構成となっている。
（第３実施形態）
図８は、本発明に係るマイクロヒータの第３実施形態を示している。この第３実施形態では、上記第１実施形態にて述べたマイクロヒータにおいて、下側引張応力膜２１１及び裏側絶縁膜３００の成膜に先立って、両熱酸化膜１６０、１７０が、それぞれ、半導体基板１００の表面１１０及び裏面１２０に沿い成膜された構成となっている。
これに伴い、下側引張応力膜２１１が、熱酸化膜１６０を介し半導体基板１００の表面１１０に成膜される。換言すれば、上記第１実施形態にて述べた絶縁層２００は、図９にて部分的に拡大して示すごとく、熱酸化膜１６０を介し半導体基板１００の表面１１０に沿い積層形成される。なお、裏側絶縁膜３００は、熱酸化膜１７０を介し半導体基板１００の裏面１２０に沿い成膜される。その他の構成は上記第１実施形態と同様である。
このように構成した本第３実施形態においては、上述のごとく、熱酸化膜１６０が下側引張応力膜２１１と半導体基板１００の表面１１０との間に沿い成膜されるとともに、熱酸化膜１７０が、裏側絶縁膜３００と半導体基板１００の裏面１２０との間に沿い成膜される。
ここで、熱酸化膜１６０は、窒化シリコンからなる膜との密着性が良好であることから、引張応力膜２１１の半導体基板１００の表面１１０に対する密着性が熱酸化膜１６０でもって良好に確保され得る。なお、熱酸化膜１７０も熱酸化膜１６０と同様の良好な密着性を有することから、絶縁膜３００の半導体基板１００の裏面１２０に対する密着性が、熱酸化膜１７０でもって、良好に確保され得る。また、熱酸化膜１６０は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）でもって形成されており、圧縮応力膜として機能する。さらに、本第３実施形態のマイクロヒータにおいては、下側圧縮応力膜２１２、下側引張応力膜２１１及び熱酸化膜１６０が下側薄膜２１０となる。
ちなみに、本第３実施形態のマイクロヒータにおいて、熱酸化膜１６０及び下側圧縮応力膜２１２の全体の応力、各引張応力膜２１１、２２２及び上側圧縮応力膜２２１の各応力は、それぞれ、−３３０（ＭＰ）程度、１０００（ＭＰ）程度及び−１２０（ＭＰ）程度であった。従って、本第３実施形態においては、絶縁層２００全体としては、４９０（ＭＰ）程度の引張応力が残存する。
従って、上述のように熱酸化膜１６０、１７０を成膜するようにしても、残存引張応力が大きい値になり、その結果、上記第１実施形態と同様の作用効果が達成され得る。
ここで、本発明の効果を確認するために下記の実験を行った。
（実験例１）
上側及び下側薄膜の引張応力の大きさと熱応力耐性との関係について実験を行った。まず、第１実施形態及び第３実施形態と同様な膜構成を備え、各引張応力膜、各圧縮応力膜及び熱酸化膜の各膜厚を変更した複数のマイクロヒータ（表１の試料番号１〜８）を作製した。表１に、各マイクロヒータの各引張応力膜、各圧縮応力膜及び熱酸化膜の各膜厚、上側薄膜、下側薄膜及び絶縁層全体の各引張応力の強さを示す。なお、表１において、第１実施形態と同様な膜構成を備えたマイクロヒータをタイプ１と示し、第３実施形態と同様な膜構成を備えたマイクロヒータをタイプ２と示す。
（実験例１）
上側及び下側薄膜の引張応力の大きさと熱応力耐性との関係について実験を行った。まず、第１実施形態及び第３実施形態と同様な膜構成を備え、各引張応力膜、各圧縮応力膜及び熱酸化膜の各膜厚を変更した複数のマイクロヒータ（表１の試料番号１〜８）を作製した。表１に、各マイクロヒータの各引張応力膜、各圧縮応力膜及び熱酸化膜の各膜厚、上側薄膜、下側薄膜及び絶縁層全体の各引張応力の強さを示す。なお、表１において、第１実施形態と同様な膜構成を備えたマイクロヒータをタイプ１と示し、第３実施形態と同様な膜構成を備えたマイクロヒータをタイプ２と示す。
次に、作製した各マイクロヒータに対し、４００℃における使用を想定した寿命予測（４００℃予測寿命）を評価した。評価結果を表１に示す。なお、表１において、４００℃予測寿命が１０年以上であるとき「○」と示し、４００℃予測寿命が１０年未満であるとき「×」と示した。
表１より、上側薄膜或いは下側薄膜の引張応力の大きさが３００（ＭＰａ）より小さい比較例のマイクロヒータにおいては、４００℃予測寿命の結果が１０年未満であり、熱応力耐性が悪かった。
これに対し、本発明のマイクロヒータ（試料番号１〜４）では、４００℃予測寿命の評価結果が１０年以上であり、優れた熱応力耐性を有したマイクロヒータであった。従って、上側薄膜及び下側薄膜の引張応力の大きさが３００（ＭＰａ）以上のマイクロヒータとすることにより、熱応力耐性を高めることができることが確認された。
（実験例２）
続いて、ダイアフラム部の面積と上側及び下側薄膜の引張応力の大きさとの関係について実験を行った。まず、第３実施形態と同様な膜構成を備え、ダイアフラム部の面積、各引張応力膜、各圧縮応力膜及び熱酸化膜の各膜厚を変更した複数のマイクロヒータ（表２の試料番号９〜１５）を作製した。表２に、各マイクロヒータのダイアフラム部の面積、各引張応力膜、各圧縮応力膜及び熱酸化膜の各膜厚、上側薄膜、下側薄膜及び絶縁層全体の各引張応力の強さを示す。なお、ダイアフラム部の面積とは、絶縁層の板厚方向からみたダイアフラム部の面積を意味している。
続いて、ダイアフラム部の面積と上側及び下側薄膜の引張応力の大きさとの関係について実験を行った。まず、第３実施形態と同様な膜構成を備え、ダイアフラム部の面積、各引張応力膜、各圧縮応力膜及び熱酸化膜の各膜厚を変更した複数のマイクロヒータ（表２の試料番号９〜１５）を作製した。表２に、各マイクロヒータのダイアフラム部の面積、各引張応力膜、各圧縮応力膜及び熱酸化膜の各膜厚、上側薄膜、下側薄膜及び絶縁層全体の各引張応力の強さを示す。なお、ダイアフラム部の面積とは、絶縁層の板厚方向からみたダイアフラム部の面積を意味している。
次に、作製した各マイクロヒータに対し、反りの発生の有無を測定した。ここで、ダイアフラム部の反りの測定にあたっては、ｚｙｇｏ社製のＮｅｗＶｉｅｗ２００型三次元表面構造解析顕微鏡を用い、室温にて測定した。実験結果を表２に示す。なお、本実験例２では、反り量が１（μｍ）未満であるときダイアフラム部に反りが発生していない（表２において「無し」と示す）と判定し、反り量が１（μｍ）以上であるときダイアフラム部に反りが発生した（表２において「有り」と示す）と判定した。
表２の結果より、上側薄膜或いは下側薄膜の引張応力の大きさが３００（ＭＰａ）より小さい比較例のマイクロヒータにおいて、ダイアフラム部の面積が０．２（ｍｍ２）であるマイクロヒータ（試料番号１２）はダイアフラム部に反りが発生していなかった。しかしながら、ダイアフラム部の面積が０．３（ｍｍ２）のマイクロヒータ（試料番号１３〜１５）においては反りが発生していた。
これに対し、本発明のマイクロヒータ（試料番号９〜１１）では、ダイアフラム部の面積が０．２５（ｍｍ２）以上であるにも関わらず、反りが発生していなかった。従って、上側薄膜及び下側薄膜の引張応力の大きさが３００（ＭＰａ）以上のマイクロヒータとすることにより、ダイアフラム部の面積が０．２５（ｍｍ２）以上とダイアフラム部の面積が大きなマイクロヒータであっても、ダイアフラム部の反りを小さくすることができることが確認された。
なお、本発明の実施にあたり、上記各実施形態に限ることなく、次のような種々の変形例が挙げられる。
（１）膜厚比＝引張応力膜２１１の膜厚／圧縮応力膜２１２及び引張応力膜２２２の膜厚／圧縮応力膜２２１は、それぞれ、０．２５〜１の範囲以内であればよい。
（２）引張応力膜２１１（２２２）の形成材料である窒化シリコンとしては、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝３／４を有する窒化シリコンに限ることなく、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）により化学量論組成或いはこの化学量論組成に近い組成からなる窒化シリコンを採用してもよい。これによっても、上記各実施形態のいずれかと同様の作用効果が達成され得る。
（１）膜厚比＝引張応力膜２１１の膜厚／圧縮応力膜２１２及び引張応力膜２２２の膜厚／圧縮応力膜２２１は、それぞれ、０．２５〜１の範囲以内であればよい。
（２）引張応力膜２１１（２２２）の形成材料である窒化シリコンとしては、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝３／４を有する窒化シリコンに限ることなく、シリコン（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）により化学量論組成或いはこの化学量論組成に近い組成からなる窒化シリコンを採用してもよい。これによっても、上記各実施形態のいずれかと同様の作用効果が達成され得る。
なお、上述の化学量論組成とは、窒化シリコンを構成する原子数の比が当該窒化シリコンの化学式通りに存在していることをいう。従ってまた、化学量論組成に近い組成とは、組成比＝シリコン（Ｓｉ）／窒素（Ｎ）＝０．７５〜０．７７上記化学式通りに近い組成をいう意味している。
（３）上記各実施形態のいずれかにて述べた絶縁層２００は、少なくとも、１枚ずつの引張応力膜及び圧縮応力膜の積層膜構造を有すればよい。なお、発熱抵抗素子４００は、当該積層膜構造に埋設される。
（４）上記各実施形態のいずれかに述べたマイクロヒータを流量センサやガスセンサ等のセンサの検出素子として採用することで、上記各実施形態のいずれかに述べた作用効果を達成し得るセンサの提供が可能となる。
（３）上記各実施形態のいずれかにて述べた絶縁層２００は、少なくとも、１枚ずつの引張応力膜及び圧縮応力膜の積層膜構造を有すればよい。なお、発熱抵抗素子４００は、当該積層膜構造に埋設される。
（４）上記各実施形態のいずれかに述べたマイクロヒータを流量センサやガスセンサ等のセンサの検出素子として採用することで、上記各実施形態のいずれかに述べた作用効果を達成し得るセンサの提供が可能となる。
１００…半導体基板、１１０…表面、１３０、１５０…空洞部、２００…絶縁層、
２１１、２２２…引張応力膜、２１２、２２１…圧縮応力膜、４００…発熱抵抗素子。
２１１、２２２…引張応力膜、２１２、２２１…圧縮応力膜、４００…発熱抵抗素子。
Claims (6)
- 板厚方向に空洞部を形成してなる半導体基板と、
この半導体基板の一側面に沿い前記空洞部を閉じるように設けられる絶縁層と、
この絶縁層のうち前記空洞部に対する対応部位に埋設され、金属材料からなる発熱抵抗素子とを備えてなるマイクロヒータにおいて、
前記絶縁層は、
前記半導体基板の一側面側に設けられる下側絶縁膜と、
この下側絶縁膜に前記半導体基板とは反対側から積層される上側絶縁膜とでもって構成されており、
前記上側絶縁膜及び前記下側絶縁膜は、それぞれ、３００（ＭＰａ）以上の引張応力を有しており、
前記発熱抵抗素子は、前記空洞部に対応するように前記上側絶縁膜及び前記下側絶縁膜の間に介装されることで、前記絶縁層に埋設されていることを特徴とするマイクロヒータ。 - 前記下側絶縁膜は、
前記半導体基板の一側面側に設けられる下側引張応力膜と、
この下側引張応力膜に前記半導体基板とは反対側から積層される下側圧縮応力膜とでもって構成されており、
前記上側絶縁膜は、
前記下側圧縮応力膜に前記下側引張応力膜とは反対側から積層される上側圧縮応力膜と、
この上側圧縮応力膜に前記下側圧縮応力膜とは反対側から積層される上側引張応力膜とでもって構成されており、
前記各圧縮応力膜は、それぞれ、酸化シリコンで形成されており、
前記下側引張応力膜は、窒化シリコンでもって、前記下側圧縮応力膜の膜厚以上の膜厚にて形成されており、
前記上側引張応力膜は、窒化シリコンでもって、前記上側圧縮応力膜の膜厚以上の膜厚にて形成されており、
前記発熱抵抗素子は、前記空洞部に対応するように前記両圧縮応力膜の間に介装されることで、前記絶縁層に埋設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。 - 前記絶縁層は、３００（ＭＰａ）以上の引張応力を有す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。
- 前記絶縁層のうち前記空洞部に対する対応部位の板厚方向からみた面積は、０．２５（ｍｍ２）以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のマイクロヒータ。
- 前記引張応力膜は、低圧ＣＶＤ法により形成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載のマイクロヒータ。
- 請求項１〜５のいずれか１つに記載のマイクロヒータを備えるセンサ。
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