特開 2024-82863 保護膜の形成方法、保護膜、及び、センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024082863

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】保護膜の形成方法、保護膜、及び、センサ

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/684 20060101AFI20240613BHJP

【ＦＩ】

G01F1/684 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197030

(22)【出願日】2022-12-09

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】湯山 まゆみ

【テーマコード（参考）】

2F035

【Ｆターム（参考）】

2F035EA05

2F035EA08

(57)【要約】

【課題】品質及び生産性の良い保護膜を得る。
【解決手段】被測定流体の流量を測定するセンサが備える測温抵抗体１３を覆って測温抵抗体２３を被測定流体から保護する保護膜２３を形成する。この保護膜２３の形成方法は、測温抵抗体１３を覆う第１絶縁層２３Ａを保護膜２３の最下層として原子層堆積法により形成する第１ステップと、第１絶縁層２３Ａ上に第２絶縁層２３Ｂを保護膜２３の中間層として化学気相成長法又は物理気相成長法により形成する第２ステップと、第２絶縁層２３Ｂ上に第３絶縁層２３Ｃを保護膜２３の最上層として原子層堆積法により形成する第３ステップと、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定流体の物理量を測定するセンサが備える導体を覆って当該導体を前記被測定流体から保護する保護膜の形成方法であって、
前記導体を覆う第１絶縁層を前記保護膜の最下層として原子層堆積法により形成する第１ステップと、
前記第１絶縁層上に第２絶縁層を前記保護膜の中間層として化学気相成長法又は物理気相成長法により形成する第２ステップと、
前記第２絶縁層上に第３絶縁層を前記保護膜の最上層として原子層堆積法により形成する第３ステップと、
を備える、保護膜の形成方法。

【請求項2】

前記導体は、測温抵抗体であり、
前記第１絶縁層、前記第２絶縁層、及び、前記第３絶縁層は、同じ材料により形成されている、
請求項１に記載の保護膜の形成方法。

【請求項3】

前記同じ材料は、ＳｉＮ又はＳｉＯ_２である、
請求項２に記載の保護膜の形成方法。

【請求項4】

前記センサは、前記被測定流体を加熱するヒータと前記測温抵抗体とにより、前記被測定流体の前記物理量としての流量を計測する熱式流量センサであり、
前記導体は、前記測温抵抗体と前記ヒータとを含み、
前記保護膜は、厚み方向に直交する方向に連続して前記測温抵抗体と前記ヒータとを覆うように形成される、
請求項２に記載の保護膜の形成方法。

【請求項5】

前記被測定流体は、導電性流体である、
請求項１に記載の保護膜の形成方法。

【請求項6】

前記導体は、ベース上に形成され、当該ベースと段差部分を形成しており、
前記第１絶縁層、前記第２絶縁層、及び、前記第３絶縁層は、前記段差部分を覆うように形成される、
請求項１に記載の保護膜の形成方法。

【請求項7】

被測定流体の物理量を測定するセンサが備える導体を覆って前記導体を前記被測定流体から保護する保護膜であって、
原子層堆積法により形成され前記導体を覆う第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に化学気相成長法又は物理気相成長法により形成された第２絶縁層と、
前記第２絶縁層上に原子層堆積法により形成された第３絶縁層と、
を備える保護膜。

【請求項8】

請求項７に記載の保護膜と、
前記保護膜によって保護される前記導体と、
を備えるセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、保護膜の形成方法、保護膜、及び、センサに関する。

【背景技術】

【0002】

測定対象の流体である被測定流体の物理量を測定するセンサには、被測定流体の流路に、測温抵抗体などの導体が設けられる。特許文献１が開示するように、導体は、保護膜（特許文献１では、絶縁体２２）により覆われ被測定流体から保護される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１６７５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の保護膜を、化学気相成長法（ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、及び、原子層堆積法（ＡＬＤ）のいずれかで形成することが考えられる。ＣＶＤ及びＰＶＤは成膜レートが良いため、その生産性は良い。しかしながら、膜の品質には難がある。ＡＬＤは、品質の良い膜を形成できるが、ＡＬＤは成膜レートが悪く、ＡＬＤのみで保護膜を形成する場合、保護膜として必要な厚みを得るのに時間を要する。つまり、ＡＬＤの生産性は良くない。

【0005】

本発明は、品質及び生産性の良い保護膜を得ることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明に係る保護膜の形成方法は、被測定流体の物理量を測定するセンサが備える導体を覆って当該導体を前記被測定流体から保護する保護膜の形成方法であって、前記導体を覆う第１絶縁層を前記保護膜の最下層として原子層堆積法により形成する第１ステップと、前記第１絶縁層上に第２絶縁層を前記保護膜の中間層として化学気相成長法又は物理気相成長法により形成する第２ステップと、前記第２絶縁層上に第３絶縁層を前記保護膜の最上層として原子層堆積法により形成する第３ステップと、を備える。

【0007】

一例として、前記導体は、測温抵抗体であり、前記第１絶縁層、前記第２絶縁層、及び、前記第３絶縁層は、同じ材料により形成されてもよい。

【0008】

一例として、前記同じ材料は、ＳｉＮ又はＳｉＯ_２であってもよい。

【0009】

一例として、前記センサは、前記被測定流体を加熱するヒータと前記測温抵抗体とにより、前記被測定流体の前記物理量としての流量を計測する熱式流量センサであり、前記導体は、前記測温抵抗体と前記ヒータとを含み、前記保護膜は、厚み方向に直交する方向に連続して前記測温抵抗体と前記ヒータとを覆うように形成されてもよい。

【0010】

一例として、前記被測定流体は、導電性流体であってもよい。

【0011】

一例として、前記導体は、ベース上に形成され、当該ベースと段差部分を形成しており、前記第１絶縁層、前記第２絶縁層、及び、前記第３絶縁層は、前記段差部分を覆うように形成されてもよい。

【0012】

本発明に係る保護膜は、被測定流体の物理量を測定するセンサが備える導体を覆って前記導体を前記被測定流体から保護する保護膜であって、原子層堆積法により形成され前記導体を覆う第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に化学気相成長法又は物理気相成長法により形成された第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に原子層堆積法により形成された第３絶縁層と、を備える。

【0013】

本発明に係るセンサは、上記保護膜と、前記保護膜によって保護される前記導体と、を備える。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、品質及び生産性の良い保護膜が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係るセンサを概略平面図である。

【図2】図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。

【図3】図３は、センサの形成方法を説明するための図である。

【図4】図４は、センサの形成方法を説明するための図である。

【図5】図５は、センサの形成方法を説明するための図である。

【図6】図６は、センサの形成方法を説明するための図である。

【図7】図７は、センサの形成方法を説明するための図である。

【図8】図８は、センサの形成方法を説明するための図である。

【図9】図９は、変形例に係る保護膜の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態及びその変形例について、図面を参照して説明する。以下の説明では、センサ１０の厚み方向を上下方向とするが、当該上下方向は、便宜上のものである。

【0017】

（実施形態）
図１及び図２に示す本実施形態に係るセンサ１０は、被測定流体の流路に配置され使用される熱式の流量センサとして構成されている。センサ１０は、ヒータ１１と、ヒータ１１の上流及び下流にそれぞれ配置された測温抵抗体１２及び１３と、を備える。センサ１０は、発熱抵抗体からなるヒータ１１で被測定流体を加熱し、加熱した被測定流体の熱分布を測温抵抗体１２及び１３で捉えることで、被測定流体の流量を検出する。測温抵抗体は、下流にのみ配置されてもよい。センサ１０は、温度補償のため周囲温度を測定するための測温抵抗体などの他の要素を備えてもよい。

【0018】

ヒータ１１と、測温抵抗体１２及び１３とは、例えば白金（Ｐｔ）により形成されている。ヒータ１１と、測温抵抗体１２及び１３との各材料は、異なってもよい。ヒータ１１と、測温抵抗体１２及び１３とは、図１では模式的に描かれており、実際には導電路の長さを稼ぐため蛇行した線状に形成される。ヒータ１１と、測温抵抗体１２及び１３とを、まとめて要素１１～１３ともいう。

【0019】

センサ１０は、要素１１～１３に加え、基板２１と、絶縁層２２と、保護膜２３と、導電パターン２４Ａ～２４Ｆと、電極パッド２５Ａ～２５Ｆと、絶縁膜２６及び２７と、を備える。センサ１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などにより形成される。

【0020】

基板２１は、シリコン製の半導体基板である。絶縁層２２は、基板２１上に積層されている。絶縁層２２上には、要素１１～１３が形成されている。絶縁層２２は、要素１１～１３と基板２１とを電気的に絶縁するとともに、ヒータ１１の発熱時の熱が基板２１に伝わり難くする、要素１１～１３のベースとして構成されている。一例として、絶縁層２２は、基板２１上に設けられたガラス層と、当該ガラス層を覆う窒化シリコン（ＳｉＮ）製の絶縁層と、を含んで構成されている。他の例として、絶縁層２２は、ガラス層のみから形成されてもよい。

【0021】

絶縁層２２の上には、要素１１～１３の他、要素１１～１３を覆う保護膜２３が形成されている。保護膜２３は、第１～第３絶縁層２３Ａ～２３Ｃからなる三層構造を有する（詳細は後述する）。保護膜２３は、要素１１～１３が被測定流体と接触しないように、要素１１～１３を上から覆って保護する。要素１１～１３は、ある程度の厚さを有して形成されているので、ベースとしての絶縁層２２とで段差部分を形成している。保護膜２３は、要素１１～１３と絶縁層２２との段差部分を含めて要素１１～１３を覆う。また、保護膜２３は、その厚み方向である上下方向に直交する方向に連続する一枚の膜として形成され、要素１１～１３を覆っている。前記「直交する方向に連続する」とは、膜全体をみたときに当該膜が途切れなく前記直交する方向に延びた態様であればよく、前記段差部分を覆う部分のような前記直交する方向とは異なる方向に延びた部分がある態様を含む。保護膜２３（特に、要素１１～１３を覆っている領域）は、被測定流体の流路壁を形成し、被測定流体は、保護膜２３に接触する。

【0022】

保護膜２３の上には、導電パターン２４Ａ～２４Ｆと、電極パッド２５Ａ～２５Ｆと、が設けられている。導電パターン２４Ａ及び電極パッド２５Ａは、一体的に形成され、互いに接続されている。同様に、導電パターン２４Ｂ～２４Ｆと、電極パッド２５Ｂ～２５Ｆとは、それぞれ、一体的に形成されかつ互いに接続されている。

【0023】

導電パターン２４Ａ～２４Ｆのうち導電パターン２４Ｅ及び２４Ｆは、保護膜２３の測温抵抗体１３の両端の直上部分に設けられた貫通孔ＨＥ及びＨＦを介して、測温抵抗体１３の両端とそれぞれ接続されている。導電パターン２４Ｅ及び２４Ｆは、貫通孔ＨＥ及びＨＦをそれぞれ塞いでいる。これにより、被測定流体が貫通孔ＨＥ又はＨＦに侵入して測温抵抗体１３に接触することが防止される。

【0024】

導電パターン２４Ｅ及び２４Ｆと同様に、導電パターン２４Ａ及び２４Ｂも、保護膜２３のヒータ１１の両端の直上部分に設けられた各貫通孔ＨＡ及びＨＢ（図７及び図８参照。図１及び図２では不図示）を介して、ヒータ１１の両端とそれぞれ接続されている。導電パターン２４Ｃ及び２４Ｄも、保護膜２３の測温抵抗体１２の両端の直上部分に設けられた各貫通孔ＨＣ及びＨＤ（図７及び図８参照。図１及び図２では不図示）を介して、測温抵抗体１２の両端とそれぞれ接続されている。

【0025】

電極パッド２５Ａ～２５Ｆは、不図示のボンディングワイヤなどを介して不図示の制御回路に接続される。制御回路は、電極パッド２５Ａ及び２５Ｂを介してヒータ１１に電流を流してヒータ１１を発熱させる。制御回路は、電極パッド２５Ｃ及び２５Ｄを介して測温抵抗体１２の抵抗値を取り出す。制御回路は、電極パッド２５Ｅ及び２５Ｆを介して測温抵抗体１３の抵抗値を取り出す。これら抵抗値は、測温抵抗体１２及び１３の温度により変化する。つまり、これら抵抗値は、被測定流体の温度分布ないし流量を示す。制御回路は、取り出した各抵抗値に基づいて被測定流体の流量（流速を含む）を導出して、外部に出力する。

【0026】

絶縁膜２６は、保護膜２３の上に、導電パターン２４Ａ、２４Ｃ、及び、２４Ｅの少なくとも一部を覆った状態で形成される。絶縁膜２６は、特に、導電パターン２４Ａのヒータ１１との接続部分、導電パターン２４Ｃの測温抵抗体１２との接続部分、及び、導電パターン２４Ｅの測温抵抗体１３との接続部分を覆うように構成される。これにより、導電パターン２４Ａなどを被測定流体から絶縁保護するとともに、保護膜２３の貫通孔ＨＥなどへの被測定流体の侵入を防止する。

【0027】

絶縁膜２６と同様に、絶縁膜２７も、保護膜２３の上に、導電パターン２４Ｂ、２４Ｄ、及び、２４Ｆの少なくとも一部を覆った状態で形成される。絶縁膜２７の他の説明は、絶縁膜２６に準じる。

【0028】

被測定流体の流路は、導電パターン２４Ａ～２４Ｆの絶縁膜２６及び２７からの露出部分と、電極パッド２５Ａ～２５Ｆとが、被測定流体と接触しないように当該流路の外側の位置となる構造に形成されてもよい。また、これらが、樹脂によりモールディングされ、被測定流体と絶縁されてもよい。

【0029】

ここで、保護膜２３の３層構造について説明する。保護膜２３は、上述のように、第１絶縁層２３Ａ、第２絶縁層２３Ｂ、及び、第３絶縁層２３Ｃを備える。第１絶縁層２３Ａは、保護膜２３の最下層であり、絶縁層２２上に積層され、要素１１～１３つまりヒータ１１と測温抵抗体１２及び１３とを覆う。第２絶縁層２３Ｂは、中間層であり、第１絶縁層２３Ａ上に積層され、当該層２３Ａを覆う。第３絶縁層２３は、最上層であり、第２絶縁層２３Ｂ上に積層され、当該層２３Ｂを覆う。

【0030】

第１絶縁層２３Ａ及び第３絶縁層２３Ｃは、原子層堆積法（ＡＬＤ）により形成される。第２絶縁層２３Ｂは、化学気相成長法（ＣＶＤ）又は物理気相成長法（ＰＶＤ）により形成される。

【0031】

保護膜２３を単層構造とする場合、その形成方法は、ＡＬＤ、ＣＶＤ、及び、ＰＶＤのいずれかが考えられる。ＣＶＤ又はＰＶＤで保護膜を形成する場合、成膜レートの高さから、短時間で所望の厚さ、例えば電流のスパークを防止できる耐電圧が得られる厚さ、及び、被測定流体に含まれる異物によって破損しない厚さの保護膜を形成できる。しかしながら、この保護膜は、膜の品質、より具体的には被覆性及び緻密性に難がある。被覆性に難があることで、要素１１～１３のそれぞれと、この要素１１～１３が形成されたベース（つまり、絶縁層２２）との段差部分に対してカバレージ不足が生じる。また、緻密性に難があることで、膜にピンホールが発生する。カバレージ不足及びピンホールは、被測定流体が保護膜内に侵入して要素１１～１３のいずれかに達する不都合を生じさせる。このような不都合の発生により、被測定流体に含まれる異物が測温抵抗体１２又は１３に接触して抵抗値を異常値とさせるおそれがある。また、場合によっては被測定流体又は異物が要素１１～１３を腐食又は損傷させるおそれがある。また、被測定流体が導電性を有する場合、測温抵抗体１２又は１３が被測定流体と導通し、これらの抵抗値が異常値となってしまう。また、ヒータ１１と被測定流体加熱が導通して所望の発熱が得られないことも考えられる。保護膜をＡＬＤにより形成する場合、品質の良い保護膜２３が得られるが、成膜レートが低いため、所望の厚さの保護膜を短時間で形成することができず、従って、生産性が悪い。

【0032】

この実施の形態の保護膜２３は、ＣＶＤ又はＰＶＤにより形成される第２絶縁層２３Ｂを、ＣＶＤ又はＰＶＤよりも成膜レートは低いが膜の品質の良いＡＬＤにより形成される第１及び第３絶縁層２３Ａ及び２３Ｃで上下から挟む構造を有する。このような構造によれば、第２絶縁層２３Ｂを第１及び第３絶縁層２３Ａ及び２３Ｃよりも厚くして必要な膜厚をかせぎ、第１絶縁層２３Ａにより上記段差部分との密着性を確保してカバレージ不足を解消し、かつ、絶縁層２３Ａ及び２３Ｃにより第２絶縁層２３Ｂのピンホールを上下から覆うことができる。従って、生産性が良く、品質の良い保護膜２３が得られる。

【0033】

さらに、保護膜２３は、その厚み方向に直交する方向に連続する一枚の膜として形成され、要素１１～１３を覆うので、要素１１～１３をそれぞれ覆う３つの保護膜を設けるよりも保護膜２３の形成プロセスが容易となる。保護膜２３を構成する層２３Ａ～２３Ｃの形状は、この実施の形態では、上下方向から見て同形状に形成されているが、これらを異なる形状としてもよい。層２３Ａ～２３Ｃのそれぞれは、上記実施形態のように、その厚み方向に直交する方向に連続する一枚の層として形成され、要素１１～１３を覆うとよい。

【0034】

第１絶縁層２３Ａ～第３絶縁層２３Ｃの材料は特に限定されないが、一例としてこれらは同じ材料により形成される。これにより、ヒータ１１から伝達される熱の分布を、測温抵抗体１２及び１３も覆う保護膜２３内で均一にすることができ、センサ１０の測定精度が良くなる。各層２３Ａ～２３Ｃの材料としては、前記熱の分布が理想的なものに近づくように熱伝導性の比較的悪い材料、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）があげられる。各層２３Ａ～２３Ｃの材料は、他の窒化物又は酸化物などの絶縁材であってもよい。

【0035】

ここで、センサ１０の形成方法を説明する。なお、以下で言及していない成膜方法は、公知の任意の方法により行われればよい。

【0036】

センサ１０の形成方法では、まず、基板２１を用意し、用意した基板２１上に絶縁層２２を形成する（図３）。その後、絶縁層２２上に、ヒータ１１と、測温抵抗体１２及び１３とを形成する（図４）。

【0037】

その後、絶縁層２２上に、第１絶縁層２３ＡをＡＬＤにより形成する（図５）。その後、第１絶縁層２３上に第２絶縁層２３ＢをＣＶＤ又はＰＶＤにより形成し、次いで、第２絶縁層２３Ｂ上に第３絶縁層２３ＣをＡＬＤにより形成する（図６）。絶縁層２３Ａ～２３Ｃの形成により、保護膜２３が完成する。

【0038】

その後、保護膜２３の、要素１１～１３のそれぞれの両端の直上位置（６つの直上位置）に、貫通孔ＨＡ～ＨＦをそれぞれ形成する（図７）。

【0039】

その後、保護膜２３上に、導電パターン２４Ａ～２４Ｆ及び電極パッド２５Ａ～２５Ｆをパターニングし、次いで、絶縁膜２６及び２７を形成する（図８）。パターニングにより、導電パターン２４Ａ～２４Ｆが、貫通孔ＨＡ～ＨＦを介して要素１１～１３のそれぞれの両端にそれぞれ接続される。

【0040】

（変形例）
上記三層構造は、被測定流体の物理量を測定するセンサが備える導体の保護膜一般に適用可能である。被測定流体は、導電性の液体とする他、非導電性の液体、又は、導電性又は非導電性の気体であってもよい。センサの構造は、被測定流体の種類により適宜変更される。例えば、被測定流体が気体である場合、要素１１～１３の下方には被測定流体が流入するキャビティが設けられる。この場合、要素１１～１３は、図９に示すように、保護膜２３により上下両側から覆われて保護されてもよい。センサは、流量センサではなく、温度センサなどであってもよい。上記三層構造は、温度センサの測温抵抗体の保護膜に適用できる。この場合でも、保護膜の温度分布を均一にするため、保護膜の各層は同じ材料に形成されるとよい。上記三層構造は、導電パターン２４Ａ～２４Ｆなどの各種導電パターンを保護する絶縁膜２６又は２７などに適用されてもよい。上記三層構造によれば、ＣＶＤ又はＰＶＤで形成される中間層により、保護膜の生産性を確保し、中間層を挟むＡＬＤの２つの層により、保護膜の品が向上する。

【0041】

（本発明の範囲）
以上、実施形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記実施形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0042】

１０…センサ、１１…ヒータ、１２，１３…測温抵抗体、２１…基板、２２…絶縁層、２３…保護膜、２３Ａ…第１絶縁層、２３Ｂ…第２絶縁層、２３Ｃ…第３絶縁層、ＨＡ～ＨＦ…貫通孔、２４Ａ～２４Ｆ…導電パターン、２５Ａ～２５Ｆ…電極パッド、２６，２７…絶縁膜。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】