专利名称：发热元件、发热基板、发热基板制造方法、微型开关及流体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如适用于微型开关(继电器)、传感器等特别是小型装置的发热元件、及其制造方法等。
背景技术：
以往，使用进行电气开闭的被称为开关的电气部件(装置)。为了装入测定装置等电子部件中，随着电子技术的发展，这样的开关被小型化，例如可作为所谓的微型开关(也称为微型继电器)来提供。
微型开关例如通过导电性的液体金属机械地进行固体电极间的开闭，进行电接点的开闭和电连接的电极切换动作。在微型开关中，例如在用具有电绝缘性的材料密封的细长沟道的内壁的规定部位上露出成形多个电极(这里，说明电极为两个的情况)。然后，在沟道内封入具有导电性的部件(例如，镓、镓合金、汞等液体金属)，形成液体柱。液体柱的长度至少在两个电极间的距离以上。然后，在将两个电极进行电连接(闭合)时，使液体柱同时接触两个电极。而在不将两个电极电连接(打开)时，使两个电极同时不接触液体柱(使液体柱不接触两个电极或仅接触一个电极)。
在日本专利公开公报‘特开昭47-21645号公报’和‘特开平9-161640号公报’中，公开了通过导电性液体机械地进行固体电极间的开闭，从而进行电接点的开闭动作的微型开关。
为了使该液体柱移动，将对沟道内的空气(或绝缘性、导电性低的气体、液体等)进行加热，使其膨胀而在液体柱的两端产生压力差的发热元件或具有与该元件相当的部分的基板设置在微型开关中。以往，将成膜过的金属膜在基板上制成图形，来形成使用这样的微型开关等的发热元件。
因此，与基板的粘结性不容易稳定，存在开关动作的可靠性不稳定的危险。此外，在使用汞作为导电性部件的情况下，加热材料的金属膜和汞蒸汽形成汞齐(与汞的合金)，会改变加热特性。通常，这样的情况下，为了防止形成汞齐，在发热元件表面例如通过Si3N4、SiO2等来形成保护膜，但用于形成该保护膜的步骤是多余的。此外，有时因保护膜的覆盖性问题而降低可靠性。而且，还有因保护膜自身的热容量而使热效率恶化的情况。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种解决上述问题的发热元件、基板和高效率高精度地制造它们的方法等，而且还提供一种使用它们的装置。
本发明的发热元件以扩散杂质而具有导电性的硅为材料，设置一个或多个开孔部。因此，可以使用微型机械加工技术来形成元件，而不将金属膜粘结在基板上，所以可以获得稳定性、耐久性良好的发热元件。此外，通过一个或多个开孔部，来扩大与外部空气的接触面积，所以升温效率高。
本发明的发热元件，通过蚀刻加工来制作硅基板。因而，尺寸的精度高，能够获得可实现期望的发热状态的发热元件。
此外，本发明的发热元件的开孔部为狭缝。因而，与外部气体等的接触面积变宽，升温效率高。
在本发明的发热元件中，狭缝为去除角部分或角部分为圆形的狭缝。因而，例如，在其后的元件制作步骤中，进行湿法蚀刻的工艺等场合，可分散施加于其角部分上的应力，防止元件的破坏。
此外，本发明的发热元件的开孔部为贯通孔。因而，与外部气体等的接触面积变大，升温效率提高。
再有，在本发明的发热元件中，杂质为硼。因而，可获得使用硅基板的导电性良好的元件。即使在进行湿法蚀刻时，因蚀刻停止作用，而可获得尺寸精度高的发热元件。
本发明的发热元件，通过电力供给而发热的部分与设置于发热部分下部的凹部都与硅基板一体地形成。因而，特别是，即使不与其它基板进行接合等，也可获得在发热部分下具有底部的基板。特别是，在进行一体形成时，容易高精度地形成具有所期望的容积的凹部。此外，在这种将发热部分桥架(吊装)的构造中，由于可降低发热部分产生的热向基板扩散，因而能够获得高的发热效率。因此，采用这种发热基板，制作微型开关或流体传感器时，可降低微型开关或流体传感器的功耗。
所述硅基板为P型或N型中任一种极性的半导体基板，最好在所述发热部分中扩散与所述硅基板不同极性的杂质。通过这种结构，与发热部分两端的硅基板接触的部分形成PN结，因而可使构成发热部分的发热体和基板绝缘，可防止电流向基板泄漏。
所述硅基板为N型半导体基板，最好在所述发热部分扩散作为P型杂质的硼。通过这种结构，发热体可与基板绝缘，同时使用硼，因而在进行湿法蚀刻时，由于蚀刻停止作用，制造工艺变得容易，并且可获得尺寸精度高的发热元件(发热部分)。
本发明其它方式的发热基板，通过电力供给而发热的部分与设置于所述发热部分下部的凹部成对地多个一体形成于硅基板上，在发热部分与各对凹部之间形成使该基板芯片化的断沟。通过这种结构，在断沟的部分可容易地使具有发热部分和凹部对的基板芯片化，而不需采用方块切割(dicing)等特别的手段。因而，不会出现利用冷却水等对发热部分(加热部)造成的破损，成品率提高。
所述断沟最好形成于硅基板两面的相对应的位置上。将断沟形成于两面上，特别是在使用某些厚基板的场合，可更容易地芯片化。
此外，本发明其它方式的发热基板至少包括横断流体通路，两端支持于基板上，由一个或多个发热体构成的发热部分；形成于所述基板上，连接于所述发热体的两端的布线。所述布线在所述发热体与该布线的连接部中具有分支形状，以便能够将电力分别供给所述发热体的至少一部分上，通过切断该分支形状部分的布线，可调整所述发热部分的电阻。由于具有这种分支形状的布线，在制造发热基板之后，通过切断该分支状的布线，便可调整因发热体厚度偏差等引起的加热部电阻的变化。此外，切断形成于基板上的布线，而不是发热体，因而不会产生因切断而引起的短路等问题。
本发明的发热基板制造方法，从形成通过电力供给而发热的部分的面侧进行蚀刻加工硅基板，一体形成发热部分和设置于发热部分下部的凹部。因此，特别是，即使不进行与其它基板的接合等，也可获得在发热部分下具有底部的基板。特别是，在蚀刻加工中，通过进行其控制，可高精度地形成期望容积的凹部。此外，硅基板由于其厚度可以在发热部分与凹部的厚度以上，因而，硅基板的选择范围大，可使用廉价且具有容易安装的厚度的硅基板来制作，降低了成本。
此外，本发明的发热基板制造方法包括下列步骤为了具备导电性，在硅基板的至少一部分上扩散杂质；干法蚀刻扩散了杂质的部分，形成通过电力供给而发热的具有开孔部的发热部分；从形成发热部分的面侧，湿法蚀刻加工硅基板，形成设置于发热部分下部的凹部。因此，特别是，即使不进行与其它基板的接合等，也可获得在发热部分下具有底部的基板。特别是，在蚀刻加工中，通过进行其控制，可高精度地形成期望容积的凹部。此外，硅基板由于其厚度可以在发热部分与凹部的厚度以上，硅基板的选择范围大，可使用廉价且具有容易安装的厚度的硅基板来制作，降低了成本。
本发明的发热基板制造方法至少包括下列步骤为了具备导电性，在硅基板的至少一部分上扩散杂质；干法蚀刻扩散了所述杂质的部分，形成沟，形成由通过电力供给而发热的发热体构成的发热部分；从形成所述发热部分的面侧，湿法蚀刻加工所述硅基板，在所述发热部分的下部形成凹部，若通过所述干法蚀刻形成的沟的深度为D，则所述发热体的宽度W满足下列条件D＞W×tan(54.7°) … (1)这样，通过调整满足预定关系的沟的深度和发热体的宽度，可在发热部分的下部可靠地形成凹部。
本发明的发热基板的制造方法，在形成所述发热体的步骤和形成凹部的步骤中，进行干法蚀刻处理和湿法蚀刻处理时，通过所述干法蚀刻处理和所述湿法蚀刻处理形成用于使所述基板芯片化的断沟。通过干法蚀刻处理和湿法蚀刻处理，可同时形成发热部分和断沟，因而可用简略的工艺制造具有断沟的发热基板。
此外，本发明发热基板的制造方法至少包括下列步骤为了具备导电性，在硅基板的至少一部分上扩散杂质；从扩散了所述杂质的一侧进行湿法蚀刻，形成具有开孔部，通过电力供给而发热的发热部分和设置于发热部分下部的凹部。因此，特别是，即使不进行与其它基板的接合等，也可获得在发热部分下具有底部的基板。特别是，在蚀刻加工中，通过进行其控制，可高精度地形成期望容积的凹部。此外，硅基板由于其厚度可以在发热部分与凹部的厚度以上，硅基板的选择范围大，可使用廉价且具有容易安装的厚度的硅基板来制作，降低了成本。
本发明发热基板的制造方法，在以所形成的开孔部的形状形成作为掩模的膜之后，扩散杂质。因此，在扩散杂质的部分中，进行例如干法蚀刻或蚀刻停止无效的浓度的水溶液等的湿法蚀刻，去除不必要的部分，利用掩模，可进行高精度的湿法蚀刻。
此外，本发明发热基板的制造方法至少包括下列步骤为了具备导电性，在表面为(100)面的硅基板的至少一部分上扩散杂质；从扩散了所述杂质的一侧进行湿法蚀刻，在通过电力供给而发热的发热部分上形成开孔部，形成作为构成发热部分的一个或多个发热体的部位，并且在该发热部分下部形成其侧壁由(111)面构成的凹部，从而所述发热部分桥架在该凹部上。所述发热体的桥架方向与所述凹部的延伸方向斜交。通过这样来设定发热体的方向，仅进行湿法蚀刻，而不进行干法蚀刻，就能够可靠地形成凹部。因此，不进行叶片处理，就可制造发热基板，从而可降低加工成本。
此外，本发明发热基板的制造方法至少包括下列步骤为了具备导电性，在表面为(110)面的硅基板的至少一部分上扩散杂质；从扩散了所述杂质的一侧进行湿法蚀刻，在通过电力供给而发热的发热部分上形成开孔部，形成作为构成发热部分的一个或多个发热体的部位，并且在该发热部分下部形成其侧壁由(111)面构成的凹部，从而所述发热部分桥架在该凹部上。所述发热体的桥架方向与所述凹部的延伸方向斜交。通过这样来设定发热体的方向，仅进行湿法蚀刻，而不进行干法蚀刻，就能够可靠地形成凹部。因此，不进行叶片处理，就可制造发热基板，从而可降低加工成本。
本发明的微型开关，通过接合下列基板来构成微型开关具有在内部多个电极的一部分露出的筒状沟道，和通过在沟道内移动，在多个电极中的两个以上的电极间可电连接的导电性部件的基板；和一体地形成通过发热而加压从而控制导电性部件的移动的一个或多个发热部分和在各发热部分的下部设置的凹部的基板。因此，即使没有形成保护膜来保护与导电性部件发生反应的金属膜也可以，在该方面，减少了步骤，降低了成本，并且提高了发热效率，因而能够高精度地控制导电性部件的移动，获得应答性能等良好的微型开关。此外，使发热部件与硅基板一体地形成，可使耐久性良好，长期使用稳定，可靠性高。再有，发热部分桥架(吊装)的结构，可降低微型开关的功耗。
本发明微型开关的导电性部件是汞。因此，导电性部件为汞，不能与汞蒸汽结合来形成汞齐，因而不制作保护膜，可进一步提高本发明微型开关的效果。
本发明的流体传感器至少包括将外部气体的温度变化变换成信号的传感器部分；一体地形成在传感器部分的正下方设置的、加热传感器部分周围的外部气体的发热部分和设置于发热部分下部的凹部的基板。因此，可热效率好、省电力、高效率地检测气体等的流动。
再有，本申请与包括说明书、权利要求书、附图和摘要的下述日本专利申请有关。通过参照记载于下述申请的内容，将其纳入本申请，成为本申请记载的一部分。
日本专利申请2002-077698 申请日 2002年3月20日日本专利申请2003-006017 申请日 2003年1月24日
图1是本发明第1实施方式的具有发热元件的基板的示意图，放大表示基板中发热元件设置位置的部分。图1A是从上看基板的示意图。此外，图1B是图1A的A-A线方向的剖面图。图1C是图1A的B-B线方向的剖面图。
图2A至图2E是表示本实施方式的发热元件制造步骤(之一)的示意图。
图3F至图3K是表示本实施方式的发热元件制造步骤(之二)的示意图。
图4是表示制作的一例微型开关的示意图。
图5A至图5F是表示本发明第2实施方式的发热元件制造步骤(之一)的示意图。
图6G至图6M是表示本发明第2实施方式的发热元件制造步骤(之二)的示意图。
图7A至图7D是说明用干法蚀刻形成的沟的深度D与发热体宽度W的关系的示意图。
图8是说明用干法蚀刻形成的沟的深度D与发热体宽度W的关系的示意图。
图9A至9C是说明用湿法蚀刻形成的凹部与发热体的配置关系的示意图。
图10A及图10B是表示本发明第3实施方式的保护膜的成膜工艺的示意图。
图11A及图11B是表示本发明第5实施方式的流体传感器(气体传感器)的示意图。图11A是侧面侧的剖面图，图11B是端面侧的剖面图。
图12A及图12C是表示本发明第7实施方式的微型开关的加热部结构的示意图。图12A是从上看基板的平面图。此外，图12B是图12A的A-A线方向的剖面图。图12C是图12B的虚线所包围的部分的局部放大图。
图13是表示本发明第8实施方式的微型开关的加热部结构的平面图。
图14A至图14F是表示本发明第9实施方式的发热基板的发热部及断沟的制造方法的步骤剖面图。
图15G至图15L是表示本发明第9实施方式的发热基板的发热部及断沟的制造方法的步骤剖面图。
图16是表示本发明第9实施方式的发热基板的断沟的一形态的剖面图。
具体实施例方式
(第1实施方式)图1是本发明第1实施方式的具有发热元件的基板的示意图，放大表示基板中发热元件设置位置的部分。图1A是从上看基板的图。此外，图1B是图1A的A-A线方向的剖面图。图1C是图1A的B-B线方向的剖面图。
基板1是以硅作为材料构成的基板(以下，称为硅基板)。加热部(膜片)2实际上是可承载热的发热元件。在本实施方式中，作为加热部2的材料，使用扩散了杂质的硅。作为杂质，最好是例如硼(B硼)。扩散了该硼等杂质的硅具有导电性。
其中，如图1B所示，加热部2为通过硅基板1悬挂(吊装)的桥型结构。加热部2本身具有狭缝。这里，加热部2各狭缝的角部分形成拐角或角部分形成为具有圆形的形状。即，对长方形狭缝进行倒角形成的形状。这样，在湿法蚀刻加工等步骤中，可避免在浸没的液体中移动硅基板1时所施加的应力向角部分的集中，通过分散可防止破坏加热部2(角部分)。此外，制作之后，也难以破坏该部分。
布线3用于供给使加热部发热的电力。该布线3由例如Cr(铬)及Au(金)的薄膜构成。绝缘膜4是为了与硅基板1保持绝缘性而设置的膜。绝缘膜4由例如氧化膜(SiO2)构成。保护膜5是为了保护布线3而设置的膜。保护膜5由例如氧化膜(SiO2)构成。
图2A至图2E及图3F至图3K是表示本实施方式的发热元件制造步骤的图。图中，右侧所示的各图表示与图1A所示的A-A线方向对应的剖面图，左侧所示的各图表示与图1A所示的B-B线方向对应的剖面图。图2和图3与图1同样，放大表示硅基板1中形成发热元件的位置。本实施方式中，在对硅基板1的表面上形成的氧化膜(SiO2)11进行图形制作之后，在构成加热部2的面(以下，称为加热面12)上形成硼掺杂层14，在加热面12上形成湿法蚀刻保护的保护膜5之后，从加热面12的背面(以下，称为背面13)进行湿法蚀刻硅基板1，从而获得具有加热部2的腔室形状的发热元件。
以下根据图2和图3，说明发热元件和具有该发热元件的基板的制造方法。
首先，研磨硅基板1的加热面12及背面13，使厚度达到约140μm。将该硅基板1放入热氧化炉中。然后，在氧和水蒸汽气氛中，在例如1075℃、4小时的条件下进行热氧化处理。由此，在硅基板1的表面上形成约1.1μm的氧化膜11(图2A)。接着，在硅基板1的两面上涂敷抗蚀剂。此时，对加热面12进行图形制作，使进行硼扩散的部分的硅基板1的表面露出。同时，为了湿法蚀刻成为加热部2的部分的下方的硅，对背面13进行图形制作，使该部分的硅基板1的表面露出。用例如BHF(缓冲氢氟酸)等氢氟酸水溶液，对两面施加了抗蚀剂图形的硅基板1进行湿法蚀刻，在形成氧化膜11图形之后，剥离两面上的抗蚀剂(图2B)。
将硅基板1设置于石英板(未示出)上，使加热面12与以B2O3为主成份的固体扩散源对置。然后，将该石英板设置于立式炉中，炉内为氮气气氛，在1050℃的温度下保持6小时。由此，使硼扩散到硅基板1中，形成硼掺杂层14(图2C)。本实施方式中，硼掺杂层14的浓度约为1.0×1020atoms/cm3。
在背面13上涂敷抗蚀剂进行保护之后，在氢氟酸水溶液中进行湿法蚀刻，去除加热面12的氧化膜11(图2D)。之后，剥离背面13的抗蚀剂。接着，利用等离子体CVD(化学汽相淀积)装置(未示出)，以360℃进行成膜处理，在加热面12上形成厚度约为2μm的绝缘膜4(图2E)。然后，在要残留绝缘膜4的部分上涂敷抗蚀剂之后，在氢氟酸水溶液中，通过湿法蚀刻去除未施加抗蚀剂部分的绝缘膜4。随后，剥离抗蚀剂(图3F)。
接着，形成布线3，其与硼掺杂层14的一部分接触(图3G)，然后再次利用等离子体CVD装置进行成膜处理，在加热面12上形成厚度约为2μm的保护膜5(图3H)。然后，在要残留保护膜5的部分上涂敷抗蚀剂之后，在氢氟酸水溶液中，通过半(half)蚀刻去除未施加抗蚀剂部分的保护膜5。所谓半蚀刻，指利用湿法蚀刻不去除所有的膜，而仅去除一半左右的膜的蚀刻方法。随后，剥离抗蚀剂(图3I)。
之后，将硅基板1浸入浓度为35重量％的氢氧化钾(KOH)水溶液中，进行湿法蚀刻直到未形成图形的部分的厚度变为约10μm。然后，再将硅基板1浸入浓度为3重量％的氢氧化钾水溶液中，进行湿法蚀刻(图3J)。其中，在掺杂剂为硼的情况下，在高浓度(约5×1019cm-3以上)的范围内，通过碱性水溶液的硅的湿法蚀刻的蚀刻率非常低。在达到硼掺杂层14时，蚀刻率低，蚀刻停止。一旦蚀刻停止，从蚀刻面产生的气泡便停止，因而气泡发生停止，便可判断为蚀刻停止。
之后，为了去除仅在加热面2部分上涂敷的保护膜5，在对要残留保护膜5的部分涂敷抗蚀剂之后，再次在氢氟酸水溶液中进行半蚀刻。然后，剥离抗蚀剂，获得具有发热元件的基板(图3K)。
图4是表示微型开关一例的示意图。图4中，加热电极100与布线3的一端连接。加热电极100通过布线3从外部将电力供给加热部2，使加热部2发热。电极101a、电极101b和电极101c的一部分从沟道103露出，与液体金属102接触。液体金属102例如汞等具有导电性，作为液体柱，电连接电极101a、电极101b和电极101c的任一个。沟道103内封入了液体金属102。沟道103是以形成于例如上部基板104的沟和硅基板1作为壁面来形成的。在上部基板104的下部(与具有发热元件的基板的接合面)，形成具有例如沟道103和加热部2的空间的沟(腔室)。
在具有制作的发热元件的基板的上表面上用接合剂、阳极接合剂等来接合上部基板104，在下表面上，同样地接合称为裸基板的支持基板(未示出)，最终制作完成微型开关。这里，在如图4所示的微型开关中，电极101a、电极101b和电极101c中任一个必须电连接，但并不限于这样的微型开关方式，也可以构成进行两个电极的开关的微型开关等其它结构的微型开关。
加热部2成为在上部基板104和设置于裸基板的腔室(沟)中形成的闭空间内悬挂(吊装)状态。其中，空间内的温度上升倾向随该空间的容积而不同。即，空间大时，温度上升缓慢，达到可移动液体柱的压力的时间变长。因而开关的应答变迟。因此，高精度地使空间的容积达到预定的容积，对于开关性能是非常重要的事项。
如上所述，按照第1实施方式，通过蚀刻等加工硅基板1，以硅为材料制作成为发热元件(发热部分)的加热部2，因而即使不在基板上贴付金属膜，利用微型机械加工技术也可容易地制作小型的发热部件。这样，不会出现金属膜因受热等变形，从基板剥离这样的问题，并且硅基板1和加热部2一体形成，因而耐久性良好，可长期稳定、维持其可靠性。此外，为了提高发热效率，形成狭缝等开孔部分，并且在狭缝的情况下，使角部分形成圆形，之后例如在湿法蚀刻步骤等中，在溶液中移动硅基板时，制作后不管怎样的力施加于该部分时，均可扩分散其应力，能够防止对加热部2的破坏。此外，在用液体金属(特别是汞)的微型开关中利用该发热元件时，由于不能与汞蒸汽结合而形成汞齐，因而也可以在发热部分上不形成保护膜。由此，减少了仅形成保护膜的步骤，可降低成本，并且因发热效率提高，而可获得应答性能等好的微型开关。再有，桥架发热部的结构，可减少发热部分产生的热向基板扩散，可提高发热效率。因此，在采用这种发热基板的微型开关或流体传感器的情况下，可降低微型开关或流体传感器的功耗。
(第2实施方式)图5A至图5F及图6G至图6M是表示本实施方式的发热元件制造步骤的示意图。图中，右侧所示的各图表示与图1A所示的A-A线方向对应的剖面图，左侧所示的各图表示与图1A所示的B-B线方向对应的剖面图。本实施方式中，在对硅基板1的表面上形成的氧化膜(SiO2)11进行图形制作之后，在构成加热部2的面(以下，称为加热面12)上形成硼掺杂层14，在加热面12上形成湿法蚀刻保护的保护膜5之后，从加热面12对基板1进行干法蚀刻和湿法蚀刻硅，获得具有加热部2的腔室形状的发热元件。
以下根据图5和图6，说明发热元件的制造方法。由于不进行从背面13的湿法蚀刻，因而可一体形成第1实施方式中的具有发热元件的基板和裸基板。因此，加热部2可容易地调整空间(腔室)的容积(腔室容积)。
从图5A到图6I的步骤，实施与上述第1实施方式中说明的图2A一图3I相同的步骤，因而省略其说明。但是，在后步骤中进行干蚀刻的关系上，在图5B的步骤中，最好对形成加热部2的整个区域进行硼扩散，进行图形制作而使硅基板1的表面露出，不需要与图2B的情况那样按与形成的加热部2相同的形状来进行图形制作。此外，在本实施方式中，不从背面侧13进行湿法蚀刻，所以不进行第1实施方式那样的背面13的图形制作。但是，这里，按与形成的加热部2相同的形状形成图形也可以。
在图6I所示的步骤中形成的保护膜上，涂敷抗蚀剂，将加热面12的保护膜5制成加热器形状的图形后，除去抗蚀剂(图6J)。通过该步骤，除去形成了开孔部的部分的保护膜，仅在构成加热部的发热体的部分上保留保护膜。
在ICP干法蚀刻(未示出)中，通过ICP放电对加热面12进行各向异性干法蚀刻加工(图6K)。这里，ICP(Inductively CoupledPlasma)放电是感应耦合型等离子体放电。作为蚀刻气体，例如使用氟化碳(CF、CF4)、六氟化硫(SF6)，也可以交替使用这些蚀刻气体。这里，使用CF是为了不蚀刻到所形成的沟的侧面，为了保护沟侧面；使用SF6是为了促进硅晶片垂直方向的蚀刻。作为其他各向异性干法蚀刻方式，也可使用ECR(电子回旋加速器共振)放电、HWP(极化波等离子体)放电、RIE(快速等离子体蚀刻)等。
这里，也可以浸泡在氢氧化钾(KOH)水溶液中，对硼掺杂层以外的硅进行各向异性湿法蚀刻，来取代进行上述干法蚀刻。蚀刻初期的硼掺杂层的蚀刻最好用没有蚀刻停止作用的高浓度的氢氧化钾水溶液、例如35重量％的氢氧化钾水溶液进行。这时，热氧化膜11的图形制作以相对于硅基板1的结晶方位的固定角度进行。这种情况下，可仅由干法蚀刻步骤构成沟加工和硅蚀刻步骤，可比较容易地形成加热部2。
然后，将硅基板1浸泡在浓度3重量％的氢氧化钾水溶液中，除去残留在硼掺杂层14下方的硅，以期望的深度进行硅基板1的干法蚀刻(图6L)。
然后，为了仅除去施加于加热部2部分上的保护膜5，在残留保护膜5的部分上涂敷抗蚀剂后，再次用氢氟酸水溶液进行半蚀刻。剥离抗蚀剂，完成具有发热元件的基板(图6M)。
然后，如上述那样，在具有制作了发热元件的基板的上面接合形成了沟道的基板，制作微型开关。
再有，具体地说，在上述图6K～图6L的各步骤最好以满足下述条件来进行蚀刻。
即，在上述干法蚀刻步骤(图6K)中，通过干法蚀刻形成的沟的深度D和构成加热部2的发热体的宽度W最好以满足下式(I)来设定。
D＞W×tan(54.7°)…(I)通过这样设定干法蚀刻形成的沟的深度D和发热体的宽度W，在湿法蚀刻时，使在发热体下方通过干法蚀刻形成的沟与相邻的沟贯通，可将发热体和沟底面可靠地分离(进行分离)，可在发热部分的下部可靠地形成凹部。
下面详细说明上述(I)式。
图7A至图7D及图8是说明由干法蚀刻形成的沟的深度D和发热体宽度W的关系的图。首先，参照图7来简单地说明凹部的形成过程。
图7A中表示干法蚀刻后的硅基板1。将该硅基板1例如浸泡在氢氧化钾水溶液等各向异性蚀刻液中，开始进行蚀刻后，在通过干法蚀刻形成的沟内，在侧面方向和深度方向上进行蚀刻(图7B)。如果进行湿法蚀刻，则相邻的沟的侧面被削减，最终在构成发热部分的发热体的下部，相邻的沟相连接(贯通)(图7C)。接着，发热体下部残留的硅基板1通过该贯通部被上下蚀刻，最终仅残留硼掺杂层14，通过沟(或凹部)的底面将发热体2a分离(图7D)。
这里，为了发热体2a通过沟(或凹部)的底面被分离，如图8所示，需要贯通在发热体2a的下方进行的侧面方向的蚀刻部。因此，在侧面蚀刻量U和发热体的宽度W之间，需要下述关系成立U＞W/2 …(I-1)另一方面，在使用面方位(100)的硅基板时，利用各向异性蚀刻，如图8中的虚线那样，相对于硅基板，以54.7°的角度进行斜方向蚀刻。因此，在侧面蚀刻量U和通过干法蚀刻形成的沟的深度D之间，以下关系成立。
U＝(D/2)/tan(54.7°) …(I-2)根据上式(I-1)和式(I-2)的关系，可导出下式(I)。
D＞W×tan(54.7°)…(I)因此，对于发热体的宽度W，通过确保蚀刻深度D来满足上式(I)的关系，可以在发热部分的下部可靠地形成凹部。
此外，在上述图6K所示的步骤中，在取代干法蚀刻进行湿法蚀刻时，最好将发热体2a配置成上述发热体的桥架方向和上述凹部的延长方向斜交。下面参照图9来说明具体的发热体2a与硅基板1的配置方法。
图9是说明通过湿法蚀刻形成的凹部和发热体的配置关系的图。图9A是表示在表面为(100)面的硅基板中，以发热体的桥架方向和凹部延长方向相互斜交来配置的发热基板的一部分的平面图。图9B是具体说明发热体的桥架方向和凹部的延长方向的关系图，图9C是图9A的A-A线方向的剖面图。
如图9A所示，仅通过湿法蚀刻，在发热体2a的下方形成凹部的情况下，在表面为(100)面的硅基板1中，最好以发热体2a的桥架方向和凹部的延长方向相互斜交来设计。
例如，利用氢氧化钾(KOH)水溶液等的各向异性蚀刻，进行侧面蚀刻，使(111)面露出。因此，如果以发热体2a的桥架方向与凹部的延长方向相互斜交来设计，则在微型桥(发热体)的下方可从两侧面进行的侧面蚀刻部进行连接，在微型桥的下部被切断。因此，仅用湿法蚀刻就可以在加热部2的下部可靠地形成凹部。此外，由于不需要干法蚀刻，可进行与片叶处理无关的制造，可以降低加工成本。
具体地说，例如，如图9B所示，发热体的桥架方向和凹部的延长方向的设定在从发热体的顶点下降到对边的垂线长度为L，发热体的宽度为W时，发热体的桥架方向和凹部的延长方向形成的角φ可按满足下式(II)的关系L×tan(90-φ)＞W(II)再有，这里，发热体的宽度W为平行于凹部的延长方向的线上的长度，在发热体的宽度不固定时，设最宽的部分为W。
这样确定上述角φ，通过进行湿法蚀刻而露出(111)面，可更可靠地在发热体2a的下部形成凹部。
具体地说，为了这样在相对于凹部的延长方向倾斜地形成发热体2a，以满足上述关系那样形成上述图6J所示步骤中形成的掩模图形就可以。
再有，在表面为(110)面的硅基板1中，最好也同样以凹部的延长方向和发热体2a的桥架方向相互斜交那样来进行设计。如果这样设计，在具有期望宽度(例如几十μm)的发热体的下部，可更可靠地形成凹部。使用表面为(100)面的硅基板情况下的说明，也适合于使用表面为(110)面的硅基板的情况。
根据以上第2实施方式，使用干法蚀刻和湿法蚀刻，仅从加热面12侧进行加工，所以重新构成基板对，可不进行接合。而且，可通过蚀刻的增减来控制加热部2下方形成的空间的容积，所以可以更高精度地控制对开关的响应性产生影响的空间的容积，并且制作微型开关。而且，通过可进行这样的制作，没有硅基板1厚度的使用限制，可使用价格便宜、有容易安装的厚度的硅基板来制作带有加热部2的基板，所以可以降低制作成本。
(第3实施方式)图10A和图10B是表示本发明第3实施方式的保护膜5的成膜步骤的图。在上述第1实施方式中，在图3I所示的步骤中，通过进行半蚀刻，以图示的形状来加工作为保护膜5的膜。在本实施方式中，通过以两个阶段形成作为保护膜5的膜，来加工成图3I所示的形状。
因此，按以下步骤进行处理，取代第1实施方式中说明的图3I的步骤。首先，在绝缘膜4、布线3上通过等离子体CVD装置进行成膜处理，如图10A所示那样，对第1段的膜5a进行成膜。然后，再次通过等离子体CVD装置进行成膜处理，如图10B所示，通过对第2段的膜5b进行成膜，加工成图3I所示的形状。这样，通过两阶段地构成，提高不进行半蚀刻的成膜，可以形成与图3I所示形状相同的保护膜5。
(第4实施方式)在上述实施方式中，例如，为了增加与外部的接触面积来提高热效率，在加热部2中设置多个狭缝，但不局限于此，也可以在其他的开孔部分、例如在加热部2中扩大贯通孔来提高热效率。这种情况下，作为贯通孔，也可考虑四边形，但如上述那样，在进行湿法蚀刻的步骤中应力集中在角部分，所以圆形的孔较好。
(第5实施方式)图11A和图11B是本发明第5实施方式的流体传感器(气体传感器)的一例剖面图。图11A表示侧面侧的剖面图，图11B表示端面侧的剖面图。流体传感器是在加热部2气体流动中发热，根据其中的温度变化(下降情况)来检测气体流量的传感器。
图11所示的传感器部200例如使用氧化锡、氧化铟、氧化锌、氧化钨、氧化钛、氧化铁等形成。该传感器部200例如根据外部空气的温度变化而改变电压。将这种变化作为信号发送到外部的处理装置。为了用作气体传感器，将传感器部200从约250℃升温到约450℃。这里，在图11中没有特别图示，但将用于取出随着温度变化的信号(通常为电压等电信号)的电极与传感器部200相连接。
此外，薄板部201由作为绝缘膜的氧化膜形成。因此，根据上述实施方式中说明的步骤来考虑，也可以与保护膜5一体形成。这种情况下，从上述图3H所示的步骤起不进行半蚀刻，也可以形成图3J所示形状那样的薄板201，以图3I所示的形状进行蚀刻，将薄板部201形成到期望的厚度就可以。此外，如第2实施方式那样，在加热部2的下部有底部，一体形成不开放的空间的情况下，如第2实施方式中说明的图6L所示的步骤那样，也可考虑在氧化膜的保护膜5成膜的状态下将传感器部200安装在加热部2上。
在采用本实施方式的结构的情况下，在传感器部200的正下方形成加热部2，所以热效率高，可以节省电力。此外，如第2实施方式那样，在加热部2下部设置底部，由于不开放，因而效率更高。
(第6实施方式)上述实施方式特别说明了用于微型开关和传感器的发热元件、基板的形成方法。本发明不局限于此，例如，也可以应用于物体加热等用途。由于使用微型机械加工技术，所以在形成小型的部件时特别有用。此外，尽管使用硼作为具有导电性的杂质，但不特别局限于此，也可以是与硅相比不易蚀刻、具有导电性的物质。
(第7实施方式)图12是表示第7实施方式的微型开关的加热部结构的图。图12A是从上部观察基板的平面图。而图12B是图12A的A-A线方向的剖面图，图12C的图12B的虚线包围部分的局部放大图。
如图12A所示，加热部2有多个狭缝状的开孔部。因此，加热部2实际上由含有热的多个带状部分(发热体)构成。在加热部2的两端上，形成用于电连接到外部电路的布线3。如图12B所示，在加热部2的下部，形成凹部，发热体具有可覆盖凹部的桥架结构。
此外，在本实施方式中，用N型硅基板构成基板1，用扩散了硼的P型硅构成加热部2。因此，如图12C所示，在基板1和加热部2之间形成PN结23。PN结23形成在加热部2的两端，根据PN结23的二极管特性，可防止从加热部2向基板1的电流漏泄。
除了使用N硅基板作为基板1以外，本实施方式的发热基板可以按照与第2实施方式中记载的相同方法来制造。
再有，在本实施方式中，由N型硅构成基板1，由P型硅构成加热部2，但也可以将基板1作成P型硅，将加热部2作成N型硅。例如，可利用电化学蚀刻间断(etching stop)法来制造这样的基板。
(第8实施方式)图13是表示第8实施方式的微型开关的加热部2的结构的平面图。加热部2由一个或多个发热体构成，以横切因加热而变热的空气流路的流体通路(凹部)来设置，将两端支撑在基板1上。将布线3形成在基板1上，连接到发热体的两端。布线的一部分为分支形状，以便在与发热体的连接部中向发热体的至少一部分单独供给电力。具体地说，形成如图所示的分支的布线3a和布线3b。通过切断该分支形状部分、即布线3a和布线3b，可调整加热部2(发热部分)的电阻。比如，存在因发热体厚度偏差等造成加热部2的电阻下降，从而造成加热部2的发热量下降的情况。在这样的情况下，通过用激光等切断分支部分的布线3a和布线3b的任何一个或双方，在该布线连接的发热体中不流过电流，可以提高作为加热部2整体的电阻。再有，作为用于电阻调整的布线3，在上述实施方式中，列举了两条布线3a和布线3b，但这样的单独布线可以是一条，也可以是两条以上，或全部为单独布线也可以。通过设置多个用于电阻调整的布线，可以扩宽电阻值的调整幅度。
此外，在上述第1实施方式的图3G所示的步骤中，在对布线3进行图形制作时，可通过形成布线图形来获得这样的分支形状的布线3，使发热体的一部分或全部单独连接布线3。例如，在该图中，在平行排列的多个发热体中，对于端部的两个发热体，以分支形状形成布线，使得与发热体的连接部独立，具体地说，布线3进行具有布线3a和布线3b那样的图形形成。再有，有关布线的材料等，可适当参照上述说明。
根据第8实施方式，例如，在因发热体厚度偏差造成加热部2的电阻下降，发热量下降时，通过用激光等切断分支部分，可以提高加热部2整体的电阻。此外，不是切断发热体，而是切断形成于基板1上的布线部分，在切断时，不与其他布线或导电部分接触，所以可防止短路等问题。
(第9实施方式)第9实施方式的发热基板有多个通过电力供给进行发热的发热部分和设置于发热部分下部的凹部对。该发热部分和凹部对作为一体形成在硅基板上。此外，在该发热部分和各对凹部之间，例如形成前端楔形的断沟。由此，不使用特殊的装置或方法，就可容易地分离各对，进行芯片化。
这样的断沟仅形成在基板的一面上就可以，也可以形成在基板的两面对置位置上。特别是在使用厚基板时，通过在基板的两面有断沟，可更容易地进行芯片化。此外，在通过切割进行切断的情况下，使用冷却水来冷却切断时产生的热，但有时因冷却水的水压在加热部会产生损伤。然而，根据本实施方式的结构，可不使用切割等特别的方法进行芯片化，所以可分离各对而不损伤加热部。因此，可良品率高地制造芯片。
图14A至图14F和图15G至图15L是表示第9实施方式的发热基板的加热部和断沟的制造方法的步骤剖面图。在图14和图15中，右侧的各图是表示断沟的形成步骤的剖面图，左侧的各图是表示发热部分(加热部)的形成步骤的剖面图，即图12A的B-B线方向所对应的剖面图。
在本实施方式的发热基板中，在硅基板1的表面上形成热氧化膜，仅在加热形成部上制作加热面12的热氧化膜11的图形后，在加热面12上形成硼掺杂层，然后，在整个加热面12上形成蚀刻保护膜5，通过从加热面12对硅基板1进行干法蚀刻和湿法蚀刻，可同时形成加热部2和断沟15。这样，可用同样的操作同时形成加热部2和断沟15，而不需要多余的操作，所以效率高。
下面根据图14A至图14F和图15G至图15L来说明发热基板的制造步骤。
首先，对硅基板1的加热面12和背面13分别进行镜面研磨，例如制作厚度为140μm的基板(图14A)。再有，如果硅基板1的加热面12为镜面，则不必两面为镜面也可以。此外，基板的厚度不局限于上述厚度，可以使用各种厚度。将该硅基板1放入热氧化炉中。然后，在氧和水蒸气环境中例如按1075℃、4小时的条件进行热氧化处理。由此在硅基板1的整个面上，例如形成约1.1μm的热氧化膜(SiO2)11。
然后，在该硅基板1的两面上涂敷抗蚀剂(图14B)。此时，使加热面12形成图形，使实施了硼扩散的部分的硅基板1的表面露出。将两面制作了抗蚀剂图形的硅基板1在氢氟酸水溶液中进行蚀刻，将热氧化膜(SiO2)11形成图形，并将硅基板1两面的抗蚀剂剥离。
将加热面12与硼扩散板(未示出)对置，例如在1050℃中进行6小时加热处理，将硼(B)扩散到加热面12的硅露出部分中，形成硼掺杂层14(图14C)。
用抗蚀剂保护背面13，将加热面12的热氧化膜(SiO2)11在氢氟酸水溶液中进行蚀刻而将其去除，除去背面13的抗蚀剂(图14D)。
然后，通过等离子体CVD装置等，例如在360℃中对硅基板1实施成膜处理，在加热面12上，例如形成厚度为2μm的绝缘膜4(SiO2)(图14E)。
在形成加热器和断沟的以外部分上涂敷抗蚀剂后，在氢氟酸水溶液中以湿法蚀刻方式除去形成加热器和断沟部分的绝缘膜4(图14F)。然后，剥离抗蚀剂。
以布线3与硼掺杂层的一部分连接的方式形成图形(未示出)，再次通过等离子体CVD装置，例如以360℃的温度对硅基板1进行成膜处理，在加热面12上例如形成厚度为2μm的保护膜(SiO2)5(图15G)。
制作抗蚀剂图形，仅对形成加热面12的加热器和断沟部分的保护膜(SiO2)5在氢氟酸水溶液中进行半蚀刻(图15H)。然后，剥离抗蚀剂。
在硅基板1的两面上涂敷抗蚀剂，在将加热面12的氧化膜制作图形成为加热形状和断沟形状后，除去抗蚀剂(图15I)。
用ICP干法蚀刻装置对加热面12进行干法蚀刻加工(图15J)。
接着，将硅基板1浸泡在3重量％的低浓度的氢氧化钾水溶液中，除去硼掺杂层14下方残留的硅(图15K)。通过该步骤，保留硼掺杂层14。此外，断沟15的前端为楔形，成为容易切断的形状。
为了仅除去加热器2上的保护膜5(SiO2)，在氢氟酸水溶液中进行半蚀刻(图15L)。由此，制成加热部。
图16是表示本实施方式的发热基板的断沟的一形态的剖面图。如图所示，在硅基板厚时，在将硅基板1用氢氧化钾水溶液进行蚀刻的步骤(k)之前，使硅基板1的背面的氧化膜形成图形，在背面13上，在与加热面上形成的断沟15对置的位置上，也可以形成前端为楔形的断沟16(V沟)。通过在硅基板的两面上形成断沟，更容易芯片化。
根据第9实施方式，在发热部分和各对凹部之间，形成前端为楔形的断沟，所以容易分离各对，可进行芯片化。此外，在使用厚的基板时，通过在基板的两面具有断沟，更容易进行芯片化。此外，可以不使用切割等特别的方法来分离各对，所以可进行芯片化而不损伤加热部，优良品率高。
权利要求
1.一种发热元件，其特征在于，以扩散了杂质的具有导电性的硅作为材料，且设置有一个或多个开孔部。
2.如权利要求1所述的发热元件，其特征在于，通过蚀刻加工来制作所述硅的基板。
3.如权利要求1所述的发热元件，其特征在于，所述开孔部为狭缝。
4.如权利要求1所述的发热元件，其特征在于，所述狭缝是去除角部分或角部分为圆形的狭缝。
5.如权利要求1所述的发热元件，其特征在于，所述开孔部是贯通孔。
6.如权利要求1所述的发热元件，其特征在于，所述杂质是硼。
7.一种发热基板，其特征在于，在硅基板上一体地形成通过电力供给而发热的部分和在所述发热部分的下部设置的凹部。
8.如权利要求7所述的发热基板，其特征在于，所述硅基板是P型或N型中的任一极性的半导体基板，在所述发热部分上扩散与所述硅基板不同极性的杂质。
9.如权利要求8所述的发热基板，其特征在于，所述硅基板是N型半导体基板，在所述发热部分上扩散作为P型杂质的硼。
10.一种发热基板，其特征在于，在硅基板上一体地形成下列多个成对的部分通过电力供给而发热的部分和在所述发热部分的下部设置的凹部，在发热部分与凹部的各对之间形成用于芯片化的断沟。
11.如权利要求10所述的发热基板，其特征在于，所述断沟形成于硅基板两面的相对的位置上。
12.一种发热基板，其特征在于，至少包括由横断流体通路且其两端支持于基板上的一个或多个发热体构成的发热部分；形成于所述基板上，与所述发热体的两端连接的布线，所述布线，在所述发热体与该布线的连接部，具有分支形状，以便能够分别对所述发热体的至少一部分供给电力，通过切断该分支形状部分的布线，可调整所述发热部分的电阻。
13.一种发热基板的制造方法，其特征在于，从形成通过电力供给而发热的部分的面侧，蚀刻加工硅基板，一体地形成所述发热部分和设置于所述发热部分下部的凹部。
14.一种发热基板的制造方法，其特征在于，至少包括下列步骤为了具备导电性，在硅基板的至少一部分上扩散杂质；干法蚀刻扩散了所述杂质的部分，形成通过电力供给而发热的具有开孔部的发热部分；从形成所述发热部分的面侧，湿法蚀刻加工所述硅基板，在所述发热部分的下部形成凹部。
15.一种发热基板的制造方法，其特征在于，至少包括下列步骤为了具备导电性，在硅基板的至少一部分上扩散杂质；干法蚀刻扩散了所述杂质的部分，形成沟，形成由通过电力供给而发热的发热体构成的发热部分；从形成所述发热部分的面侧，湿法蚀刻加工所述硅基板，在所述发热部分的下部形成凹部，如果通过所述湿法蚀刻形成的沟的深度为D，则所述发热体的宽度W满足下列条件D＞W×tan(54.7°)。
16.如权利要求15所述的发热基板的制造方法，其特征在于，在形成所述发热体的步骤和形成凹部的步骤中，进行干法蚀刻处理和湿法蚀刻处理时，通过所述干法蚀刻处理和所述湿法蚀刻处理同时形成用于使所述基板芯片化的断沟。
17.一种发热基板的制造方法，其特征在于，至少包括下列步骤为了具备导电性，在硅基板的至少一部分上扩散杂质；从扩散了所述杂质的一侧进行湿法蚀刻，形成具有开孔部，并且通过电力供给而发热的发热部分和设置于发热部分下部的凹部。
18.如权利要求14-17中任一项所述的发热基板的制造方法，其特征在于，在以所形成的所述开孔部的形状形成作为掩模的膜之后，扩散所述杂质。
19.一种发热基板的制造方法，其特征在于，至少包括下列步骤为了具备导电性，在表面为(100)面的硅基板的至少一部分上扩散杂质；从扩散了所述杂质的一侧进行湿法蚀刻，在通过电力供给而发热的发热部分上形成开孔部，形成作为构成发热部分的一个或多个发热体的部位，并且在该发热部分下部形成其侧壁由(111)面构成的凹部，从而所述发热部分桥架在该凹部上，所述发热体的桥架方向与所述凹部的延伸方向斜交。
20.一种发热基板的制造方法，其特征在于，至少包括下列步骤为了具备导电性，在表面为(110)面的硅基板的至少一部分上扩散杂质；从扩散了所述杂质的一侧进行湿法蚀刻，在通过电力供给而发热的发热部分上形成开孔部，形成作为构成发热部分的一个或多个发热体的部位，并且在该发热部分下部形成其侧壁由(111)面构成的凹部，从而所述发热部分桥架在该凹部上，所述发热体的桥架方向与所述凹部的延伸方向斜交。
21.一种微型开关，其特征在于，通过接合下列基板来构成微型开关具有在内部多个电极的一部分露出的筒状沟道，和通过在所述沟道内移动，而在所述多个电极中的两个以上的所述电极间电连接的导电性部件的基板；和一体地形成通过发热而加压从而控制所述导电性部件的移动的一个或多个发热部分和在所述各发热部分的下部设置的凹部的基板。
22.如权利要求21所述的微型开关，其特征在于，所述导电性部件是汞。
23.一种流体传感器，其特征在于，至少包括将外部气体的温度变化变换成信号的传感器部分；一体地形成在所述传感器部分的正下方设置、加热所述传感器部分周围的外部气体的发热部分和设置于所述发热部分下部的凹部的基板。
全文摘要
本发明提供了一种稳定性、耐久性良好的发热元件和基板及其高效率和高精度的制造方法，以及使用它们的装置。以至少一部分扩散了硼等杂质的具有导电性的硅基板作为材料，进行蚀刻加工，与硅基板一体地制作加热部，该加热部设置去除角部分或具有圆形角部分的一个或多个狭缝。与此同时，为了控制加热部的加热状态，一体地形成在下部设置的凹部。
文档编号H01H29/00GK1567502SQ03148740
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月24日 优先权日2003年6月24日
发明者荒川克治, 藤井正宽, 小枝周史 申请人:精工爱普生株式会社