JP3740037B2 - TEMPERATURE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE TEMPERATURE SENSING ELEMENT - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度センサおよびその温度検出素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置では、パターンの微細化やウエハの大型化に伴いきわめて高精度な温度制御が求められてきている。現在一般的に使用されている温度センサは、Pt抵抗温度センサで、その抵抗値は100Ω程度である。このため、高精度に温度を計測しようとすると、回路技術の限界(高速サンプリングやAD分解能や小型化などの限界)から、Pt線に1〜2mAの測定電流を流す必要がある。その場合、温度センサは、高速応答性を高めるために小型化された形状であるので、制御温度範囲よりも大きな温度上昇が生じる。すなわち、半導体などの温度制御範囲は±0.01℃であるが、形状によってはPt抵抗温度センサの温度上昇(測定電流による発熱)は0.1℃にもなり、制御温度範囲の10倍以上にもなっている場合がある。そうした場合、制御対象の気体の流れが一定であれば、一定の温度上昇のままであるため、制御性に問題は起きないが、気体の流れは微視的に見れば、常に変動しているために、Pt抵抗温度センサの温度上昇は、常に変動していることになり(流速により熱放散が変わるため)、真の対象温度を測定できていないことになる。例えば、他の条件が何も変動していないで気体の流れが10%だけ変われば、検出温度は温度上昇0.1℃の10%(約0.01℃)変動し、その温度を真の温度として制御することになる。それ故、高精度な制御ができず、半導体製造装置においては抵抗値が大きくて温度上昇が少なく、より高精度に温度測定することができる温度センサが要望されてきている。
【0003】
Pt温度センサは、抵抗体として外径が0.01mm程度のきわめて細いPt線を用いたもので、抵抗値が100Ω程度とされる。このため、高精度に温度を計測しようとすると、回路技術の限界(高速サンプリングやAD分解能や小型化などの限界)から、Pt線に1〜2mAの測定電流を流す必要がある。その場合、温度センサは、高速応答性を高めるために小型化された形状であるので、制御温度範囲よりも大きな温度上昇が生じる。すなわち、半導体などの温度制御範囲は±0.01℃であるが、形状によってはPt温度センサの温度上昇(測定電流による発熱)は0.1℃にもなり、制御温度範囲の10倍以上にもなっている場合がある。そうした場合、制御対象の気体の流れが一定であれば、一定の温度上昇のままであるため、制御性に問題は起きないが、気体の流れは微視的に見れば、常に変動しているために、Pt線温度センサの温度上昇は、常に変動していることになり(流速により熱放散が変わるため)、真の対象温度を測定できていないことになる。例えば、他の条件が何も変動していないで気体の流れが10%だけ変われば、検出温度は温度上昇0.1℃の10%(約0.01℃)変動し、その温度を真の温度として制御することになる。それ故、高精度な制御ができず、半導体製造装置においては抵抗値が大きくて温度上昇が少なく、より一層高精度に温度測定することができる温度センサが要望されてきている。
【0004】
温度センサの抵抗値が高くなると、同じ温度を検出するために必要な測定電流は少なくてすむ。温度センサの測定電流による温度上昇は、電流の2乗に比例するので小さくなる。すなわち、抵抗値が1kΩになると、測定電流は、Pt100Ωの場合の1/10、つまり0.1〜0.2mAになり、温度上昇は1/10になるので、0.01℃の温度上昇になる。この場合、流れが変動しても制御温度以内の変動になり、高精度の制御が可能となる。
【0005】
現在のPt温度センサは、極細のPt線をガラス管に巻回して温度センサ素子を製作しているために、小型で高抵抗値な素子を製作することはできない。例えば、1kΩの抵抗値を製作するには10倍の長さのPt線を巻回することになり、素子自体が大型化する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来のPt温度センサは、巻き線タイプで抵抗値が低いため、以下に述べるような問題があった。
【0007】
▲1▼ Pt線の抵抗値は通常100Ω程度と低いため、微小な温度変化を測定する場合は大きな測定電流を供給する必要がある。しかし、この場合は必然的に自己発熱による熱的影響が大きくなるため、高精度な測定ができなくなる。
【0008】
例えば、抵抗値が100Ωの抵抗体を用いた場合、温度が1℃変化したときに抵抗値が約0.4Ω変化し、その時の電流を1mAとすると、信号電圧は0.4mVとなる。したがって、このときの消費電力は10-4W(W=RI2 =100×10-3 ×10-3 )となり、直径が1.5〜2mmの保護管であると、約0.1〜0.2m℃温度上昇する。それ故、このような温度センサを半導体製造装置に用いて10m℃の温度制御を行おうとすると、センサ自体の発熱量(消費電力)が大きく、制御を乱してしまう。したがって、上記した大口径のウエハにパターン幅約0.1μm程度のパターンをフォトエッチングによって形成する場合は、センサ自体の発熱により温度センサの温度がずれたり温度制御の邪魔をすることにより十分な制御ができなくなる。
【0009】
▲2▼ Pt線と、これを収納する保護管との絶縁を図るために絶縁チューブを用いているため、保護管の外径が一層大きくなり、温度変化に対して感度(レスポンス)が低い。
【0010】
そこで、本発明者らは上記した問題▲1▼,▲2▼について鋭意検討し、種々のセンサを製作して実験を行った結果、Pt線の代わりにNi箔抵抗体を用いると、マイクロマシンや半導体のリソグラフィ技術によって抵抗パターンを微細化することができるため、高抵抗で消費電力を少なくすることができ、上記▲1▼の問題を完全に解決することができた。
【0011】
また、抵抗パターンにトリミング用のパターンを設け、標準素子と比較しながらレーザートリミング調整すると設計値通りの抵抗値が得られ、初期抵抗値のばらつきを小さくすることができた。
【0012】
また、Ni箔抵抗体を基板に設け、この基板を保護管に挿入すればガラス管と絶縁チューブを必要としないため、保護管を小径化することができ、温度変化に対するレスポンスが速い温度センサが得られ、上記▲2▼の問題を解決することができた。
【0013】
Ni箔抵抗体を用いた温度センサの製作に当たっては、圧延によって製作したNi箔を用いた。この場合、抵抗値を高くするためにはNi箔の厚さを薄くし、パターン幅を小さくする必要があるが(一般的には厚さの3倍程度)、圧延による厚さは3μm程度が限界で、それ以上に薄く圧延すると、取り扱いが難しくなると同時に、Ni箔にピンホールや破れや厚さが不均一になるなどの不具合が発生する。そこで、フォトリソグラフィ技術によって所望の微細な抵抗パターンを形成することに加えて、エッチング技術を用いてさらに薄膜化すると、ピンホールや破れが生じず、厚さを均一にすることができた。また、厚さが薄くなればパターン幅を小さくすることができるため(厚さの約3倍)、より一層小型で高抵抗値(1,000Ω程度)なNi箔抵抗体を得ることができた。
【0014】
本発明は上記した従来の問題および検討結果に基づいてなされたもので、その目的とするところは、パッド部が剥離せず薄膜化することができ、小型化と高抵抗値化の双方を同時に達成できるようにした温度センサおよびその温度検出素子の製造方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第1の発明に係る温度検出素子の製造方法は、基板にNi箔抵抗体を接合した温度検出素子の製造方法であって、圧延加工によって製作したNi箔を前記基板の表面に接着剤によって接着する接着工程と、このNi箔をウエットエッチングまたはドライエッチングによって所定の厚さに薄膜化するエッチング工程と、前記Ni箔にレジストを塗布してフォトリソグラフィとエッチングにより所定形状のNi箔抵抗体とパッド部を形成する抵抗体形成工程とを備えたものである。
【0016】
第2の発明に係る温度検出素子の製造方法は、基板にNi箔抵抗体を接合した温度検出素子の製造方法であって、圧延加工によって製作したNi箔を前記基板の表面に接着剤によって接着する接着工程と、このNi箔にレジストを塗布してフォトリソグラフィとエッチングにより所定形状のNi箔抵抗体とパッド部を形成する抵抗体形成工程と、前記Ni箔抵抗体をウエットエッチングまたはドライエッチングによって所定の厚さに薄膜化するエッチング工程とを備えたものである。
【0017】
第3の発明に係る温度検出素子の製造方法は、上記第1または第2の発明において、Ni箔抵抗体の厚さが3μm以下である。
【0018】
第4の発明に係る温度検出素子の製造方法は、上記第2の発明において、パッド部をマスキングしてエッチングを行い、パッド部をNi箔抵抗体の厚さより厚く残すようにしたものである。
【0019】
第5の発明に係る温度センサは、基板に温度検出用のNi箔抵抗体を接合した温度検出素子と、この温度検出素子を収納する細長い保護管とを備え、前記Ni箔抵抗体をエッチングによって3μm以下の厚さに薄膜化したものである。
【0020】
第6の発明に係る温度センサは、基板に温度検出用のNi箔抵抗体を接合した温度検出素子と、この温度検出素子を収納する細長い保護管とを備え、前記Ni箔抵抗体をエッチングによってパッド部の厚さより薄くしたものである。
【0021】
第1、第2の発明においては、エッチング工程を備えているので、Ni箔の圧延による厚さの限界以上に薄いNi箔抵抗体を形成することができる。したがって、抵抗値を高くすることができる。また、厚さが薄ければパターン幅を狭くすることができる。レジストとしては、ポジ型とネガ型のいずれを用いてもよい。第3および第5の発明においては、ピンホールや破れが生じず、均一な厚さのNi箔抵抗体が得られる。
第4および第6の発明においては、パッド部の厚さが厚いと強度が大きく、メッキ処理したり、リード線を接続したとき剥離することがない。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明に係る温度センサの一実施の形態を示す断面図、図2は素子ユニットの断面図、図3は温度検出素子の平面図である。これらの図において、全体を符号1で示す温度センサは、素子ユニット2と、この素子ユニット2を収納する金属製パイプ3とからなり、4線式の温度センサを構成している。
【0023】
前記素子ユニット2は、フレキシブルプリント基板5の先端部に取付けられた温度検出素子4と、この温度検出素子4を前記フレキシブルプリント基板5とともに収納する細長い保護管6と、外部リード線7と、この外部リード線7と前記フレキシブルプリント基板5を電気的に接続するとともに前記保護管6を気密に封止するハーメチック部品8等で構成されている。
【0024】
前記温度検出素子4は、アルミナ等のセラミック基板10と、このセラミック基板10の表面に接着剤によって接合されたNi箔抵抗体11とで構成されている。セラミック基板10は、幅が0.7〜1mm、長さが8〜10mm、厚さが0.4mm程度の薄くて細長いシート状に形成されている。
【0025】
前記Ni箔抵抗体11は、図3に示すように抵抗パターンがセラミック基板10の長手方向に蛇行するように形成され、かつセラミック基板10の先端側で折り返えされることにより、往路パターン11Aと復路パターン11Bが半ピッチずれて互いに非接触状態で噛み合うように形成されており、各端部にそれぞれ2つずつ合計4つの電極部(パッド部)13(13a〜13d)を有している。また、Ni箔抵抗体11は、厚さが1〜3μm、幅が6〜10μm、抵抗値が約1,000Ωで、表面全体が絶縁膜によって覆われている。ただし、覆われていない場合もある。
【0026】
14はトリミング用の抵抗パターンで、例えば1Ω、2Ω、3Ω等の抵抗値が異なるものが数種類形成されている。この抵抗パターン14は、Ni箔から周知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によってNi箔抵抗体11を形成した時点ではNi箔抵抗体11に全て電気的に接続されており、レーザートリミングによる抵抗値の調整時に適宜切り離される。すなわち、Ni箔抵抗体11の抵抗値が例えば995Ωとすると、所望の抵抗値1,000Ωより抵抗値が5Ωだけ低いため、1Ωの抵抗パターン1つと、2Ωの抵抗パターン2つを切り離し、1,000ΩのNi箔抵抗体11とする。なお、実際のトリミングはもっと細かな値で調整される。
【0027】
このようなNi箔抵抗体11は、圧延によって製作したNi箔をセラミック基板10の表面に接着剤によって接合し、ドライエッチングまたはウエットエッチングによってNi箔自体の厚さを薄くするとともに、フォトリソグラフィ技術によりマスクパターンを転写露光し、パターン以外の部分を溶解、除去することにより容易に形成することができる。このとき、パッド部13も同時に形成される。
【0028】
前記フレキシブルプリント基板5は、ポリイミド等によって細長い帯状に形成されることにより、前記セラミック基板10と略同一の幅を有し、表面に4本の回路パターン16が平行に形成され、その一端側が前記ハーメチック部品8を介して前記外部リード線7にそれぞれ接続され、他端側に前記Ni箔抵抗体11の各パッド部13がバンプ接合(またはワイヤボンディング)されている。4本の回路パターン16のうち、例えば両側2本が前記Ni箔抵抗体11に電流を供給する電流線として用いられ、内側2本がNi箔抵抗体11に通電したときの電圧を検出する信号検出線として用いられる。このようなフレキシブルプリント基板5は、前記ハーメチック部品8とともに保護管6に挿入され、前記温度検出素子4を保護管6の先端部内壁面に押し付けている。
【0029】
前記外部リード線7は4本(図1においては2本のみ示す)からなり、そのうちの2本が電流線用、残り2本が信号検出線用で、一端が前記ハーメチック部品8の端子(リード線)20に半田21によってそれぞれ接続され、他端が前記回路パターン16に同じく半田によってそれぞれ接続されている。22は外部リード線7を保護するステンレス編線である。
【0030】
前記ハーメチック部品8は、4本からなる前記端子20と、両端開放の筒状に形成されたコバール等の金属製リング23と、この金属製リング23内に前記端子20を封着する封着用ガラス24とからなり、前記保護管6の開口部を気密に封止している。各端子20と前記リード線7、回路パターン16との半田接続部は、それぞれ合成樹脂25によって封止されている。また、各端子20には合成樹脂26がポッティングされている。
【0031】
前記保護管6は、SUS304、SUS316等からなる2本の異径パイプ、すなわち小径パイプ6Aおよび大径パイプ6Bを軸線を互いに一致させてレーザ溶接することにより製作されており、内部にアルゴン、窒素、乾燥空気等の不活性ガスまたはオイルが封止されている。
【0032】
前記小径パイプ6Aは、先端側が閉塞し、基端側が開放する真っ直ぐなパイプからなり、外径が1.0〜1.4mm、肉厚が0.05mm、長さが20〜30mm程度で、内部に前記温度検出素子4がフレキシブルプリント基板5とともに組み込まれている。このような小径パイプ6Aは、パイプ素材の絞り加工によって容易に製作することが可能である。
【0033】
前記大径パイプ6Bは、両端開放のパイプからなり、前記金属製パイプ3に嵌挿されるもので、外径が3.0mm、長さが7〜8mm程度で、前端面中央には小径パイプ6Aとの接続部を形成する筒状のボス部30が一体に突設されている。ボス部30は、外径が1.2〜1.8mm、肉厚が0.1〜0.2mm程度で、大径パイプ6Bと同一の肉厚を有している。このような大径パイプ6Bは、前記小径パイプ6Aと同様にパイプ素材の絞り加工によって容易に製作することが可能である。
【0034】
前記金属製パイプ3は、SUS316等によって形成された両端開放のパイプからなり、外径が4.0mm、内径が3.0mm、長さが30〜50mm程度で、両端開口部に前記大径パイプ6Bと外部リード線7のステンレス編線22が嵌挿され、また内部には合成樹脂(熱硬化性樹脂)31が充填されている。
【0035】
次に、上記構造からなる温度センサ1の製造手順について説明する。
図4は製造手順を示すフローチャートである。
先ず、ステップ(以下、SPという)100においてNi材料のインゴットを用意し、このインゴットを圧延加工して所要厚さのNi箔を製作する(SP101)。圧延によるNi箔の厚さは3μm以上であり、それ以下であると取り扱いが難しくなるばかりか、ピンホールができたり、破れたり厚さが不均一になるため好ましくない。
【0036】
次に、Ni箔を大きなセラミック基板に接着剤によって接着し(SP102)、このNi箔をその全面にわたってウエットエッチングまたはドライエッチングし、薄膜化する(SP103)。ウエットエッチングの場合は、エッチング液に浸漬して少しずつ溶解させる。ドライエッチングの場合は、スパッター、プラズマ等によってイオンや電子をNi箔表面に照射し、少しずつ削っていく。このようなエッチング工程によってNi箔の厚さを1.0〜3μm、好ましくは1.5〜3μmにする。1μm以下であると、皺ができたり破れたり、穴が明いたりするため好ましくない。
【0037】
次に、フォトリソグラフィ技術(フォトエッチング)によってNi箔を所定のパターンにエッチングし、Ni箔抵抗体11とパッド部13を製作する(SP104)。すなわち、Ni箔の表面全体にレジストをスピンコートによって塗布し、紫外線(または電子線)を照射して前記レジストにマスクパターンを転写露光する。次に露光されたレジストを溶解液で溶解し、レジストの不要部分を除去する。露光された部分を残すか除去するかで、ネガ型レジストまたはポジ型レジストを選定する。レジストが除去された部分はNi箔が露出しており、この露出したNi箔をウエットエッチングまたはドライエッチングによって除去する。そして、残っているレジストを剥離、除去して洗浄すると、図3に示した所定のパターンのNi箔抵抗体11とパッド部13の製作が完了する。ここでは、このようなレジストの塗布からNi箔抵抗体11とパッド部13の製作までの一連の工程を抵抗体形成工程という。
【0038】
次に、パッド部13の強度を大きくするとともに電極を付ける時に容易に接合できるようにするために、パッド部13の表面にメッキを施し、Ni箔抵抗体11より厚肉にする(SP105)。このとき、Ni箔抵抗体にはマスキングしておく。メッキ層を含むパッド部13の厚さは、3μm程度である。パッド部13の肉厚が薄いとメッキ処理後の応力に耐えられず、パッド部13が剥がれるおそれがある。また、メッキ処理後に剥がれなくても、その後のバンプ接合するときの熱によってまたはワイヤボンディングしたとき剥れるおそれがあり好ましくない。
【0039】
次に、レーザートリミングによってNi箔抵抗体11の抵抗値を調整し、所定の抵抗値にする(SP106)。この抵抗値調整は、標準素子と比較しながらトリミング用抵抗パターン14をレーザートリミングによってNi箔抵抗体11から切り離すことにより行われる。
【0040】
そして、セラミック基板を所定の大きさに切断する(SP107)。これによって、複数個の温度検出素子4が製作される。
【0041】
フレキシブルプリント基板5は、温度検出素子4の製作と並行して行われ(SP108)、前記温度検出素子4が半田片によって電気的に接合される(SP109)。次に、ステップSP110において、フレキシブルプリント基板5とハーメチック部品8の端子20を半田付けする。
【0042】
保護管6は、前記温度検出素子4、フレキシブルプリント基板5の製作と並行して行われ(SP111)、内部に前記温度検出素子4がフレキシブルプリント基板5およびハーメチック部品8とともに組み込まれることにより、ハーメチック部品8によって封止される(SP112)。
【0043】
このとき、温度検出素子4の前端と裏面を小径パイプ6Aの先端部内壁面に押し付ける。この押し付けは、フレキシブルプリント基板5自体がもつ弾性による復元力を利用して行なう。なお、ハーメチック部品8によって大径パイプ6Bを封止する前に、保護管6の内部に不活性ガスまたはオイルを封入する。
【0044】
外部リード線7は温度検出素子4、フレキシブルプリント基板5、保護管6の製作と並行して行われ(SP113)、前記ハーメチック部品8の端子20に電気的に接続される(SP114)。さらに、金属パイプ3に収納して樹脂31で封止する(SP115)。これによって素子ユニット2が完成する。そして、素子ユニット2は性能検査され(SP116)、合格品については金属製パイプ3に収納して樹脂31で封止することにより、温度センサ1が完成する(SP117)。
【0045】
図5は本発明の他の製造手順を示すフローチャートである。
この製造方法は、圧延によって形成したNi箔を大きなセラミック基板に接着剤によって接着した後、このNi箔にレジストを塗布してフォトリソグラフィ技術によりマスクパターンを転写露光し、露光した部分以外をエッチングによって溶解除去してNi箔を所定のパターン形状、すなわち抵抗体とパッド部を形成する(SP121)。次いで、ウエットエッチングまたはドライエッチングによってNi箔を所望の膜厚になるように薄膜化させてNi箔抵抗体11を製作するようにしている(SP122)。このとき、パッド部13については、エッチングされないようにマスキングして厚さをNi箔抵抗体11より厚く残す。それ以外の工程は、図4に示した製造手順と全く同じであるため、同一工程については同一符号をもって示し、その説明を省略する。
【0046】
このような構造からなる温度センサ1によれば、きわめて薄いNi箔抵抗体11を用いているので、従来のPt温度センサに比べて抵抗値の高い抵抗体を形成することができ、また、センサの製作も容易で、小型化することができる。すなわち、従来のPt温度センサは、抵抗値を高くすると、Pt抵抗線の長さが長くなり、形状が必然的に大きくなる。このため、抵抗値を100Ω程度以上に高くすることができなかった。
【0047】
これに対して、本発明による温度センサ1は、圧延によって製作したNi箔をドライエッチングまたはウエットエッチングによって薄膜化させるとともに、フォトリソグラフィ技術により所定の抵抗パターンを形成するようにしているので、薄くてパターン幅が狭く微小で高抵抗値のNi箔抵抗体11を製作することができる。例えば、3μmの厚さを2μmにすると、抵抗値を約1.5倍にすることができる。それにしたがい、パターン幅も約6μm程度にでき、抵抗値をさらに約1.5倍にすることができる。相乗効果で2倍以上(1.5×1.5=2.25)に抵抗値を高くすることができる。それ故、抵抗値が1,000Ωの抵抗体を製作することが可能である。
【0048】
また、Ni箔抵抗体11の製作は、Pt線に比べて比較的容易で、高抵抗値にも拘わらず温度検出素子4自体を細長い帯状に形成することができるので、これを収納する保護管6の小径パイプ6Aの直径を1.0mm以下にまで小径化することができる。その結果として、温度センサ1自体も小型化することができる。さらに、保護管6を細く形成できれば熱容量も小さくなるので、被測定対象の温度変化に対する応答性を向上させることができる。
【0049】
また、パッド部13をNi箔抵抗体11より厚く形成しているので、強度が大きく、メッキ工程や、バンプ接合またはワイヤボンディング時に剥離したりすることがなく、良好な電気的接続を得ることができる。
【0050】
〔従来のPt温度センサと本発明の温度センサの比較〕
従来のPt温度センサは、抵抗値が100Ωで、1〜2mAの測定電流を流し、温度変化出力を取り出している。
例えば、電流が1mAの場合
抵抗体の発熱量(消費電力RI2)は
100×10-3×10-3=10-4W=0.1mWとなる。
感度は、ptのTCR(温度係数)=3850ppm/℃とすると、
1℃における感度は、
100×3850×10-6×1×10-3=385μV/℃
となる。
1m℃における感度は、その1/1000になるので、0.385μV/m℃となる。
【0051】
これに対して、抵抗値が1,000ΩでTCR=6000ppm/℃のNi箔抵抗体25を用いた場合は、抵抗値が10倍となるので、同じ感度(温度変化出力)を得るためには、測定電流を0.064mA、つまり1/15とすることができる。
0.385×10-6÷(1000×6000×10-6×10-3×10-3)
=0.064mA
Ni箔抵抗体25の発熱量(消費電力)は、
1000×0.064×10-3×0.064×10-3=0.004×10-3W=0.004mWで、1/25になる。
したがって、抵抗値を高くすることは、感度を保持したまま消費電力を低減でき、1m℃の温度制御を必要とする半導体製造装置に用いた場合、非常に有効である。
【0052】
なお、上記した実施の形態においては、温度検出素子4の基板としてセラミック基板10を用いたが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、ガラス、シリコン、金属等からなる基板を用いてもよい。
【0053】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る温度センサによれば、Ni箔抵抗体の膜厚を薄くすることができ、小型で抵抗値を高くすることができる。したがって、低消費電力が少なく、高精度な温度測定を行なうことができ、特に高精度な温度制御が要求される半導体製造装置などの温度測定に用いて好適である。また、パッド部の剥離を防止でき、良好な電気的接続を得ることができる。さらに、Ni箔抵抗体はPt抵抗線に比べて安価で自由に所望の抵抗値を得ることができる。
また、本発明に係る温度検出素子の製造方法によれば、薄くて抵抗値の高いNi箔抵抗体を容易に製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る温度センサの一実施の形態を示す断面図である。
【図2】 素子ユニットの断面図である。
【図3】 温度検出素子の平面図である。
【図4】 本発明の製造手順を示すフローチャートである。
【図5】 本発明の他の製造手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1…Ni箔抵抗体温度センサ、2…素子ユニット、3…金属パイプ、4…温度検出素子、5…フレキシブルプリント基板、6…保護管、7…外部リード線、8…ハーメチック部品、10…セラミック基板、11…Ni箔抵抗体、13…パッド部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a temperature sensor and a method for manufacturing the temperature detection element.
[0002]
[Prior art]
In semiconductor devices, temperature control with extremely high accuracy has been demanded as patterns become finer and wafers become larger. A temperature sensor generally used at present is a Pt resistance temperature sensor, and its resistance value is about 100Ω. For this reason, in order to measure the temperature with high accuracy, it is necessary to pass a measurement current of 1 to 2 mA to the Pt line due to limitations of circuit technology (limits such as high-speed sampling, AD resolution, and miniaturization). In that case, since the temperature sensor has a shape that is miniaturized in order to enhance high-speed response, a temperature increase larger than the control temperature range occurs. In other words, the temperature control range for semiconductors and the like is ± 0.01 ° C., but depending on the shape, the temperature rise of the Pt resistance temperature sensor (heat generation due to measurement current) can be as high as 0.1 ° C., which is more than 10 times the control temperature range It may also be. In such a case, if the flow of the gas to be controlled is constant, there is no problem in controllability because the temperature rise remains constant, but the flow of the gas is constantly fluctuating when viewed microscopically. For this reason, the temperature rise of the Pt resistance temperature sensor always fluctuates (because heat dissipation changes depending on the flow velocity), and the true target temperature cannot be measured. For example, if the gas flow changes by 10% without any other conditions changing, the detected temperature fluctuates by 10% (about 0.01 ° C) with a temperature rise of 0.1 ° C, and the temperature is It will be controlled as temperature. Therefore, there has been a demand for a temperature sensor that cannot perform high-precision control, has a large resistance value, has a small temperature rise, and can measure temperature with higher accuracy in a semiconductor manufacturing apparatus.
[0003]
The Pt temperature sensor uses a very thin Pt wire having an outer diameter of about 0.01 mm as a resistor, and has a resistance value of about 100Ω. For this reason, in order to measure the temperature with high accuracy, it is necessary to pass a measurement current of 1 to 2 mA to the Pt line due to limitations of circuit technology (limits such as high-speed sampling, AD resolution, and miniaturization). In that case, since the temperature sensor has a shape that is miniaturized in order to enhance high-speed response, a temperature increase larger than the control temperature range occurs. In other words, the temperature control range of semiconductors and the like is ± 0.01 ° C., but depending on the shape, the temperature rise of the Pt temperature sensor (heat generation due to measurement current) can be as high as 0.1 ° C., which is more than 10 times the control temperature range. There may be. In such a case, if the flow of the gas to be controlled is constant, there is no problem in the controllability because the temperature rise remains constant, but the flow of the gas is constantly changing when viewed microscopically. Therefore, the temperature rise of the Pt line temperature sensor always fluctuates (because heat dissipation changes depending on the flow velocity), and the true target temperature cannot be measured. For example, if the gas flow changes by 10% without any other conditions changing, the detected temperature fluctuates by 10% (about 0.01 ° C) with a temperature rise of 0.1 ° C, and the temperature is It will be controlled as temperature. Therefore, there has been a demand for a temperature sensor that cannot perform high-precision control, has a large resistance value, has a small temperature rise, and can measure temperature with higher accuracy in semiconductor manufacturing apparatuses.
[0004]
As the resistance value of the temperature sensor increases, less measurement current is required to detect the same temperature. The temperature rise due to the measurement current of the temperature sensor is small because it is proportional to the square of the current. That is, when the resistance value is 1 kΩ, the measured current is 1/10 of Pt100Ω, that is, 0.1 to 0.2 mA, and the temperature rise is 1/10. Become. In this case, even if the flow fluctuates, the fluctuation is within the control temperature, and high-precision control is possible.
[0005]
Since the current Pt temperature sensor manufactures a temperature sensor element by winding an extremely fine Pt wire around a glass tube, a small and high resistance element cannot be manufactured. For example, in order to produce a resistance value of 1 kΩ, a
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional Pt temperature sensor has a problem as described below because it is a wound type and has a low resistance value.
[0007]
(1) Since the resistance value of the Pt line is usually as low as about 100Ω, it is necessary to supply a large measurement current when measuring a minute temperature change. However, in this case, the thermal influence due to self-heating is inevitably increased, so that highly accurate measurement cannot be performed.
[0008]
For example, when a resistor having a resistance value of 100Ω is used, when the temperature changes by 1 ° C., the resistance value changes by about 0.4Ω, and when the current at that time is 1 mA, the signal voltage becomes 0.4 mV. Therefore, the power consumption at this time is 10 -Four W (W = RI 2 = 100 × 10 -3 × 10 -3 If the protective tube has a diameter of 1.5 to 2 mm, the temperature rises by about 0.1 to 0.2 m ° C. Therefore, if such a temperature sensor is used in a semiconductor manufacturing apparatus and temperature control is performed at 10 m ° C., the amount of heat generated (power consumption) of the sensor itself is large and control is disturbed. Therefore, when a pattern having a pattern width of about 0.1 μm is formed by photoetching on the large-diameter wafer described above, sufficient control can be achieved by shifting the temperature of the temperature sensor due to the heat generated by the sensor itself or interfering with temperature control. Can not be.
[0009]
(2) Since the insulating tube is used to insulate the Pt line from the protective tube for storing the Pt wire, the outer diameter of the protective tube is further increased, and the sensitivity (response) to the temperature change is low.
[0010]
Therefore, the present inventors diligently studied the above problems (1) and (2), and as a result of producing various sensors and conducting experiments, when using Ni foil resistors instead of Pt wires, Since the resistance pattern can be miniaturized by a semiconductor lithography technique, the power consumption can be reduced with high resistance, and the problem (1) has been completely solved.
[0011]
Further, when a trimming pattern is provided in the resistance pattern and laser trimming adjustment is performed in comparison with the standard element, a resistance value as designed is obtained, and variations in the initial resistance value can be reduced.
[0012]
In addition, if a Ni foil resistor is provided on a substrate and this substrate is inserted into a protective tube, a glass tube and an insulating tube are not required. Therefore, the protective tube can be reduced in diameter, and a temperature sensor that has a quick response to temperature changes is provided. As a result, the problem (2) was solved.
[0013]
In manufacturing the temperature sensor using the Ni foil resistor, Ni foil manufactured by rolling was used. In this case, in order to increase the resistance value, it is necessary to reduce the thickness of the Ni foil and reduce the pattern width (generally about three times the thickness), but the thickness by rolling is about 3 μm. At the limit, if it is rolled thinner than that, handling becomes difficult, and at the same time, problems such as pinholes, tearing, and uneven thickness occur in the Ni foil. Therefore, in addition to forming a desired fine resistance pattern by the photolithography technique, when the film thickness is further reduced by using the etching technique, pinholes and breakage do not occur, and the thickness can be made uniform. Moreover, since the pattern width can be reduced if the thickness is reduced (about 3 times the thickness), a Ni foil resistor having a smaller size and a higher resistance value (about 1,000Ω) could be obtained. .
[0014]
The present invention has been made on the basis of the above-described conventional problems and examination results, and the object of the present invention is that the pad portion can be thinned without peeling, and both miniaturization and high resistance value can be achieved simultaneously. An object of the present invention is to provide a temperature sensor that can be achieved and a method of manufacturing the temperature detection element.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a manufacturing method of a temperature detection element according to a first invention is a manufacturing method of a temperature detection element in which a Ni foil resistor is bonded to a substrate, and the Ni foil manufactured by rolling is used as the substrate. A bonding process for bonding to the surface of the Ni foil with an adhesive, an etching process for thinning the Ni foil to a predetermined thickness by wet etching or dry etching, and applying a resist to the Ni foil to form a predetermined shape by photolithography and etching. The Ni foil resistor and the resistor forming step for forming the pad portion are provided.
[0016]
A method for manufacturing a temperature detecting element according to a second invention is a method for manufacturing a temperature detecting element in which a Ni foil resistor is bonded to a substrate, and the Ni foil manufactured by rolling is bonded to the surface of the substrate with an adhesive. Bonding step, applying a resist to the Ni foil, forming a Ni foil resistor and a pad portion of a predetermined shape by photolithography and etching, and forming the Ni foil resistor by wet etching or dry etching. And an etching process for thinning the film to a predetermined thickness.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the Ni foil resistor has a thickness of 3 μm or less.
[0018]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a temperature detecting element according to the second aspect, wherein the pad portion is masked and etched to leave the pad portion thicker than the Ni foil resistor.
[0019]
A temperature sensor according to a fifth aspect of the present invention includes a temperature detection element in which a Ni foil resistor for temperature detection is bonded to a substrate, and an elongated protective tube that houses the temperature detection element, and the Ni foil resistor is etched. The film is thinned to a thickness of 3 μm or less.
[0020]
A temperature sensor according to a sixth aspect of the present invention includes a temperature detection element in which a Ni foil resistor for temperature detection is bonded to a substrate, and an elongated protective tube that houses the temperature detection element, and the Ni foil resistor is etched by It is made thinner than the thickness of the pad part.
[0021]
In the first and second inventions, since the etching process is provided, it is possible to form a Ni foil resistor that is thinner than the thickness limit of Ni foil rolling. Therefore, the resistance value can be increased. Further, if the thickness is small, the pattern width can be narrowed. As the resist, either a positive type or a negative type may be used. In the third and fifth inventions, pinholes and breakage do not occur, and a Ni foil resistor having a uniform thickness can be obtained.
In the fourth and sixth inventions, if the pad portion is thick, the strength is high, and it does not peel off when plating or connecting lead wires.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a temperature sensor according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of an element unit, and FIG. 3 is a plan view of a temperature detection element. In these drawings, a temperature sensor generally indicated by
[0023]
The
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
14 is a resistance pattern for trimming, and several types of resistance patterns having different resistance values such as 1Ω, 2Ω, and 3Ω are formed. This
[0027]
Such a
[0028]
The flexible printed
[0029]
The
[0030]
The
[0031]
The
[0032]
The small-
[0033]
The large-
[0034]
The
[0035]
Next, the manufacturing procedure of the
FIG. 4 is a flowchart showing the manufacturing procedure.
First, in step (hereinafter referred to as SP) 100, an Ni material ingot is prepared, and this ingot is rolled to produce a Ni foil having a required thickness (SP101). The thickness of the Ni foil obtained by rolling is 3 μm or more, and if it is less than that, it is not preferable because handling becomes difficult and pinholes are formed or the thickness becomes uneven.
[0036]
Next, the Ni foil is bonded to a large ceramic substrate with an adhesive (SP102), and the Ni foil is thinned by wet etching or dry etching over the entire surface (SP103). In the case of wet etching, it is immersed in an etching solution and dissolved little by little. In the case of dry etching, ions and electrons are irradiated on the Ni foil surface by sputtering, plasma, etc., and then gradually etched. By such an etching process, the thickness of the Ni foil is set to 1.0 to 3 μm, preferably 1.5 to 3 μm. When the thickness is 1 μm or less, wrinkles are formed, torn, or holes are formed, which is not preferable.
[0037]
Next, the Ni foil is etched into a predetermined pattern by a photolithography technique (photoetching), and the
[0038]
Next, in order to increase the strength of the
[0039]
Next, the resistance value of the
[0040]
Then, the ceramic substrate is cut into a predetermined size (SP107). As a result, a plurality of
[0041]
The flexible printed
[0042]
The
[0043]
At this time, the front end and the back surface of the
[0044]
The
[0045]
FIG. 5 is a flowchart showing another manufacturing procedure of the present invention.
In this manufacturing method, a Ni foil formed by rolling is bonded to a large ceramic substrate with an adhesive, a resist is applied to the Ni foil, a mask pattern is transferred and exposed by a photolithography technique, and portions other than the exposed portion are etched. The Ni foil is dissolved and removed to form a predetermined pattern shape, that is, a resistor and a pad portion (SP121). Next, the
[0046]
According to the
[0047]
On the other hand, the
[0048]
In addition, the
[0049]
Further, since the
[0050]
[Comparison of Conventional Pt Temperature Sensor and Temperature Sensor of the Present Invention]
The conventional Pt temperature sensor has a resistance value of 100Ω, passes a measurement current of 1 to 2 mA, and extracts a temperature change output.
For example, when the current is 1 mA
Heat value of resistor (power consumption RI 2 )
100x10 -3 × 10 -3 = 10 -Four W = 0.1 mW.
The sensitivity is pt TCR (temperature coefficient) = 3850 ppm / ° C.
The sensitivity at 1 ° C is
100x3850x10 -6 × 1 × 10 -3 = 385 μV / ° C
It becomes.
Since the sensitivity at 1 m ° C. is 1/1000, it becomes 0.385 μV / m ° C.
[0051]
On the other hand, when the
0.385 × 10 -6 ÷ (1000 × 6000 × 10 -6 × 10 -3 × 10 -3 )
= 0.064 mA
The calorific value (power consumption) of the
1000x0.064x10 -3 × 0.064 × 10 -3 = 0.004 x 10 -3 It becomes 1/25 at W = 0.004 mW.
Therefore, increasing the resistance value can reduce power consumption while maintaining sensitivity, and is very effective when used in a semiconductor manufacturing apparatus that requires temperature control of 1 m ° C.
[0052]
In the above-described embodiment, the
[0053]
【The invention's effect】
As described above, according to the temperature sensor of the present invention, the film thickness of the Ni foil resistor can be reduced, and the resistance value can be increased in size. Therefore, low power consumption is small and highly accurate temperature measurement can be performed, and it is particularly suitable for temperature measurement of a semiconductor manufacturing apparatus or the like that requires highly accurate temperature control. Further, peeling of the pad portion can be prevented and good electrical connection can be obtained. Furthermore, the Ni foil resistor can obtain a desired resistance value freely and inexpensively as compared with the Pt resistance wire.
Moreover, according to the manufacturing method of the temperature detection element which concerns on this invention, a thin Ni foil resistor with high resistance value can be manufactured easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a temperature sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of an element unit.
FIG. 3 is a plan view of a temperature detection element.
FIG. 4 is a flowchart showing a manufacturing procedure of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing another manufacturing procedure of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
圧延加工によって製作したNi箔を前記基板の表面に接着剤によって接着する接着工程と、
このNi箔をウエットエッチングまたはドライエッチングによって所定の厚さに薄膜化するエッチング工程と、
前記Ni箔にレジストを塗布してフォトリソグラフィとエッチングにより所定形状のNi箔抵抗体とパッド部を形成する抵抗体形成工程と、
を備えたことを特徴とする温度検出素子の製造方法。A method of manufacturing a temperature detecting element in which a Ni foil resistor is bonded to a substrate,
An adhesion step of adhering Ni foil produced by rolling to the surface of the substrate with an adhesive;
An etching step of thinning the Ni foil to a predetermined thickness by wet etching or dry etching;
A resistor forming step of applying a resist to the Ni foil and forming a Ni foil resistor and a pad portion of a predetermined shape by photolithography and etching,
A method for manufacturing a temperature detecting element, comprising:
圧延加工によって製作したNi箔を前記基板の表面に接着剤によって接着する接着工程と、
このNi箔にレジストを塗布してフォトリソグラフィとエッチングにより所定形状のNi箔抵抗体とパッド部を形成する抵抗体形成工程と、
前記Ni箔抵抗体をウエットエッチングまたはドライエッチングによって所定の厚さに薄膜化するエッチング工程と、
を備えたことを特徴とする温度検出素子の製造方法。A method of manufacturing a temperature detecting element in which a Ni foil resistor is bonded to a substrate,
An adhesion step of adhering Ni foil produced by rolling to the surface of the substrate with an adhesive;
A resistor forming step of applying a resist to this Ni foil and forming a Ni foil resistor and a pad portion of a predetermined shape by photolithography and etching,
An etching step of thinning the Ni foil resistor to a predetermined thickness by wet etching or dry etching;
A method for manufacturing a temperature detecting element, comprising:
Ni箔抵抗体の厚さが3μm以下であることを特徴とする温度検出素子の製造方法。In the manufacturing method of the temperature detection element of Claim 1 or 2,
A method of manufacturing a temperature detecting element, wherein the thickness of the Ni foil resistor is 3 μm or less.
パッド部をマスキングしてエッチングを行い、パッド部をNi箔抵抗体の厚さより厚く残すことを特徴とする温度検出素子の製造方法。In the manufacturing method of the temperature detection element of Claim 2,
A method of manufacturing a temperature detecting element, wherein the pad portion is masked and etched to leave the pad portion thicker than the Ni foil resistor.
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