JPH03131003A

JPH03131003A - ダイヤモンド薄膜サーミスタ

Info

Publication number: JPH03131003A
Application number: JP1270085A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobashi; 宏司小橋; Koichi Miyata; 浩一宮田; Kazuo Kumagai; 和夫熊谷; Takayoshi Inoue; 井上　隆善; Hiroyuki Tachibana; 立花　弘行; Akimitsu Nakagami; 中上　明光
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-10-16
Filing date: 1989-10-16
Publication date: 1991-06-04
Also published as: GB2237145B; GB9022181D0; GB2237145A; US5066938A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、測温素子として用いられる感温半導体、特に
応答速度が速く、耐熱性、耐放射線性、耐化学薬品性等
の耐環境安定性の優れたサーミスタに関する。

（従来の技術）サーミスタの抵抗体としては温度による抵抗変化の大き
い金属酸化物、窒化物、炭化物等のセラミックが使用さ
れる。これらの抵抗体は温１度変化に対する応答性がよ
いように、通常第７図に示すように、絶縁性基板（ａ）
上に薄膜状の抵抗体膜Φ）に形成し、これに金属電極（
Ｃ）を取り付け、リード線（イ）を接続して薄膜サーミ
スタとする。多くのセラミック抵抗体は温度の上昇とと
もに電気抵抗が低下する負特性を持ち、電気抵抗値の変
化から温度を逆算できる。

５ｉＣｆｉｌ膜を抵抗体として用いるサーミスタの１例
が特開昭６２−１１５８０４号に示されており、第８図
に示すように、アルミナ等の絶縁性基板（ａｌ）上に先
ず電極（ＣＩ）を形成し、その上にＳｉＣの抵抗体薄膜
（ｂ、）をスパッタリングにより形成し電極にリード線
（ｄｌ）を接続した構造が基本となっている。この時開
には５ｔｃｌ膜（ｂ、）を環境条件から保護するため５
ｉＣＦｉ膜を特定の熱膨張係数および作業温度のガラス
の保護膜（ｅｌ）で被覆することが教示されている。

この他、ニューダイヤモンド、Ｖｏｌ、　５＋　Ｎα２
にはダイヤモンドの気相合成技術を応用し、第９図に示
すように、ダイヤモンドが形成しやすい窒化シリコン（
ＳｉＪａ）の基板（ａ２）を用いマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ法で気相合成反応ガスとしてＣＨ４、ｔｔｚにジボ
ラン（ｃｚｎｂ）を加えてドーピングしてｐ型ダイヤモ
ンド薄膜（ｂｔ＞を形成し、ＡｕＳＭｏ、　ＴＩ等の電
極（ｃ＝）を形成し、ダイヤモンド薄膜、をＳｉｎ、の
保護膜（ｅ２）で被覆したサーミスタが試作されている
。

（発明が解決しようとする問題点）金属系の抵抗体を用いたサーミスタは、成膜過程に組成
制御が難しいスパッタリング成膜が必要なので、抵抗体
の組成を均一にすることが困難である。また電気伝導度
を精密に制御することも困難である。このため特に高精
度のサーミスタを製造する場合には、製品にばらつきが
生じ、歩留りが低くなる。

また使用中に空気や水蒸気によりセラミックが酸化され
たり、還元性雰囲気で使用する場合には抵抗体が還元さ
れるなど、化学変化を受けるために、サーミスタ特性の
経時変化が避けられず、長期間使用する場合のサーミス
タの信頬性が低い。

また環境温度変化に対する応答速度の点では、金属系の
抵抗体は熱伝導度が小さいため、応答速度が１秒〜１０
秒、またはこれ以上であり、環境温度の速い変化に追随
できない。

また第８図に例示したＳｉＣ薄膜サーミスタは、経時変
化の問題は少ないが、単結晶ＳｉＣでも熱伝導度が５Ｗ
／ｃｍ−ＫＬかなくダイヤモンド結晶と比較すると小さ
い。このため５ｉＣＩ膜サーミスタでは応答速度は数１
０秒と遅い。

これに対しダイヤモンド結晶（タイプＩ［ａ）の熱伝導
度は２０Ｗ／ｃｍ−にで単結晶ＳｉＣの４倍もあり、ダ
イヤモンド薄膜でも熱伝導度がＩＯＷ／ｃｍ−にと大き
い。従ってダイヤモンド薄膜サーミスタは５ｉＣｉ膜サ
ーミスタの約４倍の高応答速度が期待される。ところが
、第９図に例示されているような従来構造のダイヤモン
ド薄膜サーミスタは応答速度が１〜２秒で、上記５ｔＣ
ＴＲ膜サーミスタに較べてあまり改善がみられない。そ
の理由は、第９図のダイヤモンド薄膜サーミスタはその
大きさが１．５順Ｘ　３．８ｗｎと大きく、また熱伝導
性の低い窒化シリコン（ＳｉＪｎ）を基板に用いており
、また感温度部が−様なダイヤモンド薄膜であるので温
度均一化に時間を要するからであると考えられる。

さらに第９図の従来構造のダイヤモンド薄膜サーミスタ
には、次の問題が加わる。すなわち半導体ダイヤモンド
薄膜を窒化シリコン基板上に直接形成しているために、
特に窒化シリコンに接するダイヤモンド薄膜領域ではダ
イヤモンド粒子間の粒界密度が高く、この粒界には非晶
質炭素やグラファイトが比較的多（含まれるようになり
、その結果この領域では気相合成ダイヤモンドの結晶性
が悪く、膜厚方向で特性が均一ではなくなるという問題
が生ずる。この粒界のために、高温でダイヤモンド薄膜
の劣化が急速に進み、サーミスタの機能が失われる。こ
のことは、前出ニューダイヤモンドＶｏ１．５．Ｎ１１
Ｌ２　中に、２Ｘ１．５　Ｘｏ、３　ａｎの単結晶ダイ
ヤモンドを基板に用いると応答速度が０．１５秒に短縮
される旨の記載があることからも、根拠があると判断さ
れる。ただし、単結晶ダイヤモンドを基板に使用するサ
ーミスタは、単結晶ダイヤモンドの価格が高いため高価
になり過ぎるという問題が加わる。

さらにダイヤモンド薄膜サーミスタには、個々の基板上
にダイヤモンド薄膜と電極を形成するために特性のばら
つきが大きく、また生産性が低く、生産コストが高くな
るという問題があり、特に基板にダイヤモンド結晶を用
いた場合には製品価格が極めて高い。

本発明は従来技術の上記諸問題に解決を与えるため、高
速応答性のあるサーミスタを特性にばらつきなく量産を
可能とすることを技術的課題とする。

（問題点を解決するための手段）前記課題の解決のため、本発明のダイヤモンド薄膜サー
ミスタは、基板上に気相合成法により電気絶縁性のダイ
ヤモンド膜を層状に形成し、さらにその上に気相合成法
により半導体ダイヤモンド薄膜の感温部を積層し、これ
に金属薄膜電極を取り付けて構成したことを特徴とする
。

本発明のダイヤモンド薄膜サーミスタは、サーミスタと
しての感温部のパターンは絶縁性ダイヤモンド膜と半導
体ダイヤモンド薄膜の何れに選択成長により形成させて
もよく、それにより次の２通りの方法によって製作する
ことができる。

〔方法Ａ〕

第１および２図は本発明のダイヤモンド薄膜サーミスタ
の１態様を模式的に示す。このサーミスタは代表的には
次の工程順序で製作される。

（ＩＡ）まず、セラミックや金属基板（１）上に電気絶
縁性のダイヤモンド膜（２ａ）を均一に形成する。

（ｎＡ）つぎに選択成長技術を用いてサーミスタのパタ
ーンをもつ半導体ダイヤモンド薄膜（３ａ）を（単数ま
たは複数個）形成する。絶縁性ダイヤモンド膜（２ａ）
の膜厚は例えば１０μｍ、半導体ダイヤモンド薄膜（３
ａ）の膜厚は２μｍ程度とする。

（Ｉ［Ｉ）　　　リソグラ・フィ技術を用いて金属電極
（４）を形成する。

（ＩＶ）　　　リード線（５）を取り付ける。（６ａ）
はこのようにして形成したこの実施例の感温部を示す。

（Ｖ）　　必要により耐酸化保護膜をコーティングする
。

〔方法Ｂ〕

第３および４図は本発明のダイヤモンド薄膜サーミスタ
の他の態様を模式的に示す。このサーミスタは代表的に
は次の工程順序で製作される。

（ＩＢ）まず、セラミックや金属基板（１）上に、選択
成長技術を用いてサーミスタのパターンをもつ電気絶縁
性のダイヤモンド膜（２ｂ）を（単数または複数個）形
成する。

（ＩＩＢ）つぎに絶縁性ダイヤモンド膜（２ｂ）の表面
上に半導体ダイヤモンド薄膜（３ｂ）を形成する。絶縁
性ダイヤモンド膜（２ｂ）のサーミスタ・パターンに形
成された部分の表面上には半導体ダイヤモンド薄膜（３
ｂ）は同じパターン形状に形成される。膜（２ｂ）は例
えば１０ｔＩｍ厚、薄膜（３ｂ）は２ａｍ厚とする。

（Ｉ［［）　　リソグラフィ技術を用いて金属電極（４
）を形成する。

（ＩＶ）　　リード線（５）を取り付ける。　（６ｂ）
はこのようにして形成したこの実施例の感温部を示す。

（Ｖ）必要により耐酸化保護膜をコーティングする。

前記の工程（Ｖ）は、このサーミスタの使用環境が、酸
化によるダイヤモンド薄膜の劣化が起こらない場合には
省略できる。

（作　用）本発明のダイヤモンド薄膜サーミスタでは、次の詩作用
が生ずる。

（イ）ダイヤモンド薄膜の熱伝導度が大きく、しかも感
温部（６ａ）　（６ｂ）を−様な薄膜ではなく、第１図
および第３図にみられるような特定のパターンをもつ半
導体ダイヤモンド薄膜（３ａ）（３ｂ）で形成している
ので、温度の均一化が速く、応答速度が速くなる。

（ロ）電気絶縁性のダイヤモンド膜（２ａ）　（２ｂ）
上に同じくダイヤモンドの気相合成により半導体ダイヤ
モンド薄膜（３ａ）　（３ｂ）を積層しているので、ダ
イヤモンド薄膜（３ａ）　（３ｂ）の粒界密度が低く、
結晶性がよい。その結果、本発明サーミスタを高温環境
で使用する場合でも、ダイヤモンド薄膜特性に変化がな
い。

（ハ）電気絶縁性ダイヤモンド膜（２ａ）　（２ｂ）上
に半導体ダイヤモンド薄膜（３ａ）　（３ｂ）を積層し
たことにより基板（１）とは完全に電気絶縁できる。

従って基板（１）の材質は、アルミナ等の電気絶縁体に
限らず、１０００Ω口程度の電気伝導性のあるシリコン
や金属を用いることもできる。

（ニ）本発明では、ダイヤモンドの気相合成は、常法に
従いメタンを約１％に水素で希釈した原料ガスを用い、
高周波、マイクロ波、熱フィラメント、直流バイアス法
等で分解、プラズマ化して実施することができる。原料
ガスとしては、メタンの他、−酸化炭素、アルコール、
メタン−酸素−水素の混合ガスなどを用いても実施でき
、基板をプラズマ中に置くか、接触させることにより基
板上に自然にダイヤモンドが成長する。

この原料ガス中に、数ｐｐｍ以下のジポランＢ！Ｈ，を
添加すると、ダイヤモンド薄膜中にボロンＢがドーピン
グされ、ｐ型の半導体ダイヤモンド薄膜が合成され、ま
たシランＳｉｇｎを添加するとシリコンＳｉがドーピン
グされ、ｎ型の半導体ダイヤモンド薄膜が合成される。

このＢ、ＳＬのドーピング量を変化させることにより、
半導体ダイヤモンド薄膜の電気伝導度、温度特性等を変
化させて、サーミスタとしての特性を精密に変化させる
ことができる。

第５図は変化させたドーピングガス濃度をパラメータと
する横軸の温度Ｔ（’Ｃ）または１０００／Ｔ（Ｋ−’
）と縦軸の抵抗（Ω）との関係の１例を示したものであ
る。

このように原料ガス中へのドーピングガス添加量を変化
させるだけで本発明ダイヤモンド薄膜サーミスタの特性
を決定できるので、製品のばらつきが少なく、歩留りが
高くなる。

（ホ）ダイヤモンドは耐熱性、耐放射線性、耐化学薬品
性等の耐環境安定性が高い。従って本発明のダイヤモン
ド薄膜サーミスタの特性の経時変化はきわめて小さい。

（へ）本発明では、ダイヤモンド薄膜の選択成長技術を
用いることにより１つの寸法の太きい基板上に最小で数
μｍ幅のダイヤモンド薄膜のパターンを複数個同時に形
成できる。こうして、第１図および第３図に示すような
パターンを持つ数ｍｍ”以下のマイクロサーミスタを製
作できる。

このようなマイクロサーミスタは熱容量が小さいので、
環境温度の変化に対し応答速度が速い。

またパターン幅、半導体ダイヤモンド薄膜の膜厚、ドー
ピング量を変化させることにより、所望の電気抵抗、温
度特性をもつサーミスタを製作できる。

（ト）またリソグラフィ技術を用いると、基板上に複数
個のマイクロサーミスタを同時に製作できるので、特性
にばらつきのないサーミスタの量産が可能となる。

（実施例）実施例１．（第１および２図態様の実施例）０．５閣厚
の径３インチ・シリコンウェハ（１）に電気絶縁性のダ
イヤモンド膜（２ａ）を１０μｍの膜厚で均一に気相合
成した。気相合成にはマイクロ波ＣＶＤ　（化学気相蒸
着）法を用いた。ついで選択成長技術を用いて、第１図
に示すパターンをもつ、Ｂをドーピングしたｐ型半導体
ダイヤモンド薄膜（３ａ）を２μｍ積層した。その原料
ガス中のジボラン濃度は０．０５　ｐｐ−とした。

各個のサーミスタ・ユニットは第６図（ロ）に示すよう
に第６図（イ）の基板（１）上に２０個形成した。さら
に電極（４）として、微細加工技術を用いてチタン薄膜
、金薄膜を形成し、ダイシング・ソーで第６図（ハ）に
示すサーミスタ・ユニットを切離した。切り離したサー
ミスタ１ユニツトを保持具に取り付け、金線リード線（
５）をワイヤボンディングし、第２図に示す層構造の本
発明のダイヤモンド薄膜サーミスタとした。

このサーミスタの電気抵抗の温度依存性は第５図の線（
Ｘ）に示すとおりである。このサーミスタの応答速度は
０．５秒であった。

実施例２゜実施例１と同様にして本発明のダイヤモンド薄膜サーミ
スタを製作した。すなわち、０．５　ｍｍ厚の３インチ
・シリコンウェハに電気絶縁性のダイヤモンド膜を１０
μｍの膜厚で均一に気相合成した。気相合成にはマイク
ロ波ＣＶＤ法を用いた０次いで選択成長技術を用いて、
第１図のパターンのＢをドーピングしたｐ型半導体ダイ
ヤモンド薄膜を２μｍ厚に積層した。実施例２ではジボ
ラン濃度は０．０５　ｐｐｍでなく　、０．１　ｐｐｍ
とした。

各個のサーミスタ・ユニットは１■×２１の周期で基板
上に２０個形成した。さらに電極として、微細加工技術
を用いてチタン薄膜、金薄膜の積層膜を形成し、ダイシ
ング・ソーでサーミスタのユニットを切り離した。切り
離したサーミスタ１ユニツトを保持具に取り付け、金線
をワイヤポンディングした。

この本発明サーミスタの電気抵抗の温度依存性は第５図
の線（Ｙ）に示すとおりである。このサーミスタの応答
速度は１．０秒であった。

実施例３゜実施例１のサーミスタ１ユニツトに、金線をワイヤポン
ディングしたのち、最後に耐酸化保護膜して窒化シリコ
ン膜を２μｍ厚でコーティングした。

実施例３０本発明サーミスタの電気抵抗の温度依存性は
第５図線（Ｘ）とほぼ同様であった。

このサーミスタの応答速度は３．０秒であった。

実施例４．（第３および４図態様の実施例）０　、５ｗ
ａ　ＦＪの径３インチ・シリコンウェハ（１）に選択成
長技術を用いて、１ｍｍＸ２ａｎの周期で、第３図に示
すパターンをもつ電気絶縁性のダイヤモンド膜（２ｂ）
を１０μｍの膜厚になるよう気相合成した。気相合成に
はマイクロ波ＣＶＤ法を用いた０次いでＢをドーピング
したｐ型半導体ダイヤモンド薄膜（３ｂ）を２μｍ積層
した。さらに微細加工技術を用いてチタン薄膜、金薄膜
の積層膜を電極（４）に形成し、ダイシング・ソーでサ
ーミスタのユニットを切り離した。最後に金線（５）を
ワイヤポンディングした。

この形態の本発明のダイヤモンド薄膜サーミスタの電気
抵抗の温度依存性は第５図の線（Ｘ）に示すのとほぼ同
様であった。このサーミスタの応答速度は０．８秒であ
った。

（発明の効果）以上のように、本発明のダイヤモンド薄膜サーミスタに
よると、環境温度変化に対する応答速度が速く、耐熱性
、耐放射線性、耐化学薬品性等の耐環境安定性が優れ、
サーミスタ特性が優れていて経時変化のないサーミスタ
を比較的安い費用で均等特性で量産することができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のダイヤモンド薄膜サーミスタの１態様
を模式的に示す平面図、第２図はその成層構造を模式的
に示す側面図、第３図は本発明の他の態様のサーミスタ
を模式的に示す平面図、第４図はその成層構造を模式的
に示す側面図、第５図は横軸に温度またはその逆数値を
とり縦軸に抵抗値をとって本発明実施例のダイヤモンド
薄膜サーミスタの電気抵抗の温度依存性を示す図、第６
図（イ）は本発明実施例における基板を示す斜視図、第
６図（ロ）はその上に複数個形成されたサーミスタユニ
ットの斜視図、第６図（ハ）は切り離したそのサーミス
タｌユニットの斜視図、第７図は従来技術の抵抗体膜サ
ーミスタを示す斜視図、第８図は従来技術のＳｉＣ薄膜
サーミスタの１例を示す斜視図、第９図は従来技術のダ
イヤモンドサーミスタの１例を示す斜視図である。（１）・・・基板、（２ａ）　（２ｂ）・・・電気絶縁
性ダイヤモンド膜、（３ａ）　（３ｂ）・・・半導体ダ
イヤモンド薄膜、（４）・・・金属電極、（５）・・・
リード線、（６ａ）　（６ｂ）・・・感温部、（ａ）　
（ａｌ）　（ａ−）　＝基板、（ｂ）（ｂ＋）　−・・
抵抗体膜、（ｂ２）・・・ダイヤモンド薄膜、（ｃ）　
（ｃ、）　（ｃ−）・・・金属電極、（ｄ）（ｄｌ）・
・・リード線、（ｅ、）（ｅ２）・・・保護膜、（Ｘ）
　（Ｙ）・・・特性線。温度Ｔ　（”Ｃ）１．０１．５２．０２．５３．０３．５４．０１０００／Ｔ　（Ｋ−’）第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に気相合成法により電気絶縁性のダイヤモ
ンド膜を層状に形成し、さらにその上に気相合成法によ
り半導体ダイヤモンド薄膜を積層して感温部を形成し、
これに金属薄膜電極を取り付けて構成したことを特徴と
するダイヤモンド薄膜サーミスタ。
（２）前記感温部が半導体ダイヤモンド薄膜の選択成長
により幅１ｍｍ以下のパターンをもって構成されている
マイクロ形の請求項第１に記載のダイヤモンド薄膜サー
ミスタ。
（３）基板上にリソグラフィ技術を用いて半導体ダイヤ
モンド薄膜の感温部を複数個同時に形成することにより
同一品質の再現性のよい特性とした請求項第１に記載の
ダイヤモンド薄膜サーミスタ。