JPH03204981A - 感温センサ - Google Patents

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〕 この発明は感温センサに関する。

〔従来の技術〕

温度あるいは温度変化の感知のためのセンサには様々な
タイプのものがある。中でも、抵抗式感温センサ、熱電
対式感温センサ、熱電堆（サーモパイル）式感温センサ
等は、感温信号を電気信号のかたちで取り出せるために
使い易く、広く実用に供されている。これらは、通常、
バルク状感温体（例えば、金属細線）が保護管、金属シ
ース内に納められた構成になっている。抵抗式感温セン
サには、感温体が円筒状ないし円板状の半導体粉末焼結
体型サーミスタであるものもある。

しかしながら、従来の感温センサは、比較的大型である
ためセンサ自体の熱容量が大きく熱応答性が十分でない
。感温部が被検体に直に接しないタイプの感温センサは
、熱応答性が特に不十分である。金属細線が被検体に直
に接触するタイプの感温センサは、熱応答性の方は比較
的ましであるが、感温体である金属細線の断線や特性劣
化が起こり易くて信頼性が十分とは言えない。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで、熱応答性が改善されたものとして、第１０図に
示すような感温センサが提案されているこの感温センサ
は、基板４１表面に感温薄膜体４３が形成されている。

基板４１においては、裏側に空間Ｓ′のある感温薄膜体
形成部分は厚みの薄い部分Ａ′であり、同厚みの薄い部
分Ａ′表面に感温薄膜体４３が形成されているのである
。空間Ｓ′は基板１裏面側から掘り込んで形成したもの
であって、これによりダイアフラム状の厚みの薄い部分
Ａ′が局部的に設けられることとなる。

一方、この基板４１はさらに基台４２へ搭載されている
。基台４２は、基板４１の支持や、基板４１と外部回路
との間の電気的接続の中継、あるいは、ヒートシンク（
吸熱体）の内の一つないし複数の目的で設けられるもの
である。

また、基板４１としては、半導体層４１ｂに絶縁膜（絶
縁層）４１ａが積層されたものが用いられており、絶縁
膜４１ａの一部が厚みの薄い部分Ａ′になっている。感
温薄膜体４３としては、感温抵抗体や熱電対あるいは熱
電堆等であって薄膜素子構成のものが例示される。感温
薄膜体４３の上にさらに絶縁性の保護膜が形成されてい
る場合もある。

この感温センサは、感温体に薄膜構成のものを用いるた
め超小型化できる上、感温部が基板４１の厚みの薄い部
分Ａ′と感温薄膜体４３で事実上成り立っていて、感温
部全体としての厚みが極く薄くて熱容量が非常に小さい
ので、熱応答性が著しく改善される。

しかしながら、この感温セン号は測定精度が十分でない
。これは、上記感温センサでは、空間Ｓ′が基台４１で
塞がれて密閉状態にあることに原因している。空間Ｓ′
が密閉状態にあると、温度変化に伴い空間内の空気体積
が変化し、体積の増減に応じて厚みの薄い部分Ａ′が押
し上げられたり、押し下げられたりして変形状態になる
。そうなると感温薄膜体４３が歪んで出力変動やノイズ
が発生し測定精度が低下してしまう。著しい場合には薄
膜体が破損したりして測定不能という事態も生じる。

それに、密閉空間Ｓ′内の空気の温度は環境温度の変化
に直ちに追随して変化しない。この密閉空間Ｓ′内の温
度変化の遅延は、感温部の温度変化の遅延の原因となり
、感温部の熱応答速度を鈍らせる。

さらに、この感温センサは製造し難いという問題もある
。

Ｗｉ膜感温体４３の形成位置と掘り込み４１ｃの位置が
良く一致していなければならないが、基板４１が超小型
化するに伴い一致させることが難しくなってくるのであ
る。薄膜感温体４３および掘り込み４１Ｃの形成工程で
は、半導体製造プロセスにおけるフォトリソグラフィ技
術が使われる。

それぞれの工程では、いずれもマスクを基板に設けるが
、一方の工程のマスクは他方の工程でのマスクに対し所
定の位置関係になっていなければならない。感温８Ｆ膜
体４３用のマスクは基板表面に、掘り込み４１ｃ用のマ
スクは基板の裏面に設けることとなるため、所定の位置
関係に合わせることは至難である。それに、両面マスク
アライナ等の特殊な装置も必要である。

この発明は、上記事情に鑑み、熱応答速度に優れ、しか
も、測定精度のよい感温センサを提供することを第１の
課題とし、加えて、製造し易い感温センサを提供するこ
とを第２の課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の課題を解決するため、請求項１〜３記載の感
温センサは、基板表面に感温薄膜体が形成され、基板の
同感温薄膜体形成部分の裏側が空間になっていて、この
空間が基板の表面側に通じているという構成をとってい
る。

基板には、例えば、請求項２記載の感温セン号のように
、半導体層に絶縁層が積層されてなり、基板の感温Ｎ膜
体形成部分が絶縁層のみからなるものが用いられる。

さらに、上記第２の課題を解決するため、請求項３記載
の感温センサは、加えて、空間が基板表面側から掘り込
み形成されたものとなっている。

続いて、この発明の感温センサの構成を、図面を参照し
ながら具体的に説明する。

感温センサは、第１図（ａ）にみるように、基板１表面
に感温薄膜体２が形成されている。そして、基板１の同
感温薄膜体形成部分は裏側に空間Ｓがあって厚みの薄い
部分Ａとなっている。基板１自体は、半導体層１ｂの上
に絶縁層１ｑが積層された構成であって、絶縁層１ａの
一部が厚みの薄い部分Ａとなっている。この基板１は基
台（実装基板）２に搭載されている。基台２は、基板１
支持や、基板ｌと外部回路との間の電気的接続の中継、
あるいは、ヒートシンク（吸熱体）の内の一つないし複
数の目的で設けられるものである。また、感温薄膜体２
としては、感温抵抗体や熱電対あるいは熱電堆等であっ
て薄膜素子構成のものが例示されるが、これに限らない
。

厚みの薄い部分Ａは、平面でみると、第１図（′ｂ）に
示すように、長方形状をしており、短辺側では他の絶縁
層部分に連続しているが、長辺側では空隙５で途切れて
いて連続していない。この空隙５からは空間Ｓが覗いて
いる。つまり、厚みの薄い部分Ａが空間Ｓ上に橋渡しさ
れた両持梁となっている一方、空間Ｓが基板１０表面側
に通じ非密閉状態にあるのである。なお、厚みの薄い部
分Ａは両持梁でなく、短辺の一方も空隙により途切れて
いる片持梁であってもよい。

このような両持梁や片持梁状の厚みの薄い部分Ａを作る
には、空間Ｓを形成する必要があるわけであるが、それ
には、異方性エツチング特性（表面に垂直な方向にはエ
ツチングがよく進むが表面と水平の方向にはエツチング
が進みにくい特性）をもつ基板材料を使うとよい。具体
的には、結晶性をもつ材料、例えば、シリコン単結晶板
が例示される。

このシリコン単結晶板の異方性エツチング特性について
簡単に説明する。

シリコン単結晶板においては（１００）面や（工１０）
面に垂直な方向にはエツチングが進みやすいが、（１１
１）面に垂直な方向にはエツチングが進みにくいという
性質がみられる。そのため、はぼマスク窓の形状通りの
掘り込みを形成することができる。

具体的には、第４図（ａ）、山）にみるように、（１０
０）面を表面とするシリコン単結晶板２０の表面に窓２
２の明いたマスク２１を設け、異方性エツチングを施す
ようにする。マスク２１は窒化シリコン膜や酸化シリコ
ン膜などの絶縁膜からなる。この場合、窓２２の辺２２
ａが（１１１）面と（１００）面の交線と平行の向きな
らば、第５図（ａ）、（ｂｌにみるように、マスク２１
の下はエツチングされず、窓２２の形状通りの掘り込み
２３が形成される。

また、第６図（ａｌ、（ｂ）にみるように、（１１０）
面を表面とするシリコン単結晶板２５の表面に窓２７の
明いたマスク２６を設け、異方性エツチングを施すよう
にしてもよい。マスク２６も窒化シリコン膜や酸化シリ
コン膜などの絶縁膜からなる。この場合、窓２７の辺２
７ａが（１１１）面と（１１０）面の交線と平行の向き
ならば、第７図（ａ）〜（Ｃ）にみるように、マスク２
６の下はエツチングされず、窓２７の形状通りの掘り込
み２８が形成される。この場合、（１１１）面が（１１
０）面に対して垂直な（１１１）面であれば、第７図（
ｂ）に示すように表面から垂直に掘り込まれ、（１１１
）面が（１１０）面に対して３５．３°の入射角をもつ
（１１１）面であれば、第７図（Ｃ）にみるように、表
面から斜めに掘り込まれることになるなお、窓の辺が（
１１１）面と（１００）面の交線と平行の向きでなけれ
ば、マスク下へのサイドエツチングが進み、最終（１１
１）面で囲まれる掘り込みが形成される。したがって、
これを利用して、窓のうちに両持梁や片持梁パターン（
第４図（ａｌに一点鎖線により示すパターン部分Ｐ）が
張り出したマスク（酸化シリコン膜や窒化シリコン膜か
らなる）を用い、窓辺の方向を前記交線と平行の向きに
対し角度をもたせるようにすることで、両持梁や片持梁
パターンの裏面を基板表面側から掘り込み、空間Ｓを形
成することができる。

両持梁や片持梁パターン部分はそのまま絶縁層からなる
厚みの薄い部分となる。

勿論、両持梁や片持梁パターンのあるマスクの窓辺の方
向を前記交線と平行となるようにしてもよい。例えば、
（１００）面を表面とするシリコン単結晶板を用いた場
合、第８図（ａ）、（ｂｌにみるような片持梁状の厚み
の薄い部分ａが空間Ｓに張り出した構造を作ることがで
きる。シリコン単結晶層２０′表面のマスク（酸化シリ
コン膜や窒化シリコン膜からなる）２１′に片持梁状パ
ターン部分ａを設けておいて、異方性エツチングを施す
のであるが、マスク２１′の片持梁状パターン部分ａは
そのまま厚みの薄い部分Ａとして用いることができる。

また、（１１０）面を表面とするシリコン単結晶板を用
いた場合、第９図（ａ）、Ｃｂ）にみるような両持梁状
の厚み薄い部分ａが空間Ｓに渡された構造を作ることが
できる。後者の場合についてもう少し説明する。

第９図（ａ）にみるように、両持梁パターン部分ａ′が
（１１１）面と（１１０）面の交線に平行な辺から突き
出し対辺に達する場合、両持梁パターン部分ａ′裏面が
基板表面から掘り込まれ空間Ｓが形成される。シリコン
単結晶層２５′表面のマスク（酸化シリコン膜や窒化シ
リコン膜からなる）２６′に両持梁状パターン部分ａを
設けておいて、異方性エツチングを施すのであるが、マ
スク２６′の両持梁状パターン部分ａ′はそのまま厚み
の薄い部分Ａとして用いることができる。この場合、突
き出す辺に対応する（１１１）面が（１１０）面に対し
て垂直な（１１１）面であるか、３５．３°の入射角の
（１１１）面であるかによって、掘り込みの側壁形状が
異なる。前者の場合、第９ＦＩ！Ｊ（ａ）、山）に実線
で示すように垂直に掘り込まれ、後者の場合、−点鎖線
で示すように、表面に対して３５．３°の角度で斜めに
掘り込まれる。なお、両持梁とするのに、結晶面に起因
して、前者の場合、幅Ｗ／長さ１＜０．３５４、後者の
場合、幅Ｗ／長さｊ！＜０．７１という条件を満たす必
要がある。

エツチング液としては、エチレンジアミン、ピロカテコ
ール、水の混合液や、水酸化カリウム、水の混合液等を
通常用いる。これらの液は、酸化シリコン膜や窒化シリ
コン膜を殆どエツチングしないため、酸化シリコン膜や
窒化シリコン膜のマスクが使え、異方性エツチング処理
後そのままマスクを絶縁層１ａに使えるという利点があ
る。さらに、これらの液はホウ素が高濃度でドープされ
たシリコン単結晶部分に対してはエツチングレートが低
い。そのため、厳密な掘り込み深さのコントロールが必
要ならば、その深さのところにホウ素高濃度層（１０”
／ｃｄ以上）を形成しておけばよい。それほど厳密であ
る必要がなければ、エツチング時間の調節による深さの
制御で事足りる。

この発明のセンサは、温度感知器として使われるが、湿
度感知器や風速感知器等に組み込まれて使われる場合も
ある。

〔作　　　用〕

この発明にかかる感温センサは、熱応答性が非常によい
。これは、感温Ｗｌ膜体を用いているために超小型化で
きるのに加えて、第１図（ａｌにみるように、基板１の
厚みの薄い部分Ａと感温薄膜体２で感温部が成り立って
いて、感温部全体としての厚みが極く薄（て、感温部の
熱容量が極めて小さいからである。感温部が雰囲気温度
の変化に素早く追随して温度変化するようになる。

そして、感温薄膜形成部分の裏の空間は表面に通じてい
て非密閉状態であるため、温度変化により生ずる空間内
空気の体積の増減分は直ちに補充・排出されるので、感
温薄膜形成部分が変形せず測定精度がよ（なる。また、
空間内空気の循環が可能であるから、雰囲気温度変化に
対する空間内空気の温度変化追随性がよくなるため、そ
の分、測定精度や熱応答性が向上する。

感温薄膜体形成部分が両持梁や片持梁であると、感温部
からの熱が基板の厚みのある部分に逃げにく（、−層、
雰囲気温度の変化に敏感に応答し素早く追随して温度変
化するようになる。

また、空間を作る掘り込みを基板表面側から行う場合に
は、掘り込み形成の際のマスクを感温薄膜体用のマスク
と同じ側に形成するから、マスク相互の位置合せが正確
かつ容易に行え、製造し易くなる。

（実　施　例〕 続いて、この発明の感温センサの一実施例を製造の様子
を含めて説明する。

第２図（ａ）、（′ｂ）は、この発明の感温センサの−
実路側の要部構成をあられし、第３図（ａ）〜（ｊ）は
、この感温センサを製造するときの様子を順を追ってあ
られす。

第３図（ａｔにみるように、厚み４００ｍで表面が（１
１０）面であるＮ形シリコン単結晶ウェハ（半導体層）
１′の両面にＬＰＣＶＤ法を用いて厚み１０００人の窒
化シリコン膜１１．１１′を形成した後、第３図（ｂ）
にみるように、感温薄膜体形成側の窒化シリコンＩｌｌ
！１１のみにＰＣＶＤ法を用いて厚み６０００人の窒化
シリコン膜１２を積層する。ついで、第３図（Ｃ１にみ
るように、窒化シリコン膜１２の表面にスパッタリング
法を用いて厚み２０００人の白金膜１３を積層する。

続いて、第３図（ｄ）にみるように、白金膜１３の上に
フォトリソグラフィ技術を用いて所定パターンのレジス
トマスク１４を施しておいてから、第３図（ｅ）にみる
ように、イオンミリング法を用いて白金膜１３の不要部
分を選択的に除去してパターンニングし感温薄膜体（薄
膜抵抗体）２を形成する。

感温薄膜体２を形成した後、第３図（ｆ）にみるように
、レジストマスク１４を除去し、厚み５０００人の窒化
シリコン膜からなる保護絶縁膜１５を、ＰＣＶＤ法を用
いて積層する。ついで、第３図（幻にみるように、百び
、レジストマスク１６を積層形成し、プラズマエツチン
グ法を用いて、窒化シリコン膜１１．１２．１５に対し
て窓明けを行った後、レジストマスク１６を除去する。

窒化シリコン膜に明けた窓は、シリコン単結晶ウェハｌ
′を表面側から掘り込み感温ｆｉｌ１体２形体部形成部
分に空間を作るためのものである。窓の辺が（１１１）
面と（１００）面の交線を平行もしくは直角となるよう
にレジストマスク１６のパターンをアライメントしてお
り、この場合、（１１１）面として（１１０）面と垂直
に交わる（１１１）面を選んでいる。

つぎに、ＫＯＨ４０ｗｔ％、Ｈｚ　Ｏ６０ｗｔ％、温度
８０℃のエツチング液を用いて、異方性エツチング処理
を施す。エツチング処理時間１時間４０分で、第３図（
ｈ）にみるように、２００ｎの深さの空間Ｓおよび両持
梁の厚みの薄い部分Ａが形成される。

空間Ｓを形成した後、フォトリソグラフィ技術およびプ
ラズマエツチング法を用いて、第３図（１）にみるよう
に、引出用端子部２ａ上の保護絶縁層１５を選択的に除
去し窓１８を形成する。その後、第３図０１にみるよう
に、基板１を基台３に取り付けたり、リード線１９をボ
ンディングすれば、第２図（ａｌ、（ｂ）にみるように
、感温センサの完成である。完成した感温センサでは、
空間Ｓは空隙５を介して基板表面側に通じていることは
いうまでもない。

この発明の感温センサは、上記実施例に限らない。例え
ば、掘り込みが基板裏面が抜けるまでなされていてもよ
い。

また、基板における厚みの厚い部分の絶縁層上にもう一
つ感温薄膜体が形成され、急激な温度変化の感知ができ
るようになっていてもよい。この場合にはヒートシンク
が必要となる。さらに、基板１上に感温薄膜体の信号処
理回路が設けられていてもよい。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、請求項１〜３記載の感温センサは
、感温部の熱容量が非常に小さいため、熱応答性が優れ
ており、しかも、感温ｉｉｗ体形成部分の空間が基板表
面に通じているため、測定精度が高くなっている。

請求項３記載の感温センサでは、空間が基板表面側から
の掘り込み形成であるため、製造が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ、（ｂ）は、この発明の感温センサの一実
施例の要部をあられす図であって、図（ａｌは概略断面
図、図（ｂ）は部分平面図である。第２図（ａ）、（ｂ
）は、この発明の感温センサの他の例の要部をあられす
図であって、図（ａ）は概略断面図、図争）は保護絶縁
膜を除いた状態での平面図である。第３図（ａ）〜Ｕ）
は、この他の例の感温センサを製造するときの様子を説
明する概略断面図、第４図（ａ）、（ｂｌ、第５図（ａ
）、（ト））は、シリコン単結晶板の異方性エツチング
特性を説明するための図であって、第４図（ａｌと第５
図（ａ）は平面図、第４図（ｂ）と第５図（′ｂ）は断
面図である。第６図（ａｌ、（ｂ）、第７図（ａ）　〜
（Ｃ１は、シリコン単結晶板の異方性エツチング特性を
説明するための図であって、第６図（ａｌと第７図（ａ
）は平面図、第６図（ｂ）と第７図（ｂ）、（Ｃ）は断
面図である。第８図（ａ）、（ｂｌおよび第９図（ａ）
、（ｂ）は、それぞれ、基板に片持梁状や両持梁状の厚
みの薄い部分を設けるときの様子を説明する図であって
、第８図（ａｌと第９図（ａｌは平面図、第８図（ｂｌ
と第９図（ｂ）は断面図である。第１０図は、従来の感
温センサの要部をあられす概略断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １基板表面に感温薄膜体が形成され、基板の同感温薄膜
   体形成部分の裏側が空間になっていて、この空間が基板
   の表面側に通じている感温センサ。 ２基板が半導体層に絶縁層が積層されてなる構成であっ
   て、基板の感温薄膜体形成部分が絶縁層のみからなる請
   求項１記載の感温センサ。 ３空間が基板表面側から掘り込み形成されている請求項
   １または２記載の感温センサ。