JPH03274708A - 感温装置 - 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〕 本発明は、極低温及び低温領域の温度計測に用いるサー
ミスタ型の感温装置に関する。

〔従来の技術〕

極低温あるいは低温領域における温度の計測には、半導
体や金属の抵抗値変化を利用した測温抵抗体が用いられ
ている。この測温抵抗体は、小型で使用法が簡便な上、
特にゲルマニウム温度計は温度検出感度（以下、検出感
度あるいは検出電圧ともいう）が大きいという特徴を有
しているが。

検出感度が測定温度に大きく依存し、また個々の特性の
バラツキが大きく実用上、個々の校正を必要としており
、したがって、高価格になるという課題があった。

また、磁界により抵抗値が変化するという課題があった
。

以上に述べた課題は、高濃度ドーピングによるキャリア
の縮退やホッピング伝導に起因するといわれており、温
度検出感度の温度依存性の小さいものや、磁界の影響の
少ないものはまだ開発されていない。シリコン半導体を
用いた場合でも同様である。

一方、磁界の影響を受けないものとしては、非晶質シリ
コンを用いたものや窒化ジルコニウム薄膜を用いたもの
が提案されている（「極低温用温度計（特開昭６２−２
６７６２９）　Ｊ及び「極低温下で磁場に感応しない温
度計用測温抵抗体（特開昭６３−２２４２０１）　Ｊ　
）。

しかし、いずれも検出感度が低かったり、また温度検出
感度の温度依存性が大きく、したがって測定温度範囲が
狭く、なおかつ非直線性を補正するための回路を必要と
していた。この他、磁界の影響を受けない極低温用測温
抵抗体としてはカーボン測温抵抗体があるが、しかし圧
力や熱サイクルの影響を受は易く、これをなくすためカ
プセルに封入する必要があり、しただって、形状が大き
く、測定誤差が生し易い上に高速応答性に欠けていた。

以上の他に、高速応答性や高感度化をねらいとしたゲル
マニウム蒸着膜素子が提案されているが蒸着時の条件等
により特性のバラツキが大きいことと、磁界での使用が
可能か否かについて明らかにされていない（「極低温領
域測定用ゲルマニウム蒸着膜素子（特開昭５７−５３１
０）Ｊ。

次に測温抵抗体を用いて低温あるいは極低温を計測する
上では、測温抵抗体のみが低温あるいは極低温にさらさ
れ、基準用抵抗体は室温におかれる例が多い、このよう
な場合には、配線上に生しるノイズや配線の温度差に起
因する熱起電力が生じ易く、測定精度の劣化につながっ
ていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

したがって、下記の条件を満足する感温装置であり、極
低温及び低温領域で使用できる抵抗値変化型の感温装置
を実現することが本発明の課題である。

（１）　　検出感度が大きく、かつ、温度依存性の小さ
いこと。

（２）磁界の影響を受けないこと。

（３）高速応答性であること。

（４）検出感度の領域が広いこと。

（５）小型化・薄膜化が容易であること。

（６）測温抵抗体及び基準抵抗体を、集積化できること
。

〔課題を解決するための手段〕

以上の点に鑑み、本発明では同一出願人による「感温装
置（特開昭５８−１７０００１）　Ｊを基本とし、その
後の研究によりプラズマＣＶＤ法や光ＣＶＤ法等を用い
て絶縁性基板上に堆積したアモルファスゲルマニウム薄
膜の伝導特性が微結晶化度すなわち、Ｘ線回折法あるい
はレーザラマン分光法を用いて計量したアモルファス中
に含まれる微結晶相中の占有率により異なる実験事実が
得られたことに着目する。

このプラズマＣＶＤ法等を用いて堆積したアモルファス
ゲルマニウム薄膜を測温抵抗体の検出部に用いることに
より、検出感度が大きく、磁界の影響を受けず、高速応
答性を有し、小型化・集積化ができる感温装置を実現す
る。

また、今回、新たに窒化タンタル膜（以下、窒化タンタ
ル薄膜、窒化タンタル薄膜抵抗体又は薄膜抵抗体ともい
う）が極低温領域においても極めて抵抗率の変化が小さ
いことを発見したので、集積化感温装置における基準抵
抗体として用いることができることに着目する。

〔作用］ 第４図は、ＧｅＨａとＨ２の混合ガスを用いプラズマＣ
ＶＤ法によりガラス基板上に微結晶化度を変化させて堆
積したｎ形アモルファスゲルマニウム薄膜の抵抗率と温
度との関係（温度特性）についての−例を示す。なお、
不純物としてはＰ（燐）を用いた。図中、横軸は絶対温
度（Ｔ）、縦軸はアモルファスゲルマニウムａｌｌＷの
抵抗率（σ／σ、。

、。。；σ７．３°。は３００Ｋにおける抵抗率）を示
し、実線ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅは微結晶化度が９５％、
９０％、２５％、２０％及び１５％の特性を示す。また
、点線ｆは窒化タンタル膜の抵抗率と温度との関係を示
す。

微結晶化度の制御方法としては、同一発明者により開示
されている方法（「シリコン・ゲルマニウム混晶薄膜導
電体（特開昭６２−４７１７７）　Ｊと同様な手法を用
いた。

以上の実験結果より、微結晶化度を最適化させること、
すなわち２０％〜９０％の範囲に制御することにより、
温度検出感度が大きく、かつ、直線性に優れており、抵
抗変化型の感温材料として最適であることが確認された
。同様な効果はボロンを添加したＰ形層でも確認されて
いる。

また、窒化タンタル膜は、極低温領域においても、その
抵抗率は、図中点線ｆに示すようにほとんど変化しない
ことが確認された。

〔実施例〕

第１図及び第２図は本発明に係る感温装置の一実施例の
構成を示す図であり、第１図にその平面図を、第２図に
第１図の線Ｘ−Ｙにおける断面図を示す。

第１図及び第２図において、１は絶縁性基板、２は非晶
質半導体薄膜であるｎ形（ｐ形）アモルファスゲルマニ
ウム薄膜、３ａと３ｂは一対のオー稟ツク電極（単に電
極ともいう）、４ａと４ｂは一対のリード線を示す。

次に、本発明に係る感温装置の製造方法について述べる
。

絶縁性基板１の材料としては、耐熱性がある絶縁体や、
同様の性質を有する導体板あるいは半導体板の表面をＣ
ＶＤ法によるＳｉＯ□膜や５ｉｓＮａ膜で覆ったものが
望ましく、例えばガラス板、アルもす板、石英板、溶融
石英ガラス板、水晶板、ポリミイドフィルム、金属板や
半導体の表面を絶縁薄膜（例えば、ＣＶＤ法によるＳｉ
Ｏ□′ｇｉ膜や５ｉＪａｆ！膜）で覆ったもの等が用い
られる。特に、線膨脹率がアモルファスゲルマニウム薄
膜に近いガラス板やアルａす板が良い。これらによる基
板は、有機溶剤等で十分に洗浄した後、清浄な雰囲気中
で瞬時に乾燥させる。

次に、ＧｅＨ，又はＧｅＦａとｈの混合ガスを用い、プ
ラズマＣＶＤ法又は光ＣＶＤ法等を用いてアモルファス
ゲルマニウムＩｔｌｌｌ　（アモルファスゲルマニウム
薄膜抵抗体ともいう）２を堆積させる。この場合、アモ
ルファスゲルマニウム薄膜抵抗体の導電率が大きい程望
ましく、通常σ＝１Ｓ−ｃｍ−’以上のものが用いられ
る。

プラズマＣＶＤ法を用いた堆積条件の一例としては、放
電圧力０．１〜１０Ｔｏｒｒ、放電電流１〜１００ｍＡ
／ｃｍ”、放電電圧５００〜８００Ｖ、電極間隔２〜３
Ｃ１ｍ。

基板温度２５０〜４５０　’Ｃ、ＧｅＨｎ／　ｌｚ＝　
０．０１〜０．１゜ＢｚＨ６／　ＧｅＨａ＝　１０〜２
５００ｐｐｍ、　ＰＨ３／　Ｇｅｔｉｍ＝　１０〜２５
００ｐｐｍである。

これらの条件で堆積したアモルファスゲルマニウム薄膜
として、導電率σが２０　Ｓ　−Ｃｍ−’以上で最大１
０００５−　ＣＩ＋−’のものが容易に得られている。

アモルファスゲルマニウム薄膜の導電率を高める方法と
しては、放電電流を大きくする方法あるいはドーピング
ガスの割合を高くする方法等が一般的である。

微結晶化度の制御としては、堆積の放電パワー密度の制
御する方法が簡便であるが、その他、熱アニール法やレ
ーザアニール法を用いても行うことができる。

次に、真空蒸着法を用いて、電極用金属膜（例えば、Ｎ
ｉＣｒ　５００人／Ａｕ１Ｏ００人）を堆積させる。

さらに、フォトエツチング技術を用いて不要部を除去し
、電極対３ａ、　３ｂ及びアモルファスゲルマニウム薄
膜抵抗体２を形成する。

このアモルファスゲルマニウム薄膜抵抗体２の形状とし
てはアモルファスゲルマニウム薄膜の導電率、膜厚及び
出力インピーダンスを考慮して決められるが、アモルフ
ァスゲルマニウム薄膜の長さをＬ１幅をＷとすれば、通
常Ｌ　／　Ｗ　＝　１／１０−１０に設定される。

次に、絶縁性基板の表面に保護膜を堆積する。

保護膜としてはＣＶＤ法によル５ｉＯｚ膜、５ｉＪ４膜
及びポリ稟イド樹脂等を用いる。フォトエッチング技術
を用いて、電極バット部の保護膜を除去する。

最後に、電極３ａ、　３ｂに取り出し用リード線４ａ４
ｂを取り付けて完成する。

リード線としては、ビームリード方式又はＡｕ線やＡｕ
リボン線等をワイヤボンデングすることによって構成さ
れる。

以上に述べた製造方法では、半導体薄膜抵抗体及び電極
対の形式にフォトエツチング技術を用いたがメタルマス
クを用いた方法でも形式できる。

この場合は、アモルファス半導体薄膜を堆積する時、あ
るいは真空蒸着法を用いて電極金属薄を堆積する時に不
要部をメタルマスクでカバーする方法が用いられる。

第３図は、本発明に係る他の実施例の平面図を示す。図
において、１１は絶縁性基板、１２ａと１２ｂはホイー
トストーンブリッジの対向する辺を構成するように堆積
された一対のアモルファスゲルマニウム薄膜、　１３ａ
と１３ｂはホイートストーンブリッジの対向する辺を構
成するように堆積された一対の窒化タンタル薄膜抵抗体
１４ａ、　１４ｂ、　１４ｃ、　１４ｄは各アモルファ
スゲルマニウム薄膜１２ａ、１２ｂと各窒化タンタル薄
膜抵抗体１３ａ、　１３ｂとを接続するための対向する
２対のオーミックＮ極、１５ａ、　１５ｂ１５ｃ、　１
５ｄは各オーミンク電極に設けられたリード線をそれぞ
れ示す。

オーミック電極１４ａ、　１４ｂ間に定量圧Ｖｉｎを印
加すれば、該オーミック電極１４ｃ、　１４ｄ間の検出
電圧Ｖｏｕｔは、周囲温度によって変化し、次式で与え
ここで、Ａは形状等により決まる係数である。

例えば、入力電圧Ｖｉｎを２■とすれば、検出電圧Ｖｏ
ｕｔの変化率は〜３ｍＶ／’Ｃとなる。

第３図に示した本発明に係る感温装置は、第１図及び第
２図に示した本発明に係る感温装置の製造方法の段階に
おいて、絶縁性基板上にアモルファス半導体薄膜を堆積
させる工程の前又は後にスバンタ法等を用いて薄膜抵抗
体を堆積させる工程を加えることにより構成できる。

この場合、薄膜抵抗体のバターニングにはフォトエツチ
ング技術又はメタルマスク技術等が用いられる。

以上に述べた本発明の感温装置としては、１ｍｎ角以内
の超小型のものが形成でき、また絶縁性基板として熱伝
導率の大きなアルミナ等を用いて、応答速度１０ｍ５ｅ
ｃ以下のものを実現している。

また、数Ｔガウスの磁界内での抵抗率の変化は１％以下
であることを確認している。

〔発明の効果〕

この発明では、感温装置を構成する非晶質半導体薄膜と
して、微結晶化度が２０％〜９０％のアモルファスゲル
マニウム薄膜を、また集積化に用いる薄膜抵抗体として
温度係数変化が極めて小さい窒化タンタル薄膜を用いた
ので、 （１）　　検出感度が大きく、かつ、該検出感度の温度
依存性が小さい、したがって、補正回路が不用又は簡便
に構成できる装置を実現できた。

（２）磁界の影響を受けない装置を実現できた。

（３）　　形状が１ｍ角以下と小さいので小型化でき、
また、基板に熱伝導率のよいアルミナ基板を用いること
により応答速度ＩＱｍｓｅｃ以下の高速応答性の装置を
実現できた。

（４）検出温度範囲が１．４に〜３００にと広い範囲の
装置を実現できた。

（５）　　測定抵抗体と温度係数の小さな窒化タンタル
薄膜を集積化・小型化することにより配線ノイズをなく
した高精度の装置を構成できた。

（６）　　半導体プロセスを用いることにより、再現性
がよく、また大量生産が可能なので安価な装置を実現で
きた。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係る感温装置の一実施例を
示す図であり、第１図はその平面図、第２図は第１図の
線Ｘ−Ｙにおける断面図を示す。 第３図は本発明に係る感温装置の他の一実施例を、第４
図はｎ形アモルファスゲルマニウム薄膜及び窒化タンタ
ル薄膜の抵抗率と温度との関係を示す。 図において、１．１１は絶縁性基板、２．１２ａ、１２
ｂは非晶質半導体薄膜、 １３ａ。 １３ｂは薄膜抵抗体、 ３ａ＋ ｂ １４ａ、　１４ｂ、　１４ｃ、　１４ｄはオーク電極、 ａ ４ｂ、１５ １５ｂ、　１５ｃ、　１５ｄはリード線をそれぞれ示す
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性基板（１）と、該絶縁性基板上に堆積され
   た非晶質半導体薄膜（２）と、該非晶質半導体薄膜にそ
   れぞれ接触し，所定の距離を隔てて設けた一対のオーミ
   ック電極（３ａ，３ｂ）とを備えた感温装置において、 前記非晶質半導体薄膜（２）は微結晶化度２０％〜９０
   ％の微結晶相を含みかつ導電率が１Ｓ・ｃｍ＾−＾１以
   上であるアモルファスゲルマニウム半導体薄膜であるこ
   とを特徴とする感温装置。
2. （２）絶縁性基板（１１）と、該絶縁性基板上にそれぞ
   れホイートストーンブリッジの対向する辺を構成するよ
   うに堆積された一対の非晶質半導体薄膜（１２ａ，１２
   ｂ）及び一対の薄膜抵抗体（１３ａ，１３ｂ）と、該非
   晶質半導体薄膜と該薄膜抵抗体とを接続する対向する二
   対のオーミック電極（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ
   ）とを備えた感温装置において、 前記非晶質半導体薄膜（１２ａ，１２ｂ）は微結晶化度
   ２０％〜９０％の微結晶相を含みかつ導電率が１Ｓ・ｃ
   ｍ＾−＾１以上であるアモルファスゲルマニウム半導体
   薄膜であり、前記蒲膜抵抗体（１３Ａ，１３Ｂ）が窒化
   タンタル膜であることを特徴とする感温装置。