JPH02170401A - 薄膜サーミスタ - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、温度センサとして使用されるサーミスタの
うちのとくに薄膜サーミスタに関するものである。

［従来の技術］ サーミスタは、民生用、産業用、ＯＡ機器、自動車など
の広い範囲で使用されている。サーミスタは熱電対や測
温抵抗体と異なり、出力特性が非線形のため狭い範囲の
１１１１　ｍの場合は高感度で測定できるというと特徴
を有し、抵抗値が大きく変化量も大きいので、簡単な回
路で計測が可能である。

また製造方法も多量生産に向いており、素子の価格は他
のセンサと比較し安いため、大量に使用されている。

従来のサーミスタは、焼結体を加工したバルク型や焼結
粉を焼き固めたビーズ型が多く利用されていたが、最近
、スパッタ技術を応用した薄膜サーミスタも開発され使
用されている。いずれのタイプも、先にのべた出力特性
は同じである。

第２図（ａ）　、（ｂ）は従来の薄膜サーミスタの１チ
ップ分の模式構成図であり、第２図（ａ）はそのち平面
図、第２図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であ
る。

第２図（ａ）　、　（ｂ）において、１はチップ基板で
あり、２はチップ基板１上に形成された絶縁体膜である
。なお、チップ基板１は絶縁物であってもよく、その場
合は絶縁体膜を形成する必要はないが、一般に熱伝導性
がよい、すなわち測温時の熱応答“性のよい金属又は半
導体を用いる方が薄膜サーミスタの特長を生かせるので
都合がよい。絶縁体膜２の上にほぼ同一形状の、例えば
櫛形状のパターンを櫛の部分を向かい合わせるようにし
て構成して一対の金属からなる電極パターン３ａ、３ｂ
を形成し、この上に電極パターン３ａ、３ｂの各パター
ン部分（櫛状部）を覆うようにサーミスタ薄膜５をスパ
ッタなどのＰＶＤ法等により均一に堆積して、薄膜サー
ミスタを形成している。そして電極パターン３ａ、３ｂ
の露出部分４ａ、４ｂから図示しない電極リードを接続
して配線を行い、薄膜サーミスタの基本部分が形成され
る。

以上の構成において、一対の電極パターン３ａ。

３ｂの間のサーミスタ抵抗の温度特性を利用して、通常
のサーミスタと同様に広く温度センサとして用いられて
いる。とくに薄膜サーミスタは、一般のサーミスタのニ
ーズとして最近高まってきた応答性及び表面実装性の向
上に対応するものとして開発されてきたものである。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の薄膜サーミスタでは、通常のサーミ
スタと同様に感度は大きいが特性が非線形のため、広い
温度範囲の測定には適していない。

最も狭い範囲の測定器の例として電子体温計がある。温
度範囲は３５〜４２℃で十分である。薄膜サーミスタの
Ｂ定数が４０００にのとき、変化率は約５％／℃程度と
極めて大きい。しかし、この薄膜サーミスタを用いると
、たとえば０〜１００℃の測温をする場合、抵抗値は０
℃の抵抗に対し１００℃では約１／６０と小さく、また
２００℃では１７８００と著しく小さくなる。従って、
薄膜サーミスタを使用する場合の温度範囲は、回路にも
よるがおよそ１００℃が限度と言われている。

回路系を工夫することも一つの方法であるが、抵抗値の
変化範囲が大きいため、安価な回路で実現することは困
難と言われている。そこで次の手段として２個の抵抗値
の異なる薄膜サーミスタを対にして用い、電子回路の方
で自動的にレンジ変更を行って測温範囲を拡大する方法
が考えられる。

このような方法を採用するときに、従来の薄膜サーミス
タをそのまま使用したのでは、良い結果を得ることは期
待できない。すなわち、別々に作った薄膜サーミスタで
は、特性を合わせる事が困難、一対のサーミスタに組み
立てることが困難、仮に組み立てても小形化は困難、安
価な薄膜サーミスタの製造は困難等の問題が多数残され
ている。

この発明は上記のような課題を解決するためになされた
もので抵抗比の異なる複数個の薄膜サーミスタを同一プ
ロセスによって作成し、１チツプによってワイドレンジ
の測温を精度よく行うことのできる複合形の薄膜サーミ
スタを提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る薄膜サーミスタは、チップ基板表面の絶
縁体膜上に形成した電極パターンと、この電極パターン
を覆うように堆積されたサーミスタ薄膜とからなる薄膜
サーミスタにおいて、抵抗値の異なる複数個のサーミス
タ膜素子を同一チップ上に形成したものである。そして
これら抵抗値の異なるサーミスタ膜素子は、各一対の電
解パターン間の間隔・長さ及び幅のうち１つ以上の要素
を変えることによって形成されるものである。

［作　用］ この発明においては、同一チップ内に抵抗値の異なる薄
膜サーミスタ素子が同一プロセスによって形成されるか
ら、得られる複数個のサーミスタの温度特性を揃えるこ
とができる。このためこれらの複数個のサーミスタを組
合せて使用することにより、同一チップ内に形成された
サーミスタのみによって所望する測温範囲が拡大される
とともに、組合せにより切替えたときの測温精度が維持
される。さらに、複数個のサーミスタの抵抗比は、電極
、とくにパターンの寸法を変えることにより任意の値に
精度よく設定できる。とくに、このパターンの寸法制御
はホトリソグラフィの技術を使用することにより、再現
性、精度ともに高度化される。

［実施例］ 第１図（ａ）　、　（ｂ）はこの発明の一実施例を示す
薄膜サーミスタの模式図による構造説明図であり、（ａ
）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ断面図である
。

第１図（ａ）　、　（ｂ）において、１１はシリコン（
Ｓｌ）ウェーハからなるチップ基板であり、１２はチッ
プ基板１１の上面全部を酸化して形成したＳ１０゜の絶
縁体膜である。絶縁体膜１２上に電極パターン１３ａを
備えた共通電極１４ａ、電極パターン１３ｂを備えた電
極１４ｂ、電極パターン１３ｃを備えた電極１４ｃをそ
れぞれ電極パターン１３ａと１３ｂ　、電極パターン１
３ａと１３ｃが対向するように、バターニングされたホ
トレジスト等によるマスク（図示せず）を用いて、スパ
ッタにより形成されたものである。

これらの電極及び電極パターンの材料はすべて同一の金
属、例えばＰｔ、　Ａｕ、　　Ａｌ　、　Ｃｒ等のうち
１つの金属が用いられ、第２図の従来例と同様に電極パ
ターンは櫛状に形成されるが、とくにはっきりとした櫛
形状に限る必要はない。

上記のように配設された例えば電極パターン１３ａ及び
１３ｂと、１３ａ及び１３ｃとが形成する領域上に、サ
ーミスタ材料が堆積されてそれぞれサーミスタ薄膜１５
ａ及び１５ｂが形成されている（形成方法については後
述する）。すなわち、この実施例の場合、サーミスタ薄
膜１５ａ及びサーミスタ薄膜１５ｂとが構成する異なる
抵抗値を有する２個の薄膜サーミスタが共通電極１４ａ
を中心に左・右側に形成される。

以上のように第１図（ａ）、（ｂ）の実施例では２個の
薄膜サーミスタを同一チップ基板上に形成したが、この
発明による薄膜サーミスタではＮ個の薄膜サーミスタを
構成するのに（Ｎ＋１）個の電極とＮ個のサーミスタ薄
膜を同一チップ上に直列に配置することで形成される。

第１図の実施例ではＮ−２の場合を示している。この場
合、測定には（Ｎ＋１）個の電極（例えば１４ａ、１４
ｂ、１４ｃ　）からリード線を引き出し、Ｎ個の薄膜サ
ーミスタの抵抗を電気的に個別に又は切替えて測定を行
うようにすることができる特徴を有するものである。な
お、２つの薄膜サーミスタの各抵抗は、電極を含む電極
パターン間の寸法、すなわちパターン間の間隔１幅、長
さを所定の寸法に設定し、かつ、サーミスタ薄膜の膜厚
を一定に形成することにより容品に得られる。

以下、具体的な数値例をもとに、このワイドレンジ用の
薄膜サーミスタの特性及び動作を第１図の実施例の場合
について説明する。

まず、サーミスタ薄膜１５ａにより形成される薄膜サー
ミスタの抵抗をＲ１とし、サーミスタ薄膜１５ｂによる
薄膜サーミスタの抵抗をＲ２としたとき、Ｒ（２５℃）
−５０にΩ、Ｒ２（２５℃）−１，４００ｋΩを形成し
て、Ｒ２とＲ１との抵抗比が２８倍のツインの薄膜サー
ミスタを得た。このようにして、Ｂ定数がＢ　２５〜１
ｏｏ−４２８５Ｋ　。

８２５〜２００　Ｋのサーミスタの抵抗表を表１に示す
。

表　　１ 従来法ではＲ１のみで測定するので、０〜７５℃の範囲
でも抵抗値は１７５から６．４６にΩと約１／３０にに
なる。同一の回路で０〜２００℃のΔＦＪ定をすると、
約１／８０（ｌの抵抗を精度良く測定する必要があり実
現が難しい。そこで７５〜２００℃の測定を抵抗Ｒ２で
行う。Ｒ２の抵抗値の変化範囲は１８０〜８．０２にΩ
で、Ｒ１の０〜７５℃の抵抗変化範囲とほぼ等しくなる
ように設計する。このように２つの抵抗を温度レンジに
よって切り替えながら測定すれば、同一の回路で広い範
囲の測定が可能となる。ここでは抵抗が２個の場合につ
いて説明したが、３個以上にすれば更に温度範囲を拡大
できることは明らかである。抵抗を自動的に切り替えを
ＤＩ定することは、最近の電子回路技術では容易なこと
なので、ここでは説明を省く。このようにして、この発
明によるワイドレンジ用の薄膜サーミスタを用いれば、
温度変換を含めてＩＣで処理ができる。

つぎに、第１図（ａ）　、　（ｂ）にもとづいて、この
発明による薄膜サーミスタの製造方法を説明する。

（イ）単結晶シリコンウェーハのチップ基板１１上に酸
化膜８１０□の絶縁体膜１２を形成し、絶縁体膜１２上
に図示しないレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技
術により電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃを含む電極パター
ン１３ａ、１３ｂ、１３ｅを形成する。各電極のパター
ンを構成する櫛間隔、櫛長さ、櫛数などは抵抗値及び抵
抗値の比を考慮して設定する。

（ロ）レジストのパターンをマスクとして、スパッタ法
により電極用の材料（Ｐｔ、　ＡＬＩ、　　ＡＮ　、　
Ｃｒその他のうちの１種）を成膜したのちレジストを除
去することにより、電極１４ａ、　１４ｂ、　１４ｃと
ともに電極パターン１３ａ、１３ｂ、１３ｃがそれぞれ
櫛形電極として形成される。

（ハ）ついで、再度図示しないレジストを塗布し、サー
ミスタのパターンをフォトリソグラフにより形成する。

（ニ）スパッタ法により、このレジストパターンをマス
クとしてＭｎ、　Ｎ１．　Ｃｏの酸化混合膜からなるサ
ーミスタ薄膜１５ａ、　１５ｂを成膜する。サーミスタ
のターゲット材料としてはＭｎ、Ｎｉ、Ｃｏなどの酸化
物の混合物のはかＳＩＣその他のサーミスタ材料を用い
てもよい。サーミスタ薄膜１５ａ、１５ｂ形成後、図示
しないが、保護膜として５ＩＯ２（ＳＩＮでもよい）を
スパッタし、成膜したのちレジストを剥離する。櫛形パ
ターン上に形成されたサーミスタパターンにより、共通
電極１４ａの左右に２個の薄膜サーミスタ１５ａ、　１
５ｂが形成される。

（ホ）以上でこのツイン形の薄膜サーミスタの基本構造
が製作されるが、サーミスタ膜の耐湿性が問題となる場
合は、サーミスタのパターンより少し大きめのパターン
でポリイミド膜などを塗布し、耐湿保護膜を形成するこ
とが効果的である。

（へ）シリコンウェーハをスクライブラインに沿ってダ
イシングし抵抗選別をすれば、所望のサーミスタチップ
を得ることができる。表１に示した２個のサーミスタの
例では、チップ寸法を４．５Ｘ１．６ｕ＋２程度と小さ
くできる。同一チップ上の薄膜サーミスタの膜厚は同じ
であり、抵抗選別はＲ又はＲ２を測定すれば良い。

最近のフォトリソグラフィ技術の精度制度は高いので、
電極寸法の変動は小さく、サーミスタの抵抗値変動とし
ては無視できる。

上記のような製造方法は以下に列記するような特長を有
している。

（１）シリコンウェハーを基板として用いる。薄膜サー
ミスタの基板としてアルミナなどのセラミック基板が用
いられる例もあるが、ＩＣ用のシリコンウェハーは次の
点で優れている。

・表面が平坦で抵抗値のばらつきが小さい。

・熱伝導率が大きく熱拡散率が小さいので、温度センサ
の基板として適している。

ＩＣのフォトリソグラフィ装置を利用でき量産ができる
。例えば四角いアルミナ基板はＩＣ製造装置にかからな
い。

（２）フォトリソグラフィの技術を利用しているので微
細加工の制度が高い。第１図に示すワイドレンジサーミ
スタをスクリーン印刷法で作ることは不可能ではないが
、精度、微細化、等の点で実用的でない。

（３）微細構造のため。Ｎ個の抵抗値の比率は一定であ
る。サーミスタが近接しているため膜厚を一定と見なせ
る。大形スパッタ装置では、膜厚分布を一定にすること
が課題である。ウェハー内では多少膜厚分布があっても
、比率が一定であれば歩留まりの低下を防ぐことができ
る。

（４）サーミスタの成膜をスパッタで行なっており、膜
質が均一である。チップ上のサーミスタは同時に成膜さ
れており、Ｂ定数などに原理的に差を生じない製法であ
る。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、同一チップ上に抵抗値
の異なる複数のサーミスタ素子を形成してワイドレンジ
用の薄膜サーミスタを構成したので、下記に列挙する効
果が得られる。

（１）サーミスタの測温範囲を高感度、高精度を維持し
たまま容易に拡大できる。サーミスタ用のディジタル式
温度計は既に広く使用されており、これらの回路にサン
プリング回路を付加する程度の改良で、この発明の薄膜
サーミスタを使用すれば、１１１　ｍ範囲が拡大できる
ので工業的な効果は極めて大きい。

（２）同一チップ上に抵抗値の異なる複数個の薄膜サー
ミスタを成膜するので、構造が簡単で小形化ができる。

とくに表面実装性において優れている。

（３）同時に、抵抗値の異なる複数個の薄膜サーミスタ
を同一チップ上に製造できるので、他の方法に比較し安
儲である。

（４）抵抗選別が簡単である。抵抗比は電極寸法で決ま
るので、チップ内の特定のサーミスタに着目して抵抗選
別すれば良い。

（５）校正が容易である。抵抗の比率が一定であり、Ｂ
定数も同じなので校正のやりやすい温度での一点校正で
も全測定範囲の調整が可能である。

以上のほか、温度センサは工業の範囲だけでなく民生機
器でも広く使用されている。特にサーミスタは安価で高
感度な測定ができるので、民生機器を中心に使用されて
きたが、測温範囲が狭いという欠点のため、使用上の限
界があった。この発明によりその課題が解消されたので
、今後は民生機器、工業機器の両分野での適用範囲拡大
が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例を示す薄膜サーミス
タの構造を説明する平面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ
）におけるＢ−Ｂ断面図、第２図（ａ）は従来の薄膜サ
ーミスタの構造を説明する平面図、第２図（ｂ）は第２
図（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。 第１図（ａ）　、　（ｂ）において１１はシリコンウェ
ハーからなるチップ基板、１２はシリコン酸化物の絶縁
体膜、１３ａ、　１３ｂ、　１３ｃは電極パターン、１
４ａ、１４ｂ。 １４ｃは電極、１５ａ、１５ｂはサーミスタ薄膜である
。 代理人　弁理士　佐々木　宗　治 第１図 第２図 （ｂ） （ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）チップ基板表面の絶縁体膜上に形成した電極パタ
   ーンと、この電極パターンの少なくともパターン部分を
   覆って堆積された薄膜状のサーミスタ膜素子とからなる
   薄膜サーミスタにおいて、抵抗値の異なる複数個の上記
   サーミスタ膜素子を同一チップ上に形成したことを特徴
   とする薄膜サーミスタ。
2. （２）上記抵抗値の異なる複数個のサーミスタ素子が各
   一対の上記電極パターン間の少なくとも間隔，幅，長さ
   のうちの１つ以上の要素を変えることにより抵抗比の異
   なるサーミスタを形成したことを特徴とする請求項１記
   載の薄膜サーミスタ。