JPH0663852B2 - 非接触型半導体温度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光吸収による温度上昇でセンサ部の電気抵抗
が変化することを利用して被測温体の温度を非接触で検
知する熱効果型の温度センサに関し、特に、宙吊状態の
センサ部を有する非接触型半導体温度センサに関するも
のである。

［従来の技術］ 被測温体の温度を非接触で測定する非接触型温度センサ
は、被測温体自身の温度に対応して熱輻射される光（赤
外線）を受光し、その光吸収による温度変化を抵抗変化
に変換して測温するもので、一般的に熱効果型赤外線温
度センサ（ポロメータ）と呼ばれている。そのセンサ部
の感度は温度増分に対する抵抗増分の比で与えられる
が、従来一般に、その比が大なる物質として例えば、F
e,Co,Ni,Mnなどの酸化物が用いられている。

従来、この種の非接触型温度センサとしては、第７図
（Ａ），（Ｂ）に示すように、基板１と赤外線フィルタ
2aを有する遮光キャップ２とからなる容器内において、
基板１に植立したピン1a,1b間に金属線3a,3bを以って横
架された長方形薄膜の測温用センサ体３と、基板１に植
立したピン1b,1c間に金属線4a,4bを以って横架された長
方形薄膜の温度補償用センサ体４とからなり、センサ体
3,4は共に前述したような物質で立体形単体に構成さ
れ、ピン1a,1b,1c間の空間において宙吊状態で配置され
ている。測温用センサ体３は赤外線フィルタ2aの真下に
位置しており、フィルタ2aを通過した入射赤外光線が直
接測温用センサ体３を照射することから、そのセンサ体
３は被測温体の温度変化に対応した抵抗値に変化する。
温度補償用センサ体４は測温用センサ体３の脇に位置
し、被測温体からの赤外線には晒されず、容器内の環境
温度のみに感応して抵抗変化する。したがって、測温用
センサ体３の温度補償用センサ体４に対する相対的な抵
抗値変化によって、環境温度を基準とする被測温体の温
度が測定されることになる。

ところで、温度補償用センサ体４は容器外に配置しても
よいが、赤外線を受光しない状態での測温用センサ体３
自体の温度に近ければ近いほど温度補償作用（環境温度
の正確性）が増すため、温度補償用センサ体４は容器内
で赤外線に晒されない範囲の温度補償用センサ体４の近
接位置に配置されている。また、測温用センサ体３及び
温度補償用センサ体４を宙吊状態とする理由は、容器内
の気体を断熱材とし、固体同士の接触による熱伝導を極
力防止して、一旦捕捉した赤外線による輻射熱を散逸さ
せないためである。更に、測温用センサ体３及び温度補
償用センサ体４を同一の物質で同一形状に構成する理由
は、その温度−抵抗特性を極力一致させ、測定精度を高
めるためである。

［解決すべき問題点］ しかしながら、上記従来の非接触型温度センサにあって
は、次の問題点がある。

測温用センサ体３及び温度補償用センサ体４は夫々別
体の構成部品として製造されるため、物質が同一であっ
ても、製品に形状の寸法精度や内部組織の均一さなどの
バラツキが不可避的に発生しているため、温度−抵抗特
性は必ずしも同一ではないので、必然的に器械誤差が無
視できず、測定精度が悪い。

非接触型温度センサの製造にあたり、測温用センサ体
３及び温度補償用センサ体４をロウ付けなどでピン1a,1
b,1c間に架設する配置接続作業を余儀無くされ、手間及
び時間がかかり、製品コスト高である。

［発明の目的］ 本発明は、上記問題点を解決するものであり、その目的
は、測温用センサ体と温度補償用センサ体の温度−抵抗
特性が相等しく、これに伴なう器械誤差をほぼ完全に解
消でき、しかも製品コストを低廉なものとしうる非接触
型温度センサを提供することにある。

［問題点の解決手段］ 上記目的を達成するため、本発明に係る非接触型半導体
温度センサの構成は、次の〜構成要件を有するもの
である。

半導体層上に形成された抵抗温度係数の大なる抵抗体
とこれを覆う光吸収率の大なる被覆膜とから構成された
測温用センサ部があること。

ここで「半導体」とは、例えば単結晶又は多結晶のシリ
コンを言う。「抵抗温度係数の大なる抵抗体」には、例
えばAu拡散体などが含まれる。「光吸収率の大なる被覆
膜」には、例えばAuブラック,Ptブラックなどの被覆膜
が含まれる。

該測温用センサ部に隣接する半導体層上において形成
された抵抗温度係数の大なる抵抗体とこれを覆う光吸収
率の小なる被覆膜とから構成された温度補償用センサ部
があること。

ここで「半導体」とは、例えば単結晶又は多結晶のシリ
コンを言う。「抵抗温度係数の大なる抵抗体」には、例
えばAu拡散体などが含まれる。また「光吸収率の小なる
被覆膜」には、Au,Ptなどの被覆膜が含まれる。

該測温用センサ部と該温度補償用センサ部とこれらを
囲む周辺半導体層との間に形成された非接触用間隙があ
ること。

ここで「半導体」とは、例えばシリコンを言う。前記測
温用センサ部及び前記温度補償用センサ部の各抵抗体の
厚さは、周辺半導体層のそれに比し薄い方が望ましい。
周辺半導体層の厚さは、母材である例えばシリコンウエ
ハ自体のそれに等しく、上記各抵抗体の厚さは例えばシ
リコンウエハ自体のそれ以下に設定される。

該非接触用間隙に架設され該測温用センサ部及び該温
度補償用センサ部を該周辺半導体層に対して宙吊状態で
支持するメタルブリッジがあること。

ここで「メタルブリッジ」は、例えばAu,Ptなどを以っ
て構成される。また「メタルブリッジ」は、例えば一対
のブリッジ部を有するものが望ましい。

［作用］ かかる構成によれば、被測温体から輻射された赤外線が
非接触型半導体温度センサに照射すると、測温用センサ
部の被覆膜は赤外線をよく吸収透過することから、その
下層の抵抗温度係数の大なる抵抗体がこれを受光し、そ
の光吸収による温度変化によって抵抗値が変化すると共
に、半導体製造技術に作成された隣接する温度補償用セ
ンサ部に対しても被測温体からの赤外線が照射するが、
光吸収率の小なる被覆膜の遮光効果によりその下層の抵
抗体膜はこれに感応しないことから、この抵抗体は測温
用センサ部の近接周囲空間の環境温度のみに感応して抵
抗変化することになる。宙吊状態の測温用センサ部の被
覆膜及び温度補償用センサ部の被覆膜は半導体製造技術
により作成されていることから、両者の温度−抵抗特性
はほぼ完全に等しく、器械誤差の殆どない高精度測定が
実現される。

［実施例］ 次に、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明す
る。

第１図は、本発明に係る非接触型半導体温度センサの一
実施例を示す拡大平面図である。

第２図は、第１図中II−II線で切断した状態を示す拡大
切断図である。

第３図は、第１図中III−III線で切断した状態を示す拡
大切断図である。

実施例の非接触型半導体温度センサ10は、シリコン基板
11、測温用センサ部12、温度補償用センサ部13、メタル
ブリッジ14,15,16及び非接触用間隙17から概略構成され
ている。

半導体としてのシリコン基板11は、シリコンウエハを区
画細断してなる四角形状のチップで、測温用センサ部12
及び温度補償用センサ部13を中央に画成する非接触用間
隙17を有する。測温用センサ部12及び温度補償用センサ
部13は、シリコン基板11上に左右対称で同一形状として
形成されている。

測温用センサ部12は、非接触用間隙17で分割され、四角
形状の単結晶又は多結晶の薄層シリコン基板上にAu拡散
によって形成された抵抗温度係数の極めて大なる抵抗体
12aと、これを被覆する絶縁膜12bと、この上に形成され
た光吸収率の大なるAuブラック,Ptブラックなどの被覆
膜12cと、これを被覆する保護膜12dと、から構成されて
いる。このAu拡散体の抵抗体12aはFe,Co,Ni,Mnなどの酸
化物に比し非常に抵抗温度係数が大きい。

また、温度補償用センサ部13は、非接触用間隙17で分割
され、四角形状の単結晶又は多結晶の薄層シリコン基板
上にAu拡散によって形成された抵抗温度係数の極めて大
なる抵抗体13aと、これを被覆する絶縁膜13bと、この上
に形成された光吸収率の小（反射率の大）なるAu,Ptな
どの被覆膜12cと、これを被覆する保護膜13dと、から構
成されている。

非接触用間隙17は、隣接する測温用センサ部12及び温度
補償用センサ部13とこれらを囲む周辺シリコン層11cと
を非接触で独立分離させており、測温用センサ部12及び
温度補償用センサ部13側（表面側）に形成された断面Ｖ
字状溝17aとこれらの広さ範囲に亘りシリコン基板11の
裏面側に形成された断面台形状の凹所17bとの連通によ
り形成されている。

メタルブリッジ14,15,16は測温用センサ部12及び温度補
償用センサ部13の一端側を宙吊状態で支持し、電気伝導
性のAu,Ptなどで構成されている。メタルブリッジ14,16
は、共に同一構造で、周辺シリコン層11c側に形成され
たAu線などのボンディングが施されるボンディングパッ
ド部14a,16aと、非接触用間隙17上に架設された一対の
ブリッジ部14b,16bと、薄層シリコン基板上に拡散形成
された抵抗体12a,13aに導通しするAuAsなどのようなオ
ーミック性物質のコンタクト部14c,16cと、から構成さ
れている。またメタルブリッジ15は、メタルブリッジ1
4,16に対向して形成されており、測温用センサ部12及び
温度補償用センサ部13の他端側を宙吊状態で支持し、電
気伝導性のAu,Ptなどで構成されている。メタルブリッ
ジ15は、周辺シリコン層11c側に形成された連結部15a
と、非接触用間隙17上に架設され測温用センサ部12を支
持する一対のブリッジ部15b及び温度補償用センサ部13
を支持する一対のブリッジ部15cと、抵抗体12a,13aに導
通するAuAsなどのようなオーミック性物質のコンタクト
部15d,15eと、から構成されている。

測温用センサ部12及び温度補償用センサ部13の構成は、
被覆膜12c,被覆膜13cの形成に用いられる物質が異なる
だけであり、他は同一構成とされている。なお、18a,18
b,18cはSiO_２,Si_ｘＮ_ｙなどの絶縁膜である。

かかる非接触型半導体温度センサ10は一般的な半導体製
造プロセスにより製造される。

即ち、第４図に示すように、先ず、面方位（100）のシ
リコンウエハ19に対してその上面側よりAuを拡散させて
抵抗温度係数の極めて大なる基板を形成する。ここでAu
はシリコンウエハ19内へ容易に広く拡散するので、シリ
コンウエハ19はほぼ全体に亘って抵抗温度係数の大なる
基板となる。次に、Au拡散されたシリコンウエハ19の両
面にSiO_２,Si_ｘＮ_ｙなどを蒸着して絶縁膜を形成し、エ
ッチングにより断面Ｖ字状溝17a及び凹所17bを形成すべ
き開口部分20a,20bのシリコンを露出させ、それ以外の
絶縁膜12b,18a,18cをシリコンウエハ19のエッチングマ
スクとして残す。

次に、第５図に示すように、絶縁膜12bの一部をエッチ
ングしてその部分にAuAsなどのようなオーミック性物質
を蒸着し、しかる後熱処理によりコンタクト部14c,15d
を作成する。次に、絶縁膜12b上にAuブラック,Ptブラッ
クなどを蒸着して光吸収率の大なる被覆膜12cを形成す
ると共に、絶縁膜13b上にAu,Ptなどを蒸着して光吸収率
の小なる被覆膜13cを形成する。なお、絶縁膜12b,13bを
形成する理由は、Auブラック,Ptブラック,Au,Ptなどの
被覆膜12c,13cは電気伝導性が良いので、被覆膜12c,13c
を介した短絡を防止し抵抗体12a,13aに対しすべて電流
を通すためである。

次に、第６図に示すように、被覆膜12c,被覆膜13c上にS
iO₂,Si_ｘＮ_ｙなどを蒸着してこれらを保護絶縁する保護
膜12d,13d及び絶縁膜18bを形成した後、エアブリッジ技
術によりメタルブリッジ14,15,16を形成する。しかる
後、異方性エッチング液を以ってエッチングを施すこと
により、絶縁膜18b,18cを対エッチングマスクとして異
方性エッチングがシリコンウエハ19の表裏両面の開口部
分20a,20bからその幅方向に比しより深さ方向に速く進
行し、第３図に示すように、表面側に幅寸法の小なる断
面Ｖ字状溝17aと裏面側に測温用センサ部12及び温度補
償用センサ部13の広き範囲に亘り大きな断面台形状の凹
所17bが形成され、やがてこれらが連通して非接触用間
隙17が形成される。これにより、周辺シリコン層11cに
対して薄層シリコン基板としての抵抗体12a,13aが孤立
形成される。測温用センサ部12及び温度補償用センサ部
13は非接触用間隙17をおいて周辺シリコン層11cと島状
に分離独立し、単にメタルブリッジ14,15,16により宙吊
状態で支持されることになる。この後、各チップ毎に区
画細断し、非接触型半導体温度センサ10が完成される。

ここで非接触用間隙17の形成にあたり、表面側の絶縁膜
18a,18bによる目抜き開口部分20aは狭く、裏面側の絶縁
18cによる目抜き開口部分20bは広くしてあるため、非接
触用間隙17をより細くできるから、測温用センサ部12及
び温度補償用センサ部13の近設配置が実現でき、温度補
償作用が高くなると共に、両面エッチングの結果で作成
される抵抗体12a,13bの厚さは僅小な値で、測温用セン
サ部12及び温度補償用センサ部13の体積が極力低減され
るので、熱容量を小さくできることから、測定の応答性
が向上し、また軽量化によりメタルブリッジ14,15,16の
支持安全率を高くすることに寄与する。更に、メタルブ
リッジ14,15,16のボンディングパッド部14a,15a,16aの
着床部位は、異方性エッチングの採用によって、周辺シ
リコン層11cの支持強度の充分な厚さがなお確保された
縁部にあることから、ボンディング強度をもたせるため
に、ボンディングパッド部14a,15a,16aをあえて長くと
る必要なく、また非接触用間隙17が狭いことから、ブリ
ッジ部14b,15b,15c,16bも短くできるので、メタルブリ
ッジ14,15,16は全体として短くでき、抵抗損失を軽減で
きる。更に、各メタルブリッジ14,15,16による支持は一
対のブリッジ部14b,15b,15c,16bを介した２重支持構造
であるため、測温用センサ部12及び温度補償用センサ部
13のねじれ等を有効的に防止することができる。

上記実施例にあっては、非接触型半導体温度センサ10の
面積は僅小であるから、被測温体から輻射された赤外線
が共に測温用センサ部12及び温度補償用センサ部13に照
射するが、その照射赤外線は測温用センサ部12の被覆膜
12cによく吸収透過されことから、その下層の抵抗温度
係数の大なる抵抗体12aがこれを受光し、その光吸収に
よる温度変化によって抵抗値が変化する。半導体製造技
術に作成された隣接する温度補償用センサ部13に対して
も被測温体からの赤外線が照射するが、光吸収率の小な
る被覆膜13cの存在による遮光効果により、その下層の
抵抗体13aはこれに感応しないことから、この抵抗体13a
は測温用センサ部12の近接周囲空間の環境温度（即ち赤
外線を受光しないとき測温用センサ部12自身の温度）の
みに感応して抵抗変化することになり、測温用センサ体
12の温度補償用センサ体13に対する相対的な抵抗値変化
によって環境温度を基準とする被測温体の温度が高精度
に測定されることになる。

抵抗体12a,13aはAu拡散により同一チップ内に同時に形
成されることから、膜厚，内部組織状態などが均一でほ
ぼ完全に等しく、したがって、両者の温度−抵抗特性は
殆ど同一で、器械誤差は僅小となり、高精度測定が実現
できる。また、半導体製造プロセスによって温度補償用
センサ部13は測温用センサ部12により近設配置されてい
ることから、温度補償用センサ部13は測温用センサ部12
自身の環境温度をより精度良く測温できるので、環境温
度を基準とした被測温体の輻射温度の測定正確度が向上
する。温度補償用センサ部13が測温用センサ部12と共に
薄層シリコン基板上に形成され、メタルブリッジ14,15,
16によって宙吊状態で支持されているから、作成された
チップ状の非接触型半導体温度センサ10は適宜な外囲器
などにじか付けすればよく、温度補償用センサ部13が測
温用センサ部12を金線などで宙吊状態にロウ付け作業が
不要となる。なお、ボンディングパッド部14a,15a,16a
と端子とは金線などで容易に接続することができる。測
温用センサ部12及び温度補償用センサ部13は凹所17bの
存在により薄い抵抗体12a,13a上に形成されていること
から、従来に比し熱容量を小さくできるので、応答特性
が改善される。また、薄い抵抗体12a,13aの存在によ
り。測温用センサ部12及び温度補償用センサ部13の軽量
化が一層図れるので、メタルブリッジ14,15,16による宙
吊支持に耐久性が保証され、耐振性などの高いものとな
る。更に、チップ状の非接触型半導体温度センサ10は従
来に比し小型軽量であることから、適材適所に組み込み
易くなり、設置場所の制限が緩和されて用途がより拡大
する。更に、従来の測温用センサ体及び温度補償用セン
サ体は単体の立体形状であり、赤外線受光面積対構成物
質容積の比が非常に小さく、熱容量が不必要に大きかっ
たが、上記実施例における測温用センサ部12及び温度補
償用センサ部13の抵抗体12a,13aは薄膜で上記比が極め
て大きいので、かかる面からも応答特性がすこぶる改善
される。

なお、実施例に係る非接触型半導体温度センサ10には、
温度補償用センサ部13が含まれるが、環境温度がさほど
変動しない場合又は無視できる場合における温度測定に
あっては、温度補償用センサ部13を含まず、測温用セン
サ部12のみの非接触型半導体温度センサを構成し、これ
を使用することができることは言う迄もない。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る非接触半導体温度セ
ンサにあっては、測温用センサ部及びこれに隣接する温
度補償用センサ部が周辺半導体層に対して非接触用間隙
を以って夫々分離独立の半導体層上に形成され、両セン
サ部がその非接触用間隙を跨ぐメタルブリッジによって
周辺半導体層にて宙吊状態で支持されたものであること
から、次の効果を奏する。

測温用センサ部及び温度補償用センサ部の抵抗温度係
数の大なる各抵抗体は、半導体製造プロセスにより同時
に形成することができることから、その温度−抵抗特性
の高精度の同一性が保証されるので、測温センサとして
の器械誤差が殆どなく、測定の正確度がすこぶる向上す
る。なお、測温用センサ部及び温度補償用センサ部の各
抵抗体をAu拡散体とした場合には、従来に比し極めて高
感度のセンサを実現できる。

半導体製造プロセスにおいて測温用センサ部及び温度
補償用センサ部の配置及びメタルブリッジの形成が実現
されることから、量産性に優れていることは勿論のこ
と、金線などによる煩雑な宙吊作業が不要となり、製造
コストが低廉である。また外囲器などへのじか付けを行
なうことができ、また小型軽量であることから、センサ
の組込場所の制限が緩和されるので、汎用性のある非接
触型温度センサとなる。

温度補償用センサ部自体は半導体製造プロセスにより
従来に比し小面積で形成されると共に、その抵抗温度係
数の大なる抵抗体を覆う光吸収率の小なる被覆膜の存在
により、温度補償用センサ部は従来に比し測温用センサ
部に対して近設配置できることから、測温用センサ部の
環境温度を基準とした輻射温度の測定がより一層精度の
高いものとなる。

測温用センサ部及び温度補償用センサ部の抵抗温度係
数の大なる各抵抗体は、輻射線受光面積対構成物質容積
の比が極めて大で、熱容量が小であるから、応答特性が
改善され、測定開始時の立上がりが速く、被測温体自身
の温度変化の敏感な追従測定が可能である。なお、測温
用センサ部及び温度補償用センサ部の各基板となるべき
半導体層の厚さを、周辺半導体層のそれに比し薄くした
場合には、なお一層熱容量を小とできるので、更に応答
特性が改善されたセンサを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る非接触半導体温度センサの一実
施例を示す拡大平面図である。 第２図は、第１図中II−II線で切断した状態を示す拡大
切断図である。 第３図は、第１図中III−III線で切断した状態を示す拡
大切断図である。 第４図乃至第６図は、同実施例の製造プロセスにおける
各状態を示す拡大切断図である。 第７図（Ａ）は従来の非接触型温度センサの一例を示す
縦断面図で、第７図（Ｂ）はその平面図である。 10……非接触型半導体温度センサ、11……シリコン基
板、11c……周辺シリコン層、12……測温用センサ部、1
3……温度補償用センサ部、12a,13a……抵抗係数の大な
る抵抗体、12b,13b……絶縁膜、12c……光吸収率の大な
る被覆膜、13c……光吸収率の小なる被覆膜、12d,13d…
…保護膜、14,15,16……メタルブリッジ、14b,15b,15c,
16b……ブリッジ部、17……非接触用間隙、17a……断面
Ｖ字状溝、17b……断面台形状の凹所、18a,18b,18c……
絶縁膜、19……シリコンウエハ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体層上に形成された抵抗温度係数の大
   なる抵抗体とこれを覆う光吸収率の大なる被覆膜とから
   構成された測温用センサ部と、該測温用センサ部に隣接
   する半導体層上において形成された抵抗温度係数の大な
   る抵抗体とこれを覆う光吸収率の小なる被覆膜とから構
   成された温度補償用センサ部と、該測温用センサ部と該
   温度補償用センサ部とこれらを囲む周辺半導体層との間
   に形成された非接触用間隙と、該非接触用間隙に架設さ
   れ該測温用センサ部及び該温度補償用センサ部を該周辺
   半導体層に対して宙吊状態で支持するメタルブリッジ
   と、を有することを特徴する非接触型半導体温度セン
   サ。
2. 【請求項２】前記測温用センサ部及び前記温度補償用セ
   ンサ部の各抵抗体はAu拡散体であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の非接触型半導体温度セン
   サ。
3. 【請求項３】前記測温用センサ部及び前記温度補償用セ
   ンサ部の各抵抗体の厚さは、前記周辺半導体層のそれに
   比し薄いことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の非接触型半導体温度センサ。
4. 【請求項４】前記メタルブリッジは、一対のブリッジ部
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の非接触型半導体温度センサ。