JPH06349606A - Diamond thermistor and manufacture thereof - Google Patents
Diamond thermistor and manufacture thereofInfo
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- JPH06349606A JPH06349606A JP13782393A JP13782393A JPH06349606A JP H06349606 A JPH06349606 A JP H06349606A JP 13782393 A JP13782393 A JP 13782393A JP 13782393 A JP13782393 A JP 13782393A JP H06349606 A JPH06349606 A JP H06349606A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、室温から８００℃とい
う高温まで利用可能なダイヤモンドサーミスタ及びその
製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diamond thermistor which can be used from room temperature to a high temperature of 800 ° C. and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】サーミスタは温度により材料の抵抗値が
変化することを利用して温度を検出する電子素子であ
る。このサーミスタは、検知対象が極めて広く、温度だ
けでなく、湿度、風速、流速、真空度、ガス濃度、ガス
分析及び赤外線に至るまで計測が可能であり、種々の分
野への応用が期待されているセンサである。即ち、サー
ミスタは、基本的には、熱を感知するセンサであるが、
温度だけではなく、エネルギの授受を感知することがで
きる。このため、例えば、風速及び流速等は、２個のサ
ーミスタを利用して測定することができる。一方のサー
ミスタは強制的に加熱し、このサーミスタから出た発熱
を流風によって他方のサーミスタに伝え、この他方のサ
ーミスタにおける温度変化により、両者間の風速及び流
速等を測定することができる。サーミスタの用途として
は、家電から産業用、理化学研究用、医療、通信及び宇
宙開発に至るまで範囲が広く、更に応用範囲が広がる可
能性が十分にある。2. Description of the Related Art A thermistor is an electronic element that detects temperature by utilizing the fact that the resistance value of a material changes with temperature. This thermistor has an extremely wide range of objects to detect, and it is possible to measure not only temperature but also humidity, wind velocity, flow velocity, vacuum degree, gas concentration, gas analysis and infrared rays, and it is expected to be applied to various fields. It is a sensor. That is, the thermistor is basically a sensor that senses heat,
It is possible to sense not only the temperature but also the transfer of energy. Therefore, for example, the wind speed, the flow velocity, and the like can be measured using two thermistors. One of the thermistors is forcibly heated, and the heat generated from the thermistor is transmitted to the other thermistor by the flowing air, and the temperature change in the other thermistor allows the wind velocity and the flow velocity between the two to be measured. The thermistor has a wide range of applications from home appliances to industrial applications, physics and chemistry research, medical care, communications, and space development, and there is a great possibility that the application range will be further expanded.
【０００３】サーミスタが今日広く電子回路部品として
用いられているのには次のような理由がある。サーミス
タと同じような温度範囲を計測するセンサとして、白金
抵抗測温体と熱電対があるが、白金抵抗測温体は高価な
ことに加えて、その抵抗値が低く、温度係数が小さい
（変化率：０．４％／Ｋ、１〜２ｍＶ／Ｋ）ので、太い
導線を使用してその引き回しをしなければならないこと
と、精度を上げるためには３線式の測定結果が必要とな
り、計装の費用が高くなるという欠点がある。一方、熱
電対は起電力の変化率が小さく（４０μＶ／Ｋ）、基準
接点の自動補償回路が必要なことなどの問題点がある。
これに対し、サーミスタは小型で加工性が優れているこ
と、しかも素子の抵抗が高く、温度係数が大きいので
（変化率：４％／Ｋ、１０ｍＶ／Ｋ）、細い線でセンサ
の引き回しができ、分解能が優れている等の有利な点が
多い。The reason why the thermistor is widely used as an electronic circuit component today is as follows. Platinum resistance temperature detectors and thermocouples are sensors that measure the same temperature range as a thermistor, but in addition to being expensive, platinum resistance temperature detectors have a low resistance and a small temperature coefficient (change). Since the ratio is 0.4% / K, 1-2 mV / K), it is necessary to use a thick conductive wire to run it around, and in order to improve the accuracy, 3-wire measurement results are required. There is a drawback that the cost of the equipment is high. On the other hand, the thermocouple has problems that the rate of change in electromotive force is small (40 μV / K) and that an automatic compensation circuit for the reference junction is required.
On the other hand, the thermistor is small and has excellent workability, and because the resistance of the element is high and the temperature coefficient is large (change rate: 4% / K, 10 mV / K), the sensor can be routed with a thin wire. There are many advantages such as excellent resolution.
【０００４】通常、使用されているサーミスタの構成材
料は、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｏを主体とした遷移金属酸化物
が主流であり、０℃〜３５０℃の範囲で温度計測が行わ
れている。これに対して、より高温でも使用可能なサー
ミスタを開発したいという要求に応じて、０℃〜５００
℃で使用可能なＳｉＣ（炭化硅素）からなるサーミスタ
が提案されており、更に５００以上の高温でも使用可能
なサーミスタとして高温で化学的に安定なダイヤモンド
を使用したサーミスタが開発されている。Usually, the main constituent material of the thermistor used is a transition metal oxide mainly composed of Ni, Mn and Co, and the temperature is measured in the range of 0 ° C to 350 ° C. On the other hand, in response to the demand to develop a thermistor that can be used at higher temperatures, 0 ° C to 500 ° C
A thermistor made of SiC (silicon carbide) that can be used at ℃ has been proposed, and a thermistor that uses diamond that is chemically stable at high temperature has been developed as a thermistor that can be used even at a high temperature of 500 or more.
【０００５】ダイヤモンドは、その熱伝導率が種々の物
質中で最も大きく、また比熱も小さいことからダイヤモ
ンドサーミスタは速い熱応答速度が期待できる。近年、
気相合成法によってダイヤモンド薄膜の合成が可能にな
ったので、基板上に成長させたダイヤモンド薄膜を用い
てサーミスタの作製が可能になり、成膜中に不純物とし
てＢを添加させて半導体化することにより、その抵抗値
及びサーミスタ定数（Ｂ定数）を制御することができ
る。このため、ダイヤモンドを使用したサーミスタは、
室温から８００℃の範囲での温度計測が可能になってい
る（特開昭63-184304号、特開平3-165064号、特開平3-2
83601号、特開平3-83301号、特開平3-84901号）。Since diamond has the highest thermal conductivity among various substances and has a low specific heat, a diamond thermistor can be expected to have a high thermal response speed. recent years,
Since the diamond thin film can be synthesized by the vapor phase synthesis method, the thermistor can be manufactured using the diamond thin film grown on the substrate, and B is added as an impurity during the film formation to be a semiconductor. Thus, the resistance value and the thermistor constant (B constant) can be controlled. Therefore, a thermistor using diamond is
It is possible to measure the temperature in the range of room temperature to 800 ° C (Japanese Patent Laid-Open No. 63-184304, Japanese Patent Laid-Open No. 3-165064, Japanese Patent Laid-Open No. 3-2).
83601, JP-A-3-83301, JP-A-3-84901).
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ダイヤモンド薄膜サーミスタは、未だ研究段階で実現し
ているに過ぎず、実際上、特性の再現性がある均質なサ
ーミスタを製造しにくいという難点がある。このため、
ダイヤモンド薄膜サーミスタを実用化するために、特性
の再現性があるダイヤモンドサーミスタの開発が要望さ
れている。However, the conventional diamond thin film thermistor is only realized at the research stage, and it is difficult to manufacture a homogeneous thermistor having reproducible characteristics in practice. . For this reason,
In order to put a diamond thin film thermistor into practical use, it is required to develop a diamond thermistor having reproducible characteristics.
【０００７】このように、特性の再現性があるダイヤモ
ンドサーミスタを安定して製造することができれば、例
えば１つのサーミスタが破損した場合、直ちに別のサー
ミスタに交換することにより、既存の電子回路を調整す
る作業を行うことなくサーミスタの使用を再開すること
ができる。このような互換性のあるダイヤモンド薄膜サ
ーミスタを得ることができれば、回路設計の点でも使い
勝手がよくなり、ダイヤモンド薄膜サーミスタの用途も
拡大する。このように、従来、高温でも使用可能である
というダイヤモンドの基本的には優れた特長を生かすこ
とができるサーミスタが存在せず、このためこのダイヤ
モンドの持つ優れた特性を生かすことができる互換性が
あるダイヤモンド薄膜サーミスタの開発が要望されてい
る。Thus, if a diamond thermistor having reproducible characteristics can be stably manufactured, for example, when one thermistor is damaged, it is immediately replaced with another thermistor to adjust the existing electronic circuit. The thermistor can be used again without performing the work described above. If such a compatible diamond thin film thermistor can be obtained, the usability will be improved in terms of circuit design, and the applications of the diamond thin film thermistor will be expanded. In this way, conventionally, there is no thermistor that can make use of the excellent characteristics of diamond, which can be used even at high temperatures, and therefore, the compatibility that makes use of the excellent characteristics of this diamond is not available. Development of a diamond thin film thermistor is desired.
【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、抵抗値及びサーミスタ定数（Ｂ定数）等の
特性が安定していて、再現性が高く、互換性があるダイ
ヤモンド薄膜サーミスタ及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。The present invention has been made in view of the above problems, and has stable characteristics such as resistance and thermistor constant (B constant), high reproducibility, and compatibility with a diamond thin film thermistor, It is an object to provide a manufacturing method thereof.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ドサーミスタは、気相合成法により形成されたダイヤモ
ンド薄膜であって、その抵抗値及びサーミスタ定数（感
度係数）が所定値に対して±５％以内にあるダイヤモン
ド薄膜を検知部に使用したしたことを特徴とする。A diamond thermistor according to the present invention is a diamond thin film formed by a vapor phase synthesis method, and its resistance value and thermistor constant (sensitivity coefficient) are ± 5% with respect to a predetermined value. It is characterized in that the diamond thin film within the range is used for the detection part.
【００１０】本発明に係るダイヤモンド薄膜サーミスタ
の製造方法は、成膜中にダイヤモンド薄膜を合成する基
板にレーザー光を入射して基板表面とダイヤモンド薄膜
表面からの両反射光の干渉光を監視することにより検知
部におけるダイヤモンド薄膜の膜厚を制御してその抵抗
値を所定の値に制御すると共に、成膜中に気相合成装置
内の原料ガスを質量分析し、原料ガス内のホウ素と炭素
との比率を監視することによりそれが予め求められてい
る所定の比率になるようにマスフローコントローラの出
力を調整することを特徴とする。In the method for manufacturing a diamond thin film thermistor according to the present invention, laser light is incident on a substrate for synthesizing a diamond thin film during film formation, and interference light of both reflected light from the substrate surface and the diamond thin film surface is monitored. By controlling the film thickness of the diamond thin film in the detection part by controlling the resistance value to a predetermined value, mass spectrometry of the raw material gas in the vapor phase synthesis apparatus during film formation, boron and carbon in the raw material gas It is characterized in that the output of the mass flow controller is adjusted so that the ratio becomes a predetermined ratio which is obtained in advance by monitoring the ratio.
【００１１】この場合に、サーミスタ定数（Ｂ定数：感
度係数）は、下記数式１により与えられる。In this case, the thermistor constant (B constant: sensitivity coefficient) is given by the following formula 1.
【００１２】[0012]
【数１】Ｒ＝Ｒ0・exp｛Ｂ・（１／Ｔ−１／Ｔ0）｝ 但し、Ｒ：絶対温度Ｔ（Ｋ）におけるサーミスタの抵抗
値、 Ｒ0：絶対温度Ｔ0（Ｋ）におけるサーミスタの抵抗値、 Ｂ：サーミスタ定数（感度係数）。## EQU1 ## R = R 0 .exp {B. (1 / T-1 / T 0 )} where R is the resistance value of the thermistor at the absolute temperature T (K), and R 0 is the absolute temperature T 0 (K). Resistance value of the thermistor in B, B: Thermistor constant (sensitivity coefficient).
【００１３】[0013]
【作用】サーミスタの特性を決めるのは、ある基準温度
での抵抗値と前記Ｂ定数である。そこで、本発明におい
ては、この抵抗値とＢ定数とを所定値の±５％以内にし
たダイヤモンド薄膜をサーミスタの検知部に使用する。
これにより、サーミスタを組み込んである回路に金属被
膜抵抗等の抵抗を接続することにより、素子互換を容易
に行うことができる。The characteristics of the thermistor are determined by the resistance value at a certain reference temperature and the B constant. Therefore, in the present invention, a diamond thin film having the resistance value and the B constant within ± 5% of the predetermined value is used for the detection part of the thermistor.
As a result, by connecting a resistor such as a metal film resistor to a circuit incorporating the thermistor, it is possible to easily perform element compatibility.
【００１４】しかしながら、抵抗値又はＢ定数の誤差が
基準となる所定値の５％を超えると、広い温度計測を考
えた場合、サーミスタ特性の各素子間でのばらつきが大
きくなり、前記抵抗の付加だけでは精密な温度計測がで
きなくなり、電子回路全体に対する調整をしなければな
らず、コストが高くなる。この場合、抵抗値のばらつき
は基準となる所定温度の偏差となり、またＢ定数のばら
つきは温度の増加と共に温度測定誤差の増加を生じさ
せ、いずれも正確な温度測定に大きな障害となる。この
ため、本発明においては、サーミスタの検知部に、抵抗
値とＢ定数とを所定値の±５％以内に制御したダイヤモ
ンド薄膜を使用する。However, when the error of the resistance value or the B constant exceeds 5% of the predetermined reference value, the variation of the thermistor characteristics among the elements becomes large in consideration of wide temperature measurement, and the addition of the resistance is added. Precise temperature measurement cannot be achieved with just this, and adjustments must be made to the entire electronic circuit, which increases cost. In this case, the variation of the resistance value becomes a deviation of a predetermined temperature serving as a reference, and the variation of the B constant causes an increase in the temperature measurement error as the temperature increases, both of which are a great obstacle to accurate temperature measurement. Therefore, in the present invention, a diamond thin film in which the resistance value and the B constant are controlled within ± 5% of the predetermined values is used for the detection part of the thermistor.
【００１５】次に、本発明方法について説明する。互換
性のあるダイヤモンド薄膜サーミスタを得るためには、
その抵抗値とＢ定数を、所定の値に対して、±５％以内
に制御する。先ず、抵抗値を正確に制御するためにその
膜厚を制御する。ある一定のパターンのダイヤモンド薄
膜に対して、抵抗値は膜厚の関数となる。このため、感
温部となる部分の半導体ダイヤモンド薄膜の膜厚をその
合成中に実時間で監視し、これを所定値に制御する。具
体的には、ダイヤモンド薄膜にレーザービームを入射
し、基板表面とダイヤモンド薄膜表面とで反射される両
反射光の干渉光を測定することにより、反射光強度の時
間依存性が得られる。ダイヤモンド薄膜表面及び基板表
面で反射された２つの光には、下記数式２で示される関
係がある。Next, the method of the present invention will be described. To obtain a compatible diamond thin film thermistor,
The resistance value and B constant are controlled within ± 5% with respect to a predetermined value. First, the film thickness is controlled in order to accurately control the resistance value. For a diamond thin film having a certain pattern, the resistance value is a function of the film thickness. For this reason, the film thickness of the semiconductor diamond thin film in the temperature sensing portion is monitored in real time during its synthesis and controlled to a predetermined value. Specifically, the time dependency of the reflected light intensity can be obtained by injecting a laser beam into the diamond thin film and measuring the interference light of both reflected lights reflected by the substrate surface and the diamond thin film surface. The two lights reflected by the surface of the diamond thin film and the surface of the substrate have a relationship represented by the following mathematical formula 2.
【００１６】[0016]
【数２】２ｎｄ＝ｍλ 但し、ｎ：ダイヤモンドの屈折率（２．４）、 ｄ：ダイヤモンド感温部の膜厚、 ｍ：整数（１，２，３，…）、 λ：使用するレーザの波長。2nd = mλ where n: refractive index of diamond (2.4), d: film thickness of diamond temperature sensing portion, m: integer (1, 2, 3, ...), λ: of laser used wavelength.
【００１７】いま、レーザにアルゴンイオンレーザ（波
長：０．４８８μｍ）を用いると、ダイヤモンド薄膜の
膜厚が０．０５μｍ増加するごとに干渉光の強度が極大
値及び極小値をとることになり、その間を補間すること
により０．０１μｍの膜厚制御を行うことが可能にな
る。When an argon ion laser (wavelength: 0.488 μm) is used as the laser, the intensity of the interference light takes a maximum value and a minimum value each time the thickness of the diamond thin film increases by 0.05 μm. By interpolating between them, it becomes possible to control the film thickness to 0.01 μm.
【００１８】一方、Ｂ定数を正確に制御するためには、
予め、質量分析計等を用いてＢ原子／Ｃ原子比とＢ定数
との間の校正曲線を作成しておき、ダイヤモンド薄膜合
成時にガス組成を分析し、ガス中に含まれるＢ原子とＣ
原子との比率を所定の値に保つように、マスフローコン
トローラの出力を調整する。これにより、ダイヤモンド
薄膜中に取り込まれるＢ原子の密度を一定に保つことが
でき、Ｂ定数を精密に制御することが可能となる。On the other hand, in order to accurately control the B constant,
A calibration curve between the B atom / C atom ratio and the B constant was prepared in advance using a mass spectrometer, etc., and the gas composition was analyzed during the synthesis of the diamond thin film, and the B atom and C atoms contained in the gas were analyzed.
The output of the mass flow controller is adjusted so that the ratio with the atoms is kept at a predetermined value. Thereby, the density of B atoms taken into the diamond thin film can be kept constant, and the B constant can be precisely controlled.
【００１９】[0019]
【実施例】以下、添付の図面を参照して本発明の実施例
について具体的に説明する。図１はダイヤモンド薄膜サ
ーミスタの一例を示す平面図である。図１に示すよう
に、下地ダイヤモンド薄膜１上に感温部のボロンドープ
ダイヤモンド薄膜２が選択的に形成されており、更にこ
の感温部のｐ型半導体ダイヤモンド薄膜２の上に、１対
の金属電極３が形成されている。このように構成される
サーミスタの寸法は、例えば、下地ダイヤモンド薄膜１
が横３．０ｍｍ、縦１．５ｍｍ、ｐ型ダイヤモンド薄膜
２が横２．５ｍｍ、縦１．０ｍｍである。Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a plan view showing an example of a diamond thin film thermistor. As shown in FIG. 1, a boron-doped diamond thin film 2 of a temperature sensing portion is selectively formed on a base diamond thin film 1, and a pair of p-type semiconductor diamond thin films 2 of this temperature sensing portion is further formed. The metal electrode 3 is formed. The size of the thermistor thus constructed is, for example, the base diamond thin film 1
Is 3.0 mm in width and 1.5 mm in length, and the p-type diamond thin film 2 is 2.5 mm in width and 1.0 mm in length.
【００２０】このようなダイヤモンド薄膜サーミスタ
は、図２（ａ）乃至（ｅ）に示すようにして製造するこ
とができる。先ず、図２（ａ）に示すように、基板１０
として、例えば、ダイヤモンドペーストで研磨されたＳ
ｉ3Ｎ4基板を用い、アンドープ下地ダイヤモンド層を選
択成長させるためのＳｉＯ2等からなるマスク１１（厚
さ約０．２μｍ）をスパッタリング法により基板１０上
に蒸着し、パターニングする。Such a diamond thin film thermistor can be manufactured as shown in FIGS. 2 (a) to 2 (e). First, as shown in FIG.
For example, S polished with diamond paste
Using an i 3 N 4 substrate, a mask 11 (thickness: about 0.2 μm) made of SiO 2 or the like for selectively growing an undoped underlying diamond layer is deposited on the substrate 10 by sputtering and patterned.
【００２１】その後、図２（ｂ）に示すように、マスク
１１に被覆されていない基板１０上に厚さが例えば１．
５０μｍのアンドープダイヤモンド薄膜１３を選択的に
形成した後、マスク１１をＨＦ溶液等でエッチング除去
する。After that, as shown in FIG. 2B, the thickness of, for example, 1.
After selectively forming the undoped diamond thin film 13 of 50 μm, the mask 11 is removed by etching with an HF solution or the like.
【００２２】次いで、図２（ｃ）に示すように、感温部
を形成するために、ＳｉＯ2等のマスク１２（厚さ約
０．２μｍ）をスパッタリング法によりダイヤモンド薄
膜１３の周縁部を被覆するように選択的に形成する。Next, as shown in FIG. 2C, a mask 12 of SiO 2 or the like (having a thickness of about 0.2 μm) is coated on the peripheral edge of the diamond thin film 13 by a sputtering method to form a temperature sensitive portion. To selectively form.
【００２３】その後、図２（ｄ）に示すように、Ｂドー
プダイヤモンド薄膜１４を例えば約１．２０μｍの厚さ
に形成し、マスク１２を除去し、マスク１２に被覆され
ていなかった部分のダイヤモンド薄膜１３上にのみＢド
ープダイヤモンド薄膜１４を残存させる。After that, as shown in FIG. 2D, a B-doped diamond thin film 14 is formed to a thickness of, for example, about 1.20 μm, the mask 12 is removed, and the diamond of the portion not covered by the mask 12 is removed. The B-doped diamond thin film 14 is left only on the thin film 13.
【００２４】次に、ダイヤモンド薄膜の電気的特性を安
定化させるために、所定の温度で所定時間熱処理し、次
いで、洗浄した後フォトリソグラフィを使用して１対の
電極１５をＢドープダイヤモンド薄膜１４上にパターン
形成する。この電極１５の一例としては、厚さが２００
０ÅのＡｕ層と、厚さが４００ÅのＴｉ層との積層体が
ある。Next, in order to stabilize the electrical characteristics of the diamond thin film, the pair of electrodes 15 are heat-treated at a predetermined temperature for a predetermined time and then washed, and then a pair of electrodes 15 are formed on the B-doped diamond thin film 14 by photolithography. Pattern on top. As an example of the electrode 15, a thickness of 200
There is a laminated body of a 0Å Au layer and a Ti layer having a thickness of 400Å.
【００２５】このようにして、図１に示す構造のダイヤ
モンド薄膜サーミスタが製造される。この場合に、Ｂド
ープダイヤモンド薄膜１４を形成する場合に、図３に示
すように、実時間でその膜厚を測定し、その測定結果を
膜厚制御に利用する。また、図５に示すように、ガス中
の（Ｂ原子）／（Ｃ原子）比を測定し、その測定結果を
Ｂ定数の制御に利用する。In this way, the diamond thin film thermistor having the structure shown in FIG. 1 is manufactured. In this case, when forming the B-doped diamond thin film 14, as shown in FIG. 3, the film thickness is measured in real time, and the measurement result is used for film thickness control. Further, as shown in FIG. 5, the (B atom) / (C atom) ratio in the gas is measured, and the measurement result is used for controlling the B constant.
【００２６】即ち、図３においては、ダイヤモンド薄膜
合成容器２４内に基板ホルダ２７が設置されており、こ
のホルダ２７上に成膜すべきサンプル２６が載置され
る。サンプル２６の周囲にはプラズマ２５が生起される
ようになっている。Ａｒイオンレーザ２１から出射され
たレーザ光は偏光プリズム２３により偏光された後、容
器２４内のサンプル２６上に照射される。サンプル２６
の基板表面及びダイヤモンド薄膜表面にて反射してきた
光は偏光プリズム２３をそのまま通過してその上方に配
置された検知器としてのフォトダイオード２２に入射す
る。That is, in FIG. 3, the substrate holder 27 is installed in the diamond thin film synthesizing container 24, and the sample 26 to be formed a film is placed on the holder 27. Plasma 25 is generated around the sample 26. The laser light emitted from the Ar ion laser 21 is polarized by the polarizing prism 23, and then is irradiated onto the sample 26 in the container 24. Sample 26
The light reflected by the surface of the substrate and the surface of the diamond thin film passes through the polarization prism 23 as it is, and is incident on the photodiode 22 as a detector arranged above the polarization prism 23.
【００２７】このようにして、サンプル２６のダイヤモ
ンド薄膜にＡｒレーザ２１からレーザービームを入射さ
せ、基板表面で反射したレーザ光と、ダイヤモンド薄膜
表面とで反射される両反射光の干渉を測定することによ
り、図４に示すような反射光強度の時間依存性が得られ
る。図４は横軸に時間をとり、縦軸に干渉光強度（任意
ユニット）をとって、反射光強度の時間依存性を示す模
式図である。In this way, a laser beam is made incident on the diamond thin film of Sample 26 from the Ar laser 21 and the interference between the laser light reflected on the substrate surface and the two reflected lights reflected on the diamond thin film surface is measured. As a result, the time dependence of the reflected light intensity as shown in FIG. 4 is obtained. FIG. 4 is a schematic diagram showing the time dependence of the reflected light intensity, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing interference light intensity (arbitrary unit).
【００２８】ダイヤモンド薄膜表面及び基板表面で反射
した２つの光には、前記数式２にて示すような関係があ
るから、レーザ２１にアルゴンイオンレーザ（波長：
０．４８８μｍ）を使用すると、ダイヤモンド薄膜の膜
厚が０．０５μｍ増加する毎に干渉光の強度が極大値及
び極小値をとることになり、その間を補間することで
０．０１μｍの膜厚制御を行うことが可能になる。Since the two lights reflected on the surface of the diamond thin film and the surface of the substrate have a relationship as shown in the above mathematical formula 2, the laser 21 is an argon ion laser (wavelength:
0.488 μm), the intensity of the interference light takes a maximum value and a minimum value each time the film thickness of the diamond thin film increases by 0.05 μm. By interpolating between them, the film thickness control of 0.01 μm is achieved. Will be able to do.
【００２９】一方、Ｂ定数を精密に制御するために、図
５に示すようにして原料ガスの流量を制御する。ダイモ
ンド薄膜合成容器２４にはＣＨ4ガスボンベに接続され
た配管３６ａには、ＣＨ4ガス用流量コントローラ３２
が配設されており、Ｂ2Ｈ6ガスボンベに接続された配管
３６ｂには、Ｂ2Ｈ6ガス用流量コントローラ３３が配設
されている。そして、これらの配管３６ａ、３６ｂは合
流配管３６を介して容器２４に連結されている。On the other hand, in order to precisely control the B constant, the flow rate of the raw material gas is controlled as shown in FIG. The pipe 36a is in Dimond thin synthetic vessel 24 connected to the CH 4 gas cylinder, CH 4 gas flow rate controller 32
The B 2 H 6 gas flow controller 33 is provided in the pipe 36 b connected to the B 2 H 6 gas cylinder. Then, these pipes 36 a and 36 b are connected to the container 24 via a merging pipe 36.
【００３０】また、容器２４は排気管３７が連結されて
おり、この配管３７にはリークバルブ３５と、質量分析
器３４とが連結されている。そして、この質量分析器３
４にて測定したガス成分のデータは演算器３１に入力さ
れ、演算器３１はこの容器２４内のガス成分の濃度分析
値に基づいて流量コントローラ３２、３３に制御信号を
出力する。An exhaust pipe 37 is connected to the container 24, and a leak valve 35 and a mass spectrometer 34 are connected to the pipe 37. And this mass spectrometer 3
The data of the gas component measured in 4 is input to the calculator 31, and the calculator 31 outputs a control signal to the flow rate controllers 32 and 33 based on the concentration analysis value of the gas component in the container 24.
【００３１】このように構成されたＢ定数（感度係数）
精密制御システムにおいては、ダイヤモンド薄膜合成基
板近くのガスをリークバルブ３５を開いて減圧した後、
このガスを質量分析器３４に導き、ガス組成を分析す
る。そして、演算器３１はガス中に含まれるＢ原子とＣ
原子の比率を、予め、質量分析により作成したＢ原子／
Ｃ原子比とＢ定数との校正曲線により求めた所定値に保
つように、マスフローコントローラ３２、３３に制御信
号を出力する。これにより、プラズマガス２５中に含ま
れるＢ原子とＣ原子の比率を、ダイヤモンド薄膜の成膜
中に、常に所定の値に制御し、ダイヤモンド薄膜中に取
り込まれるＢ原子の密度を一定に保つ。このようにし
て、Ｂ定数を精密に制御することが可能となる。B constant (sensitivity coefficient) configured in this way
In the precision control system, after the gas near the diamond thin film synthetic substrate is depressurized by opening the leak valve 35,
This gas is introduced into the mass spectrometer 34, and the gas composition is analyzed. Then, the calculator 31 calculates the B atom and the C atom contained in the gas.
The ratio of atoms is B atom /
A control signal is output to the mass flow controllers 32 and 33 so as to maintain the predetermined value obtained from the calibration curve of the C atomic ratio and the B constant. As a result, the ratio of B atoms and C atoms contained in the plasma gas 25 is always controlled to a predetermined value during the formation of the diamond thin film, and the density of B atoms taken into the diamond thin film is kept constant. In this way, the B constant can be precisely controlled.
【００３２】次に、本発明の実施例に係るサーミスタを
製造してその特性を求めた結果について、比較例と比較
して説明する。製造したサーミスタは、図１に示すパタ
ーンであり、その寸法は前述の通りである。感温部２の
抵抗値とＢ定数を所望の値に対して±５％の公差に収め
ることを目的として１００個のダイヤモンド薄膜サーミ
スタを製作した。所望の抵抗値とＢ定数の値は、夫々２
００℃におけるサーミスタの抵抗値が１．００ＭΩ、２
００℃〜２５０℃から求められるＢ定数が４５００Ｋで
ある。これらの抵抗値とＢ定数は、感温部であるＢドー
プダイヤモンド薄膜の膜厚が１．２μｍ、マスフローコ
ントローラの表示値でＢ原子とＣ原子の原料ガスの混合
比が４０ｐｐｍの場合に得られたものである。Next, the results of manufacturing the thermistors according to the examples of the present invention and obtaining the characteristics thereof will be described in comparison with comparative examples. The manufactured thermistor has the pattern shown in FIG. 1, and its dimensions are as described above. 100 diamond thin film thermistors were manufactured for the purpose of keeping the resistance value and B constant of the temperature sensing part 2 within a tolerance of ± 5% with respect to a desired value. The desired resistance value and B constant are 2
Resistance value of thermistor at 00 ℃ is 1.00MΩ, 2
The B constant obtained from 00 ° C to 250 ° C is 4500K. These resistance values and B constants are obtained when the film thickness of the B-doped diamond thin film, which is the temperature sensing part, is 1.2 μm, and the mixing ratio of the source gas of B atoms and C atoms is 40 ppm as indicated by the mass flow controller. It is a thing.
【００３３】本発明の実施例のサーミスタとしては、請
求項２に記載の方法により、計５０個のサーミスタを作
製した。また、請求項２に記載の方法ではなく、予め、
ダイヤモンド薄膜上にＢドープダイヤモンド薄膜を、Ｂ
／Ｃ比：４０ｐｐｍで成膜した場合の成膜速度０．２μ
ｍ／ｈにて、所定の膜厚を得るためにＢをドープしたダ
イヤモンド薄膜を６時間合成した。このときの不純物の
添加量（Ｂ／Ｃ比）はマスフローコントローラの出力値
で４０ｐｐｍとなるように保持した。この方法により、
比較例として、５０個のダイヤモンド薄膜サーミスタを
作製した。As the thermistor of the embodiment of the present invention, a total of 50 thermistors were manufactured by the method described in claim 2. In addition, instead of the method according to claim 2,
B-doped diamond thin film on the diamond thin film, B
/ C ratio: deposition rate of 0.2μ when deposited at 40ppm
A diamond thin film doped with B to obtain a predetermined film thickness was synthesized at m / h for 6 hours. At this time, the amount of impurities added (B / C ratio) was kept at 40 ppm as the output value of the mass flow controller. By this method,
As a comparative example, 50 diamond thin film thermistors were manufactured.
【００３４】本実施例の５０個のサーミスタについて
は、図３に示すレーザビーム干渉法により制御して、
１．５０μｍの厚さのアンドープダイヤモンド層１３を
形成した。比較例の５０個のサーミスタについては、予
め求められたアンドープ層の成長速度（０．２５μｍ／
ｈ：Ｓｉ3Ｎ4上）を基にして６時間合成を行うことによ
りダイヤモンド薄膜を形成した。また、本実施例のサー
ミスタについては、レーザビーム干渉法によりＢドープ
ダイヤモンド薄膜１４を１．２０μｍの厚さに形成し、
また図５に示すようにして質量分析器を用いてＢ原子と
Ｃ原子の比が常に所定の値になるようにマスフローコン
トローラ３２、３３の出力を制御した。比較例のサーミ
スタについては、合成時間を６時間にし、マスフローコ
ントローラの出力表示でＢ／Ｃ比が４０ｐｐｍになるよ
うに保持してＢドープダイヤモンド薄膜を形成した。The 50 thermistors of this embodiment are controlled by the laser beam interferometry shown in FIG.
An undoped diamond layer 13 having a thickness of 1.50 μm was formed. For the 50 thermistors of the comparative example, the growth rate of the undoped layer determined in advance (0.25 μm /
A diamond thin film was formed by performing synthesis for 6 hours on the basis of (h: Si 3 N 4 ). Further, in the thermistor of this embodiment, the B-doped diamond thin film 14 is formed to a thickness of 1.20 μm by a laser beam interferometry method,
Further, as shown in FIG. 5, the outputs of the mass flow controllers 32 and 33 were controlled using a mass spectrometer so that the ratio of B atoms to C atoms was always a predetermined value. For the thermistor of the comparative example, the synthesis time was set to 6 hours, and the B / C ratio was kept at 40 ppm on the output display of the mass flow controller to form a B-doped diamond thin film.
【００３５】これらの計１００個のサーミスタについ
て、２００℃における抵抗値と、２００℃〜２５０℃の
範囲からＢ定数とを測定した。その結果を、図６、７に
横軸にＢ係数をとり、縦軸に抵抗値をとって示す。図６
は本実施例の場合、図７は比較例の場合である。図中、
実線にて示した範囲は、予め定められた目標値の±５％
に該当するものである。そこで、抵抗値１．００ＭΩ±
５％、Ｂ定数４５００Ｋ±５％に入っているサーミスタ
の数を調べると、本実施例の場合は４３個（歩留り：８
６％）、比較例の場合では、１２個（歩留り：２４％）
であった。これから、本実施例により、互換性のあるダ
イヤモンド薄膜サーミスタを、高再現性で製造すること
ができることがわかる。The resistance value at 200 ° C. and the B constant from the range of 200 ° C. to 250 ° C. were measured for these 100 thermistors in total. The results are shown in FIGS. 6 and 7 with the B coefficient plotted on the horizontal axis and the resistance value plotted on the vertical axis. Figure 6
Shows the case of this embodiment, and FIG. 7 shows the case of the comparative example. In the figure,
The range indicated by the solid line is ± 5% of the predetermined target value.
It corresponds to. Therefore, the resistance value is 1.00 MΩ ±
Examining the number of thermistors within 5% and B constant 4500K ± 5%, 43 thermistors (yield: 8
6%), 12 in the case of the comparative example (yield: 24%)
Met. From this, it can be seen that the present example makes it possible to manufacture compatible diamond thin film thermistors with high reproducibility.
【００３６】[0036]
【発明の効果】本発明によれば、従来の遷移金属酸化物
を使用したサーミスタと同等以上の再現性を有するダイ
ヤモンド薄膜サーミスタを得ることができるので、既存
のサーミスタと同様な素子の互換性をもつダイヤモンド
薄膜サーミスタを製造することができるため、利用する
側にとって極めて使い勝手が良くなり、ダイヤモンド薄
膜サーミスタにおける測定温度範囲が高いことと、Ｂ定
数が高いことの利点を生かして極めて有用なサーミスタ
を得ることができる。また、本発明方法により、互換性
が高いダイヤモンド薄膜サーミスタを高歩留りで生産で
きる。According to the present invention, since it is possible to obtain a diamond thin film thermistor having a reproducibility equal to or higher than that of a conventional thermistor using a transition metal oxide, compatibility of elements similar to existing thermistors can be obtained. Since it is possible to manufacture a diamond thin film thermistor, it is extremely convenient for users, and a very useful thermistor can be obtained by taking advantage of the fact that the measurement temperature range of the diamond thin film thermistor is high and the B constant is high. be able to. In addition, the method of the present invention makes it possible to produce highly compatible diamond thin film thermistors with a high yield.
【図１】本発明の実施例に係るダイヤモンド薄膜サーミ
スタの構造を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a structure of a diamond thin film thermistor according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施例方法を工程順に示す断面図であ
る。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a method of an embodiment of the present invention in the order of steps.
【図３】本実施例にて使用する実時間膜厚測定システム
を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a real-time film thickness measurement system used in this example.
【図４】反射光強度の時間依存性を示すグラフ図であ
る。FIG. 4 is a graph showing the time dependence of reflected light intensity.
【図５】本実施例にて使用するＢ定数（感度係数）精密
制御システムを示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a B constant (sensitivity coefficient) precision control system used in this embodiment.
【図６】本実施例のサーミスタの抵抗値とＢ定数の分布
を示すグラフ図である。FIG. 6 is a graph showing the distribution of the resistance value and B constant of the thermistor of this embodiment.
【図７】比較例のサーミスタの抵抗値とＢ定数の分布を
示すグラフ図である。FIG. 7 is a graph showing the distribution of the resistance value and B constant of a thermistor of a comparative example.
１０；窒化シリコン基板 １１、１２；ＳｉＯ2マスク １３；下地用アンドープダイヤモンド薄膜 １４；Ｂドープダイヤモンド薄膜 １５；金属電極 ２１；Ａｒイオンレーザ ２２；フォトダイオード ２３；偏光プリズム ２４；ダイヤモンド薄膜合成容器 ２５；プラズマ ２６；サンプル ２７；基板ホルダ ３１；演算器 ３２、３３；マスフローコントローラ ３４；質量分析器 ３５；リークバルブ ３６；配管10; silicon nitride substrate 11, 12; SiO 2 mask 13; underlying undoped diamond thin film 14; B-doped diamond thin film 15; metal electrode 21; Ar ion laser 22; photodiode 23; polarizing prism 24; diamond thin film synthesizing container 25; Plasma 26; Sample 27; Substrate holder 31; Operator 32, 33; Mass flow controller 34; Mass spectrometer 35; Leak valve 36; Piping
Claims (2)
ド薄膜であって、その抵抗値及びサーミスタ定数（感度
係数）が所定値に対して±５％以内にあるダイヤモンド
薄膜を検知部に使用したことを特徴とするダイヤモンド
サーミスタ。1. A diamond thin film formed by a vapor phase synthesis method, wherein a diamond thin film having a resistance value and a thermistor constant (sensitivity coefficient) within ± 5% of a predetermined value is used for a detecting part. A diamond thermistor.
板にレーザー光を入射して基板表面とダイヤモンド薄膜
表面からの両反射光の干渉光を監視することにより検知
部におけるダイヤモンド薄膜の膜厚を制御してその抵抗
値を所定の値に制御すると共に、成膜中に気相合成装置
内の原料ガスを質量分析し、原料ガス内のホウ素と炭素
との比率を監視することによりそれが予め求められてい
る所定の比率になるようにマスフローコントローラの出
力を調整することを特徴とするダイヤモンドサーミスタ
の製造方法。2. The film thickness of the diamond thin film in the detector is measured by irradiating a laser beam on a substrate for synthesizing a diamond thin film during film formation and monitoring interference light of both reflected light from the substrate surface and the diamond thin film surface. By controlling the resistance value to a predetermined value, the raw material gas in the gas phase synthesizer is subjected to mass spectrometry during film formation, and the ratio of boron and carbon in the raw material gas is monitored in advance. A method of manufacturing a diamond thermistor, characterized in that the output of a mass flow controller is adjusted so as to obtain a desired predetermined ratio.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13782393A JPH06349606A (en) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | Diamond thermistor and manufacture thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13782393A JPH06349606A (en) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | Diamond thermistor and manufacture thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06349606A true JPH06349606A (en) | 1994-12-22 |
Family
ID=15207688
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13782393A Pending JPH06349606A (en) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | Diamond thermistor and manufacture thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06349606A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002544502A (en) * | 1999-05-10 | 2002-12-24 | センサーレイ コーポレイション | Apparatus for detecting temperature on integrated circuit manufacturing tool substrate |
| WO2014200011A1 (en) * | 2013-06-12 | 2014-12-18 | アルプス電気株式会社 | Resistor and temperature detection device |
| CN107702821A (en) * | 2017-10-16 | 2018-02-16 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | A kind of diamond thin abyssal temperature sensor and preparation method thereof |
-
1993
- 1993-06-08 JP JP13782393A patent/JPH06349606A/en active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107702821A (en) * | 2017-10-16 | 2018-02-16 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | A kind of diamond thin abyssal temperature sensor and preparation method thereof |
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