JP2000348904A - 薄膜サーミスタ素子および薄膜サーミスタ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 経時変化を少なく抑え、高温耐久性などを向
上させて、高い信頼性を得ることができるとともに、抵
抗値等のバラツキを小さく抑えて、高い精度を得ること
ができる薄膜サーミスタ素子を形成する。 【解決手段】 アルミナから成る下地基板１２上に、サ
ーミスタ薄膜１３と、Ｐｔ薄膜から成る１対のくし形電
極１４，１５とが形成されて成っている。上記サーミス
タ薄膜１３は、例えばＭｎ−Ｃｏ−Ｎｉの複合酸化物か
ら成り、ビックスバイト型結晶構造を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、情報処理機器や、
通信機器、住宅設備機器、自動車用電装機器などの温度
センサに用いられる薄膜サーミスタ素子およびその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】温度検知に用いられる素子として、酸化
物半導体材料を用いたサーミスタ素子は、従来、例えば
Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅなどの遷移金属を主成分とした
スピネル型結晶構造を有する酸化物焼結体チップの端面
に、Ａｇなどの電極を塗布や焼き付けにより形成して構
成されている。

【０００３】上記のようなサーミスタ素子は、熱電対や
白金測温抵抗体と比較すると、 （１）抵抗の温度変化が大きいため温度分解能が高い （２）簡単な回路での計測が可能である （３）材料が比較的安定でかつ外界の影響を受けにくい
ため経時変化が少なく信頼性が高い （４）大量生産が可能であり安価である などといった特徴を有するため、多く用いられている。

【０００４】ところで、近年、電子機器の小型軽量化や
高性能化に伴い、サーミスタ素子にも素子サイズの超小
型化（例えば１ｍｍ×０．５ｍｍサイズ以下）や、測定
温度での抵抗値やＢ定数（温度に対する抵抗の変化率）
の高精度化（例えばバラツキが３％以下）などが求めら
れている。ところが、上記のような酸化物焼結体を用い
たサーミスタは、加工上の問題から大幅に小型化するこ
とが困難である。しかも、小型化するほど、加工精度の
問題から抵抗値やＢ定数のバラツキが大きくなってしま
うといった欠点があった。

【０００５】そこで、上記のようなサーミスタ素子に対
して、サーミスタ材料や電極の形成に薄膜技術を用いた
薄膜サーミスタ素子の開発が盛んになされている。この
種の薄膜サーミスタ素子は、例えばＭｎ，Ｎｉ，Ｃｏ、
Ｆｅなどから成る複合酸化物の焼結体をターゲットとし
たスパッタリング法によりサーミスタ薄膜を形成をした
後、このサーミスタ薄膜上に所定の電極パターンを形成
することによって製造される。ところが、上記のように
スパッタリングによって形成されたサーミスタ薄膜で
は、良好な結晶性が得られにくく、安定性が低いため、
抵抗値やＢ定数の経時変化が大きく、特に、高温耐久性
が低いという問題点がある。この問題点に関しては、ス
パッタリングによって形成されたサーミスタ薄膜を例え
ば２００〜８００℃の大気中で熱処理し、スピネル型構
造への結晶化を行う技術が知られている（特開昭６３−
２６６８０１号公報、特開平３−５４８４２号公報、お
よび増田陽一郎他：八戸工業大学紀要、第８巻、pp.２
５〜３４）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようにスパッタリングにより形成された酸化物半導体の
サーミスタ薄膜を例えば４００℃以上の温度で熱処理し
たとしても、安定性を大幅に向上させることは困難で、
経時変化を少なく抑え、高温耐久性を向上させることが
困難であるという問題点を有していた。

【０００７】また、熱処理によって結晶成長させた場
合、得られる多結晶体における結晶粒径のバラツキが大
きくなりがちであり、例えば同一ロットで製造されたサ
ーミスタ素子であっても、抵抗値やＢ定数などの電気特
性のバラツキが大きいという問題点をも有していた。

【０００８】本発明は、上記の点に鑑み、経時変化を少
なく抑え、高温耐久性などを向上させて、高い信頼性を
得ることができるとともに、抵抗値等のバラツキを小さ
く抑えて、高い精度を得ることができる薄膜サーミスタ
素子およびその製造方法の提供を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１の発明は、サーミスタ薄膜と、上記サーミ
スタ薄膜に設けられた１対の電極とを有する薄膜サーミ
スタ素子であって、上記サーミスタ薄膜が、ビックスバ
イト型結晶構造を有していることを特徴としている。

【００１０】このような結晶構造を有するサーミスタ薄
膜は、スピネル型結晶構造のサーミスタ薄膜に比べて結
晶状態が比較的安定であるため、抵抗値やＢ定数（温度
に対する抵抗の変化率）などの電気特性の経時変化が少
ないとともに、高温耐久性が高く、また、抵抗値やＢ定
数などのバラツキが小さい。したがって、このような結
晶構造を持たせることにより、高信頼性で高精度なサー
ミスタ素子を得ることができる。

【００１１】また、請求項２の発明は、上記のようなサ
ーミスタ薄膜が、スパッタリング法による膜形成とアニ
ールとが交互に行われて形成され、また、上記スパッタ
リング法による膜形成がなされた後に、熱処理が施され
ていることを特徴としている。

【００１２】これらにより、より高信頼性で高精度なサ
ーミスタ素子を容易に得ることができる。

【００１３】また、請求項３ないし請求項５の発明は、
サーミスタ薄膜と、上記サーミスタ薄膜に設けられた１
対の電極とを有する薄膜サーミスタ素子の製造方法であ
って、上記サーミスタ薄膜を、スパッタリング法による
膜形成工程とアニール工程とを交互に行うとともに、所
定の熱処理を施すことにより、ビックスバイト型結晶構
造を有するように形成することを特徴とし、より具体的
には、例えば、下地基板を保持する基板ホルダと、上記
基板ホルダに対向して設けられたターゲットとのうちの
少なくとも一方を回転させるとともに、上記基板ホルダ
における、回転中心から偏心した位置に上記下地基板を
保持させる一方、上記ターゲットにおける、上記回転中
心から偏心した位置の一部だけが露出するように上記タ
ーゲットをシールドカバーで覆うことにより、上記基板
が上記ターゲットの露出部に対向する回転位置で、上記
基板上に上記スパッタリング法による膜形成が行われる
一方、上記基板が上記ターゲットの上記シールドカバー
で覆われた位置に対向する回転位置で、上記アニールが
行われることを特徴とし、また、さらに、上記熱処理
が、１１００℃以下で行われることを特徴としている。

【００１４】これらにより、前記のような高信頼性で高
精度なサーミスタ素子を容易に製造することができる。

【００１５】ここで、上記スパッタリング法による膜形
成時の基板温度や熱処理温度は、形成するサーミスタ薄
膜の組成や成膜時間などに応じて種々に設定されるが、
例えば、膜形成は基板が２００〜６００℃に加熱された
状態で行い、また、熱処理は、より好ましくは６００〜
１０００℃の大気中で行うことなどによって、上記のよ
うなサーミスタ素子を容易に製造することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の薄膜サーミスタ素子１１
は、図１に示すように、アルミナから成る下地基板１２
上に、サーミスタ薄膜１３と、Ｐｔ薄膜から成る１対の
くし形電極１４，１５とが形成されて成っている。上記
サーミスタ薄膜１３は、例えばＭｎ−Ｃｏ−Ｎｉの複合
酸化物から成り、ビックスバイト型結晶構造を有してい
る。

【００１７】上記のようなサーミスタ薄膜１３は、例え
ば図２に示すようなスパッタ装置２１によって形成する
ことができる。このスパッタ装置２１には、下地基板１
２を保持する基板ホルダ２２と、例えば直径が８インチ
のＭｎ−Ｃｏ−Ｎｉから成る複合酸化物の焼結体ターゲ
ット２３とが５０ｍｍの間隔で対向して設けられてい
る。上記焼結体ターゲット２３は、中心角が９０°の切
り欠き２４ａを有するシールドカバー２４によって、そ
の一部だけが露出するように覆われている。また、焼結
体ターゲット２３には、高周波電源２５（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）が接続されている。一方、基板ホルダ２２は、図
示しない駆動装置によって、所定の回転速度で回転する
ようになっている。上記基板ホルダ２２および焼結体タ
ーゲット２３は、例えばアルゴンと酸素との混合ガスが
充填された図示しないチャンバ内に設けられている。

【００１８】上記基板ホルダ２２に下地基板１２を保持
させて加熱し、焼結体ターゲット２３に高周波電圧を印
加するとともに基板ホルダ２２を所定の回転速度で回転
させると、下地基板１２がシールドカバー２４の切り欠
き２４ａ上を通過する際には、焼結体ターゲット２３か
ら飛来する粒子がスパッタリングされてサーミスタ薄膜
１３が形成される。一方、下地基板１２がシールドカバ
ー２４上を通過する際には、サーミスタ薄膜１３の酸化
およびアニールが行われる。すなわち、スパッタリング
と、酸化およびアニールとが交互に行われて、サーミス
タ薄膜１３が形成される。

【００１９】上記のようにして形成されたサーミスタ薄
膜１３を所定の温度で熱処理することにより、ビックス
バイト型結晶構造を有するサーミスタ薄膜１３が得られ
る。

【００２０】

【実施例】以下、より具体的なサーミスタ薄膜１３の形
成条件（スパッタリングおよび熱処理条件）、および得
られたサーミスタ薄膜１３と薄膜サーミスタ素子１１の
特性について説明する。

【００２１】実施例１〜８、およびそれぞれに対応する
比較例１〜８について、下記（表１）に示す条件でサー
ミスタ薄膜１３を形成し、さらに、同表に示す条件で大
気中で熱処理した。上記実施例１〜８と比較例１〜８と
の主な相違は、基板ホルダ２２の回転の有無、すなわ
ち、実施例１〜８では、前記のようにスパッタリング
と、酸化およびアニールとが交互に行われる一方、比較
例１〜８では、シールドカバー２４が設けられず、スパ
ッタリングが連続して行われることである。ここで、下
地基板１２としては、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．３ｍｍ
の大きさで、表面の凹凸が０．０３μm以下になるよう
に研磨したアルミナ基板を用いた。また、基板ホルダ２
２には、上記下地基板１２とともに、結晶性を評価する
ためのガラス基板３１を保持させた。

【００２２】

【表１】 上記のようにしてガラス基板３１上に形成され、熱処理
されたサーミスタ薄膜１３について、 （１）Ｘ線マイクロアナライザによる組成分析 （２）Ｘ線解析（ＸＲＤ）による結晶構造の観察 を行った。その結果を下記（表２）に示す。

【００２３】

【表２】 具体的には、例えば実施例１および比較例１において
は、Ｘ線マイクロアナライザによる組成分析によれば、
熱処理後のサーミスタ薄膜１３の膜組成は、Ｍｎ：Ｃ
ｏ：Ｎｉ＝７３：１９：８（実施例１）、または、７
１：２０：９（比較例１）であった。ここで、これらの
実施例１および比較例１の場合には、焼結体ターゲット
２３としてＭｎ−Ｃｏ−Ｎｉ複合酸化物（組成Ｍｎ：Ｃ
ｏ：Ｎｉ＝７５：２０：５）の焼結体を用いたが、形成
されるサーミスタ薄膜１３の組成は上記のように焼結体
ターゲット２３とは若干異なったものとなった。なお、
他の実施例および比較例においても、焼結体ターゲット
２３の組成を適宜選択することにより、同表に示すよう
な膜組成のサーミスタ薄膜１３を形成することができ
る。

【００２４】また、Ｘ線解析によれば、実施例１〜８に
おいては、熱処理後のサーミスタ薄膜１３はビックスバ
イト型結晶構造を有している一方、比較例１〜８におい
てはスピネル型結晶構造を有していることがわかった。

【００２５】次に、上記のようにして下地基板１２上に
形成され、熱処理されたサーミスタ薄膜１３上の全面
に、厚さが０．１μｍのＰｔ薄膜およびレジストパター
ンを形成し、Ａｒ（アルゴンガス）によるドライエッチ
ングを用いたフォトリソグラフィプロセスによりパター
ニングして、くし形電極１４，１５を形成した。次い
で、ダイシング装置を用い、基板周辺部を除いて１×
０．５ｍｍサイズにカットすることにより、前記図１に
示した構成の薄膜サーミスタ素子１１を１０００個作製
し、抵抗値およびＢ定数（温度に対する抵抗の変化率）
を測定して、平均値、およびバラツキ（（最大値−最小
値）／平均値）を求めた。また、上記薄膜サーミスタ素
子１１を室温で１００日間放置する経時変化試験、およ
び３００℃の大気中に１０００時間放置する高温耐久性
試験を行った後に、再度、抵抗値およびＢ定数を測定し
て、上記試験前後の変化率を算出した。上記抵抗値およ
びＢ定数の平均値、バラツキ、経時変化、高温耐久性変
化を上記（表２）に併せて示す。

【００２６】上記実施例１〜８および比較例１〜８から
明らかなように、サーミスタ薄膜１３にビックスバイト
型結晶構造の酸化物薄膜を形成することにより、スピネ
ル型結晶構造の酸化物薄膜を形成する場合よりも抵抗値
およびＢ定数のバラツキが小さく、しかも経時変化が少
なく、高温耐久性が高い、高精度で高信頼性のサーミス
タ素子を得ることができる。なお、上記のようにビック
スバイト型結晶構造のサーミスタ薄膜であれば、複合酸
化物の組成は上記（表２）に示したものに限らず、他の
組成とした場合においても同様に優れた結果が得られ
た。

【００２７】また、サーミスタ薄膜の形成条件や熱処理
条件も、上記のものに限らず、焼結体ターゲットの組成
などに応じて種々設定すればよい。なお、概ね酸素分圧
が高い方が、上記のようなビックスバイト型結晶構造が
形成されやすい。また、熱処理温度が例えば１１００℃
を越えるなどの場合にはスピネル型結晶構造が形成され
やすくなる。

【００２８】また、サーミスタ薄膜の全域にわたって上
記のような結晶構造を有するものに限らず、ビックスバ
イト型結晶相中に部分的にスピネル型結晶相やＮａＣｌ
型結晶相が含まれていてもよい。

【００２９】また、上記の例では下地基板としてアルミ
ナ基板を用いたが、その他のセラミクス基板やガラス基
板などを用いた場合においても、同様に優れた結果が得
られた。

【００３０】また、薄膜サーミスタ素子の構造は、上記
のようにサーミスタ薄膜における同一の表面上に１対の
くし形電極が形成されたものに限らず、サーミスタ薄膜
の両面側に、サーミスタ薄膜を挟むように１対の電極を
設けるようにしてもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３２】すなわち、ビックスバイト型結晶構造をを
有するサーミスタ薄膜を形成することにより、そのよう
なサーミスタ薄膜は結晶状態が比較的安定であるため、
高温耐久性が高く、しかも、抵抗値やＢ定数などのバラ
ツキが小さいので、高信頼性で高精度なサーミスタ素子
を得ることができるという効果を奏する。

【００３３】また、上記サーミスタ薄膜を、スパッタリ
ング法による膜形成工程とアニール工程とを交互に行う
ことにより、ビックスバイト型結晶構造を有するように
形成することにより、上記のような高信頼性で高精度な
サーミスタ素子を容易に製造することができるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜サーミスタ素子の構成を示す斜視
図

【図２】本発明の薄膜サーミスタ素子の製造装置の構成
を示す斜視図

【符号の説明】

１１ 薄膜サーミスタ素子 １２ 下地基板 １３ サーミスタ薄膜 １４，１５ くし形電極 ２１ スパッタ装置 ２２ 基板ホルダ ２３ 焼結体ターゲット ２４ シールドカバー ２４ａ 切り欠き ２５ 高周波電源 ３１ ガラス基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鳥井 秀雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 高山 良一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5E034 BA09 BB08 BC02 DA02 DC05 DE16 DE17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サーミスタ薄膜と、上記サーミスタ薄膜に
   設けられた１対の電極とを有する薄膜サーミスタ素子で
   あって、 上記サーミスタ薄膜が、ビックスバイト型結晶構造を有
   していることを特徴とする薄膜サーミスタ素子。
2. 【請求項２】請求項１の薄膜サーミスタ素子であって、 上記サーミスタ薄膜は、スパッタリング法による膜形成
   とアニールとが交互に行われて形成されたサーミスタ薄
   膜であるとともに、上記サーミスタ薄膜が形成された後
   に、熱処理が施されていることを特徴とする薄膜サーミ
   スタ素子。
3. 【請求項３】サーミスタ薄膜と、上記サーミスタ薄膜に
   設けられた１対の電極とを有する薄膜サーミスタ素子の
   製造方法であって、 上記サーミスタ薄膜を、スパッタリング法による膜形成
   工程とアニール工程とを交互に行うとともに、所定の熱
   処理を施すことにより、ビックスバイト型結晶構造を有
   するように形成することを特徴とする薄膜サーミスタ素
   子の製造方法。
4. 【請求項４】請求項３の薄膜サーミスタ素子の製造方法
   であって、 下地基板を保持する基板ホルダと、上記基板ホルダに対
   向して設けられたターゲットとのうちの少なくとも一方
   を回転させるとともに、上記基板ホルダにおける、回転
   中心から偏心した位置に上記下地基板を保持させる一
   方、上記ターゲットにおける、上記回転中心から偏心し
   た位置の一部だけが露出するように上記ターゲットをシ
   ールドカバーで覆うことにより、上記基板が上記ターゲ
   ットの露出部に対向する回転位置で、上記基板上に上記
   スパッタリング法による膜形成が行われる一方、上記基
   板が上記ターゲットの上記シールドカバーで覆われた位
   置に対向する回転位置で、上記アニールが行われること
   を特徴とする薄膜サーミスタ素子の製造方法。
5. 【請求項５】請求項３の薄膜サーミスタ素子の製造方法
   であって、 上記熱処理が、１１００℃以下で行われることを特徴と
   する薄膜サーミスタ素子の製造方法。