JP2000348905A

JP2000348905A - 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

Info

Publication number: JP2000348905A
Application number: JP11156661A
Authority: JP
Inventors: Akiyuki Fujii; 映志藤井; Atsushi Tomosawa; 淳友澤; Hideo Torii; 秀雄鳥井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】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とともに、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、下
地層１６と、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−Ｎ
ｉの複合酸化物から成り、（１００）面に優先配向し
た、すなわち主として（１００）面に配向したスピネル
型結晶構造を有している。下地層１６は、アルゴンガス
雰囲気中でスパッタリングによって形成され、サーミス
タ薄膜１３は、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中で
スパッタリングによって形成される。

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
なりがちである。そのため、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有してい
た。

【０００７】また、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、高温耐久性を向上させることが困難であるという問
題点をも有していた。

【０００８】本発明は、上記の点に鑑み、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と
ともに、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、下地基板上
にアルゴンガス雰囲気中でスパッタリング法によって膜
形成された下地層上に、アルゴンと酸素との混合ガス雰
囲気中でスパッタリング法によって膜形成されたことを
特徴としている。

【００１０】このようなサーミスタ薄膜は、アルゴンガ
ス雰囲気中だけで形成されたり、アルゴンと酸素との混
合ガス雰囲気中で下地層を形成することなく形成された
りしたサーミスタ薄膜に比べて、結晶粒径のバラツキが
比較的小さいため、抵抗値やＢ定数（温度に対する抵抗
の変化率）などのバラツキが小さく、しかも、結晶状態
が比較的安定であるため、高温耐久性が高い。したがっ
て、このような結晶構造を持たせることにより、高精度
で高信頼性のサーミスタ素子を得ることができる。

【００１１】また、請求項２ないし請求項６の発明は、
上記のようなサーミスタ薄膜が、（１００）面に配向し
たスピネル型結晶構造を有し、また、マンガンを主成分
とした酸化物薄膜であり、また、さらに、コバルト、ニ
ッケル、鉄、アルミニウム、銅、およびクロムのうちの
少なくとも１種の元素を含み、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、ま
た、上記サーミスタ薄膜に対して垂直な方向に柱状に結
晶成長した結晶粒を有していることを特徴としている。

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

【００１３】また、請求項７ないし請求項１１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、下地基板上に、アルゴンガス雰囲気中でスパ
ッタリング法によって下地層を形成する工程と、上記下
地層上に、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中でスパ
ッタリング法によって上記サーミスタ薄膜を形成する工
程とを有することを特徴とし、また、上記サーミスタ薄
膜を形成する工程で、（１００）面に配向したスピネル
型結晶構造を有するサーミスタ薄膜を形成することを特
徴とし、また、さらに、上記サーミスタ薄膜を熱処理す
る工程を有することを特徴とし、また、上記スパッタリ
ング法による上記下地層および上記サーミスタ薄膜の膜
形成を、マンガンを主成分とした酸化物焼結体をターゲ
ットとして行うことを特徴とし、また、さらに、コバル
ト、ニッケル、鉄、アルミニウム、銅、およびクロムの
うちの少なくとも１種の元素を含むことを特徴としてい
る。

【００１４】これらにより、前記のような高精度で高信
頼性の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、熱処理は６００〜１０００℃の大気中で行
うことによって、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、下地層１６と、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−Ｃ
ｏ−Ｎｉの複合酸化物から成り、（１００）面に優先配
向した、すなわち主として（１００）面に配向したスピ
ネル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には、高周波電源２５
（１３．５６ＭＨｚ）が接続されている。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
ガス、または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、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、下地層１６およびサーミスタ薄膜
１３が形成される。なお、上記スパッタリングの際に、
例えば基板ホルダ２２を回転させるようにして、サーミ
スタ薄膜１３の均一性をより向上させ得るようにしても
よい。

【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、主として
（１００）面に配向したスピネル型結晶構造を有し、結
晶粒径の揃ったサーミスタ薄膜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１〜５については、下記（表１）に
示す条件、すなわちアルゴンガス雰囲気中でスパッタリ
ングを行うことにより、下地基板１２上に下地層１６と
してのサーミスタ層が形成される。次に、引き続き、下
記（表２）に示すように、アルゴンガスに加えてさらに
酸素ガスを導入するとともにプラズマパワーを増大させ
てサーミスタ薄膜１３を形成した後、同表に示す条件で
大気中で熱処理した。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２２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】また、比較例１（ａ）〜５（ａ）、および
比較例１（ｂ）〜５（ｂ）については、上記のような下
地層１６を形成することなく、（表２）に示す条件で下
地基板１２上に、直接、サーミスタ薄膜１３を形成し、
熱処理した。すなわち、比較例１（ａ）〜５（ａ）は、
それぞれ対応する実施例１〜５の下地層１６と同じ条件
で成膜時間だけを長くして成膜したものであり、比較例
１（ｂ）〜５（ｂ）は、それぞれ対応する実施例１〜５
のサーミスタ薄膜１３と同じ条件で成膜したものであ
る。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】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（３）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による膜表面と破断
面の観察を行った。その結果を下記（表３）に示す。

【００２５】

【表３】具体的には、例えば実施例１および比較例１（ａ）
（ｂ）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：Ｃｏ：Ｎｉ＝６３：１９：１８（実施例
１）、６１：２０：１９（比較例１（ａ））、または、
５９：２３：１８（比較例１（ｂ））であった。ここ
で、これらの実施例１および比較例１（ａ）（ｂ）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：Ｃｏ：Ｎｉ＝６５：１５：２
０）の焼結体を用いたが、形成されるサーミスタ薄膜１
３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。

【００２６】また、Ｘ線解析によれば、実施例１〜５、
および比較例１（ａ）〜５（ａ）においては、熱処理後
のサーミスタ薄膜１３は主として（１００）面に配向し
たスピネル型結晶構造を有している一方、比較例１
（ｂ）〜５（ｂ）においては、配向がランダムな（結晶
配向性を示さない）スピネル型結晶構造を有しているこ
とがわかった。

【００２７】さらに走査型電子顕微鏡による膜表面およ
び破断面の観察によれば、熱処理後のサーミスタ薄膜１
３の結晶粒は、実施例１〜５、および比較例１（ａ）〜
５（ａ）においては、図３に模式的に示すような柱状構
造を有している一方、比較例１（ｂ）〜５（ｂ）におい
ては上記のような柱状構造は有していなかった。また、
結晶粒径のバラツキ（値の範囲）は、上記（表３）に示
すように、各実施例１〜５、および比較例１（ａ）〜５
（ａ）の方が各比較例１（ｂ）〜５（ｂ）よりも小さか
った。なお、上記ＳＥＭによる観察においては、熱処理
後のサーミスタ薄膜１３では、下地層とサーミスタ層と
の境界は明確には観察されなかった。

【００２８】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２００℃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、高温耐久性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、高温耐久性
変化を上記（表３）に併せて示す。

【００２９】上記（表３）から明らかなように、比較例
１（ａ）〜５（ａ）では、主として（１００）面に配向
したスピネル型結晶構造で柱状構造を有しており、結晶
粒径のバラツキは比較的小さいが、高温耐久性がかなり
劣ったものとなる。一方、比較例１（ｂ）〜５（ｂ）で
は、スピネル型結晶構造ではあるが、配向性および柱状
構造を有さず、結晶粒径のバラツキが大きいため、電気
特性のバラツキが大きなものとなる。すなわち、実施例
１〜５のように、あらかじめアルゴンガス雰囲気中でス
パッタリングを行って下地層１６を形成した後に、アル
ゴンと酸素との混合ガス雰囲気中でスパッタリングを行
って、主として（１００）面に配向したスピネル型結晶
構造を有するサーミスタ薄膜１３を形成することによ
り、アルゴンガス雰囲気中だけでサーミスタ薄膜１３を
形成する場合や、初めからアルゴンと酸素との混合ガス
雰囲気中でサーミスタ薄膜１３を形成する場合に比べ
て、電気特性のバラツキが小さく、しかも、高温耐久性
に優れた薄膜サーミスタ素子を得ることができる。な
お、複合酸化物の組成は、上記（表３）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。

【００３０】また、サーミスタ薄膜の全域にわたって上
記のように主として（１００）面に配向したスピネル型
結晶構造を有するものに限らず、スピネル型結晶相中に
部分的にビックスバイト型結晶相やＮａＣｌ型結晶相が
含まれていてもよい。

【００３１】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。

【００３２】また、下地層の形成とサーミスタ薄膜の形
成とは、上記のように連続して行うものに限らず、例え
ば製造設備等に応じて、下地層形成用の装置とサーミス
タ薄膜形成用の装置とを用い、下地層の形成とサーミス
タ薄膜の形成とを分離して行などしてもよい。

【００３３】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。

【００３４】

【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。

【００３５】すなわち、下地基板上に、アルゴンガス雰
囲気中でスパッタリング法によって下地層を形成した後
に、上記下地層上に、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲
気中でスパッタリング法によって上記サーミスタ薄膜を
形成することにより、そのようなサーミスタ薄膜は結晶
粒径のバラツキが比較的小さいため、抵抗値やＢ定数な
どのバラツキが小さく、しかも、結晶状態が比較的安定
であるため、高温耐久性が高いので、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

【図３】本発明のサーミスタ薄膜の結晶形態を示す説明
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１６下地層２１スパッタ装置２２基板ホルダ２３焼結体ターゲット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Ｆターム(参考） 5E034 BA09 BB08 BC02 BC05 DA02 DC01

Claims

【特許請求の範囲】

【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、下地基板上にアルゴンガス雰囲
気中でスパッタリング法によって膜形成された下地層上
に、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中でスパッタリ
ング法によって膜形成されたことを特徴とする薄膜サー
ミスタ素子。
【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、（１００）面に配向したスピネ
ル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。
【請求項３】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、マンガンを主成分とした酸化物
薄膜であることを特徴とする薄膜サーミスタ素子。
【請求項４】請求項３の薄膜サーミスタ素子であって、上記サーミスタ薄膜は、さらに、コバルト、ニッケル、
鉄、アルミニウム、銅、およびクロムのうちの少なくと
も１種の元素を含むことを特徴とする薄膜サーミスタ素
子。
【請求項５】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、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
とする薄膜サーミスタ素子。
【請求項６】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が、上記サーミスタ薄膜に対して垂
直な方向に柱状に結晶成長した結晶粒を有していること
を特徴とする薄膜サーミスタ素子。
【請求項７】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、下地基板上に、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリング
法によって下地層を形成する工程と、上記下地層上に、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中
でスパッタリング法によって上記サーミスタ薄膜を形成
する工程とを有することを特徴とする薄膜サーミスタ素
子の製造方法。
【請求項８】請求項７の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形成する工程で、（１００）面に
配向したスピネル型結晶構造を有するサーミスタ薄膜を
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。
【請求項９】請求項７の薄膜サーミスタ素子の製造方法
であって、さらに、上記サーミスタ薄膜を熱処理する工程を有することを特
徴とする薄膜サーミスタ素子の製造方法。
【請求項１０】請求項７の薄膜サーミスタ素子の製造方
法であって、上記スパッタリング法による上記下地層および上記サー
ミスタ薄膜の膜形成を、マンガンを主成分とした酸化物
焼結体をターゲットとして行うことを特徴とする薄膜サ
ーミスタ素子の製造方法。
【請求項１１】請求項１０の薄膜サーミスタ素子の製造
方法であって、上記ターゲットは、さらに、コバルト、ニッケル、鉄、
アルミニウム、銅、およびクロムのうちの少なくとも１
種の元素を含むことを特徴とする薄膜サーミスタ素子の
製造方法。