JP2005524986A - ダイヤモンド材料よりなる電気抵抗コンポーネント - Google Patents

Abstract

抵抗区域中に導電性ダイヤモンドを含んでいる電気抵抗コンポーネント及びその製造方法が提供される。抵抗区域は基盤上に抵抗層として配置されている。基盤は、少なくとも一部が電気的に非導体のダイヤモンドで形成されている。

Description

本発明は、電気回路コンポーネントの形の抵抗器に関する。たとえば、電気回路の終端のための終端抵抗器や伝達された電気エネルギーを熱に変換するための負荷抵抗器として用いられる。特に、高周波領域で用いられる抵抗器及びその製造方法及び用途に関する。

抵抗コンポーネント（抵抗構成部品）を電気回路に実用的に適用するため、最近では、特に面実装抵抗部品（ＳＭＤ）が普通に知られている。それは、金属上層が、シルクスクリーン印刷法で、正方形のセラミック基盤上に、高純度で印刷されるものである。それゆえ、ＳＭＤ抵抗器は、電気回路であるプリント配線基板上に、たとえばハンダ付け等によって載置された構成部品を内蔵している。

その他にまた、抵抗機能を実現するために、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の基盤上に、ドープされた半導体を利用することが知られている。ここで、電気絶縁性基盤上に、薄くて高抵抗のドープされた回路線が用いられている。

上記した二つの方法は、コンポーネントの利用範囲を制限するという欠点があった。たとえば、高温下における抵抗層の安定性が悪いという欠点があった。また、抵抗から生じる熱を放散する能力が悪く、これは、抵抗器が取り扱いうる電力が比較的小さくなることを意味している。さらに、上記した半導体抵抗器は、大きなスペースを必要とし、抵抗値に比較的大きな公差が生じるという欠点があった。加えて、これらの抵抗器は温度依存性があるという欠点もあった。

本発明は、電気抵抗コンポーネント（電気抵抗構成部品）を提供するものである。特に、ケーブル成端抵抗器（ケーブル終端抵抗器）及びその製造方法を提供するものである。その絶縁層は高温下においても当初の特性を保持する。また同時に、高レベルの熱伝導性、すなわち、抵抗コンポーネントがその負荷容量での高い要求を満足させ、かつ、小さな区域内で高レベルの熱拡散を満足するという意味での熱伝導性を、この絶縁層は持っている。コンポーネントの電気的特徴は、高温下で、温度に不感性であるということである。

上記した欠点は請求項１に係る電気抵抗コンポーネント及び請求項１９に係るその製造方法の発明により、解決される。また、この電気抵抗コンポーネントの用途は請求項２９に記載されている。さらに、その他の利点は、各従属項に見出されるであろう。

抵抗区域がダイヤモンドで作られるということは、ドープされているために導電性であるということであり、それは、銀や銅の値の倍数に等しい異常に高い熱伝導性（２２５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性）によって特色付けられる。導電性ドーピングは、絶縁性でドープされていないダイヤモンドが限られた方法で、そしてまた、特定の抵抗値の範囲がミリオームセンチ（ｍＯｈｍｃｍ）からメガオームセンチ（ＭＯｈｍｃｍ）の間で導体化されることを意味している。ここで、ダイヤモンド材料は、イリジウムのような選択された基盤上の単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。

ダイヤモンドは非常に高い熱伝導性によって特徴付けされているだけではなく、典型的には、５００Ｊ／ｋｇＫという低い熱容量で特徴付けされている。この結果、短い時間での大きな電力の出力のときでも、速い応答と確実な作動を保証する。ダイヤモンドの大きな熱量損失密度（約１．５ＧＷ／ｃｍ³以上）のため、大きな電力の出力のために必要とされる区域は小さい。

ダイヤモンドは非常に小さい熱膨張率によって特色付けられることが利点である。小さい熱膨張率のため、ダイヤモンドで形成された抵抗区域は、幾何学的な形状や機械的制限に対応して配置しうる。また、ダイヤモンドのバンドギャップは、５．４〜５．５ｅＶと非常に高いという利点があり、このため、十分高い温度下でも、固有の電位状態は、より低いバンドギャップを持っている他の物質と同様となるにすぎない。すなわち、０〜５００℃の範囲の温度下で、殆ど一定の電子状態を持つということは、抵抗コンポーネントの抵抗値が殆ど一定であるということである。

抵抗区域にダイヤモンドを使用するとまた、以下のような利点もある。すなわち、ダイヤモンドは化学的に不活性で、その表面は親水性にでも疎水性にでも調節できるので、過酷な条件下でも長期に亙って安定である。また、実用的な機器や回路の使用面からみて、ダイヤモンドで形成された抵抗区域は、次のような利点を持っている。すなわち、その摩擦抵抗、１１５０ＧＰａ以上の屈曲強度及び１１ＧＰａ以上の破損応力のため、ハウジングの雰囲気温度が伝搬して、張力のような機械的応力が負荷された状態でも、より高いレベルの信頼性が保証される。

本発明のダイヤモンド材料の使用は、０〜５００℃の温度範囲内で抵抗コンポーネントに対して、殆ど一定の抵抗値を可能にするだけでなく、６００℃以上の温度でも、抵抗層の熱的安定性を保証するという利点がある。ここで考慮される用途に対し、無視してもよい小さな誘電損角ｔａｎｄ_eによって非常に小さいレベルでの寄生出力損失が生じるだけである。それゆえ、ドープされたダイヤモンド（ｐ⁺又はｐ^-）は抵抗コンポーネントに線路として供給するのに適している。

本発明に係る抵抗コンポーネントは、広いスペクトルにおいて有用であり、特に高周波技術において有用である。また、それ自身で又はコプレーナーの配置で、ドープされた導電性のダイヤモンドの層の形態における抵抗要素のように、多数の種々の形態で有用である。この抵抗要素は、また、減衰パッドとして用いることもできる。

従属項に係る発明のその他の利点は、以下に詳細に記載されている。

電気抵抗コンポーネントは、プレーナー技術において有利に実行されうる。つまり、抵抗区域は、基盤上にドープされた導電性のダイヤモンドの層として形成されるのである。このコンポーネントの製造において、マイクロ技術及びマイクロ電子技術の伝統的な方法が層形成技術に適用され、隣接する層又は環境に対する熱損失が保証される。

基盤として、非導体ダイヤモンド及び／又は高結晶性非導体ダイヤモンド（ＨＯＤ）を使用することは、好ましいことである。非常に良好な電気絶縁体が用いられるこの方法において、これは高周波領域においてさえ高絶縁性である。そして、これはドープされた導電性のダイヤモンドで作られた抵抗区域と殆ど同一の材料特性を持っている。前述されたように、材料の弾性のような機械的特性だけでなく、特に熱的特性も重要である。

非導体ダイヤモンドで作られた基盤に代えて、他の基盤又は非導体ダイヤモンド或いはＨＯＤの層を持つ他の基盤も用いられる。他の基盤の材料としては、ケイ素，窒化ケイ素，炭化ケイ素，酸化ケイ素，二酸化ケイ素，イリジウム，ガラス，耐火性の金属，ガラス由来の炭化物，サファイア，酸化マグネシウム，黒鉛（グラファイト），ゲルマニウム，ニオブ，タンタル，チタン，タングステン，炭化タングステン，炭化チタン及び窒化チタンよりなる群から選ばれた材料が好適である。非導体ダイヤモンド層の絶縁特性は、それがドープされた導電性のダイヤモンドから作られた抵抗区域と隣接していても、その固有の絶縁特性を示す。基盤もまた、それ自身、層として形成される。

それぞれの場合において、電気抵抗コンポーネントは、基盤に近接しているヒートシンクを備えているため、基盤である非導体ダイヤモンドの熱導電特性は有利に利用しうる。つまり、ダイヤモンドによって又は基盤によって伝搬した熱は消費されるのである。基盤は膜として形成されていてもよいし、この膜は冷却材と直接接触していてもよい。ダイヤモンドの高レベルな熱伝導特性は、コンポーネントによって生じる熱を最も効果的な方法で消費することを意味している。

コンポーネント中のダイヤモンド抵抗区域はｐ^-ドープ型か又はｎ^-ドープ型である。ドーピングは、ホウ素，イオウ，リン，黒鉛（グラファイト），ダイヤモンド，ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ），リチウム，水素，窒素及びＳｐ²結合を持つ炭素よりなる物質から選ばれた少なくとも１種を用いて行われる。非常に強いドーピング、たとえばホウ素でドープされたダイヤモンド抵抗区域におけるｐ＝１０¹⁹ｃｍ^-3のドーピングは、抵抗区域の電気抵抗が殆ど温度に依存していないという利点がある。これは、抵抗器を形成している材料の効果的な活性エネルギーを実用的に無限に低くしうるからである。

抵抗区域が異なった物質及び／又は異なった強度でドープされた複数の異なったサブ区域よりなるものであれば、抵抗コンポーネントの特性は、用途ごとの広い範囲で選択することができる。たとえば、抵抗値を周囲のｐＨ値のような環境の影響に依存させることもできる。

ドーパント物質の濃度を選択することによって、さらに、抵抗器の熱依存性をコントロールすることもできる。

本発明のその他の利点は、コンポーネントの幾何学的形状を調整しうることである。たとえば、抵抗コンポーネントの長さを決定するために、調整メッキを行うことができ、このため抵抗値は任意に調整しうる。加えて、長さを固定しドーピングを変化させること、つまり、固定長で種々のドーピングを行うことにより抵抗値を決定することができる。

抵抗区域のメッキは、コンタクトを与えるために設計される。コンタクトは、また裏面に設けられてもよい。メッキのために用いられる材料は、Ｔｉ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕ，ＴｉＷ，ＷＣ，ＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｂｅ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｎｉ，耐火性金属，Ｃｒ，Ｓｎ及びＢａ，これらの金属の層及び／又はこれらの金属を互いに加えた各合金よりなる群から選ばれたものを採用するのが好ましい。

本発明の好ましい方法は、基盤上に複数、２〜１０の個々の要素を積層することである。これによって、本発明のコンポーネントは十分に実用性が向上する。

本発明のコンポーネントは、電力終端抵抗器として形成されたとき、特に効果的である。また、これは、インピーダンスレベルが約５０〜７０Ωである高周波技術に特に適している。

抵抗コンポーネントの製造のため、基盤上に、抵抗層のダイヤモンドが成長し、この成長過程で、ドーピングされる物質は、抵抗区域のダイヤモンドと一体化される。このため、ドープされた導電性のダイヤモンド層と非導体ダイヤモンド層から作られた全体がダイヤモンド構造のサブ区域は、技術的に簡単に、そして、いかなるコンタクト工程をも遅らすこと無しに実現しうる。たとえば、そのような工程は、ＣＶＤ（化学成長気相法）或いはＭＷＰＥＣＶＤ（マイクロ波プラズマＣＶＤ）を用いることによって、又は熱フィラメントＣＶＤ或いは火炎ＣＶＤ或いは水素メタンプラズマ法を用いることによって、行うことができる。

本発明の利点は、電圧を負荷するための金属メッキに、ダイヤモンド抵抗区域を当接させうることである。また、コンタクトは裏面から適用されてもよい。

互いに異なった抵抗区域が、製造工程で異なった物質及び／又は異なった程度でドープされるとき、エッチング工程又は製造工程中における選択された成長の手段を技術的に組み合わせるという変形が可能である。

図１は、層化技術（プレーナー技術）で形成された抵抗コンポーネントの断面図である。たとえば、金属で作られたコンタクト１によって、抵抗区域２に、張力が負荷される。抵抗区域２は、基盤３上の抵抗層として形成されている。抵抗層２はドープされた導電性のダイヤモンド−この場合において、ホウ素でのｐ⁺ドープ型であり、ドーパントの濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3より高く−で形成されており、一方、基盤は非導体ダイヤモンドで形成されているが、ここで他の基盤材料も用いることができる。しかし、材料特性の点から、ダイヤモンドは良好な電気絶縁性と同時に優れた熱伝導性と低い熱容量を持っているので、基盤である非導体材料として又は抵抗層或いは基盤層に隣接する抵抗区域の材料として、好ましい。

ここで、コンタクト１は金属メッキで形成することができる。メッキは、Ｔｉ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕ，ＴｉＷ，ＷＣ，ＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｂｅ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｎｉ，耐火性金属，Ｃｒ，Ｓｎ及び／又はＢａ，これらの金属の層及びこれらの金属を互いに加えた各合金よりなる群から選ばれた材料が用いられる。

基盤３は非導体ダイヤモンドで作られ、ヒートシンク４に隣接している。ヒートシンク４は、ケイ素，アルミニウム又は水で形成され、集められた熱を消費する。コンタクト１に電力が適用され、抵抗区域２中に熱が移動し、基盤３上の抵抗区域により空間的に均一に、かつ、速やかに熱が伝導する。ドープされた導電性のダイヤモンド材料は、１．５ＧＷ／ｃｍ³未満であって、高レベルの安定性を持っているので、電流を熱に変換するための抵抗区域２に必要とされる面積は、小さくてよい。

基盤層３は、電気的に非導体のダイヤモンドで形成されており、強い絶縁体として機能する。それにも拘らず、抵抗区域２で集められた熱を、隣接するヒートシンク４に移動させる良好な特性を持っている。

この例において、抵抗コンポーネントは、ＣＶＤ（化学気相成長法）を用い、基盤上にダイヤモンドを成長させることによって製造される。そして、抵抗層２のダイヤモンドへのドーピングは、この成長工程ですでに採用されてい。ここで、この基盤材料として、たとえばケイ素からなるヒートシンク４を用いることができる。そして、このヒートシンク上に電気的に非導体のダイヤモンドからなる基盤層３を成長させ、次いで導電性ドーパントを包含させて、この基盤層上に抵抗層２を成長させる。このとき、種々の物質で又は種々の強度で、種々の異なった区域にドープさせてもよい。そして、メッキ又はコンタクト１を当接する抵抗層２の各区域はまた、エッチング工程を用いることにより、互いに分離させうる。

平面図は、電気回路内に配設されている抵抗コンポーネントを描いたものである。抵抗区域２は、線路１として供給されているコンタクトと電気的に接続されている。基盤及びヒートシンクは、もはや詳細に描かれず、縁を形成している。隠れている各層は、図１の断面図に類似した構造となっている。

抵抗コンポーネントの平面図は、高周波技術で、どのようにして、それが使用されるのかが描かれている。抵抗区域２は、いわゆるコプレーナー技術で、基盤上の電力源１に水平に設けられる。電力源は三つの部分からなる。中央のものが、いわゆる信号導体で、囲んでいる二つのものが、いわゆる質量導体である。ここで、図１に相当する基盤層とヒートシンクは示されていない。電磁波のような対称的な波の路程が、この配列によって保証される。ダイヤモンドは、その相対誘電率ｅ_rが５．７〜５．８であり、その他の材料の場合と比べて、空気の相対誘電率ｅ_r＝５．７と殆ど変わらないという利点がある。この導体配列において、電力波のためのより良い路程が、この方法で保証される。基盤として、ドープされていないダイヤモンドを使用することは、次のような利点がある。すなわち、ドープされていないダイヤモンドは名目的には極めて良好な絶縁体であって、２０ＧＨｚの条件（幾何形状での導体の状態：２μｍの金、ダイヤモンド層の状態：３０μの膜、スロット幅：２０μｍ、質量−質量置換：２００μｍの条件）下で、０．０２５〜０．０３ｄＢ／ｍｍの値を持っているので、一般に用いられている材料よりも絶縁の誘電がより低いという利点がある。

それゆえ、高周波技術においては、一般的に、５０〜７０オームのインピーダンスとなるように構造を調整することが、顕著に軽減される。

抵抗材料の導体特性は、殆ど温度依存性が無いので、広範囲の温度による調整が保証される。機能的に等価の設計が、マイクロストリップ導体技術においても、また高周波技術に用いられる他の導体構造においても、採用されうる。

層化技術で得られた抵抗コンポーネントの断面図であり、ヒートシンクが付加されている。 コプレーナー技術で設計され、高周波技術に適用される抵抗コンポーネントの平面図である。

符号の説明

１ コンタクト
２ 抵抗区域又は抵抗層
３ 基盤
４ ヒートシンク

Claims (31)

1. 抵抗区域と電気的に接続される接触子とを備えた電気抵抗コンポーネントであって、該抵抗区域の少なくとも一部が導電性ダイヤモンドで形成されていることを特徴とする電気抵抗コンポーネント。
2. 電気抵抗コンポーネントは、基盤を含み、かつ、該基盤上に少なくとも一層の抵抗区域を形成するプレーナー技術で得られる請求項１記載の電気抵抗コンポーネント。
3. ダイヤモンドで形成された抵抗区域は、ｐ型ドープ又はｎ型ドープされている請求項１記載又は２記載の電気抵抗コンポーネント。
4. ドーパントは、ホウ素，イオウ，リン，ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ），リチウム，水素，窒素及びＳｐ²結合を持つ炭素よりなる物質から選ばれた少なくとも１種である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
5. ダイヤモンドで形成された抵抗区域中において、ドープする物質の濃度が高いため、該抵抗区域の電気抵抗は、殆ど温度に依存しない請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
6. 抵抗区域が、種々の物質及び／又は種々の強度でドープされている種々のサブ区域で構成される請求項１乃至５のいずれか一項記載の電気抵抗コンポーネント。
7. 基盤の素材が、ダイヤモンド，高結晶性ダイヤモンド，ケイ素，窒化ケイ素，炭化ケイ素，酸化ケイ素，イリジウム，耐火性金属，耐火性金属の炭化物，サファイア，酸化マグネシウム，黒鉛（グラファイト），ゲルマニウム，ニオブ，タンタル，チタン，タングステン，炭化タングステン，炭化チタン及び窒化チタンよりなる群から選ばれた少なくとも１種である請求項２及び請求項２を引用する請求項３乃至６のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
8. 基盤が層として形成されている請求項２及び請求項２を引用する請求項３乃至７のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
9. 基盤が少なくとも二つの層で形成されており、かつ、一つの層は、抵抗区域に当接して、電気絶縁性ダイヤモンド及び／又は高結晶性ダイヤモンド（ＨＯＤ）で形成されている請求項８記載の電気抵抗コンポーネント。
10. ヒートシンクが基盤に当接して形成されている請求項２及び請求項２を引用する請求項３乃至９のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
11. コンポーネントにヒートシンクが付加されている請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
12. コンポーネントに絶縁性カバープレート装置が付加されている請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
13. カバープレート装置が、絶縁性ダイヤモンドで形成されている請求項１２記載の電気抵抗コンポーネント。
14. コンタクトを形成するために抵抗に当接してメッキされ、該メッキ材料は、Ｔｉ，Ｗ，Ｐｔ，Ａｕ，ＴｉＷ，ＷＣ，ＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｂｅ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｎｉ，耐火性金属，Ｃｒ，Ｓｎ及び／又はＢａ，これらの金属の層及び／又はこれらの金属を互いに加えた各合金よりなる群から選ばれた少なくとも１種である請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
15. コンタクトは、裏面から形成されている請求項１４記載の電気抵抗コンポーネント。
16. 基盤が膜で形成されている請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
17. 膜が裏面に配置された冷却システムとなっている請求項１６記載の電気抵抗コンポーネント。
18. 複数（好ましくは２〜１０）の抵抗要素が、基盤上に配置されている請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
19. コプレーナー導体中に積層されている請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
20. 導体の終端抵抗器である請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
21. 抵抗区域がダイヤモンドで形成され、ドーパントの成長工程が導入される請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネントの製造方法。
22. 成長工程として、ＣＶＤ（化学成長気相法），ＭＷＰＥＣＶＤ（マイクロ波プラズマＣＶＤ），熱フィラメントＣＶＤ，火炎ＣＶＤ及び水素メタンプラズマ法よりなる群から選ばれた一つを用いる請求項２１記載の電気抵抗コンポーネントの製造方法。
23. 抵抗区域が、電圧負荷のためのメッキに当接している請求項２１又は２２記載の電気抵抗コンポーネントの製造方法。
24. 抵抗区域中の異質のサブ区域は、異なった物質及び／又は異なった強度でドープされて形成される請求項２１乃至２３のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネントの製造方法。
25. 抵抗区域中の異質のサブ区域は、エッチング手段で相互に分離されている請求項２１乃至２４のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネントの製造方法。
26. 複数の抵抗要素が、一つの製造工程で、同一基盤上に同時期に形成される請求項２１乃至２５のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネントの製造方法。
27. 各抵抗要素の電気的特性は、各抵抗要素の形状によって決定される請求項２１乃至２６のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネントの製造方法。
28. 抵抗区域の抵抗表面が、Ｏ，Ｆ及び／又はＨで成端されている請求項２１乃至２７のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネントの製造方法。
29. 減衰パッドの形態で用いられる請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
30. 高周波技術において、導体の終端抵抗器として用いられる請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の電気抵抗コンポーネント。
31. ５０〜７０Ωのインピーダンスである高周波システムに適用される請求項３０記載の電気抵抗コンポーネント。

Images