JP2013211433A - フィルム型サーミスタセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 表面実装が可能であり、さらにフィルム等に非焼成で直接成膜することができるフィルム型サーミスタセンサを提供すること。
【解決手段】 絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の表面に形成された薄膜サーミスタ部３と、互いに対向した一対の対向電極部４ａを薄膜サーミスタ部の上又は下に配して絶縁性フィルムの表面に形成された一対の表面パターン電極４と、絶縁性フィルムの裏面に一対の表面パターン電極の一部に対向して形成された一対の裏面パターン電極５とを備え、表面パターン電極と裏面パターン電極とが、絶縁性フィルムに貫通状態に形成されたビアホール２ａを介して電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に表面実装可能な温度センサとして好適なフィルム型サーミスタセンサに関する。

温度センサ等に使用されるサーミスタ材料は、高精度、高感度のために、高いＢ定数が求められている。従来、このようなサーミスタ材料には、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｆｅ等の遷移金属酸化物が一般的である（特許文献１及び２参照）。また、これらのサーミスタ材料では、安定なサーミスタ特性を得るために、６００℃以上の焼成が必要である。

また、上記のような金属酸化物からなるサーミスタ材料の他に、例えば特許文献３では、一般式：Ｍ_ｘＡ_ｙＮ_ｚ（但し、ＭはＴａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ及びＺｒの少なくとも１種、ＡはＡｌ，Ｓｉ及びＢの少なくとも１種を示す。０．１≦ｘ≦０．８、０＜ｙ≦０．６、０．１≦ｚ≦０．８、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される窒化物からなるサーミスタ用材料が提案されている。また、この特許文献３では、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料で、０．５≦ｘ≦０．８、０．１≦ｙ≦０．５、０．２≦ｚ≦０．７、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１としたものだけが実施例として記載されている。このＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料では、上記元素を含む材料をターゲットとして用い、窒素ガス含有雰囲気中でスパッタリングを行って作製されている。また、必要に応じて、得られた薄膜を３５０〜６００℃で熱処理を行っている。

特開２００３−２２６５７３号公報 特開２００６−３２４５２０号公報 特開２００４−３１９７３７号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
近年、樹脂フィルム上にサーミスタ材料を形成したフィルム型サーミスタセンサの開発が検討されており、フィルムに直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれている。すなわち、フィルムを用いることで、フレキシブルなサーミスタセンサが得られることが期待される。さらに、０．１ｍｍ程度の厚さを持つ非常に薄いサーミスタセンサの開発が望まれているが、従来はアルミナ等のセラミックス材料を用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、フィルムを用いることで非常に薄いサーミスタセンサが得られることが期待される。
従来、薄膜のサーミスタ材料層を形成した温度センサでは、フィルム表面にサーミスタ材料層と電極層とを積層して形成し、温度センサと外部の回路等との電気的接続は、フィルム表面の電極層にはんだ付け等で接続したリード線を介して行っている。しかしながら、この接続構造では、基板上に直接、温度センサを表面実装して電気的接続を行うことができないという不都合があった。
また、樹脂材料で構成されるフィルムは、一般的に耐熱温度が１５０℃以下と低く、比較的耐熱温度の高い材料として知られるポリイミドでも２００℃程度の耐熱性しかないため、サーミスタ材料の形成工程において熱処理が加わる場合は、適用が困難であった。上記従来の酸化物サーミスタ材料では、所望のサーミスタ特性を実現するために６００℃以上の焼成が必要であり、フィルムに直接成膜したフィルム型サーミスタセンサを実現できないという問題点があった。そのため、非焼成で直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれているが、上記特許文献３に記載のサーミスタ材料でも、所望のサーミスタ特性を得るために、必要に応じて、得られた薄膜を３５０〜６００℃で熱処理する必要があった。また、このサーミスタ材料では、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料の実施例において、Ｂ定数：５００〜３０００Ｋ程度の材料が得られているが、耐熱性に関する記述がなく、窒化物系材料の熱的信頼性が不明であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、表面実装が可能であり、さらにフィルムに非焼成で直接成膜することができるフィルム型サーミスタセンサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るフィルム型サーミスタセンサは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの表面に形成された薄膜サーミスタ部と、互いに対向した一対の対向電極部を前記薄膜サーミスタ部の上又は下に配して前記絶縁性フィルムの表面に形成された一対の表面パターン電極と、前記絶縁性フィルムの裏面に一対の前記表面パターン電極の一部に対向して形成された一対の裏面パターン電極とを備え、前記表面パターン電極と前記裏面パターン電極とが、前記絶縁性フィルムに貫通状態に形成されたビアホールを介して電気的に接続されていることを特徴とする。

このフィルム型サーミスタセンサでは、表面パターン電極と裏面パターン電極とが、薄膜サーミスタ部が形成された絶縁性フィルムに、貫通状態に形成されたビアホールを介して電気的に接続されているので、回路基板等に直接、表面実装することで、裏面パターン電極又は表面パターン電極が端子部となって電気的接続が可能である。したがって、薄くて表面実装が可能なフィルム型サーミスタセンサにより、温度計測の応答性が早くなると共に、回路基板等に実装されたＩＣ等の下の狭い空間でも実装することが可能になる。これにより、ＩＣの直下でＩＣの温度を直接測定することも可能になる。
また、表裏面に端子部となる表面パターン電極と裏面パターン電極とが形成されているので、表裏の区別なく表面実装することができる。この際、表裏面のどちら側で実装しても、薄い絶縁性フィルムを用いているので、応答性に差が生じ難い。さらに、表面パターン電極と裏面パターン電極とがビアホールを介して接続されているので、アンカー効果によってはんだ実装時に絶縁性フィルムと表面パターン電極又は裏面パターン電極とが剥がれ難くなる。特に、ある程度曲げた状態でも設置可能な薄膜サーミスタ部を用いたフィルム型であるため、半導体技術に用いられるビアホールによる裏面への電気的接続だけでなく、曲げやたわみ状態においても、ビアホールのアンカー効果によって割れや剥がれの発生を抑制することができるというフィルム型センサ特有の効果を得ることができる。

第２の発明に係るフィルム型サーミスタセンサは、第１の発明において、前記ビアホールが、前記表面パターン電極毎に複数配され、少なくとも前記表面パターン電極又は前記裏面パターン電極の角部近傍に形成されていることを特徴とする。
すなわち、このフィルム型サーミスタセンサでは、ビアホールが、表面パターン電極毎に複数配され、少なくとも表面パターン電極又は裏面パターン電極の角部近傍に形成されているので、より高いアンカー効果を得ることができ、特に剥がれが生じ易いパターン電極の角部近傍の接着強度を向上させることができる。

第３の発明に係るフィルム型サーミスタセンサは、第１又は第２の発明において、前記薄膜サーミスタ部上に積層され樹脂で形成された保護膜を備えていることを特徴とする。
すなわち、このフィルム型サーミスタセンサでは、薄膜サーミスタ部上に積層され樹脂で形成された保護膜を備えているので、絶縁性フィルムの表面側を基板に向けて表面実装した場合やＩＣの下に実装した場合でも、薄膜サーミスタ部を保護膜により基板やＩＣに対して絶縁することができる。また、薄膜サーミスタ部が、絶縁性フィルムと保護膜との間に配されて厚み方向の略中心に位置するため、表裏の区別なく実装しても応答性にほとんど差が生じない。

第４の発明に係るフィルム型サーミスタセンサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記薄膜サーミスタ部が、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする。

本発明者らは、窒化物材料の中でもＡｌＮ系に着目し、鋭意、研究を進めたところ、絶縁体であるＡｌＮは、最適なサーミスタ特性（Ｂ定数：１０００〜６０００Ｋ程度）を得ることが難しいため、Ａｌサイトを電気伝導を向上させる特定の金属元素で置換すると共に、特定の結晶構造とすることで、非焼成で良好なＢ定数と耐熱性とが得られることを見出した。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。

なお、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．７０未満であると、ウルツ鉱型の単相が得られず、ＮａＣｌ型相との共存相又はＮａＣｌ型相のみの相となってしまい、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
また、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．９５をこえると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．４未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
さらに、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．５を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることに起因する。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るフィルム型サーミスタセンサによれば、表面パターン電極と裏面パターン電極とが、薄膜サーミスタ部が形成された絶縁性フィルムに、貫通状態に形成されたビアホールを介して電気的に接続されているので、表裏の区別なく回路基板等に表面実装可能である。
さらに、薄膜サーミスタ部を、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である材料とすることで、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性が得られる。
したがって、本発明のフィルム型サーミスタセンサによれば、薄く柔軟で応答性に優れ、携帯機器内などの回路基板に搭載したＩＣ等の下など、多様な箇所に表面実装可能であると共に、高精度な温度測定が可能になる。

本発明に係るフィルム型サーミスタセンサの第１実施形態において、フィルム型サーミスタセンサを示す断面図、平面図及び裏面図である。 第１実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すＴｉ−Ａｌ−Ｎ系３元系相図である。 第１実施形態において、薄膜サーミスタ部の形成工程を示す断面図及び平面図である。 第１実施形態において、ビアホール用貫通孔の形成工程を示す断面図及び平面図である。 第１実施形態において、電極層及びビアホールの形成工程を示す断面図、平面図及び裏面図である。 第１実施形態において、ドライフィルムのパターン形成工程を示す断面図、平面図及び裏面図である。 第１実施形態において、パターン電極のパターン形成工程を示す断面図、平面図及び裏面図である。 第１実施形態において、保護膜のパターン形成工程を示す断面図及び平面図である。 第１実施形態において、Ｃｕめっきによるビア埋め工程を示す断面図及び平面図である。 本発明に係るフィルム型サーミスタセンサの第２実施形態において、フィルム型サーミスタセンサを示す断面図、平面図及び裏面図である。 本発明に係るフィルム型サーミスタセンサの実施例において、サーミスタ用金属窒化物材料の膜評価用素子を示す正面図及び平面図である。 本発明に係る実施例及び比較例において、２５℃抵抗率とＢ定数との関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例及び比較例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４としたｃ軸配向が強い場合におけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３としたａ軸配向が強い場合におけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。 本発明に係る比較例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６０とした場合におけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、ａ軸配向の強い実施例とｃ軸配向の強い実施例とを比較したＡｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、ｃ軸配向が強い実施例を示す断面ＳＥＭ写真である。 本発明に係る実施例において、ａ軸配向が強い実施例を示す断面ＳＥＭ写真である。

以下、本発明に係るフィルム型サーミスタセンサにおける第１実施形態を、図１から図９を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。

第１実施形態のフィルム型サーミスタセンサ１は、図１に示すように、絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の表面に形成された薄膜サーミスタ部３と、互いに対向した一対の対向電極部４ａを薄膜サーミスタ部３の上に配して絶縁性フィルム２の表面に形成された一対の表面パターン電極４と、絶縁性フィルム２の裏面に一対の表面パターン電極４の一部に対向して形成された一対の裏面パターン電極５と、薄膜サーミスタ部３上に積層され樹脂で形成された保護膜６とを備えている。
また、上記表面パターン電極４と裏面パターン電極５とは、絶縁性フィルム２に貫通状態に形成されたビアホール２ａを介して電気的に接続されている。

上記絶縁性フィルム２は、例えばポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルムとしては、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート等でも構わない。
上記薄膜サーミスタ部３は、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部３は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。

上記表面パターン電極４及び裏面パターン電極５は、Ｃｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＣｕやＡｕ等で形成された電極層とを有している。
一対の表面パターン電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成され互いに対向状態に配した櫛形パターンの一対の櫛形電極部である上記対向電極部４ａと、これら対向電極部４ａに接続され絶縁性フィルム２の両端部の表面上に形成された一対の表面端子部４ｂとを有している。

また、一対の裏面パターン電極５は、一対の表面端子部４ｂに対向した位置であって絶縁性フィルム２の裏面に略矩形状にパターン形成されている。
上記ビアホール２ａは、裏面パターン電極５の中央に形成されている。
上記保護膜６は、例えばポリイミド系樹脂で薄膜サーミスタ部３よりも大きな矩形状にパターン形成されている。

上記薄膜サーミスタ部３は、上述したように、金属窒化物材料であって、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型（空間群Ｐ６_３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））の単相である。すなわち、この金属窒化物材料は、図２に示すように、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系３元系相図における点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内の組成を有し、結晶相がウルツ鉱型である金属窒化物である。
なお、上記点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各組成比（ｘ、ｙ、ｚ）（原子％）は、Ａ（１５、３５、５０），Ｂ（２．５、４７．５、５０），Ｃ（３、５７、４０），Ｄ（１８、４２、４０）である。

また、この薄膜サーミスタ部３は、膜状に形成され、前記膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶である。さらに、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向していることが好ましい。
なお、膜の表面に対して垂直方向（膜厚方向）にａ軸配向（１００）が強いかｃ軸配向（００２）が強いかの判断は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて結晶軸の配向性を調べることで、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比から、「（１００）のピーク強度」／「（００２）のピーク強度」が１未満であることで決定する。

このフィルム型サーミスタセンサ１の製造方法について、図３から図１０を参照して以下に説明する。
本実施形態のフィルム型サーミスタセンサ１の製造方法は、絶縁性フィルム２上に薄膜サーミスタ部３をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、絶縁性フィルム２にビアホール２ａとなる一対の貫通孔２ｂを形成する工程と、これら貫通孔２ｂ内面に金属膜を形成してビアホール２ａを形成する工程と、互いに対向した一対の対向電極部４ａを薄膜サーミスタ部３上に配して絶縁性フィルム２の表面に一対の表面パターン電極４をパターン形成すると共に裏面に一対の裏面パターン電極５をパターン形成する電極形成工程と、薄膜サーミスタ部３上に保護膜６をパターン形成する工程と、ビアホール２ａ内を金属で埋める工程とを有している。

より具体的な製造方法の例としては、厚さ２５μｍで長方形状のポリイミドフィルムの絶縁性フィルム２の表面にＴｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝９、ｙ＝４３、ｚ＝４８）のサーミスタ材料層を膜厚２００ｎｍで成膜する。そのときのスパッタ条件は、到達真空度５×１０^−６Ｐａ、スパッタガス圧０．４Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）２００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を２０％で作製する。

その上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なサーミスタ材料層を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて０．８×０．８ｍｍの薄膜サーミスタ部３とする。このように、図３に示すように、正方形状の薄膜サーミスタ部３が絶縁性フィルム２表面の中央に形成される。なお、図３の（ｂ）及び図４の（ｂ）において、薄膜サーミスタ部３にはハッチングを施している。

次に、図４に示すように、絶縁性フィルム２の端子部（裏面パターン電極５）を形成する予定の領域の中央に、ＹＡＧレーザにて直径φ２５μｍの貫通孔２ｂを形成する。さらに、図５に示すように、絶縁性フィルム２の両面にスパッタ法にてＣｒ膜を２０ｎｍ形成し、さらにＣｕ膜を１００ｎｍ成膜してＣｒ／Ｃｕ膜７を形成する。このとき、貫通孔２ｂの内面には、表裏面から連続してＣｒ膜とＣｕ膜とが積層状態に成膜されてビアホール２ａが形成される。なお、図５の（ｂ）（ｃ）において、Ｃｒ／Ｃｕ膜７にはハッチングを施している。

次に、図６に示すように、絶縁性フィルム２両面のＣｕ膜の上に、市販のドライフィルム８を１１０℃の熱圧着で両面に形成する。さらに、露光装置で感光後、市販の現像液で不要部分を除去し、不要な電極部分を市販のＣｕエッチャント、Ｃｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行う。なお、図６の（ｂ）（ｃ）において、ドライフィルム８にはハッチングを施している。さらに、ドライフィルム８を市販の剥離液で除去し、図７に示すように、絶縁性フィルム２の表面には、対向電極部４ａと表面端子部４ｂとからなる表面パターン電極４をパターン形成し、絶縁性フィルム２の裏面には、ビアホール２ａを通して表面端子部４ｂに繋がっている裏面パターン電極５をパターン形成する。

次に、薄膜サーミスタ部３を覆うように、ポリイミド系樹脂をスクリーン印刷し、２００℃にて焼成し、図８に示すように、厚さ２５μｍのポリイミド系樹脂保護膜６を形成する。さらに、絶縁性フィルム２両面の端子部となる表面端子部４ｂ及び裏面パターン電極５のＣｕ表面の酸化を酸で除去後、図９に示すように、電界Ｃｕめっきにて直径φ２５μｍのビアホール２ａをＣｕにて埋める。また、その際、表面端子部４ｂ及び裏面パターン電極５の表面には、Ｃｕめっきが１０μｍ形成される。

次に、無電解めっきにて、表面端子部４ｂ及び裏面パターン電極５のＣｕ上にＮｉを３μｍ、さらにその上にＳｎを５μｍ形成することで、図１に示すように、表面端子部４ｂ及び裏面パターン電極５の表面層となるＮｉ／Ｓｎめっき膜９が形成される。

なお、複数のフィルム型サーミスタセンサ１を同時に作製する場合、絶縁性フィルム２の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部３、表面パターン電極４、裏面パターン電極５及び保護膜６等を上述のように形成した後に、大判シートから各フィルム型サーミスタセンサ１に切断する。
このようにして、例えばサイズを２．０×１．２ｍｍとし、厚さを０．０７ｍｍとした薄く、端子部が両面にある表面実装型のフィルム型サーミスタセンサ１が得られる。

このように本実施形態のフィルム型サーミスタセンサ１では、表面パターン電極４と裏面パターン電極５とが、薄膜サーミスタ部３が形成された絶縁性フィルム２に、貫通状態に形成されたビアホール２ａを介して電気的に接続されているので、回路基板等に直接、表面実装することで、裏面パターン電極５又は表面パターン電極４が端子部となって電気的接続が可能である。したがって、薄くて表面実装が可能なフィルム型サーミスタセンサ１により、温度計測の応答性が早くなると共に、回路基板等に実装されたＩＣ等の下の狭い空間でも実装することが可能になる。これにより、ＩＣの直下でＩＣの温度を直接測定することも可能になる。

特に、ある程度曲げた状態でも設置可能な薄膜サーミスタ部３を用いたフィルム型であるため、半導体技術に用いられるビアホールによる裏面への電気的接続だけでなく、曲げやたわみ状態においても、ビアホール２ａのアンカー効果によって割れや剥がれの発生を抑制することができるというフィルム型センサ特有の効果を得ることができる。

また、表裏面に端子部となる表面パターン電極４と裏面パターン電極５とが形成されているので、表裏の区別なく表面実装することができる。この際、表裏面のどちら側で実装しても、薄い絶縁性フィルム２を用いているので、応答性に差が生じ難い。さらに、表面パターン電極４と裏面パターン電極５とがビアホール２ａを介して接続されているので、アンカー効果によってはんだ実装時に絶縁性フィルム２と表面パターン電極４又は裏面パターン電極５とが剥がれ難くなる。

さらに、薄膜サーミスタ部３上に積層され樹脂で形成された保護膜６を備えているので、絶縁性フィルム２の表面側を基板に向けて表面実装した場合やＩＣの下に実装した場合でも、薄膜サーミスタ部３を保護膜６により基板やＩＣに対して絶縁することができる。また、薄膜サーミスタ部３が、絶縁性フィルム２と保護膜６との間に配されて厚み方向の略中心に位置するため、表裏の区別なく実装しても応答性にほとんど差が生じない。

また、薄膜サーミスタ部３が、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸を強く配向させることで、ａ軸配向が強い場合に比べて高いＢ定数が得られる。

なお、本実施形態のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部３）の製造方法では、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜するので、上記ＴｉＡｌＮからなる上記金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、０．６７Ｐａ未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。

したがって、本実施形態のフィルム型サーミスタセンサ１では、絶縁性フィルム２上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部３が形成されているので、非焼成で形成され高Ｂ定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部３により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム２を用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
また、従来アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、例えば、厚さ０．１ｍｍ以下の非常に薄いフィルム型サーミスタセンサを得ることができる。

次に、本発明に係るフィルム型サーミスタセンサの第２実施形態について、図１０を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、ビアホール２ａが一つの表面パターン電極４に対して１つ設けられているのに対し、第２実施形態のフィルム型サーミスタセンサ２１では、図１０に示すように、ビアホール２ａが、表面パターン電極４毎に複数配され、少なくとも表面パターン電極４又は裏面パターン電極５の角部近傍に形成されている点である。

すなわち、第２実施形態では、ビアホール２ａが、表面パターン電極４毎に５つずつ設けられており、表面端子部４ｂ及び裏面パターン電極５の中央に１つ形成されていると共に、これらの四隅に１つずつ形成されている。
このように第２実施形態のフィルム型サーミスタセンサ２１では、ビアホール２ａが、表面パターン電極４毎に複数配され、少なくとも表面パターン電極４又は裏面パターン電極５の角部近傍に形成されているので、より高いアンカー効果を得ることができ、特に剥がれが生じ易いパターン電極の角部近傍の接着強度を向上させることができる。

次に、本発明に係るフィルム型サーミスタセンサについて、上記第１実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を、図１１から図１９を参照して具体的に説明する。

＜表面実装でのたわみ試験評価＞
上記第１実施形態に基づいて作製したフィルム型サーミスタセンサのたわみ試験用の実施例を、厚さ０．８ｍｍのガラエポ基板にはんだ実装し、たわみ試験を行った。試験条件は、実装面とは反対面から曲率３４０ｍｍの治具でたわみ量が１ｍｍになるまで毎秒０．５ｍｍの速さで加圧し、１０秒保持した後に戻した。このたわみ試験前後に電気特性変化を測定し、試験後にフィルム型サーミスタセンサを観察した。

なお、たわみ試験用の比較例として０．５ｍｍ厚のアルミナフィルムに遷移金属酸化物（ＭｎＣｏＮｉ系）の薄膜サーミスタ部を形成し、端子部にはんだ用めっきを施し、２．０×１．２×０．０７ｍｍの薄膜サーミスタチップを作製した。このたわみ試験用の比較例についても、厚さ０．８ｍｍのガラエポ基板にはんだ実装し、上記実施例と同様に、たわみ試験を行った。
その結果、上記比較例では薄膜サーミスタチップが割れたのに対し、本実施例では割れや剥がれが生じずに外観上も問題なく、抵抗値変化率及びＢ定数変化率とも０．１％以下であって電気特性も良好であった。

＜膜評価用素子の作製＞
本発明のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部３）の評価を行う実施例及び比較例として、図１１に示す膜評価用素子１２１を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、Ｓｉ基板Ｓとなる熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、厚さ５００ｎｍの表１に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部３を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度：５×１０^−６Ｐａ、スパッタガス圧：０．１〜１Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）：１００〜５００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を１０〜１００％と変えて作製した。

次に、上記薄膜サーミスタ部３の上に、スパッタ法でＣｒ膜を２０ｎｍ形成し、さらにＡｕ膜を２００ｎｍ形成した。さらに、その上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行った。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントによりウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部１２４ａを有するパターン電極１２４を形成した。そして、これをチップ状にダイシングして、Ｂ定数評価及び耐熱性試験用の膜評価用素子１２１とした。
なお、比較としてＴｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。

＜膜の評価＞
（１）組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。このＸＰＳでは、Ａｒスパッタにより、最表面から深さ２０ｎｍのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表１に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子％」で示している。

なお、上記Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）は、Ｘ線源をＭｇＫα（３５０Ｗ）とし、パスエネルギー：５８．５ｅＶ、測定間隔：０．１２５ｅＶ、試料面に対する光電子取り出し角：４５ｄｅｇ、分析エリアを約８００μｍφの条件下で定量分析を実施した。なお、定量精度について、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）の定量精度は±２％、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の定量精度は±１％ある。

（２）比抵抗測定
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３について、４端子法にて２５℃での比抵抗を測定した。その結果を表１に示す。
（３）Ｂ定数測定
膜評価用素子１２１の２５℃及び５０℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、２５℃と５０℃との抵抗値よりＢ定数を算出した。その結果を表１に示す。

なお、本発明におけるＢ定数算出方法は、上述したように２５℃と５０℃とのそれぞれの抵抗値から以下の式によって求めている。
Ｂ定数（Ｋ）＝ｌｎ（Ｒ２５／Ｒ５０）／（１／Ｔ２５−１／Ｔ５０）
Ｒ２５（Ω）：２５℃における抵抗値
Ｒ５０（Ω）：５０℃における抵抗値
Ｔ２５（Ｋ）：２９８．１５Ｋ ２５℃を絶対温度表示
Ｔ５０（Ｋ）：３２３．１５Ｋ ５０℃を絶対温度表示

これらの結果からわかるように、Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚの組成比が図２に示す３元系の三角図において、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内、すなわち、「０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１」となる領域内の実施例全てで、抵抗率：１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数：１５００Ｋ以上のサーミスタ特性が達成されている。

上記結果から２５℃での抵抗率とＢ定数との関係を示したグラフを、図１２に示す。また、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示したグラフを、図１３に示す。これらのグラフから、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．７〜０．９５、かつ、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．４〜０．５の領域で、結晶系が六方晶のウルツ鉱型の単一相であるものは、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数が１５００Ｋ以上の高抵抗かつ高Ｂ定数の領域が実現できている。なお、図１３のデータにおいて、同じＡｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比に対して、Ｂ定数がばらついているのは、結晶中の窒素量が異なるためである。

表１に示す比較例３〜１２は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域であり、結晶系は立方晶のＮａＣｌ型となっている。また、比較例１２（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６７）では、ＮａＣｌ型とウルツ鉱型とが共存している。このように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域では、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ未満、Ｂ定数が１５００Ｋ未満であり、低抵抗かつ低Ｂ定数の領域であった。

表１に示す比較例１，２は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）が４０％に満たない領域であり、金属が窒化不足の結晶状態になっている。この比較例１，２は、ＮａＣｌ型でも、ウルツ鉱型でもない、非常に結晶性の劣る状態であった。また、これら比較例では、Ｂ定数及び抵抗値が共に非常に小さく、金属的振舞いに近いことがわかった。

（４）薄膜Ｘ線回折（結晶相の同定）
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３を、視斜角入射Ｘ線回折（Grazing Incidence X-ray Diffraction）により、結晶相を同定した。この薄膜Ｘ線回折は、微小角Ｘ線回折実験であり、管球をＣｕとし、入射角を１度とすると共に２θ＝２０〜１３０度の範囲で測定した。一部のサンプルについては、入射角を０度とし、２θ＝２０〜１００度の範囲で測定した。

その結果、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７の領域においては、ウルツ鉱型相（六方晶、ＡｌＮと同じ相）であり、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．６５の領域においては、ＮａＣｌ型相（立方晶、ＴｉＮと同じ相）であった。また、０．６５＜ Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７においては、ウルツ鉱型相とＮａＣｌ型相との共存する結晶相であった。

このようにＴｉＡｌＮ系においては、高抵抗かつ高Ｂ定数の領域は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７のウルツ鉱型相に存在している。なお、本発明の実施例では、不純物相は確認されておらず、ウルツ鉱型の単一相である。
なお、表１に示す比較例１，２は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもＮａＣｌ型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、ＸＲＤのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。

次に、本発明の実施例は全てウルツ鉱型相の膜であり、配向性が強いことから、Ｓｉ基板Ｓ上に垂直な方向（膜厚方向）の結晶軸においてａ軸配向性が強いか、ｃ軸配向性が強いかであるかについて、ＸＲＤを用いて調査した。この際、結晶軸の配向性を調べるために、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比を測定した。

その結果、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ未満で成膜された実施例は、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強く、ａ軸配向性よりｃ軸配向性が強い膜であった。一方、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ以上で成膜された実施例は、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強く、ｃ軸配向よりａ軸配向が強い材料であった。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。

ｃ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１４に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強くなっている。
また、ａ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１５に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強くなっている。

さらに、この実施例について、入射角を０度として、対称反射測定を実施した。この場合も、やはり（００２）よりも（１００）の強度が非常に強く、基板面に対して垂直な方向（膜厚方向）に対して、ｃ軸配向よりもａ軸配向が強かった。なお、グラフ中（＊）は装置由来のピークであり、サンプル本体のピーク、もしくは、不純物相のピークではないことを確認している（なお、対称反射測定において、そのピークが消失していることからも装置由来のピークであることがわかる。）。

なお、比較例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１６に示す。この比較例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６（ＮａＣｌ型、立方晶）であり、入射角を１度として測定した。ウルツ鉱型（空間群Ｐ６_３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））として指数付けできるピークは検出されておらず、ＮａＣｌ型単独相であることを確認した。

次に、ウルツ鉱型材料である本発明の実施例に関して、さらに結晶構造と電気特性との相関を詳細に比較した。
表２及び図１７に示すように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がｃ軸である材料（実施例５，７，８，９）とａ軸である材料（実施例１９，２０，２１）とがある。

これら両者を比較すると、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比が同じであると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、Ｂ定数が１００Ｋ程度大きいことがわかる。また、Ｎ量（Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））に着目すると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、窒素量がわずかに大きいことがわかる。理想的な化学量論比：Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることから、ｃ軸配向が強い材料のほうが、窒素欠陥量が少なく理想的な材料であることがわかる。

＜結晶形態の評価＞
次に、薄膜サーミスタ部３の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きＳｉ基板Ｓ上に成膜された実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４，ウルツ鉱型、六方晶、ｃ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３における断面ＳＥＭ写真を、図１８に示す。また、別の実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３，ウルツ鉱型六方晶、ａ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３における断面ＳＥＭ写真を、図１９に示す。
これら実施例のサンプルは、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断したものを用いている。また、４５°の角度で傾斜観察した写真である。

これらの写真からわかるように、いずれの実施例も高密度な柱状結晶で形成されている。すなわち、ｃ軸配向が強い実施例及びａ軸配向が強い実施例の共に基板面に垂直な方向に柱状の結晶が成長している様子が観測されている。なお、柱状結晶の破断は、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断した際に生じたものである。

＜膜の耐熱試験評価＞
表３に示す実施例及び比較例において、大気中，１２５℃,１０００ｈの耐熱試験前後における抵抗値及びＢ定数を評価した。その結果を表３に示す。なお、比較として従来のＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Ａｌ濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系である比較例と同じＢ定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系のほうが優れている。なお、実施例５，８はｃ軸配向が強い材料であり、実施例２１，２４はａ軸配向が強い材料である。両者を比較すると、ｃ軸配向が強い実施例の方がａ軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。

なお、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料では、Ｔａのイオン半径がＴｉやＡｌに比べて非常に大きいため、高濃度Ａｌ領域でウルツ鉱型相を作製することができない。ＴａＡｌＮ系がウルツ鉱型相でないがゆえ、ウルツ鉱型相のＴｉ−Ａｌ−Ｎ系の方が、耐熱性が良好であると考えられる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態では、上述したように上記ＴｉＡｌＮの薄膜サーミスタ部が好ましいが、他のサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部を採用しても構わない。また、薄膜サーミスタ部の上に表面パターン電極（対向電極部）を形成しているが、薄膜サーミスタ部の下に表面パターン電極を形成しても構わない。

１，２１…フィルム型サーミスタセンサ、２…絶縁性フィルム、２ａ…ビアホール、３…薄膜サーミスタ部、４…表面パターン電極、４ａ…対向電極部、５…裏面パターン電極、６…保護膜

Claims (4)

1. 絶縁性フィルムと、
   該絶縁性フィルムの表面に形成された薄膜サーミスタ部と、
   互いに対向した一対の対向電極部を前記薄膜サーミスタ部の上又は下に配して前記絶縁性フィルムの表面に形成された一対の表面パターン電極と、
   前記絶縁性フィルムの裏面に一対の前記表面パターン電極の一部に対向して形成された一対の裏面パターン電極とを備え、
   前記表面パターン電極と前記裏面パターン電極とが、前記絶縁性フィルムに貫通状態に形成されたビアホールを介して電気的に接続されていることを特徴とするフィルム型サーミスタセンサ。
2. 請求項１に記載のフィルム型サーミスタセンサにおいて、
   前記ビアホールが、前記表面パターン電極毎に複数配され、少なくとも前記表面パターン電極又は前記裏面パターン電極の角部近傍に形成されていることを特徴とするフィルム型サーミスタセンサ。
3. 請求項１又は２に記載のフィルム型サーミスタセンサにおいて、
   前記薄膜サーミスタ部上に積層され樹脂で形成された保護膜を備えていることを特徴とするフィルム型サーミスタセンサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のフィルム型サーミスタセンサにおいて、
   前記薄膜サーミスタ部が、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とするフィルム型サーミスタセンサ。