JP2015053356A - サーミスタ用金属窒化物材料及びその製造方法並びにフィルム型サーミスタセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 サーミスタに用いられる金属窒化物材料であって、一般式:TixGay(N1−wOw)z(0.0≦w≦0.85、0.70≦y/(x+y)≦0.99、0.45≦z≦0.55、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。このサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法は、Gaの蒸発源と、Tiの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着法により成膜する成膜工程を有している。
【選択図】図1
Description
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を用いた基板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。
しかしながら、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550℃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、フィルム等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が、上記特許文献4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。
また、特許文献5のCr−N−M系材料は、B定数が500以下と小さい材料であり、また、200℃以上1000℃以下の熱処理を実施しないと、200℃以内の耐熱性が確保できないことから、フィルムに直接成膜したフィルム型サーミスタセンサが実現できないという問題点があった。そのため、フィルム等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。
また、上記特許文献5に記載されているように、窒化物材料としてGaを用いることがある。しかし、Gaは融点が30℃程度と非常に低く、例えば、反応性スパッタリングによる成膜を試みる場合、スパッタリンングターゲットとしてGaを用いると、サーミスタ材料を成膜時にターゲットが溶けないような温度にて管理する必要が生じ、製造が大変難しい。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
このサーミスタ用金属窒化物材料では、サーミスタに用いられる金属窒化物材料であって、一般式:TixGay(N1−wOw)z(0.0≦w≦0.85、0.70≦y/(x+y)≦0.99、0.45≦z≦0.55、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、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。特に、酸素(O)が含まれることで、結晶内の窒素欠陥を酸素が埋める、もしくは、格子間酸素が導入される等の効果によって耐熱性がより向上する。
また、上記「y/(x+y)」(すなわち、Ga/(Ti+Ga))が0.99を超えると、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+O)/(Ti+Ga+N+O))が0.45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。
また、上記「z」(すなわち、(N+O)/(Ti+Ga+N+O))が0.55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化学量論比が、N/(Ti+Ga+N)=0.5であることと、窒素サイトにおける欠陥を酸素が全て補った場合の化学量論比が、(N+O)/(Ti+Ga+N+O)=0.5であることとに起因する。0.5を超えるz量については、格子間酸素が導入されたことと、XPS分析における軽元素(窒素、酸素)の定量精度とに起因するものである。
また、上記「w」(すなわち、O/(N+O))が0.85を超えると、ウルツ鉱型単相を得ることができない。このことは、w=1、かつ、y/(x+y)=0では、ルチル型TiO2相であり、w=1、かつ、y/(x+y)=1ではコランダムGa2O3相であることを考慮すると理解できる。
すなわち、このサーミスタ用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。
すなわち、このフィルム型サーミスタセンサでは、絶縁性フィルム上に第1又は第2の発明のサーミスタ用金属窒化物材料で薄膜サーミスタ部が形成されているので、比較的低温で成膜可能であって高B定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム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。
すなわち、このサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法では、Gaの蒸発源と、Tiの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着(RPD:Reactive Plasma Deposition)法により成膜する成膜工程を有しているので、上記TiGaNOからなる本発明のサーミスタ用金属窒化物材料を成膜することができる。特に、この製法では、200℃以下の比較的低温で成膜が可能になる。なお、この反応性プラズマ蒸着法を用いれば、Gaの形態は、粒状であっても、液状であっても、その形態に制限されることなく、成膜することが可能である。したがって、反応性プラズマ蒸着法は、反応性スパッタリングに比べて、Gaを含む窒化物材料の成膜に好適な方法である。
すなわち、本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料によれば、一般式:TixGay(N1−wOw)z(0.0≦w≦0.85、0.70≦y/(x+y)≦0.99、0.45≦z≦0.55、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、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、本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法によれば、Gaの蒸発源と、Tiの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着法により成膜するので、上記TiGaNOからなる本発明のサーミスタ用金属窒化物材料を成膜することができる。さらに、本発明に係るフィルム型サーミスタセンサによれば、絶縁性フィルム上に本発明のサーミスタ用金属窒化物材料で薄膜サーミスタ部が形成されているので、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルムを用いて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。さらに、基板が、薄くすると非常に脆く壊れやすいセラミックスでなく、樹脂フィルムであることから、厚さ0.1mmの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサが得られる。
なお、上記点A,B,C,Dの各組成比(x,y,z)(atm%)は、A(13.50,31.50,55.00),B(0.45,44.55,55.00),C(0.45,54.45,45.00),D(16.50,38.50,45.00)である。
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hkl指数)と(002)(c軸配向を示すhkl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、c軸配向が強いものとする。
上記一対のパターン電極4は、例えばCr膜とAu膜との積層金属膜でパターン形成され、薄膜サーミスタ部3上で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4aと、これら櫛形電極部4aに先端部が接続され基端部が絶縁性フィルム2の端部に配されて延在した一対の直線延在部4bとを有している。
なお、図4の符号において、16Aは金属Gaを入れたるつぼ、16Bは金属Tiを入れたるつぼ、17は反応ガス導入口である。
・炉内雰囲気温度:180〜200℃
・蒸発源12:金属Ga
・蒸発源12に対するプラズマガン放電電力:2kW
・蒸発源13:金属Ti
・蒸発源13に対するプラズマガン放電電力:5〜11kW
・放電ガス流量:アルゴン(Ar)ガス 80sccm
・反応ガス流量:窒素(N2)ガス 50〜100sccm
酸素(O2)ガス 0〜70sccm
という条件のもと、絶縁性フィルム2の表面に、所定の組成および目標平均層厚の(Ti,Ga)(N,O)層からなる複合酸窒化物層を蒸着形成することにより、サーミスタ用金属窒化物材料で形成された薄膜サーミスタ部3を成膜する。
また、メタルマスクを用いて所望のサイズにサーミスタ用金属窒化物材料を成膜して薄膜サーミスタ部3を形成する。
このようにして、例えばサイズを25×3.6mmとし、厚さを0.1mmとした薄いフィルム型サーミスタセンサ1が得られる。
また、このサーミスタ用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。
また、従来、アルミナ等のセラミックスを用いた基板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、本実施形態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。
本発明の実施例及び比較例として、図5に示す膜評価用素子121を次のように作製した。なお、以下の本発明の各実施例では、TixGay(N1−wOw)zであるサーミスタ用金属窒化物を用いたものを作製した。
まず、上述したRPD法にて、様々な組成比で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サーミスタ用金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部3を形成した。
なお、比較としてTixGay(N1−wOw)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。
(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2に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子%」で示している。一部のサンプルに対して、最表面から深さ100nmのスパッタ面における定量分析を実施し、深さ20nmのスパッタ面と定量精度の範囲内で同じ組成であることを確認している。
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2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2に示す。また、25℃と50℃との抵抗値より負の温度特性をもつサーミスタであることを確認している。
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
表1に示す比較例2,3は、Ga/(Ti+Ga)≦0.66の領域であり、結晶系は立方晶のNaCl型となっている。
表1に示す比較例4は、0.66<Ga/(Ti+Ga)<0.70の領域であり、結晶系は六方晶のウルツ鉱型と立方晶のNaCl型が共存している。
このように、Ga/(Ti+Ga)<0.7の領域では、25℃における比抵抗値が1000Ωcm未満、B定数が1000K未満であり、低抵抗かつ低B定数の領域であった。
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。
なお、表1に示す比較例1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、かつ、酸化不足の金属相になっていると考えられる。
この結果、本発明の実施例は、a軸配向性が強かった。
なお、グラフ中(*)は装置由来および熱酸化膜付きSi基板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。また、入射角を0度として、対称測定を実施し、そのピークが消失していることを確認し、装置由来および熱酸化膜付きSi基板由来のピークであることを確認した。
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140nm程度成膜された実施例(Ga/(Ti+Ga)=0.91,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9に示す。
この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。
柱状結晶のアスペクト比を(長さ)÷(粒径)として定義すると、本実施例は7以上の大きいアスペクト比をもっている。柱状結晶の粒径が小さいことにより、膜が緻密となっていると考えられる。
表1に示す実施例及び比較例の一部において、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2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、Ta−Al−N系である比較例と同程度量のB定数をもつ実施例で比較したとき、Ti−Ga−(N+O)系の方が抵抗値上昇率、B定数上昇率がともに小さく、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−Ga−(N+O)系の方が優れている。
なお、窒素および酸素欠陥のない理想的な化学量論比は、(N+O)/(Ti+Ga+N+O)=0.5である。今回の試験においては、0.5を超える(N+O)/(Ti+Ga+N+O)量のサンプルがあるが、格子間酸素が導入されたことと、XPS分析における軽元素(窒素、酸素)の定量精度とに起因するものと考えられる。一方で、0.5よりも小さい(N+O)/(Ti+Ga+N+O)量のサンプルがあり、それらのサンプルのサーミスタ材料中の窒素、酸素サイトに原子欠陥があることがわかる。さらに、欠陥を補うためには、特に窒素欠陥を補うプロセスを加えることが望ましく、その一つとして窒素プラズマ照射などを行うことが好ましい。
(1)組成分析
RPD法で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2に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子%」で示している。一部のサンプルに対して、最表面から深さ100nmのスパッタ面における定量分析を実施し、深さ20nmのスパッタ面と定量精度の範囲内で同じ組成であることを確認している。
RPD法で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2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2に示す。また、25℃と50℃との抵抗値より負の温度特性をもつサーミスタであることを確認している。
RPD法で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。
Claims (4)
- サーミスタに用いられる金属窒化物材料であって、
一般式:TixGay(N1−wOw)z(0.0≦w≦0.85、0.70≦y/(x+y)≦0.99、0.45≦z≦0.55、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サーミスタ用金属窒化物材料。 - 請求項1に記載のサーミスタ用金属窒化物材料において、
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ことを特徴とするサーミスタ用金属窒化物材料。 - 絶縁性フィルムと、
該絶縁性フィルム上に請求項1又は2に記載のサーミスタ用金属窒化物材料で形成された薄膜サーミスタ部と、
少なくとも前記薄膜サーミスタ部の上又は下に形成された一対のパターン電極と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。 - 請求項1又は2に記載のサーミスタ用金属窒化物材料を製造する方法であって、
Gaの蒸発源と、Tiの蒸発源とを用いて窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性プラズマ蒸着法により成膜する成膜工程を有していることを特徴とするサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法。
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