JP2016136609A - Metal nitride material for thermistor, manufacturing method for the same and film type thermistor sensor - Google Patents

Metal nitride material for thermistor, manufacturing method for the same and film type thermistor sensor Download PDF

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Toshiaki Fujita
利晃 藤田
寛 田中
Kan Tanaka
寛 田中
長友 憲昭
Kensho Nagatomo
憲昭 長友
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal nitride material for a thermistor that can be directly formed on a film or the like with non-burning and has high heat resistance and high reliability, a manufacturing method for the same and a film type thermistor sensor.SOLUTION: A metal nitride material used for a thermistor is represented by a general formula: MAlN(here, M represents at least one element selected from the group consisting of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W, and 0.65≤y/(x+y)≤0.98, 0.35≤z≤0.5, x+y+z=1). The crystal structure is a wurtzite type single phase of hexagonal system. A method of manufacturing the metal nitride material for the thermistor has a film forming step of forming a film by performing reactive spattering in a nitrogen-contained atmosphere by using an M-Al alloy spattering target (here, M represents at least one element selected from the group consisting of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、フィルム等に非焼成で直接成膜可能な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に関する。   The present invention relates to a metal nitride material for a thermistor that can be directly formed on a film or the like without firing, a method for manufacturing the material, and a film type thermistor sensor.

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1〜3参照)。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、550℃以上の焼成等の熱処理が必要である。   A thermistor material used for a temperature sensor or the like is required to have a high B constant for high accuracy and high sensitivity. Conventionally, transition metal oxides such as Mn, Co, and Fe are generally used for such thermistor materials (see Patent Documents 1 to 3). In addition, these thermistor materials require heat treatment such as firing at 550 ° C. or higher in order to obtain stable thermistor characteristics.

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4では、一般式:M(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4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。 In addition to the thermistor material composed of the metal oxide as described above, for example, in Patent Document 4, the general formula: M x A y N z (where M is at least one of Ta, Nb, Cr, Ti, and Zr) , A represents at least one of Al, Si, and B. 0.1 ≦ x ≦ 0.8, 0 <y ≦ 0.6, 0.1 ≦ z ≦ 0.8, x + y + z = 1) A thermistor material made of nitride has been proposed. Moreover, in this patent document 4, it is Ta-Al-N type material, 0.5 <= x <= 0.8, 0.1 <= y <= 0.5, 0.2 <= z <= 0.7, x + y + z = 1. Only those described above are described as examples. This Ta—Al—N-based material is produced by performing sputtering in a nitrogen gas-containing atmosphere using a material containing the above elements as a target. Moreover, the obtained thin film is heat-processed at 350-600 degreeC as needed.

また、サーミスタ材料とは異なる例として、例えば特許文献5では、一般式:Cr100−x−y(但し、MはTi、V、Nb、Ta、Ni、Zr、Hf、Si、Ge、C、O、P、Se、Te、Zn、Cu、Bi、Fe、Mo、W、As、Sn、Sb、Pb、B、Ga、In、Tl、Ru、Rh、Re、Os、Ir、Pt、Pd、Ag、Au、Co、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Mn、Alおよび希土類元素から選択される1種または2種以上の元素であり、結晶構造が主としてbcc構造または主としてbcc構造とA15型構造との混合組織である。0.0001≦x≦30、0≦y≦30、0.0001≦x+y≦50)で示される窒化物からなる歪センサ用抵抗膜材料が提案されている。この歪センサ用抵抗膜材料は、窒素量x、副成分元素M量yをともに30原子%以下の組成において、Cr−N基歪抵抗膜のセンサの抵抗変化から、歪や応力の計測ならびに変換に用いられる。また、このCr−N−M系材料では、上記元素を含む材料等のターゲットとして用い、上記副成分ガスを含む成膜雰囲気中で反応性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200〜1000℃で熱処理を行っている。 As examples different from the thermistor material, for example, Patent Document 5, the general formula: Cr 100-x-y N x M y ( where, M is Ti, V, Nb, Ta, Ni, Zr, Hf, Si, Ge, C, O, P, Se, Te, Zn, Cu, Bi, Fe, Mo, W, As, Sn, Sb, Pb, B, Ga, In, Tl, Ru, Rh, Re, Os, Ir, It is one or more elements selected from Pt, Pd, Ag, Au, Co, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, Al and rare earth elements, and the crystal structure is mainly bcc structure or mainly bcc A strain film resistance film material made of a nitride represented by 0.0001 ≦ x ≦ 30, 0 ≦ y ≦ 30, 0.0001 ≦ x + y ≦ 50) is proposed. ing. This resistance film material for strain sensors measures and converts strains and stresses from changes in the resistance of the Cr-N-based strain resistance film sensor in a composition where both the nitrogen content x and the subcomponent element M content y are 30 atomic% or less. Used for. In addition, this Cr—N—M-based material is produced by performing reactive sputtering in a film-forming atmosphere containing the subcomponent gas, using it as a target such as a material containing the element. Moreover, the obtained thin film is heat-processed at 200-1000 degreeC as needed.

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。   In recent years, development of a film type thermistor sensor in which a thermistor material is formed on a resin film has been studied, and development of a thermistor material that can be directly formed on a film is desired. That is, it is expected that a flexible thermistor sensor can be obtained by using a film. Furthermore, although development of a very thin thermistor sensor having a thickness of about 0.1 mm is desired, conventionally, a substrate material using ceramics such as alumina is often used. When thinned, there were problems such as being very brittle and fragile, but it is expected that a very thin thermistor sensor can be obtained by using a film.

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、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、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た。
However, since a film made of a resin material generally has a heat resistant temperature as low as 150 ° C. or less, and polyimide known as a material having a relatively high heat resistant temperature has only a heat resistance of about 200 ° C., a thermistor material forming process In the case where heat treatment is applied, application is difficult. The conventional oxide thermistor material requires firing at 550 ° C. or higher in order to realize desired thermistor characteristics, and there is a problem that a film type thermistor sensor directly formed on a film cannot be realized. Therefore, it is desired to develop a thermistor material that can be directly film-formed without firing, but even with the thermistor material described in Patent Document 4, the obtained thin film can be obtained as necessary in order to obtain desired thermistor characteristics. It was necessary to perform heat treatment at 350 to 600 ° C. Further, in this example of the thermistor material, a material having a B constant of about 500 to 3000 K is obtained in the example of the Ta-Al-N material, but there is no description regarding heat resistance, and the thermal reliability of the nitride material. Sex was unknown.
Further, the Cr—N—M material of Patent Document 5 is a material having a B constant as small as 500 or less, and heat resistance within 200 ° C. cannot be ensured unless heat treatment at 200 ° C. or more and 1000 ° C. or less is performed. Therefore, there has been a problem that a film type thermistor sensor formed directly on a film cannot be realized. Therefore, it has been desired to develop a thermistor material that can be directly formed without firing.

そこで、本願の発明者らは、非焼成でフィルムに直接成膜できるサーミスタ材料として、特許文献6に記載の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:TiAl(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サーミスタ用金属窒化物材料を開発した。
また、特許文献7に記載されているように、HfとAlとNとからなる窒化物で形成され、抵抗率が1〜10000Ωcm、B定数が2000K以上であり、Hf−Al−Nの三成分系状態図で、Hf:Al:Nの組成比が原子%で、13.1:21.9:65.0(A点)、20.6:19.9:59.5(B点)、28.6:12.4:58.9(C点)、43.4:0.1:56.4(D点)、37.1:0.5:62.4(E点)、23.6:11.9:64.5(F点)であるA点〜F点で囲まれる範囲にあるサーミスタ材料が開発されている。
Therefore, the inventors of the present application are metal nitride materials used for the thermistor described in Patent Document 6 as a thermistor material that can be directly formed on a film without firing, and have the general formula: Ti x Al y N z ( 0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), the crystal structure of which is a hexagonal wurtzite type A single phase metal nitride material for thermistors has been developed.
Further, as described in Patent Document 7, it is formed of a nitride composed of Hf, Al, and N, has a resistivity of 1 to 10000 Ωcm, a B constant of 2000 K or more, and is a three component of Hf—Al—N. In the system phase diagram, the composition ratio of Hf: Al: N is atomic%, 13.1: 21.9: 65.0 (point A), 20.6: 19.9: 59.5 (point B), 28.6: 12.4: 58.9 (point C), 43.4: 0.1: 56.4 (point D), 37.1: 0.5: 62.4 (point E), 23. 6: 11.9: 64.5 (point F) A thermistor material in a range surrounded by points A to F has been developed.

特開2000−068110号公報JP 2000-068110 A 特開2000−348903号公報JP 2000-348903 A 特開2006−324520号公報JP 2006-324520 A 特開2004−319737号公報JP 2004-319737 A 特開平10−270201号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-270201 特開2013−179161号公報JP 2013-179161 A 特開2013−4640号公報JP 2013-4640 A

上記特許文献6,7に記載のサーミスタ用金属窒化物材料だけでなく、この材料と同様の特性が得られ、非焼成でフィルムに直接成膜できる他のサーミスタ材料の開発が望まれている。   In addition to the metal nitride materials for thermistors described in Patent Documents 6 and 7, it is desired to develop other thermistor materials that have the same characteristics as this material and can be directly formed on a film without firing.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、フィルム等に非焼成で直接成膜することができ、高い耐熱性を有して信頼性が高い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を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. The metal nitride material for a thermistor, which can be directly formed on a film or the like without being baked, has high heat resistance, and has high reliability, and a method for manufacturing the same. It is another object of the present invention to provide a film type thermistor sensor.

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が、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、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
The inventors of the present invention focused on the AlN system among the nitride materials and made extensive research. As a result, it is difficult for AlN as an insulator to obtain optimum thermistor characteristics (B constant: about 1000 to 6000 K). However, it has been found that by replacing the Al site with a specific metal element that improves electrical conduction and having a specific crystal structure, a good B constant and heat resistance can be obtained without firing.
Therefore, the present invention has been obtained from the above findings, and the following configuration has been adopted in order to solve the above problems.

すなわち、第1の発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料は、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:MAl(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。0.65≦y/(x+y)≦0.98、0.35≦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。
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:MAl(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。0.65≦y/(x+y)≦0.98、0.35≦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。
That is, the metal nitride material for a thermistor according to the first invention is a metal nitride material used in a thermistor, the general formula: M x Al y N z (where, M is Zr, Nb, Mo, Hf, It represents at least one of Ta and W. It consists of a metal nitride represented by 0.65 ≦ y / (x + y) ≦ 0.98, 0.35 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), and its crystal structure Is a single phase of a hexagonal wurtzite type.
This metal thermistor nitride material, a metal nitride material used in a thermistor, the general formula: M x Al y N z (where, M is Zr, Nb, Mo, Hf, at least one of Ta and W 0.65 ≦ y / (x + y) ≦ 0.98, 0.35 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), the crystal structure of which is a hexagonal wurtzite Since it is an ore-type single phase, a good B constant can be obtained without firing, and it has high heat resistance.

なお、上記「y/(x+y)」(すなわち、Al/(M+Al))が0.65未満であると、ウルツ鉱型の単相が得られず、一部のM元素においては、NaCl型相との共存相又はNaCl型のみの結晶相となってしまい、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/(M+Al))が0.98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/(M+Al+N))が0.35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/(M+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化学量論比が0.5(すなわち、N/(M+Al+N)=0.5)であることに起因する。
When the above “y / (x + y)” (ie, Al / (M + Al)) is less than 0.65, a wurtzite type single phase cannot be obtained, and in some M elements, a NaCl type phase is obtained. Coexisting phase or a crystal phase of only NaCl type, and a sufficiently high resistance and a high B constant cannot be obtained.
Further, if the above “y / (x + y)” (that is, Al / (M + Al)) exceeds 0.98, the resistivity is very high and the insulating property is extremely high, so that it cannot be applied as a thermistor material.
Further, when the “z” (that is, N / (M + Al + N)) is less than 0.35, since the amount of metal nitriding is small, a wurtzite type single phase cannot be obtained, and sufficient high resistance and high B A constant cannot be obtained.
Further, if the “z” (that is, N / (M + Al + N)) exceeds 0.5, a wurtzite single phase cannot be obtained. This is due to the fact that in the wurtzite type single phase, the stoichiometric ratio in the absence of defects at the nitrogen site is 0.5 (that is, N / (M + Al + N) = 0.5).

第2の発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料は、第1の発明において、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。
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。
The metal nitride material for a thermistor according to the second invention is a columnar crystal formed in a film shape and extending in a direction perpendicular to the surface of the film in the first invention. .
That is, the metal nitride material for thermistor is a columnar crystal extending in a direction perpendicular to the surface of the film, so that the film has high crystallinity and high heat resistance.

第3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。
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、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。
A film-type thermistor sensor according to a third aspect of the invention includes an insulating film, a thin film thermistor portion formed on the insulating film with the metal nitride material for the thermistor of the first or second aspect, and at least the thin film thermistor. And a pair of pattern electrodes formed above or below the portion.
That is, in this film type thermistor sensor, since the thin film thermistor portion is formed of the metal nitride material for thermistor of the first or second invention on the insulating film, it is formed by non-firing and has a high B constant and heat resistance. A thin and thin thermistor sensor having good thermistor characteristics can be obtained while an insulating film having a low heat resistance such as a resin film can be used by the thin film thermistor portion having a high thickness.
Conventionally, substrate materials using ceramics such as alumina are often used. For example, when the thickness is reduced to 0.1 mm, the substrate material is very brittle and easily broken. Therefore, for example, a very thin film type thermistor sensor having a thickness of 0.1 mm can be obtained.

第4の発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法は、第1又は第2の発明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、M−Al合金スパッタリングターゲット(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)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成膜工程を有していることを特徴とする。
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、M−Al合金スパッタリングターゲット(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)を用いて窒素含有雰囲気中でスパッタ(反応性スパッタ)を行って成膜するので、上記MAlからなる本発明のサーミスタ用金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
A method for producing a metal nitride material for a thermistor according to a fourth invention is a method for producing the metal nitride material for a thermistor according to the first or second invention, wherein the M-Al alloy sputtering target (where M is And at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W.) is used to perform film formation by performing reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere.
That is, in this method for producing a metal nitride material for a thermistor, a nitrogen-containing atmosphere using an M-Al alloy sputtering target (where M represents at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W). Since the film is formed by sputtering (reactive sputtering), the metal nitride material for the thermistor of the present invention made of M x Al y N z can be formed without firing.

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料によれば、一般式:MAl(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。0.65≦y/(x+y)≦0.98、0.35≦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。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、M−Al合金スパッタリングターゲット(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)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MAlからなる本発明のサーミスタ用金属窒化物材料を非焼成で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、基板材料が、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。
The present invention has the following effects.
That is, according to the metal nitride material for a thermistor according to the present invention, the general formula: M x Al y N z (where, M represents Zr, Nb, Mo, Hf, at least one of Ta and W .0. 65 ≦ y / (x + y) ≦ 0.98, 0.35 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), the crystal structure of which is a hexagonal wurtzite single phase Therefore, a good B constant can be obtained by non-firing and has high heat resistance. Moreover, according to the manufacturing method of the metal nitride material for thermistors according to the present invention, the M-Al alloy sputtering target (where M represents at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W). Since the film is formed by performing reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere, the metal nitride material for thermistor of the present invention made of M x Al y N z can be formed without firing. Furthermore, according to the film type thermistor sensor according to the present invention, since the thin film thermistor portion is formed of the metal nitride material for thermistor of the present invention on the insulating film, the insulating film having low heat resistance such as a resin film. Can be used to obtain a thin and flexible thermistor sensor having good thermistor characteristics. Furthermore, since the substrate material is not a ceramic that is very brittle and fragile when thin, but a resin film, a very thin film type thermistor sensor having a thickness of 0.1 mm can be obtained.

本発明に係る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の一実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すZr−Al−N系3元系相図である。1 is a Zr—Al—N-based ternary phase diagram showing a composition range of a thermistor metal nitride material in an embodiment of a thermistor metal nitride material, a manufacturing method thereof, and a film type thermistor sensor according to the present invention. 本発明に係る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の一実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すNb−Al−N系3元系相図である。1 is an Nb—Al—N-based ternary phase diagram showing a composition range of a thermistor metal nitride material in an embodiment of a metal thermistor material for thermistor, a manufacturing method thereof, and a film type thermistor sensor according to the present invention. 本発明に係る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の一実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すMo−Al−N系3元系相図である。1 is a Mo—Al—N-based ternary phase diagram showing a composition range of a thermistor metal nitride material in an embodiment of a thermistor metal nitride material, a manufacturing method thereof, and a film type thermistor sensor according to the present invention. 本発明に係る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の一実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すHf−Al−N系3元系相図である。1 is an Hf—Al—N-based ternary phase diagram showing a composition range of a thermistor metal nitride material in an embodiment of a thermistor metal nitride material, a method for producing the same, and a film type thermistor sensor according to the present invention. 本発明に係る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の一実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すTa−Al−N系3元系相図である。1 is a Ta—Al—N-based ternary phase diagram showing a composition range of a thermistor metal nitride material in an embodiment of a thermistor metal nitride material, a method for producing the same, and a film type thermistor sensor according to the present invention. 本発明に係る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の一実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すW−Al−N系3元系相図である。1 is a W—Al—N-based ternary phase diagram showing a composition range of a thermistor metal nitride material in an embodiment of a thermistor metal nitride material, a manufacturing method thereof, and a film type thermistor sensor according to the present invention. 本実施形態において、フィルム型サーミスタセンサを示す斜視図である。In this embodiment, it is a perspective view which shows a film type thermistor sensor. 本実施形態において、フィルム型サーミスタセンサの製造方法を工程順に示す斜視図である。In this embodiment, it is a perspective view which shows the manufacturing method of a film type thermistor sensor in order of a process. 本発明に係る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。In the Example of the metal nitride material for thermistors which concerns on this invention, its manufacturing method, and a film type thermistor sensor, it is the front view and top view which show the element | device for film | membrane evaluation of the metal nitride material for thermistors. 本発明に係る実施例及び比較例において、M=Zrの場合について、25℃抵抗率とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between 25 degreeC resistivity and B constant about the case where M = Zr. 本発明に係る実施例及び比較例において、M=Nbの場合について、25℃抵抗率とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between a 25 degreeC resistivity and a B constant about the case where M = Nb. 本発明に係る実施例及び比較例において、M=Moの場合について、25℃抵抗率とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between 25 degreeC resistivity and B constant about the case where M = Mo. 本発明に係る実施例及び比較例において、M=Hfの場合について、25℃抵抗率とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between 25 degreeC resistivity and B constant about the case where M = Hf. 本発明に係る実施例及び比較例において、M=Taの場合について、25℃抵抗率とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between 25 degreeC resistivity and B constant about the case where M = Ta. 本発明に係る実施例及び比較例において、M=Wの場合について、25℃抵抗率とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between 25 degreeC resistivity and B constant about the case where M = W. 本発明に係る実施例及び比較例において、Al/(Zr+Al)比とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between Al / (Zr + Al) ratio and B constant. 本発明に係る実施例及び比較例において、Al/(Nb+Al)比とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between Al / (Nb + Al) ratio and B constant. 本発明に係る実施例及び比較例において、Al/(Mo+Al)比とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between Al / (Mo + Al) ratio and B constant. 本発明に係る実施例及び比較例において、Al/(Hf+Al)比とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between Al / (Hf + Al) ratio and B constant. 本発明に係る実施例及び比較例において、Al/(Ta+Al)比とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between Al / (Ta + Al) ratio and B constant. 本発明に係る実施例及び比較例において、Al/(W+Al)比とB定数との関係を示すグラフである。In the Example and comparative example which concern on this invention, it is a graph which shows the relationship between Al / (W + Al) ratio and B constant. 本発明に係る実施例において、Al/(Zr+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。In the Example which concerns on this invention, it is a graph which shows the result of X-ray diffraction (XRD) in case c / axis orientation with Al / (Zr + Al) = 0.84 is strong. 本発明に係る実施例において、Al/(Nb+Al)=0.92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。In the Example which concerns on this invention, it is a graph which shows the result of X-ray diffraction (XRD) in case c / axis orientation with Al / (Nb + Al) = 0.92 is strong. 本発明に係る実施例において、Al/(Mo+Al)=0.92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。In the Example which concerns on this invention, it is a graph which shows the result of X-ray diffraction (XRD) in case c / axis orientation with strong Al / (Mo + Al) = 0.92. 本発明に係る実施例において、Al/(Hf+Al)=0.74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。In the Example which concerns on this invention, it is a graph which shows the result of X-ray diffraction (XRD) in case c / axis orientation with Al / (Hf + Al) = 0.74 is strong. 本発明に係る実施例において、Al/(Ta+Al)=0.83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。In the Example which concerns on this invention, it is a graph which shows the result of X-ray diffraction (XRD) in case c / axis orientation with Al / (Ta + Al) = 0.83 is strong. 本発明に係る実施例において、Al/(W+Al)=0.91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。In the Example which concerns on this invention, it is a graph which shows the result of X-ray diffraction (XRD) in case c / axis orientation with Al / (W + Al) = 0.91 is strong. 本発明に係る実施例において、M=Zrの場合における断面SEM写真である。In the Example which concerns on this invention, it is a cross-sectional SEM photograph in the case of M = Zr. 本発明に係る実施例において、M=Nbの場合における断面SEM写真である。In the Example which concerns on this invention, it is a cross-sectional SEM photograph in the case of M = Nb. 本発明に係る実施例において、M=Moの場合における断面SEM写真である。In the Example which concerns on this invention, it is a cross-sectional SEM photograph in the case of M = Mo. 本発明に係る実施例において、M=Hfの場合における断面SEM写真である。In the Example which concerns on this invention, it is a cross-sectional SEM photograph in the case of M = Hf. 本発明に係る実施例において、M=Taの場合における断面SEM写真である。In the Example which concerns on this invention, it is a cross-sectional SEM photograph in the case of M = Ta. 本発明に係る実施例において、M=Wの場合における断面SEM写真である。In the Example which concerns on this invention, it is a cross-sectional SEM photograph in the case of M = W.

以下、本発明に係る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における一実施形態を、図1から図8を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、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。   Hereinafter, an embodiment of a metal nitride material for a thermistor, a manufacturing method thereof, and a film type thermistor sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the drawings used for the following description, the scale is appropriately changed as necessary to make each part recognizable or easily recognizable.

本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料は、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:MAl(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。0.65≦y/(x+y)≦0.98、0.35≦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(空間群P6mc(No.186))の単相である。 The metal nitride material for a thermistor of this embodiment is a metal nitride material used for the thermistor, and has a general formula: M x Al y N z (where M is Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W). At least one kind, which is made of a metal nitride represented by 0.65 ≦ y / (x + y) ≦ 0.98, 0.35 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), and has a crystal structure of hexagonal crystal This is a single phase of the system wurtzite type (space group P6 3 mc (No. 186)).

すなわち、M=Zrの場合、このサーミスタ用金属窒化物材料は、図1に示すように、Zr−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。
また、M=Nbの場合、このサーミスタ用金属窒化物材料は、図2に示すように、Nb−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。
また、M=Moの場合、このサーミスタ用金属窒化物材料は、図3に示すように、Mo−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。
また、M=Hfの場合、このサーミスタ用金属窒化物材料は、図4に示すように、Hf−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。
また、M=Taの場合、このサーミスタ用金属窒化物材料は、図5に示すように、Ta−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。
また、M=Wの場合、このサーミスタ用金属窒化物材料は、図6に示すように、W−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。
That is, when M = Zr, the metal nitride material for the thermistor is in a region surrounded by points A, B, C, D in the Zr—Al—N ternary phase diagram as shown in FIG. It is a metal nitride having a composition and a crystalline phase of wurtzite type.
When M = Nb, the metal nitride material for the thermistor is formed in a region surrounded by points A, B, C, and D in the Nb—Al—N ternary phase diagram as shown in FIG. It is a metal nitride having a composition and a crystalline phase of wurtzite type.
Further, when M = Mo, the metal nitride material for the thermistor is formed in a region surrounded by points A, B, C, and D in the Mo—Al—N ternary phase diagram as shown in FIG. It is a metal nitride having a composition and a crystalline phase of wurtzite type.
Further, when M = Hf, the metal nitride material for the thermistor is formed in a region surrounded by points A, B, C, D in the Hf—Al—N ternary phase diagram as shown in FIG. It is a metal nitride having a composition and a crystalline phase of wurtzite type.
When M = Ta, the metal nitride material for the thermistor is formed in a region surrounded by points A, B, C, and D in the Ta—Al—N ternary phase diagram as shown in FIG. It is a metal nitride having a composition and a crystalline phase of wurtzite type.
Further, when M = W, the metal nitride material for the thermistor is formed in a region surrounded by points A, B, C, and D in the W—Al—N ternary phase diagram as shown in FIG. It is a metal nitride having a composition and a crystalline phase of wurtzite type.

なお、上記点A,B,C,Dの各組成比(x,y,z)(atm%)は、A(17.50,32.50,50.00),B(1.00,49.00,50.00),C(1.30,63.70,35.00),D(22.75,42.25,35.00)である。   The composition ratios (x, y, z) (atm%) of the points A, B, C, and D are A (17.50, 32.50, 50.00), B (1.00, 49). .0.00, 50.00), C (1.30, 63.70, 35.00), D (22.75, 42.25, 35.00).

また、このサーミスタ用金属窒化物材料は、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。
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、(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未満である場合、c軸配向が強いものとする。
The metal nitride material for the thermistor is a columnar crystal formed in a film shape and extending in a direction perpendicular to the surface of the film.
Whether the a-axis orientation (100) is strong or the c-axis orientation (002) is strong in the direction perpendicular to the film surface (film thickness direction) is determined using X-ray diffraction (XRD). The orientation was investigated, and the peak intensity ratio of (100) (hkl index indicating a-axis orientation) and (002) (hkl index indicating c-axis orientation) was calculated as “(100) peak intensity” / “(002) When the “peak intensity of” is less than 1, the c-axis orientation is strong.

次に、本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料を用いたフィルム型サーミスタセンサについて説明する。このフィルム型サーミスタセンサ1は、図7に示すように、絶縁性フィルム2と、該絶縁性フィルム2上に上記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と、少なくとも薄膜サーミスタ部3上に形成された一対のパターン電極4とを備えている。   Next, a film type thermistor sensor using the metal nitride material for the thermistor of this embodiment will be described. As shown in FIG. 7, the film type thermistor sensor 1 includes an insulating film 2, a thin film thermistor section 3 formed on the insulating film 2 with the metal nitride material for the thermistor, and at least the thin film thermistor section 3. And a pair of pattern electrodes 4 formed thereon.

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2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。
The insulating film 2 is formed in a band shape with, for example, a polyimide resin sheet. In addition, as the insulating film 2, PET: polyethylene terephthalate, PEN: polyethylene naphthalate, or the like may be used.
The pair of pattern electrodes 4 is formed by patterning a laminated metal film of, for example, a Cr film and an Au film, and a pair of comb-shaped electrode portions 4a having a comb-shaped pattern arranged on the thin film thermistor portion 3 so as to face each other, and these comb-shaped electrodes A tip end portion is connected to the portion 4a, and a base end portion is disposed at an end portion of the insulating film 2 and has a pair of linear extending portions 4b extending.

また、一対の直線延在部4bの基端部上には、リード線の引き出し部としてAuめっき等のめっき部4cが形成されている。このめっき部4cには、リード線の一端が半田材等で接合される。さらに、めっき部4cを含む絶縁性フィルム2の端部を除いて該絶縁性フィルム2上にポリイミドカバーレイフィルム5が加圧接着されている。なお、ポリイミドカバーレイフィルム5の代わりに、ポリイミドやエポキシ系の樹脂材料層を印刷で絶縁性フィルム2上に形成しても構わない。   On the base end portion of the pair of linearly extending portions 4b, a plating portion 4c such as Au plating is formed as a lead wire lead-out portion. One end of a lead wire is joined to the plating portion 4c with a solder material or the like. Further, the polyimide coverlay film 5 is pressure-bonded on the insulating film 2 except for the end of the insulating film 2 including the plated portion 4c. In place of the polyimide coverlay film 5, a polyimide or epoxy resin material layer may be formed on the insulating film 2 by printing.

このサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法及びこれを用いたフィルム型サーミスタセンサ1の製造方法について、図8を参照して以下に説明する。   A manufacturing method of the metal nitride material for the thermistor and a manufacturing method of the film type thermistor sensor 1 using the same will be described below with reference to FIG.

まず、本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法は、M−Al合金スパッタリングターゲット(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)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成膜工程を有している。
例えば、M=Zrの場合、Zr−Al合金スパッタリングターゲットを用い、またM=Nbの場合、Nb−Al合金スパッタリングターゲットを用い、また、M=Moの場合、Mo−Al合金スパッタリングターゲットを用い、また、M=Hfの場合、Hf−Al合金スパッタリングターゲットを用い、また、M=Taの場合、Ta−Al合金スパッタリングターゲットを用い、さらにM=Wの場合、W−Al合金スパッタリングターゲットを用いる。
また、上記反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、1.5Pa未満に設定している。
さらに、上記成膜工程後に、形成された膜に窒素プラズマを照射することが好ましい。
First, the manufacturing method of the metal nitride material for thermistors of this embodiment uses an M-Al alloy sputtering target (where M represents at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W). It has a film forming step of forming a film by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere.
For example, when M = Zr, a Zr-Al alloy sputtering target is used. When M = Nb, a Nb-Al alloy sputtering target is used. When M = Mo, a Mo-Al alloy sputtering target is used. When M = Hf, an Hf—Al alloy sputtering target is used. When M = Ta, a Ta—Al alloy sputtering target is used. When M = W, a W—Al alloy sputtering target is used.
Further, the sputtering gas pressure in the reactive sputtering is set to less than 1.5 Pa.
Furthermore, it is preferable to irradiate the formed film with nitrogen plasma after the film formation step.

より具体的には、例えば図8の(a)に示す厚さ50μmのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム2上に、図8の(b)に示すように、反応性スパッタ法にて上記本実施形態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3を200nm成膜する。
M=Zrとした場合、その時のスパッタ条件は、例えば到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.4Pa、ターゲット投入電力(出力):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圧:30%とする。
M=Nbとした場合、その時のスパッタ条件は、例えば到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.4Pa、ターゲット投入電力(出力):300W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圧:40%とする。
M=Moとした場合、その時のスパッタ条件は、例えば到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.67Pa、ターゲット投入電力(出力):300W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圧:30%とする。
M=Hfとした場合、その時のスパッタ条件は、例えば到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.27Pa、ターゲット投入電力(出力):300W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圧:25%とする。
M=Taとした場合、その時のスパッタ条件は、例えば到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.4Pa、ターゲット投入電力(出力):300W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圧:30%とする。
M=Wとした場合、その時のスパッタ条件は、例えば到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.4Pa、ターゲット投入電力(出力):300W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圧:30%とする。
More specifically, for example, the present embodiment is formed on the insulating film 2 of a polyimide film having a thickness of 50 μm shown in FIG. 8A by reactive sputtering as shown in FIG. 8B. A thin film thermistor portion 3 made of the metal nitride material for thermistor is formed to a thickness of 200 nm.
When M = Zr, sputtering conditions at that time are, for example, ultimate vacuum: 5 × 10 −6 Pa, sputtering gas pressure: 0.4 Pa, target input power (output): 500 W, and mixing Ar gas + nitrogen gas The partial pressure of nitrogen gas is 30% in a gas atmosphere.
When M = Nb, sputtering conditions at that time are, for example, ultimate vacuum: 5 × 10 −6 Pa, sputtering gas pressure: 0.4 Pa, target input power (output): 300 W, Ar gas + nitrogen gas mixture Nitrogen gas partial pressure is 40% in a gas atmosphere.
When M = Mo, sputtering conditions at that time are, for example, ultimate vacuum: 5 × 10 −6 Pa, sputtering gas pressure: 0.67 Pa, target input power (output): 300 W, and Ar gas + nitrogen gas mixture The partial pressure of nitrogen gas is 30% in a gas atmosphere.
When M = Hf, sputtering conditions at that time are, for example, ultimate vacuum: 5 × 10 −6 Pa, sputtering gas pressure: 0.27 Pa, target input power (output): 300 W, and mixing Ar gas + nitrogen gas The nitrogen gas partial pressure is 25% in a gas atmosphere.
When M = Ta, sputtering conditions at that time are, for example, ultimate vacuum: 5 × 10 −6 Pa, sputtering gas pressure: 0.4 Pa, target input power (output): 300 W, and Ar gas + nitrogen gas mixture The partial pressure of nitrogen gas is 30% in a gas atmosphere.
When M = W, sputtering conditions at that time are, for example, ultimate vacuum: 5 × 10 −6 Pa, sputtering gas pressure: 0.4 Pa, target input power (output): 300 W, and Ar gas + nitrogen gas mixture The partial pressure of nitrogen gas is 30% in a gas atmosphere.

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。なお、形成された薄膜サーミスタ部3に窒素プラズマを照射することが望ましい。例えば、真空度:6.7Pa、出力:200W及びNガス雰囲気下で、窒素プラズマを薄膜サーミスタ部3に照射させる。 The thin film thermistor portion 3 is formed by forming a metal nitride material for the thermistor into a desired size using a metal mask. Note that it is desirable to irradiate the formed thin film thermistor portion 3 with nitrogen plasma. For example, the thin film thermistor section 3 is irradiated with nitrogen plasma under a vacuum degree: 6.7 Pa, an output: 200 W, and an N 2 gas atmosphere.

次に、スパッタ法にて、例えばCr膜を20nm形成し、さらにAu膜を200nm形成する。さらに、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秒のプリベークを行い、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、図8の(c)に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部4aを有したパターン電極4を形成する。なお、絶縁性フィルム2上に先にパターン電極4を形成しておき、その櫛形電極部4a上に薄膜サーミスタ部3を成膜しても構わない。この場合、薄膜サーミスタ部3の下にパターン電極4の櫛形電極部4aが形成されている。   Next, by sputtering, for example, a Cr film is formed to 20 nm, and an Au film is further formed to 200 nm. Further, after applying a resist solution thereon with a bar coater, prebaking is performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, and after exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions are removed with a developer, and post baking is performed at 150 ° C. for 5 minutes. Patterning is performed at. Thereafter, unnecessary electrode portions are wet-etched with a commercially available Au etchant and Cr etchant, and as shown in FIG. 8C, a patterned electrode 4 having a desired comb-shaped electrode portion 4a is formed by resist stripping. . Alternatively, the pattern electrode 4 may be formed on the insulating film 2 first, and the thin film thermistor portion 3 may be formed on the comb electrode portion 4a. In this case, the comb electrode portion 4 a of the pattern electrode 4 is formed under the thin film thermistor portion 3.

次に、図8の(d)に示すように、例えば厚さ50μmの接着剤付きのポリイミドカバーレイフィルム5を絶縁性フィルム2上に載せ、プレス機にて150℃,2MPaで10分間加圧し接着させる。さらに、図8の(e)に示すように、直線延在部4bの端部を、例えばAuめっき液によりAu薄膜を2μm形成してめっき部4cを形成する。   Next, as shown in FIG. 8 (d), for example, a polyimide coverlay film 5 with an adhesive having a thickness of 50 μm is placed on the insulating film 2, and pressed by a press at 150 ° C. and 2 MPa for 10 minutes. Adhere. Further, as shown in FIG. 8E, an end portion of the linearly extending portion 4b is formed with a 2 μm Au thin film by using, for example, an Au plating solution to form a plated portion 4c.

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及びパターン電極4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。
When a plurality of film type thermistor sensors 1 are manufactured simultaneously, after forming the plurality of thin film thermistor portions 3 and the pattern electrodes 4 on the large sheet of the insulating film 2 as described above, each film type thermistor sensor is formed from the large sheet. Cut to 1.
In this way, for example, a thin film thermistor sensor 1 having a size of 25 × 3.6 mm and a thickness of 0.1 mm is obtained.

このように本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料では、一般式:MAl(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。0.65≦y/(x+y)≦0.98、0.35≦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(空間群P6mc(No.186))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。
Thus a metal nitride material thermistor of this embodiment, the general formula: M x Al y N z (where, M represents Zr, Nb, Mo, Hf, at least one of Ta and W .0.65 ≦ y / (x + y) ≦ 0.98, 0.35 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), the crystal structure of which is a hexagonal wurtzite type (space group P6 3 mc (No. 186)), a good B constant is obtained without firing and high heat resistance.
In addition, since the metal nitride material for the thermistor is a columnar crystal extending in a direction perpendicular to the surface of the film, the film has high crystallinity and high heat resistance.

本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法では、M−Al合金スパッタリングターゲット(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)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MAlからなる上記サーミスタ用金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
また、成膜工程後に、形成された膜に窒素プラズマを照射するので、膜の窒素欠陥が少なくなって耐熱性がさらに向上する。
In the manufacturing method of the metal nitride material for thermistors of this embodiment, nitrogen is contained using an M-Al alloy sputtering target (where M represents at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W). Since the film is formed by reactive sputtering in the atmosphere, the metal nitride material for thermistor made of M x Al y N z can be formed without firing.
In addition, since the formed film is irradiated with nitrogen plasma after the film forming process, the number of nitrogen defects in the film is reduced and the heat resistance is further improved.

したがって、本実施形態のサーミスタ用金属窒化物材料を用いた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用金属窒化物材料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。
Therefore, in the film thermistor sensor 1 using the thermistor metal nitride material of the present embodiment, the thin film thermistor portion 3 is formed on the insulating film 2 from the thermistor metal nitride material. The formed thin film thermistor portion 3 having a high B constant and high heat resistance allows the use of an insulating film 2 having low heat resistance such as a resin film, and a thin and flexible thermistor sensor having good thermistor characteristics. It is done.
Conventionally, substrate materials using ceramics such as alumina are often used. For example, when the thickness is reduced to 0.1 mm, there is a problem that the substrate material is very brittle and easily broken. In this embodiment, a film is used. Therefore, for example, a very thin film type thermistor sensor having a thickness of 0.1 mm can be obtained.

次に、本発明に係る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について、上記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9から図33を参照して具体的に説明する。   Next, with respect to the metal nitride material for thermistor according to the present invention, the manufacturing method thereof, and the film type thermistor sensor, the results of evaluation based on the example manufactured based on the above embodiment will be described in detail with reference to FIGS. I will explain it.

<膜評価用素子の作製>
本発明の実施例及び比較例として、図9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Zr−Al合金ターゲット、Nb−Al合金ターゲット、Mo−Al合金ターゲット、Hf−Al合金ターゲット、Ta−Al合金ターゲット、W−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から表6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。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:0.1〜1.5Pa、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、窒素ガス分圧を10〜100%と変えて作製した。
<Production of film evaluation element>
As an example of the present invention and a comparative example, a film evaluation element 121 shown in FIG. 9 was produced as follows.
First, Zr-Al alloy target, Nb-Al alloy target, Mo-Al alloy target, Hf-Al alloy target, Ta-Al alloy target, W-Al alloy target with various composition ratios are prepared by reactive sputtering. The thin film thermistor portion 3 of the metal nitride material for thermistor formed with various composition ratios shown in Tables 1 to 6 having a thickness of 500 nm was formed on the Si wafer with the thermal oxide film to be the Si substrate S. . The sputtering conditions at that time were: ultimate vacuum: 5 × 10 −6 Pa, sputtering gas pressure: 0.1-1.5 Pa, target input power (output): 100-500 W, Ar gas + nitrogen gas mixed gas atmosphere Below, it produced by changing nitrogen gas partial pressure with 10 to 100%.

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秒のプリベークを行い、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MAl(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)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。
Next, a 20 nm Cr film was formed on the thin film thermistor portion 3 by sputtering, and a 200 nm Au film was further formed. Further, after applying a resist solution thereon with a spin coater, pre-baking is performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds. After exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions are removed with a developing solution, and post-baking is performed at 150 ° C. for 5 minutes. Then, patterning was performed. Thereafter, unnecessary electrode portions were wet-etched with a commercially available Au etchant and Cr etchant, and a patterned electrode 124 having a desired comb-shaped electrode portion 124a was formed by resist stripping. Then, this was diced into chips to obtain a film evaluation element 121 for B constant evaluation and heat resistance test.
Incidentally, M x Al y N z (where, M is Zr, Nb, Mo, Hf, . Indicating at least one of Ta and W) crystal system composition ratio be outside the scope of the present invention is different as compared A comparative example was similarly prepared and evaluated.

<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から表6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。
<Evaluation of membrane>
(1) Composition analysis About the thin film thermistor part 3 obtained by the reactive sputtering method, the elemental analysis was conducted by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In this XPS, quantitative analysis was performed on the sputtered surface having a depth of 20 nm from the outermost surface by Ar sputtering. The results are shown in Tables 1 to 6. In addition, the composition ratio in the following table | surface is shown by "atomic%". Quantitative analysis was performed on a sputter surface having a depth of 100 nm from the outermost surface of some samples, and it was confirmed that the composition was the same as that of the sputter surface having a depth of 20 nm within the range of quantitative accuracy.

なお、上記X線光電子分光法(XPS)は、X線源をAlKα(350W)とし、パスエネルギー:46.95eV、測定間隔:0.1eV、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/(M+Al+N)の定量精度は±2%、Al/(M+Al)の定量精度は±1%である(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)。   In the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the X-ray source is AlKα (350 W), the path energy is 46.95 eV, the measurement interval is 0.1 eV, the photoelectron extraction angle with respect to the sample surface is 45 deg, and the analysis area is about Quantitative analysis was performed under the condition of 800 μmφ. As for the quantitative accuracy, the quantitative accuracy of N / (M + Al + N) is ± 2%, and the quantitative accuracy of Al / (M + Al) is ± 1% (provided that M is Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W). At least one is shown).

(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(van der pauw法)にて25℃での比抵抗を測定した。その結果を表1から表6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から表6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。
(2) Specific resistance measurement About the thin film thermistor part 3 obtained by the reactive sputtering method, the specific resistance in 25 degreeC was measured by the 4 terminal method (van der pauw method). The results are shown in Tables 1 to 6.
(3) B constant measurement The resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC of the element 121 for film | membrane evaluation was measured within the thermostat, and B constant was computed from the resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC. The results are shown in Tables 1 to 6. Further, it has been confirmed that the thermistor has a negative temperature characteristic from resistance values of 25 ° C. and 50 ° C.

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
In addition, the B constant calculation method in this invention is calculated | required by the following formula | equation from each resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC as mentioned above.
B constant (K) = ln (R25 / R50) / (1 / T25-1 / T50)
R25 (Ω): resistance value at 25 ° C. R50 (Ω): resistance value at 50 ° C. T25 (K): 298.15K 25 ° C. is displayed as an absolute temperature T50 (K): 323.15K 50 ° C. is displayed as an absolute temperature

これらの結果からわかるように、MAl(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)の組成比が図1から図6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、「0.65≦y/(x+y)≦0.98、0.35≦z≦0.5、x+y+z=1」となる領域内の実施例全てで、抵抗率:10Ωcm以上、B定数:1200K以上のサーミスタ特性が達成されている。 As can be seen from these results, M x Al y N z (where, M is Zr, Nb, Mo, Hf, exhibits at least one of Ta and W.) The composition ratio of shown in FIGS. 1 to 6 3 In the triangular diagram of the original system, within the region surrounded by points A, B, C, and D, that is, “0.65 ≦ y / (x + y) ≦ 0.98, 0.35 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = Thermistor characteristics of resistivity: 10 Ωcm or more and B constant: 1200 K or more are achieved in all the examples in the region “1”.

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10から図15に示す。また、Al/(Zr+Al)比とB定数との関係を示したグラフを、図16に示す。また、Al/(Nb+Al)比とB定数との関係を示したグラフを、図17に示す。また、Al/(Mo+Al)比とB定数との関係を示したグラフを、図18に示す。また、Al/(Hf+Al)比とB定数との関係を示したグラフを、図19に示す。また、Al/(Ta+Al)比とB定数との関係を示したグラフを、図20に示す。また、Al/(W+Al)比とB定数との関係を示したグラフを、図21に示す。   Graphs showing the relationship between the resistivity at 25 ° C. and the B constant based on the above results are shown in FIGS. FIG. 16 is a graph showing the relationship between the Al / (Zr + Al) ratio and the B constant. A graph showing the relationship between the Al / (Nb + Al) ratio and the B constant is shown in FIG. A graph showing the relationship between the Al / (Mo + Al) ratio and the B constant is shown in FIG. A graph showing the relationship between the Al / (Hf + Al) ratio and the B constant is shown in FIG. A graph showing the relationship between the Al / (Ta + Al) ratio and the B constant is shown in FIG. A graph showing the relationship between the Al / (W + Al) ratio and the B constant is shown in FIG.

これらのグラフから、Al/(M+Al)=0.65〜0.98、かつ、N/(M+Al+N)=0.35〜0.5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10Ωcm以上、B定数が1200K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16から図21のデータにおいて、同じAl/(Zr+Al)比、同じAl/(Nb+Al)比、同じAl/(Mo+Al)比、同じAl/(Hf+Al)比、同じAl/(Ta+Al)比、または同じAl/(W+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、もしくは窒素欠陥等の格子欠陥量が異なるためである。
From these graphs, in the region of Al / (M + Al) = 0.65 to 0.98 and N / (M + Al + N) = 0.35 to 0.5, the wurtzite single crystal system is hexagonal. As a phase, a high resistance and high B constant region having a specific resistance value at 25 ° C. of 10 Ωcm or more and a B constant of 1200 K or more can be realized.
In the data of FIGS. 16 to 21, the same Al / (Zr + Al) ratio, the same Al / (Nb + Al) ratio, the same Al / (Mo + Al) ratio, the same Al / (Hf + Al) ratio, and the same Al / (Ta + Al) ratio. The reason why the B constant varies with respect to the same Al / (W + Al) ratio is that the amount of nitrogen in the crystal is different or the amount of lattice defects such as nitrogen defects is different.

表1から表5に示す比較例2は、いずれもAl/(M+Al)<0.65の領域であり、結晶系はウルツ鉱型ではなかった。Zrの場合は、立方晶のNaCl型となっていた。
このように、Al/(M+Al)<0.65の領域では、25℃における比抵抗値が10Ωcm未満、B定数が1200K未満であり、低抵抗かつ低B定数の領域であった。
表1から表6に示す比較例1は、いずれもN/(M+Al+N)が0.35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。
The comparative examples 2 shown in Tables 1 to 5 were all in the region of Al / (M + Al) <0.65, and the crystal system was not a wurtzite type. In the case of Zr, it was cubic NaCl type.
Thus, in the region of Al / (M + Al) <0.65, the specific resistance value at 25 ° C. was less than 10 Ωcm, the B constant was less than 1200 K, and the region was low resistance and low B constant.
Each of Comparative Examples 1 shown in Tables 1 to 6 is a region where N / (M + Al + N) is less than 0.35, and the metal is in a crystal state in which nitriding is insufficient. This Comparative Example 1 was neither in the NaCl type nor in the wurtzite type, but in a state of very poor crystallinity. Further, in these comparative examples, it was found that both the B constant and the resistance value were very small and close to the metallic behavior.

(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。
(4) Thin film X-ray diffraction (identification of crystal phase)
The crystal phase of the thin film thermistor part 3 obtained by the reactive sputtering method was identified by grazing incidence X-ray diffraction (Grazing Incidence X-ray Diffraction). This thin film X-ray diffraction was a small angle X-ray diffraction experiment, and the measurement was performed in the range of 2θ = 20 to 130 degrees with Cu as the tube, the incident angle of 1 degree. Some samples were measured in the range of 2θ = 20 to 100 degrees with an incident angle of 0 degrees.

その結果、Al/(M+Al)≧0.65(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)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/(M+Al)<0.65の領域においては、ウルツ鉱型ではない結晶系であった。Zrの場合は、NaCl型相(立方晶、ZrNと同じ相)であった。   As a result, in the region of Al / (M + Al) ≧ 0.65 (where M represents at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W), the wurtzite phase (hexagonal, AlN In the region of Al / (M + Al) <0.65, the crystal system was not a wurtzite type. In the case of Zr, it was a NaCl type phase (cubic, same phase as ZrN).

このようにM−Al−N系(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)においては、高抵抗かつ高B定数の領域は、Al/(M+Al)≧0.65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から表6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、窒化不足の金属相になっていると考えられる。
Thus, in the M-Al-N system (where M represents at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W), the high resistance and high B constant region is Al / (M + Al )> Exists in the wurtzite phase of 0.65. In the examples of the present invention, the impurity phase is not confirmed, and is a wurtzite type single phase.
In Comparative Example 1 shown in Tables 1 to 6, the crystal phase was neither the wurtzite type phase nor the NaCl type phase as described above, and could not be identified in this test. Further, these comparative examples were materials with very poor crystallinity because the peak width of XRD was very wide. This is considered to be a metal phase with insufficient nitriding because it is close to a metallic behavior due to electrical characteristics.

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軸配向性とc軸配向性のどちらが強いか、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hkl指数)と(002)(c軸配向を示すhkl指数)とのピーク強度比を測定した。その結果も表1から表6に示す。   Next, all the examples of the present invention are films of wurtzite type phase, and since the orientation is strong, the a-axis orientation and the c-axis in the crystal axis in the direction perpendicular to the Si substrate S (film thickness direction). Which of the orientations is stronger was investigated using XRD. At this time, the peak intensity ratio of (100) (hkl index indicating a-axis orientation) and (002) (hkl index indicating c-axis orientation) was measured in order to investigate the orientation of crystal axes. The results are also shown in Tables 1 to 6.

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。   In addition, even if it formed into a film on the polyimide film on the same film-forming conditions, it confirmed that the wurtzite type single phase was formed similarly. Moreover, even if it forms into a film on a polyimide film on the same film-forming conditions, it has confirmed that orientation does not change.

c軸配向が強い実施例のXRDプロファイルの一例を、図22から図27に示す。図22の実施例は、Al/(Zr+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。また、図23の実施例は、Al/(Nb+Al)=0.92(ウルツ鉱型六方晶)であり、入射角を1度として測定した。また、図24の実施例は、Al/(Mo+Al)=0.92(ウルツ鉱型六方晶)であり、入射角を1度として測定した。また、図25の実施例は、Al/(Hf+Al)=0.74(ウルツ鉱型六方晶)であり、入射角を1度として測定した。また、図26の実施例は、Al/(Ta+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。また、図27の実施例は、Al/(W+Al)=0.91(ウルツ鉱型六方晶)であり、入射角を1度として測定した。
これらの結果からわかるように、これらの実施例では、(100)よりも(002)の強度が非常に強くなっている。
An example of the XRD profile of the embodiment having a strong c-axis orientation is shown in FIGS. In the example of FIG. 22, Al / (Zr + Al) = 0.84 (wurtzite hexagonal crystal), and the incident angle was 1 degree. In the example of FIG. 23, Al / (Nb + Al) = 0.92 (wurtzite hexagonal crystal), and the incident angle was 1 degree. In the example of FIG. 24, Al / (Mo + Al) = 0.92 (wurtzite hexagonal crystal), and the incident angle was 1 degree. In the example of FIG. 25, Al / (Hf + Al) = 0.74 (wurtzite hexagonal crystal), and the incident angle was 1 degree. In the example of FIG. 26, Al / (Ta + Al) = 0.83 (wurtzite hexagonal crystal), and the incident angle was 1 degree. In the example of FIG. 27, Al / (W + Al) = 0.91 (wurtzite hexagonal crystal), and the incident angle was 1 degree.
As can be seen from these results, in these examples, the intensity of (002) is much stronger than (100).

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。   In the graph, (*) is a peak derived from the apparatus and from the Si substrate with a thermal oxide film, and it is confirmed that it is not the peak of the sample body or the peak of the impurity phase. Moreover, the incident angle was set to 0 degree, the symmetry measurement was implemented, it confirmed that the peak had disappeared, and it was checked that it is a peak derived from a device and a Si substrate with a thermal oxide film.

<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、M=Zrの場合として、熱酸化膜付きSi基板S上に860nm程度成膜された実施例(Al/(Zr+Al)=0.94,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28に示す。
M=Nbの場合として、熱酸化膜付きSi基板S上に1110nm程度成膜された実施例(Al/(Nb+Al)=0.96,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29に示す。
M=Moの場合として、熱酸化膜付きSi基板S上に330nm程度成膜された実施例(Al/(Mo+Al)=0.75,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30に示す。
M=Hfの場合として、熱酸化膜付きSi基板S上に245nm程度成膜された実施例(Al/(Hf+Al)=0.74,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31に示す。
M=Taの場合として、熱酸化膜付きSi基板S上に330nm程度成膜された実施例(Al/(Ta+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32に示す。
M=Wの場合として、熱酸化膜付きSi基板S上に325nm程度成膜された実施例(Al/(W+Al)=0.91,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33に示す。
これら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。
<Evaluation of crystal form>
Next, as an example showing the crystal form in the cross section of the thin film thermistor section 3, when M = Zr, an example (Al / (Zr + Al) = 0. FIG. 28 shows a cross-sectional SEM photograph of the thin film thermistor portion 3 of 94, wurtzite type hexagonal crystal and strong c-axis orientation.
In the case of M = Nb, a thin film of an example (Al / (Nb + Al) = 0.96, wurtzite hexagonal crystal, strong c-axis orientation) formed on a Si substrate S with a thermal oxide film to about 1110 nm A cross-sectional SEM photograph in the thermistor section 3 is shown in FIG.
In the case of M = Mo, a thin film of an example (Al / (Mo + Al) = 0.75, wurtzite hexagonal crystal, strong c-axis orientation) formed on a Si substrate S with a thermal oxide film to about 330 nm. A cross-sectional SEM photograph in the thermistor section 3 is shown in FIG.
In the case of M = Hf, the thin film of the example (Al / (Hf + Al) = 0.74, wurtzite hexagonal crystal, strong c-axis orientation) formed on the Si substrate S with thermal oxide film to about 245 nm A cross-sectional SEM photograph of the thermistor section 3 is shown in FIG.
In the case of M = Ta, a thin film of an example (Al / (Ta + Al) = 0.84, wurtzite hexagonal crystal, strong c-axis orientation) formed on a Si substrate S with a thermal oxide film about 330 nm. The cross-sectional SEM photograph in the thermistor part 3 is shown in FIG.
In the case of M = W, a thin film of an example (Al / (W + Al) = 0.91, wurtzite hexagonal crystal, strong c-axis orientation) formed on a Si substrate S with a thermal oxide film to about 325 nm. A cross-sectional SEM photograph of the thermistor section 3 is shown in FIG.
The samples of these examples are obtained by cleaving and breaking the Si substrate S. Moreover, it is the photograph which observed the inclination at an angle of 45 degrees.

これらの写真からわかるように、本発明の実施例は緻密な柱状結晶で形成されている。すなわち、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。
なお、図中の柱状結晶サイズについて、M=Zrの場合である図28の実施例は、粒径が20nmφ(±10nmφ)、長さ860nm程度であった。また、M=Nbの場合である図29の実施例は、粒径が20nmφ(±10nmφ)、長さ1110nm程度であった。また、M=Moの場合である図30の実施例は、粒径が20nmφ(±10nmφ)、長さ330nm程度であった。また、M=Hfの場合である図31の実施例は、粒径が25nmφ(±15nmφ)、長さ245nm程度であった。また、M=Taの場合である図32の実施例は、粒径が20nmφ(±10nmφ)、長さ330nm程度であった。また、M=Wの場合である図33の実施例は、粒径が15nmφ(±10nmφ)、長さ325nmであった。
As can be seen from these photographs, the examples of the present invention are formed of dense columnar crystals. That is, it has been observed that columnar crystals grow in a direction perpendicular to the substrate surface. Note that the breakage of the columnar crystal occurred when the Si substrate S was cleaved.
In addition, regarding the columnar crystal size in the figure, in the example of FIG. 28 where M = Zr, the particle diameter was 20 nmφ (± 10 nmφ) and the length was about 860 nm. In the example of FIG. 29 where M = Nb, the particle size was about 20 nmφ (± 10 nmφ) and the length was about 1110 nm. Further, in the example of FIG. 30 where M = Mo, the particle diameter was 20 nmφ (± 10 nmφ) and the length was about 330 nm. Further, in the example of FIG. 31 where M = Hf, the particle diameter was about 25 nmφ (± 15 nmφ) and the length was about 245 nm. Further, in the example of FIG. 32 where M = Ta, the particle size was about 20 nmφ (± 10 nmφ) and the length was about 330 nm. Further, in the example of FIG. 33 where M = W, the particle diameter was 15 nmφ (± 10 nmφ) and the length was 325 nm.

なお、ここでの粒径は、基板面内における柱状結晶の直径であり、長さは、基板面に垂直な方向の柱状結晶の長さ(膜厚)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10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。
なお、熱酸化膜付きSi基板S上に200nm、500nm、1000nmの厚さでそれぞれ成膜された場合にも、上記同様、緻密な柱状結晶で形成されていることを確認している。
Here, the particle diameter is the diameter of the columnar crystal in the substrate surface, and the length is the length (film thickness) of the columnar crystal in the direction perpendicular to the substrate surface.
When the aspect ratio of the columnar crystal is defined as (length) / (grain size), this embodiment has a large aspect ratio of 10 or more. It is considered that the film is dense due to the small grain size of the columnar crystals.
In addition, even when each film is formed with a thickness of 200 nm, 500 nm, and 1000 nm on the Si substrate S with a thermal oxide film, it is confirmed that the film is formed with dense columnar crystals as described above.

<耐熱試験評価>
表1から表6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7に示す。なお、比較として従来のウルツ鉱型でない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、従来のウルツ鉱型でない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、ウルツ鉱型のM−Al−N系(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)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、ウルツ鉱型のM−Al−N系の方が優れている。
以上の結果より、ウルツ鉱型の単一相をとることで、耐熱性において、良好な結果が得られたと考えられる。
また、M=Ta,M=Wの場合(Ta−Al−N,W−Al−N)は、Ti−AI−N系よりも同じ抵抗値に対するB定数が大きい。
<Evaluation of heat resistance test>
In some examples and comparative examples shown in Tables 1 to 6, resistance values and B constants before and after a heat resistance test at 125 ° C. and 1000 h in the air were evaluated. The results are shown in Table 7. In addition, the comparative example by the Ta-Al-N type material which is not a conventional wurtzite type was also evaluated similarly.
As can be seen from these results, although the Al concentration and the nitrogen concentration are different, when compared with an example having a B constant of the same amount as that of a comparative example that is a Ta-Al-N system that is not a conventional wurtzite type, Wurtz The ore-type M-Al-N system (where M is at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W) has a smaller resistance value increase rate and B constant increase rate, and is heat resistant. The wurtzite type M-Al-N system is superior in heat resistance when viewed in terms of changes in electrical characteristics before and after the test.
From the above results, it is considered that good results were obtained in heat resistance by taking a wurtzite type single phase.
When M = Ta and M = W (Ta-Al-N, W-Al-N), the B constant for the same resistance value is larger than that of the Ti-AI-N system.

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。   The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

1…フィルム型サーミスタセンサ、2…絶縁性フィルム、3…薄膜サーミスタ部、4,124…パターン電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Film type thermistor sensor, 2 ... Insulating film, 3 ... Thin film thermistor part, 4,124 ... Pattern electrode

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:MAl(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。0.65≦y/(x+y)≦0.98、0.35≦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サーミスタ用金属窒化物材料。
A metal nitride material used for the thermistor,
General formula: M x Al y N z (where M represents at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. 0.65 ≦ y / (x + y) ≦ 0.98, 0.35 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1)
A metal nitride material for a thermistor characterized in that its crystal structure is a hexagonal wurtzite type single phase.
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。
The thermistor metal nitride material according to claim 1,
Formed into a film,
A metal nitride material for a thermistor, wherein the metal nitride material is a columnar crystal extending in a direction perpendicular to the surface of the film.
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。
An insulating film;
A thin film thermistor portion formed of the metal nitride material for a thermistor according to claim 1 or 2 on the insulating film;
A film type thermistor sensor comprising at least a pair of pattern electrodes formed above or below the thin film thermistor section.
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、
M−Al合金スパッタリングターゲット(但し、MはZr,Nb,Mo,Hf,Ta及びWの少なくとも1種を示す。)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。
A method for producing a metal nitride material for a thermistor according to claim 1 or 2,
Film-forming process for forming a film by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using an M-Al alloy sputtering target (where M represents at least one of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W). A method for producing a metal nitride material for a thermistor, comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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