JP2016191705A - 温度センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 下地電極を採用しても金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部を用いて高Ｂ定数で低抵抗値の温度センサ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】 絶縁性基材２と、絶縁性基材上に形成された下地電極層３と、下地電極層上に形成された薄膜サーミスタ部４と、互いに対向して薄膜サーミスタ部上にパターン形成された一対のパターン電極５とを備え、薄膜サーミスタ部が、サーミスタ用金属窒化物材料で形成され、下地電極層が、導電性窒化膜で形成されている。【選択図】図１
Description
本発明は、フィルム型サーミスタ温度センサに好適な温度センサ及びその製造方法に関する。
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。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ったが、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、樹脂フィルム上に成膜可能なサーミスタ用金属窒化物材料が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
従来、高Ｂ定数かつ低ρ材料の要求があった場合、材料自体を変えていたが、上記のようなサーミスタ用金属窒化物材料を用いる場合、サーミスタ用金属窒化物材料を電極材料で挟んだサンドイッチ構造を採用していた。すなわち、サーミスタ用金属窒化物材料を用いた従来のサーミスタ温度センサは、図８に示すように、例えば樹脂フィルム等の絶縁性基材２と、絶縁性基材２上に形成されたＣｒの下地電極層１０３と、下地電極層１０３上に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４と、互いに対向して薄膜サーミスタ部４上にパターン形成された一対のパターン電極５とを備えている。
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来の下地電極とパターン電極とで薄膜サーミスタ部を挟んだ構造では、下地電極にＣｒが採用されているが、この場合、薄膜サーミスタ部下の下地電極側付近に低抵抗層ができてしまい、Ｂ定数が小さくなってしまう不都合があった。すなわち、Ｃｒの下地電極の上に金属窒化物材料の薄膜を成膜すると、界面付近で窒化不足の膜若しくは金属に近い膜ができ、低抵抗層となっていた。
上記従来の下地電極とパターン電極とで薄膜サーミスタ部を挟んだ構造では、下地電極にＣｒが採用されているが、この場合、薄膜サーミスタ部下の下地電極側付近に低抵抗層ができてしまい、Ｂ定数が小さくなってしまう不都合があった。すなわち、Ｃｒの下地電極の上に金属窒化物材料の薄膜を成膜すると、界面付近で窒化不足の膜若しくは金属に近い膜ができ、低抵抗層となっていた。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、下地電極を採用しても金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部を用いて高Ｂ定数で低抵抗値の温度センサ及びその製造方法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の発明に係る温度センサは、絶縁性基材と、前記絶縁性基材上に形成された下地電極層と、前記下地電極層上に形成された薄膜サーミスタ部と、互いに対向して前記薄膜サーミスタ部上にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、前記薄膜サーミスタ部が、サーミスタ用金属窒化物材料で形成され、前記下地電極層が、導電性窒化膜で形成されていることを特徴とする。
本発明の温度センサでは、下地電極層が、導電性窒化膜で形成されているので、下地電極層上に金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部を成膜しても、下地電極層が低抵抗の窒化物であることで薄膜サーミスタ部下に窒化不足の層が形成されることを抑制し、高Ｂ定数かつ低抵抗値の特性を得ることができる。
本発明の温度センサでは、下地電極層が、導電性窒化膜で形成されているので、下地電極層上に金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部を成膜しても、下地電極層が低抵抗の窒化物であることで薄膜サーミスタ部下に窒化不足の層が形成されることを抑制し、高Ｂ定数かつ低抵抗値の特性を得ることができる。
第２の発明に係る温度センサは、第１の発明の温度センサにおいて、前記下地電極層が、ＴｉＮまたはＣｒＮで形成されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、下地電極層が、成膜時に十分に窒化することが容易なＴｉＮまたはＣｒＮで形成されているので、下地電極層上に金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部を成膜しても、薄膜サーミスタ部下に窒化不足の層が形成されることを更に抑制し、高Ｂ定数かつ低抵抗値の特性を得ることができる。
すなわち、この温度センサでは、下地電極層が、成膜時に十分に窒化することが容易なＴｉＮまたはＣｒＮで形成されているので、下地電極層上に金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部を成膜しても、薄膜サーミスタ部下に窒化不足の層が形成されることを更に抑制し、高Ｂ定数かつ低抵抗値の特性を得ることができる。
第３の発明に係る温度センサは、第２の発明の温度センサにおいて、前記薄膜サーミスタ部が、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成され、前記下地電極層が、ＴｉＮで形成されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、薄膜サーミスタ部が、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成され、下地電極層がＴｉＮで形成されているので、薄膜サーミスタ部と下地電極層とが共にＴｉを含有する材料であることで、膜同士の相性が良く、高い密着性等が得られる。
すなわち、この温度センサでは、薄膜サーミスタ部が、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成され、下地電極層がＴｉＮで形成されているので、薄膜サーミスタ部と下地電極層とが共にＴｉを含有する材料であることで、膜同士の相性が良く、高い密着性等が得られる。
第４の発明に係る温度センサは、第２の発明の温度センサにおいて、前記薄膜サーミスタ部が、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成され、前記下地電極層が、ＣｒＮで形成されていることを特徴とする。
第５の発明に係る温度センサは、第１から第４の発明のいずれかの温度センサにおいて、前記絶縁性基材が、絶縁性フィルムであることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、絶縁性基材が、絶縁性フィルムであるので、薄型で全体がフィルム状の温度センサとなり、フレキシブルで凹凸が小さく、設置自由度を大幅に向上させることができる。また、絶縁性フィルムの曲げに対しても、薄膜サーミスタ部の剥離が生じ難く、曲面等への設置も可能になる。
すなわち、この温度センサでは、絶縁性基材が、絶縁性フィルムであるので、薄型で全体がフィルム状の温度センサとなり、フレキシブルで凹凸が小さく、設置自由度を大幅に向上させることができる。また、絶縁性フィルムの曲げに対しても、薄膜サーミスタ部の剥離が生じ難く、曲面等への設置も可能になる。
第６の発明に係る温度センサの製造方法は、第１から第５の発明のいずれかの温度センサを製造する方法であって、絶縁性基材上に下地電極層を形成する下地電極層工程と、前記下地電極層上に薄膜サーミスタ部をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対のパターン電極を前記薄膜サーミスタ部上にパターン形成する電極形成工程とを有し、前記下地電極層工程で、前記下地電極層を導電性窒化膜で形成し、前記薄膜サーミスタ部形成工程で、前記薄膜サーミスタ部をサーミスタ用金属窒化物材料で形成することを特徴とする。
すなわち、この温度センサの製造方法では、下地電極層工程で、下地電極層を導電性窒化膜で形成し、薄膜サーミスタ部形成工程で、薄膜サーミスタ部をサーミスタ用金属窒化物材料で形成するので、下地電極層が低抵抗の窒化物であることで薄膜サーミスタ部下に窒化不足の層が形成されることを抑制し、高Ｂ定数かつ低抵抗値の特性を得ることができる。
すなわち、この温度センサの製造方法では、下地電極層工程で、下地電極層を導電性窒化膜で形成し、薄膜サーミスタ部形成工程で、薄膜サーミスタ部をサーミスタ用金属窒化物材料で形成するので、下地電極層が低抵抗の窒化物であることで薄膜サーミスタ部下に窒化不足の層が形成されることを抑制し、高Ｂ定数かつ低抵抗値の特性を得ることができる。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサ及びその製造方法によれば、下地電極層が、導電性窒化膜で形成されているので、下地電極層上に金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部を成膜しても、下地電極層が低抵抗の窒化物であることで薄膜サーミスタ部下に窒化不足の層が形成されることを抑制し、高Ｂ定数かつ低抵抗値の特性を得ることができる。
すなわち、本発明に係る温度センサ及びその製造方法によれば、下地電極層が、導電性窒化膜で形成されているので、下地電極層上に金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部を成膜しても、下地電極層が低抵抗の窒化物であることで薄膜サーミスタ部下に窒化不足の層が形成されることを抑制し、高Ｂ定数かつ低抵抗値の特性を得ることができる。
以下、本発明に係る温度センサ及びその製造方法における一実施形態を、図１及び図２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。
本実施形態の温度センサ１は、フィルム型サーミスタセンサであって、図１に示すように、絶縁性基材２と、絶縁性基材２上に形成された下地電極層３と、下地電極層３上に形成された薄膜サーミスタ部４と、互いに対向して薄膜サーミスタ部４上にパターン形成された一対のパターン電極５とを備えている。
上記薄膜サーミスタ部４は、サーミスタ用金属窒化物材料で形成されている。本実施形態では、薄膜サーミスタ部４が、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４は、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（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。
上記下地電極層３は、導電性窒化膜で形成されている。特に、本実施形態では、下地電極層３がＴｉＮで形成されていることが好ましいが、ＣｒＮを下地電極層３としても構わない。
上記下地電極層３は、導電性窒化膜で形成されている。特に、本実施形態では、下地電極層３がＴｉＮで形成されていることが好ましいが、ＣｒＮを下地電極層３としても構わない。
上記絶縁性基材２は、絶縁性フィルムであり、例えばポリイミド樹脂シートで形成されている。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。
上記パターン電極５は、薄膜サーミスタ部４上に形成されたＣｒの接合層５ａと、該接合層５ａ上にＡｕ等の貴金属で形成された電極層５ｂとを有している。
上記パターン電極５は、薄膜サーミスタ部４上に形成されたＣｒの接合層５ａと、該接合層５ａ上にＡｕ等の貴金属で形成された電極層５ｂとを有している。
上記薄膜サーミスタ部４は、上述したように、金属窒化物材料であって、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（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Ｐ６３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））の単相である。
また、この薄膜サーミスタ部４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。
また、この薄膜サーミスタ部４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。
この温度センサ１の製造方法について、図２を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性基材２上に下地電極層３を形成する下地電極層工程と、下地電極層３上に薄膜サーミスタ部４をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対のパターン電極５を薄膜サーミスタ部４上にパターン形成する電極形成工程とを有している。
上記下地電極層工程では、下地電極層３を導電性窒化膜で形成し、上記薄膜サーミスタ部形成工程では、薄膜サーミスタ部４をサーミスタ用金属窒化物材料で形成する。
本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性基材２上に下地電極層３を形成する下地電極層工程と、下地電極層３上に薄膜サーミスタ部４をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対のパターン電極５を薄膜サーミスタ部４上にパターン形成する電極形成工程とを有している。
上記下地電極層工程では、下地電極層３を導電性窒化膜で形成し、上記薄膜サーミスタ部形成工程では、薄膜サーミスタ部４をサーミスタ用金属窒化物材料で形成する。
より具体的な製造方法の例としては、図２の（ａ）に示す厚さ５０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性基材２上に、Ｔｉ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、図２の（ｂ）に示すように、ＴｉＮ又はＣｒＮの下地電極層３を厚さ２０ｎｍで成膜する。その時のスパッタ条件は、例えばＴｉＮの場合、到達真空度４×１０−５Ｐａ、スパッタガス圧０．１３Ｐａ、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、窒素ガス分率を１２％で作製した。なお、ＣｒＮの場合、スパッタ条件を、到達真空度４×１０−５Ｐａ、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、窒素ガス分率を４０％として作製した。
次に、下地電極層３上に、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、ＴｉｘＡｌｙＮｚ（ｘ＝０．０５、ｙ＝０．４５、ｚ＝０．５０）の薄膜サーミスタ部４を膜厚２００ｎｍで成膜する。その時のスパッタ条件は、到達真空度４×１０−５Ｐａ、スパッタガス圧０．２Ｐａ、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％で作製した。
次に、成膜した薄膜サーミスタ部４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℃５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な下地電極層３及び薄膜サーミスタ部４の部分を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、図２の（ｃ）に示すように、レジスト剥離にて所望の下地電極層３及び薄膜サーミスタ部４を形成する。
次に、薄膜サーミスタ部４上に、スパッタ法にて、Ｃｒの接合層５ａを膜厚２０ｎｍ形成し、さらにその上にＡｕの電極層５ｂを膜厚２００ｎｍ形成する。これらのスパッタ条件は、到達真空度４．０×１０−５Ｐａ、スパッタガス圧０．１Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）はＣｒの接合層５ａが３００Ｗ、Ａｕの電極層５ｂが１００Ｗで、Ａｒガス雰囲気下において行った。
次に、成膜した電極層５ｂ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℃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エッチャントの順番でウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の電極層５ａ，５ｂを形成する。
さらに、電極層５ｂ上に、Ａｕめっき液によりＡｕ薄膜を２μｍ形成してリード線接合用のめっき部５ｃを形成することで、図２の（ｄ）に示すように、電極層５ａ，５ｂ及びめっき部５ｃからなるパターン電極５を形成する。
さらに、電極層５ｂ上に、Ａｕめっき液によりＡｕ薄膜を２μｍ形成してリード線接合用のめっき部５ｃを形成することで、図２の（ｄ）に示すように、電極層５ａ，５ｂ及びめっき部５ｃからなるパターン電極５を形成する。
なお、メッキ部５ｃを作成する前に、印刷法で保護膜として厚さ１５μｍのポリイミドをパターン電極５の中間部における薄膜サーミスタ部４上に載せ、乾燥機にて１５０℃で６０ｍｉｎ加圧し、硬化及び接着させても構わない。
なお、複数の温度センサ１を同時に作製する場合、絶縁性基材２の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部４及びパターン電極５を上述のように形成した後に、大判シートから各温度センサ１に切断する。
このようにして、例えばサイズを１．０×０．５ｍｍ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の温度センサ１が得られる。
なお、複数の温度センサ１を同時に作製する場合、絶縁性基材２の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部４及びパターン電極５を上述のように形成した後に、大判シートから各温度センサ１に切断する。
このようにして、例えばサイズを１．０×０．５ｍｍ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の温度センサ１が得られる。
このように本実施形態の温度センサ１及びその製造方法では、下地電極層３が、導電性窒化膜で形成されているので、下地電極層３上に金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部４を成膜しても、下地電極層３が低抵抗の窒化物であることで薄膜サーミスタ部４下に窒化不足の層が形成されることを抑制し、高Ｂ定数かつ低抵抗値の特性を得ることができる。
また、薄膜サーミスタ部４がＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成され、下地電極層３がＴｉＮであるので、薄膜サーミスタ部４と下地電極層３とが共にＴｉおよび窒素を含有する材料であることで、膜同士の相性が良く、高い密着性等が得られる。
また、薄膜サーミスタ部４がＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成され、下地電極層３がＴｉＮであるので、薄膜サーミスタ部４と下地電極層３とが共にＴｉおよび窒素を含有する材料であることで、膜同士の相性が良く、高い密着性等が得られる。
さらに、絶縁性基材２が、絶縁性フィルムであるので、薄型で全体がフィルム状の温度センサとなり、フレキシブルで凹凸が小さく、設置自由度を大幅に向上させることができる。また、絶縁性フィルムの曲げに対しても、薄膜サーミスタ部４の剥離が生じ難く、曲面等への設置も可能になる。
次に、本発明に係る温度センサ及びその製造方法について、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３から図１１を参照して具体的に説明する。
＜抵抗値、Ｂ定数測定＞
上記実施形態に基づいて作製したＴｉＮの下地電極層を採用した実施例について、抵抗値、Ｂ定数を測定した。なお、比較例として、Ｃｒの下地電極層を採用したものも同様に測定した。
実施例及び比較例の２５℃の抵抗値（表１中のＲ２５）及び５０℃の抵抗値（表１中のＲ５０）を恒温槽内で測定し、２５℃と５０℃との抵抗値よりＢ定数（表１中のＢ２５／５０）を算出した。その結果を表１に示す。
これらの結果から、比較例に比べて本発明の実施例では、高いＢ定数が得られていることがわかる。
上記実施形態に基づいて作製したＴｉＮの下地電極層を採用した実施例について、抵抗値、Ｂ定数を測定した。なお、比較例として、Ｃｒの下地電極層を採用したものも同様に測定した。
実施例及び比較例の２５℃の抵抗値（表１中のＲ２５）及び５０℃の抵抗値（表１中のＲ５０）を恒温槽内で測定し、２５℃と５０℃との抵抗値よりＢ定数（表１中のＢ２５／５０）を算出した。その結果を表１に示す。
これらの結果から、比較例に比べて本発明の実施例では、高いＢ定数が得られていることがわかる。
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
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
＜薄膜Ｘ線回折（結晶相の同定）＞
本発明の実施例について、反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部を、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。
本発明の実施例について、反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部を、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、本発明の実施例は、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。
本実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図３に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．９０（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。
本実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図３に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．９０（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。
＜膜の評価＞
下地電極層上の薄膜サーミスタ部界面の評価を行うため、絶縁性基材として熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、ＴｉＮの下地電極層（膜厚２０ｎｍ）及び薄膜サーミスタ部（ＴｉＡｌＮ）（膜厚２０ｎｍ）を成膜した本発明の実施例を作製した。また、比較として熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、Ｃｒの下地電極層（膜厚２０ｎｍ）及び薄膜サーミスタ部（膜厚２０ｎｍ）を成膜した比較例も作製した。
これら実施例及び比較例について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。このＸＰＳでは、実施例及び比較例の試料表面の全定性、及び最表面から絶縁性基材までのＡｒスパッタによる深さ方向化学分析を行った。
なお、このＴｉＮ膜について、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結果、立方晶系のＮａＣｌ型（空間群Ｆｍ−３ｍ（Ｎｏ．２２５））の単相であることを確認した。
下地電極層上の薄膜サーミスタ部界面の評価を行うため、絶縁性基材として熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、ＴｉＮの下地電極層（膜厚２０ｎｍ）及び薄膜サーミスタ部（ＴｉＡｌＮ）（膜厚２０ｎｍ）を成膜した本発明の実施例を作製した。また、比較として熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、Ｃｒの下地電極層（膜厚２０ｎｍ）及び薄膜サーミスタ部（膜厚２０ｎｍ）を成膜した比較例も作製した。
これら実施例及び比較例について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。このＸＰＳでは、実施例及び比較例の試料表面の全定性、及び最表面から絶縁性基材までのＡｒスパッタによる深さ方向化学分析を行った。
なお、このＴｉＮ膜について、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結果、立方晶系のＮａＣｌ型（空間群Ｆｍ−３ｍ（Ｎｏ．２２５））の単相であることを確認した。
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：１８７．８５ｅＶ（Ｓｕｒｖｅｙ）、５８．７５ｅＶ（Ｄｅｐｔｈ）、測定間隔：０．８ｅＶ／ｓｔｅｐ（Ｓｕｒｖｅｙ）、０．１２５ｅｖ（Ｄｅｐｔｈ）、試料面に対する光電子取り出し角：４５ｄｅｇ、分析エリアを約８００μｍφの条件下で分析を実施した。比較例の分析結果を、図４及び図５に示すと共に、実施例の分析結果を図６及び図７に示す。
なお、ＣｒとＡｌとのピークが重なるため、比較例（Ｃｒの下地電極層上の薄膜サーミスタ部界面）を分析したときは、Ａｌ２ｓの光電子スペクトルを用い、本発明の実施例（ＴｉＮの下地電極層上の薄膜サーミスタ部界面）を分析したときは、Ａｌ２ｐの光電子スペクトルを用いた。
図４，５に、比較例（ＴｉＡｌＮ／Ｃｒ）の結果を示す。Ｔｉ２ｐ，Ａｌ２ｓ，Ｃｒ２ｐの光電子スペクトルにて化学状態を確認したところ、Ｃｒが検出し始める領域で、Ｔｉ，Ａｌが還元して金属状態として存在していることが確認された。Ａｒスパッタ時間７，８ｍｉｎはＴｉＡｌＮ相、９ｍｉｎはＴｉＡｌＮ／Ｃｒ界面付近、１０，１１ｍｉｎは下地電極Ｃｒ相と考えられる。ＴｉＡｌＮ／Ｃｒ界面付近の光電子スペクトルデータをみると、ＴｉＡｌＮ中のＡｌ、Ｔｉのピークとは別に、窒化不足と考えられるＴｉ金属，Ａｌ金属と考えられるピークが検出されている。
ＴｉＡｌＮ／Ｃｒ界面付近にＴｉ金属，Ａｌ金属があることが、実施例よりも低Ｂ定数化の原因となっていると考えられる。
ＴｉＡｌＮ／Ｃｒ界面付近にＴｉ金属，Ａｌ金属があることが、実施例よりも低Ｂ定数化の原因となっていると考えられる。
図６，７に、実施例（ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ）の結果を示す。Ａｒスパッタ時間８,９ｍｉｎはＴｉＡｌＮ相、１０〜１２ｍｉｎはＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ界面付近、１３，１４ｍｉｎは下地電極ＴｉＮ相と考えられる。ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ界面付近の光電子スペクトルデータをみると、比較例のような、窒化不足と考えられるＴｉ金属，Ａｌ金属と考えられるピークは検出されていない。下地電極が窒化物のＴｉＮで形成されているので、スパッタによりＴｉＡｌＮの成膜をしても、界面近傍でＴｉＡｌＮは還元されることがないと考えられる。
また、この立方晶のＴｉＮは、同じ窒化チタン系と知られているＴｉ２Ｎ（正方晶）よりも、窒化量が多く、このことも、界面近傍でＴｉＡｌＮが還元されない要因と考えられる。
また、この立方晶のＴｉＮは、同じ窒化チタン系と知られているＴｉ２Ｎ（正方晶）よりも、窒化量が多く、このことも、界面近傍でＴｉＡｌＮが還元されない要因と考えられる。
すなわち、下部電極が窒化物であるので、反応性スパッタリングにおけるＴｉＡｌＮの初期結晶成長時から、ＴｉＡｌＮ結晶を容易に窒化させることが可能であり、すなわち、窒化不足になりＴｉ金属，Ａｌ金属が形成されることが抑制されるので、初期成長時から窒化十分のままＴｉＡｌＮ窒化物サーミスタ材料を結晶成長させることが可能である。その結果、所望のサーミスタ特性を得ることが可能である。
ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ界面付近にＴｉ金属，Ａｌ金属が形成されないので、下地電極がない場合のＴｉＡｌＮと同程度のＢ定数が、下地電極上のＴｉＡｌＮでも得られる。このことが、比較例よりも高いＢ定数化の原因となっていると考えられる。
なお、比較例（ＴｉＡｌＮ／Ｃｒ）と実施例（ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ）とにおいて、下地電極層の膜厚２０ｎｍ、ＴｉＡｌＮ層の膜厚２０ｎｍが同じにかかわらず、界面までの到達するＡｒスパッタ時間が異なるのは、比較例の方が、スパッタレートが早いＴｉ金属，Ａｌ金属成分を含んでいるからと考えられる。ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ界面付近は強固に結合しているため、界面付近のＡｒスパッタに時間を要していると考えられる。
なお、比較例（ＴｉＡｌＮ／Ｃｒ）と実施例（ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ）とにおいて、下地電極層の膜厚２０ｎｍ、ＴｉＡｌＮ層の膜厚２０ｎｍが同じにかかわらず、界面までの到達するＡｒスパッタ時間が異なるのは、比較例の方が、スパッタレートが早いＴｉ金属，Ａｌ金属成分を含んでいるからと考えられる。ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ界面付近は強固に結合しているため、界面付近のＡｒスパッタに時間を要していると考えられる。
次に、絶縁性基材として熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、ＣｒＮの下地電極層（膜厚２０ｎｍ）及び薄膜サーミスタ部（ＴｉＡｌＮ）（膜厚２０ｎｍ）を成膜した本発明の実施例も作製した。このＣｒＮ膜について、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結果、立方晶系のＮａＣｌ型（空間群Ｆｍ−３ｍ（Ｎｏ．２２５））の単相であることを確認した。
この実施例についても、上記ＴｉＮの下地電極層の実施例と同様に、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。
この実施例についても、上記ＴｉＮの下地電極層の実施例と同様に、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。
図９，図１０，図１１に、実施例（ＴｉＡｌＮ／ＣｒＮ）の結果を示す。Ａｒスパッタ時間１０,１１ｍｉｎはＴｉＡｌＮ相、１２〜１４ｍｉｎはＴｉＡｌＮ／ＣｒＮ界面付近、１５，１６ｍｉｎは下地電極ＣｒＮ相と考えられる。ＴｉＡｌＮ／ＣｒＮ界面付近の光電子スペクトルデータをみると、比較例のような、窒化不足と考えられるＴｉ金属，Ａｌ金属と考えられるピークは検出されていない。下地電極が窒化物のＣｒＮで形成されているので、スパッタによりＴｉＡｌＮの成膜をしても、界面近傍でＴｉＡｌＮは還元されることがないと考えられる。また、この立方晶のＣｒＮは、同じ窒化クロム系と知られているＣｒ２Ｎ（六方晶）よりも、窒化量が多く、このことも、界面近傍でＴｉＡｌＮが還元されない要因と考えられる。
すなわち、下部電極が窒化物であるので、反応性スパッタリングにおけるＴｉＡｌＮの初期結晶成長時から、ＴｉＡｌＮ結晶を容易に窒化させることが可能であり、すなわち、窒化不足になりＴｉ金属，Ａｌ金属が形成されることが抑制されるので、初期成長時から窒化十分のままＴｉＡｌＮ窒化物サーミスタ材料を結晶成長させることが可能である。その結果、所望のサーミスタ特性を得ることが可能である。
また、比較例（ＴｉＡｌＮ／Ｃｒ）と実施例（ＴｉＡｌＮ／ＣｒＮ）とにおいても、下地電極層の膜厚２０ｎｍと、ＴｉＡｌＮ層の膜厚２０ｎｍとが同じであるにもかかわらず、界面までに到達するＡｒスパッタ時間が異なるのは、比較例の方が、スパッタレートが早いＴｉ金属，Ａｌ金属成分を含んでいるからと考えられる。ＴｉＡｌＮ／ＣｒＮ界面付近は強固に結合しているため、界面付近のＡｒスパッタに時間を要していると考えられる。
また、比較例（ＴｉＡｌＮ／Ｃｒ）と実施例（ＴｉＡｌＮ／ＣｒＮ）とにおいても、下地電極層の膜厚２０ｎｍと、ＴｉＡｌＮ層の膜厚２０ｎｍとが同じであるにもかかわらず、界面までに到達するＡｒスパッタ時間が異なるのは、比較例の方が、スパッタレートが早いＴｉ金属，Ａｌ金属成分を含んでいるからと考えられる。ＴｉＡｌＮ／ＣｒＮ界面付近は強固に結合しているため、界面付近のＡｒスパッタに時間を要していると考えられる。
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、上述したように、薄膜サーミスタ部がＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている場合、下地電極層にＴｉＮを採用することが好ましいが、導電性窒化膜としてＣｒＮを下地電極層に採用しても構わない。ＴｉＮ、ＣｒＮは、成膜時に十分に窒化することが容易な材料であり、窒化物サーミスタを初期成長時から窒化不足することなく、成膜することが容易な材料である。また、下地電極層の導電性窒化膜として、ＴｉＮ，ＣｒＮと同じ、立方晶系のＮａＣｌ型の結晶構造をとるＶＮ，ＺｒＮ，ＮｂＮ等の３ｄ遷移金属窒化物及び４ｄ遷移金属窒化物や、ＴｉＡｌＮとの界面における拡散が抑えられるＨｆＮ，ＴａＮ，ＷＮ等の５ｄ遷移金属窒化物を採用しても構わない。
下部電極を導電性窒化物にすることで、反応性スパッタリングにおける窒化物サーミスタ材料の初期結晶成長時から、窒化物サーミスタ材料からなる結晶を容易に窒化させることが可能であり、すなわち、窒化不足になり遷移金属，Ａｌ金属が形成されることが抑制されるので、初期成長時から窒化十分のまま窒化物サーミスタ材料を結晶成長させることが可能である。その結果、所望のサーミスタ特性を得ることが可能である。
下部電極を導電性窒化物にすることで、反応性スパッタリングにおける窒化物サーミスタ材料の初期結晶成長時から、窒化物サーミスタ材料からなる結晶を容易に窒化させることが可能であり、すなわち、窒化不足になり遷移金属，Ａｌ金属が形成されることが抑制されるので、初期成長時から窒化十分のまま窒化物サーミスタ材料を結晶成長させることが可能である。その結果、所望のサーミスタ特性を得ることが可能である。
１…温度センサ、２…絶縁性基材、３…下地電極層、４…薄膜サーミスタ部、５…パターン電極
Claims (6)
- 絶縁性基材と、
前記絶縁性基材上に形成された下地電極層と、
前記下地電極層上に形成された薄膜サーミスタ部と、
互いに対向して前記薄膜サーミスタ部上にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、
前記薄膜サーミスタ部が、サーミスタ用金属窒化物材料で形成され、
前記下地電極層が、導電性窒化膜で形成されていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項１に記載の温度センサにおいて、
前記下地電極層が、ＴｉＮもしくはＣｒＮで形成されていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項２に記載の温度センサにおいて、
前記薄膜サーミスタ部が、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成され、
前記下地電極層が、ＴｉＮで形成されていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項２に記載の温度センサにおいて、
前記薄膜サーミスタ部が、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成され、
前記下地電極層が、ＣｒＮで形成されていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項１から３のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
前記絶縁性基材が、絶縁性フィルムであることを特徴とする温度センサ。 - 請求項１から５のいずれか一項に記載の温度センサを製造する方法であって、
絶縁性基材上に下地電極層を形成する下地電極層工程と、
前記下地電極層上に薄膜サーミスタ部をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、
互いに対向した一対のパターン電極を前記薄膜サーミスタ部上にパターン形成する電極形成工程とを有し、
前記下地電極層工程で、前記下地電極層を導電性窒化膜で形成し、
前記薄膜サーミスタ部形成工程で、前記薄膜サーミスタ部をサーミスタ用金属窒化物材料で形成することを特徴とする温度センサの製造方法。
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|---|---|---|---|---|
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| JP2013205317A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Mitsubishi Materials Corp | 温度センサ及びその製造方法 |
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