JP2019129188A - Thermistor and method for manufacturing the same, and thermistor sensor - Google Patents

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Toshiaki Fujita
利晃 藤田
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Abstract

To provide an amorphous thermistor capable of being directly formed on a film or the like and having high resistance and a high B constant, a method for manufacturing the amorphous thermistor, and a thermistor sensor.SOLUTION: A thermistor is made of an amorphous metal nitride represented by a general formula: SiWN(0<y/(x+y)≤0.30, 0.45≤z/(x+y+z)≤0.50, x+y+z=1). A method for manufacturing the thermistor includes a film formation step of forming a film by performing reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a sputtering target comprising a mixed sintered body of SiNand W.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、フィルム等に直接成膜可能なサーミスタ及びその製造方法並びにサーミスタセンサに関する。   The present invention relates to a thermistor capable of direct film formation on a film or the like, a method of manufacturing the same, and a 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。また、薄膜サーミスタ材料においては、結晶配向度に優れた、高い結晶性をもつ薄膜サーミスタ材料として、近年、非焼成で熱処理が不要であり、高B定数が得られる金属窒化物材料が開発されている。   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. In addition, in thin film thermistor materials, as a thin film thermistor material with high crystallinity, which is excellent in the degree of crystal orientation, in recent years, a metal nitride material which is not fired and does not require heat treatment, and can obtain a high B constant is developed. There is.

例えば、本願発明者らは、Al−N系のサーミスタ用金属窒化物材料の研究開発を鋭意進め、非焼成で絶縁性基材に直接成膜できるサーミスタ用金属窒化物材料として、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ている(特許文献1)。その他にも、非焼成で形成でき、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Si及びAlの少なくとも1種の窒化物材料であり、上記結晶構造を有するものであって高B定数が得られる材料を開発している(特許文献2〜7)。 For example, the inventors of the present application have made extensive research and development on Al—N-based metal nitride materials for thermistors. As the metal nitride materials for thermistors that can be directly formed on an insulating substrate without firing, 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 hexagonal We are developing a metal nitride material for thermistors, which is a single-phase wurtzite type of W series (Patent Document 1). In addition, it can be formed by non-baking, is at least one nitride material of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Si and Al, and has the above crystal structure and is high Materials have been developed to obtain B constants (Patent Documents 2 to 7).

特開2013−179161号公報JP, 2013-179161, A 特開2014−123646号公報JP, 2014-123646, A 特開2014−236204号公報JP, 2014-236204, A 特開2015−65408号公報JP, 2015-65408, A 特開2015−65417号公報JP, 2015-65417, A 特開2015−73077号公報JP, 2015-73077, A 特開2015−73075号公報JP, 2015-73075, A

上述した金属窒化物材料の他にも、絶縁性フィルム上に直接、成膜することができると共に非焼成で高B定数が得られるサーミスタが求められている。
特に、上記高い結晶性をもつ金属窒化物材料からなるサーミスタ膜をポリイミド等の絶縁性フィルム上に成膜した場合や、圧縮応力が大きくなる条件で成膜した場合、クラックが発生しやすいため、非晶質で高B定数のサーミスタが求められている。
In addition to the metal nitride material described above, there is also a demand for a thermistor that can be directly deposited on an insulating film and that can obtain a high B constant without firing.
In particular, when the thermistor film made of a metal nitride material having high crystallinity is formed on an insulating film such as polyimide or formed under conditions where the compressive stress is large, cracks are easily generated. There is a need for an amorphous, high B constant thermistor.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、絶縁性フィルム上に成膜してもクラックが生じ難く、高B定数が得られる非晶質のサーミスタ及びその製造方法並びに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-mentioned problems, and provides an amorphous thermistor which hardly forms a crack even when formed on an insulating film and can obtain a high B constant, a method of manufacturing the same, and a thermistor sensor The purpose is to

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の発明に係るサーミスタは、一般式:Si(0<y/(x+y)≦0.30、0.45≦z/(x+y+z)≦0.50、x+y+z=1)で示される非晶質の金属窒化物からなることを特徴とする。 The present invention adopts the following configuration in order to solve the problems. That is, the thermistor according to the first invention has a general formula: Si x W y N z (0 <y / (x + y) ≦ 0.30, 0.45 ≦ z / (x + y + z) ≦ 0.50, x + y + z = 1. It consists of an amorphous metal nitride shown by these.

このサーミスタでは、一般式:Si(0<y/(x+y)≦0.30、0.45≦z/(x+y+z)≦0.50、x+y+z=1)で示される非晶質の金属窒化物からなるので、クラックが発生し難く、高B定数を有したサーミスタ特性を有している。
なお、上記「z/(x+y+z)」(すなわち、N/(Si+W+N)組成比)が0.45未満であると、SiWが窒化不足となってしまうため、比抵抗が小さくなり過ぎて金属的振る舞いが生じ、サーミスタ特性が得られない。
また、上記「z/(x+y+z)」が0.50を超えると、絶縁性が高くなり過ぎてしまうため、サーミスタとしての使用が困難である。
また、上記「y/(x+y)」(すなわち、W/(Si+W)組成比)がゼロ、すなわち、SiN非晶質であると、絶縁性が高くなり過ぎてしまうため、サーミスタとしての使用が困難である。
さらに、上記「y/(x+y)」が0.3を超えると、十分な耐熱性が得られないため、高温で使用した後の抵抗値変化率が大きくなってしまう。
In this thermistor, an amorphous material represented by a general formula: Si x W y N z (0 <y / (x + y) ≦ 0.30, 0.45 ≦ z / (x + y + z) ≦ 0.50, x + y + z = 1) Since the metal nitride of the above, it is hard to generate a crack and has a thermistor characteristic with a high B constant.
Note that if “z / (x + y + z)” (that is, N / (Si + W + N) composition ratio) is less than 0.45, SiW becomes insufficiently nitrided, so that the specific resistance becomes too small and the metal behaves. And the thermistor characteristics cannot be obtained.
Moreover, since insulation will become too high when said "z / (x + y + z)" exceeds 0.50, the use as a thermistor is difficult.
In addition, if the above “y / (x + y)” (ie, W / (Si + W) composition ratio) is zero, that is, if it is SiN amorphous, the insulation becomes too high, making it difficult to use as a thermistor. It is.
Furthermore, when the above “y / (x + y)” exceeds 0.3, sufficient heat resistance can not be obtained, and thus the rate of change in resistance after use at high temperatures becomes large.

第2の発明に係るサーミスタセンサは、基材と、前記基材上に第1の発明のサーミスタで形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に形成された一対の対向電極とを備えていることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタセンサでは、第1の発明のサーミスタで薄膜サーミスタ部が形成されているので、薄膜サーミスタ部にクラック発生が生じ難く、高B定数が得られるので、良好なサーミスタ特性を有したサーミスタセンサが得られる。
A thermistor sensor according to a second invention is a pair of base material, a thin film thermistor portion formed by the thermistor of the first invention on the base material, and a pair formed at least above and below the thin film thermistor portion. The counter electrode is provided.
That is, in this thermistor sensor, since the thin film thermistor portion is formed by the thermistor of the first invention, cracks are hardly generated in the thin film thermistor portion, and a high B constant can be obtained, so a thermistor having good thermistor characteristics. A sensor is obtained.

第3の発明に係るサーミスタセンサは、第2の発明のサーミスタセンサにおいて、前記基材が、絶縁性フィルムであることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタセンサでは、ポリイミド等の絶縁性フィルム上に形成された薄膜サーミスタ部に大きな圧縮応力が加わっても、クラックの発生が抑制され、良好なサーミスタ特性が得られる。また、基材が柔軟な絶縁性フィルムであるため、全体として柔軟性を有したフレキシブルサーミスタセンサが得られる。
A thermistor sensor according to a third invention is characterized in that, in the thermistor sensor of the second invention, the base material is an insulating film.
That is, in this thermistor sensor, even if a large compressive stress is applied to the thin film thermistor portion formed on the insulating film such as polyimide, the occurrence of the crack is suppressed, and good thermistor characteristics can be obtained. In addition, since the substrate is a flexible insulating film, a flexible thermistor sensor having flexibility as a whole can be obtained.

第4の発明に係るサーミスタの製造方法は、第1の発明のサーミスタを製造する方法であって、SiとWとの混合焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する成膜工程を有していることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタの製造方法では、SiとWとの混合焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する成膜工程を有しており、ターゲット中にSi窒化物が含まれているので、膜の良好な窒化が可能であると共に、スパッタ中の窒素含有量の調整によって、Si膜の窒化量(N/(Si+W+N)組成比)を調整することができ、安定して非晶質Siのサーミスタを作製することができる。
A method of manufacturing a thermistor according to a fourth aspect of the present invention is a method of manufacturing the thermistor of the first aspect, wherein a sputtering target formed of a mixed sintered body of Si 3 N 4 and W is used in a nitrogen-containing atmosphere. It has the film-forming process which forms into a film by performing reactive sputtering.
That is, the method of manufacturing the thermistor includes a film forming step of forming a film by performing reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a sputtering target formed of a mixed sintered body of Si 3 N 4 and W. Since the target contains Si 3 N 4 nitride, it is possible to achieve good nitriding of the film, and adjust the nitrogen content during sputtering to obtain the amount of nitriding of the Si x W y N z film (N / (Si + W + N) composition ratio can be adjusted, and a thermistor of amorphous Si x W y N z can be stably produced.

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によれば、一般式:Si(0<y/(x+y)≦0.30、0.45≦z/(x+y+z)≦0.50、x+y+z=1)で示される非晶質の金属窒化物からなるので、クラックが発生し難く、高B定数を有したサーミスタ特性を有している。
また、本発明に係るサーミスタの製造方法によれば、SiとWとの混合焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する成膜工程を有しているので、スパッタ中の窒素含有量の調整によって、Si膜の窒化量を調整することができ、安定して非晶質Siのサーミスタを作製することができる。
さらに、本発明に係るサーミスタセンサによれば、上記本発明のサーミスタで薄膜サーミスタ部が形成されているので、クラック発生が生じ難く、さらに高B定数が得られるので、良好なサーミスタ特性を有した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 thermistor according to the present invention, the general formula: Si x W y N z (0 <y / (x + y) ≦ 0.30, 0.45 ≦ z / (x + y + z) ≦ 0.50, x + y + z = 1 Since it is made of an amorphous metal nitride as shown in 1.), it is resistant to cracking and has a thermistor characteristic with a high B constant.
In addition, according to the method of manufacturing a thermistor according to the present invention, a film forming step of performing reactive sputtering to form a film in a nitrogen-containing atmosphere using a sputtering target formed of a mixed sintered body of Si 3 N 4 and W Therefore, the amount of nitriding of the Si x W y N z film can be adjusted by adjusting the nitrogen content during sputtering, and a stable thermistor of amorphous Si x W y N z can be produced. can do.
Further, according to the thermistor sensor of the present invention, since the thin film thermistor portion is formed by the thermistor of the present invention, cracks are hardly generated, and a high B constant is obtained, so that the thermistor sensor has good thermistor characteristics. A thermistor sensor is obtained.

本発明に係るサーミスタ及びその製造方法並びにサーミスタセンサの一実施形態において、基材上のサーミスタを示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a thermistor on a substrate in an embodiment of a thermistor, a method of manufacturing the same, and a thermistor sensor according to the present invention. 本実施形態及び本発明に係る実施例において、サーミスタセンサ及び膜評価用素子を示す正面図及び平面図である。In the embodiment according to the present embodiment and the present invention, it is a front view and a plan view showing a thermistor sensor and an element for film evaluation. 本発明に係る実施例1について、X線光電子分光法(XPS)にて元素分析を行った結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having conducted elemental analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) about Example 1 which concerns on this invention. 本発明に係る実施例及び比較例において、25℃比抵抗値に対するB定数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 B constant with respect to 25 degreeC specific resistance value. 本発明に係る実施例において、組成比N/(Si+W+N)に対するB定数を示すグラフである。In the Example which concerns on this invention, it is a graph which shows B constant with respect to composition ratio N / (Si + W + N). 本発明に係る実施例1について、X線回折(XRD)の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of X-ray diffraction (XRD) about Example 1 which concerns on this invention.

以下、本発明に係るサーミスタ及びその製造方法並びにサーミスタセンサ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 thermistor, a method of manufacturing the same, and a thermistor sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. 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は、一般式:Si(0<y/(x+y)≦0.30、0.45≦z/(x+y+z)≦0.50、x+y+z=1)で示される非晶質の金属窒化物からなるサーミスタ材料である。
なお、非晶質の判断は、X線回折実験により実施した。なお、ポリイミドのような樹脂基板は、X線の吸収が大きく、非晶質の判断が難しいため、熱酸化(SiO)膜付きSi基板にSi膜を成膜し、結晶性を判断した。具体的には、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction)により、実施し、管球をCuとし、入射角を1度とした。また、入射角を0度とし、2θ=20〜100度の範囲で対称測定(一般的なθ−2θ測定)を実施した。この際に、a軸配向(100)やc軸配向(002)等の結晶性のピークが無いことによって非晶質であることを判断している。
Thermistor of this embodiment, the general formula: represented by Si x W y N z (0 <y / (x + y) ≦ 0.30,0.45 ≦ z / (x + y + z) ≦ 0.50, x + y + z = 1) It is a thermistor material made of amorphous metal nitride.
In addition, judgment of the amorphous was implemented by X-ray-diffraction experiment. Since a resin substrate such as polyimide has a large absorption of X-rays and it is difficult to determine whether it is amorphous, a Si x W y N z film is formed on a Si substrate with a thermal oxidation (SiO 2 ) film, and crystal I judged the sex. Specifically, it was carried out by grazing incidence X-ray diffraction, and the tube was made Cu, and the incident angle was made 1 degree. Moreover, the incident angle was made into 0 degree and symmetrical measurement (general (theta) 2-(theta) measurement) was implemented in 2 (theta) = 20-100 degree. At this time, the absence of crystallinity peaks such as the a-axis orientation (100) and the c-axis orientation (002) is judged to be amorphous.

また、本実施形態のサーミスタには、サーミスタ特性を大きく変えない範囲内において、酸素が含まれていてもよい。本実施形態のサーミスタを後述するスパッタリングにより成膜した際には、膜中に不可避不純物として含まれる酸素(組成比O/(Si+W+N+O))は、いずれも2%未満である。
また、本実施形態のサーミスタの表面が酸化した場合でも、酸化層の厚みが電気的に影響の少ない膜厚(例えば、数nm以下)であれば表面に酸化層が存在してもよい。
Further, the thermistor of the present embodiment may contain oxygen within a range where the thermistor characteristics are not significantly changed. When the thermistor of this embodiment is formed into a film by sputtering described later, oxygen (composition ratio O / (Si + W + N + O)) contained as an unavoidable impurity in the film is less than 2% in all cases.
In addition, even when the surface of the thermistor of this embodiment is oxidized, an oxide layer may be present on the surface as long as the thickness of the oxide layer is a film thickness (for example, several nm or less) with little electrical influence.

また、本実施形態のサーミスタセンサ10は、図1及び図2に示すように、基材2と、基材2上に上記サーミスタで形成された薄膜サーミスタ部1と、薄膜サーミスタ部1の上及び下の少なくとも一方に形成された一対の対向電極5とを備えている。   Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the thermistor sensor 10 according to the present embodiment includes the substrate 2, the thin film thermistor unit 1 formed of the thermistor on the substrate 2, the thin film thermistor unit 1 and And a pair of counter electrodes 5 formed on at least one of the lower sides.

上記基材2は、ポリイミド等の絶縁性フィルムが採用される。
なお、上記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作製できるが、柔軟性と耐熱性とが要求される。例えば定着ローラの温度測定用としては、最高使用温度が200℃程度と高いため、耐熱性に優れたポリイミドフィルムが望ましい。
上記一対の対向電極5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1上で互いに対向状態とされていると共に、複数の櫛部5aを有した櫛形パターンとされている。
As the substrate 2, an insulating film such as polyimide is employed.
In addition, although the said insulating film can also be produced also by PET: polyethylene terephthalate, PEN: polyethylene naphthalate etc., a softness | flexibility and heat resistance are requested | required. For example, since the maximum use temperature is as high as about 200 ° C. for measuring the temperature of the fixing roller, a polyimide film excellent in heat resistance is desirable.
For example, the pair of counter electrodes 5 is formed by patterning a laminated metal film of a Cr film and an Au film, is opposed to each other on the thin film thermistor portion 1, and has a comb pattern having a plurality of comb portions 5a. ing.

上記サーミスタの製造方法及びこれを用いたサーミスタセンサの製造方法について、以下に説明する。   The manufacturing method of the said thermistor and the manufacturing method of the thermistor sensor using the same are demonstrated below.

本実施形態のサーミスタを製造する方法は、SiとWとの混合焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する成膜工程を有している。
例えば、非晶質Si−W−N膜を形成するには、SiとWとの混合焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、スパッタ条件は、到達真空度4×10−5Pa、スパッタガス圧0.67Pa、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例えば40%とする。
なお、Si−W合金スパッタリングターゲットを用いた場合、膜の窒化が難しいため、スパッタリングターゲットにSiのような窒化物が含まれていることが好ましい。本実施形態では、スパッタリングターゲット材料にSiが含まれているものを採用しているが、さらに良好な窒化膜を得るために、W−Nが含まれているものを採用してもよい。
The method of manufacturing the thermistor of this embodiment includes a film forming step of performing film formation by performing reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a sputtering target made of a mixed sintered body of Si 3 N 4 and W. ing.
For example, in order to form an amorphous Si-W-N film, a sputtering target consisting of a mixed sintered body of Si 3 N 4 and W is used, and the sputtering condition is an ultimate vacuum degree of 4 × 10 −5 Pa, The nitrogen gas fraction is set to, for example, 40% in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas with a sputtering gas pressure of 0.67 Pa and a target input power (output) of 200 W.
In addition, when a Si-W alloy sputtering target is used, it is preferable that the sputtering target contains a nitride such as Si 3 N 4 because it is difficult to nitride the film. In the present embodiment, a sputtering target material containing Si 3 N 4 is used, but in order to obtain a better nitride film, a material containing W—N may be used. Good.

また、本実施形態のサーミスタセンサ10を製造する場合、まず基材2上に上記サーミスタの製法の成膜工程によって薄膜サーミスタ部1を成膜する。
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2に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛部5aを有した対向電極5を形成する。このようにして本実施形態のサーミスタセンサ10が作製される。
Moreover, when manufacturing the thermistor sensor 10 of this embodiment, the thin film thermistor part 1 is formed into a film by the film-forming process of the manufacturing method of the said thermistor first on the base material 2. FIG.
Next, by sputtering, for example, a Cr film is formed to 20 nm, and an Au film is further formed to 200 nm. Furthermore, after applying a resist solution with a bar coater, prebaking is performed at 110 ° C. for 1 minute and 30 seconds, after exposure with an exposure device, unnecessary portions are removed with a developer, and post baking at 150 ° C. for 5 minutes Perform patterning at Thereafter, the unnecessary electrode portion is wet-etched with a commercially available Au etchant and Cr etchant to form a counter electrode 5 having a desired comb portion 5a by resist peeling as shown in FIG. Thus, the thermistor sensor 10 of the present embodiment is manufactured.

このように本実施形態のサーミスタでは、一般式:Si(0<y/(x+y)≦0.30、0.45≦z/(x+y+z)≦0.50、x+y+z=1)で示される非晶質の金属窒化物からなるので、クラックが発生し難く、高B定数を有したサーミスタ特性を有している。 Thus, in the thermistor of this embodiment, the general formula: Si x W y N z (0 <y / (x + y) ≦ 0.30, 0.45 ≦ z / (x + y + z) ≦ 0.50, x + y + z = 1) Since it consists of an amorphous metal nitride shown by these, it is hard to generate a crack and has the thermistor characteristic with high B constant.

また、本実施形態のサーミスタセンサ10では、上記サーミスタで薄膜サーミスタ部1が形成されているので、薄膜サーミスタ部1にクラック発生が生じ難く、高B定数が得られ、良好なサーミスタ特性を有したサーミスタセンサが得られる。特に、ポリイミド等の絶縁性フィルム上に形成された薄膜サーミスタ部1に大きな圧縮応力が加わっても、クラックの発生が抑制され、良好なサーミスタ特性が得られる。また、基材2が柔軟な絶縁性フィルムである場合、全体として柔軟性を有したフレキシブルサーミスタセンサが得られる。   Further, in the thermistor sensor 10 of the present embodiment, since the thin film thermistor portion 1 is formed of the above-mentioned thermistor, the thin film thermistor portion 1 is unlikely to be cracked, a high B constant is obtained, and the thermistor characteristics are good. A thermistor sensor is obtained. In particular, even if a large compressive stress is applied to the thin film thermistor portion 1 formed on an insulating film such as polyimide, the occurrence of cracks is suppressed and good thermistor characteristics are obtained. When the substrate 2 is a flexible insulating film, a flexible thermistor sensor having flexibility as a whole can be obtained.

さらに、本実施形態のサーミスタの製造方法では、SiとWとの混合焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する成膜工程を有しているので、ターゲット中のSiにより膜の良好な窒化が可能であると共に、スパッタ中の窒素含有量の調整によって、Si膜の窒化量を調整することができ、安定して非晶質Siのサーミスタを作製することができる。 Furthermore, in the method of manufacturing a thermistor according to the present embodiment, there is a film forming step of forming a film by performing reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a sputtering target made of a mixed sintered body of Si 3 N 4 and W. As a result, Si 3 N 4 in the target enables good nitridation of the film, and adjustment of the nitrogen content in sputtering enables adjustment of the nitridation amount of the Si x W y N z film. A stable thermistor of amorphous Si x W y N z can be produced.

次に、本発明に係るサーミスタ及びその製造方法並びに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3から図6を参照して具体的に説明する。   Next, the results of evaluation of the thermistor, the method of manufacturing the same, and the thermistor sensor according to the present invention by examples manufactured based on the above embodiment will be specifically described with reference to FIGS. 3 to 6.

<膜評価用素子の作製>
本発明の実施例及び比較例として、熱酸化膜(SiO)付きSi基板の基材22を用いて、非晶質Si−W−N膜のサーミスタを有する図2に示すサーミスタセンサを膜評価用素子として次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、SiとWとの混合焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、熱酸化膜(SiO)付きSi基板の基材22上に非晶質Si−W−Nの薄膜サーミスタ部1を形成した。このような薄膜サーミスタ部1を成膜した実施例を、組成比を変えて複数作製した(実施例1〜6)。そのときの非晶質Si−W−Nのスパッタ条件は、上記と同様である。
<Production of element for film evaluation>
As an example of the present invention and a comparative example, the thermistor sensor shown in FIG. 2 having a thermistor of an amorphous Si—W—N film using a substrate 22 of a Si substrate with a thermal oxide film (SiO 2 ) is evaluated as a film. The device was prepared as follows.
First, using a sputtering target consisting of a mixed sintered body of Si 3 N 4 and W by reactive sputtering, amorphous Si-- is formed on the base material 22 of the Si substrate with a thermal oxide film (SiO 2 ). A W-N thin film thermistor portion 1 was formed. A plurality of examples in which the thin film thermistor portion 1 was formed into a film were produced by changing the composition ratio (Examples 1 to 6). The sputtering conditions for amorphous Si—W—N at that time are the same as described above.

なお、比較例として、反応性スパッタ法にて、Siのみからなるスパッタリングターゲットを用いて、熱酸化膜(SiO)付きSi基板の基材22上に非晶質Si−N膜(比較例1,2)を、薄膜サーミスタ部1に該当する部分へ形成した。また、反応性スパッタ法にて、Si−W合金スパッタリングターゲットを用いて、熱酸化膜(SiO)付きSi基板の基材22上に本発明の組成範囲外の非晶質Si−W−N膜(比較例3)を、薄膜サーミスタ部1に該当する部分へ形成した。 As a comparative example, an amorphous Si-N film (a reactive Si sputtering method using a sputtering target consisting only of Si 3 N 4 ) is applied on the base material 22 of the Si substrate with a thermal oxide film (SiO 2 ). Comparative Examples 1 and 2 were formed on the portion corresponding to the thin film thermistor portion 1. In addition, an amorphous Si—W—N outside the composition range of the present invention is formed on the base material 22 of the Si substrate with a thermal oxide film (SiO 2 ) by a reactive sputtering method using a Si—W alloy sputtering target. A film (Comparative Example 3) was formed on a portion corresponding to the thin film thermistor section 1.

次に、上記薄膜サーミスタ部1の上に、上述した条件で対向電極5を形成した。そして、これをチップ状にダイシングして、本発明の実施例及び比較例の膜評価用素子とした。実施例における非晶質Si−W−Nの薄膜サーミスタ部1の膜厚は、200nmであり、比較例における非晶質Si−N膜又は非晶質Si−W−N膜の膜厚は、200nmである。   Next, the counter electrode 5 was formed on the thin film thermistor portion 1 under the above-described conditions. Then, this was diced into chips to obtain film evaluation elements of Examples and Comparative Examples of the present invention. The film thickness of the thin film thermistor portion 1 of amorphous Si-W-N in the example is 200 nm, and the film thickness of the amorphous Si-N film or the amorphous Si-W-N film in the comparative example is It is 200 nm.

<膜の評価>
(1)組成分析
上記薄膜サーミスタ部1について、X線光電子分光法(XPS)にて元素分析を行った。このXPSでは、Arスパッタにより、最表面から深さ20nmのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表1に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子%」で示している。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 Elemental analysis was performed on the thin film thermistor unit 1 by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In this XPS, quantitative analysis was performed on a sputtered surface having a depth of 20 nm from the outermost surface by Ar sputtering. The results are shown in Table 1. The composition ratios in the following table are indicated by “atomic%”. For some samples, quantitative analysis is performed on the sputtered surface with a depth of 100 nm from the outermost surface, and it is confirmed that the same composition is within the range of quantitative accuracy with the sputtered surface with a depth of 20 nm.

なお、上記X線光電子分光法(XPS)は、X線源をMgKα(350W)とし、パスエネルギー:58.5eV、測定間隔:0.125eV、試料面に対する光電子取り出し角:45deg、分析エリアを約800μmφの条件下で定量分析を実施した。なお、定量精度について、N/(Si+W+N)の定量精度は±2%、W/(Si+W)の定量精度は±1%である。   In the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the X-ray source is MgKα (350 W), pass energy: 58.5 eV, measurement interval: 0.125 eV, photoelectron take-out angle to the sample surface: 45 deg, analysis area about Quantitative analysis was performed under the condition of 800 μmφ. As for the quantitative accuracy, the quantitative accuracy of N / (Si + W + N) is ± 2%, and the quantitative accuracy of W / (Si + W) is ± 1%.

(2)XPSによるSiの結合エネルギー評価
本発明の実施例について、XPSによりSi2pのスペクトルを取得し、ピーク位置よりSiの結合エネルギーを測定した結果を表1に示す。なお、一例として本発明の実施例1におけるXPSによるスペクトルのプロファイルを、図3に示す。また、本実施例の他に比較のため、バルク体のSi,Si,SiOそれぞれのXPSによるスペクトルも図3に破線で図示している。
(2) Evaluation of Bonding Energy of Si by XPS In the example of the present invention, the spectrum of Si2p was obtained by XPS, and the bonding energy of Si was measured from the peak position. The results are shown in Table 1. As an example, FIG. 3 shows a spectrum profile by XPS in Example 1 of the present invention. Further, for comparison with this example, the spectra of the bulk Si, Si 3 N 4 , and SiO 2 by XPS are also shown by broken lines in FIG.

X線光電子分光の化学状態分析は、非晶質のように、原子配列に長周期性がなく、原子が不規則に配列されていたとしても、原子間の結合状態やミクロな特定の構造(微細な構造)を評価することが可能となる。本発明のいずれの実施例も、SiのピークがSiよりも低いエネルギー側にピークを有したスペクトルが観察されている。すなわち、本発明のいずれの非晶質Si−W−N膜の原子間の結合状態や構造については、Si結晶構造と同様の結晶構造、結合状態がミクロな領域で構成されていると考えられる。さらにSiの結晶構造におけるSiサイトにWが入ってスペクトルのピークが低いエネルギー側にシフトしていると考えられ、窒化珪素の結晶中にWが固溶していることがわかる。また、Si2pのスペクトルは単一のピークであることから、相分離はしておらず、Si−W−N膜は単一相と考えられる。 Chemical state analysis of X-ray photoelectron spectroscopy shows that, like amorphous, there is no long periodicity in the atomic arrangement and even if the atoms are arranged irregularly, the bonding state between atoms and the specific structure of the micro ( (Fine structure) can be evaluated. In any of the examples of the present invention, a spectrum is observed in which the peak of Si has a peak on the lower energy side than Si 3 N 4 . That is, as for the bonding state and structure between atoms of any amorphous Si-W-N film of the present invention, the crystal structure and bonding state similar to the Si 3 N 4 crystal structure are configured in a micro region. it is conceivable that. Further, it is considered that W enters the Si site in the crystal structure of Si 3 N 4 and the peak of the spectrum is shifted to the lower energy side, and it can be seen that W is dissolved in the silicon nitride crystal. Moreover, since the spectrum of Si2p is a single peak, no phase separation occurs, and the Si-W-N film is considered to be a single phase.

<比抵抗測定>
上記反応性スパッタ法にて得られた実施例及び比較例の各非晶質膜について、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に示す。
<Measurement of resistivity>
The specific resistance at 25 ° C. was measured by the four-terminal method (van der pauw method) for each of the amorphous films of the examples and comparative examples obtained by the reactive sputtering method. The results are shown in Table 1.

<B定数測定>
各膜評価用素子の25℃及び50℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、25℃と50℃との抵抗値よりB定数を算出した。その結果を表1に示す。
この結果、本発明の実施例は、いずれも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。これらの比較例及び実施例の結果について、25℃の比抵抗値に対するB定数を示すグラフを図4に示すと共に、組成比N/(Si+W+N)に対するB定数を示すグラフを図5に示す。
<B constant measurement>
The resistances at 25 ° C. and 50 ° C. of each film evaluation element were measured in a thermostat, and the B constant was calculated from the resistances at 25 ° C. and 50 ° C. The results are shown in Table 1.
As a result, it is confirmed that the examples of the present invention are thermistors having temperature characteristics that are more negative than the resistance values of 25 ° C. and 50 ° C., respectively. Regarding the results of these comparative examples and examples, a graph showing the B constant with respect to the specific resistance value at 25 ° C. is shown in FIG. 4, and a graph showing the B constant with respect to the composition ratio N / (Si + W + N) is shown in FIG.

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 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、本発明の実施例では、いずれも高い比抵抗値及びB定数が得られている。また、同程度のW/(Si+W)比をもつ材料について、窒化量(組成比N/(Si+W+N)が大きくなると共に、比抵抗値及びB定数が大きくなっている。すなわち、Si膜の窒化量を調整することでサーミスタ特性を調整することが可能である。
これらに対し、非晶質Si−N膜の比較例1,2は、絶縁性が高くなり過ぎ、比抵抗値が大きくなり過ぎてサーミスタ特性が得られず、B定数の測定ができていない。また、本発明の組成範囲外である非晶質Si−W−Nの比較例3は、Si−W合金スパッタリングターゲットを用いたため、窒化量が小さく、低い比抵抗値及びB定数であった。
As can be seen from these results, in each of the examples of the present invention, high specific resistance and B constant are obtained. Also, for materials having similar W / (Si + W) ratios, as the amount of nitriding (composition ratio N / (Si + W + N) increases, the specific resistance value and the B constant increase, ie, Si x W y N It is possible to adjust the thermistor characteristics by adjusting the nitridation amount of the z film.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2 of the amorphous Si-N film, the insulating property is too high, the specific resistance value is too large, the thermistor characteristic can not be obtained, and the B constant can not be measured. Moreover, since the comparative example 3 of the amorphous Si-W-N outside the composition range of the present invention used a Si-W alloy sputtering target, the amount of nitriding was small, and the specific resistance value and B constant were low.

<X線回折による非晶質性の評価>
次に、本発明の実施例は非晶質の膜であり、結晶化膜でないことを、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction)を用いて確認した。
なお、視斜角入射X線回折の条件は、管球をCuとし、入射角を1度とした。
この結果、本発明の各実施例は、結晶性を示すピークは検出されておらず、非晶質であることがわかった。
<Evaluation of amorphousness by X-ray diffraction>
Next, the example of the present invention was an amorphous film, and it was confirmed that it was not a crystallized film using grazing incidence X-ray diffraction.
The oblique oblique incidence X-ray diffraction conditions were that the tube was Cu and the incident angle was 1 degree.
As a result, in each Example of the present invention, a peak showing crystallinity was not detected, and it was found to be amorphous.

一例として非晶質Si−W−N膜の実施例1のXRDプロファイルを、図6に示す。これらの結果からわかるように、本発明の実施例1は、結晶化膜を示すピークが検出されていない。
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(一般的なθ−2θ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。
The XRD profile of Example 1 of an amorphous Si-W-N film as an example is shown in FIG. As understood from these results, in Example 1 of the present invention, no peak indicating a crystallized film is detected.
In the graph, (*) is a peak derived from the device and from the Si substrate with a thermal oxide film, and it is confirmed that it is not a peak of the sample itself or a peak of the impurity phase. In addition, symmetry measurement (general θ-2θ measurement) was performed with an incident angle of 0 degree, and it was confirmed that the peak had disappeared. This is a peak derived from a device and a Si substrate with a thermal oxide film. It was confirmed.

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、薄膜サーミスタ部の上に一対の対向電極を形成しているが、薄膜サーミスタ部の下、すなわち絶縁性フィルムの一方の面上に一対の対向電極を形成し、その上に薄膜サーミスタ部を形成しても構わない。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above embodiment, the pair of opposing electrodes is formed on the thin film thermistor portion, but the pair of opposing electrodes is formed below the thin film thermistor portion, that is, on one surface of the insulating film The thin film thermistor portion may be formed on the

1…薄膜サーミスタ部、2,22…基材、5…対向電極、10…サーミスタセンサ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thin film thermistor part, 2, 22 ... Base material, 5 ... Counter electrode, 10 ... Thermistor sensor

Claims (4)

一般式:Si(0<y/(x+y)≦0.30、0.45≦z/(x+y+z)≦0.50、x+y+z=1)で示される非晶質の金属窒化物からなることを特徴とするサーミスタ。 Amorphous metal nitride represented by the general formula: Si x W y N z (0 <y / (x + y) ≦ 0.30, 0.45 ≦ z / (x + y + z) ≦ 0.50, x + y + z = 1) The thermistor characterized by comprising. 基材と、
前記基材上に請求項1に記載のサーミスタで形成された薄膜サーミスタ部と、
前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に形成された一対の対向電極とを備えていることを特徴とするサーミスタセンサ。
A substrate;
A thin film thermistor portion formed of the thermistor according to claim 1 on the substrate;
A thermistor sensor comprising: a pair of counter electrodes formed on at least one of the upper and lower sides of the thin film thermistor portion.
請求項2に記載のサーミスタセンサにおいて、
前記基材が、絶縁性フィルムであることを特徴とするサーミスタセンサ。
The thermistor sensor according to claim 2,
The thermistor sensor, wherein the substrate is an insulating film.
請求項1に記載のサーミスタを製造する方法であって、
SiとWとの混合焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する成膜工程を有していることを特徴とするサーミスタの製造方法。
A method of manufacturing a thermistor according to claim 1, comprising
A thermistor manufacturing method comprising a film forming step of forming a film by performing reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a sputtering target made of a mixed sintered body of Si 3 N 4 and W .
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