JP2022089433A - サーミスタ素子及び電磁波センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】サーミスタ膜の抵抗値を低減することを可能としたサーミスタ素子を提供する。【解決手段】サーミスタ膜５と、サーミスタ膜５の一方の面に接触して設けられた第１の電極６ａと、サーミスタ膜５の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極６ｂとを備え、サーミスタ膜５は、スピネル型結晶構造を有する酸化物からなり、膜厚方向に［１１１］優先配向している。【選択図】図２
Description
本発明は、サーミスタ素子及び電磁波センサに関する。
例えば、サーミスタ素子を用いた温度センサがある（例えば、下記特許文献１を参照。）。また、サーミスタ素子を用いた電磁波センサがある（例えば、下記特許文献２を参照。）。
サーミスタ素子が有するサーミスタ膜の電気抵抗は、サーミスタ膜の温度変化に応じて変化する。電磁波センサでは、サーミスタ膜に入射した赤外線（電磁波）がサーミスタ膜又はサーミスタ膜の周辺の材料に吸収されることによって、このサーミスタ膜の温度が変化する。これにより、サーミスタ素子は、赤外線（電磁波）を検出する。
ここで、シュテファン＝ボルツマンの法則から、測定対象の温度と、この測定対象から熱輻射により放出される赤外線（輻射熱）との間には相関関係がある。したがって、測定対象から放出される赤外線をサーミスタ素子を用いて検出することで、測定対象の温度を非接触により測定することが可能である。
また、このようなサーミスタ素子は、アレイ状に複数配列されることによって、測定対象の温度分布を二次元的に検出（撮像）する赤外線撮像素子（赤外線イメージセンサ）などの電磁波センサに応用されている。
ところで、上記特許文献１に記載のサーミスタ素子では、サーミスタ膜の面内方向に電流を流すＣＩＰ（Current-In-Plane）構造を採用している。しかしながら、ＣＩＰ構造では、サーミスタ膜の抵抗値が高いため、小型化に伴って、電極間におけるサーミスタ膜の抵抗値が過大となり、検出信号が取り出しにくくなるといった課題がある。
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、サーミスタ膜の抵抗値を低減し、更なる小型化を可能としたサーミスタ素子、並びに、そのようなサーミスタ素子を備えることによって、更なる小型化を可能とした電磁波センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
（１） サーミスタ膜と、
前記サーミスタ膜の一方の面に接触して設けられた第１の電極と、
前記サーミスタ膜の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極とを備え、
前記サーミスタ膜は、スピネル型結晶構造を有する酸化物からなり、膜厚方向に［１１１］優先配向していることを特徴とするサーミスタ素子。
（２） 前記（１）に記載のサーミスタ素子を備える電磁波センサ。
（３） 前記サーミスタ素子は、アレイ状に複数配列されていることを特徴とする前記（２）に記載の電磁波センサ。
（１） サーミスタ膜と、
前記サーミスタ膜の一方の面に接触して設けられた第１の電極と、
前記サーミスタ膜の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極とを備え、
前記サーミスタ膜は、スピネル型結晶構造を有する酸化物からなり、膜厚方向に［１１１］優先配向していることを特徴とするサーミスタ素子。
（２） 前記（１）に記載のサーミスタ素子を備える電磁波センサ。
（３） 前記サーミスタ素子は、アレイ状に複数配列されていることを特徴とする前記（２）に記載の電磁波センサ。
以上のように、本発明によれば、サーミスタ膜の抵抗値を低減し、更なる小型化を可能としたサーミスタ素子、並びに、そのようなサーミスタ素子を備えることによって、更なる小型化を可能とした電磁波センサを提供することが可能である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
〔サーミスタ素子〕
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図１及び図２に示すサーミスタ素子４について説明する。
なお、図１は、サーミスタ素子４の構成を示す平面図である。図２は、図１中に示す線分Ａ－Ａによるサーミスタ素子４の断面図である。
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図１及び図２に示すサーミスタ素子４について説明する。
なお、図１は、サーミスタ素子４の構成を示す平面図である。図２は、図１中に示す線分Ａ－Ａによるサーミスタ素子４の断面図である。
本実施形態のサーミスタ素子４は、図１及び図２に示すように、サーミスタ膜５と、サーミスタ膜５の一方の面（図２では下面）に接触して設けられた第１の電極６ａと、サーミスタ膜５の他方の面（図２では上面）に接触して設けられた一対の第２の電極６ｂとを備え、サーミスタ膜５の面直方向に電流が流れるＣＰＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）構造を有している。第１の電極６ａと第２の電極６ｂとは、サーミスタ膜５を挟むように配置されており、第２の電極６ｂは第１の電極６ａとサーミスタ膜５の膜厚方向で対向している。
すなわち、このサーミスタ素子４では、一方の第２の電極６ｂから第１の電極６ａに向けてサーミスタ膜５の面直方向に電流を流すと共に、第１の電極６ａから他方の第２の電極６ｂに向けてサーミスタ膜５の面直方向に電流を流すことが可能となっている。
サーミスタ膜５の抵抗値は、このサーミスタ膜５の厚さと、第１の電極６ａと第２の電極６ｂとの対向面積の大きさとに依存する。したがって、上述したＣＰＰ構造を採用することで、ＣＩＰ構造よりもサーミスタ膜５の低抵抗化が可能である。
ところで、本実施形態のサーミスタ素子４は、サーミスタ膜５がスピネル型結晶構造を有する酸化物からなると共に、このサーミスタ膜５が膜厚方向に［１１１］優先配向していることを特徴とする。サーミスタ膜５は、第１の電極６ａと第２の電極６ｂとに挟まれた部分において、膜厚方向に［１１１］優先配向している。
ここで、「膜厚方向に［１１１］優先配向している」とは、Ｘ線回折法のアウト・オブ・プレーン（Out-of-Plane）測定によるθ－２θスキャンにおいて、スピネル結晶構造の（１１１）面からの回折ピーク強度が他の結晶面からの回折ピーク強度より大きい状態、又は、Ｘ線回折法のアウト・オブ・プレーン（Out-of-Plane）測定によるθ－２θスキャンにおいて、スピネル結晶構造の（１１１）面からの回折ピークのみが観察される状態を意味する。
なお、本実施形態のサーミスタ素子４は、サーミスタ膜５中に含まれる膜厚方向に［１１１］優先配向しているスピネル型結晶構造を有する酸化物の割合が１００％であるものに必ずしも限定されるものではなく、その割合が少なくとも７０％以上であることが好ましい。
サーミスタ膜５としては、コバルト（Ｃｏ）と、マンガン（Ｍｎ）と、アルミニウム（Ａｌ）及び遷移元素のうちの少なくとも１つとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物を用いることが好ましい。また、遷移元素としては、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）のうちの少なくとも１つ以上であることが好ましい。
また、サーミスタ膜５としては、ニッケル（Ｎｉ）と、マンガン（Ｍｎ）と、アルミニウム（Ａｌ）及び遷移元素のうちの少なくとも１つとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物を用いることが好ましい。また、遷移元素としては、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）のうちの少なくとも１つ以上であることが好ましい。
サーミスタ膜５を構成する金属元素のうち、主成分金属元素は、「Ｃｏ及びＭｎ」又は「Ｎｉ及びＭｎ」である。主成分金属元素は、一般式ＡＢ２Ｏ４で表されるスピネル型結晶構造のＡサイト及びＢサイトの何れにも位置し得る。
一方、副成分金属元素は、「Ａｌ及び遷移元素」である。副成分遷移元素は、Ａサイト及びＢサイトの何れにも位置し得るが、Ａｌは主にＢサイトに位置する。
第１の電極６ａ及び第２の電極６ｂとしては、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）などの導電膜を用いることができる。また、第１の電極６ａに膜厚方向に［１１１］優先配向している白金（Ｐｔ）を用いることで、第１の電極６ａの面上に形成されるサーミスタ膜５を膜厚方向に［１１１］優先配向とすることが可能である。
本実施形態のサーミスタ素子４では、上述したサーミスタ膜５がスピネル型結晶構造を有する酸化物からなると共に、このサーミスタ膜５が膜厚方向に［１１１］優先配向していることで、第１の電極６ａと第２の電極６ｂとの間におけるサーミスタ膜５の抵抗値を低減することが可能である。
〔電磁波センサ〕
次に、本発明の一実施形態として、例えば図３～図５に示す電磁波センサ１について説明する。
なお、図３は、電磁波センサ１の構成を示す平面図である。図４は、電磁波センサ１の構成を示す分解斜視図である。図５は、電磁波センサ１の構成を示す断面図である。
次に、本発明の一実施形態として、例えば図３～図５に示す電磁波センサ１について説明する。
なお、図３は、電磁波センサ１の構成を示す平面図である。図４は、電磁波センサ１の構成を示す分解斜視図である。図５は、電磁波センサ１の構成を示す断面図である。
また、以下に示す図面では、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸方向を電磁波センサ１の特定の面内における第１の方向Ｘとし、Ｙ軸方向を電磁波センサ１の特定の面内において第１の方向Ｘと直交する第２の方向Ｙとし、Ｚ軸方向を電磁波センサ１の特定の面内に対して直交する第３の方向Ｚとして、それぞれ示すものとする。
本実施形態の電磁波センサ１は、測定対象から放出される赤外線（電磁波）を検出することによって、この測定対象の温度分布を二次元的に検出（撮像）する赤外線撮像素子（赤外線イメージセンサ）に本発明を適用したものである。
赤外線は、波長が０．７５μｍ以上、１０００μｍ以下である電磁波である。赤外線イメージセンサは、赤外線カメラとして屋内や屋外の暗視などに利用されるほか、非接触式の温度センサとして人や物の温度測定などに利用されている。
具体的に、この電磁波センサ１は、図３～図５に示すように、互いに対向して配置された第１の基板２及び第２の基板３と、これら第１の基板２と第２の基板３との間に配置された複数のサーミスタ素子４とを備えている。
第１の基板２及び第２の基板３は、ある特定の波長の電磁波（本実施形態では波長８～１４μｍの長波長赤外線）（以下、「赤外線」という。）ＩＲに対して透過性を有するシリコン基板からなる。また、赤外線ＩＲに対して透過性を有する基板としては、ゲルマニウム基板などを用いることができる。
第１の基板２及び第２の基板３は、互いに対向する面の周囲をシール材（図示せず。）により封止することによって、その間に密閉された内部空間Ｋを構成している。また、内部空間Ｋは、高真空に減圧されている。これにより、電磁波センサ１では、内部空間Ｋでの対流による熱の影響を抑制し、サーミスタ素子４に対して測定対象から放出される赤外線ＩＲ以外の熱による影響を排除している。
なお、本実施形態の電磁波センサ１は、上述した密閉された内部空間Ｋを減圧した構成に必ずしも限定されるものではなく、大気圧のまま密閉又は開放された内部空間Ｋを有する構成であってもよい。
サーミスタ素子４は、赤外線ＩＲを検出するサーミスタ膜５と、サーミスタ膜５の一方の面に接触して設けられた第１の電極６ａと、サーミスタ膜５の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極６ｂと、サーミスタ膜５を覆う誘電体膜７とを備え、サーミスタ膜５の面直方向に電流が流れるＣＰＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）構造を有している。
誘電体膜７としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化タングステン、酸化ビスマス、酸化カルシウム、酸窒化アルミニウム、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウムマグネシウム、ホウ化ケイ素、窒化ホウ素、又はサイアロン（ケイ素とアルミニウムとの酸窒化物）などを用いることができる。
誘電体膜７は、少なくともサーミスタ膜５の少なくとも一部を覆うように設けられた構成であればよい。本実施形態では、サーミスタ膜５の両面を覆うように誘電体膜７が設けられている。
複数のサーミスタ素子４は、互いに同じ大きさで平面視で矩形状（本実施形態では正方形状）に形成されている。また、複数のサーミスタ素子４は、第１の基板２及び第２の基板３と平行な面内（以下、「特定の面内」という。）にアレイ状に配列されている。すなわち、これら複数のサーミスタ素子４は、特定の面内において互いに交差（本実施形態では直交）する第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとにマトリックス状に並んで配置されている。
また、各サーミスタ素子４は、第１の方向Ｘを行方向とし、第２の方向Ｙを列方向として、第１の方向Ｘに一定の間隔で並んで配置されると共に、第２の方向Ｙに一定の間隔で並んで配置されている。
なお、上記サーミスタ素子４の行列数としては、例えば６４０行×４８０列、１０２４行×７６８列などが挙げられるが、これら行列数に必ずしも限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。
第１の基板２側には、第１の絶縁体層８と、後述する回路部１５と電気的に接続された配線部９と、各サーミスタ素子４と配線部９との間を電気的に接続する第１の接続部１０とが設けられている。
第１の絶縁体層８は、第１の基板２の一方の面（第２の基板３と対向する面）側において積層された絶縁膜からなる。絶縁膜としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化タングステン、酸化ビスマス、酸化カルシウム、酸窒化アルミニウム、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウムマグネシウム、ホウ化ケイ素、窒化ホウ素、サイアロン（ケイ素とアルミニウムの酸窒化物）などを用いることができる。
配線部９は、複数の第１のリード配線９ａと、複数の第２のリード配線９ｂとを有している。第１のリード配線９ａ及び第２のリード配線９ｂは、例えば銅や金などの導電膜からなる。
複数の第１のリード配線９ａと複数の第２のリード配線９ｂとは、第１の絶縁体層８の第３の方向Ｚにおいて異なる層内に位置して、立体的に交差するように配置されている。このうち、複数の第１のリード配線９ａは、第１の方向Ｘに延在し、且つ、第２の方向Ｙに一定の間隔で並んで設けられている。一方、複数の第２のリード配線９ｂは、第２の方向Ｙに延在し、且つ、第１の方向Ｘに一定の間隔で並んで設けられている。
各サーミスタ素子４は、平面視において、これら複数の第１のリード配線９ａと複数の第２のリード配線９ｂとによって区画された領域毎に設けられている。各サーミスタ膜５と第１の基板２の厚さ方向において対向する領域（平面視で重なる領域）には、第１の基板２とサーミスタ膜５との間で赤外線ＩＲを透過させる窓部Ｗが存在している。
第１の接続部１０は、複数のサーミスタ素子４の各々に対応して設けられた一対の第１の接続部材１１ａ，１１ｂを有している。また、一対の第１の接続部材１１ａ，１１ｂは、一対のアーム部１２ａ，１２ｂと、一対のレッグ部１３ａ，１３ｂとを有している。
各アーム部１２ａ，１２ｂは、例えばチタンや窒化チタンなどの薄膜によってサーミスタ素子４の周囲に沿って形成された折り曲げ線状の導体パターンからなる。各レッグ部１３ａ，１３ｂは、例えば銅、金、ＦｅＣｏＮｉ合金又はＮｉＦｅ合金（パーマロイ）などのめっきによって第３の方向Ｚに延在して形成された断面円形状の導体ピラーからなる。
一方の第１の接続部材１１ａは、一方の第２の電極６ｂと電気的に接続された一方のアーム部１２ａと、一方のアーム部１２ａと第１のリード配線９ａとの間を電気的に接続する一方のレッグ部１３ａとを有して、一方の第２の電極６ｂと第１のリード配線９ａとの間を電気的に接続している。
他方の第１の接続部材１１ｂは、他方の第２の電極６ｂと電気的に接続された他方のアーム部１２ｂと、他方のアーム部１２ｃと第２のリード配線９ｂとの間を電気的に接続する他方のレッグ部１３ｂとを有して、他方の第２の電極６ｂと第２のリード配線９ｂとの間を電気的に接続している。
これにより、サーミスタ素子４は、その面内の対角方向に位置する一対の第１の接続部材１１ａ，１１ｂにより第３の方向Ｚに吊り下げられた状態で支持されている。また、サーミスタ素子４と第１の絶縁体層８との間には、空間Ｇが設けられている。
第１の基板２の一方の面（第２の基板３と対向する面）側には、図示を省略するものの、複数のサーミスタ素子４の中から１つのサーミスタ素子４を選択するための複数の選択用トランジスタ（図示せず。）が設けられている。複数の選択用トランジスタは、第１の基板２の複数のサーミスタ素子４の各々に対応した位置に設けられている。また、各選択用トランジスタは、赤外線ＩＲの乱反射や入射効率の低下を防ぐため、上述した窓部Ｗを避けた位置に設けられている。
第２の基板３側には、第２の絶縁体層１４と、サーミスタ素子４から出力される電圧の変化を検出して輝度温度に変換する回路部１５と、各サーミスタ素子４と回路部１５との間を電気的に接続する第２の接続部１６とが設けられている。
第２の絶縁体層１４は、第２の基板３の一方の面（第１の基板２と対向する面）側において積層された絶縁膜からなる。絶縁膜としては、上記第１の絶縁体層８で例示した絶縁膜と同じものを用いることができる。
回路部１５は、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ：Read Out Integrated Circuit）やレギュレータ、Ａ／Ｄコンバータ（Analog-to-Digital Converter）、マルチプレクサなどからなり、第２の絶縁体層１４の層内に設けられている。
また、第２の絶縁体層１４の面上には、複数の第１のリード配線９ａ及び複数の第２のリード配線９ｂの各々に対応した複数の接続端子１７ａ，１７ｂが設けられている。接続端子１７ａ，１７ｂは、例えば銅や金などの導電膜からなる。
一方の接続端子１７ａは、回路部１５の周囲を囲む第１の方向Ｘの一方側の領域に位置して、第２の方向Ｙに一定の間隔で並んで設けられている。他方の接続端子１７ｂは、回路部１５の周囲を囲む第２の方向Ｙの一方側の領域に位置して、第１の方向Ｘに一定の間隔で並んで設けられている。
第２の接続部１６は、複数の第１のリード配線９ａ及び複数の第２のリード配線９ｂの各々に対応して設けられた複数の第２の接続部材１８ａ，１８ｂを有している。複数の第２の接続部材１８ａ，１８ｂは、例えば銅や金などのめっきによって第３の方向Ｚに延在して形成された断面円形状の導体ピラーからなる。
一方の第２の接続部材１８ａは、第１のリード配線９ａの一端側と一方の接続端子１７ａとの間を電気的に接続している。他方の第２の接続部材１８ｂは、第２のリード配線９ｂの一端側と他方の接続端子１７ｂとの間を電気的に接続している。これにより、複数の第１のリード配線９ａと回路部１５との間が一方の第２の接続部材１８ａ及び一方の接続端子１７ａを介して電気的に接続されている。また、複数の第２のリード配線９ｂと回路部１５との間が他方の第２の接続部材１８ｂ及び他方の接続端子１７ｂを介して電気的に接続されている。
以上のような構成を有する本実施形態の電磁波センサ１では、測定対象から放出された赤外線ＩＲが第１の基板２側から窓部Ｗを通してサーミスタ素子４に入射する。
サーミスタ素子４では、サーミスタ膜５の近傍に形成された誘電体膜７に入射した赤外線ＩＲが誘電体膜７に吸収されること、並びに、サーミスタ膜５に入射した赤外線ＩＲがサーミスタ膜５に吸収されることによって、このサーミスタ膜５の温度が変化する。また、サーミスタ素子４では、サーミスタ膜５の温度変化に対して、このサーミスタ膜５の電気抵抗が変化することで、一対の第２の電極６ｂの間の出力電圧が変化する。本実施形態の電磁波センサ１では、サーミスタ素子４がボロメータ素子として機能する。
本実施形態の電磁波センサ１では、測定対象から放出される赤外線ＩＲを複数のサーミスタ素子４により平面的に検出した後、各サーミスタ素子４から出力される電気信号（電圧信号）を輝度温度に変換することによって、測定対象の温度分布（温度画像）を二次元的に検出（撮像）することが可能である。
なお、サーミスタ素子４では、サーミスタ膜５に定電圧を印加する場合、このサーミスタ膜５の温度変化に対して、サーミスタ膜５に流れる電流の変化を検出して輝度温度に変換することも可能である。
本実施形態の電磁波センサ１では、サーミスタ素子４をアレイ状に複数配列した場合でも、更なる小型化を図ることが可能である。
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも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、本発明を適用した電磁波センサは、上述した複数のサーミスタ素子４をアレイ状に配列した赤外線イメージセンサの構成に必ずしも限定されるものではなく、サーミスタ素子４を単体で用いた電磁波センサや、複数のサーミスタ素子４を線状に並べて配列した電磁波センサなどにも本発明を適用することが可能である。また、サーミスタ素子４を温度を測定する温度センサとして用いることも可能である。
例えば、本発明を適用した電磁波センサは、上述した複数のサーミスタ素子４をアレイ状に配列した赤外線イメージセンサの構成に必ずしも限定されるものではなく、サーミスタ素子４を単体で用いた電磁波センサや、複数のサーミスタ素子４を線状に並べて配列した電磁波センサなどにも本発明を適用することが可能である。また、サーミスタ素子４を温度を測定する温度センサとして用いることも可能である。
また、本発明を適用した電磁波センサは、電磁波として、上述した赤外線を検出するものに必ずしも限定されるものではなく、例えば波長が３０μｍ以上、３ｍｍ以下のテラヘルツ波を検出するものであってもよい。
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
本実施例では、下記表１に示す実施例１，２及び比較例１，２のサーミスタ膜について、下記表２，３に示す条件で作製し、その抵抗率［Ω・ｃｍ］を測定した。
（実施例１）
実施例１では、先ず、表２に示すように、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０５Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、熱酸化膜が形成されたＳｉ基板上にＰｔからなる下地膜（図２に示すサーミスタ素子４の第１の電極６ａに相当する。）を成膜した。次に、表３に示すように、この下地膜の上に、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０２Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、組成比をＣｏ：Ｍｎ：Ｎｉ＝４４：４３：１３とするＣｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜を成膜した後、温度２５０℃で１ｈ熱処理を行い、ＣｏとＭｎとＮｉとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物からなるサーミスタ膜を形成した。
実施例１では、先ず、表２に示すように、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０５Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、熱酸化膜が形成されたＳｉ基板上にＰｔからなる下地膜（図２に示すサーミスタ素子４の第１の電極６ａに相当する。）を成膜した。次に、表３に示すように、この下地膜の上に、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０２Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、組成比をＣｏ：Ｍｎ：Ｎｉ＝４４：４３：１３とするＣｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜を成膜した後、温度２５０℃で１ｈ熱処理を行い、ＣｏとＭｎとＮｉとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物からなるサーミスタ膜を形成した。
実施例１のサーミスタ膜は、スピネル型結晶構造を有し、Ｘ線回折法のアウト・オブ・プレーン（Out-of-Plane）測定によるθ－２θスキャン（以下、「Ｘ線回折法のθ－２θスキャン」という。）による測定の結果、図６のグラフに示すように、膜厚方向に［１１１］優先配向していることがわかった。また、Ｐｔからなる下地膜も膜厚方向に［１１１］優先配向していることがわかった。
また、実施例１のサーミスタ膜を用いて、ＣＰＰ構造のサーミスタ素子を作製し、サーミスタ膜に対して面直方向に電流を流して抵抗率を測定したところ、サーミスタ膜の抵抗率は、３０７Ω・ｃｍであった。
（比較例１）
比較例１では、先ず、表２に示すように、ＲＦスパッタ法により、投入電力９００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．９Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２からなる下地膜を成膜した。次に、表３に示すように、この下地膜の上に、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０２Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、組成比をＣｏ：Ｍｎ：Ｎｉ＝４４：４３：１３とするＣｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜を成膜した後、温度２５０℃で１ｈ熱処理を行い、ＣｏとＭｎとＮｉとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物からなるサーミスタ膜を形成した。
比較例１では、先ず、表２に示すように、ＲＦスパッタ法により、投入電力９００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．９Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２からなる下地膜を成膜した。次に、表３に示すように、この下地膜の上に、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０２Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、組成比をＣｏ：Ｍｎ：Ｎｉ＝４４：４３：１３とするＣｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜を成膜した後、温度２５０℃で１ｈ熱処理を行い、ＣｏとＭｎとＮｉとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物からなるサーミスタ膜を形成した。
比較例１のサーミスタ膜は、スピネル型結晶構造を有し、Ｘ線回折法のθ－２θスキャンによる測定の結果、図７のグラフに示すように、ランダムに配向していることがわかった。
また、比較例１のサーミスタ膜を用いて、ＣＩＰ構造のサーミスタ素子（図２に示すサーミスタ素子４の第１の電極６ａにかえてＳｉＯ２からなる下地膜となっているものに相当する。）を作製し、サーミスタ膜に対して面内方向に電流を流して抵抗率を測定したところ、サーミスタ膜の抵抗率は、５３１Ω・ｃｍであった。
（実施例２）
実施例２では、先ず、表２に示すように、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０５Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、熱酸化膜が形成されたＳｉ基板上にＰｔからなる下地膜（図２に示すサーミスタ素子４の第１の電極６ａに相当する。）を成膜した。次に、表３に示すように、この下地膜の上に、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０２Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、組成比をＣｏ：Ｍｎ：Ｃｕ＝４４：４２：１４とするＣｏ－Ｍｎ－Ｃｕ酸化物膜を成膜した後、温度２５０℃で１ｈ熱処理を行い、ＣｏとＭｎとＣｕとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物からなるサーミスタ膜を形成した。
実施例２では、先ず、表２に示すように、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０５Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、熱酸化膜が形成されたＳｉ基板上にＰｔからなる下地膜（図２に示すサーミスタ素子４の第１の電極６ａに相当する。）を成膜した。次に、表３に示すように、この下地膜の上に、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０２Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、組成比をＣｏ：Ｍｎ：Ｃｕ＝４４：４２：１４とするＣｏ－Ｍｎ－Ｃｕ酸化物膜を成膜した後、温度２５０℃で１ｈ熱処理を行い、ＣｏとＭｎとＣｕとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物からなるサーミスタ膜を形成した。
実施例２のサーミスタ膜は、スピネル型結晶構造を有し、Ｘ線回折法のθ－２θスキャンによる測定の結果、図８のグラフに示すように、膜厚方向に［１１１］優先配向していることがわかった。また、Ｐｔからなる下地膜も膜厚方向に［１１１］優先配向していることがわかった。
また、実施例２のサーミスタ膜を用いて、ＣＰＰ構造のサーミスタ素子を作製し、サーミスタ膜に対して面直方向に電流を流して抵抗率を測定したところ、サーミスタ膜の抵抗率は、６７Ω・ｃｍであった。
（比較例２）
比較例２では、先ず、表２に示すように、ＲＦスパッタ法により、投入電力９００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．９Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２からなる下地膜を成膜した。次に、表３に示すように、この下地膜の上に、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０２Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、組成比をＣｏ：Ｍｎ：Ｃｕ＝４４：４２：１４とするＣｏ－Ｍｎ－Ｃｕ酸化物膜を成膜した後、温度２５０℃で１ｈ熱処理を行い、ＣｏとＭｎとＣｕとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物からなるサーミスタ膜を形成した。
比較例２では、先ず、表２に示すように、ＲＦスパッタ法により、投入電力９００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．９Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２からなる下地膜を成膜した。次に、表３に示すように、この下地膜の上に、ＤＣスパッタ法により、投入電力３００Ｗ、成膜ガスＡｒ、成膜圧力０．０２Ｐａ、基板温度２５℃の条件にて、組成比をＣｏ：Ｍｎ：Ｃｕ＝４４：４２：１４とするＣｏ－Ｍｎ－Ｃｕ酸化物膜を成膜した後、温度２５０℃で１ｈ熱処理を行い、ＣｏとＭｎとＣｕとを含むスピネル型結晶構造を有する酸化物からなるサーミスタ膜を形成した。
比較例２のサーミスタ膜は、スピネル型結晶構造を有し、Ｘ線回折法のθ－２θスキャンによる測定の結果、図９のグラフに示すように、ランダムに配向していることがわかった。
また、比較例２のサーミスタ膜を用いて、ＣＩＰ構造のサーミスタ素子（図２に示すサーミスタ素子４の第１の電極６ａにかえてＳｉＯ２からなる下地膜となっているものに相当する。）を作製し、サーミスタ膜に対して面内方向に電流を流して抵抗率を測定したところ、サーミスタ膜の抵抗率は、１８５Ω・ｃｍであった。
以上のように、実施例１では、比較例１よりもサーミスタ膜の抵抗率を低減することが可能である。すなわち、［１１１］優先配向の方向の抵抗率がランダム配向の場合の抵抗率よりも小さくなっている。
また、実施例２では、比較例２よりもサーミスタ膜の抵抗率を低減することが可能である。すなわち、［１１１］優先配向の方向の抵抗率がランダム配向の場合の抵抗率よりも小さくなっている。
このように、サーミスタ膜がスピネル型結晶構造を有する酸化物からなると共に、このサーミスタ膜が膜厚方向に［１１１］優先配向していることで、このサーミスタ膜を膜厚方向に挟む第１の電極と第２の電極との間におけるサーミスタ膜の抵抗値を低減することが可能である。
１…電磁波センサ ２…第１の基板 ３…第２の基板 ４…サーミスタ素子 ５…サーミスタ膜 ６ａ…第１の電極 ６ｂ…第２の電極 ７…誘電体膜 ８…第１の絶縁体層 ９…配線部 ９ａ…第１のリード配線 ９ｂ…第２のリード配線 １０…第１の接続部 １１ａ，１１ａ…第１の接続部材 １２ａ，１２ｂ…アーム部 １３ａ，１３ｂ…レッグ部 １４…第２の絶縁体層 １５…回路部 １６…第２の接続部 １７ａ，１７ｂ…接続端子 １８ａ，１８ｂ…第２の接続部材 ＩＲ…赤外線（電磁波） Ｇ…空間 Ｋ…内部空間
Claims (3)
- サーミスタ膜と、
前記サーミスタ膜の一方の面に接触して設けられた第１の電極と、
前記サーミスタ膜の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極とを備え、
前記サーミスタ膜は、スピネル型結晶構造を有する酸化物からなり、膜厚方向に［１１１］優先配向していることを特徴とするサーミスタ素子。 - 請求項１に記載のサーミスタ素子を備える電磁波センサ。
- 前記サーミスタ素子は、アレイ状に複数配列されていることを特徴とする請求項２に記載の電磁波センサ。
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