JP2024054754A - 歪抵抗膜および物理量センサおよび歪抵抗膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的高いｋ－ｆａｃｔｏｒを維持し、ＴＣＲの制御が容易な歪抵抗膜と、その抵抗膜を有する物理量センサを提供すること。【解決手段】式Ｃｒ100-x-y-zＡｌxＮyＯzで表される組成を有する歪抵抗膜である。５≦ｘ≦５０、０．１≦ｙ≦２０、０．１≦ｚ≦１７、およびｙ＋ｚ≦２５の関係を満足する。【選択図】図１
Description
本発明は、歪に応じて抵抗値が変化する歪抵抗膜およびこれを用いる物理量センサに関する。
ＣｒＡｌ膜あるいはＣｒＡｌＮ膜は、高いｋ－ｆａｃｔｏｒを高温まで示す材料であり、高温対応の圧力センサ、歪センサの検出材料として注目されている（たとえば特許文献１）。
この種のＣｒＡｌ膜あるいはＣｒＡｌＮ膜は、一定のＡｌ量の比率において伝導特性が金属から半導体へと変化する。この伝導特性を制御することにより抵抗温度係数（ＴＣＲ）を制御することが可能となっている。
上記の伝導特性の一つであるＴＣＲは、これまでは、同一のＣｒ－Ａｌ比においてはアニール温度にて制御されてきた。また、ｋ－ｆａｃｔｏｒは、Ｃｒ－Ａｌ組成比とアニール温度とを変化させて制御していた。このためＴＣＲを製品ごとに調整する場合、材料のＣｒ－Ａｌ組成比を製品ごとに調整する必要性があった。
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、比較的高いｋ－ｆａｃｔｏｒを維持し、ＴＣＲの制御が容易な歪抵抗膜と、その抵抗膜を有する物理量センサを提供することである。
本発明者等は、Ｃｒ、ＡｌおよびＮを含む歪抵抗膜について鋭意検討した結果、Ｏをさらに含ませ、特にＮとＯの組成比を制御することで、比較的高いｋ－ｆａｃｔｏｒを維持し、ＴＣＲの制御を容易にできることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明に係る歪抵抗膜は、
式Ｃｒ100-x-y-z Ａｌx Ｎy Ｏz で表される組成を有し、５≦ｘ≦５０、０．１≦ｙ≦２０、０．１≦ｚ≦１７、およびｙ＋ｚ≦２５の関係を満足する。
式Ｃｒ100-x-y-z Ａｌx Ｎy Ｏz で表される組成を有し、５≦ｘ≦５０、０．１≦ｙ≦２０、０．１≦ｚ≦１７、およびｙ＋ｚ≦２５の関係を満足する。
この歪抵抗膜では、たとえばセンサのゲージ率に対応するｋ－ｆａｃｔｏｒを４以上に高く維持しつつ、ＴＣＲの制御が容易になる。たとえば上記の組成比を満足する歪抵抗膜では、ｋ－ｆａｃｔｏｒを４以上に高く維持しつつ、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値を、好ましくは２０００ｐｐｍ／℃以下、さらに好ましくは1０００ｐｐｍ／℃以下にすることが可能になる。抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値を所定値以下とすることで、温度の影響による歪検出（あるいは圧力検出など）の誤差を抑制することが可能になる。
この歪抵抗膜を製造するには、ＣｒとＡｌの比率自体は固定してあるターゲットを用いて、たとえば雰囲気ガス中の窒素および酸素の量を制御することで、得られる歪抵抗膜に含まれる窒素および／または酸素の含有量を制御し、歪抵抗膜のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲを制御することができる。
すなわち、ＣｒとＡｌの比率が異なる複数のターゲットを用意することなく、ＣｒとＡｌの比率が固定してあるターゲットを用いて、ｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲが制御された複数種類の歪抵抗膜を容易に製造することが可能になる。その結果、歪抵抗膜の生産速度が向上すると共に、生産効率が向上する。
また、上記の組成比を満足する歪抵抗膜では、ｋ－ｆａｃｔｏｒを４以上に高く維持しつつ、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、感度温度係数（ＴＣＳ）の絶対値を、好ましくは２０００ｐｐｍ／℃以下、さらに好ましくは1０００ｐｐｍ／℃以下にすることが可能になる。感度温度係数（ＴＣＳ）の絶対値を所定値以下とすることで、温度の影響による歪検出（あるいは圧力検出など）の誤差を抑制することが可能になる。
さらに、上記の組成比を満足する歪抵抗膜では、歪抵抗膜の抵抗率（ρ）を１～１５Ω・μｍに制御することが容易である。抵抗率を特定の範囲にすることで、たとえばホイートストーンブリッジ回路などのセンサ用回路などを、歪抵抗膜を用いて容易に製造することができる。
好ましくは、歪抵抗膜は、１０ｎｍ以上の膜厚を有する。所定以上の膜厚を有する歪抵抗膜を用いることにより、歪抵抗膜のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲを制御することが容易になる。
本発明の物理量センサは、上記に記載の歪抵抗膜を有する。物理量センサとしては、特に限定されず、たとえば歪センサ、圧力センサなどが例示される。
本発明の歪抵抗膜の製造方法は、歪抵抗膜を製造する方法であって、
前記歪抵抗膜を薄膜法により製造する際に、雰囲気ガスの酸素量と窒素量とを制御することで、前記歪抵抗膜のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲを制御することを特徴とする。
前記歪抵抗膜を薄膜法により製造する際に、雰囲気ガスの酸素量と窒素量とを制御することで、前記歪抵抗膜のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲを制御することを特徴とする。
この歪抵抗膜の製造方法によれば、たとえばＣｒとＡｌの比率自体は固定してあるターゲットを用いて、雰囲気ガス中の窒素および／または酸素の量を制御することで、得られる歪抵抗膜に含まれる窒素および酸素の含有量を制御し、歪抵抗膜のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲを制御することができる。
すなわち、ＣｒとＡｌの比率が異なる複数のターゲットを用意することなく、ＣｒとＡｌの比率が固定してあるターゲットを用いて、ｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲが制御された複数種類の歪抵抗膜を容易に製造することが可能になる。その結果、歪抵抗膜の生産速度が向上すると共に、生産効率が向上する。
以下、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は、一実施形態に係る歪抵抗膜３２を用いる圧力センサ１０の概略断面図である。図１に示すように、圧力センサ１０は、圧力に応じた変形を生じるメンブレン２２を有する。メンブレン２２は、図１では、中空筒状のステム２０の一端に形成してある端壁で構成してあるが、実施例のような平板状のＳｉ基板１２２（図３Ｂ参照）で構成することもできる。ステム２０の他端は中空部の開放端となっており、ステム２０の中空部は、接続部材１２の流路１２ｂに連通してある。
圧力センサ１０では、流路１２ｂに導入される流体が、ステム２０の中空部からメンブレン２２の内面２２ａに導かれて、流体圧をメンブレン２２に作用するようになっている。ステム２０は、たとえばステンレスなどの金属で構成される。ただし、ステム２０に相当する形状は、シリコン基板をエッチングにより加工したり、平板状のシリコン基板を他部材に接合したりすることで、構成されていてもよい。
ステム２０の開放端の周囲には、フランジ部２１がステム２０の軸芯から外方に突出するように形成してある。フランジ部２１は、接続部材１２と抑え部材１４との間に挟まれ、メンブレン２２の内面２２ａへと至る流路１２ｂが密封されるようになっている。
接続部材１２は、圧力センサ１０を固定するためのねじ溝１２ａを有する。圧力センサ１０は、測定対象となる流体が封入してある圧力室などに対して、ねじ溝１２ａを介して固定されている。これにより、接続部材１２の内部に形成されている流路１２ｂおよびステム２０におけるメンブレン２２の内面２２ａは、測定対象となる流体が内部に存在する圧力室に対して、気密に連通する。
抑え部材１４の上面には、回路基板１６が取り付けてある。回路基板１６は、ステム２０の周囲を囲むリング状の形状を有しているが、回路基板１６の形状としてはこれに限定されない。回路基板１６には、たとえば、歪抵抗膜３２からの検出信号が伝えられる回路などが内蔵してある。
図１に示すように、メンブレン２２の外面には、歪抵抗膜３２などが設けられている。歪抵抗膜３２と回路基板１６とは、ワイヤボンディングなどによる中間配線７２などを介して電気的に接続してある。
図２は、図１に示す圧力センサ１０に含まれる歪抵抗膜３２の一部およびその周辺部分を拡大して表示した模式断面図である。
図２に示すように、歪抵抗膜３２は、メンブレン２２の外面２２ｂに、たとえば下地絶縁層５２を介して設けられている。下地絶縁層５２は、メンブレン２２の外面２２ｂのほぼ全体を覆うように形成してあり、たとえばＳｉＯ２などのシリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物などで構成される。下地絶縁層５２の厚みは、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは１～５μｍである。下地絶縁層５２は、たとえばＣＶＤなどの蒸着法によりメンブレン２２の外面２２ｂに形成することができる。
なお、メンブレン２２の外面２２ｂが絶縁性を有する場合には、下地絶縁層５２は、形成することなく、メンブレン２２の外面２２ｂに直接に歪抵抗膜３２を成膜してもよい。たとえば、メンブレン２２がアルミナなどの絶縁材料からなる場合には、歪抵抗膜３２がメンブレン２２に直接設けられてもよい。
図２に示すように、電極部３６は、歪抵抗膜３２の上に設けられる。図３Ａは、図１および図２に示す電極付き歪抵抗膜３０を上方から見た模式平面図であり、電極付き歪抵抗膜３０のパターン配列を示している。
図３Ａに示すように、歪抵抗膜３２には、第１抵抗体Ｒ１、第２抵抗体Ｒ２、第３抵抗体Ｒ３および第４抵抗体Ｒ４が、所定パターンで形成してある。第１～第４抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、メンブレン２２の変形に応じた歪を生じ、メンブレン２２の変形に応じて抵抗値が変化する。これらの第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、電気配線３４によりホイートストーンブリッジ回路を構成するように接続してある。
図１に示す圧力センサ１０は、図３に示す第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４によるホイートストーンブリッジ回路の出力から、メンブレン２２に作用する流体圧を検出する。すなわち、第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、図１および図２に示すメンブレン２２が、流体圧により変形して歪む位置に設けられており、その歪み量に応じて抵抗値が変化するように構成してある。
第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４を有する歪抵抗膜３２は、たとえば、所定の材料の導電性の薄膜を、パターニングすることにより作製することができる。本実施形態では、歪抵抗膜３２は、式Ｃｒ100-x-y-z Ａｌx Ｎy Ｏz で表される組成を有し、５≦ｘ≦５０、０．１≦ｙ≦２０、０．１≦ｚ≦１７、およびｙ＋ｚ≦２５の関係を満足する。
ｘの下限は、好ましくは１２．７以上、あるいは２３以上、または２５以上であってもよい。ｘの上限は、４０以下、３０以下であってもよい。ｙは、好ましくは１．１～１２．２である。ｚは、好ましくは０．４～１．３、さらに好ましくは、０．４～０．７、あるいは２．６～９．５であってもよい。ｙ＋ｚは、好ましくは、１２．０～１９．６、さらに好ましくは、１４．０～１９．６、あるいは１．８～１０．７であってもよい。
歪抵抗膜３２の厚みは、特に限定されないが、好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは１０ｎｍ以上であり、その上限は、特に限定されないが、たとえば１０００ｎｍ以下、あるいは５００ｎｍ以下としてもよい。
歪抵抗膜３２の表面には、酸化膜などが形成してあってもよく、酸化膜としては、たとえばクロム酸化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜、アルミニウム酸窒化膜などが考えられる。
歪抵抗膜３２におけるｘ，ｙ，ｚなどの組成分析は、たとえばXRF(蛍光Ｘ線)法、XPS(X線光電子分光法)などを用いて行うことが可能であり、本実施形態では、表面の酸化膜を除く歪抵抗膜３２における深さ方向の中間位置での組成分析を行う結果が、上記の範囲内となることが好ましい。
歪抵抗膜３２は、ＣｒおよびＡｌ以外の金属や非金属元素を微量に含んでいてもよい。歪抵抗膜３２に含まれるＣｒおよびＡｌ以外の金属および非金属元素としては、たとえば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎおよび希土類元素が挙げられる。
歪抵抗膜３２は、スパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成することができる。図３Ａに示す第１～第４抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、たとえば薄膜をミアンダ形状にパターニングすることで形成することができる。なお、電気配線３４は、図３Ａに示すように、歪抵抗膜３２をパターニングすることにより形成されたものであってもよく、歪抵抗膜３２とは異なる導電性の膜または層によって形成されたものであってもよい。
歪抵抗膜３２に含まれるＯやＮは、好ましくは、歪抵抗膜の成膜時に雰囲気ガスとして使用されることにより意図的に歪抵抗膜３２に導入されるが、アニール時の雰囲気ガスとして使用されることにより意図的に歪抵抗膜３２に導入されてもよい。あるいは、歪抵抗膜３２を成膜する際に反応室から除去しきれずに残留したものが、歪抵抗膜３２に取り込まれたものであってもよい。
いずれにしても、本実施形態の歪抵抗膜３２を薄膜法により製造する際には、雰囲気ガスの酸素量と窒素量とを制御することで、歪抵抗膜３２のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲ（Temperature coefficient of Resistance、抵抗温度係数）を制御することができる。また、雰囲気ガスの酸素量と窒素量とを制御することで、歪抵抗膜３２のＴＣＳ（Temperature coefficient of sensitivity、抵抗温度係数）も制御することもできる。
たとえばスパッタリング法を用いて、歪抵抗膜３２を製造する際には、スパッタリング装置内の条件は、好ましくは、装置内圧力が０．０８～０．２Ｐａであり、雰囲気ガスは、不活性ガスと窒素ガスと酸素ガスとを含む。また、雰囲気ガスの全体圧力を１００％として、窒素ガスの分圧は、好ましくは０～２０％であり、酸素ガスの分圧は、好ましくは０～１５％であり、残りが不活性ガスの分圧である。なお、不活性ガスとしては、Ａｒガス、Ｎｅガスなどを用いることができる。
歪抵抗膜３２を薄膜法により製造した後には、歪抵抗膜３２を熱処理してもよい。熱処理温度としては特に限定されないが、たとえば５０℃～５５０℃とすることができ、３５０℃～５５０℃とすることが好ましい。
図２および図３Ａに示すように、電極部３６は、歪抵抗膜３２と同じ材料で構成してある電気配線３４の上に重ねて設けられ、歪抵抗膜３２に電気的に接続する。図２に示すように、電極部３６は、歪抵抗膜３２から成る電気配線３４の上表面の一部に形成されている。歪抵抗膜３２が有するホイートストーンブリッジ回路の出力は、電極部３６および中間配線７２を介して、図１に示す回路基板１６へ伝えられる。電極部３６の材質は、導電性の金属または合金等が挙げられ、より具体的には、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、白金族元素、Ａｕなどが挙げられる。また、電極部３６は、材質の異なる多層構造であってもよい。
図２に示す下地絶縁層５２および電極部３６も、歪抵抗膜３２と同様に、スパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成することができる。ただし、下地絶縁層５２および電極部３６は、薄膜法以外の方法で形成されてもよく、たとえばＳｉＯ２膜からなる下地絶縁層５２は、Ｓｉ基板表面を加熱して熱酸化膜を形成することにより、Ｓｉ基板表面に設けてもよい。
本実施形態の歪抵抗膜３２では、たとえば圧力センサのゲージ率に対応するｋ－ｆａｃｔｏｒを４以上に高く維持しつつ、ＴＣＲの制御が容易になる。たとえば上記の組成比を満足する歪抵抗膜では、ｋ－ｆａｃｔｏｒを４以上に高く維持しつつ、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値を、好ましくは２０００ｐｐｍ／℃以下、さらに好ましくは1０００ｐｐｍ／℃以下にすることが可能になる。抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値を所定値以下とすることで、温度の影響による歪検出（あるいは圧力検出など）の誤差を抑制することが可能になる。
また、上記の組成比を満足する歪抵抗膜では、ｋ－ｆａｃｔｏｒを４以上に高く維持しつつ、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、感度温度係数（ＴＣＳ）の絶対値を、好ましくは２０００ｐｐｍ／℃以下、さらに好ましくは1０００ｐｐｍ／℃以下にすることが可能になる。感度温度係数（ＴＣＳ）の絶対値を所定値以下とすることで、温度の影響による歪検出（あるいは圧力検出など）の誤差を抑制することが可能になる。
このような歪抵抗膜３２は、低温領域から高温領域までの広い範囲で、温度変化に伴う抵抗値変化（および／または感度変化）の割合が小さいため、広い温度範囲で使用される圧力センサ１０の歪抵抗膜３２として好適に用いられ、温度補正誤差を低減し、精度の高い検出を行うことができる。
本実施形態の歪抵抗膜３２を製造するには、ＣｒとＡｌの比率自体は固定してあるターゲットを用いて、たとえば雰囲気ガス中の窒素および酸素の量を制御することで、得られる歪抵抗膜に含まれる窒素および／または酸素の含有量を制御し、歪抵抗膜のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲを制御することができる。
すなわち、ＣｒとＡｌの比率が異なる複数のターゲットを用意することなく、ＣｒとＡｌの比率が固定してあるターゲットを用いて、ｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲが制御された複数種類の歪抵抗膜を容易に製造することが可能になる。その結果、歪抵抗膜の生産速度が向上すると共に、生産効率が向上する。
さらに、上記の組成比を満足する歪抵抗膜３２では、歪抵抗膜３２の抵抗率（ρ）を１～１５Ω・μｍに制御することが容易である。抵抗率を特定の範囲にすることで、たとえばホイートストーンブリッジ回路などのセンサ用回路などを、歪抵抗膜３２を用いて容易に製造することができる。
本実施形態では、歪抵抗膜３２は、１０ｎｍ以上の膜厚を有する。所定以上の膜厚を有する歪抵抗膜３２を用いることにより、歪抵抗膜３２のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲを制御することが容易になる。
また、本実施形態の歪抵抗膜３２の製造方法によれば、たとえばＣｒとＡｌの比率自体は固定してあるターゲットを用いて、雰囲気ガス中の窒素および／または酸素の量を制御することで、得られる歪抵抗膜に含まれる窒素および酸素の含有量を制御し、歪抵抗膜のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲ（および／またはＴＣＳ）を制御することができる。
すなわち、ＣｒとＡｌの比率が異なる複数のターゲットを用意することなく、ＣｒとＡｌの比率が固定してあるターゲットを用いて、ｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲ（および／またはＴＣＳ）が制御された複数種類の歪抵抗膜を容易に製造することが可能になる。その結果、歪抵抗膜の生産速度が向上すると共に、生産効率が向上する。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
たとえば、圧力センサ１０としては、図１に示すステム２０を有するセンサのみには限定されず、基板をエッチング加工して作製した圧力センサや、平板状の基板に歪抵抗膜を形成したものを他部材に接合して作製したセンサであってもよい。基板の材質としては、金属、半導体、絶縁体のいずれであってもよく、具体的には、実施例で挙げたＳｉの他に、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）なども挙げられる。
また、本実施形態の歪抵抗膜は、圧力センサ１０以外のその他の物理量センサとして用いることが可能である。その他の物理量センサとしては、たとえば、歪センサ、角度センサ、移動量センサ、加速度センサなどが例示される。
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
実施例１
まず、図３Ｂに示すように、Ｓｉ基板１２２を準備し、その表面を加熱してＳｉ基板１２２の表面に熱酸化膜であるＳｉО2 膜１５２を形成した。その後に、ＤＣスパッタ装置を用いて、ＳｉО2 膜１５２の表面に、歪抵抗膜１３２を成膜した。スパッタ装置内の雰囲気ガスは、微量の窒素と酸素を含んだＡｒガスであり、雰囲気ガスの圧力は、０．０８～０．２Ｐａの範囲内であった。また、雰囲気ガスの全体圧力を１００％として、窒素ガスの分圧は、０～２０％であり、酸素ガスの分圧は、０～１５％であり、残りが不活性ガスの分圧であった。
まず、図３Ｂに示すように、Ｓｉ基板１２２を準備し、その表面を加熱してＳｉ基板１２２の表面に熱酸化膜であるＳｉО2 膜１５２を形成した。その後に、ＤＣスパッタ装置を用いて、ＳｉО2 膜１５２の表面に、歪抵抗膜１３２を成膜した。スパッタ装置内の雰囲気ガスは、微量の窒素と酸素を含んだＡｒガスであり、雰囲気ガスの圧力は、０．０８～０．２Ｐａの範囲内であった。また、雰囲気ガスの全体圧力を１００％として、窒素ガスの分圧は、０～２０％であり、酸素ガスの分圧は、０～１５％であり、残りが不活性ガスの分圧であった。
スパッタ装置に用いるＣｒターゲットとＡｌターゲットとの比率を固定しながら、成膜時の雰囲気ガス中の酸素分圧および／または窒素分圧を変更することにより、Ｎの含有量（ｙの値）とＯの含有量（ｚの値）が異なる複数の歪抵抗膜の試料１～１０を作製した。なお、雰囲気ガス中の酸素分圧が高いほど、最終的に得られる歪抵抗膜における厚み方向の中央位置でのＯの含有量（ｚの値）が大きくなることが確認された。
さらに、成膜後の歪抵抗膜１３２を３５０℃でアニール（熱処理）したのち、微細加工により歪抵抗膜１３２にホイートストーンブリッジ回路を構成する抵抗体を形成した。最後に、歪抵抗膜１３２表面に電子蒸着で電極層を形成し、試料を得た。各試料における歪抵抗膜１３２の膜厚の平均は、３００ｎｍ±３０ｎｍの範囲内であった。歪抵抗膜１３２の膜厚の測定は、触針式プロファイラを用いて行った。
各試料１～１０について、以下の分析と測定を行った。
〔組成分析］
各試料について、歪抵抗膜１３２の組成を、ＸＲＦ(蛍光Ｘ線)法により分析した。結果を表１に示す。
各試料について、歪抵抗膜１３２の組成を、ＸＲＦ(蛍光Ｘ線)法により分析した。結果を表１に示す。
〔抵抗率（比抵抗）］
各試料に対し、２５℃において、四端子測定法により抵抗値を測定した。得られた各試料の測定値、歪抵抗膜試料の面積および厚みから比抵抗を算出した。結果を表１に示す。
各試料に対し、２５℃において、四端子測定法により抵抗値を測定した。得られた各試料の測定値、歪抵抗膜試料の面積および厚みから比抵抗を算出した。結果を表１に示す。
〔抵抗温度係数（ＴＣＲ）の測定］
各試料について、－５０℃から４５０℃まで環境温度を変化させながら抵抗値を測定し、それぞれの試料についての抵抗値と温度の関係を最小二乗法により直線近似して傾きを求め、その傾きからＴＣＲ（ｐｐｍ／℃）を算出した。算出したＴＣＲの基準温度は、２５℃である。結果を表１に示す。
各試料について、－５０℃から４５０℃まで環境温度を変化させながら抵抗値を測定し、それぞれの試料についての抵抗値と温度の関係を最小二乗法により直線近似して傾きを求め、その傾きからＴＣＲ（ｐｐｍ／℃）を算出した。算出したＴＣＲの基準温度は、２５℃である。結果を表１に示す。
〔ｋ－ｆａｃｔｏｒ、抵抗温度係数（ＴＣＳ）の測定］
各試料について、－５０℃から４５０℃まで環境温度を変化させながらゲージ率（ｋ－ｆａｃｔｏｒ）を測定し、それぞれの試料についてのゲージ率と温度の関係を最小二乗法により直線近似して傾きを求め、その傾きからＴＣＳ（ｐｐｍ／℃）を算出した。算出したＴＣＳの基準温度は、２５℃であり、このときの測定値をｋ－ｆａｃｔｏｒとした。結果を表１に示す。
各試料について、－５０℃から４５０℃まで環境温度を変化させながらゲージ率（ｋ－ｆａｃｔｏｒ）を測定し、それぞれの試料についてのゲージ率と温度の関係を最小二乗法により直線近似して傾きを求め、その傾きからＴＣＳ（ｐｐｍ／℃）を算出した。算出したＴＣＳの基準温度は、２５℃であり、このときの測定値をｋ－ｆａｃｔｏｒとした。結果を表１に示す。
実施例２
スパッタ装置に用いるＡｌターゲットの数を実施例１に比較して減らし、ＣｒターゲットとＡｌターゲットとの比率を固定しながら、スパッタ装置内の窒素ガスの分圧を調整することで、窒素含有量（ｙの値）を調節した以外は、実施例１と同様にして、各試料１１～１５を作製し、同様な分析を行った。結果を表２に示す。
スパッタ装置に用いるＡｌターゲットの数を実施例１に比較して減らし、ＣｒターゲットとＡｌターゲットとの比率を固定しながら、スパッタ装置内の窒素ガスの分圧を調整することで、窒素含有量（ｙの値）を調節した以外は、実施例１と同様にして、各試料１１～１５を作製し、同様な分析を行った。結果を表２に示す。
実施例３
最終的に得られる歪抵抗膜中のＮ＋Ｏの原子％が、実施例１における試料番号７と同程度（１４．０原子％前後）になり、しかも、Ｎの原子％とＯの原子％の比率が変化するように、スパッタ装置内の窒素ガスおよび酸素ガスの分圧を調整した以外は、実施例１と同様にして、各試料２１～２３を作製し、同様な分析を行った。結果を表３に示す。
最終的に得られる歪抵抗膜中のＮ＋Ｏの原子％が、実施例１における試料番号７と同程度（１４．０原子％前後）になり、しかも、Ｎの原子％とＯの原子％の比率が変化するように、スパッタ装置内の窒素ガスおよび酸素ガスの分圧を調整した以外は、実施例１と同様にして、各試料２１～２３を作製し、同様な分析を行った。結果を表３に示す。
実施例４
最終的に得られる歪抵抗膜の組成が、実施例１における試料番号５と同じになり、膜厚が変化するように、スパッタ装置によるスパッタリング時間を制御して、異なる膜厚の歪抵抗膜を得た。
最終的に得られる歪抵抗膜の組成が、実施例１における試料番号５と同じになり、膜厚が変化するように、スパッタ装置によるスパッタリング時間を制御して、異なる膜厚の歪抵抗膜を得た。
評価
表１、図４，図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ＣｒとＡｌの比率が異なる複数のターゲットを用意することなく、ＣｒとＡｌの比率が固定してあるターゲットを用いて、ＮおよびＯの含有率を変化させるのみで、抵抗率、ｋ－ｆａｃｔｏｒ、ＴＣＲおよびＴＣＳの制御が可能になることが確認できた。なお、図４，図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ表１に示すデータをサンプリングしてグラフ化した図である。
表１、図４，図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ＣｒとＡｌの比率が異なる複数のターゲットを用意することなく、ＣｒとＡｌの比率が固定してあるターゲットを用いて、ＮおよびＯの含有率を変化させるのみで、抵抗率、ｋ－ｆａｃｔｏｒ、ＴＣＲおよびＴＣＳの制御が可能になることが確認できた。なお、図４，図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ表１に示すデータをサンプリングしてグラフ化した図である。
すなわち、実施例１によれば、表１および図４に示すように、歪抵抗膜中のＮ＋Ｏの含有割合（ｙ＋ｚ）を変化させることで、ｋ－ｆａｃｔｏｒを、２～８の範囲で、変化させることができることが確認できた。また、ｋ－ｆａｃｔｏｒを４以上にするためには、歪抵抗膜中のＮ＋Ｏの含有割合（ｙ＋ｚ）は、２５原子％以下が好ましく、ｋ－ｆａｃｔｏｒを６以上にするためには、歪抵抗膜中のＮ＋Ｏの含有割合（ｙ＋ｚ）は、２０原子％以下が好ましいことが確認できた。
また、表１および図５Ａに示すように、歪抵抗膜中のＮ＋Ｏの含有割合（ｙ＋ｚ）を変化させることで、好ましくはＴＣＲ（およびＴＣＳ）の絶対値を２０００以下、さらに好ましくは１０００以下に変化させることができることが確認できた。また、表１および図５Ｂに示すように、歪抵抗膜中のＯの含有割合（ｚ）を変化させることで、好ましくはＴＣＲ（およびＴＣＳ）の絶対値を２０００以下、さらに好ましくは１０００以下に変化させることができることが確認できた。
また、表１および表３から、抵抗率を４Ω・μｍ以上に維持すると共にｋ－ｆａｃｔｏｒを４以上（好ましくは６以上、さらに好ましくは８以上）に維持しながら、ＴＣＲ（およびＴＣＳ）の絶対値を２０００以下、好ましくは１２００以下、さらに好ましくは１０００以下にするためには、好ましくはｘを２３～３０、好ましくはｚを０．９～９．５、さらに好ましくは２．６～９．５、好ましくはｙ＋ｚを１２．０～２０．０、さらに好ましくは、１４．０～２０．０であることが確認できた。
また、表２から、抵抗率を３Ω・μｍ以上に維持すると共にｋ－ｆａｃｔｏｒを８以上に維持しながら、ＴＣＲ（およびＴＣＳ）の絶対値を２０００以下、好ましくは１２００以下、さらに好ましくは１０００以下にするためには、好ましくはｘを１２～１４、好ましくはｚを０．４～０．７好ましくはｙ＋ｚを１．８～１０．７であることが確認できた。
また、表１～表３に示すように、歪抵抗膜中のＮの含有割合（ｙ）は、０．１～２０、好ましくは１．１～１２．２であることが確認できた。
さらに、表３に示す結果からは、ｘが略一定で、ｙ＋ｚが略一定の場合には、Ｎに比べてＯの含有割合を調整することで、抵抗率、ｋ－ｆａｃｔｏｒ、ＴＣＲ、ＴＣＳを制御することができることが確認できた。
なお、歪抵抗膜の厚みは、好ましくは１０ｎｍ以上、さらに好ましくは３０ｎｍ以上で好ましい結果が得られることが確認できている。
１０…圧力センサ
１２…接続部材
１２ａ…ねじ溝
１２ｂ…流路
１４…抑え部材
１６…回路基板
２０…ステム
２１…フランジ部
２２…メンブレン
２２ａ…内面
２２ｂ…外面
３２、１３２…歪抵抗膜
３４…電気配線
３６…電極部
５２…下地絶縁層
７２…中間配線
１２２…Ｓｉ基板
１５２…ＳｉО２膜
Ｒ１…第１抵抗体
Ｒ２…第２抵抗体
Ｒ３…第３抵抗体
Ｒ４…第４抵抗体
１２…接続部材
１２ａ…ねじ溝
１２ｂ…流路
１４…抑え部材
１６…回路基板
２０…ステム
２１…フランジ部
２２…メンブレン
２２ａ…内面
２２ｂ…外面
３２、１３２…歪抵抗膜
３４…電気配線
３６…電極部
５２…下地絶縁層
７２…中間配線
１２２…Ｓｉ基板
１５２…ＳｉО２膜
Ｒ１…第１抵抗体
Ｒ２…第２抵抗体
Ｒ３…第３抵抗体
Ｒ４…第４抵抗体
Claims (4)
- 式Ｃｒ100-x-y-z Ａｌx Ｎy Ｏz で表される組成を有し、５≦ｘ≦５０、０．１≦ｙ≦２０、０．１≦ｚ≦１７、およびｙ＋ｚ≦２５の関係を満足する歪抵抗膜。
- １０ｎｍ以上の膜厚を有する請求項１に記載の歪抵抗膜。
- 請求項１または２に記載の歪抵抗膜を有する物理量センサ。
- 請求項１に記載の歪抵抗膜を製造する方法であって、
前記歪抵抗膜を薄膜法により製造する際に、雰囲気ガスの酸素量と窒素量とを制御することで、前記歪抵抗膜のｋ－ｆａｃｔｏｒおよびＴＣＲを制御することを特徴とする歪抵抗膜の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022161188A JP2024054754A (ja) | 2022-10-05 | 2022-10-05 | 歪抵抗膜および物理量センサおよび歪抵抗膜の製造方法 |
| CN202311275692.6A CN117848200A (zh) | 2022-10-05 | 2023-09-28 | 应变电阻膜及物理量传感器及应变电阻膜的制造方法 |
| US18/479,526 US20240117474A1 (en) | 2022-10-05 | 2023-10-02 | Strain resistance film, physical quantity sensor, and method for manufacturing the strain resistance film |
| EP23201170.0A EP4350313A1 (en) | 2022-10-05 | 2023-10-02 | Strain resistance film, physical quantity sensor, and method for manufacturing the strain resistance film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022161188A JP2024054754A (ja) | 2022-10-05 | 2022-10-05 | 歪抵抗膜および物理量センサおよび歪抵抗膜の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024054754A true JP2024054754A (ja) | 2024-04-17 |
Family
ID=88237745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022161188A Pending JP2024054754A (ja) | 2022-10-05 | 2022-10-05 | 歪抵抗膜および物理量センサおよび歪抵抗膜の製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240117474A1 (ja) |
| EP (1) | EP4350313A1 (ja) |
| JP (1) | JP2024054754A (ja) |
| CN (1) | CN117848200A (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018091848A (ja) | 2016-12-02 | 2018-06-14 | 公益財団法人電磁材料研究所 | 歪抵抗膜および歪センサ、ならびにそれらの製造方法 |
| JP6908554B2 (ja) * | 2018-04-23 | 2021-07-28 | 公益財団法人電磁材料研究所 | 歪抵抗膜および歪センサ、ならびにそれらの製造方法 |
-
2022
- 2022-10-05 JP JP2022161188A patent/JP2024054754A/ja active Pending
-
2023
- 2023-09-28 CN CN202311275692.6A patent/CN117848200A/zh active Pending
- 2023-10-02 EP EP23201170.0A patent/EP4350313A1/en active Pending
- 2023-10-02 US US18/479,526 patent/US20240117474A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20240117474A1 (en) | 2024-04-11 |
| EP4350313A1 (en) | 2024-04-10 |
| CN117848200A (zh) | 2024-04-09 |
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