JP4083956B2 - 抵抗器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、絶縁基板の表面に蒸着やスパッタリングなどによって薄膜抵抗体を形成した薄膜抵抗器や金属箔抵抗体を用いた金属箔抵抗器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスやアルミナなどの絶縁基板に薄膜抵抗材料を蒸着またはスパッタリングすることにより薄膜抵抗体を形成し、この薄膜抵抗体にフォトエッチングやレーザー加工などによってパターンを形成して作った薄膜抵抗器が公知である。また、金属箔を基板に接着し、フォトエッチングやレーザー加工などによってパターンを形成した金属箔抵抗器も公知である。
【０００３】
この種の抵抗器では、できるだけ広い温度範囲に亘って抵抗値が安定していること、及び経時的な抵抗値変化が小さく長期間特性が安定していることが必要である。
【０００４】
抵抗値の温度に対する安定性を示すものとして抵抗温度係数（Temperature Coefficient of Resistance、以下ＴＣＲという）を用いる。ここにＴＣＲは、例えば２５℃を基準温度とし、この温度での抵抗値をＲ（２５）、温度ｔでの抵抗値をＲ（ｔ）とした時に、次の式で定義される。
ＴＣＲ（ｐｐｍ／℃）＝｛Ｒ（ｔ）−Ｒ（２５）｝／Ｒ（２５）×[１／（ｔ−２５）]×１０⁶
【０００５】
抵抗薄膜や金属箔を作る時には、一般にこの抵抗温度係数ＴＣＲをゼロにしたいものである。そのため蒸着条件やスパッタリング条件をいろいろ変えたり、厚さや基板の種類を変えて検討するのが普通である。薄膜抵抗器では現在最も安定な抵抗体の一つとしてＴａ（タンタル）を用いたものが知られている。またＮｉ−Ｃｒ（ニッケル・クローム）系合金にＡｌ（アルミニウム）やＳｉ（シリコン）を添加してＴＣＲをゼロに近づけることも従来行われている。
【０００６】
正のＴＣＲを持つ抵抗体と負のＴＣＲを持つ抵抗体を積層あるいは直列に接続してＴＣＲをゼロに近づける手法も公知である。例えば特公平８−２１４８２には、ＣｒＳｉＮ薄膜とＮｉＣｒＡｌ薄膜を積層することによって、抵抗値温度変化の非直線性（ＴＣＲの温度依存性と記載されている）を低減する手法が示されている。
【０００７】
また抵抗器の経時的な抵抗値変化を小さくするためには、基板上に形成した抵抗薄膜を酸化防止膜で被覆したり、抵抗器全体をハーメチックシール（気密封止）することが公知であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＴＣＲを広い温度範囲でさらに微小にしたい場合、例えば−５５℃〜＋１２５℃の温度範囲でＴＣＲを±５ｐｐｍ／℃以内にしたい場合は、抵抗値温度変化の非直線性成分を制御することが考えられる。すなわちこの場合には、抵抗値変化率｛Ｒ（ｔ）−Ｒ（２５）｝／Ｒ（２５）を次の２次式で近似し、まず一次温度係数α（ｐｐｍ／℃）と二次温度係数β（ｐｐｍ／℃²）を求める。
［Ｒ（ｔ）−Ｒ（２５）］／Ｒ（２５）＝α（Δｔ）＋β（Δｔ）²
但しΔｔ＝ｔ−２５
【０００９】
抵抗値温度変化の非直線性を表わす二次温度係数βは従来制御できないとされていたが、現在Ｎｉ−Ｃｒ合金系では一次温度係数αと二次温度係数βの双方を制御することが可能になっており、−５５℃〜＋１２５℃の温度範囲でＴＣＲが±５ｐｐｍ／℃以内を達成できることを本願の出願人は知った。出願人は特願平１０−３５１４９６にこの手法とＮｉ−Ｃｒ合金系抵抗体の組成を示した。
【００１０】
しかし従来の抵抗体は微小なＴＣＲと長期安定性を同時に達成することは困難であった。例えばＮｉ−Ｃｒ系合金抵抗体においては、長期安定性を達成できる組成にすると広い温度範囲でＴＣＲを微小にすることが困難になり、広い温度範囲で微小なＴＣＲを達成できる組成にすると抵抗薄膜を酸化から保護できないことがあった。Ｎｉ−Ｃｒ系合金以外の抵抗体では長期安定性を達成できても、抵抗値温度変化の非直線性を制御できないため広い温度範囲でＴＣＲを微小にすることは不可能であった。
【００１１】
【発明の目的】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、抵抗温度係数ＴＣＲを広い温度範囲でゼロに近づけることができ、かつ長期安定性にも優れた抵抗器を提供することを第１の目的とする。またこの抵抗器の製造方法を提供することを第２の目的とする。
【００１２】
【発明の構成】
この発明によれば第１の目的は、絶縁基板表面に２つの抵抗体が積層された抵抗積層体を有する抵抗器において、前記抵抗積層体の各層のうち下層はＮｉ−Ｃｒ−Ｍｎ合金薄膜であり、上層はＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金薄膜であり、各々の抵抗体の温度による抵抗値変化率を温度変化［Δｔ］の２次式［αΔｔ＋β（Δｔ）²］で近似した場合に１つの層の一次温度係数α及び二次温度係数βの符号を他の層の一次温度係数αおよび二次温度係数βの符号と逆に設定する一方、真空中熱処理によって上層に含まれるＡｌの自己酸化により上層表面にアルミ酸化膜が形成されていることを特徴とする抵抗器、により達成される。
【００１３】
抵抗体のうち１つの層は、αとβを共に正とし、他の層のα、βを共に負とすることができる。２つの層はＮｉ−Ｃｒ系合金抵抗体としたので、この合金は添加物や処理方法などによってα、βを相当広い範囲で調整することができるので便利である。従って添加物や処理方法によってα、βを適切に設定した２種のＮｉ−Ｃｒ系合金抵抗体を積層することにより所望のＴＣＲを持った抵抗器を作ることができる。
【００１６】
抵抗積層体の最上層となる長期安定性に優れる抵抗体は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金としたから、この合金に含まれるＡｌの自己酸化によりアルミ酸化膜を形成させ、このアルミ酸化膜により長期安定性を得ることができる。
【００１８】
【実施態様】
図１は本発明の一実施態様である抵抗器の構造を示す断面図、図２は温度による抵抗値変化率の変化の計算結果と測定結果を比較して示す図、図３は抵抗値変化率の長期安定性の測定結果を示す図である。図１において、符号１０は絶縁基板、１２はこの基板１０に形成した下層、１４はこの下層１２の上に形成した上層である。絶縁基板１０はここではアルミナとする。
【００１９】
下層１２は、高周波（ＲＦ，Radio Frequency）スパッタリングによって形成したもので、Ｎｉ−Ｃｒ合金にＭｎを加えた薄膜抵抗体（以下ＮｉＣｒＭｎ薄膜抵抗体）とする。上層１４は、この下層１２の上に高周波スパッタリングによって形成したものであり、Ａｌを加えた薄膜抵抗体（以下ＮｉＣｒＡｌ薄膜抵抗体）である。
【００２０】
この時の雰囲気は、Ａｒ（アルゴン）ガス圧力０．５Ｐａとし、絶縁基板をアルミナとし、ＲＦ電力３００Ｗとし、両抵抗体の薄膜厚をそれぞれ０．３μｍとした。またＮｉ−Ｃｒ合金の組成比Ｎｉ／Ｃｒ（at％）は、７７／２３であり、Ａｌの添加量１２at％、Ｍｎの添加量は１０at％である。熱処理は、２層とした抵抗体の形成後に真空中で３００℃以上、好ましくは約５００℃に約３時間放置することによる。
【００２１】
前記２種類の薄膜抵抗体の各々について、温度による抵抗値変化率を解析した。すなわち抵抗値変化率（Ｒ（ｔ）−Ｒ（２５））／Ｒ（２５）を次の２次式で近似し、一次温度係数α（ｐｐｍ／℃）と二次温度係数β（ｐｐｍ／℃²）を求めた。
［Ｒ（ｔ）−Ｒ（２５）］／Ｒ（２５）＝α（Δｔ）＋β（Δｔ）²
但しΔｔ＝ｔ−２５
【００２２】
その結果、ＮｉＣｒＡｌ薄膜抵抗体からなる上層１４は、α＝−５９．５ｐｐｍ／℃、β＝−０．０３５ｐｐｍ／℃²であり、ＮｉＣｒＭｎ薄膜抵抗体からなる下層１２は、α＝４４．８ｐｐｍ／℃、β＝０．０５５ｐｐｍ／℃²であった。
【００２３】
前記のＮｉＣｒＡｌ薄膜抵抗体は非常に高い長期安定性を持つことは、例えば特願平１０−３５１４９７に示す通りであるが、この抵抗体では、一次温度係数の値は負に大きくなりやすく、二次温度係数βの値も同様に負に大きな値となりやすい。よってＴＣＲを広い温度範囲でゼロに近づけることは困難である。一方、ＮｉＣｒＭｎ薄膜抵抗体は一次温度係数αが正の値を持ち、二次温度係数βも正の値を持つ。そこでこれらの両薄膜抵抗体を積層することによって、広い温度範囲でＴＣＲをゼロに近づけることが可能になる。
【００２４】
ここで、抵抗体を２層積層したときの温度による抵抗値変化率を計算した。上層１４の抵抗体と下層１２の抵抗体による並列抵抗とみなすと、２層を積層した抵抗体の温度による抵抗値変化率〔（Ｒ(Δｔ)−Ｒ(２５)）／Ｒ(２５)〕は以下の式で表わされる。
【００２５】
【数１】
〔[(1+α_U(Δt)+β_U(Δt)²)(1+α_L(Δt)+β_L(Δt)²){ρ_U(1−h)＋ρ_Lh}]／{ρ_U(1−h)(1+α_U(Δt)+β_U(Δt)²)+ρ_Lh(1+α_L(Δt)+β_L(Δt)²)}〕−1
【００２６】
但し、ρ_Uは上層抵抗体の抵抗率、ρ_Lは下層抵抗体の抵抗率、α_U、β_Uは上層抵抗体の一次と二次の温度係数、α_L、β_Lは下層抵抗体の温度係数、ｈは積層した抵抗体の厚さを１とした場合の上層抵抗体の厚さである。
【００２７】
本実施態様においては、上層と下層が共にＮｉ−Ｃｒ系合金であるため抵抗率はほぼ等しくなる。この場合は、ρ_U＝ρ_Lとすることにより、前出の式は以下のように単純化される。
【００２８】
【数２】
［(1+α_U(Δｔ)+β_U(Δｔ)²)(1+α_L(Δｔ)+β_L(Δｔ)²)／{(1+α_U(Δｔ)+β_U(Δｔ)²)(1-h)+(1+α_L(Δｔ)+β_L(Δｔ)²)h}］−１
【００２９】
上記の式にＮｉＣｒＡｌ薄膜とＮｉＣｒＭｎ薄膜のαとβを代入し、数種類の厚さｈにおける温度による抵抗値変化率を計算した。図２に示す曲線Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれｈ＝０．３，０．４，０．５とした時の計算結果を示す。この図３によると、ｈ＝０．４とすると温度による抵抗値変化率を最小にできることが分かった。
【００３０】
上記の結果を基にしてｈ＝０．４となるようにＮｉＣｒＡｌ薄膜とＮｉＣｒＭｎ薄膜の積層抵抗体を作製した。すなわちアルミナ基板上に下層としてＮｉＣｒＭｎ薄膜を０．２４μｍ成膜し、その上に上層としてＮｉＣｒＡｌ薄膜を０．１６μｍ製膜した。その後熱処理を施した。
【００３１】
この熱処理は前記したように、真空中で約５００℃で約３時間放置することによる。この熱処理により、上層１６に含まれるＡｌが表面に析出する。この析出したＡｌは真空容器中に残存する微量の酸素によって自己酸化し、アルミ酸化膜１６を形成する。
【００３２】
図２に□印で示す点は、この積層抵抗体の温度による抵抗値変化率の測定結果を示す。この図２より、温度による実際の抵抗値変化率は、上記で計算したｈ＝０．４の時の計算値とほぼ一致し、−５５℃〜＋１２５℃の広い温度範囲においてＴＣＲが±５ｐｐｍ／℃以内と微小な値となっていることがわかる。
【００３３】
また、図３はこの抵抗積層体による抵抗器の高温放置結果を示すグラフである。この図３のグラフでは、ａは従来例の抵抗器６個について、ｂは本発明に係る抵抗器１６個について、双方とも２００℃に２００時間無負荷放置した時の抵抗値変化率を示すものである。この測定結果によると、本発明にかかる抵抗器によれば、抵抗値変化量が従来品に比べて著しく少ないことがわかる。
【００３４】
以上の実施例では抵抗薄膜を積層した後に熱処理を施している。しかし下層の抵抗体が複数回の熱処理によっても温度特性に影響の無い材料であるならば、各層を成膜するごとに熱処理を施してもよい。
【００３５】
【他の実施態様】
図４は他の実施態様である抵抗器の構造を示す断面図である。前記図１の実施態様では、下層１２の上に直接上層を積層したため、熱処理後あるいは成膜直後に各層間で元素の拡散が起きることが考えられる。このために計算通りのＴＣＲが得られにくくなることが考えられる。
【００３６】
図４の実施態様は、層間に数ｎｍ厚のごく薄い酸化物や窒化物等の絶縁物膜からなる中間層１８を形成して各層間の拡散を抑えたものである。この中間層１８は、拡散しやすい上層１４を成膜する前に、真空槽に窒素や酸素または大気を導入することにより下層１２となる薄膜表面に気体分子を吸着させて、ごく薄い窒化物あるいは酸化物を形成させ、これによって層間の拡散を抑えるものとすることができる。また上層１４と下層１２のどちらとも拡散を起こしにくい他の抵抗体を選定し、この抵抗体を中間層１８として下層１２と上層１４の間に付加してもよい。
【００３７】
【他の実施態様】
熱処理は全層を積層した後に行なってもよいし、あるいは１層を形成するごとに行なってもよい。
【００３８】
なお前記の実施態様では温度による抵抗値変化率を、２次式［αΔｔ＋β（Δｔ）²］で近似したが、さらに高次の式、例えば、［αΔｔ＋β（Δｔ）²＋γ（Δｔ）³］を用いて近似することもできる。この場合は、αとβだけでなくγも考慮して各層のＴＣＲが相互に相殺して全体のＴＣＲを所望の範囲内に設定するようにすればよい。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１の発明は以上のように、２種の抵抗体を積層する場合に、各層のＴＣＲを２次式で近似し、１つの層の一次温度係数αおよび二次温度係数βの符号を他の層のαおよびβの符号と逆に設定したから、各層のＴＣＲを互いに相殺させることによって抵抗積層体として全体のＴＣＲの非直線性を改善し、広い温度範囲に亘ってＴＣＲをゼロに近付けることができる。
【００４０】
また上層の抵抗体を、長期安定性に優れたＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金としたから、抵抗積層体の長期安定性を向上させることができる。すなわち上層の抵抗体として長期安定性の良い材料を用いると、この材料のＴＣＲの非直線性が大きくなったり、ＴＣＲが大きくなることがあるが、下層のＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金の抵抗体と組合せることにより抵抗積層体全体としてのＴＣＲを満足できるものにすることが可能になる。つまり、外界にさらされる上層の抵抗体は長期安定性に優れたものを選定でき、第２層目の抵抗体により温度による抵抗値変化率を補正できる。
【００４１】
少なくとも１つの層のαおよびβを共に正とし、他の層のαおよびβを共に負とすれば、各層のＴＣＲを相殺させるのに都合がよい（請求項２）。Ｎｉ−Ｃｒ系合金では、添加する元素の種類や熱処理によってαおよびβを相当広い範囲で制御することができるので、積層体の全体のα、βを制御するのに都合がよい。
【００４２】
またＮｉ−Ｃｒ系合金の抵抗薄膜は、ある種の元素を添加し熱処理を施すことによって抵抗薄膜表面に緻密な酸化膜を形成させ、抵抗薄膜の内部を酸化から保護するに都合がよい。上層をＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金として、Ａｌを自己酸化させることによって上層表面にアルミ酸化膜を形成することができ長期安定性を高めることができる。
【００４３】
なおＮｉ−Ｃｒ系合金抵抗体は、一次温度係数αおよび二次温度係数βを制御する方法が明らかになっているので（特願平１０−３５１４９６参照）、上層がいかなる温度特性を持っていてもその補正が可能であり、積層された抵抗体のＴＣＲを広い温度範囲でゼロに近づけることが可能である。
【００４４】
上層に用いるＮｉＣｒＡｌ抵抗体は、一次温度係数αおよび二次温度係数βが共に負であるので、下層には一次温度係数αおよび二次温度係数βが共に正であるＮｉＣｒＭｎ抵抗体を使用する（請求項２）。
【００４５】
積層された２つの抵抗体の間に各層間の拡散を抑える絶縁物膜からなるごく薄い中間膜を形成しておけば各層の拡散を防ぐことができる（請求項３）。
【００４６】
この中間層は下層となる抵抗体の酸化物または窒化物とすることができる（請求項４）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様を示す断面図
【図２】温度による抵抗値変化率の計算結果と測定結果を比較して示す図
【図３】抵抗値変化率の経時変化の実測結果を示す図
【図４】他の実施態様を示す断面図
【符号の説明】
１０ アルミナ基板（絶縁基板）
１２ ＮｉＣｒＭｎ抵抗体（下層）
１４ ＮｉＣｒＡｌ抵抗体（上層）
１６ アルミ酸化膜
１８ 中間層

Claims (4)

1. 絶縁基板表面に２つの抵抗体が積層された抵抗積層体を有する抵抗器において、前記抵抗積層体の各層のうち下層はＮｉ−Ｃｒ−Ｍｎ合金薄膜であり、上層はＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金薄膜であり、各々の抵抗体の温度による抵抗値変化率を温度変化［Δｔ］の２次式［αΔｔ＋β（Δｔ）²］で近似した場合に１つの層の一次温度係数α及び二次温度係数βの符号を他の層の一次温度係数αおよび二次温度係数βの符号と逆に設定する一方、真空中熱処理によって上層に含まれるＡｌの自己酸化により上層表面にアルミ酸化膜が形成されていることを特徴とする抵抗器。
2. 積層された抵抗体のうち少なくとも１つの層は、一次温度係数αと二次温度係数βがともに正であり、他の層は一次温度係数αと二次温度係数βがともに負である請求項１の抵抗器。
3. 積層された２つの抵抗体の間に各層間の拡散を抑える絶縁物膜からなるごく薄い中間層を形成した請求項１または２の抵抗器。
4. 中間層は下層となる抵抗体の酸化物または窒化物である請求項３の抵抗器。

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