JP4277380B2 - 薄膜サーミスタ素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は情報機器、通信機器、住設機器、自動車機器などの温度センサ素子などに用いる薄膜NTCサーミスタ素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
温度検知に用いる素子のなかでも酸化物半導体材料を用いたNTCサーミスタは、熱電対や白金測温抵抗体と比較して、抵抗の温度変化が大きく温度分解能が大きい、簡単な回路での計測が可能である、材料が安定でかつ外界の影響を受けにくいため経事変化が小さく高信頼性である、大量生産が可能であり安価である、などといった特徴を有するため大量に使用されている。温度検知に用いるNTCサーミスタ素子は、従来からMn,Co,Niなどの遷移金属を主成分としたスピネル型結晶構造の酸化物焼結体チップの端面にAgなどの電極を塗布・焼き付けにより形成した構成のものが用いられてきた。
【0003】
またNTCサーミスタは上記温度検知の目的以外にも、室温での抵抗値が高く温度上昇とともに抵抗値が減少する特性を利用して、スイッチング電源でスイッチを入れた瞬間に流れる過電流を防止する素子としても用いられてる。この場合、初期の突入電流を抑制し、その後、自己発熱による昇温により低抵抗となり、定常状態では電力消費量を低下させることができる。突入防止用として用いられるNTCサーミスタ素子には、サーミスタ材料に希土類遷移金属酸化物、例えばペロブスカイト型結晶構造のランタンコバルト酸化物の焼結体を用い、その表面にスパッタリング法により銀の薄膜電極を形成することにより製造されている(特開平7−230902号公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
近年の電子機器の小型化・軽量化および高性能化に伴い、NTCサーミスタ素子にも素子サイズの小型化や、素子性能の高精度化(例えば、抵抗値やB定数の素子間のバラツキ低減)が求められている。しかしながら、サーミスタ材料にランタンコバルト酸化物の焼結体を用いた上記構成のサーミスタでは加工精度の問題から、小型化することにによりサーミスタ素子の抵抗値やB定数の値のバラツキが大きくなってしまうと言った課題があった。
【0005】
本発明は、従来技術による上記問題点を解決し、小型で高精度な薄膜サーミスタ素子を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項1の発明は、サーミスタ薄膜と、その上に設けられた1対の電極とを有する薄膜サーミスタ素子であって、サーミスタ薄膜が、(012)面に配向した菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有している希土類遷移金属系酸化物からなることを特徴としている。
【0007】
このようにサーミスタ素子に対して、サーミスタ材料や電極の形成に薄膜技術を用いる事により、焼結体を用いた場合と比較して、小型化や高精度化が可能となる。
【0008】
特に本発明においては、サーミスタ材料に(012)面に配向した菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有している希土類遷移金属系酸化物からなる薄膜を用いることにより、結晶粒径がそろった薄膜が得られるため、無配向膜を用いた場合以上に、高精度化が可能となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の薄膜サーミスタ素子10は、図1に示すように、アルミナからなる基板11上に、サーミスタ薄膜12と、Pt薄膜からなるくし形電極13と14とが形成され成っている。上記サーミスタ薄膜は希土類遷移金属薄膜、例えばペロブスカイト型結晶構造のLaCoO3から成る。
【0011】
図1に示したサーミスタ薄膜12は、例えば図2に示すようなスパッタ装置20によって作製することができる。このスパッタ装置20には、下地基板22を保持する基板ホルダ21と、ターゲット24とが50mmの間隔で対向して設けられている。このターゲット24は、φ250mmのバッキングプレート(Cu)上に、40×40mm(×5mm:厚み)、40×20mm(×5mm:厚み)、20×20mm(×5mm:厚み)の3種類のサイズのLaCoO3酸化物の焼結体ブロックを敷き詰めて、ボンディングすることによって作製している。
【0012】
なお、それぞれの焼結体ブロック間の隙間は、すべて0.5mm以下となっている。また、25はアースシールドで、開口部は200mmである。上記ターゲット24には、高周波電源23(13.56MHz)が接続されている。一方、基板ホルダ21は、図示しない駆動装置によって所定の回転速度で回転するようになっている。上記基板ホルダ21おおよびターゲット24は、例えばアルゴンと酸素が充填された図示しないチャンバー内に設けられている。なお、必ずしも上記の様に基板ホルダ21を回転させるようにしなくても良いが、一般に、基板ホルダ21を回転させることにより、サーミスタ薄膜12の均一性を向上させることが容易になる。
【0013】
上記基板ホルダ21に下地基板22を保持させて加熱し、ターゲット24に高周波電圧を印加するとともに基板ホルダー21を所定の回転速度で回転させると、ターゲット24から飛来する粒子がスパッタリングされてランタンコバルト酸化物薄膜が形成される。そして得られたランタンコバルト薄膜を所定の条件で熱処理することによりサーミスタ薄膜12が得られる。
【0014】
【実施例】
以下、より具体的なサーミスタ薄膜12の形成条件(スパッタ条件および熱処理条件)、及び得られたサーミスタ薄膜12と薄膜サーミスタ素子10の特性について説明する。
【0015】
(実施例)
下記に示す条件でサーミスタ薄膜を形成し、さらに大気中で熱処理した。ここで、下地基板11としては、120×120×0.3mmの大きさで、表面の凹凸が0.03μm以下となるように研磨したアルミナ基板を用いた。また、膜結晶性などを評価するために、上記下地基板と同じ大きさのガラス基板を用意し、同様の条件でサーミスタ薄膜を形成した。
【0016】
・ターゲット組成: La/Co=48.4/51.6
・Ar/O2流量比: 14/6(SCCM)
・真空度: 1(Pa)
・基板温度: 500(℃)
・ホルダ回転数: 5(rpm)
・成膜時間: 100(分)
・膜厚: 2.1(μm)
・熱処理温度・時間: 800(℃)・5(時間)
上記のようにして評価用にガラス基板上に形成され、熱処理されたサーミスタ薄膜について、
(1)X線マイクロアナライザーによる組成分析
(2)X線回折(XRD)による結晶構造の解析
(3)走査型電子顕微鏡(SEM)による膜表面の観察
を行った。
【0017】
その結果、基板中央部のサーミスタ薄膜の組成はLa/Co=48.9/51.1であり、ややターゲット組成からはずれていた。しかし、基板周辺部においても同様の組成を示しており、基板内での組成の違いは見られなかった。
【0018】
XRD測定より、膜は結晶性の良好なペロブスカイト型構造を示していた。また、菱面体晶系(012)面に優先配向していた。
【0019】
さらにSEM観察から得られたサーミスタ薄膜の膜表面での結晶粒径は250〜350nmであった。
【0020】
次に、上記のようにして下地基板(アルミナ)11上に形成され、熱処理されたサーミスタ薄膜12上の全面に、厚さが0.1μmのPt薄膜およびレジストパターンを形成し、Arによるドライエッチングを用いたフォトリソグラフィプロセスによりパターンニングして、くし形電極13,14を形成した。ついで、ダイシング装置を用い、基板周辺部を除いて3.2×1.6mmサイズにカットすることにより、前記図1に示した構成の薄膜サーミスタ素子10を2000個作製し、抵抗値およびB定数(温度に対する抵抗の変化率、B0は0℃〜25℃における変化、B150は25℃〜150℃における変化)を測定して、平均値、およびバラツキ((最大値−最小値)/平均値)を求めた。結果を以下に示す。
【0021】
・抵抗値:平均値=8.61(KΩ) バラツキ=1.7(%)
・B定数(B0):平均値=3256(K)、バラツキ=0.9(%)
・B定数(B150):平均値=4320(K)、バラツキ=0.8(%)
(比較例)
次に比較のために、下記に示す条件でサーミスタ薄膜を形成し、さらに大気中で熱処理した。
【0022】
・ターゲット組成: La/Co=48.4/51.6
・Ar/O2流量比: 19/1(SCCM)
・真空度: 1(Pa)
・基板温度: 350(℃)
・ホルダ回転数: 8(rpm)
・成膜時間: 80(分)
・膜厚: 1.9(μm)
・熱処理温度・時間: 800(℃)・5(時間)
得られたサーミスタ膜は、実施例と同様に解析を行った。その結果、基板中央部のサーミスタ薄膜の組成はLa/Co=48.7/51.3であり、ややターゲット組成からはずれていた。しかし、基板内での組成の違いは見られなかった。
【0023】
XRD測定より、膜は結晶性の良好なペロブスカイト型構造を示していた。結晶配向性は示さなかった。
【0024】
さらにSEM観察から得られたサーミスタ薄膜の膜表面での結晶粒径は100〜550nmであった。
【0025】
次に、実施例と同様なプロセスで薄膜サーミスタ素子を2000個作製し、抵抗値およびB定数(温度に対する抵抗の変化率、B0は0℃〜25℃における変化、B150は25℃〜150℃における変化)を測定して、平均値、およびバラツキ((最大値−最小値)/平均値)を求めた。結果を以下に示す。
【0026】
・抵抗値:平均値=9.10(KΩ) バラツキ=3.9(%)
・B定数(B0):平均値=3223(K)、バラツキ=1.3(%)
・B定数(B150):平均値=4312(K)、バラツキ=1.3(%)
このように、(012)面に配向したサーミスタ薄膜を用いた場合と比較して、無配向膜を用いた場合には、サーミスタ薄膜の結晶粒径のバラツキが大きくなるため、抵抗値やB定数などのバラツキも大きくなっていると考えられる。
【0027】
なお、サーミスタ薄膜12を構成する希土類遷移金属系酸化物としては、ペロブスカイト型結晶構造のLaCoO 3 に限らず、例えばLaの代わりに他の希土類元素であるCe、Pr、Nd、Sm、Gd、Tbなどでも良く、またCoの代わりに他の遷移金属元素であるTi、V、Cr,Mn,Fe、Niであっても同様に優れた結果が得られた。さらに、希土類遷移金属酸化物に、添加物としてAl酸化物やSi酸化物などを含んだ場合においても同様に優れた結果が得られた。
【0028】
なお、電極薄膜材料にはPtを用いたが、それに限らずパラジウム、銀、ニッケル、銅、クロム、あるいはそれらの合金を用いた薄膜であっても同様に優れた特性を得ることができた。
【0029】
なお、本発明の実施例において、下地基板11にアルミナを用いたが、その他のセラミクスなどの絶縁性基板を用いた場合においても同様に優れた結果が得られた。
【0030】
なお、本発明の実施例において、rfプラズマ(13.56MHz)を用いたが、これに限られるものではなく、ECR(電子サイクロトロン共鳴)プラズマを用いた場合においても同様に優れた結果が得られた。
【0031】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【0032】
すなわち、(012)面に配向した、菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有する希土類遷移金属系酸化物からなるサーミスタ薄膜を形成することにより、そのようなサーミスタ薄膜は結晶粒径のバラツキが小さいため、抵抗値やB定数などのバラツキを小さくでき、高精度なサーミスタ素子を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の薄膜サーミスタ素子の構成を示す斜視図
【図2】本発明の薄膜サーミスタ素子の製造装置の構成を示す斜視図
【符号の説明】
10 薄膜サーミスタ素子
11 下地基板
12 サーミスタ薄膜(LaCoO3)
13,14 Pt電極
20 スパッタ装置
21 基板ホルダ
22 下地基板
23 高周波電源
24 ターゲット
25 アースシールド
Claims (3)
- サーミスタ薄膜と、前記サーミスタ薄膜上に設けられた1対の電極とを有する薄膜サーミスタ素子であって、前記サーミスタ薄膜が(012)面に配向した菱面体晶系ペロブスカイト型結晶構造を有している希土類遷移金属系酸化物からなることを特徴とする薄膜サーミスタ素子。
- 前記希土類遷移金属系酸化物はランタンコバルト酸化物薄膜である請求項1記載の薄膜サーミスタ素子。
- 前記サーミスタ薄膜の膜表面での結晶粒径が250nm以上350nm以下である、請求項1記載の薄膜サーミスタ素子。
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