JP4802013B2 - 温度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度センサおよびその製造方法に関し、特に、高精度温度制御に用いられる温度センサおよびその製造方法に関する。

近年、精密機械工業や半導体の市場等では、マイクロマシンやナノマシン等の微細加工技術が進み、その微細加工技術の寸法は、温度変化により生じる材料の熱膨張や熱収縮の寸法と同程度となってきている。そのため、加工する材料の温度を高精度で制御する必要がある。現実に、精度±０．０１℃以下、制御幅±０．００１℃の超高精度温度制御の要求がある。これを実現するためには、温度センサのさらなる高感度化が必要である。

従来、高精度の温度制御に用いられるＰｔ抵抗体式温度センサは、抵抗体としてＰｔ（白金）の抵抗線を備えたものである。この温度センサは抵抗値が通常１００Ω程度と低いため、微小な温度変化を測定する場合、大きな電流を供給する必要がある。しかしながら、供給する電流の増加とともに自己発熱も大きくなるため、高精度な測定ができなかった。

上記の自己発熱の問題を解決するため、特許文献１に示すように、絶縁基板に抵抗体としてのＮｉ箔を接合し、このＮｉ箔抵抗体のパターンを基板上で蛇行させることにより抵抗値を大きくした温度センサが知られている。
特開２００３−２８７２７号公報

しかしながら、温度センサを高感度化するための最も直接的な方法は、抵抗体の温度比抵抗（ＴＣＲ：Temperature Coefficient of Resistivity）を大きくすることである。上記Ｐｔ抵抗体のＴＣＲ値は約４０００ｐｐｍ／℃、Ｎｉ抵抗体のＴＣＲ値は約６０００ｐｐｍ／℃である。すなわち、これらのＴＣＲ値を凌駕することにより、従来になく高感度な温度センサを得ることができる。発明者らは、Ｎｉ−Ｐｔ合金に注目し、新規抵抗体材料の開発を行ってきた。

本発明は、従来になく高感度であり、高精度温度制御に用いられる温度センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる温度センサは、絶縁基板上に形成され、２０〜４０ｍｏｌ％のＰｔを含有し、加熱処理されたＮｉ基合金薄膜を備えたものである。

本発明にかかる温度センサの製造方法は、絶縁基板上に２０〜４０ｍｏｌ％のＰｔを含有するＮｉ基合金薄膜を形成する工程と、前記Ｎｉ基合金薄膜を非酸化雰囲気中で加熱処理する工程とを備えたものである。

本発明によれば、従来になく高感度であり、高精度温度制御に用いられる温度センサおよびその製造方法を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化されている。

発明の実施の形態
図１を用いて、本発明の実施の形態にかかる温度センサの測温抵抗体について説明する。図１は実施の形態にかかる温度センサの測温抵抗体の膜構造を示す断面図である。実施の形態にかかる温度センサの測温抵抗体は、図１に示すように、絶縁基板１およびＮｉ基合金膜２を有している。なお、図２には、実際の温度センサとしての使用に供する抵抗素子の模式図を示す。絶縁基板１上のＮｉ基合金膜２はフォトリソグラフィ技術により抵抗パターン化され、このＮｉ基合金膜２の抵抗パターンにリード線３が接続される。

絶縁基板１としては、ＳｒＴｉＯ_３（チタン酸ストロンチウム）やＭｇＯ（酸化マグネシウム）等のセラミック基板、ガラス基板、石英ガラス等を用いることができる。温度センサは繰り返し使用されるため、絶縁基板１とその上に形成されるＮｉ基合金膜２の熱膨張係数の値が近いことが好ましい。両者の熱膨張係数の値の違いが大きい場合、繰り返しの使用により、Ｎｉ基合金膜２が剥離、破壊等しうるからである。また、絶縁基板１上に形成されるＮｉ基合金膜２の結晶性を高めるため、絶縁基板１の素材の格子定数と形成されるＮｉ基合金膜２の格子定数が近いことが好ましい。本実施例では、絶縁基板１として、熱膨張係数および格子定数ともに純Ｎｉと純Ｐｔの間の値であるＳｒＴｉＯ_３単結晶（００１）基板を用いた。

また、絶縁基板１上には、Ｎｉ基合金膜２が形成されている。このＮｉ基合金膜２が本実施例における抵抗体であり、Ｎｉ基合金膜２のＴＣＲ値が大きいほど高感度な温度センサとなる。このＮｉ基合金としては、２０〜４０ｍｏｌ％のＰｔを含有することが好ましく、２０〜３０ｍｏｌ％のＰｔを含有することがより好ましい。本発明における温度センサは金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔを含有することにより、従来になく高いＴＣＲ値を実現できると考えられるからである。別の観点からすれば、Ｎｉ：Ｐｔのｍｏｌ比が３：１に近いほど好ましい。また、当然のことながら、Ｎｉ基合金はＮｉ−Ｐｔ二元合金に限定されるわけではなく、他の合金元素を含有していてもよい。本実施例では、Ｎｉ基合金膜２としてＮｉ−２５ｍｏｌ％Ｐｔ二元合金を用いた。すなわち、金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔの化学量論組成である。膜の厚さは約１２０ｎｍとした。なお、金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔは、図３に示すＮｉ−Ｐｔ二元系状態図から分かるように、組成幅を有するため、厳密にはＮｉ_１−ｘＰｔ_ｘ（ｘ＝０．２５近傍）であるが、この金属間化合物相を総称して金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔという。

実施の形態にかかる温度センサの製造方法について説明する。まず、絶縁基板１上に、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により、Ｎｉ基合金膜２を形成する。本実施例では、高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いた。また、形成された膜の結晶性を高めるべく、本実施例では、絶縁基板１を５００℃に加熱してスパッタリングを行った。ただし、当該絶縁基板１の加熱は必須ではない。次に、形成された膜を完全に結晶化するとともに格子欠陥をできる限り除去するために、非酸化雰囲気中で加熱処理を行う。この加熱処理は６００〜１２００℃で行うのが好ましい。図３に示すＮｉ−Ｐｔ二元系状態図から分かるように、この温度範囲では、Ｎｉ−Ｐｔ固溶体となる。すなわち、金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔは形成されない温度範囲である。本実施例では、真空中１０００℃、１時間の加熱処理を行った。

比較例１
比較例１にかかる温度センサの測温抵抗体について説明する。比較例１にかかる温度センサの測温抵抗体は、絶縁基板たるＳｒＴｉＯ_３（００１）単結晶基板および厚さ約１２０ｎｍの純Ｐｔ膜を有している。すなわち、実施の形態との相違点は、Ｎｉ基合金膜に代わりに純Ｐｔ膜を有している点である。

比較例１にかかる温度センサの製造方法について説明する。まず、絶縁基板上に、高周波マグネトロンスパッタリング装置により、純Ｐｔ膜を形成する。比較例では、絶縁基板を３００℃に加熱してスパッタリングを行った。次に、真空中１０００℃、１時間の加熱処理を行った。すなわち、上記実施の形態との相違点は、スパッタリングでの絶縁基板の加熱温度であるが、その後、真空中１０００℃、１時間の加熱処理を行っているため、この相違はほとんど影響しないと考えられる。

比較例２
比較例２にかかる温度センサの測温抵抗体について説明する。比較例２にかかる温度センサの測温抵抗体は、絶縁基板たるＳｒＴｉＯ_３（００１）単結晶基板および厚さ約１２０ｎｍのＮｉ−２２ｍｏｌ％Ｐｔ二元合金膜を有している。すなわち、実施の形態との相違点は、Ｐｔ濃度が若干異なる点である。

比較例２にかかる温度センサの製造方法について説明する。まず、絶縁基板上に、高周波マグネトロンスパッタリング装置により、Ｎｉ基合金膜を形成する。比較例では、絶縁基板を５５０℃に加熱してスパッタリングを行った。すなわち、上記実施の形態との相違点は、スパッタリングでの絶縁基板の加熱温度および真空中１０００℃、１時間の加熱処理の有無である。ただし、スパッタリングでの絶縁基板の加熱温度の相違はほとんど影響しないと考えられる。

実施の形態にかかるＮｉ基合金膜の室温（１６℃）でのＴＣＲ値は１００００ｐｐｍ／℃であった。比較例１にかかる純Ｐｔ薄膜の室温（１６℃）でのＴＣＲ値は５１００ｐｐｍ／℃であり、約２倍ものＴＣＲ値を達成した。比較例２にかかるＮｉ基合金膜の室温（１６℃）でのＴＣＲ値は１９００ｐｐｍ／℃であった。すなわち、上記真空中１０００℃、１時間の加熱処理を経ることによりＴＣＲ値が劇的に向上した。

また、実施の形態にかかるＮｉ基合金膜をＸ線回折測定したところ、金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔの存在を確認した。一方、比較例２にかかるＮｉ基合金膜をＸ線回折測定したところ、金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔの存在は確認されなかった。したがって、金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔは加熱処理後の冷却過程で析出したものと考えられる。

実施の形態にかかるＮｉ基合金膜のＴＣＲ値が、比較例１にかかる純Ｐｔ膜のＴＣＲ値にくらべ大きいのは、金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔ固有のＴＣＲ値が純Ｐｔ固有のＴＣＲ値より大きいからであると考えられる。これは、純Ｎｉ固有のＴＣＲ値および純Ｐｔ固有のＴＣＲ値からは全く予測不可能であり、これまで報告されていない極めて優れた物性値である。

実施の形態にかかるＮｉ基合金膜のＴＣＲ値が、比較例２にかかるＮｉ基合金膜のＴＣＲ値にくらべ大きくなる理由は以下の通りである。比較例２にかかるＮｉ基合金膜はスパッタリングしたままの状態であるため、結晶性が低く、格子欠陥による電子の散乱が多い。したがって、低温での残留抵抗が大きく、温度に対する抵抗値の傾きであるＴＣＲ値も低くなる。一方、実施の形態にかかるＮｉ基合金膜は、真空中１０００℃、１時間の加熱処理を経ることにより、完全に結晶化し、さらには冷却過程で金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔが析出する。このため、格子欠陥による電子の散乱が少なく、低温での残留抵抗が小さい。よって、ＴＣＲ値も高くなると考えられる。

発明の実施の形態にかかる温度センサの測温抵抗体の膜構造を示す断面図である。 実際の使用に供する温度センサの抵抗素子を模式的に示す平面図である。 Ｎｉ−Ｐｔ二元系状態図の模式図である。

符号の説明

１ 絶縁基板
２ Ｎｉ基合金膜
３ リード線

Claims (9)

1. 絶縁基板上に形成され、２０〜４０ｍｏｌ％のＰｔを含有し、加熱処理されたＮｉ基合金薄膜を備えた温度センサ。
2. 前記加熱処理の温度が６００〜１２００℃であることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
3. 絶縁基板上に形成されたＮｉ基合金薄膜を備えた温度センサであって、前記Ｎｉ基合金が金属間化合物Ｎｉ_３Ｐｔを含有する温度センサ。
4. 前記Ｎｉ基合金が２０〜３０ｍｏｌ％のＰｔを含有することを特徴とする請求項３に記載の温度センサ。
5. 前記絶縁基板がＳｒＴｉＯ_３であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の温度センサ。
6. 絶縁基板上に２０〜４０ｍｏｌ％のＰｔを含有するＮｉ基合金薄膜を形成する工程と、前記Ｎｉ基合金薄膜を非酸化雰囲気中で加熱処理する工程とを備えた温度センサの製造方法。
7. 前記Ｎｉ基合金薄膜を形成する工程として、スパッタリング法を用いることを特徴とする請求項６に記載の温度センサの製造方法。
8. 前記加熱処理の温度が６００〜１２００℃であることを特徴とする請求項６に記載の温度センサの製造方法。
9. 前記絶縁基板にＳｒＴｉＯ_３を用いることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の温度センサの製造方法。

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