JP6562217B2 - サーミスタ用金属窒化物材料及びその製造方法並びにフィルム型サーミスタセンサ - Google Patents
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すなわち、特許文献1には、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるサーミスタ用金属窒化物材料が記載されている。
本発明のサーミスタ用金属窒化物材料では、一般式:ZnxSiyNz(0.2≦y/(x+y)≦0.95、0.35≦z≦0.50、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなるので、非焼成で良好なB定数が得られる。
また、上記「y/(x+y)」(すなわち、Si/(Zn+Si))が0.95を超えると、抵抗値が高くなりすぎ、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「z」(すなわち、N/(Zn+Si+N))が0.35未満であると、窒化不足となり、抵抗値及びB定数が低くなりすぎ、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「z」(すなわち、N/(Zn+Si+N))が0.5を超えると、本発明の下記製法では作製することができない。これは、NaFeO2型で、かつ、歪んだウルツ鉱型結晶構造をもつZnSiN2において、窒素サイトにおける欠陥がない場合のN/(Zn+Si+N)比の理論値が0.5であり、理論値以上の窒素を導入することができないことに由来する。0.5を超えるz量については、格子間に軽元素(窒素)が導入されたことと、XPS分析における軽元素(窒素)の定量精度とに起因するものである。
すなわち、このサーミスタ用金属窒化物材料では、一般式で、0.2≦y/(x+y)≦0.46であるので、抵抗率に対するB定数が高く、低抵抗値にも関わらず温度係数が大きいので、低抵抗値の材料においても高精度な温度検出が可能になる。また、少ない窒化量でも高B定数化することが可能である。
すなわち、このフィルム型サーミスタセンサでは、絶縁性フィルム上に第1から第3の発明のいずれかのサーミスタ用金属窒化物材料で薄膜サーミスタ部が形成されているので、非焼成で形成され高B定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルムを用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
すなわち、このサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法では、Zn−Si合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する成膜工程を有しているので、上記ZnxSiyNzからなる本発明のサーミスタ用金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
すなわち、本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料によれば、一般式:ZnxSiyNz(0.2≦y/(x+y)≦0.95、0.35≦z≦0.50、x+y+z=1)で示される金属窒化物及び不可避不純物からなるので、非焼成で良好なB定数が得られる。
また、本発明に係るサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法によれば、Zn−Si合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する成膜工程を有しているので、上記ZnxSiyNzからなる本発明のサーミスタ用金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
さらに、本発明に係るフィルム型サーミスタセンサによれば、絶縁性フィルム上に本発明のサーミスタ用金属窒化物材料で薄膜サーミスタ部が形成されているので、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルムを用いて良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。さらに、基板材料が、薄くすると非常に脆く壊れやすいセラミックスでなく、樹脂フィルムであることから、厚さ0.1mmの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサが得られる。
特に、上記一般式で、0.2≦y/(x+y)≦0.46であることが好ましい。
なお、上記不可避不純物は、例えば酸素等である。
なお、上記点A,B,C,Dの各組成比(x,y,z)(atm%)は、A(40.0,10.0,50.0),B(2.5,47.5,50.0),C(3.25,61.75,35.0),D(52.0,13.0,35.0)である。
また、このサーミスタ用金属窒化物材料は、膜状に形成されている。
上記一対のパターン電極4は、例えばCr膜とAu膜との積層金属膜でパターン形成され、薄膜サーミスタ部3上で互いに対向状態に配した櫛形パターンの一対の櫛形電極部4aと、これら櫛形電極部4aに先端部が接続され基端部が絶縁性フィルム2の端部に配されて延在した一対の直線延在部4bとを有している。
また、上記反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、0.2Pa以上に設定している。
さらに、上記成膜工程後に、形成された膜に窒素プラズマを照射することが好ましい。
その時のスパッタ条件は、例えば到達真空度:4×10−5Pa、スパッタガス圧:0.67Pa、ターゲット投入電力(出力):300Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において窒素ガス分圧:60%とする。
このようにして、例えばサイズを25×3.6mmとし、厚さを0.1mmとした薄いフィルム型サーミスタセンサ1が得られる。
特に、上記一般式で、0.2≦y/(x+y)≦0.46とすることで、抵抗率に対するB定数が高く、低抵抗値に対して温度係数が大きく、高精度な温度検出が可能になる。また、少ない窒化量でも高B定数化することが可能である。
本発明の実施例及び比較例として、図4に示す膜評価用素子121を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のZn−Si合金ターゲットを用いて、Si基板Sとなる熱酸化膜付きSiウエハ上に、厚さ200nmの表1に示す様々な組成比で形成されたサーミスタ用金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部3を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度:4×10−5Pa、スパッタガス圧:0.1〜4.0Pa、ターゲット投入電力(出力):100〜500Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分圧を10〜100%と変えて作製した。
また、比較としてZnN(比較例1)、ZnAlN(比較例2,3)、NiSiN(比較例4,5)、組成比が本発明の範囲外であるZnSiN(比較例6〜9)についても同様に作製して評価を行った。
(1)組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部3について、X線光電子分光法(XPS)にて元素分析を行った。このXPSでは、Arスパッタにより、最表面から深さ20nmのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表1に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子%」で示している。一部のサンプルに対して、最表面から深さ100nmのスパッタ面における定量分析を実施し、深さ20nmのスパッタ面と定量精度の範囲内で同じ組成であることを確認している。
なお、不可避不純物として、膜中に最大2%程度の酸素が含まれていることを確認した。
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部3について、4端子法(van der pauw法)にて25℃での比抵抗を測定した。その結果を表1に示す。
(3)B定数測定
膜評価用素子121の25℃及び50℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、25℃と50℃との抵抗値よりB定数を算出した。その結果を表1に示す。また、25℃と50℃との抵抗値より負の温度特性をもつサーミスタであることを確認している。
B定数(K)=ln(R25/R50)/(1/T25−1/T50)
R25(Ω):25℃における抵抗値
R50(Ω):50℃における抵抗値
T25(K):298.15K 25℃を絶対温度表示
T50(K):323.15K 50℃を絶対温度表示
これらのグラフから、Si/(Zn+Si)=0.2〜0.95の領域にあるものは、25℃における比抵抗値が10Ωcm以上、B定数が1200K以上の高抵抗かつ高B定数の領域が実現できている。
なお、図5及び図6のデータにおいて、同じSi/(Zn+Si)比に対して、B定数がばらついているのは、結晶中の窒素量が異なる、もしくは窒素欠陥等の格子欠陥量が異なるためである。図7のN/(Zn+Si+N)比とB定数との関係より、N/(Zn+Si+N)比が大きい材料にて、高B定数が実現できていることがわかる。
また、本発明の実施例では、図7に示すように、窒化量が大きくなると高B定数化していることが分かる。特に、実施例1〜11(Si/(Zn+Si)=0.25〜0.46)では、実施例12〜23(Si/(Zn+Si)=0.49〜0.75)に比べて、少ない窒化量N/(Zn+Si+N)比にて高B定数が得られている。
図5において、特に、実施例1〜11(Si/(Zn+Si)=0.25〜0.46)では、実施例12〜23(Si/(Zn+Si)=0.49〜0.75)に比べて、低抵抗値で高B定数が得られている。
以上の結果より、一般式 0.2≦y/(x+y)≦0.46とするZnxSiyNz材料は、抵抗率に対するB定数が高く、低抵抗値にも関わらず温度係数が大きいので、低抵抗値の材料においても高精度な温度検出が可能になる。また、少ない窒化量でも高B定数化することが可能である。
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部3を、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction)により、結晶相を同定した。この薄膜X線回折は、微小角X線回折実験であり、管球をCuとし、入射角を1度とすると共に2θ=20〜130度の範囲で測定した。一部のサンプルについては、入射角を0度とし、2θ=20〜100度の範囲で測定した。
なお、比較として、図10に、Si3N4バルク体のXRDプロファイルを示している。また、図11に、Si/(Zn+Si)=0.50であるZnSiN2バルク体(XRDカードデータ、ICDD−00−047−1425)におけるX線回折(XRD)の結果を示すグラフである。
これらの結果から、本発明の実施例は、バルク体データのプロファイルと比較すると、Si3N4型ではなく、NaFeO2型(歪んだウルツ鉱型:Distorted wurtzite crystal structure)の結晶構造であると考えられる。
次に、薄膜サーミスタ部3の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きSi基板S上に330nm程度成膜された実施例(Si/(Zn+Si)=0.53)の薄膜サーミスタ部3における断面SEM写真を、図12に示す。
この実施例のサンプルは、Si基板Sをへき開破断したものを用いている。また、45°の角度で傾斜観察した写真である。
なお、図中の柱状結晶サイズについて、図12の実施例は、粒径が10〜40nmφ(±10nmφ)、長さ330nm程度であった。
なお、ここでの粒径は、基板面内における柱状結晶の直径であり、長さは、基板面に垂直な方向の柱状結晶の長さ(膜厚)である。
Claims (5)
- サーミスタに用いられる金属窒化物材料であって、
一般式:ZnxSiyNz(0.2≦y/(x+y)≦0.95、0.35≦z≦0.50、x+y+z=1)で示される金属窒化物及び不可避不純物からなることを特徴とするサーミスタ用金属窒化物材料。 - 請求項1に記載のサーミスタ用金属窒化物材料において、
前記一般式で、0.2≦y/(x+y)≦0.46であることを特徴とするサーミスタ用金属窒化物材料。 - 請求項1又は2に記載のサーミスタ用金属窒化物材料において、
膜状に形成されていることを特徴とするサーミスタ用金属窒化物材料。 - 絶縁性フィルムと、
該絶縁性フィルム上に請求項1から3のいずれか一項に記載のサーミスタ用金属窒化物材料で形成された薄膜サーミスタ部と、
少なくとも前記薄膜サーミスタ部の上又は下に形成された一対のパターン電極とを備えていることを特徴とするフィルム型サーミスタセンサ。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載のサーミスタ用金属窒化物材料を製造する方法であって、
Zn−Si合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する成膜工程を有していることを特徴とするサーミスタ用金属窒化物材料の製造方法。
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