JPH0354841B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば複写機のトナー定着ローラや
オフイス・オートメシヨン（OA）機器の感熱部
等に温度検出器として使用する薄膜サーミスタと
その製造方法に係わり、特に電気的な諸特性の改
善を図つた薄膜サーミスタとその製造方法に関す
る。

（従来の技術） 従来、複写機のトナー定着ローラや前記OA機
器等においては、その温度を検出すべき対象物に
サーミスタを機械的に接触させ、100℃〜300℃の
温度範囲で温度を検出している。

ところで、この種のサーミスタは、成分および
製造方法等から種々のものが開発されており、例
えば金属複合酸化物焼結サーミスタ、Sic薄膜サ
ーミスタ、金属複合酸化物薄膜サーミスタ、白金
薄膜サーミスタ等が挙げられる。

金属複合酸化物焼結サーミスタは、マンガン
Mn、コバルトCo、ニツケルNiまたはMn，
Co，Niを主成分としこれに銅Cuまたは鉄Fe等
を加えた金属複合酸化物を混合して成型すると
ともに、1200℃〜1300℃の高温で焼結して作つ
たものである。このサーミスタの中には熱応答
時定数を短くするために、表面をガラスで被覆
した小形のビード型サーミスタがある。

Sic薄膜サーミスタは、Sic焼結体をターゲツ
トとし、アルゴンArガス雰囲気中で高周波ス
パッタリングによつてくし型Au−Pt（白金）厚
膜電極を形成したアルミナ基板上に、Sic薄膜
層を形成させたものである。スパツタリング中
の基板温度は650℃〜750℃である 金属複合酸化物薄膜サーミスタには２種類あ
り、その１つは、Mn，Co，Niの中の２〜３成
分中にクロムCrまたはFe等を加えたサーミス
タ材料を用いて焼結ターゲツトを作製する。さ
らに、これをArガス雰囲気中においてスパツ
タリングによりアルミナ基板上に薄膜を形成す
る。次いで、大気中で熱処理して完成する。他
のもう１つは、Mn：３，Co：２，Ni：１より
なる酸化物の焼結ターゲットを使用し、Arに
体積比で３％以上の酸素を混合させたスパツタ
ガス中で400℃〜500℃に加熱した高融点ガラス
基板上に薄膜を施したものである。

白金薄膜サーミスタは、高周波スパッタ法を
用いて1000℃近くに加熱させたサフアイヤ基板
上に薄膜測温体を施したものである。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、以上のようなサーミスタには次に述べ
る様な種々の問題点がある。

金属複合酸化物焼結サーミスタは、小型で熱
容量の小さいビード型サーミスタが熱応答時定
数の短いことから有用されているが、これは通
常球形もしくは回転楕円体に形成され、測温対
象物とは点接触であるために熱伝達が悪くなり
高精度に温度を検出できない。また、支持容器
によつては、熱抵抗が更に大きくなり、あるい
は熱の拡散などにより熱応答時定数を短くする
のが非常に困難である。しかも、他の薄膜サー
ミスタと比較し、その熱容量がきわめて大き
い。

次に、Sic薄膜サーミスタの如きは、サーミ
スタ定数が約2000Kと小さく、温度変化による
抵抗値の変化が少ない。サーミスタ定数が温度
に依存して変化する。この結果、広範囲にわた
つて温度を検出する場合、その直線性が劣る。
また、スパツタガス中に微量の窒素が混入する
と抵抗値が大きく変化し、一定の品質のものを
得るのが困難である。また、くし型電極を採用
しているが、素子の抵抗値が100℃で100KΩと
大きく、検出系との整合性が困難である。さら
に、結晶性の良い安定なSic膜を得る場合、基
板温度を高温度（例えば650℃〜750℃）にする
必要があり、このため生産性が低下する。ま
た、アルミナ基板の表面粗さは数μmであり、
これに数μmの厚さでサーミスタ薄膜を施すと、
その実効表面積が基板の表面粗さによつて大き
く変化する。このため素子の抵抗値の変動巾が
大きくなる。また、このサーミスタは雰囲気に
よる劣化を防ぐ観点からガラス被覆またはガラ
ス管に封入して使用されているが、これが素子
全体の熱容量を大きくし、薄膜化による熱応答
性の利点が失われてしまう。

金属複合酸化物薄膜サーミスタは、結晶性の
良い薄膜サーミスタを得るために、基板温度を
高温度（400℃〜500℃）にする必要があり、
Sic薄膜サーミスタと同様に生産性の点で問題
がある。また、比抵抗は従来の一般的なサーミ
スタと同程度であり、この結果、薄膜化すると
素子の抵抗が大きくなり、検出系との整合性が
困難である。

白金薄膜サーミスタは、金属測温体であるの
で、比抵抗が極めて小さい。従つて、温度変化
に対する抵抗値の変化も極めて小さく、温度変
化を高精度に検出できない。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、サ
ーミスタ定数が大きく熱安定性に優れ、かつ、熱
応答時定数が極めて短く、適切な抵抗値を持つた
薄膜サーミスタを提供することを目的とする。

また、他のもう１つの発明においては、生産性
および量産性に優れ、かつ、小型に実現し得る薄
膜サーミスタの製造方法を提供することを目的と
する。

（問題点を解決するための手段） 本発明による薄膜サーミスタは、絶縁性基板上
に該基板との密着性に優れたCr，Ti，Mo，Ｗの
何れかの金属を下層とし、かつ、Ptを上層とす
る二層構造により形成されたくし型パターン電極
と、前記絶縁性基板の上側または前記くし型パタ
ーン電極を覆うように形成された複合酸化物のサ
ーミスタ薄膜とで構成したものである。

また、もう１つの発明である薄膜サーミスタの
製造方法は、絶縁性基板上にフオトリソグラフイ
ーによりくし型パターン電極を形成するととも
に、そのくし型パターン電極上に同じくフオトリ
ソグラフイーまたは機械的な金属マスクを用いて
Mn，Co，Niの複合酸化物またはこれらの成分の
中の２〜３成分にAl，Cr，Cu，Feの中の１成分
以上を加えた複合酸化物焼結体をターゲツトと
し、高周波スパッタリング法によつてサーミスタ
薄膜を施し、かつ、このサーミスタ薄膜上に酸化
シリコンまたは窒化シリコンの保護膜を形成した
ものである。

（作用） 従つて、以上のような手段による薄膜サーミス
タによれば、絶縁性基板上にくし型パターン電極
を形成してそのくし数の選択により素子抵抗を小
さくすることにより検出系との整合性を容易に
し、かつ、金属複合酸化物によるサーミスタ薄膜
が施されているので、熱応答時定数が短く、サー
ミスタ定数を大きくすることができる。

また、薄膜サーミスタの製造方法によれば、フ
オトリソグラフイーを用いてくし型パターン電極
を形成し、一定の品質のものを小型、かつ、量産
性に適するように製造することが可能である。

（実施例） 以下、本発明の実施例について第１図および第
２図を参照して説明する。第１図は薄膜サーミス
タの上面図、第２図は薄膜サーミスタの断面図で
ある。これらの図において１は絶縁性基板であつ
て、これは平滑な面部に形成された単結晶シリコ
ン基板上に、熱酸化、CVD法またはスパツタ法
を用いて酸化シリコン、窒化シリコンアルミナ等
の絶縁層が施されたものである。シリコン基板の
表面を平滑としたのは後述するサーミスタ薄膜の
実効面積を均一にするためである。基板として例
えば表面を研磨したアルミナまたはガラス等を使
用することができる。

そして、前記絶縁性基板１の上側にフオトリソ
グラフイーを用いてくし型パターン電極２または
金属複合酸化物のサーミスタ薄膜３が形成され
る。フオトリソグラフイーを用いてくし型パター
ン電極２を形成する理由は次の通りである。つま
り、サーミスタの比抵抗は100℃で数100Ω・cm程
度である。従つて、そのまま薄膜化すると素子抵
抗が大きくなつて検出系との整合性が問題とな
る。そこで、適切な素子抵抗値を得るために電極
パターンをくし型形状としたものである。一方、
熱応答時定数を短くするためには、全体を小型に
し、かつ、素子の熱容量を小さくする必要があ
る。一度に多数の素子を生産する観点からも小型
化にすることが必要である。このように小型で充
分に小さい抵抗値のサーミスタを得るためには、
前記くし型パターン電極２のくし数を増加させる
ことが不可欠となるが、かかる微細な加工を行う
ためにはフオトリソグラフイーを用いることが有
効である。このフオトリソグラフイーによるくし
型パターン電極２の形成手段はエツチング法とリ
フトオフ法とがあり、これら何れの方法でも所望
とするくし型パターン電極２を形成することが可
能である。

このくし型パターン電極２は、前記サーミスタ
薄膜３の上側または下側の何れに配置しても所望
とする特性を得ることができる。しかし、サーミ
スタ薄膜３を形成するためMn，Co，Ni等の酸化
物は前記くし型パターン電極２を形成するために
使用するエツチング液やリフトオフ用のレジスト
剥離液に侵食される危険性がある。従つて、サー
ミスタ薄膜３を形成後にくし型パターン電極２を
フオトリソグラフイーで形成することには問題が
ある。よつて、絶縁性基板１の上にくし型パター
ン電極２を形成し、その後、金属酸化物からなる
サーミスタ薄膜３を形成するのがよい。但し、エ
ツチングやレジスト剥離にドライエツチングやド
ライアツシングを用いるときはこの限りでない。

なお、くし型パターン電極２の電極材料は、薄
膜サーミスタの使用温度、サーミスタ薄膜３形成
後の熱処理等に対し熱的に充分に安定であるとと
もに、基板１とサーミスタ薄膜３との密着性に優
れ、かつ、両者にほぼ近い熱膨脹率のものである
ことが必要である。そこで、本発明における薄膜
サーミスタのくし型パターン電極２としてはCr
とPtの二層構造とすることにある。すなわち、
基板１との密着性に優れたCrを下側層として用
い、かつ、サーミスタ薄膜３とほぼ同じ熱膨脹率
を有し、密着性にも優れたPtを上側層に配置し
てなる構造とする。Crの代わりに同様に密着性
を示すTi，Mo，Ｗ等を使用してもよい。また、
白金用エツチング液に対するレジスト膜の耐久性
等から考えると、前記エツチング法よりもリフト
オフ法を用いてくし型パターン電極２を形成する
ことが望ましい。

しかして、以上のように基板１上にくし型パタ
ーン電極２を形成したならば、そのパターン電極
２上に前記金属酸化物によるサーミスタ薄膜３が
形成される。このサーミスタ薄膜３は、Arガス
雰囲気中で高周波スパッタリング法により形成
し、その上に保護膜４が形成される。この形成方
法は、サーミスタ薄膜３を形成する部分を除き、
金属マスクで遮蔽するか、もしくはエツチングあ
るいはリフトオフによるフオトリソグラフイーを
繰返してもよい。このサーミスタ薄膜形成のため
のスパツタ用ターゲツトとしてはMn，Co，Niの
複合酸化物またはMn，Co，Niの中の２〜３成分
にAl，Cr，Fe，Cu等の一種を加えた３〜４成分
の複合酸化物を通常の焼結サーミスタの製造方法
により製造したものを用意する。但し、ターゲツ
トは所定の成分の焼結体であればよく、必ずしも
同一の製造方法による必要はない。

このスパツタリング中の基板１の温度として
200℃〜500℃に加熱すると、サーミスタ薄膜形成
後大気中で行う熱処理を省略もしくは短時間とす
ることができる。この熱処理は薄膜サーミスタを
熱的に安定化させるためのもので、使用温度より
やや高い温度を用いる。例えば350℃で24〜48時
間処理しておけば経時変化のない安定した薄膜サ
ーミスタを得ることができる。あるいは基板１を
加熱することなくサーミスタ薄膜３を形成して
も、熱処理時間を充分長くとることにより、安定
な薄膜サーミスタを得ることができる。図中５は
電極リード線引出し用パツドである。

次に、本発明の薄膜サーミスタの具体的な製造
実施例を２つ説明する。その１つは、酸化シリコ
ンの絶縁層を施したシリコン単結晶基板１上に、
フオトリソグラフイー技術を用いてリフトオフ用
くし型電極のパターンを形成した。このパターン
に際しては直流スパツタ法によりCr次いで白金
の薄膜を連続して形成した。そして、レジストを
剥離し所定のくし型パターン電極２を形成した。
このくし型パターン電極２の上に金属マスクを使
用してサーミスタ薄膜３を形成し、さらにその上
側に保護膜４を形成した。サーミスタ薄膜３は、
Mn−15Co−Ni5（wt％）の複合酸化物焼結ター
ゲツトを用いて圧力1mTorrのArガス雰囲気中で
高周波電力200W、成膜速度1μm／時で高周波ス
パッタ法により形成した。スパツタ中の基板温度
は200℃である。保護膜４としてスパツタ法によ
る酸化シリコン膜を用いた。そして、この薄膜サ
ーミスタを大気中で350℃、48時間の間熱処理を
行つた。この結果、サーミスタ定数が4500K、比
抵抗が15Ω・cm（200℃）、素子抵抗値が500Ωの
薄膜サーミスタが得られた。この薄膜サーミスタ
は100℃〜300℃の温度範囲で使用中、経時変化が
認められなかつた。

他のもう１つ例は、ターゲツトとしてMn−
37Ni−4Al（wt％）の複合酸化物の焼結体を用
い、かつ、圧力1mTorrのArガス雰囲気中で高周
波電力200W、成膜速度0.8μm／時で高周波スパ
ッタ法によりサーミスタ薄膜３を形成した。その
他は上記の製造実施例と同じである。その結果、
サーミスタ定数が5000K、比抵抗が150Ω・cm
（200℃）、素子抵抗値が5KΩの薄膜サーミスタが
得られた。

（発明の効果） 以上詳記したように本発明によれば、例えば上
記製造実施例１で製造したものをシリコン樹脂に
埋め込みポリイミドフイルムで覆つたものを200
℃のホツトプレートに押し付けて熱応答時定数を
測定したところ第３図の曲線イに示すように１秒
以下であつた。これに対し、市販のビード型サー
ミスタを用いて同様の方法により測定したところ
曲線ロに示すように6.1秒であつた。このように
本発明の薄膜サーミスタは熱応答時定数が非常に
小さい。また、くし型パターン電極を用いている
ので、素子抵抗が数ＫΩ以下と小さく、検出系と
の整合が容易である。また、熱応答時定数が極め
て短く、かつ、金属複合酸化物のサーミスタ薄膜
を用いたために、サーミスタ定数が4000K〜
5000Kと大きい。しかも、熱安定性に優れてい
る。

また、薄膜サーミスタの製造方法としてはフオ
トリソグラフイーを用いてくし型パターン電極等
を形成したので、生産性および量産性に優れ、か
つ、小型のものを作製できる。

従つて、以上のような薄膜サーミスタであれ
ば、熱応答時定数が極めて短いために、温度を検
出すべき対象物のごく近傍にて非接触型薄膜サー
ミスタとして利用でき、またくし型パターン電極
を２組容易し、一方のパターン電極を遮蔽して適
当なブリツジ回路を構成することにより、赤外線
検知非接触薄膜サーミスタとして利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の実施例を説明す
るために示したもので、第１図は薄膜サーミスタ
の上面図、第２図は薄膜サーミスタの断面図、第
３図は従来市販のサーミスタと本発明に係わる薄
膜サーミスタとの熱応答時定数の比較特性図であ
る。 １…絶縁性基板、２…くし型パターン電極、３
…サーミスタ薄膜、４…保護膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁性基板上に該基板との密着性に優れた
   Cr，Ti，Mo，Ｗの何れかの金属を下層とし、か
   つ、Ptを上層とした二層構造で形成されたくし
   型パターン電極と、前記絶縁性基板の上側または
   前記くし型パターン電極を覆うように形成された
   複合酸化物のサーミスタ薄膜とで構成されたこと
   を特徴とする薄膜サーミスタ。 ２ 絶縁性基板上にフオトリソグラフイーにより
   くし型パターン電極を形成するとともに、そのく
   し型パターン電極上に同じくフオトリソグラフイ
   ーまたは機械的な金属マスクを用いてMn，Co，
   Niの複合酸化物またはこれらの成分の中の２〜
   ３成分にAl，Cr，Cu，Feの中の１成分以上を加
   えた複合酸化物焼結体をターゲツトとし、高周波
   スパッタリング法によつてサーミスタ薄膜を施
   し、かつ、このサーミスタ薄膜上に酸化シリコン
   または窒化シリコンの保護膜を形成したことを特
   徴とする薄膜サーミスタの製造方法。