JP2018036245A - Temperature sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】 金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部との密着性が高いと共に高い耐熱性を有した保護膜を備えた温度センサ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 絶縁性基材2と、絶縁性基材上に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3と、互いに対向して薄膜サーミスタ部の下又は上の少なくとも一方にパターン形成された一対のパターン電極4と、薄膜サーミスタ部上に形成された絶縁性窒化物保護膜5とを備えている。
【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a temperature sensor provided with a protective film having high heat resistance as well as high adhesion to a thin film thermistor portion of a metal nitride material, and a manufacturing method thereof.
SOLUTION: An insulating base material 2, a thin film thermistor portion 3 formed of a metal nitride material for thermistor on the insulating base material, and pattern formation on at least one of the lower side and the upper side of the thin film thermistor portion facing each other. A pair of patterned electrodes 4 and an insulating nitride protective film 5 formed on the thin film thermistor portion are provided.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、フィルム型サーミスタ温度センサ等に好適な温度センサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a temperature sensor suitable for a film type thermistor temperature sensor and the like, and a manufacturing method thereof.
温度センサ等に使用されるサーミスタ材料は、高精度、高感度のために、高いB定数が求められている。このようなサーミスタ材料には、Mn,Co,Fe等の遷移金属酸化物が一般的であったが、近年、樹脂フィルム上にサーミスタ材料を形成したフィルム型サーミスタセンサの開発が検討されており、樹脂フィルム上に成膜可能なサーミスタ用金属窒化物材料が開発されている(例えば、特許文献1参照)。
また、その他にも、非焼成で形成でき、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Si,Cu及びAlの少なくとも1種の窒化物材料であり、上記結晶構造を有するものであって高B定数が得られる材料が開発されている(特許文献2〜7)。
A thermistor material used for a temperature sensor or the like is required to have a high B constant for high accuracy and high sensitivity. As such a thermistor material, transition metal oxides such as Mn, Co, and Fe were generally used. However, in recent years, development of a film type thermistor sensor in which a thermistor material is formed on a resin film has been studied. A metal nitride material for a thermistor that can be formed on a resin film has been developed (see, for example, Patent Document 1).
In addition, it can be formed without firing, and is at least one nitride material of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Si, Cu, and Al, and has the above crystal structure. Thus, materials capable of obtaining a high B constant have been developed (Patent Documents 2 to 7).
このサーミスタ用金属窒化物材料を用いた従来のサーミスタ温度センサは、例えば樹脂フィルム等の絶縁性基材と、絶縁性基材上に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、互いに対向して薄膜サーミスタ部上にパターン形成された一対のパターン電極と、パターン電極と共に薄膜サーミスタ部を覆っているポリイミド樹脂とを備えている。 The conventional thermistor temperature sensor using the metal nitride material for thermistor includes, for example, an insulating substrate such as a resin film, and a thin film thermistor portion formed of the metal nitride material for thermistor on the insulating substrate. A pair of pattern electrodes are formed on the thin film thermistor portion so as to face each other, and a polyimide resin covering the thin film thermistor portion together with the pattern electrodes.
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来の技術では、金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部上に絶縁性保護膜としてポリイミド樹脂を形成又は接着しているが、金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部とポリイミド樹脂との密着性が弱く、密着性の向上が要望されていた。また、ポリイミド樹脂材料のように有機系樹脂材料は、熱に弱く、十分な耐熱性を有した無機系保護膜用材料も要望されていた。特に、サーミスタ部はセラミックス材料からなることが多いため、絶縁性も兼ね備えた耐熱性を有するセラミックス保護膜が要望されていた。
The following problems remain in the conventional technology.
In the above conventional technique, a polyimide resin is formed or bonded as an insulating protective film on the thin film thermistor portion of the metal nitride material, but the adhesion between the thin film thermistor portion of the metal nitride material and the polyimide resin is weak, There has been a demand for improved adhesion. In addition, an organic resin material such as a polyimide resin material is vulnerable to heat, and an inorganic protective film material having sufficient heat resistance has been desired. In particular, since the thermistor portion is often made of a ceramic material, there has been a demand for a heat-resistant ceramic protective film that also has insulating properties.
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部との密着性が高いと共に高い耐熱性を有した保護膜を備えた温度センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a temperature sensor including a protective film having high heat resistance and high adhesion to a thin film thermistor portion of a metal nitride material, and a method for manufacturing the same. For the purpose.
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第1の発明に係る温度センサは、絶縁性基材と、前記絶縁性基材上に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、互いに対向して前記薄膜サーミスタ部の下又は上の少なくとも一方にパターン形成された一対のパターン電極と、前記薄膜サーミスタ部上に形成された絶縁性窒化物保護膜とを備えていることを特徴とする。 The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. That is, the temperature sensor according to the first invention includes an insulating substrate, a thin film thermistor portion formed of the metal nitride material for the thermistor on the insulating substrate, and a lower surface of the thin film thermistor portion facing each other. Or a pair of pattern electrodes patterned on at least one of the upper sides and an insulating nitride protective film formed on the thin film thermistor portion.
すなわち、この温度センサでは、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上に形成された絶縁性窒化物保護膜を備えているので、互いに窒化物である薄膜サーミスタ部と絶縁性窒化物保護膜との高い密着性が得られると共に、窒化物の保護膜によりポリイミド樹脂よりも高い耐熱性を得ることができる。 That is, in this temperature sensor, since the insulating nitride protective film formed on the thin film thermistor portion formed of the metal nitride material for the thermistor is provided, the thin film thermistor portion and the insulating nitride which are nitrides with each other are provided. High adhesion to the protective film can be obtained, and the nitride protective film can provide higher heat resistance than the polyimide resin.
第2の発明に係る温度センサは、第1の発明において、前記薄膜サーミスタ部と前記絶縁性窒化物保護膜との結晶構造が、同じ六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、薄膜サーミスタ部と絶縁性窒化物保護膜との結晶構造が、同じ六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、互いに格子整合度が高く、さらに高い密着性を確保することができる。
A temperature sensor according to a second invention is characterized in that, in the first invention, the crystal structures of the thin film thermistor portion and the insulating nitride protective film are the same hexagonal wurtzite type single phase. And
That is, in this temperature sensor, since the crystal structure of the thin film thermistor portion and the insulating nitride protective film is the same hexagonal wurtzite type single phase, the degree of lattice matching is high and higher adhesion is achieved. Can be secured.
第3の発明に係る温度センサは、第2の発明において、前記薄膜サーミスタ部が、サーミスタ特性を有するM−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、前記絶縁性窒化物保護膜が、結晶性Al−Nであることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、薄膜サーミスタ部が、六方晶系のウルツ鉱型のサーミスタ特性を有するM−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、絶縁性窒化物保護膜が、六方晶系のウルツ鉱型のAl−Nであるので、同じ上記結晶構造のAl−NとM−A−N窒化物との積層になり、互いに格子整合度が高いので、Al−N/M−A−Nの界面において、絶縁性窒化物保護膜のAl−Nの結晶格子が薄膜サーミスタ部のM−A−Nの結晶格子へ与える影響が小さく、その結果、電子構造の変化が極めて小さくなるので、保護膜形成によるM−A−Nの薄膜サーミスタ部のサーミスタ特性変化を抑制することができる。
A temperature sensor according to a third aspect of the present invention is the temperature sensor according to the second aspect, wherein the thin film thermistor portion has a thermistor characteristic M-A-N (where M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and It represents at least one of Cu and A represents Al or (Al and Si).), And the insulating nitride protective film is crystalline Al-N.
That is, in this temperature sensor, the thin film thermistor portion has a hexagonal wurtzite type thermistor characteristic M-A-N (where M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu). And at least one of them, A represents Al or (Al and Si).) And the insulating nitride protective film is hexagonal wurtzite Al-N, so that the same crystal structure Al-N and M-A-N nitride are laminated and have a high degree of lattice matching with each other. Therefore, at the Al-N / M-A-N interface, the insulating nitride protective film of Al-N The effect of the crystal lattice on the M-A-N crystal lattice of the thin film thermistor is small, and as a result, the change in the electronic structure is extremely small. Change can be suppressed.
第4の発明に係る温度センサは、第2の発明において、前記薄膜サーミスタ部が、サーミスタ特性を有するM−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、前記絶縁性窒化物保護膜が、絶縁性の結晶性M’−Al−N(但し、M’はTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示す。)であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、薄膜サーミスタ部が、六方晶系のウルツ鉱型のサーミスタ特性を有するM−A−Nであり、絶縁性窒化物保護膜が、六方晶系のウルツ鉱型の結晶構造を有する絶縁性の結晶性M−Al−Nであるので、同じ上記結晶構造のM−A−NとM’−Al−Nとの積層になり、互いに格子整合度が高いので、絶縁性窒化物保護膜と薄膜サーミスタ部との界面において、絶縁性窒化物保護膜のM’−Al−Nの結晶格子が薄膜サーミスタ部のM−A−Nの結晶格子へ与える影響が非常に小さく、その結果、電子構造の変化が極めて小さくなるので、保護膜形成によるM−A−Nの薄膜サーミスタ部のサーミスタ特性変化をさらに抑制することができる。
なお、M=M’、すなわち上記M元素と上記M’元素とが同一である場合、特に互いの格子整合度が高くなる。
A temperature sensor according to a fourth aspect of the present invention is the temperature sensor according to the second aspect, wherein the thin film thermistor portion has a thermistor characteristic M-A-N (where M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and And at least one of Cu and A is Al or (Al and Si)), and the insulating nitride protective film is an insulating crystalline M′-Al—N (where M ′ Represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu.
That is, in this temperature sensor, the thin film thermistor portion is MAN having a hexagonal wurtzite type thermistor characteristic, and the insulating nitride protective film is a hexagonal wurtzite type crystal structure. Since it is an insulating crystalline M-Al-N having the same structure, it is a laminate of M-A-N and M'-Al-N having the same crystal structure, and has a high degree of lattice matching with each other. The influence of the M'-Al-N crystal lattice of the insulating nitride protective film on the M-A-N crystal lattice of the thin film thermistor part is very small at the interface between the protective film and the thin film thermistor part. As a result, the change in the electronic structure becomes extremely small, so that it is possible to further suppress the thermistor characteristic change in the thin film thermistor portion of MAN due to the formation of the protective film.
Note that when M = M ′, that is, when the M element and the M ′ element are the same, the degree of lattice matching between them is particularly high.
第5の発明に係る温度センサは、第3又は第4の発明のいずれかにおいて、前記Mの元素が、Tiであることを特徴とする。 A temperature sensor according to a fifth aspect of the present invention is characterized in that in any one of the third and fourth aspects, the M element is Ti.
第6の発明に係る温度センサは、第1から第5の発明のいずれかにおいて、前記絶縁性基材が、絶縁性フィルムであることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、絶縁性基材が、絶縁性フィルムであるので、柔軟な絶縁性フィルムの絶縁性基材と柔軟性のあるM−A−Nの薄膜サーミスタ部及び結晶性Al−N又は絶縁性の結晶性M’−Al−Nの絶縁性窒化物保護膜とにより、薄型で全体がフィルム状のフレキシブル温度センサとなる。したがって、フレキシブル性により、曲面等への設置も可能になり、設置自由度を大幅に向上させることができる。
A temperature sensor according to a sixth aspect of the present invention is the temperature sensor according to any one of the first to fifth aspects, wherein the insulating base is an insulating film.
That is, in this temperature sensor, since the insulating base material is an insulating film, the insulating base material of the flexible insulating film, the flexible thin film thermistor portion of MAN, and the crystalline Al-N Alternatively, a thin and film-like flexible temperature sensor is formed by the insulating crystalline M′-Al—N insulating nitride protective film. Therefore, the flexibility enables installation on a curved surface or the like, and the degree of installation freedom can be greatly improved.
第7の発明に係る温度センサの製造方法は、第1から第6の発明のいずれかに記載の温度センサを製造する方法であって、絶縁性基材上に薄膜サーミスタ部をスパッタリングにより形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向して前記薄膜サーミスタ部の下又は上に一対のパターン電極をパターン形成するパターン電極形成工程と、前記薄膜サーミスタ部上に絶縁性窒化物保護膜をスパッタリングにより形成する保護膜形成工程とを有し、前記保護膜形成工程が、前記スパッタリングの前に逆スパッタを行うことを特徴とする。
すなわち、この温度センサの製造方法では、保護膜形成工程が、スパッタリングの前に逆スパッタを行うので、スパッタリング後の薄膜サーミスタ部表面の自然酸化膜等を除去して、酸化の影響がなく、高い密着性を有した良質な絶縁性窒化物保護膜を形成することができる。
A temperature sensor manufacturing method according to a seventh invention is a method for manufacturing the temperature sensor according to any one of the first to sixth inventions, wherein a thin film thermistor portion is formed on an insulating substrate by sputtering. A thin film thermistor portion forming step, a pattern electrode forming step of patterning a pair of pattern electrodes under or above the thin film thermistor portion, and an insulating nitride protective film formed on the thin film thermistor portion by sputtering A protective film forming step, wherein the protective film forming step performs reverse sputtering before the sputtering.
That is, in this temperature sensor manufacturing method, since the protective film forming step performs reverse sputtering before sputtering, the natural oxide film on the surface of the thin film thermistor part after sputtering is removed, and there is no influence of oxidation and is high A high-quality insulating nitride protective film having adhesiveness can be formed.
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサ及びその製造方法によれば、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上に形成された絶縁性窒化物保護膜を備えるので、互いに窒化物である薄膜サーミスタ部と絶縁性窒化物保護膜との高い密着性が得られると共に、窒化物の保護膜によりポリイミド樹脂よりも高い耐熱性を得ることができる。したがって、薄膜サーミスタ部と絶縁性窒化物保護膜との界面の転位も小さくなり、剥離もし難いので、高温環境等での使用が可能になり高い信頼性が得られる。
The present invention has the following effects.
That is, according to the temperature sensor and the manufacturing method thereof according to the present invention, since the insulating nitride protective film formed on the thin film thermistor portion formed of the metal nitride material for the thermistor is provided, the thin films that are nitrided with each other High adhesion between the thermistor portion and the insulating nitride protective film can be obtained, and higher heat resistance than that of the polyimide resin can be obtained by the nitride protective film. Therefore, dislocations at the interface between the thin film thermistor portion and the insulating nitride protective film are also reduced and are not easily peeled off, and can be used in a high-temperature environment and high reliability can be obtained.
以下、本発明に係る温度センサ及びその製造方法における第1実施形態を、図1及び図2を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。 Hereinafter, a first embodiment of a temperature sensor and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Note that in some of the drawings used for the following description, the scale is appropriately changed as necessary to make each part recognizable or easily recognizable.
本実施形態の温度センサ1は、フィルム型サーミスタセンサであって、図1に示すように、絶縁性基材2と、絶縁性基材2上に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3と、互いに対向して薄膜サーミスタ部3の下にパターン形成された一対のパターン電極4と、薄膜サーミスタ部3上に形成された絶縁性窒化物保護膜5とを備えている。 The temperature sensor 1 of this embodiment is a film type thermistor sensor, and as shown in FIG. 1, an insulating base material 2 and a thin film thermistor formed of a metal nitride material for the thermistor on the insulating base material 2. A portion 3, a pair of pattern electrodes 4 formed under the thin film thermistor portion 3 so as to face each other, and an insulating nitride protective film 5 formed on the thin film thermistor portion 3 are provided.
上記薄膜サーミスタ部3と絶縁性窒化物保護膜5との結晶構造は、同じ六方晶系のウルツ鉱型の単相であり、薄膜サーミスタ部3が、サーミスタ特性を有するM−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であって、絶縁性窒化物保護膜5が、結晶性Al−N又は絶縁性の結晶性M’−Al−N(但し、M’はTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示す。)である。なお、Aは、Al又は(Al及びSi)、すなわちAlか、Al及びSiであって、少なくともAlを含む。
特に、本実施形態では、薄膜サーミスタ部3として、サーミスタ特性を有するTi−Al−Nを採用し、絶縁性窒化物保護膜5として、結晶性Al−N又は絶縁性の結晶性Ti−Al−Nを採用している。なお、絶縁性の結晶性Ti−Al−Nは、サーミスタ特性を有するTi−Al−Nよりも、組成比Al/(Al+Ti)を十分に大きくすることで、きわめて高い絶縁性が実現される。
The crystal structure of the thin film thermistor portion 3 and the insulating nitride protective film 5 is the same hexagonal wurtzite type single phase, and the thin film thermistor portion 3 has a thermistor characteristic M-A-N (however, , M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, and A represents Al or (Al and Si).), And the insulating nitride protective film 5 Is crystalline Al—N or insulating crystalline M′—Al—N (where M ′ represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu). . A is Al or (Al and Si), that is, Al, Al and Si, and includes at least Al.
In particular, in the present embodiment, Ti—Al—N having thermistor characteristics is employed as the thin film thermistor portion 3, and crystalline Al—N or insulating crystalline Ti—Al— is employed as the insulating nitride protective film 5. N is adopted. Note that insulating crystalline Ti—Al—N achieves a very high insulating property by sufficiently increasing the composition ratio Al / (Al + Ti) as compared to Ti—Al—N having thermistor characteristics.
なお、絶縁性窒化物保護膜5が、絶縁性の結晶性M’−Al−N(但し、M’はTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示す。)の場合、薄膜サーミスタ部3のサーミスタ特性を有するM−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)よりも抵抗値が1000倍以上であることが好ましい。なお、絶縁性の結晶性M’−Al−Nの組成比Al/(Al+M’)を、サーミスタ特性を有するM−A−Nの組成比A/(A+M)よりも、十分に大きくすることで、きわめて高い絶縁性が実現される。このように、絶縁性窒化物保護膜5は、その抵抗値が薄膜サーミスタ部3の1000倍以上であれば、薄膜サーミスタ部3に対して十分高い絶縁性を有した保護膜として機能し、薄膜サーミスタ部3のサーミスタ特性に影響を与えない。 The insulating nitride protective film 5 has an insulating crystalline M′-Al—N (where M ′ represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu). ) M-A-N having the thermistor characteristics of the thin film thermistor section 3 (where M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and A represents Al or (Indicating Al and Si) The resistance value is preferably 1000 times or more. Note that the composition ratio Al / (Al + M ′) of the insulating crystalline M′-Al—N is sufficiently larger than the composition ratio A / (A + M) of M−A−N having thermistor characteristics. Extremely high insulation is achieved. Thus, if the resistance value of the insulating nitride protective film 5 is 1000 times or more that of the thin film thermistor part 3, the insulating nitride protective film 5 functions as a protective film having sufficiently high insulation with respect to the thin film thermistor part 3. The thermistor characteristics of the thermistor section 3 are not affected.
本実施形態では、薄膜サーミスタ部3が、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。
また、この薄膜サーミスタ部3は、膜状に形成され、前記膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶である。さらに、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸が強く配向していることが好ましい。薄膜サーミスタ部3のc軸配向度が高いことにより、その薄膜サーミスタ部3上に成膜される結晶性Al−N又は絶縁性の結晶性M’−Al−N(但し、M’はTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示す。)もc軸配向度が向上し、より格子整合度が高くなることで、より密着性の高い絶縁性窒化物保護膜5が形成される。
In the present embodiment, the thin film thermistor portion 3 has the general formula: in Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95,0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1) It consists of the metal nitride shown, and its crystal structure is a single phase of hexagonal wurtzite type.
The thin film thermistor portion 3 is a columnar crystal formed in a film shape and extending in a direction perpendicular to the surface of the film. Further, it is preferable that the c-axis is oriented more strongly than the a-axis in the direction perpendicular to the film surface. Since the c-axis orientation degree of the thin film thermistor portion 3 is high, crystalline Al—N or insulating crystalline M′—Al—N (where M ′ is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu are also shown.) The c-axis orientation degree is improved and the lattice matching degree is increased, so that insulating nitride protection with higher adhesion can be achieved. A film 5 is formed.
上記絶縁性基材2は、絶縁性フィルムであり、例えばポリイミド樹脂シートで形成されている。なお、絶縁性フィルムとしては、他にPET:ポリエチレンテレフタレート,PEN:ポリエチレンナフタレート、LCP(Liquid Crystal Polymer 液晶ポリマー)等でも構わない。
上記一対のパターン電極4は、互いに対向方向に延在した複数の櫛部4aを有している。
このパターン電極4は、絶縁性基材2上に形成されたCrの接合層と、薄膜サーミスタ部3及び絶縁性窒化物保護膜5の外部であって露出した部分のCr接合層上に形成されたAu等の貴金属の電極層とで構成されている。すなわち、本実施形態では、薄膜サーミスタ部3の下にパターン電極4のCr接合層が形成されている。
The said insulating base material 2 is an insulating film, for example, is formed with the polyimide resin sheet. The insulating film may be PET: polyethylene terephthalate, PEN: polyethylene naphthalate, LCP (Liquid Crystal Polymer liquid crystal polymer), or the like.
The pair of pattern electrodes 4 has a plurality of comb portions 4a extending in the opposing direction.
The pattern electrode 4 is formed on the Cr bonding layer formed on the insulating base material 2 and on the exposed Cr bonding layer outside the thin film thermistor portion 3 and the insulating nitride protective film 5. And a noble metal electrode layer such as Au. That is, in this embodiment, the Cr bonding layer of the pattern electrode 4 is formed under the thin film thermistor portion 3.
この温度センサ1の製造方法について、図2を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ1の製造方法は、互いに対向して絶縁性基材2の上(薄膜サーミスタ部3の下)に一対のパターン電極4をパターン形成するパターン電極形成工程と、絶縁性基材2及びパターン電極4の上に薄膜サーミスタ部3をスパッタリングにより形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、薄膜サーミスタ部3上に絶縁性窒化物保護膜5をスパッタリングにより形成する保護膜形成工程とを有している。
なお、保護膜形成工程では、絶縁性窒化物保護膜5のスパッタリングの前に逆スパッタを行っている。
A manufacturing method of the temperature sensor 1 will be described below with reference to FIG.
The manufacturing method of the temperature sensor 1 according to the present embodiment includes a pattern electrode forming step of patterning a pair of pattern electrodes 4 on the insulating base material 2 (under the thin film thermistor portion 3) facing each other, and an insulating group A thin film thermistor portion forming step for forming the thin film thermistor portion 3 on the material 2 and the pattern electrode 4 by sputtering, and a protective film forming step for forming the insulating nitride protective film 5 on the thin film thermistor portion 3 by sputtering. doing.
In the protective film forming step, reverse sputtering is performed before the insulating nitride protective film 5 is sputtered.
より具体的な製造方法の例としては、図2の(a)に示す厚さ50μmのポリイミドフィルムの絶縁性基材2上に、パターン電極4のCr接合層を膜厚20nm形成し、さらにその上にAuの電極層を膜厚20nm形成する。これらのスパッタ条件は、到達真空度4.0×10−5Pa、スパッタガス圧0.1Pa、ターゲット投入電力(出力)はCrの接合層が300W、Auの電極層が100Wで、Arガス雰囲気下において行った。 As a more specific example of the manufacturing method, the Cr bonding layer of the pattern electrode 4 is formed to a thickness of 20 nm on the insulating substrate 2 of the polyimide film having a thickness of 50 μm shown in FIG. An Au electrode layer is formed thereon with a thickness of 20 nm. These sputtering conditions are: ultimate vacuum 4.0 × 10 −5 Pa, sputtering gas pressure 0.1 Pa, target input power (output) is 300 W for Cr bonding layer, 100 W for Au electrode layer, Ar gas atmosphere Went below.
次に、成膜したAuの電極層上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、110℃で1分30秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃5分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のAuエッチャント及びCrエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望のパターン電極4を形成する。 Next, after applying a resist solution on the deposited Au electrode layer with a spin coater, pre-baking was performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, and after exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions were removed with a developer, and 150 ° C. Patterning is performed by post-baking for 5 minutes. Thereafter, unnecessary electrode portions are wet-etched in the order of commercially available Au etchant and Cr etchant, and a desired pattern electrode 4 is formed by resist stripping.
次に、パターン電極4のCr接合層及び絶縁性基材2上に、Ti−Al合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、Ti−Al−N(Al/(Al+Ti)比=0.85)の薄膜サーミスタ部3を膜厚200nmで成膜する。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0.2Pa、ターゲット投入電力(出力)200Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を30%で作製した。
このように、M−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)の薄膜サーミスタ部3は、M−A合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて成膜する。
Next, a Ti—Al—N (Al / (Al + Ti) film is formed on the Cr bonding layer of the pattern electrode 4 and the insulating substrate 2 by a reactive sputtering method in a nitrogen-containing atmosphere using a Ti—Al alloy sputtering target. ) Ratio = 0.85) of the thin film thermistor portion 3 is formed with a film thickness of 200 nm. The sputtering conditions at that time were an ultimate vacuum of 4 × 10 −5 Pa, a sputtering gas pressure of 0.2 Pa, a target input power (output) of 200 W, and a nitrogen gas fraction of 30 in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas. %.
Thus, M-A-N (wherein M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and A represents Al or (Al and Si).) The thin film thermistor portion 3 is formed by reactive sputtering using a MA alloy sputtering target in a nitrogen-containing atmosphere.
次に、成膜した薄膜サーミスタ部3の上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、110℃で1分30秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃で5分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な薄膜サーミスタ部3の部分を市販のエッチャントでウェットエッチングを行い、図2の(b)に示すように、レジスト剥離にて所望の薄膜サーミスタ部3を形成する。 Next, after a resist solution is applied on the thin film thermistor portion 3 formed with a spin coater, pre-baking is performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, and after exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions are removed with a developer. Patterning is performed by post-baking at 5 ° C. for 5 minutes. Thereafter, the unnecessary thin film thermistor portion 3 is wet-etched with a commercially available etchant to form a desired thin film thermistor portion 3 by resist stripping as shown in FIG.
次に、薄膜サーミスタ部3表面上の自然酸化膜等を除去する。酸化膜除去工程として逆スパッタによるプラズマ表面処理を行うことが好ましい。具体的には、絶縁性窒化物成膜工程のスパッタ前に、基材側に電力を印加することにより、薄膜サーミスタ部3表面に形成されている表面酸化膜(自然酸化膜等の汚染膜)を逆スパッタにより除去する。
この際の逆スパッタ条件は、例えば到達真空度:4×10−5Pa、ターゲット印加電力:50Wで、Arガス雰囲気下において30分間とする。なお、逆スパッタ時に用いられるガス種は、窒素ガス、Arガスと窒素ガスとの混合ガスを用いてもよい。
Next, the natural oxide film on the surface of the thin film thermistor portion 3 is removed. It is preferable to perform plasma surface treatment by reverse sputtering as the oxide film removal step. Specifically, a surface oxide film (contaminated film such as a natural oxide film) formed on the surface of the thin film thermistor portion 3 by applying electric power to the substrate side before sputtering in the insulating nitride film forming step. Are removed by reverse sputtering.
The reverse sputtering conditions at this time are, for example, ultimate vacuum: 4 × 10 −5 Pa, target applied power: 50 W, and 30 minutes in an Ar gas atmosphere. Note that the gas species used during reverse sputtering may be nitrogen gas or a mixed gas of Ar gas and nitrogen gas.
上記逆スパッタの酸化膜除去工程後、さらにスパッタリングによりAl−N又は絶縁性Ti−Al−Nの絶縁性窒化物保護膜5を薄膜サーミスタ部3上に形成する。
結晶性Al−Nの場合、Alスパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、結晶性Al−Nの絶縁性窒化物保護膜5を膜厚500nmで成膜する。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0.2Pa、ターゲット投入電力(出力)200Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を35%で作製した。
また、絶縁性の結晶性Ti−Al−Nの場合、サーミスタ特性を有する結晶性Ti−Al−Nよりも、組成比Al/(Al+Ti)を十分に大きくするのが好ましい。具体的には、Ti−Al合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、Ti−Al−N(Al/(Al+Ti)比=0.97)の絶縁性窒化物保護膜5を膜厚200nmで成膜する。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0.25Pa、ターゲット投入電力(出力)200Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を30%で作製した。
このように、絶縁性の結晶性M’−Al−N(但し、M’はTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示す。)の絶縁性窒化物保護膜5は、M’−Al合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて成膜する。
After the reverse sputtering oxide film removing step, an insulating nitride protective film 5 of Al—N or insulating Ti—Al—N is further formed on the thin film thermistor portion 3 by sputtering.
In the case of crystalline Al—N, an insulating nitride protective film 5 of crystalline Al—N is formed to a thickness of 500 nm by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using an Al sputtering target. The sputtering conditions at that time were an ultimate vacuum of 4 × 10 −5 Pa, a sputtering gas pressure of 0.2 Pa, a target input power (output) of 200 W, and a nitrogen gas fraction of 35 in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas. %.
In the case of insulating crystalline Ti—Al—N, the composition ratio Al / (Al + Ti) is preferably sufficiently larger than crystalline Ti—Al—N having thermistor characteristics. Specifically, an insulating nitride protective film of Ti—Al—N (Al / (Al + Ti) ratio = 0.97) is formed by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a Ti—Al alloy sputtering target. 5 is formed with a film thickness of 200 nm. The sputtering conditions at that time were an ultimate vacuum of 4 × 10 −5 Pa, a sputtering gas pressure of 0.25 Pa, a target input power (output) of 200 W, and a nitrogen gas fraction of 30 in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas. %.
Thus, insulating nitride protection of insulating crystalline M′-Al—N (where M ′ represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu). The film 5 is formed by reactive sputtering using a M′-Al alloy sputtering target in a nitrogen-containing atmosphere.
なお、複数の温度センサ1を同時に作製する場合、絶縁性基材2の大判シートに複数のパターン電極4、薄膜サーミスタ部3及び絶縁性窒化物保護膜5を上述のように形成した後に、大判シートから各温度センサ1に切断する。
このようにして、例えばサイズを1.0×0.5mm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の温度センサ1が得られる。
In the case where a plurality of temperature sensors 1 are manufactured at the same time, after forming the plurality of pattern electrodes 4, the thin film thermistor portion 3 and the insulating nitride protective film 5 on the large sheet of the insulating base material 2 as described above, The temperature sensor 1 is cut from the sheet.
In this way, for example, a temperature sensor 1 of a thin film type thermistor sensor having a size of 1.0 × 0.5 mm and a thickness of 0.1 mm is obtained.
このように本実施形態の温度センサ1では、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3上に形成された絶縁性窒化物保護膜5を備えているので、互いに窒化物である薄膜サーミスタ部3と絶縁性窒化物保護膜5との高い密着性が得られると共に、窒化物の絶縁性窒化物保護膜5によりポリイミド樹脂よりも高い耐熱性を得ることができる。 As described above, the temperature sensor 1 according to this embodiment includes the insulating nitride protective film 5 formed on the thin film thermistor portion 3 formed of the metal nitride material for the thermistor. High adhesion between the thermistor portion 3 and the insulating nitride protective film 5 can be obtained, and higher heat resistance than that of the polyimide resin can be obtained by the insulating nitride protective film 5 made of nitride.
また、薄膜サーミスタ部3と絶縁性窒化物保護膜5との結晶構造が、同じ六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、互いに格子整合度が高く、さらに高い密着性を確保することができる。
特に、薄膜サーミスタ部3が、六方晶系のウルツ鉱型のM−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、絶縁性窒化物保護膜5が、六方晶系のウルツ鉱型の結晶性Al−Nである場合、同じ上記結晶構造の結晶性Al−NとM−A−N窒化物との積層になり、互いに格子整合度が高いので、Al−N/M−A−Nの界面において、絶縁性窒化物保護膜5の結晶性Al−Nの結晶格子が薄膜サーミスタ部3のM−A−Nの結晶格子へ与える影響が小さく、その結果、電子構造の変化が極めて小さくなるので、保護膜形成によるM−A−Nの薄膜サーミスタ部3のサーミスタ特性変化を抑制することができる。
Further, since the crystal structure of the thin film thermistor portion 3 and the insulating nitride protective film 5 is the same hexagonal wurtzite type single phase, the lattice matching degree is high with each other, and higher adhesion is ensured. Can do.
In particular, the thin film thermistor portion 3 is a hexagonal wurtzite type MAN (where M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and A Represents Al or (Al and Si)), and when the insulating nitride protective film 5 is a hexagonal wurtzite crystalline Al-N, the crystalline Al- N and M-A-N nitride are laminated and have a high degree of lattice matching with each other. Therefore, at the Al-N / M-A-N interface, the crystalline Al-N of the insulating nitride protective film 5 is formed. The influence of the crystal lattice on the M-A-N crystal lattice of the thin film thermistor section 3 is small, and as a result, the change in the electronic structure is extremely small. The thermistor characteristic change can be suppressed.
また、薄膜サーミスタ部3が、六方晶系のウルツ鉱型のサーミスタ特性を有するM−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、絶縁性窒化物保護膜5が、六方晶系のウルツ鉱型の結晶構造を有する絶縁性の結晶性M’−Al−N(但し、M’はTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示す。)である場合、同じ上記結晶構造のM−A−NとM’−Al−Nとの積層になり、互いに格子整合度が高いので、絶縁性窒化物保護膜5と薄膜サーミスタ部3との界面において、絶縁性窒化物保護膜5の結晶性M’−Al−Nの結晶格子が薄膜サーミスタ部3のM−A−Nの結晶格子へ与える影響が非常に小さく、その結果、電子構造の変化が極めて小さくなるので、保護膜形成によるM−A−Nの薄膜サーミスタ部3のサーミスタ特性変化をさらに抑制することができる。なお、M=M’、すなわち上記M元素と上記M’元素とが同一である場合(例えば、M=M’=Ti)、特に互いの格子整合度が高くなる。 Further, the thin film thermistor portion 3 has a hexagonal wurtzite type thermistor characteristic MAN (where M is at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu). And A represents Al or (Al and Si).) And the insulating nitride protective film 5 has an insulating crystalline M′-Al— having a hexagonal wurtzite crystal structure. In the case of N (where M ′ represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu), M-A-N and M′-Al— having the same crystal structure are used. N is laminated and has a high degree of lattice matching with each other. Therefore, at the interface between the insulating nitride protective film 5 and the thin film thermistor portion 3, the crystalline M′-Al—N crystal of the insulating nitride protective film 5 The effect of the lattice on the M-A-N crystal lattice of the thin film thermistor section 3 is very small. Ku, as a result, the change in the electronic structure is extremely small, it is possible to further suppress the thermistor characteristic change of the thin film thermistor portion 3 of M-A-N by the protective film formation. Note that, when M = M ′, that is, when the M element and the M ′ element are the same (for example, M = M ′ = Ti), the degree of lattice matching is particularly high.
さらに、絶縁性基材2が、絶縁性フィルムであるので、柔軟な絶縁性フィルムの絶縁性基材2と柔軟性のあるM−A−Nの薄膜サーミスタ部3及び結晶性Al−N又は絶縁性の結晶性M’−Al−Nの絶縁性窒化物保護膜5とにより、薄型で全体がフィルム状のフレキシブル温度センサとなる。したがって、フレキシブル性により、曲面等への設置も可能になり、設置自由度を大幅に向上させることができる。 Furthermore, since the insulating base material 2 is an insulating film, the insulating base material 2 of a flexible insulating film and the flexible thin film thermistor portion 3 of M-A-N and crystalline Al-N or insulating With the crystalline nitride M′-Al—N insulating nitride protective film 5, a thin and film-like flexible temperature sensor is formed. Therefore, the flexibility enables installation on a curved surface or the like, and the degree of installation freedom can be greatly improved.
また、本実施形態の温度センサ1の製造方法では、保護膜形成工程が、スパッタリングの前に逆スパッタを行うので、スパッタリング後の薄膜サーミスタ部3表面の自然酸化膜等を除去して、酸化の影響が無く、高い密着性を有した良質な絶縁性窒化物保護膜5を形成することができる。 Moreover, in the manufacturing method of the temperature sensor 1 of this embodiment, since the protective film forming step performs reverse sputtering before sputtering, the natural oxide film or the like on the surface of the thin film thermistor portion 3 after sputtering is removed, and oxidation is performed. It is possible to form a high-quality insulating nitride protective film 5 having no influence and high adhesion.
次に、本発明に係る温度センサ及びその製造方法の第2実施形態について、図3及び図4を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。 Next, a second embodiment of the temperature sensor and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to FIGS. Note that, in the following description of the embodiment, the same components described in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、パターン電極4が絶縁性基材2の上、すなわち薄膜サーミスタ部3の下に形成されているのに対し、第2実施形態の温度センサ21では、図3及び図4に示すように、パターン電極4が薄膜サーミスタ部3の上に形成されている点である。
また、第2実施形態では、絶縁性窒化物保護膜5がパターン電極4も覆って薄膜サーミスタ部3上に形成されている点でも第1実施形態と異なっている。しかし、パターン電極4で覆われていない部分においては、薄膜サーミスタ部3上に絶縁性窒化物保護膜5が形成されている点における技術的相違点はない。
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that, in the first embodiment, the pattern electrode 4 is formed on the insulating substrate 2, that is, below the thin film thermistor portion 3. The temperature sensor 21 of the second embodiment is that the pattern electrode 4 is formed on the thin film thermistor portion 3 as shown in FIGS. 3 and 4.
The second embodiment is also different from the first embodiment in that the insulating nitride protective film 5 is formed on the thin film thermistor portion 3 so as to cover the pattern electrode 4. However, there is no technical difference in that the insulating nitride protective film 5 is formed on the thin film thermistor portion 3 in the portion not covered with the pattern electrode 4.
すなわち、第2実施形態の温度センサ21の製造方法では、図4の(a)に示すように、絶縁性基材2上に薄膜サーミスタ部3をスパッタリングにより形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、図4の(b)に示すように、互いに対向して薄膜サーミスタ部3の上に一対のパターン電極4をパターン形成するパターン電極形成工程と、図4の(c)に示すように、パターン電極4及び薄膜サーミスタ部3の上に絶縁性窒化物保護膜5をスパッタリングにより形成する保護膜形成工程とを有している。 That is, in the manufacturing method of the temperature sensor 21 of the second embodiment, as shown in FIG. 4A, a thin film thermistor part forming step of forming the thin film thermistor part 3 on the insulating substrate 2 by sputtering, 4 (b), a pattern electrode forming step of patterning a pair of pattern electrodes 4 on the thin film thermistor portion 3 so as to face each other, and a pattern electrode 4 as shown in FIG. 4 (c). And a protective film forming step of forming an insulating nitride protective film 5 on the thin film thermistor portion 3 by sputtering.
なお、上記各工程における各膜の製法及び製造条件は、第1実施形態で記載のものと同様である。
したがって、第2実施形態の温度センサ21では、第1実施形態と同様に、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3上に形成された絶縁性窒化物保護膜5を備えているので、互いに窒化物である薄膜サーミスタ部3と絶縁性窒化物保護膜5との高い密着性が得られると共に、窒化物の保護膜5によりポリイミド樹脂よりも高い耐熱性を得ることができる。
In addition, the manufacturing method and manufacturing conditions of each film | membrane in each said process are the same as that of what was described in 1st Embodiment.
Therefore, the temperature sensor 21 of the second embodiment includes the insulating nitride protective film 5 formed on the thin film thermistor portion 3 formed of the thermistor metal nitride material, as in the first embodiment. Therefore, high adhesion between the thin film thermistor portion 3 and the insulating nitride protective film 5 which are nitrides can be obtained, and higher heat resistance than that of the polyimide resin can be obtained by the nitride protective film 5.
第2実施形態の温度センサ21について、結晶性Al−Nの絶縁性窒化物保護膜5の膜厚を変えて作製し、これらを25℃及び50℃の抵抗値を恒温槽内で測定すると共に、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。なお、作製した温度センサ21は、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。また、表1では、絶縁性窒化物保護膜5をAl−N保護膜と記載している。 The temperature sensor 21 of the second embodiment is manufactured by changing the film thickness of the crystalline Al—N insulating nitride protective film 5 and measuring the resistance values at 25 ° C. and 50 ° C. in a constant temperature bath. The B constant was calculated from the resistance values at 25 ° C. and 50 ° C. The results are shown in Table 1. It has been confirmed that the manufactured temperature sensor 21 is a thermistor having a negative temperature characteristic from resistance values of 25 ° C. and 50 ° C. In Table 1, the insulating nitride protective film 5 is described as an Al—N protective film.
なお、本発明におけるB定数算出方法は、上述したように25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から以下の式によって求めている。
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
In addition, the B constant calculation method in this invention is calculated | required by the following formula | equation from each resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC as mentioned above.
B constant (K) = ln (R25 / R50) / (1 / T25-1 / T50)
R25 (Ω): resistance value at 25 ° C. R50 (Ω): resistance value at 50 ° C. T25 (K): 298.15K 25 ° C. is displayed as an absolute temperature T50 (K): 323.15K 50 ° C. is displayed as an absolute temperature
上記測定結果から、Ti−Al−N膜上に、Al−N絶縁窒化物膜(絶縁性窒化物保護膜5)が成膜されても、抵抗値、B定数が殆ど変化していないことがわかる。結晶性Al−N、Ti−Al−Nはともに六方晶系のウルツ鉱型結晶構造をもち、互いに格子整合度が高いので、Al−N/Ti−Al−Nの界面において、絶縁性窒化物保護膜5の結晶性Al−Nの結晶格子が薄膜サーミスタ部3のTi−Al−Nの結晶格子へ与える影響が小さく、その結果、電子構造の変化が極めて小さくなるので、保護膜形成によるTi−Al−Nの薄膜サーミスタ部3のサーミスタ特性変化を抑制することができる。 From the above measurement results, even when an Al—N insulating nitride film (insulating nitride protective film 5) is formed on the Ti—Al—N film, the resistance value and the B constant hardly change. Recognize. Crystalline Al-N and Ti-Al-N both have a hexagonal wurtzite crystal structure and a high degree of lattice matching with each other, so that an insulating nitride is present at the Al-N / Ti-Al-N interface. The influence of the crystalline Al—N crystal lattice of the protective film 5 on the Ti—Al—N crystal lattice of the thin film thermistor portion 3 is small, and as a result, the change in the electronic structure becomes extremely small. -Thermistor characteristic change of the Al-N thin film thermistor part 3 can be suppressed.
また、第2実施形態は、Ti−Al−N膜上にパターン電極4が形成されているので、トリミングによる抵抗値調整が可能である。絶縁性窒化物保護膜5の結晶性Al−Nを形成しても、Ti−Al−N薄膜のサーミスタ特性変化が抑制されているので、結晶性Al−N薄膜は、抵抗値調整後のTi−Al−N薄膜のサーミスタ素子への絶縁性保護膜形成に適した薄膜材料である。 In the second embodiment, since the pattern electrode 4 is formed on the Ti—Al—N film, the resistance value can be adjusted by trimming. Even if the crystalline Al—N of the insulating nitride protective film 5 is formed, the change in the thermistor characteristic of the Ti—Al—N thin film is suppressed. -A thin film material suitable for forming an insulating protective film on an Al-N thin film thermistor element.
次に、本発明に係る温度センサ及びその製造方法について、上記実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を、図5から図20を参照して具体的に説明する。 Next, the results of evaluating the temperature sensor according to the present invention and the method for manufacturing the same according to the example manufactured based on the above embodiment will be specifically described with reference to FIGS.
<膜評価用素子の作製>
本発明の実施例及び比較例として、図1に示す温度センサを膜評価用素子として次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、組成比Al/(Ti+Al)=0.85としたTi−Al合金ターゲットを用いて、熱酸化膜(SiO2)付きSi基板の基材2上にサーミスタ特性を有するTi−Al−N膜(薄膜サーミスタ部3)を膜厚100nm形成し、さらにこの上に結晶性Al−N膜(絶縁性窒化物保護膜5)を膜厚500nm形成した実施例1を作製した。
また、ポリイミド基板の基材2上に実施例1と同様にサーミスタ特性を有するTi−Al−N膜(薄膜サーミスタ部3)を形成し、この上に組成比Al/(Ti+Al)=0.97としたTi−Al合金ターゲットを用いて、絶縁性の結晶性Ti−Al−N膜(絶縁性窒化物保護膜5)を膜厚200nm形成した実施例2を作製した。
なお、結晶性Al−N膜(絶縁性窒化物保護膜5)、および、組成比Al/(Ti+Al)=0.97をもつ結晶性Ti−Al−N膜(絶縁性窒化物保護膜5)は、組成比Al/(Ti+Al)=0.85をもつサーミスタ特性を有するTi−Al−N膜(薄膜サーミスタ部3)より、1000倍以上の比抵抗を持つことを確認しており、薄膜サーミスタ部3に対して十分高い絶縁性を有した保護膜として機能し、薄膜サーミスタ部3のサーミスタ特性に影響を与えないことを確認している。
<Production of film evaluation element>
As examples and comparative examples of the present invention, the temperature sensor shown in FIG. 1 was fabricated as a film evaluation element as follows.
First, a thermistor characteristic is formed on a substrate 2 of a Si substrate with a thermal oxide film (SiO 2 ) by using a Ti—Al alloy target having a composition ratio of Al / (Ti + Al) = 0.85 by reactive sputtering. Example 1 in which a Ti—Al—N film (thin film thermistor portion 3) having a thickness of 100 nm was formed and a crystalline Al—N film (insulating nitride protective film 5) was formed thereon to a thickness of 500 nm was produced. did.
Further, a Ti—Al—N film (thin film thermistor portion 3) having thermistor characteristics is formed on the base material 2 of the polyimide substrate, and the composition ratio Al / (Ti + Al) = 0.97 is formed thereon. Example 2 in which an insulating crystalline Ti—Al—N film (insulating nitride protective film 5) was formed to a thickness of 200 nm was produced using the Ti—Al alloy target described above.
A crystalline Al—N film (insulating nitride protective film 5) and a crystalline Ti—Al—N film having a composition ratio of Al / (Ti + Al) = 0.97 (insulating nitride protective film 5) Has confirmed that it has a specific resistance of 1000 times or more than that of a Ti-Al-N film (thin film thermistor part 3) having thermistor characteristics with a composition ratio of Al / (Ti + Al) = 0.85. It has been confirmed that it functions as a protective film having sufficiently high insulation with respect to the portion 3 and does not affect the thermistor characteristics of the thin film thermistor portion 3.
上記実施例1では、薄膜サーミスタ部3の成膜後にAr逆スパッタにより表面処理を行い、その後に結晶性Al−N膜の絶縁性窒化物保護膜5を連続成膜した。
なお、連続成膜とは、表面処理後に薄膜サーミスタ部3の表面酸化を防ぐため、大気開放することなく、表面処理後、同一の成膜装置内にて直ちに絶縁性窒化物保護膜5を成膜することを意味する。
In Example 1, the surface treatment was performed by Ar reverse sputtering after the thin film thermistor portion 3 was formed, and then the insulating nitride protective film 5 of a crystalline Al—N film was continuously formed.
In the continuous film formation, in order to prevent surface oxidation of the thin film thermistor portion 3 after the surface treatment, the insulating nitride protective film 5 is immediately formed in the same film formation apparatus after the surface treatment without opening to the atmosphere. It means to film.
また、上記実施例2では、薄膜サーミスタ部3の成膜後に大気開放した後、Ar逆スパッタにより表面処理を行い、その後に絶縁性の結晶性Ti−Al−N膜の絶縁性窒化物保護膜5を成膜した。
なお、比較例1として、組成比Al/(Ti+Al)=0.85としたTi−Al合金ターゲットを用いて、熱酸化膜(SiO2)付きSi基板の基材2上にサーミスタ特性を有するTi−Al−N膜(薄膜サーミスタ部3)を膜厚100nm形成し、絶縁性窒化物保護膜5を成膜しないものも作製した。
In Example 2, after the thin film thermistor portion 3 is formed and opened to the atmosphere, surface treatment is performed by Ar reverse sputtering, and then an insulating nitride protective film of an insulating crystalline Ti—Al—N film is formed. 5 was deposited.
As Comparative Example 1, a Ti-Al alloy target having a composition ratio of Al / (Ti + Al) = 0.85 was used, and Ti having thermistor characteristics on the substrate 2 of the Si substrate with the thermal oxide film (SiO 2 ) was used. An Al—N film (thin film thermistor portion 3) having a thickness of 100 nm was formed, and an insulating nitride protective film 5 was not formed.
<電子線回折による結晶配向度の評価>
TEM(透過型電子顕微鏡)を用いて、比較例1及び実施例1,2の結晶配向度について解析を行った。比較例1の断面TEM像を図5に示すと共に、実施例1,2の断面TEM像を図6及び図7に示す。
また、比較例1におけるTi−Al−N膜断面の電子線回折像を図8に示す。さらに、実施例2における絶縁性窒化物保護膜5である絶縁性の結晶性Ti−Al−N膜断面の電子線回折像を図9の(a)に示すと共に、実施例2における薄膜サーミスタ部3であるサーミスタ特性を有するTi−Al−N膜と、絶縁性窒化物保護膜5である絶縁性の結晶性Ti−Al−N膜との両方を含む広範囲による電子線回折像を図9の(b)に示す。
また、これらの電子線回折像の上下方向は、基板面に垂直な方向、すなわちTi−Al−N膜の柱状結晶の成長方向と一致する。
<Evaluation of crystal orientation by electron diffraction>
The degree of crystal orientation in Comparative Example 1 and Examples 1 and 2 was analyzed using a TEM (transmission electron microscope). A cross-sectional TEM image of Comparative Example 1 is shown in FIG. 5, and cross-sectional TEM images of Examples 1 and 2 are shown in FIGS.
In addition, FIG. 8 shows an electron diffraction image of the cross section of the Ti—Al—N film in Comparative Example 1. Further, an electron diffraction image of the cross section of the insulating crystalline Ti—Al—N film, which is the insulating nitride protective film 5 in Example 2, is shown in FIG. 9A, and the thin film thermistor portion in Example 2 is used. 9 shows a wide range electron diffraction pattern including both the Ti—Al—N film having the thermistor characteristic 3 and the insulating crystalline Ti—Al—N film as the insulating nitride protective film 5. Shown in (b).
The vertical direction of these electron beam diffraction images coincides with the direction perpendicular to the substrate surface, that is, the growth direction of the columnar crystals of the Ti—Al—N film.
上記断面TEM像から、上記比較例及び実施例では、いずれも薄膜サーミスタ部3として緻密な柱状結晶化膜のTi−Al−N膜が形成され、高い結晶配向度を有していることがわかる。また、実施例1,2の両方とも、絶縁性窒化物保護膜5として緻密な柱状結晶化膜が形成され、高い結晶配向度を有していることがわかる。特に、ポリイミド基板上に成膜した実施例2においても、薄膜サーミスタ部3のTi−Al−N膜および絶縁性のTi−Al−N膜がそれぞれ緻密な柱状結晶化膜が形成されていることがわかる。
また、上記電子線回折像から、上記比較例及び実施例では、いずれも基板に垂直方向(図の上下方向)に、002と00−2との回折点が検出されていることから、基板に垂直な方向に、c軸配向度が高い結晶化膜が形成されていることがわかる。
特に実施例2は、薄膜サーミスタ部3の結晶性Ti−Al−N膜のAr逆スパッタによる表面処理を行っており、薄膜サーミスタ部3の結晶性Ti−Al−N膜上のごくわずかな表面酸化膜も除去されており、絶縁性窒化物保護膜5のTi−Al−N膜は、初期結晶成長時から、よりTi−Al−N膜結晶を窒化させることが可能であり、c軸結晶配向にきわめて優れ、結晶性の高い、絶縁性のTi−Al−N膜を得ることが可能である。
From the cross-sectional TEM images, it can be seen that in each of the comparative examples and examples, a dense columnar crystallized Ti—Al—N film is formed as the thin film thermistor portion 3 and has a high degree of crystal orientation. . In both Examples 1 and 2, it can be seen that a dense columnar crystallized film is formed as the insulating nitride protective film 5 and has a high degree of crystal orientation. In particular, in Example 2 formed on a polyimide substrate, a dense columnar crystallized film is formed in each of the Ti—Al—N film and the insulating Ti—Al—N film of the thin film thermistor portion 3. I understand.
Further, from the electron beam diffraction images, in the comparative example and the example, the diffraction points of 002 and 00-2 are detected in the direction perpendicular to the substrate (the vertical direction in the figure). It can be seen that a crystallized film having a high degree of c-axis orientation is formed in the vertical direction.
Particularly, in Example 2, the surface treatment by Ar reverse sputtering of the crystalline Ti—Al—N film of the thin film thermistor portion 3 is performed, and a very small surface on the crystalline Ti—Al—N film of the thin film thermistor portion 3 is obtained. The oxide film is also removed, and the Ti—Al—N film of the insulating nitride protective film 5 can further nitride the Ti—Al—N film crystal from the initial crystal growth, and the c-axis crystal It is possible to obtain an insulating Ti—Al—N film having excellent orientation and high crystallinity.
<X線回折による結晶配向性の評価>
次に、本発明の実施例はウルツ鉱型相の単相の膜であり、配向性が強いことから、薄膜サーミスタ部3上に垂直な方向(膜厚方向)の結晶軸においてa軸配向性とc軸配向性のどちらが強いか、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction)を用いて調査した。この際、結晶軸の配向性を調べるために、(100)(a軸配向を示すhkl指数)と(002)(c軸配向を示すhkl指数)とのピーク強度比を測定した。
<Evaluation of crystal orientation by X-ray diffraction>
Next, the embodiment of the present invention is a single-phase film of a wurtzite type phase, and since the orientation is strong, the a-axis orientation in the crystal axis in the direction perpendicular to the thin film thermistor portion 3 (film thickness direction). The c-axis orientation was investigated using Grazing Incidence X-ray Diffraction. At this time, the peak intensity ratio of (100) (hkl index indicating a-axis orientation) and (002) (hkl index indicating c-axis orientation) was measured in order to investigate the orientation of crystal axes.
なお、視斜角入射X線回折の条件は、管球をCuとし、入射角を1度とした。なお、図10は、熱酸化膜付Si基板上にAl/(Al+Ti)比=0.85のTi−Al−N単層膜(薄膜サーミスタ部)について調べたXRDプロファイルであり、図11は、熱酸化膜付Si基板上にAl/(Al+Ti)比=0.97のTi−Al−N単層膜(絶縁性窒化物保護膜)について調べたXRDプロファイルである。また、図12は、熱酸化膜Si基板上にAl/(Al+Ti)比=0.85のTi−Al−N膜(薄膜サーミスタ部)とAl/(Al+Ti)比=0.97の結晶性Ti−Al−N膜(絶縁性窒化物保護膜)とを積層した積層膜について調べたXRDプロファイルである。(なお、図10〜12中の(*)のピークは、熱酸化膜付Si基板に由来するピークであり、ウルツ鉱型の結晶相に対応するピークではない。)
また、図10から図12の上記各Ti−Al−N単層膜及びTi−Al−N積層膜について、入射角を0度とし、2θ=20〜100度の範囲で対称測定(一般的なθ−2θ測定)を実施した結果を、図13から図15に示す。
The oblique oblique incidence X-ray diffraction conditions were that the tube was Cu and the incident angle was 1 degree. FIG. 10 is an XRD profile obtained by examining a Ti—Al—N single layer film (thin film thermistor portion) having an Al / (Al + Ti) ratio = 0.85 on a Si substrate with a thermal oxide film. It is the XRD profile which investigated about the Ti-Al-N single layer film (insulating nitride protective film) of Al / (Al + Ti) ratio = 0.97 on Si substrate with a thermal oxide film. FIG. 12 shows a Ti—Al—N film (thin film thermistor portion) having an Al / (Al + Ti) ratio = 0.85 and a crystalline Ti having an Al / (Al + Ti) ratio = 0.97 on a thermal oxide film Si substrate. It is the XRD profile which investigated the laminated film which laminated | stacked -Al-N film | membrane (insulating nitride protective film). (Note that the peak of (*) in FIGS. 10 to 12 is a peak derived from the Si substrate with the thermal oxide film, and is not a peak corresponding to the wurtzite type crystal phase.)
Further, with respect to each of the Ti—Al—N single layer film and the Ti—Al—N laminated film shown in FIGS. 10 to 12, the incident angle is set to 0 degree, and symmetrical measurement is performed in the range of 2θ = 20 to 100 degrees (general The results of (θ-2θ measurement) are shown in FIGS.
これらの結果からわかるように、いずれの上記Ti−Al−N膜はいずれも、(100)ピークは検出されておらず、c軸配向性がきわめて強いことがわかる。特に、図12に示すサーミスタ特性を有する結晶性Ti−Al−N膜(薄膜サーミスタ部)と絶縁性の結晶性Ti−Al−N膜(絶縁性窒化物保護膜)との積層膜においても、c軸配向性がきわめて強いことがわかる。(なお、図13、図15中の33度近傍で検出される半値幅の小さいピークは、熱酸化膜付Si基板のSiに由来するピークである。) As can be seen from these results, in any of the above Ti—Al—N films, no (100) peak was detected, indicating that the c-axis orientation is extremely strong. In particular, also in the laminated film of the crystalline Ti—Al—N film (thin film thermistor portion) having the thermistor characteristics and the insulating crystalline Ti—Al—N film (insulating nitride protective film) shown in FIG. It can be seen that the c-axis orientation is extremely strong. (The peak with a small half-value width detected in the vicinity of 33 degrees in FIGS. 13 and 15 is a peak derived from Si of the Si substrate with a thermal oxide film.)
<結晶形態の評価>
次に、上記図10から図12の各Ti−Al−N単層膜及びTi−Al−N積層膜について、断面SEM写真を、図16から図18に示す。
これらの実施例のサンプルは、熱酸化膜付きSi基板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。
<Evaluation of crystal form>
Next, cross-sectional SEM photographs of the Ti—Al—N single layer film and the Ti—Al—N laminated film of FIGS. 10 to 12 are shown in FIGS.
The samples of these examples are obtained by cleaving and cleaving a Si substrate with a thermal oxide film. Moreover, it is the photograph which observed the inclination at an angle of 45 degrees.
これらの写真からわかるように、上記各Ti−Al−N単層膜及びTi−Al−N積層膜は共に緻密な柱状結晶で形成されている。すなわち、基板面に垂直な方向に柱状の結晶が成長している様子が観測されている。なお、柱状結晶の破断は、熱酸化膜付きSi基板をへき開破断した際に生じたものである。
柱状結晶のアスペクト比を(長さ)÷(粒径)として定義すると、上記各Ti−Al−N単層膜及びTi−Al−N積層膜は6以上の大きいアスペクト比をもっている。柱状結晶の粒径は10nm±5nmφ程度であり、粒径が小さく、緻密な膜が得られている。
As can be seen from these photographs, both the Ti—Al—N single layer film and the Ti—Al—N multilayer film are formed of dense columnar crystals. That is, it has been observed that columnar crystals grow in a direction perpendicular to the substrate surface. The fracture of the columnar crystal occurred when the Si substrate with a thermal oxide film was cleaved.
When the aspect ratio of the columnar crystal is defined as (length) / (grain size), each of the Ti—Al—N single layer film and the Ti—Al—N laminated film has a large aspect ratio of 6 or more. The particle diameter of the columnar crystals is about 10 nm ± 5 nmφ, and the particle diameter is small and a dense film is obtained.
<格子定数>
次に、組成比Al/(Al+Ti)を変えた際のウルツ鉱型結晶構造(六方晶、空間群P63mc)をもつTi−Al−Nの格子定数についてa軸長とc軸長とにおいて調べた結果を、図19及び図20に示す。なお、格子定数は、XRD結果より算出した。
これらの結果からわかるように、AlよりTiのイオン半径が大きく(表2参照)、AlサイトにTi元素が部分置換され、固溶されることに伴い(すなわち組成比Al/(Al+Ti)が減少することに伴い)、c軸長(柱状結晶の成長方向)はあまり変化していないのに対し、a軸長(柱状結晶の成長方向に垂直な方向、すなわち、基板に垂直方向)が増大し、結晶性Al−N膜との格子不整合が大きくなっている。しかしながら、本発明の組成範囲において、結晶性Ti−Al−N上に結晶性Al−Nがエピタキシャル成長していることから、Tiよりイオン半径が小さい他のM元素(V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCu)で置換されたM−Al−N膜において、Ti−Al−N膜よりa軸長が小さくなり、結晶性Al−N膜との格子不整合量が小さくなることが考えられるので、M−Al−N膜(V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCu)においても、同様にM−Al−N膜上に結晶性Al−N膜をエピタキシャル成長させることが可能である。
さらに、上記同様な理由より、サーミスタ特性を有する結晶性M−Al−N膜上に絶縁性の結晶性M’−Al−N膜(但し、M’はTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示す。)をエピタキシャル成長させることが可能である。
<Lattice constant>
Next, regarding the lattice constant of Ti—Al—N having a wurtzite crystal structure (hexagonal, space group P6 3 mc) when the composition ratio Al / (Al + Ti) is changed, the a-axis length and the c-axis length The examination results are shown in FIG. 19 and FIG. The lattice constant was calculated from the XRD result.
As can be seen from these results, the ionic radius of Ti is larger than that of Al (see Table 2), and the Ti element is partially substituted at the Al site and is dissolved (that is, the composition ratio Al / (Al + Ti) decreases. While the c-axis length (columnar crystal growth direction) does not change much, the a-axis length (direction perpendicular to the columnar crystal growth direction, ie, the direction perpendicular to the substrate) increases. The lattice mismatch with the crystalline Al—N film is large. However, in the composition range of the present invention, since crystalline Al—N is epitaxially grown on crystalline Ti—Al—N, other M elements (V, Cr, Mn, Fe, In the M-Al-N film substituted with Co, Ni and Cu), the a-axis length is smaller than that of the Ti-Al-N film, and the amount of lattice mismatch with the crystalline Al-N film is considered to be small. Therefore, in the M-Al-N film (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu), it is possible to epitaxially grow a crystalline Al-N film on the M-Al-N film similarly. is there.
Further, for the same reason as described above, an insulating crystalline M′-Al—N film (where M ′ is Ti, V, Cr, Mn, Fe, etc.) on the crystalline M—Al—N film having thermistor characteristics. It is possible to epitaxially grow at least one of Co, Ni and Cu.
なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記各実施形態では、薄膜サーミスタ部の上又は下に形成されるパターン電極としてCrを用いているが、Cr/Au/Crの多層構造のパターン電極などを採用しても構わない。
また、上記各実施形態では、薄膜サーミスタ部として結晶性Ti−Al−Nを用いているが、特に結晶性Ti−Al−Nに限定されることなく、特許文献2〜7に記載されているように、結晶性Al−Nと同じ六方晶系のウルツ鉱型の結晶構造をとる窒化物サーミスタ薄膜、一般式:MxAyNz(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。0.70≦y/(x+y)≦0.98、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)も適用可能である。
なお、上記各実施形態では、絶縁性窒化物保護膜として結晶性Al−N、又は絶縁性の結晶性Ti−Al−N等の結晶性M’−Al−Nを用いているが、上記MxAyNzの窒化物サーミスタ薄膜の組成範囲のうち、抵抗値が薄膜サーミスタ部に採用された材料の1000倍以上であれば、薄膜サーミスタ部3に対して十分高い絶縁性を有した保護膜として機能し、薄膜サーミスタ部3のサーミスタ特性に影響を与えないので、絶縁性窒化物保護膜として採用可能である。
例えば、上記「y/(x+y)」、すなわち、A/(M’+A)が0.98以下であっても、薄膜サーミスタ部に対して1000倍以上の高い抵抗値を有した絶縁性窒化物保護膜は、本発明では薄膜サーミスタ部に対して相対的に十分な絶縁性を有している。例えば、M=Ti,M’=Ti,A=Alの場合、Al/(Ti+Al)が0.85の薄膜サーミスタ部では、25℃抵抗率が2.47×103Ωcmであるが、Al/(Ti+Al)が0.97の絶縁性窒化物保護膜では、25℃抵抗率が2.41×108Ωcmである。したがって、Al/(Ti+Al)が0.97の絶縁性窒化物保護膜は、Al/(Ti+Al)が0.85の薄膜サーミスタ部に対して約10万倍の抵抗値を有することから、十分な絶縁性を有した下地として機能する。
また、Al/(Ti+Al)が0.91の絶縁性窒化物保護膜では、25℃抵抗率が1.38×105Ωcmであるが、Al/(Ti+Al)が0.97の絶縁性窒化物保護膜では、25℃抵抗率が2.41×108Ωcmである。したがって、Al/(Ti+Al)が0.97の絶縁性窒化物保護膜は、Al/(Ti+Al)が0.91の薄膜サーミスタ部に対して、1000倍以上の抵抗値を有することから、十分な絶縁性を有した保護膜として機能する。なお、上記絶縁性窒化物保護膜及び薄膜サーミスタ部の抵抗値は、熱酸化膜(SiO2)付きSi基板上に成膜したものを実測している。
For example, in each of the above embodiments, Cr is used as a pattern electrode formed above or below the thin film thermistor portion, but a pattern electrode having a multilayer structure of Cr / Au / Cr may be employed.
Moreover, although crystalline Ti-Al-N is used as a thin film thermistor part in each said embodiment, it is described in patent documents 2-7, without being specifically limited to crystalline Ti-Al-N. A nitride thermistor thin film having the same hexagonal wurtzite crystal structure as crystalline Al—N, general formula: M x A y N z (where M is Ti, V, Cr, Mn, Fe , Co, Ni and Cu, and A represents Al or (Al and Si) 0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.98, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1) is also applicable.
In each of the embodiments described above, crystalline M′-Al—N such as crystalline Al—N or insulating crystalline Ti—Al—N is used as the insulating nitride protective film. If the resistance value of the xA y N z nitride thermistor thin film is at least 1000 times that of the material employed in the thin film thermistor part, the thin film thermistor part 3 has sufficiently high insulation. Since it functions as a film and does not affect the thermistor characteristics of the thin film thermistor section 3, it can be used as an insulating nitride protective film.
For example, even if the above-mentioned “y / (x + y)”, that is, A / (M ′ + A) is 0.98 or less, the insulating nitride has a resistance value 1000 times higher than that of the thin film thermistor portion. In the present invention, the protective film has a relatively sufficient insulating property with respect to the thin film thermistor portion. For example, when M = Ti, M ′ = Ti, and A = Al, a thin film thermistor portion with Al / (Ti + Al) of 0.85 has a resistivity of 2.47 × 10 3 Ωcm, but Al / In the insulating nitride protective film having (Ti + Al) of 0.97, the resistivity at 25 ° C. is 2.41 × 10 8 Ωcm. Therefore, the insulating nitride protective film with Al / (Ti + Al) of 0.97 has a resistance value about 100,000 times that of the thin film thermistor portion with Al / (Ti + Al) of 0.85. It functions as an insulating base.
An insulating nitride protective film with Al / (Ti + Al) of 0.91 has a resistivity of 1.38 × 10 5 Ωcm at 25 ° C., but an insulating nitride with Al / (Ti + Al) of 0.97. In the protective film, the resistivity at 25 ° C. is 2.41 × 10 8 Ωcm. Therefore, an insulating nitride protective film having an Al / (Ti + Al) of 0.97 has a resistance value 1000 times or more that of a thin film thermistor portion having an Al / (Ti + Al) of 0.91. It functions as a protective film having insulating properties. The resistance value of the insulating nitride protective film and the thin film thermistor portion is actually measured one formed in the thermal oxide film (SiO 2) with the Si substrate.
上述したように、ウルツ鉱型の結晶構造は、六方晶系の空間群P63mc(No.186)であり、MとAとは同じ原子サイトに属し(MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)、いわゆる固溶状態にある。ウルツ鉱型は、(M,A)N4四面体の頂点連結構造をとり、(M,A)サイトの最近接サイトがN(窒素)であり、(M,A)は窒素4配位をとる。 As described above, the crystal structure of the wurtzite type is a hexagonal space group P6 3 mc (No. 186), and M and A belong to the same atomic site (M is Ti, V, Cr, Mn , Fe, Co, Ni and Cu, and A represents Al or (Al and Si).) In a so-called solid solution state. The wurtzite type has an apex-connected structure of (M, A) N 4 tetrahedron, the closest site of (M, A) site is N (nitrogen), and (M, A) has nitrogen 4 coordination. Take.
なお、Ti以外に、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)が同様に上記結晶構造においてTiと同じ原子サイトに存在することができ、Mの元素となり得る。有効イオン半径は、原子間の距離を把握することによく使われる物性値であり、特によく知られているShannonのイオン半径の文献値を用いると、論理的にもウルツ鉱型のMxAyNz(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)が得られると推測できる。
以下の表2にAl,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Siの各イオン種における有効イオン半径を示す(参照論文 R.D.Shannon, Acta Crystallogr., Sect.A, 32, 751(1976))。
In addition to Ti, V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), and Cu (copper) are the same as Ti in the above crystal structure. It can exist at an atomic site and can be an element of M. The effective ionic radius is a physical property value often used for grasping the distance between atoms. When the literature value of Shannon's ionic radius, which is well known, is used, it is logically considered that W x M of the wurtzite type. y N z (where, M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, along with indicating at least one of Ni and Cu, a represents Al or (Al and Si).) can be estimated that is obtained .
Table 2 below shows effective ionic radii of each ion species of Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Si (refer to RDShannon, Acta Crystallogr., Sect. A, 32, 751). (1976)).
ウルツ鉱型は4配位であり、Mに関して4配位の有効イオン半径を見ると、2価の場合、Ni<Cu<Co<Fe<Mnであり、3価の場合、Al<Feであり、4価の場合、Mn<Co<Cr<Tiであり、5価の場合、Cr<Vとなっている。これらの結果より、(Al,Cu,Co,Ni,Fe,Mn)<Cr<(V,Ti)であると考えられる。(Ti及びV、もしくは、Cu,Co,Ni,Fe,Mn及びAlのイオン半径の大小関係は判別できない。)ただし、4配位のデータは価数がそれぞれ異なっているので、厳密な比較とはならないため、参考で3価イオンに固定したときの6配位(MN6八面体)のデータを用いて比較した。表2中のHSは高スピン状態、LSは低スピン状態を示す。低スピン状態(LS)のとき、イオン半径が、Al<Cu<Co<Fe<Mn<Ni<Cr<V<Tiとなっていることがわかる。(高スピン状態のとき、Mn,Fe,Co,Niのイオン半径は、Alのイオン半径より大きく、Tiのイオン半径より小さい。)
絶縁体の結晶性Al−NのAlサイトをTi等のMに置き換えることにより、キャリアドーピングし、電気伝導が増加することで、サーミスタ特性が得られるものであるが、例えばAlサイトをTiに置き換えた場合は、AlよりTiの方が有効イオン半径が大きいので、その結果、AlとTiとの平均イオン半径は増加する。その結果、原子間距離が増加し、格子定数が増加すると推測できる。
The wurtzite type is tetracoordinate. When the effective ionic radius of tetracoordinate with respect to M is seen, Ni <Cu <Co <Fe <Mn in the case of divalent, and Al <Fe in the case of trivalent. In the case of tetravalent, Mn <Co <Cr <Ti, and in the case of pentavalent, Cr <V. From these results, it is considered that (Al, Cu, Co, Ni, Fe, Mn) <Cr <(V, Ti). (Ti and V or Cu, Co, Ni, Fe, Mn, and Al can not be distinguished in magnitude relation between ionic radii.) However, since the four-coordinate data have different valences, strict comparison Therefore, comparison was made using data of 6-coordinate (MN 6 octahedron) when fixed to a trivalent ion for reference. In Table 2, HS indicates a high spin state, and LS indicates a low spin state. It can be seen that, in the low spin state (LS), the ionic radius is Al <Cu <Co <Fe <Mn <Ni <Cr <V <Ti. (In the high spin state, the ionic radius of Mn, Fe, Co, and Ni is larger than that of Al and smaller than that of Ti.)
By replacing the Al site of crystalline Al-N in the insulator with M such as Ti, thermistor characteristics can be obtained by conducting carrier doping and increasing electrical conduction. For example, the Al site is replaced with Ti. In this case, since Ti has a larger effective ionic radius than Al, as a result, the average ionic radius between Al and Ti increases. As a result, it can be estimated that the interatomic distance increases and the lattice constant increases.
実際に、特許文献2〜7にて、ウルツ鉱型のMxAyNz(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)が得られ、サーミスタ特性が得られている。また、AlNのAlサイトをTi等に置き換えることによる格子定数の増加が、X線データより確認されていることが報告されている。なお、Siについては、表2より、Si及びAlのイオン半径の大小関係は判別できないが、特許文献5にて、AlとSiの双方を含むMxAyNzにて、ウルツ鉱型の結晶構造をもち、さらに、サーミスタ特性が得られていることが報告されている。 Actually, in Patent Documents 2 to 7, a wurtzite type M x A y N z (where M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and A Represents Al or (Al and Si)), and the thermistor characteristics are obtained. Further, it has been reported that an increase in lattice constant by replacing Al sites of AlN with Ti or the like has been confirmed from X-ray data. As for Si, the magnitude relationship between the ionic radii of Si and Al cannot be determined from Table 2. However, in Patent Document 5, the wurtzite type of M x A y N z containing both Al and Si is used. It has been reported that it has a crystal structure and further has thermistor characteristics.
MxAyNz膜上に結晶性Al−Nをエピタキシャル成長させるには、Al−N原子間距離とより近い(Al,M)−N原子間距離をもつM元素を選択すること、すなわち、Alのイオン半径とより近いイオン半径をもつM元素選択することが必要である。特に、表2に示す、3d遷移金属元素(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)は、4d遷移金属元素(例えば、Zr,Nb,Mo)、5d遷移金属元素(例えば、Hf,Ta,W)よりもイオン半径が小さく、Alのイオン半径とより近いため、Al−N原子間距離とより近い(Al,M)−N原子間距離をもつ窒化物サーミスタのエピタキシャル膜の上に結晶性Al−N膜を形成することが可能である。 In order to epitaxially grow crystalline Al—N on the M x A y N z film, an M element having an (Al, M) -N interatomic distance closer to the Al—N interatomic distance is selected. It is necessary to select an M element having an ionic radius closer to that of Al. In particular, the 3d transition metal elements (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) shown in Table 2 are 4d transition metal elements (for example, Zr, Nb, Mo), 5d transition metal elements (for example, , Hf, Ta, W) Nitride thermistor epitaxial film having an ionic radius smaller than that of Al and closer to the ionic radius of Al, and thus having an Al—N interatomic distance closer to (Al, M) —N interatomic distance A crystalline Al—N film can be formed on the substrate.
1,21…温度センサ、2…絶縁性基材、3…薄膜サーミスタ部、4…パターン電極、5…絶縁性窒化物保護膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,21 ... Temperature sensor, 2 ... Insulating base material, 3 ... Thin film thermistor part, 4 ... Pattern electrode, 5 ... Insulating nitride protective film
Claims (7)
前記絶縁性基材上に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、
互いに対向して前記薄膜サーミスタ部にパターン形成された一対のパターン電極と、
前記薄膜サーミスタ部上に形成された絶縁性窒化物保護膜とを備えていることを特徴とする温度センサ。 An insulating substrate;
A thin film thermistor portion formed of a metal nitride material for thermistor on the insulating substrate;
A pair of pattern electrodes patterned on the thin film thermistor portion opposite to each other;
A temperature sensor comprising an insulating nitride protective film formed on the thin film thermistor portion.
前記薄膜サーミスタ部と前記絶縁性窒化物保護膜との結晶構造が、同じ六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする温度センサ。 The temperature sensor according to claim 1,
The temperature sensor, wherein the thin film thermistor portion and the insulating nitride protective film have the same hexagonal wurtzite type single phase.
前記薄膜サーミスタ部が、サーミスタ特性を有するM−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、
前記絶縁性窒化物保護膜が、結晶性Al−Nであることを特徴とする温度センサ。 The temperature sensor according to claim 2,
The thin-film thermistor portion has thermistor characteristics M-A-N (where M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and A represents Al or (Al and Si).)
The temperature sensor, wherein the insulating nitride protective film is crystalline Al-N.
前記薄膜サーミスタ部が、サーミスタ特性を有するM−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、
前記絶縁性窒化物保護膜が、絶縁性の結晶性M’−Al−N(但し、M’はTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示す。)であることを特徴とする温度センサ。 The temperature sensor according to claim 2,
The thin-film thermistor portion has thermistor characteristics M-A-N (where M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and A represents Al or (Al and Si).)
The insulating nitride protective film is an insulating crystalline M′-Al—N (where M ′ represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu). A temperature sensor characterized by being.
前記Mの元素が、Tiであることを特徴とする温度センサ。 The temperature sensor according to claim 3 or 4,
The temperature sensor characterized in that the element of M is Ti.
前記絶縁性基材が、絶縁性フィルムであることを特徴とする温度センサ。 The temperature sensor according to any one of claims 3 to 5,
The temperature sensor, wherein the insulating substrate is an insulating film.
絶縁性基材上に薄膜サーミスタ部をスパッタリングにより形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、
互いに対向して前記薄膜サーミスタ部の下又は上の少なくとも一方に一対のパターン電極をパターン形成するパターン電極形成工程と、
前記薄膜サーミスタ部上に絶縁性窒化物保護膜をスパッタリングにより形成する保護膜形成工程とを有し、
前記保護膜形成工程が、前記スパッタリングの前に逆スパッタを行うことを特徴とする温度センサの製造方法。 A method for manufacturing the temperature sensor according to any one of claims 1 to 6,
A thin film thermistor part forming step of forming a thin film thermistor part on an insulating substrate by sputtering;
A pattern electrode forming step of patterning a pair of pattern electrodes on at least one of the thin film thermistor portions opposite to or above each other;
A protective film forming step of forming an insulating nitride protective film on the thin film thermistor portion by sputtering,
The method for manufacturing a temperature sensor, wherein the protective film forming step performs reverse sputtering before the sputtering.
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