(57)【要約】【課題】実用化に適した薄膜ＰＴＣサーミスタおよびその製造方法を提供する。【解決手段】薄膜ＰＴＣサーミスタ１０は、絶縁性基板１１と、絶縁性基板１１上に形成される抵抗膜１２と、抵抗膜１２の上層もしくは下層に形成される一対の櫛形電極１３，１３とを有している。抵抗膜１２は、酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜にて構成されており、ＰＴＣ特性を有している。抵抗膜１２は、スパッタリングなどで成膜された後に熱処理が施され、成膜段階でＮＴＣ特性であったものが熱処理によってＰＴＣ特性に変化する。【選択図】図１
2020009947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、
前記絶縁性基板上に形成される感温膜と、
前記感温膜の上層もしくは下層に形成される一対の電極層とを有し、
前記感温膜は、酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜にて構成されており、ＰＴＣ特性を有するものであることを特徴とする薄膜ＰＴＣサーミスタ。
【請求項２】
薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法であって、
前記薄膜ＰＴＣサーミスタは、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成される感温膜と、前記感温膜の上層もしくは下層に形成される一対の電極層とを有しており、
前記絶縁性基板上に、酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜を前記感温膜として成膜する成膜工程と、
前記成膜工程で成膜された前記感温膜に熱処理を行う熱処理工程とを含むことを特徴とする薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法。
【請求項３】
薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法であって、
前記薄膜ＰＴＣサーミスタは、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成される感温膜と、前記感温膜の上層もしくは下層に形成される一対の電極層とを有しており、
前記絶縁性基板上に、ＮＴＣ特性を示す感温膜を成膜する成膜工程と、
前記成膜工程で成膜された前記感温膜に熱処理を行い、ＰＴＣ特性を示す感温膜に変化させる熱処理工程とを含むことを特徴とする薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法であって、
前記感温膜は、酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜であることを特徴とする薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法。
【請求項５】
請求項２または４に記載の薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法であって、
前記熱処理工程は、５００℃〜５６０℃の範囲での熱処理を行うことを特徴とする薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法。
【請求項６】
請求項２から５の何れか１項に記載の薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法であって、
前記成膜工程は、ＰＶＤ法により前記感温膜を成膜することを特徴とする薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法であって、
前記成膜工程は、反応性スパッタリングにより前記感温膜を成膜することを特徴とする薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法。
【請求項８】
請求項２から７の何れか１項に記載の薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法であって、
前記熱処理工程は、前記電極層が形成された薄膜ＰＴＣサーミスタに対して行われることを特徴とする薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正の温度特性（ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性）を有する薄膜ＰＴＣサーミスタ、および薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
正の温度特性を有するＰＴＣサーミスタは、ある温度を超えると温度の上昇に対して急激に抵抗が増大する。このようなＰＴＣサーミスタは、温度センサの他、電流を流すと自己発熱によって抵抗が増加して電流が流れにくく性質を利用して電流制限素子として利用される。あるいは、ヒューズを置き換える回路保護素子として利用される。代表的なＰＴＣサーミスタ素子は、チタン酸バリウムに添加物を加えたセラミックス材料からできている。
【０００３】
従来のチタン酸バリウムを用いたＰＴＣサーミスタは、焼結体にて作製されており、その厚みは比較的大きいものであった。加えて、セラミックス材料からなるＰＴＣサーミスタは、材料の特性上脆く、加工上の問題からも小型化（薄膜化）することは困難であった。
【０００４】
これに対し、特許文献１には、感温膜にチタン酸バリウムを用いた薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法が開示されている。すなわち、特許文献１における薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法では、チタン酸バリウム系組成物からなる感温膜を、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、電着法および塗布法の何れかを用いて薄膜化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１７３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１における薄膜ＰＴＣサーミスタは、感温膜に従来のＰＴＣサーミスタと同じ材料（チタン酸バリウム）を用いており、製造方法の工夫によって感温膜の薄膜化を行っているに過ぎない。しかしながら、セラミックス材料であるチタン酸バリウムは、製造方法を変えても材料特性が大きく変化するものではない。すなわち、チタン酸バリウムは脆性材料であり、薄膜化するとより割れやすくなるため、特許文献１の技術を用いて薄膜ＰＴＣサーミスタを実用化することは困難である。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、実用化に適した薄膜ＰＴＣサーミスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様である薄膜ＰＴＣサーミスタは、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成される感温膜と、前記感温膜の上層もしくは下層に形成される一対の電極層とを有し、前記感温膜は、酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜にて構成されており、ＰＴＣ特性を有するものであることを特徴としている。
【０００９】
上記の構成によれば、セラミックス材料ではない“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”は、感温膜の薄膜化による割れなどが抑制できる。これにより、実用化に適した薄膜ＰＴＣサーミスタを得ることができる。
【００１０】
また、上記の課題を解決するために、本発明の第２の態様である薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成される感温膜と、前記感温膜の上層もしくは下層に形成される一対の電極層とを有する薄膜ＰＴＣサーミスタを製造するものであり、前記絶縁性基板上に、酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜を前記感温膜として成膜する成膜工程と、前記成膜工程で成膜された前記感温膜に熱処理を行う熱処理工程とを含むことを特徴としている。
【００１１】
上記の構成によれば、“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”は、成膜工程段階ではＮＴＣ特性を示す感温膜であり、熱処理工程を加えることでＰＴＣ特性を示す感温膜に変化させることができる。この製造方法により、実用化に適した薄膜ＰＴＣサーミスタを得ることができる。
【００１２】
また、上記の課題を解決するために、本発明の第３の態様である薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成される感温膜と、前記感温膜の上層もしくは下層に形成される一対の電極層とを有する薄膜ＰＴＣサーミスタを製造するものであり、前記絶縁性基板上に、ＮＴＣ特性を示す感温膜を成膜する成膜工程と、前記成膜工程で成膜された前記感温膜に熱処理を行い、ＰＴＣ特性を示す感温膜に変化させる熱処理工程とを含むことを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、成膜工程段階ではＮＴＣ特性を示す感温膜を、熱処理工程を加えることでＰＴＣ特性を示す感温膜に変化させることができる。この製造方法により、実用化に適した薄膜ＰＴＣサーミスタが得られる。また、一つの回路基板にＮＴＣサーミスタとＰＴＣサーミスタとの両方を搭載する場合、これら２種類のサーミスタにおける成膜工程を共通化し、ＰＴＣサーミスタにのみ部分的な熱処理を行うといった製造方法も可能となり製造工程が簡略化できる。
【００１４】
また、上記薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法では、前記感温膜は、酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜である構成とすることができる。
【００１５】
また、上記薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法では、前記熱処理工程は、５００℃〜５６０℃の範囲での熱処理を行う構成とすることができる。
【００１６】
また、上記薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法では、前記成膜工程は、ＰＶＤ法により前記感温膜を成膜する構成とすることができる。
【００１７】
また、上記薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法では、前記成膜工程は、反応性スパッタリングにより前記感温膜を成膜する構成とすることができる。
【００１８】
また、上記薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法では、前記熱処理工程は、前記電極層が形成された薄膜ＰＴＣサーミスタに対して行われる構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の薄膜ＰＴＣサーミスタおよびその製造方法では、感温膜の薄膜化による割れなどが抑制でき、実用化に適した薄膜ＰＴＣサーミスタを得ることができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、薄膜ＰＴＣサーミスタの基本構造を示す平面図である。
【図２】図１に示す薄膜ＰＴＣサーミスタのＡ−Ａ断面図である。
【図３】成膜された“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”に対して、熱処理を施した後の温度特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔薄膜ＰＴＣサーミスタの構造〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まずは、図１および図２を参照して本実施の形態に係る薄膜ＰＴＣサーミスタ１０の基本構造を説明する。図１は薄膜ＰＴＣサーミスタ１０の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００２２】
薄膜ＰＴＣサーミスタ１０は、絶縁性基板１１の上面に抵抗膜（感温膜）１２を形成し、抵抗膜１２の上面に一対の櫛形電極（電極層）１３，１３を形成した構造である。尚、櫛形電極１３，１３は、抵抗膜１２の上層側ではなく、抵抗膜１２の下層側（絶縁性基板１１と抵抗膜１２との間）に形成されていてもよい。
【００２３】
抵抗膜１２は絶縁性基板１１の上面にスパッタリング等の物理気相成長法（ＰＶＤ）によって成膜される。より具体的には、抵抗膜１２は、反応性ＤＣマグネトロンスパッタリングや反応性ＲＦマグネトロンスパッタリングによって成膜された反応性スパッタ膜として形成されることが好ましい。また、抵抗膜１２は絶縁性基板１１上のほぼ全面に成膜されてもよく、あるいは一部の領域に成膜されてもよい。図１では、抵抗膜１２は絶縁性基板１１上の全面に成膜した場合を例示している。
【００２４】
一対の櫛形電極１３，１３において、それぞれの電極は基部１３ａから多数の枝部１３ｂが平行に延びた構成になっている。そして、一方の櫛形電極１３の枝部１３ｂと他方の櫛形電極１３の枝部１３ｂとが、互いに接触しないように所定の隙間で互い違いに並んでおり、この隙間から抵抗膜１２が露出している。櫛形電極１３，１３は、例えば、抵抗膜１２上に形成された下地膜（例えばＴｉ）と、当該下地膜上に積層形成された電極膜（例えばＡｕ）とから形成することができる。
【００２５】
抵抗膜１２は、一対の櫛形電極１３，１３に挟まれた部分が蛇行した状態となる。また、蛇行した部分の抵抗膜１２は、一定の幅Ｌを持ち（図２参照）、かつ経路長Ｗとなる一本道の状態となる。
【００２６】
このような薄膜ＰＴＣサーミスタ１０では、一対の櫛形電極１３，１３に挟まれた抵抗膜１２の経路長Ｗをより長く確保することができ、これにより、微小なサイズの温度センサの抵抗値を低下させることができる。詳細には、薄膜ＰＴＣサーミスタ１０の抵抗値は、抵抗膜１２の幅Ｌに比例し、また、経路長Ｗに反比例する。このため、抵抗膜１２の経路長Ｗをより長くし、また、抵抗膜１２の幅Ｌをより狭くすることによって、薄膜ＰＴＣサーミスタ１０の抵抗値を低下させることができる。
【００２７】
図１，２に示す薄膜ＰＴＣサーミスタ１０の構造（抵抗膜１２と櫛形電極１３，１３との積層構造）自体は、負の温度特性（ＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）特性）を有する薄膜ＮＴＣサーミスタにおいて公知の構造であり、本実施の形態に係る薄膜ＰＴＣサーミスタ１０は薄膜ＮＴＣサーミスタにおける公知構造を適用したものである。本実施の形態に係る薄膜ＰＴＣサーミスタ１０は、抵抗膜１２の材料および製造方法を工夫したことに特徴を有している。
【００２８】
具体的には、薄膜ＰＴＣサーミスタ１０は、抵抗膜１２の材料として、“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”を用いている。このようなクロム膜は、従来のＰＴＣサーミスタで用いられているチタン酸バリウムとは異なり、脆性材料ではないため薄膜化しても割れは生じにくい。したがって、薄膜ＰＴＣサーミスタ１０は、薄膜化による抵抗膜１２の割れを抑制することができ、実用化に適したものとなる。
【００２９】
従来、窒化クロム膜などはＮＴＣ特性を示す材料として知られており、“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”についてもＰＴＣ特性を示す材料としては知られていなかった。今回、“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”が、特定の製造方法においてＰＴＣ特性を有することが本願発明者によって発見され、本発明はこの発見に基づいてなされたものである。
【００３０】
〔薄膜ＰＴＣサーミスタの製造方法〕
続いて、薄膜ＰＴＣサーミスタ１０の製造方法について説明する。但し、櫛形電極１３，１３の形成には公知の方法（フォトリソグラフィ）が使用されるため、ここでは抵抗膜１２の形成方法についてのみ説明する。
【００３１】
上述したように、抵抗膜１２は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリングやＲＦマグネトロンスパッタリングによって成膜することができる（成膜工程）。すなわち、抵抗膜１２の成膜には、スパッタリング特有の非平衡プロセスを利用することができる。具体的には、クロムターゲットを用い、さらに、少なくとも窒素および酸素をプロセスガスとして導入するスパッタリングによって抵抗膜１２が成膜される。これにより、抵抗膜１２を、“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”として成膜することができる。
【００３２】
但し、抵抗膜１２の成膜方法は、本発明において特に限定されるものではなく、他の物理気相成長法（ＰＶＤ）により抵抗膜１２を成膜してもよい。例えば、酸窒化クロムや窒化クロムをターゲットとして利用すれば、反応性ではない通常のスパッタリング（場合によっては酸素および窒素を補充する）によっても、抵抗膜１２を酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜として成膜可能である。また、スパッタリング以外の物理気相成長法、例えばイオンアシスト蒸着法や真空蒸着法などでも、蒸着源としてクロムを用い、これにイオン化した酸素および窒素を導入することで、酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜を成膜することは可能と考えられる。尚、抵抗膜１２の成膜に反応性スパッタリングを用いた場合、スパッタリング時の各種製造条件を変更することで抵抗膜１２の組成を制御でき、最終的に得られる薄膜ＰＴＣサーミスタ１０の特性を調整できる可能性があると考えられる。
【００３３】
尚、こうして成膜される抵抗膜１２は、酸窒化クロム膜となることも想定されるが、実際には抵抗膜１２の全体が酸窒化クロムにより構成されているか否かは現時点では確認できていない。したがって、抵抗膜１２は、酸窒化クロムに酸化クロムや窒化クロムが混合された状態であったり、酸窒化クロムを含まずに酸化クロムおよび窒化クロムが混合された状態であったりする可能性もある。このため、本実施の形態では、正確を期すために、抵抗膜１２の材料を“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”として表現している。無論、“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”は、酸窒化クロム膜をも含む概念である。
【００３４】
成膜工程直後の抵抗膜１２は、ＰＴＣ特性を有するものではなく、逆にＮＴＣ特性を有するものであった。薄膜ＰＴＣサーミスタ１０では、ＮＴＣ特性を有する抵抗膜１２にさらに熱処理工程を加えることで、抵抗膜１２をＰＴＣ特性に変化させている。尚、本実施の形態では、抵抗膜１２に対する熱処理工程は、櫛形電極１３，１３が形成された後の薄膜ＰＴＣサーミスタ１０に対して行った。
【００３５】
図３は、スパッタリングによって成膜された“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”に対して、熱処理を施した後の温度特性を示すグラフである。図３では、３５０℃、４５０℃および５４０℃での熱処理をそれぞれ施した３つのサンプルと、比較のために熱処理を施していない１つのサンプルについての温度特性を示している。
【００３６】
各サンプルにおいて、抵抗膜１２はクロムをターゲットとするスパッタリングにて成膜しており、該スパッタリングのプロセスガス（窒素および酸素を含む）における窒素ガスに対する酸素ガスの分圧比（Ｏ2／Ｎ2＋Ｏ2）は２５％とし、予備加熱温度は１５０℃とした。また、スパッタ電力（設定電力をターゲット面積で割った値）の設定出力は２．５（Ｗ／ｃｍ2）とした。
【００３７】
また、熱処理工程では、熱源としてハロゲンヒータを用い、大気中で＋８０℃／ｍｉｎのペースで昇温し、所定の熱処理温度（３５０℃、４５０℃、５４０℃）を１時間保持した後、−１２℃／ｍｉｎのペースで降温させた。
【００３８】
図３に示すように、熱処理を行わない場合、３５０℃で熱処理を行った場合、および４５０℃で熱処理を行った場合の３つのサンプルでは、温度の上昇に伴って抵抗が減少するＮＴＣ特性を示している。一方、５４０℃で熱処理を行った場合のサンプルでは、４０℃を超えた付近で温度の上昇に対して急激に抵抗が増大しており、ＰＴＣ特性を示すものとなっている。これより、抵抗膜１２を“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”とした場合、所定温度以上での熱処理により、ＮＴＣ特性からＰＴＣ特性に温度特性を変化させることが可能であると分かる。
【００３９】
抵抗膜１２をＰＴＣ特性とするための熱処理工程での熱処理温度は、抵抗膜１２の特性変化が生じる温度以上とする必要がある。一方で、絶縁性基板１１、抵抗膜１２および櫛形電極１３，１３などに悪影響を及ぼさない温度以下とする必要がある。例えば、絶縁性基板１１の材料を水晶とする場合、水晶の転移温度（５７３℃）以下で熱処理を行う必要がある。これより、抵抗膜１２の熱処理工程は、５００℃〜５６０℃の範囲で行うことが好ましい。また、絶縁性基板１１の材料は水晶に限られず、例えばガラスであってもよい。絶縁性基板１１の材料がガラスの場合であっても、抵抗膜１２の熱処理工程は、５００℃〜５６０℃の範囲で行えばよい。
【００４０】
本実施の形態に係る薄膜ＰＴＣサーミスタ１０は、抵抗膜１２の材料の工夫により、薄膜化による抵抗膜１２の割れを抑制することができ、実用化に適したものとなる。さらに、熱処理工程によって抵抗膜１２の温度特性を変化させるといった製造方法の工夫により、以下のようなメリットもある。
【００４１】
例えば、一つの回路基板上に薄膜ＰＴＣサーミスタと薄膜ＮＴＣサーミスタとを同時に搭載しようとする場合、これら２種類のサーミスタに対して、成膜工程（およびパターニング工程）を共通化することができる。すなわち、２種類のサーミスタにおける抵抗膜（ＮＴＣ特性）を同時に成膜およびパターニングし、ＰＴＣ特性に変化させたい抵抗膜のみに部分的な熱処理（例えばレーザ照射）を施すことによって、当該抵抗膜のみをＰＴＣ特性に変化させる。この時、熱処理の施されない抵抗膜を有するサーミスタは薄膜ＮＴＣサーミスタとなる。尚、薄膜ＮＴＣサーミスタに対しても、抵抗膜の温度特性変化が生じない程度の温度で熱処理を行ってもよい。また、“酸素および窒素を含有成分として含むクロム膜”以外にも、熱処理によってＮＴＣ特性からＰＴＣ特性に変化する材料があれば、その材料を抵抗膜に用いた薄膜サーミスタにおいて本実施の形態に係る製造方法を適用することが可能である。
【００４２】
今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１０    薄膜ＰＴＣサーミスタ
１１    絶縁性基板
１２    抵抗膜（感温膜）
１３    櫛形電極（電極層）
１３ａ    基部
１３ｂ    枝部
【図１】
2020009947.tif 000003
【図２】
2020009947.tif 000004
【図３】
2020009947.tif 000005