(57)【要約】【課題】高性能で安定して動作するサージアブソーバ素子を低コストに作製可能とする。【解決手段】セラミック基板１２上にステンレス等からなるメタルマスク（金型）を隙間ができないように被せ、真空蒸着により導電性薄膜電極１１を形成する。導電性薄膜電極１１は、丸形とされ、該電極が放電電圧の高圧化と安定化に適する。電極金属材料の仕事関数が、大きいほど放電電圧が高く、また、導電性薄膜の膜厚が厚いほど放電電圧が高くなる。よって、電極の仕事関数と膜厚により放電電圧を制御でき、蒸着法により安定して動作する素子が低コストで作製できる。導電性薄膜の形成にはスパッタ法を用いることも可能であり、電極形状形成にメタルマスクを用いる他に半導体プロセスで確立されている写真蝕刻法を用いることが可能である。上述のような導電性薄膜電極１１を形成したセラミック基板は、印刷法と同様に、ガラス管等の内部に、真空に近い状態を保ち得るように封じる。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に仕事関数の大きい金属を用いて導電性薄膜電極を丸形にかつ膜厚が２０ｎｍないし２５０ｎｍとなるように蒸着により形成することを特徴とするサージアブソーバ素子の製造方法。
【請求項２】
絶縁性基板上に仕事関数の小さい金属を用いて導電性薄膜電極を丸形にかつ膜厚が２０ｎｍないし２５０ｎｍとなるように蒸着により形成することを特徴とするサージアブソーバ素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２のサージアブソーバ素子の製造方法において、上記導電性薄膜電極の形成にスパッタ法を用いることを特徴とするサージアブソーバ素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかのサージアブソーバ素子の製造方法において、上記導電性薄膜電極の形状形成に、メタルマスクを用いることを特徴とするサージアブソーバ素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかのサージアブソーバ素子の製造方法において、上記導電性薄膜電極の形状形成に、写真蝕刻法を用いることを特徴とするサージアブソーバ素子の製造方法。
【請求項６】
絶縁性基板上に導電性薄膜電極を蒸着法で形成してなるサージアブソーバ素子であって、上記導電性薄膜電極の膜厚を２０ｎｍないし２５０ｎｍとするとともに平面形状を丸形とし、かつ該導電性薄膜電極用の金属に仕事関数の大きいものを用いてなることを特徴とするサージアブソーバ素子。
【請求項７】
絶縁性基板上に導電性薄膜電極を蒸着法で形成してなるサージアブソーバ素子であって、上記導電性薄膜電極の膜厚を２０ｎｍないし２５０ｎｍとするとともに平面形状を丸形とし、かつ該導電性薄膜電極用の金属に仕事関数の小さいものを用いてなることを特徴とするサージアブソーバ素子。
【請求項８】
請求項６または７のサージアブソーバ素子において、上記導電性薄膜電極がスパッタ法を用いて形成したものであることを特徴とするサージアブソーバ素子。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかのサージアブソーバ素子において、上記導電性薄膜電極の形状形成に、メタルマスクを用いてなることを特徴とするサージアブソーバ素子。
【請求項１０】
請求項６ないし８のいずれかのサージアブソーバ素子において、上記導電性薄膜電極の形状形成に、写真蝕刻法を用いてなることを特徴とするサージアブソーバ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信線や配電線を通じて侵入するサージ対策用のサージアブソーバ素子の製造方法及びサージアブソーバ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の情報化社会においては、テレビやパソコンといった電気、電子機器が日常生活において必要不可欠なものとなっている。近年におけるこれら電気、電子機器の飛躍的な性能の向上には半導体集積回路や中央演算装置（ＣＰＵ）等の高集積化・低電圧化といった半導体技術の進歩が大きく関わっている。
【０００３】
一方、半導体部品を用いた電気、電子機器は過電圧に弱く、通信線や配電線を通じて侵入するサージ電圧やノイズ電圧により破壊されやすく、破壊されないまでも誤作動しやすくなるという問題がある。そのため、サージ対策として電気、電子機器の防護素子であるサージアブソーバあるいはサージアブソーバ素子（本明細書においては特記しない限り両者を区別せずに単にサージアブソーバ素子という。）が注目されている。
【０００４】
ところでサージとは、直撃雷や電磁誘導、静電誘導に分類できる誘導雷サージのほか、開閉サージ、静電気サージ等に分けられる。これらは発生するメカニズムやエネルギーに違いがあり、現在注目されているサージアブソーバ素子は、上述のサージのうち誘電雷サージに対して特に有効である。
【０００５】
誘電雷サージとは、雷雲によりその付近の送電線や通信ケーブルに静電誘導や電磁誘導が生じ、これにより発生した異常電圧のことである。すなわち、雷雲の下部は負に帯電しているため、雷雲の下方に設置されたケーブルには静電誘導により正の高電圧が発生し、その放電によって雷雲の静電荷が減少すると、ケーブルの正電荷が拘束を解かれ、ケーブルの両方向に広がっていく。これが静電誘導による誘電雷サージの生じる仕組みである。
【０００６】
また電磁誘導によるサージとは、雷雲と大地間で落雷が生じた時流れる大電流の周りに発生する磁界により電磁誘導が起き、近くのケーブルに発生する雷サージ電流のことである。雷サージによる被害には、離れた場所の落雷による発生した誘導雷サージが低電圧配電線または通信線を伝わって一般家庭等に侵入する場合と、直接に一般家庭等のアンテナ等に落雷する場合との２通りがあり、後者の場合はサージアブソーバ素子では防ぐことができないが、前者についてはサージアブソーバ素子が対策となり得る。
【０００７】
すなわち、誘導雷サージが低電圧配電線等を伝わって侵入してくる場合、２０００Ｖ以上の雷サージが電源コンセントに侵入することがあり、そのようなサージへの対策としては、図１に示すように、電源入力部にサージアブソーバ素子を設置することが有効である。図中１は家屋、２は家電製品、３はサージアブソーバ素子、４は配電線や電話線、５は電柱である。また図中の矢印Ｓが雷サージとその家屋１への侵入状態を示す。
【０００８】
ところで、サージアブソーバ素子に一般的に要求される特性は以下の通りである。
（１）応答速度が速いこと
雷サージは立ち上がり速度が非常に速いため、このサージを吸収するにはサージアブソーバ素子も速い応答性が要求される。雷サージの立ち上がり速度よりサージアブソーバ素子の立ち上がり速度が遅れると、遅れ分だけ雷サージの電圧より高い電圧で動作することになる。動作電圧が高くなると、その分だけ高い電圧が電気、電子機器の回路側に侵入し、機器を破壊してしまう可能性が高くなる。
（２）動作電圧のばらつきが狭いこと
サージアブソーバ素子は信号電圧で動作せず、信号に乗ったサージに対して動作する必要がある。またサージがなくなった場合は、サージアブソーバ素子の動作を遮断する必要がある。このように想定されるサージ電圧を確実に除去するにはサージアブソーバ素子の動作電圧の範囲が狭いことが条件になる。
（３）その他
サージの耐量、静電容量、サージアブソーバ素子の安全性についての条件がある。
【０００９】
上述のように、サージアブソーバ素子の特性に要求される条件は様々であり、したがってＩＴ技術の発展のためにもこれらの条件を満たし、性能がよく、情報通信機器におけるサージ電圧の弊害を防ぎ、かつ低コストで製造できるサージアブソーバ素子を開発することが極めて重要かつ急務である。
【００１０】
従来のサージアブソーバ素子の形成法としては、抵抗体に溝加工（機械加工）する方法、あるいはアンテナのように対極電極を作ってそこで過電圧を放電する方法、セラミック基板上にルテニウム（Ｒｕ）を中心とした粘性の物質による導電性薄膜電極をパターン形成する印刷法がある。
【００１１】
図２は、印刷法で作製したサージアブソーバ素子の模式的断面図である。図示のサージアブソーバ素子は、マイクロギャップ１０を設けた数個の導電性薄膜電極１１を配置したセラミック基板１２をガラス管１３内に不活性ガス１４で封入した構造になっている。不活性ガスの種類は仕様により様々であるが、いずれもガラス管１３内の圧力は大気圧に比べて非常に低くし、真空に近い状態とする。図中１５は電極である。
【００１２】
図３、４は図２のようなサージアブソーバ素子に電圧を印加するための回路と、この回路により生じたノコギリ波形を示す。図中１６はオシロスコープ、１７は電源である。抵抗Ｒ１、Ｒ２はそれぞれ１０ＭΩ、５Ω、コンデンサＣは０．２μＦである。この回路により印刷法で作製したサージアブソーバ素子に電圧を印加して放電させた素子のうち絶縁破壊しなかった素子の外観写真を図５に示す。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
印刷法で作製した上述のようなサージアブソーバ素子の一つの問題点は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように放電後の導電性薄膜電極１１間のギャップ距離が、放電による導電性薄膜電極構成物質の飛散のため変化し、放電電圧が特定の範囲に押さえ込めないことである。
【００１４】
本発明は上記従来の問題点を解決した蒸着法やスパッタ法によって導電性薄膜電極を形成することにより製造可能なサージアブソーバ素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述したサージアブソーバ素子に一般的に要求される特性のうち、動作電圧のばらつきを改善することに重点を置いたものである。
【００１６】
本願発明者等は、初期の段階では印刷法により作製したサージアブソーバ素子の性能の改善を進めてきたが、動作電圧のばらつき特性の安定性が十分得られなかったため、従来とは異なる方法でサージアブソーバ素子を作製し、放電特性の改善を図った。即ち、真空蒸着法によりサージアブソーバ素子における導電性薄膜電極を金属材料で作製し、導電性薄膜電極の形状及び膜厚と放電特性の関係を明らかにした。
【００１７】
すなわち本発明の請求項１に係るサージアブソーバ素子の製造方法は、上記目的を達成するために、絶縁性基板上に仕事関数の大きい金属を用いて導電性薄膜電極を丸形にかつ膜厚が２０ｎｍないし２５０ｎｍとなるように蒸着により形成することを特徴とする。
【００１８】
同請求項２に係るものは、上記目的を達成するために、絶縁性基板上に仕事関数の小さい金属を用いて導電性薄膜電極を丸形にかつ膜厚が２０ｎｍないし２５０ｎｍとなるように蒸着により形成することを特徴とする。
【００１９】
同請求項３に係るものは、上記目的を達成するために、請求項１または２のサージアブソーバ素子の製造方法において、上記導電性薄膜電極の形成にスパッタ法を用いることを特徴とする。
【００２０】
同請求項４に係るものは、上記目的を達成するために、請求項１ないし３のいずれかのサージアブソーバ素子の製造方法において、上記導電性薄膜電極の形状形成に、メタルマスクを用いることを特徴とする。
【００２１】
同請求項５に係るものは、上記目的を達成するために、請求項１ないし３のいずれかのサージアブソーバ素子の製造方法において、上記導電性薄膜電極の形状形成に、写真蝕刻法を用いることを特徴とする。
【００２２】
また本発明の請求項６に係るサージアブソーバ素子は、上記目的を達成するために、絶縁性基板上に導電性薄膜電極を蒸着法で形成してなるサージアブソーバ素子であって、上記導電性薄膜電極の膜厚を２０ｎｍないし２５０ｎｍとするとともに平面形状を丸形とし、かつ該導電性薄膜電極用の金属に仕事関数の大きいものを用いてなることを特徴とする。
【００２３】
同請求項７に係るものは、上記目的を達成するために、絶縁性基板上に導電性薄膜電極を蒸着法で形成してなるサージアブソーバ素子であって、上記導電性薄膜電極の膜厚を２０ｎｍないし２５０ｎｍとするとともに平面形状を丸形とし、かつ該導電性薄膜電極用の金属に仕事関数の小さいものを用いてなることを特徴とする。
【００２４】
同請求項８に係るものは、上記目的を達成するために、請求項６または７のサージアブソーバ素子において、上記導電性薄膜電極がスパッタ法を用いて形成したものであることを特徴とする。
【００２５】
同請求項９に係るものは、上記目的を達成するために、請求項６ないし８のいずれかのサージアブソーバ素子において、上記導電性薄膜電極の形状形成に、メタルマスクを用いてなることを特徴とする。
【００２６】
同請求項１０に係るものは、上記目的を達成するために、請求項６ないし８のいずれかのサージアブソーバ素子において、上記導電性薄膜電極の形状形成に、写真蝕刻法を用いてなることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態及び実施例】
以下本発明に係るサージアブソーバ素子の製造方法及びサージアブソーバ素子の実施の形態及び実施例を図面を参照して説明する。なお以下では従来の例と共通する部分には共通する符号を付して説明する。
【００２８】
既述のように、導電性薄膜電極の形状はサージアブソーバ素子の特性に大きく影響を与えるものと考えられるので、本発明では蒸着法により従来と同様な形状の導電性薄膜電極１１を形成し、特性を検討した。また、後述する各種のサンプルについて導電性薄膜電極１１のマイクロギャップ１０付近の形状を中心に顕微鏡で観察を行った。
【００２９】
図７は上述の方法で製造するサージアブソーバ素子の導電性薄膜電極１１の形状を示す概念図である。サージアブソーバ素子のサンプルを製造する方法としては、セラミック基板１２上にステンレス等からなるメタルマスク（金型：図示せず）を隙間ができないように被せ、真空蒸着装置（図示せず）を用いて導電性薄膜電極１１を形成する。図示のとおり、導電性薄膜電極１１は丸型、角型の２種類である。メタルマスクには導電性薄膜電極１１の形状を型取りしてあり、ギャップの個数を１〜４個としたものを計８種類用いた。図に示すように、丸型の導電性薄膜電極１１の直径及び角型の導電性薄膜電極１１の一辺の寸法はそれぞれ０．９８ｍｍであり、マイクロギャップは０．１４ｍｍとしてある。このため丸型の導電性薄膜電極１１の場合のマイクロギャップ面積は０．３４ｍｍ２、角型の導電性薄膜電極１１の場合のマイクロギャップ面積は０．１４ｍｍ２である。
【００３０】
蒸着する導電性薄膜電極１１の材料としての金属には、３種類の金属、すなわちアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）を用いた。また蒸着の際、金属を溶かす蒸発源とセラミック基板１２との距離は、３種類の金属を用いる場合とも１５．５ｃｍ（一定）とした。もちろん上述のような導電性薄膜電極１１を形成したセラミック基板は、従来の印刷法の場合と同様に、ガラス管等の内部に真空に近い状態を保ち得るように封じる。
【００３１】
図８から図１３は、導電性薄膜電極１１を絶縁性基板であるセラミック基板１２に形成したパターンを示す写真を模した図である。アルミニウム（Ａｌ）では２１５ｎｍ、同金（Ａｕ）では１６１ｎｍ、同ニッケル（Ｎｉ）では２４８ｎｍであった。これらの図によれば、蒸着法を用いて導電性薄膜電極１１をセラミック基板１２上に作製することが可能であるが、本願発明者の行った実験により、導電性薄膜電極１１のエッジ部分に少しでも凸凹があるとサージアブソーバ素子の必要条件の一つである動作電圧の安定に影響を与えると考えられるため、メタルマスクとする金型には精密さが要求されることが判明した。
【００３２】
図１４は、導電性薄膜電極１１の形状と直流放電電圧の関係を薄膜材料毎にプロットして示す図である。薄膜材料によらず丸型導電性薄膜電極の方が角形導電性薄膜電極に比べ放電電圧が高いことが分かる。角形導電性薄膜電極では電極の頂点において電圧印加時に電界集中が起こりやすく、放電のトリガとなるが、丸形導電性薄膜電極では特定の位置に電界集中が起こりにくいため、放電電圧が高くなっている。すなわち、蒸着により作成する電極形状には丸形形状が適し、放電電圧の高圧化と安定化が図れる。
【００３３】
図１５は、直流放電電圧を導電性薄膜金属の仕事関数でプロットして示す図である。仕事関数が大きくなると放電電圧は大きくなっていることがわかる。仕事関数とは、真空準位と金属のフェルミ準位とのエネルギー差である。この事実は、サージアブソーバ素子の放電は、ギャップの個数が増えるにしたがって、すなわち導電性薄膜電極１１間のギャップ距離が大きくなるにつれて当然に放電電圧は高くなると予想されるが、基本的には物質の固有の仕事関数がサージアブソーバ素子を設計するうえで重要であることを示す。より特性の良いサージアブソーバ素子となるように金属薄膜の形状及び膜厚と放電特性の関係を考慮することは当然であるが、金属には個々の仕事関数がありこれが大きいほど放電電圧が高い。逆に仕事関数の小さい金属を蒸着することで導電性薄膜を作製すると、低電圧で安定して動作する素子が作製でき、かつ低コストである。
【００３４】
図１６は、導電性薄膜電極材料がＮｉの場合における、導電性薄膜膜厚と直流放電電圧の関係を示す。この図では、膜厚の増加により放電電圧は線形に増加する結果を示しており、導電性薄膜膜厚を変化させることにより放電電圧を精度良く制御出来ることを示している。
【００３５】
上述のことより、蒸着法の精度を向上させれば導電性薄膜電極１１の膜厚及びマイクロギャップ１０の距離を精密に制御できるため、性能の良いサージアブソーバ素子を形成できることがわかる。また蒸着法に代えてスパッタ法を用いることもできる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に係るサージアブソーバ素子の製造方法は、以上説明してきたように、安定して動作するサージアブソーバ素子を低コストに作製できる。
【００３７】
また本発明に係るサージアブソーバ素子は、安定して動作可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】家屋における雷サージに対するサージアブソーバ素子を用いた遮断方法を示す図である。
【図２】導電性薄膜電極を用いた印刷法によるサージアブソーバ素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】図２のようなサージアブソーバ素子に電圧を印加するための回路を示す図である。
【図４】図４の回路により生じたノコギリ波形を示す図である。
【図５】絶縁破壊しなかった素子の外観写真を模した図である。
【図６】放電後のマイクロギャップ付近における導電性薄膜電極の形状を示す写真を模した図である。
【図７】本発明方法で製造するサージアブソーバ素子の導電性薄膜電極の形状を示す概念図である。
【図８】アルミニウム（Ａｌ）を用いた角型電極パターンを示す顕微鏡写真を模した図である。
【図９】アルミニウム（Ａｌ）を用いた丸型電極パターンを示す顕微鏡写真を模した図である。
【図１０】金（Ａｕ）を用いた角型電極パターンを示す顕微鏡写真を模した図である。
【図１１】金（Ａｕ）を用いた丸型電極パターンを示す顕微鏡写真を模した図である。
【図１２】ニッケル（Ｎｉ）を用いた角型電極パターンを示す顕微鏡写真を模した図である。
【図１３】ニッケル（Ｎｉ）を用いた丸型電極パターンを示す顕微鏡写真を模した図である。
【図１４】各種導電性薄膜電極材料における電極形状と直流放電電圧の関係を示す図である。
【図１５】導電性薄膜電極材料の仕事関数と直流放電電圧の関係を示す図である。
【図１６】ニッケル（Ｎｉ）を電極に用いたときの電極膜厚と直流放電電圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  家屋
２  家電製品
３  サージアブソーバ素子
４  配電線や電話線
５  電柱
１０  マイクロギャップ
１１  導電性薄膜電極
１２  セラミック基板
１３  ガラス管
１４  不活性ガス
１５  電極
１６  オシロスコープ
１７  電源
Ｓ  雷サージの家屋への侵入状態
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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