JPS6019642B2 - サ−ミスタの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、炭化珪素膜からなる感熱抵抗体を用いたサー
ミスタの製造方法に関している。

高信頼度のサーミス外ま温度センサとして広く用いられ
る。

炭化珪素バルク単結晶からなる高温度用半導体は、高信
頼度のサーミスタの形成に有用であることが知られてい
たが、機械的強度が大きく、精密加工が困難であるから
、工業的に実用されなかった。発明者らは、炭化珪素バ
ルク単結晶の代りに、スパッタリング蒸着という工法で
形成した薄膜の炭化珪素を用いると、高信頼度のサーミ
スタが製造できることを発見し、これらの新しい製造法
を確立した（その詳細は、特開昭５３−６３５５２号公
報、侍関昭５３−６３５５３号公報において、明らかに
されている）。本発明はこの技術をより一層改良したも
のである。

第１図は、本発明にかかるサーミスタの製造法で形成し
た、サーミスタの要部構造を示す。

すなわち、サーミスタは、耐熱性の基体１１と、この基
体１１上に設けられた一対の耐熱性電極１２Ａ，１２Ｂ
と、この電極対に接触するように基体１１上に付着させ
た炭化珪素膜からなる感熱抵抗体１３とで構成されてい
る。上記感熱抵抗体１３は、スパッタリング黍着で形成
することができる。

たとえば、高周波スパッタリング装置を用い、スパッタ
リング装置内の雰囲気をアルゴンガスにし、アルゴンガ
スの圧力を（１〜５）×１０‐汀ｏｒｒにして、炭化珪
素粉末の陰極ターゲットをスパッタリングすると、陰極
ターゲットに対向させて配置した基体上に、珪素膜から
なる感熱抵抗体が形成される。この場合、スパッタリン
グ蒸着中の基体温度を、サーミスタの動作温度あるいは
使用温度程度中に保っており、たとえば使用温度が４０
０〜１０００℃では、基体温度を４００〜１０００３０
に保持するのが通例であった。発明者らは、炭化珪素薄
膜サーミスタの耐熱性とスパッタリング蒸着中の基体温
度との関係を詳細に調べた結果、サーミスタの耐熱性を
高めるには、予想外に必ずしも高い温度でスパッタリン
グ蒸着しなければならないというようなことはなく、最
適温度が存在することを発見し、この発見にもとづいて
本発明の製造方法を完成した。第２図は、本発明にかか
るサーミスタの製造方法を説明する基本特性図である。

すなわち、第２図は、スパッタリング蒸着中における基
体温度の変化と、サーミスタの高温放置中におけるサー
ミスタ抵抗値の時間変化との関係を示したものである。
同図において、スパッタリング蒸着中における基体温度
Ｔ，，２ ，Ｔ３，Ｔ４（Ｔ．＜Ｔ２くＴ３くＴ４）の
場合のサーミスタ抵抗の高温放置下における時間変化を
それぞれ曲線２１，２２，２３，２４で示している。図
に示しているように、サーミスタ抵抗の変化は、基体温
度が低い範囲（Ｔ，，２ のとき）では、増加方向であ
り、基体温度が高い範囲（Ｔ３，Ｔ４のとき）では、減
少方向にある。すなわち、サーミスタの耐熱特性を決め
るサーミスタ抵抗の高温放置下における変化は、スパッ
タリング蒸着中の基体温度が一定度より低いときには、
この基体温度を高くする程度減少するが（Ｔ，〜２ の
範囲）、基体温度が一定値より高いときには（ｔ〜Ｔ４
の範囲）、この基体温度が高くなる程、低い温度範囲と
逆の方向に増加し、高温安定なサーミスタの製造には、
予想外のことではあるが、必ずしも基体温度をあまり高
めると適当でないことを発明者らは発見した。これらの
発見にも塞き、基体温度を、たとえば公と丸の範囲の値
に保持すると、実線２５の如くサーミスタの抵抗値変化
が皆無の、耐熱性の優れたサーミスタを製造することが
できる。第３図は本発明にかかるサーミスタの製造方法
を、より具体的に説明するための特性図である。

すなわち、同図の曲線３１は、スパッタリング蒸着中の
基体温度を変化と、サーミスタの高温放置の抵抗値変化
との関係の一例を示す。同図では、基体温度を５０００
０から９００℃の間を変化させている。また、抵抗値の
変化は、大気中５５０℃に形成したサーミスタを１００
時間放置したときの値を、形成直後の値と比較したもの
である。図に示すように、抵抗値の変化は、スパッタリ
ング蒸着中の基体温度が約６５０ｏｏ付近で零であり、
これ以下の温度では正の変化率、これ以上の温度では、
負の変化率になることがわかる。これらの特性曲線が示
すごとく、抵抗変化率の小さいサーミスタすなわち高信
頼度のサーミス夕は、６５０℃付近の基体温度で形成さ
れる。この場合、実用上抵抗率の変化は、２０％以下で
あることが望ましく、このためには、基体温度は曲線３
１が示すごとく６００ｏｏから７５０ｑｏの範囲が適し
ている。しかしながら、基体温度はできるだけ低い方が
、基体加熱装置の設計が容易であるから、襲用上、基体
温度は６００℃から７００ｑｏの範囲が高温安定なサー
ミスタの製造に最適であることを確認した。以上の説明
で明らかなごとく、炭化珪素のスパッタリング蒸着中の
基体温度により、サーミスタの耐熱特性が顕著に変化し
、とりわけ、特定温度を境として、抵抗値変化の樋性が
反転する。

この抵抗値変化の極性反転の理由の詳細は明らかではな
い。しかしながら、本発明の製造法で形成した炭化珪素
膜中における、格子欠陥が重要な働きをしているのでは
ないかと推測される。このため、極性反転現象は、本発
明にかかる炭化珪素膜の製造条件、とりわけスパッタリ
ング蒸着条件と関係している。すなわち、スパッタリン
グ蒸着条件で、基体温度以外に、炭化珪素膜の形成速度
にも最適値があり、その値は０．１〜１０ムｍ／時の範
囲にあることを発明者らは見つけた。この場合、０．１
ムｍ／時未満の範囲では、スパッタリング蒸着された炭
化珪素膜に、たとえばスパッタリング装置内の酸素ガス
などの不純物ガスが混入し、そのために炭化珪素膜の電
気抵抗が異常に高くなり、実用的でない。また、１０り
ｍ／時を越える範囲では、炭化珪素膜の基体への付着性
が弱くなる。上記最適範囲では、電気比抵抗ｐご２００
００伽，サーミスタ定数２０００〜３０００ｏＫの感熱
抵抗体が再現性よく形成される。サーミスタの炭化珪素
の膜は通常１〜２０山ｍの厚さであれば使用することが
できるが、実用的には４〜１０仏ｍ程度が最適である。
炭化珪素膜の厚さが４ムｍよりも薄いと、炭化珪素膜の
結晶性の度合が再現性に欠くことがあり、１０仏ｍより
も厚いと膜が基体から剥離する場合がある。発明者らは
、このような製造条件で形成された膜が多結晶の炭化珪
素であることを確認しており、この際には、電気抵抗を
顕著に変化させるような不純物元素たとえばアルミニウ
ム，ボロンなどの含まれていないことも確認している。
したがって、本発明の方法による炭化珪素膜の電気伝導
には、これら不純物元素よりも、膿中に含まれる各種の
欠陥が関係していると考えられる。以上の説明では、炭
化珪素膜を、炭化珪素の粉末ターゲットをアルゴンガス
中でスパッタリング蒸着して得る場合について述べたが
、粉末ターゲットよりも、炭化珪素の焼給体ターゲット
の方がスパッタリング蒸着が長時間安定に動作して実用
的である。

なお、ターゲットとして、シリコンを用い、炭化雰囲気
たとえばアセチレンガスとアルゴンの混合ガス中でいわ
ゆる反応性スパッタリングさせて炭化珪素膜を形成する
こともできるが、この場合は、シリコンと炭素との化学
組成比の管理が困難であり、上述した炭化珪素ターゲッ
トをアルゴン中で直接スパッタリング蒸着する方が利用
価値が高い。以上に述べた本発明の方法においては、基
体として、耐熱性の大きい、アルミナ，ジルコニア，チ
タニア，マグネシャ，酸化シリコンや、これらの一種以
上の複合体を用いる。

また、表面を酸化あるし、は窒化させたシリコンも同様
に基体として用いると有利である。発明者らは、上述し
たスパッタリング蒸着によるサーミスタの製造方法にお
いて、スパッタリング葵着にさらに改良を加え、高精度
のサーミスタを製造する方法を発明した。

第４図はこの改良点を説明したものである。

すなわち、その要部は、スパッタリング蒸着プロセスに
ある。第４図Ａにおいて、炭化珪素膜のスパッタリング
蒸着は、たとえば平行円板二極高周波スパッタリング装
置で行なう。この場合、主要部は炭化珪素円板ターゲッ
ト４１、これに対面した円板陽極４２、陽極４２上に配
置した基体加熱ホールダ４３から構成されている。基体
４４を、基体ホールダ４３上に密着させ、そのまま炭化
珪素を蒸着すると、形成される炭化珪素の膜厚は中央部
が厚く、周辺が薄くなる。このため、炭化珪素膜からな
る感熱抵抗膜の抵抗値は中央部と周辺部とで異なる。第
４図Ｂの曲線４５は基体４４上の膜厚分布の一例を示し
たものである。しかるに、第４図Ａに示す回転マスク板
４６をターゲット４１と基体４４との間に、ターゲット
４１の蒸発物質の一部が、基体４４上に沈着するのを防
ぐように配贋する。第４図Ｃにマスク板４６の平面図と
、ターゲット４１との位置関係を示すが、このマスク板
４６の形状を同図Ｃに示すごとく、膜厚の厚い中心部で
は狭く、膜厚の薄い周辺では広いプロペラ状にし、その
形状を調節すると、第４図Ｂの実線４７のように膜厚分
布が皆無になり、サーミスタ抵抗の基体４４内における
分布がいちぢるしく減少することを確認した。以上の実
施例では円板状ターゲットを有する平行二極スパッタリ
ング装置について述べたが、円板状ターゲットでなくて
もよい。ただ、マスク板を基体面に平行な面内で連動さ
せさえすればよい。また、このマスク板と基体とは通常
近接させておくが、その距離はターゲットの蒸発物質の
スパッタリング蒸着雰囲気中での平均自由行程より短く
する。通常のスパッタリング黍着では３〜５肌以下にす
る。また、これ以外に、マスク板を逆にターゲットに近
接してもよい。この場合には、マスク板とターゲットと
の距離をスパッタリング放電の陰極降下距離よりも短く
する。たとえば通常３〜５側以下にする。この場合には
、マスク板とターゲットとの間は放電が発生しないので
、スパッタリング蒸発物がマスク板に付着せず、長期の
スパッタリング葵着に有利である。以上の説明で明らか
なように、本発明にかかるサーミスタの製造方法では、
耐熱性が優れ、特に高温放瞳に対してもサーミスタの特
性で重要なサーミスタ抵抗の変化が皆無のサーミスタを
製造することができる。

さらに、本発明のサーミスタの製造方法では、マスクを
使用することによって、スパッタリング蒸着における膿
厚分布が少なく、サーミスタ特性の均一な高精度のサー
ミスタを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法で形成したサーミスタの断面
構造図、第２図は本発明のサーミスタの製造方法を説明
するための基本特性説明図、第３図は本発明のサーミス
タの製造方法の一実施例における基体温度放置後の抵抗
変化率との関係を示す図、第４図Ａは本発明のサーミス
タの製造方法の他の実施例を説明するための基本構成図
、同図Ｂはそれによる基本特性図、同図Ｃは同図Ａの要
部を示す構成図である。 １１・…・・耐熱性の基体、１２Ａ，１２Ｂ・・・・・
・耐熱性の鰭極、１３・・…・感熱抵抗膜、４１・・・
・・４炭化珪素のターゲット、４２・・・・・・陽極、
４３・…・・基体加熱ホルダ、４４・・・・・・基体、
４６・・・・・・マスク板。 第１図第２図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化珪素ターゲツトを使用し、アルゴンガス中にお
   いて、６００℃から７００℃の温度に保持された耐熱性
   の基板上に０．１〜１０μｍ／時の範囲の形成速度で炭
   化珪素を高周波スパツタリング蒸着し、炭化珪素膜から
   なる感熱抵抗体を形成することを特徴とするサーミスタ
   の製造方法。 ２ ターゲツトとして、炭化珪素の焼結体を用いること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のサーミスタ
   の製造方法。 ３ 基体として、アルミナ，ジルコニア，チタニア，マ
   グネシア，酸化シリコン，表面を酸化あるいは窒化させ
   たシリコンのうちの一種あるいはこれら一種以上の耐熱
   材料を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のサーミスタの製造方法。 ４ ターゲツトと基体との間に、このターゲツトの蒸発
   物質の一部が前記基体上に沈着するのを防ぐための前記
   基体の表面に近接してマスク板を設置し、かつこのマス
   ク板を前記基体面に平行に移動させることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のサーミスタの製造方法。 ５ マスクと基体との距離を、ターゲツトの蒸発物の平
   均自由行程より短くすることを特徴とする特許請求の範
   囲第４項に記載のサーミスタの製造方法。６ マスクと
   ターゲツトの距離を、スパツタリング放電の陰極降下距
   離よりも短くすることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項に記載のサーミスタの製造方法。