JPH0343985A

JPH0343985A - 薄型高温ヒータおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0343985A
Application number: JP1181016A
Authority: JP
Inventors: Noriko Morita; 森田　訓子; Susumu Hoshinouchi; 星之内　進
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1991-02-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、高温加熱用小型ヒータあるいは電子銃用ヒ
ータのように使用温度が１０００’Ｃ程度の薄型高温用
ヒータの構造および製造方法に関する。

［従来の技術］従来、平板型ヒータは例えば、特公昭５５−２４６４６
号公報に記載されているように、スクリーン印刷等のい
わゆる厚膜回路形成技術を用いて製造されていた。第３
図はこのようにして製造された従来のヒータを利用した
電子管カソード装置を示す断面構成図である。図におい
て、〈１０）は七うミンクス基板、（１１）は発熱体層
、（１２〉は絶縁層、＜１３）はカソード利層、（１４
）はカソードリード層、〈１５）はベースメタル層であ
る。

次に製造方法について説明する。まず、七うミンクス基
板＜１０＞を構成する原材料を用意し、ロール間を通す
押し出し法、あるいはキャスティング法の印刷技術によ
ってシート上に所望のパターン形状の発熱体層（１１）
を形成する。この発熱体層（１１）はヒータ剤に焼成助
剤を添加したペーストを基板（１０）上にスクリーン印
刷して形成される。スクリーン印刷後、高温（１０００
〜２０００’Ｃ）で焼成処理され、平板型ヒータが形成
される。

この方法では、製造時に高温処理過程か入るのでヒータ
をこの処理温度以下で使用する場合、抵抗の経時変化が
小さい等のヒータとしての高温長期安定性が期待されて
いた。しかし、スクリーン印刷によって得られるパター
ン精度は低く、しかも発熱体（１１）の厚さ制御（薄型
化）が困難にため、消費電力が大きく、しかも複数のヒ
ータ間では抵抗のばらつきが大きかった。そのため、精
度良くパターンの形成ができる手法としてＰＶＤやＣＶ
Ｄによる成膜法の開発が進められていた。

第４図に薄膜形成法による従来の平板薄型ヒータの製造
方法を示す。平滑たセラミックス基板（絶縁部材）〈ｌ
）上にヒータ用の抵抗体膜（３）（通常はＷのような金
属が用いられる）を−様に形成し、次にエツチングによ
り所望のヒータパターンを形成しこれにリード線（図示
せず）を接合するという手法で平板薄型ヒータを実現し
ていた。

［発明が解決しようとする課題］以上のような成膜法を用いて平板薄型ヒータを製造する
場合、ヒータ用の抵抗体膜り３）と絶縁部材（１）との
密着力が小さいことが非常に問題となっていた。そのた
め、ヒータ用の抵抗体膜り３）と絶縁部材（１）との密
着力を高めるために密着層を挿入する手法が取られてい
た。通常この密着層として数１０〜数１１００ｎのＴｉ
膜を設け、そのうえに抵抗体膜を形成することによ（）
薄型高温ヒータを実現していた。しかし、　リード線に
電圧を印加しヒータとして使用している間に、即ち１０
００°Ｃという高温負荷の間にＴｉが高温劣化を起こし
てしてしまいヒータが断線してしまう等の問題か生して
いた。参考図面に断線状態のＳＥＭ写真を示す。　〈な
お、写真中、２０．０ＫＶは走査電子顕微鏡の加速電圧
、×３５０は倍＄３５０倍、１００μｍはその直上の線
の長さが１００μｍに相当することを表す。）この原因
はＴｉには８８２°Ｃにα−βの変態点く以下変態点と
略す）があり、ヒータを使用することによりこの変態点
を繰り返し通過するためと考えられる。また、通常、薄
膜抵抗体は使用中に抵抗の変化が生じる。第５図に抵抗
値の経時変化を示す。初期に抵抗が低下するのは、薄膜
の再結晶化が進み、膜中の結晶粒が粗大化するためであ
る。例えば抵抗体く発熱体）を密着層を持たないＷ（タ
ングステン）で形成シ、これを１ｏｏｏ’ｃで使用した
場合、１０００°ＣはＷの再結晶温度に相当するため、
再結晶化は進む。次に時間経過に従って抵抗が増加する
のは使用中の雰囲気により膜中に不純物が混入する、あ
るいは酸化することに起因する。そのため、従来の薄膜
法による薄型高温ヒータはヒータとしては不安定で、し
かも長期信頼性に欠けるものであった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、ヒータ用抵抗体膜と絶縁部材との密着力の
高い、使用時の抵抗変化の少ない、信頼性の高い薄型高
温ヒータを提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］この発明に係る薄型高温ヒータは、絶縁部材上に形成さ
れたＴｉよりなる密着層、およびこの密着層を介して上
記絶縁部材上に形成されたＴｉ化合物よ＋、）なる抵抗
体層を備えたものである。

また、本発明の別の発明に係る薄型高温ヒータの製造方
法は、絶縁基板上にＴｉよりなる密着層およびＴｉ化合
物よりなる抵抗体層を形成するのに、上記密着層および
抵抗体層共に上記Ｔｉのα−βの変態点未満の温度で形
成するか、または上記密着層および抵抗体層共に上記変
態点以上の温度で形成するものである。

［作用］この発明においては、Ｔｉ膜は絶縁部材とヒータ用抵抗
体層の密着力の向上に作用し、抵抗体層であるＴｉＣ，
ＴｉＮ、Ｔ１ＣＮの単体もしくはその混合物等のＴｉ化
合物はセラミックスであるため金属材によるヒータと比
べて高温安定性は優れている上に、ヒータ使用中に密着
層として余分なＴｉ成分が抵抗体層へ拡散しても、抵抗
体層もＴｉ成分を盆んでいるので悪影響を及ぼさず、密
着層は安定化される。

また、本発明の別の発明においては、密着層および抵抗
体層の形成温度は共にＴｉの変態点より低いかまたは共
に高いため、ヒータを製造している間に、Ｔｉの高温劣
化を起こす事もない。すなわち、共に変態点より低い場
合にはヒータ製造中にＴｉのα−β変態が起こらムいた
め、体積変化による劣化が発生しにくく、また、共に変
態点より高い場合には、密着層としては余分なＴｉ成分
を製造中に拡散させてしまうので、その後、変態点以上
の温度で使用してもＴｉのα−β変態に伴う高温劣化を
生じることはない。

［実施例］以下にこの発明の一実施例について図に基づいて説明す
る。第１図はこの発明の一実施例による薄型高温ヒータ
を示す断面構成図である。図において、＜１）は絶縁部
材、＜２〉は絶縁部材＜１）との密着層であるＴｉ、（
３）は密着層（２〉を介して絶縁部材（１）の上に設け
られ例えばＴｉＣ，ＴｉＮ。

Ｔ１ＣＮの単体もしくはその混合物等のＴｉ化合物より
なる抵抗体層である。絶縁部材り１）に対しては、例え
ば、次のような要求を満たすことが望ましい。熱伝導性
が良く、熱膨張率が抵抗体層（３）のそれに近いこと、
長線縁体であること、高温で絶縁破壊しないこと、平滑
なこと。そのため、入手性から考えてＡＩＮ、Ａｌ２Ｏ
３等が考えられる。

ここで、抵抗体層（３）をＴｉＣ，ＴｉＮ、Ｔ１ＣＮの
単体もしくはその混合物等のＴｉ化合物で形成する理由
は、再結晶温度が高く、高温での電気的安定性が高いか
らである。例えばＷ、Ｍｏ等の一般的なヒータ材で形成
することも考えられる。

しかし、こういった材料系は例えば絶縁部材（１）とし
てＡｌ２Ｏ３基板を用いて形成し、１０００″Ｃ程度の
高温で使用している際に基板（１）中の酸素を奪って（
還元して）蒸気圧の高い酸化物を形成して飛散していく
。即ち抵抗体層がエツチングされ、形状が変化してしま
う。そのため、ヒータとして安定に使用できる環境、例
えば基板〈１）材、雰囲気、温度が限定されてしまう。

以上の理由からである。

ここでは絶縁部材＜１）として単結晶サファイヤ基板（
Ａ１２０３　）を選び、薄型高温ヒータを製造する例に
ついて２手法述べる。

まず第１の手法について例をあげて説明する。

Ａｌ２Ｏ３基板上にスパッタ法により所望の厚さく数μ
ｍ〜１０／ｌ□）のＴｉ膜を一様に形成する。この時の
Ｔ１膜形成温度は例えば２００〜３００°Ｃである。そ
の後、所望のパターン形状に湿式あるいは乾式法でエツ
チングする。例えば湿式法であれば第２図に示すごく一
般的な工程でエツチングを行う。次に、パターンの形成
されたサンフルをイオン窒化用の真空炉内に設置し、Ｔ
ｉの変態点以下の温度、列えば４００〜５００　’Ｃ；
でイオン窒化を施し、Ｔｉ表面からＮを拡散させ、Ｔｉ
Ｎとする。窒化の深さは数７１　ｍ〜１０ノｚｍ程度に
達し、基板との界面でＴｉとＡｌ２Ｏ３の密着に寄与す
る層まで（１０ｎｍ以下）、あるいはこの層を含むまで
窒化される。イオン窒化をり、Ｃ電源を用いて行えば絶
縁部材であるＡｌ２Ｏ３には損傷を与えることなく、電
気的に導通のあるＴｉにのみ窒化される。

また、上記実施例ではＴｉ膜をスパッタ法により形成す
る方法について説明したが、電子ビーム蒸着、レーザＰ
ＶＤ法、イオンブレーティング等のいわゆるＰＶＤ法や
ＴｉＣｌ４ガス等を用いたプラズマＣＶＤ法等の方法で
形成することができることは言うまでもない。　　また
、上記実施例ではＴｉのパターンを形成した後、イオン
窒化を施す例を示したが、Ｔｉの底膜１＆イオン窒化を
施し、その後熱硝酸等でパターンエツチングしても良い
。

また、Ｎ２ガスを用いたイオン窒化の例について示した
か、例えば、ＣＨ４やＮ２ガスとの混合ガスを用いた炭
化等によｉｌ　Ｔ　ｉ　Ｃ，Ｔ　ｉ　Ｎ、　　Ｔ　ｉ　
ＣＮの単体もしくはその混合物を形成しても良い。

以上のように第１の手法というのはパターン形成の前段
はあるが、−旦Ｔｉ膜を形成した後１表面から窒化や炭
化により改質する手法である。

次に第２の手法について例をあげて説明する。

Ｔｉの変態点以下の所望の温度、例えば２００〜３００
　’Ｃに加熱されたＡｌ２Ｏ３基板上にパターンマスク
を置き、最初は通常のＡｒスパッタ法によりＴｉ膜を形
成する。Ｔｉ膜の厚さが１０ｎｍに達する前の極薄膜が
形成されると、スパッタ雰囲気中にＮ２ガスを導入し、
反応性スパンタ広によりＴＮ膜を所望の厚さく数μｎｔ
　”−１０ｐ　ｍ　）まで形成する。　　後から、導入
するガスを炭素を含んだガス例えばＣＨ４単体やこれと
Ｎ２との混合ガス等に変えることによりＴｉＣ，ＴｉＮ
、Ｔ１ＣＮの単体もしくはその混合物を形成することが
できることはいうまでもない。

以上のように第２の手法というのは膜を形成するインプ
ロセス中で′、Ｔｉ−＋ＴｉＮのように連続的に異々る
膜を形成する方法である。

このようにして製造された薄型高温ヒータは、密着層お
よび抵抗体層の形成温度が共にＴｉの変態点よ（］低い
ため、ヒータ製造中にＴｉのα→β変態が起こらないた
め体積変化による劣化が発生しにくく、また、ヒータ使
用中に密着層として余分なＴｉ成分が抵抗体層に拡散し
ても、抵抗体層もＴｉ成分を含んでいるので悪影響を及
ぼさず、密着層は安定化される。

なお、以上のような２手法で形成した薄型高温ヒータを
基板上に複数並べて形成することにより大面積化や大量
生産に適していることは言うまでもない。

さらに、上記実施例では密着層および抵抗体層を共にＴ
ｉの変態点未満の温度で形成した場合に１ついて説明したが、密着層および抵抗体層を共にＴｉの
変態点以上の温度で形成してもよく、この場合は、密着
層としては余分なＴｉ成分な製造中に拡散させてしまう
ので、その後変態点以上の例えば１０００°Ｃ程度で使
用しても上記Ｔ１のα→β変態に伴う高温劣化を生じる
ことはない。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば、絶縁部材上に形成さ
れたＴｉよりなる密着層、およびこの密着層を介して上
記絶縁部材上に形成されたＴｉ化合物よｉＪなる抵抗体
層を備えたので、抵抗体層と絶縁部材との密着性が高く
、しかも使用時の抵抗変化の少々い、長期信頼性の高い
薄型高温ヒータが得られる効果がある。

また、本発明の別の発明によれば、絶縁基板上にＴｉよ
りなる密着層およびＴｉ化合物よりなる抵抗体層を形成
するのに、上記密着層および抵抗体層共に上記Ｔｉのα
→βの変態点未満の温度で形成するか、または上記密着
層および抵抗体層共に上記変態点以上の温度で形成する
ので、ヒータ２製造中にＴｉが高温劣化するのを防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による薄型高温ヒータを示
す断面構成図、第２図は第１図の薄型高温ヒータの製造
工程一部である一般的な工・ンチング工程を示す工程図
、第３図は従来の薄型高温ヒータを利用した電子管カソ
ード装置を示す断面構成図、第３図は従来の薄膜形成法
による薄型高温ヒータの製造方法を示す工程図、第４図
は従来のヒータの抵抗値の経時変化を示す特性図である
。図において、〈１）は絶縁部組、〈２）は密着層、〈３
〉は抵抗体層である。なお、図中同一符号は同一部分または相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁部材上に形成されたＴｉよりなる密着層、お
よびこの密着層を介して上記絶縁部材上に形成されたＴ
ｉ化合物よりなる抵抗体層を備えた薄型高温ヒータ。
（２）絶縁基板上にＴｉよりなる密着層およびＴｉ化合
物よりなる抵抗体層を形成するのに、上記密着層および
抵抗体層共に上記Ｔｉのα→βの変態点未満の温度で形
成するか、または上記密着層および抵抗体層共に上記変
態点以上の温度で形成する薄型高温ヒータの製造方法。