JPS62293701A - 薄膜温度センサとその製造方法 - Google Patents

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】 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば複写礪のトナ一定着ローラやオフィス
・オートメーション（ＯＡ）＊器の感熱部等に温度検出
器として使用する薄膜温度センサとその製造方法の改良
に関する。

［従来の技術］　。

従来、複写機のトナ一定着ローラや前記ｏＡｎ器等にお
いては、その温度を検出すべき対象物に温度センサとし
てサーミスタを１械的に接触させ、１００℃〜３００℃
の温度範囲で湿度検出を行なっている。

ところで、この棟の温度センサは、成分および製造方法
等から種々のものが開発されており、例えば金属複合酸
化物焼結サーミスタ、ＳｉＣ簿膜サーミスタ、金属複合
酸化物薄膜サーミスタ等が挙げられる。

■、金属複合酸化物焼結サーミスタは、マンガンＭｎ、
コバルトＣＯ，ニッケルＮｉまたはＭｎ。

Ｇ　Ｏ、Ｎ　＋を主成分としこれに銅ＣＬＪまたは鉄Ｆ
ｅ等を加えた金属複合醗化物を混合して成型するととも
に、１２００℃〜１３００℃の高温で焼結して作ったも
のである。

■、５ｉＣｉＷ膜サーミスタは、ＳｉＣ焼結体をターゲ
ットとし、アルゴンＡｒガス雰囲気中で高周波スパッタ
リングにより、アルミナ基板上に５ｉｃｋ膜を形成させ
たものである。スパッタリング中の基板温度は６５０℃
〜７５０℃である。

■、金属複合酸化物薄膜サーミスタには２種類あり、そ
の１つは、ｖｎ、Ｃｏ、Ｎ　＋の中の２〜３成分中にク
ロムＯｒまたはＦｅ等を加えたサーミスタ材料を用いて
焼結ターゲットを作製する。

さらに、この焼結ターゲットを用いてＡｒガス雰囲気中
でスパッタによりアルミナ基板上に薄膜を形成する。次
いで、大気中で熱処理して薄膜サーミスタを完成する。

他のもう１つは、Ｍ　ｎ　３　’−Ｇｏ２−Ｎｔｌより
なる酸化物の焼結ターゲットを使用し、Ａｒに体積比で
３％以上の酸素を混合させたスパッタガス中で４００℃
〜５００℃に加熱した高融点ガラス基板上にサーミスタ
薄膜を形成したものである。

［発明が解決しようとする問題点コ しかし、以上のような温度センサには次に述べる様な種
々の問題点があった。

■、金属複合酸化物焼結サーミスタは、小型化に不向き
であり、かつ、熱応答時定数を居くするのが困難であっ
た。

■、Ｓ＋Ｃ薄膜サーミスタは、結晶性に浸れた安定なＳ
ｉＣ膜を得るためには基板の温度を６５０℃〜７５０”
Ｃと高くすることが必要であり、生産性の低下が否めな
かった。また、サーミスタ定数が約２０００にと小さく
、温度変化による抵抗値の変化が少ないために高精度な
温度検出が困難であった。さらに、サーミスタ定数が温
度に依存して変化するので、広範囲にわたって温度を検
出する場合、その直線性が劣るおそれがあった。

また、スパッタガス中に微澄の窯素が混入すると抵抗値
が大きく変化してしまい、一定品質のものを得るのが困
難であった。

■、金属接合醒化物ａ膜サーミスタは、スパッタにより
薄膜形成を行なっただけでは熱的に不安定でありサーミ
スタとして使用し難いので１０００℃前後の高温で熱処
理する必要があるが、サーミスタの特性は熱処理温度に
依存するため、条件設定が困難であった。また、高温度
で熱処理を行なうため、基板および電極の材料が限定さ
れ、コストアップは避けられなかった。さらに、金属酸
化物の焼結ターゲット作製にサーミスタ製造と同様の工
程を要するため、Ｖ！雑でやはり生産性の低下は否めな
かった。また、金腐酸化物を焼成してターゲットを作製
するので、その純度は低く、かつ密度が不均一となり、
製品の特性値を揃えるのが困難であった。さらに、高周
波電力を過大に投入すると酸化物焼結体のターゲットに
割れを生じるおそれがあるので、７４膜形成速度に限界
があり、伍産性の向上も困難であった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、サーミスタ
定数が大きく熱安定性に浸れ、かつ熱応答時定数が極め
て短い薄Ｉｌ！温度センサを提供することを目的とする
。

また、他のもう１つの発明においては、生産性および農
産性に優れ、かつ低ｌｉ！ｌｉ格化をはかり得る薄膜温
度センサの製造方法を提供することを目的とする。

Ｆ問題点を解決するための手段］ 本発明による薄膜温度センサは、基板上に、Ｍｎ、Ｃｏ
、Ｎ　＋の単体またはＭｎ、ＣＯ，Ｎｉの２〜３成分に
Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕの中の１つ以上の成分を加えた
合金をターゲットとし、アルゴンに酸素を混合したガス
雰囲気中で高周波スパッタリングもしくは直流スパッタ
リングにより形成される前記成分からなる複合酸化物の
薄膜を設けたものである。

また、もう１つの発明である薄１１ｉＨａ度センサの製
造方法は、基板上に、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎ　ｉの単体または
Ｍｎ、ｃｏ、Ｎ　ｉの２〜３成分にＡｌ、Ｆｅ、Ｑｒ、
Ｃｕの中の１つ以上の成分を加えた合金をターゲットと
して使用し、アルゴンに酸素を混合したガス雰囲気中で
高周波スパッタリングもしくは直流スパッタリングによ
りスパッタして前記成分からなる複合酸化物の薄膜を形
成したものである。

さらに、もう１つの発明である薄膜温度センサの製造方
法は、回転する基板上に、Ｍｎ、Ｃｏ。

Ｎｉの単体またはＭｎ、Ｃｏ、Ｎ　ｉの２〜３成分にＡ
　Ｉ　、Ｆｅ、Ｏｒ、Ｃｕの中の１つ以上の成分を加え
た合金をターゲットとして複数個使用し、アルゴンに酸
素を混合したガス雰囲気中で高周波スパッタリングもし
くは直流スパッタリングにより上記複数個のターゲット
を同時にスパッタして前記成分からなる複合酸化物の薄
膜を形成したものである。

［作用］ 従って、以上のような手段を講じた薄膜温度センサによ
れば、Ａｒに酸素を混合したスパッタガス雰囲気中で合
金をスパッタすることにより複合酸化物の薄膜を形成し
ているので、熱応答時定数が短く、サーミスタ定数が大
きなものとなる。

また、薄膜温度センサの１つの製造方法によれば、酸素
の混合濃度の割合に応じて成膜速度が変化するので、最
適な混合濃度を選択することにより成膜速度の上昇が可
能である。

さらに　ｉ薄膜温度センサのもう１つの製造方法によれ
ば、単体の金属をターゲットとして使用できるので、よ
り容易にＩｌｌを形成できる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第１図は薄膜サーミスタの断面構造を示す図である。

１は絶縁性の基板であって、これは例えば単結晶シリコ
ン基板上に、例えば熱酸化。

ＣＶＤ法またはスパッタ法を用いて酸化シリコン。

窒化シリコンアルミナ等の絶縁層を施したものを使用す
る。この基板１の上側にはサーミスタ薄膜２が形成され
、さらに電極３，３が設けられる。

上記サーミスタ簿膜２の形成にあっては、次の２方法が
考えられる。その１つは、Ｍｎ、Ｃｏ。

Ｎｉの単体金属またはＭｎ、Ｃｏ、Ｎ　ｉの中の２〜３
成分にＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ等の中の１つ以上の成分
を加えて作製した合金をターゲットとする。そして、こ
のようなターゲットを用いてＡｒに酸素を体積比で５％
以上混合したガス雰囲気中で高周波スパッタリングまた
は直流スパッタリングを行い、前記基板１上に前記成分
の金ｒｒＡ複合酸化物からなるサーミスタ薄膜２を形成
する。

また、他の１つは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎ　！　（７）単体金
纜またはＭｎ、Ｃｏ、Ｎ　＋の中の２〜３成分にＡｌ、
　Ｃｒ”、Ｃｕ、Ｆｅ等の中の１つ以上の成分を加えて
作製した合金を複数個用意してターゲットとする。そし
て、Ａｒに酸素を体積比で５％以上混合したガス雰囲気
中でこれらターゲットを高周波スパッタリングまたは直
流スパッタリングにより同時にスパッタする。このとき
、基板１は回転しており、この回転する基板１上に前記
成分の複合酸化物からなるサーミスタ薄膜２を形成する
。

なお、スパッタリング中の基板１の湿度は２５０’Ｃ〜
６００℃、望ましくは３００℃〜５００℃が適当である
。そして、このサーミスタ７ａ膜形成方法を適用して構
成された薄膜温度センサは、結晶性に優れており、熱処
理を施さずにそのままで低温用温度センサとして使用で
きる。また、高温用温度センサとして使用する場合はサ
ーミスタ特性の安定化をはかるために大気中で使用温度
よりやや高い温度で熱処理すればよい。

ところで、上記サーミスタｉ［２の形成方法においては
、スパッタガスとしてＡｒと酸素との混合ガスを用いて
おり、酸素混合中のガス雰囲気において合金をスパッタ
することにより、合金組成の酸化物薄膜を基板１上に形
成可能としている。

ここで、混合される酸素濃度は体積比の５〜３０％で成
膜速度に関係する。すなわち、酸素の混合割合が少ない
場合には形成される薄膜中のび素が不足するので、充分
安定した酸化物を得るためには成膜速度を低減させざる
を得ない。一方、酸素の混合割合を高めた場合には、Ａ
ｒの割合が相対的に少なくなるので、やはり成膜速度は
低下する。

しかして、以上のデータから酸素の混合割合は体積比の
１０〜２５％が適当である。

一方、スパッタリング法としては、高周波スパッタリン
グまたは直流スパッタリングのいずれをも適用可能であ
るが、特に、直流スパッタリングは投入電力の効率が高
いので、生産性の向上をはかり得る。

次に、サーミスタ薄１！２の製造具体例およびその製造
された薄膜温度センサの特性について述べる。

第１の製造具体例について。

先ず、Ｍｎ−１５Ｇｏ−５Ｎ　ｉ　（ｗｔ％）の合金を
ターゲットとして用意し、このターゲットを用いて圧力
１　ｍＴｏ　ｒ　ｒでかつＡｒと酸素が８０：２０の割
合で混合された混合ガス雰囲気中で高周波スパッタリン
グにより、５００℃の温度に加熱された基板１上に複合
酸化物のサーミスタ簿膜２を形成した。このとき、高周
波電力を３００　Ｗ　。

成膜速度を２．５μｍ／時とした。

第２図は以上の製造具体例により形成されたサーミスタ
薄ｐＩＡ２のＸＭＡ回折結果を示す図である。

このようなサーミスタｉｌＩ！２を形成することにより
、サーミスタ定数が４５００に、比抵抗が４０００Ω・
Ｃｍ（２５℃）の薄膜ｍ度センサが得られた。

第２の製造具体例について。

先ず、Ｍｎの単体金属と、Ｎ　１−５Ｃｏ　（ｗｔ％）
の合金とをそれぞれターゲットとして用意する。そして
、これらターゲットに対し、圧力１ｍＴｏｒｒでかつＡ
ｒと酸素が８０：２０の割合で混合された混合ガス雰囲
気中で高周波スパックリングにより同時にスパッタし、
３００’Ｃの温度に加熱されかつ回転する基板１上に複
合酸化物のサーミスタ薄ｌ１１２を形成した。このとき
、高周波電力を３００Ｗ、成膜速度を２．５μｍ／時と
した。

第３図は以上の製造具体例により形成されたサーミスタ
薄膜２のＸ線回折結果を示す図である。

このようなサーミスタ薄膜２を形成することにより、サ
ーミスタ定数が７０００に、比抵抗が３０にΩ・ｃｍ　
（２００℃）の薄膜温度センサが得られた。

従って、以上のような実施例により１膿温度センサを製
造すれば、サーミスタ薄膜２が例えば０．５〜数μｍの
薄い膜厚に形成することができ、かつ、サーミスタ定数
が４５００〜７０００にと高くできる。この結果、熱的
安定性に優れ、かつ、熱応答時定数の短い高精度な薄膜
温度センサを得ることができる。

また、合金をターゲットとして使用しているので、酸化
物焼結ターゲットよりも高い５ｉＴ１度を得ることがで
き、かつ密度を常に一定にすることができる。この結果
、製品の特性値を容易に揃えることができる。さらに、
合金ターゲットの使用により投入電力を増大させること
ができるので、成膜速度を高めることができ、生産性お
よび伍産性の向上に寄与しつる。

また、通常の薄Ｉ１ｍ温度センサと同様の製造工程を経
て形成される金属酸化物の焼結ターゲットを用いること
なく、同種の金属酸化物からなるサーミスタ薄膜２を形
成することができるので、賢雑な工程を要さずに低価格
で製造できる。また、複数個のターゲットを同時にスパ
ッタする場合には、単体の金属を使用できるので、より
容易にサーミスタ薄膜２を形成することができる。さら
に、高温での熱処理が必要でないため、基板１または電
極３の材料に限定はなく、安価に製作できる。

［発明の効果］ 以上詳記したように本発明によれば、サーミスタ定数が
大きく熱安定性に浸れ、かつ熱応答時定数が極めて短い
＠膜温度センサを提供できる。

また、本発明によれば、生産性および倒産性に優れ、か
つ低価格化をはかり得る１摸温度センサの製造方法を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の詳細な説明するために示
したもので、第１図はｌサーミスタの断面図、第２図お
よび第３図は第１．第２の製造具体例にて形成されたサ
ーミスタ１膜のＸ線回折結果を示す図である。 １・・・基板、２・・・サーミスタ１膜、３・・・電極
。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 ２ｅ（ＩＬ） 第２図 ２８（慶） 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉの単体またはＭｎ、
   Ｃｏ、Ｎｉの２〜３成分にＡｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕの中
   の１つ以上の成分を加えた合金をターゲットとし、アル
   ゴンに酸素を混合したガス雰囲気中で高周波スパッタリ
   ングもしくは直流スパッタリングにより形成される前記
   成分からなる複合酸化物の薄膜を設けたことを特徴とす
   る薄膜温度センサ。
2. （２）基板上に、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉの単体またはＭｎ、
   Ｃｏ、Ｎｉの２〜３成分にＡｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕの中
   の１つ以上の成分を加えた合金をターゲットとして使用
   し、アルゴンに酸素を混合したガス雰囲気中で高周波ス
   パッタリングもしくは直流スパッタリングによりスパッ
   タして前記成分からなる複合酸化物の薄膜を形成して製
   造することを特徴とする薄膜温度センサの製造方法。
3. （３）回転する基板上に、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉの単体また
   はＭｎ、Ｃｏ、Ｎｉの２〜３成分にＡｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、
   Ｃｕの中の１つ以上の成分を加えた合金をターゲットと
   して複数個使用し、アルゴンに酸素を混合したガス雰囲
   気中で高周波スパッタリングもしくは直流スパッタリン
   グにより前記複数個のターゲットを同時にスパッタして
   前記成分からなる複合酸化物の薄膜を形成して製造する
   ことを特徴とする薄膜温度センサの製造方法。