CN104246486A - 制造电容传感器的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造电容传感器的方法，该方法包括由以下组成的步骤：(a)通过蚀刻至少一种给定的材料而在由所述至少一种给定的材料制成的载体(100)中形成沟槽(105)；(b)使所述给定的材料在沟槽的壁和底部制成多孔；(c)用导电材料(110)填充沟槽(105)。

Description

制造电容传感器的方法

技术领域

本发明涉及具有多孔材料的电容传感器的领域，适用于检测流体，且特别适用于气体传感器和/或湿度传感器。

本发明涉及一种用多孔材料制造电容传感器装置的方法。

背景技术

电容传感器基本上由设置在介电材料层的任一侧上的电极组成。

一些电容传感器，诸如气体传感器或湿度传感器集成了多孔材料，并且具有易于根据由此材料所吸附的气体或液体的量而有所改变的电容。

例如，文献“新型表面经微加工的电容多孔硅湿度传感器”，ZM Rittersma等人，《传感器和驱动器B》68期(2000年)210-217页(“A novelsurface-micromachined capacitive porous silicon humidity sensor”,Z.M.Rittersmaet al.,Sensors and Actuators B 68(2000)210-217)中公开了一种电容传感器,具有相互交错的梳形或者网格形的金属电极，并且包括多孔半导体材料的层。

文献“使用多孔硅传感器和多孔氧化铝传感器来测量ppm级的气体湿度”，Tarikul Islam等人，《传感器和材料》，16卷，7期(2004年)345-356页(Measurement of gas Moisture in the ppm range using porous silicon and porousalumina sensors”,Tarikul Islam et al.,Sensors and Materials,Vol.16,No7(2004)345-356)随后公开了一种电容传感器，具有在纳米多孔Si的层的表面上沉积的电极，其中孔径为约1nm至3nm。

文献WO2010/006877提出了一种电容传感器，具有用于检测低湿度水平，特别是低于20％RH的低湿度水平的多孔电介质，集成了在电极之间设置的开口孔隙度高的纳米多孔亲水性介电材料的层。多孔介电材料的厚度相对较低，这可能会趋向于限制传感器的灵敏度。制造多孔介电材料的厚层，特别是厚度大于2微米的厚层需要进行多次沉积。

文献DE10246050A1提出了具有通过使载体多孔化而获得的多孔材料的湿度传感器的实施方式。

由此产生了寻找制造集成多孔材料的电容传感器，特别是用于检测气体和/或湿度和/或用于测量气体量和/或湿度量的传感器的改进方法的问题。

发明内容

本发明涉及制造电容传感器，包括以下步骤：

在载体中形成多个彼此分离的不同沟槽，然后

通过使所述沟槽的壁和底部多孔化来形成多孔材料，

使用导电材料填充沟槽。

因此，在载体材料中制成沟槽，载体材料优选不是多孔的。

然后，一旦制成沟槽，则载体材料被制成多孔。

通过蚀刻载体来制成沟槽。

相比于在多孔材料中形成沟槽的情况，通过依次进行沟槽蚀刻的步骤和沟槽多孔化的步骤，沟槽被更精确地限定。

通过依次执行沟槽蚀刻的步骤和沟槽多孔化的步骤，也降低了孔隙损坏的可能性，这能够获得质量更好的多孔材料并且能够最终实现灵敏度提高的传感器。

沟槽蚀刻的步骤和沟槽多孔化的步骤也以此顺序实施，以便避免制造沟槽所使用的产物污染所述多孔材料的孔隙。

为了覆盖被制成多孔的沟槽的底部和壁，可以完全地或可能部分地用导电材料填充沟槽。

因此，填充步骤能够形成基于所述导电材料的电极，所述导电材料被多孔材料包围并且可以通过多孔材料而对载体绝缘。

载体可以是基板，诸如基于半导体，特别是基于硅的块状基板。

相比于实施在SOI基板(SOI代表“绝缘体上的硅”)上，这种传感器实施在多孔基板上被更便宜地且更简单地实施。而且，通过多孔材料可以提供绝缘而不需要使用隐埋氧化物层。

载体可以由多个层的层叠体组成。

有利地，多孔材料可以由基板材料形成，例如基于被制成多孔的硅。

多孔材料可以还包括多孔介电材料，或者由多孔介电材料形成。

在使沟槽多孔化后且在用导电材料填充沟槽前，可以在通过多孔化所获得的所述多孔材料上形成(例如具有亚微米的孔隙尺寸的)介电材料，诸如MSQ或另一种绝缘材料。

通过多孔化所形成的多孔材料可以是纳米多孔材料，即具有纳米尺寸或纳米直径的孔隙。

通过多孔化所形成的多孔材料可以被设置有小直径的孔隙，例如介于2nm和100nm之间。

通过多孔化所形成的多孔材料也可以被制成具有大于30％的开口孔隙度。

这能够获得显著变大的表面并且能够固定显著数量的分子，特别是在电容传感器是湿度传感器时能够固定显著数量的水分子。

根据该方法的可能实施，可以进行使多孔材料亲水的处理。

通过执行这种处理，例如通过氧化多孔材料，可以提高多孔材料的亲水性。

对于电容传感器作为湿度传感器的应用，可以特别执行亲水位置的实施。

然后，所得的湿度传感器可以特别适用于检测低湿度含量，例如介于0％RH和10％RH之间或介于0％RH和20％RH之间的低湿度含量。

有利地，也可以使多孔材料功能化。

多孔材料可以进行功能化并且经历用一种或多种能够吸附所测定气体的特定化合物对孔隙表面进行的功能化，尤其当电容传感器是气体传感器时，特别适用于检测非常低水平的气体量。

当随后执行多孔材料的功能化和/或使多孔材料亲水的处理时，通过蚀刻和多孔化来完成沟槽的步骤的顺序是更加重要的。

事实上，实施这些步骤需要最大程度地减少多孔材料的表面上的污染物和孔隙中的污染物(例如用于形成沟槽的残余物或产物)。

然后，沟槽可以通过用于保护载体区域免受多孔化步骤的防护掩蔽物而制成。

该方法可以在填充步骤后进一步包括：通过使用防护掩蔽物作为平坦化的阻挡层来除去所述导电材料从沟槽的口部突出的区域。

本发明还提供了通过如上述定义的方法所得的在载体上形成的电容型传感器，该传感器包括至少一种给定的多孔材料，至少一种给定的多孔材料放置在至少一个第一电极与一个第二电极之间以及在至少一个电极与载体之间。

因此，为了使至少一个所述电极与所述载体电绝缘，多孔材料被放置在至少一个所述电极和载体之下。

给定的多孔材料的这种布置能够与载体更好地电绝缘，并且从而能够提高传感器的灵敏度。

给定的多孔材料能够使电容根据液体或气体的吸附量而变化，同时参与使电容与载体绝缘。

根据一种可能的实施，传感器可以布置为第一电极和第二电极被放置在所述多孔材料中。

根据一种可能的实施，传感器可以布置为第一电极被设置有位于第二电极的两个导电支路之间的至少一个导电支路(conducting branch)。

这些导电支路可以位于与载体平行的同一平面内。

第一电极和第二电极可以是具有相互交错的支路的梳形。

根据另一种可能的实施，多孔介质材料的一个或多个层可以包围并接触第一电极和/或第二电极。

根据一种特定的布置，多孔介电材料的层可以被放置在所述给定的多孔材料上。

附图说明

参考以下附图，经阅读仅用于说明目的而并非用于限制所给出的示例性实施方式的描述，将更好地理解本发明，其中：

图1A和图1B示出了使用根据本发明的方法易于实施的电容传感器的示例性布置，该电容传感器包括电极梳的齿被放置于其中的多孔材料，多孔材料也分布在传感器形成在其上的半导体基板与传感器的电极之间；

图2A至2E示出了根据本发明制造包括多孔材料的电容型湿度传感器的示例性方法；

图3示出了包括多孔介电材料的电容型湿度传感器的替代实施方式，多孔介电材料涂覆了电极的一部分，另一种多孔材料被放置在多孔介电材料与传感器形成在其上的基板之间，

图4示出了包括多孔介电材料的示例性电容型传感器的另一个替代实施方式，多孔介电材料涂覆了电极的一部分并且接触传感器形成在其上的基板。

给定的图的相同、类似或相当的部分标注了相同的附图标记，以便容易从一个附图切换至另一个附图。

为了使得附图更清晰，附图中不同的部分未按照统一比例进行表示。

具体实施方式

图1A-1B中示出了示例性电容传感器。

传感器形成在载体100上，载体100可以是基于半导体材料的基板，例如硅的块状基板。

传感器包括电容的电极115、125。

第一电极115可以被设置有：被称为“主”导电支路115₀的导电支路，该导电支路在与载体100平行的给定方向上延伸；和被称为“副”导电支路的导电支路115a、115b、115c、115d，导电支路115a、115b、115c、115d被连接到主导电支路115₀，并且在与主支路正交且与载体100平行的给定方向上延伸。

第二电极125也可以被设置有：主导电支路125₀，在与载体100平行的给定方向上延伸；副导电支路125a、125b、125c，被连接到主支路，并且在与主支路正交且与载体100平行的给定方向上延伸。

然后，电极115、125可以分别包括梳形的图案。

在图1A中，在顶视图中以相互交错的梳式示出电极115、125。

因此，以以下方式放置电极115和125：电极之一的至少一个副导电支路125a位于与载体平行的同一平面中，介于另一个电极的两个副导电支路115a、115b之间。

电极115、125被放置在厚度e＝e₁+e₂例如介于1μm和5μm之间的多孔材料108的区域中。

电极之间的多孔材料的厚度e₁，对应于放置在电极之间的多孔材料(在与载体平面正交的方向上所测量)的高度，可以设定为例如4μm，优选介于1μm和5μm之间。

此外，载体和至少一个电极之间的多孔材料的厚度e₂可以是例如至少1μm，优选介于0.5μm和5μm之间。

电极之间以及电极和载体之间放置的多孔材料的有效厚度有助于提高传感器的灵敏度。

多孔材料108被放置在电极115和125之间，并且将电极115、125与基板隔离。它从而可以同时充当传感器的电容的电介质和电极115、125与基板100之间的电绝缘体。

根据一种可能的实施，多孔材料108可以基于被制成多孔的基板100的材料。多孔材料108可以是例如多孔Si。

多孔材料108可以包括小直径的孔隙，例如介于2nm和100nm之间。这能够检测小的湿度或气体量。

多孔材料108可以被设置有例如介于20％和60％之间并且优选大于30％的开口孔隙度。这能够获得显著变大的表面并且能够固定显著数量的低湿度水分子。

多孔材料108还可以包括多孔介电材料，或可基于多孔介电材料。

根据电容传感器的具体应用，电容传感器可以被集成在湿度检测装置或湿度量测量装置中。

在这种情况下，多孔材料108可以包括亲水位置。当围绕电容的大气中的湿度变化时，与吸附水的量成比例地修改吸附湿度的多孔材料的层的介电常数。只要水的介电常数远大于所考虑的多孔材料的介电常数，即使是低湿度，这种变化也可以是显著的。当多孔材料108是Si时，多孔材料108的介质介电常数ε可以是例如约12，而水的介电常数ε是约80。

传感器可以适用于测量0％RH至20％RH的湿度含量，并且对例如介于0％RH至10％RH之间的低湿度含量也具有显著的灵敏度。

根据电容传感器的另一可能的具体应用，电容传感器可以被集成在气体检测装置或气体量测量装置中。在这种情况下，多孔材料108可以被功能化。

例如，为了检测CO₂，用具有通式[CH₂CH(CH₂NH₂)]n的聚(烯丙基胺)型化合物来功能化多孔材料。

为了检测NO₂，多孔材料例如覆盖有ITO(铟锡氧化物)。

参照图2A至2E，现将给出根据本发明制造上述类型的电容传感器的示例性方法。

该方法的起始材料可以是半导体材料的载体或晶片，例如厚度为约725μm的Si基板100，其可以包括抛光的正面(图2A)。

然后，防护层102形成基板100的正面上。此防护层102被设置用于在随后的多孔化步骤期间保护它覆盖的基板区域。

特别地，防护层102可以基于易于对基于HF的化学侵蚀有抗性的材料。因此，防护层102可以例如基于Si₃N₄，并且具有约30nm的厚度。或者，可以通过氧化载体100以形成硅氧化物TeOS层，然后将Si₃N₄沉积在TeOS层上来制造防护层102(图2B)。

然后，在基板100中制作沟槽105，沟槽105穿过防护层102。为此，可以通过具有开口的掩蔽物104蚀刻防护层102。

因此，在防护层102中复制开口。所使用的掩蔽物104可以例如基于光致抗蚀剂。

然后，通过使用防护层102作为硬掩模来蚀刻基板100。形成在基板100中的沟槽105具有例如介于1μm和5μm之间的深度(图2B)。

对于一些应用，沟槽可以更深，例如约20μm。

然后，除去树脂掩蔽物104。

制造竖直的沟槽可以包括一个或多个使用SF₆的蚀刻步骤，随后使用C₄F₈执行钝化沟槽的壁和底部的步骤。蚀刻后，可以实施从沟槽的壁和底部除去C₄F₈的步骤。例如可以通过使用O₂等离子体并且在400℃下氧气下退火执行此除去步骤。然后，为了除去所形成的氧化物厚度和易于含有的C₄F₈残留物，例如使用例如1％或5％HF来使表面去氧化。

此处理后，对所获得的沟槽的侧面和底部的表面进行去污。

然后，为了获得由沟槽所露出的基板100材料的彻底去污，可以执行一个或多个额外的去氧化-除去的循环。

然后，在沟槽105的壁和底部处进行载体材料的多孔化。因此，基板100材料在与沟槽邻接或接壤的区域中可以制成多孔的(图2C)。

特别是当基板100基于Si时，可以用电化学方法，并且确切地通过在氢氟酸介质中的阳极溶解来执行此多孔化。为此，可以将基板100浸入在浓度例如介于1％至50％之间的氢氟酸介质中。

在此方法中，由在防护层102中制成的开口所暴露的基板100的正面区域随着阳极氧化进行而被消耗，而基板100的另一面充当偏压装置(polarizing means)的接触元件。所形成的多孔材料108的厚度可以例如介于1μm和3μm之间。

因此，一旦制成了沟槽，就仅将位于沟槽的壁和底部处的载体材料制成多孔的。

非多孔材料的蚀刻能够更好地限定沟槽，而通过在沟槽形成后进行多孔化，防止了用于蚀刻或去氧化的产物，特别是具有疏水性能的C₄F₈污染孔隙。

因此，获得了没有污染物并且具有更优质量的多孔材料。

然后，形成用于传感器的电极。

为此，首先在沟槽105中沉积导电材料110(图2D)。导电材料110可以是金属材料，诸如AlCu。可以例如通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)进行沉积。

然后，为了形成电极115、125，可以例如通过CMP(化学机械抛光)进行平坦化或抛光以除去导电材料110从沟槽的口部突出的区域。在多孔化期间充当防护掩模的层102可以有利地进一步充当导电材料102的抛光阻挡层。随后可以除去此层102(图2E)。

特别是当传感器被用作湿度传感器时，可以执行使多孔材料108亲水的处理。可以例如使用H₂O₂执行此处理。特别是当传感器被用作湿度传感器时，可以执行使多孔材料108亲水的处理。

可以在多孔化步骤与用导电材料110填充沟槽105的填充步骤之间或者在通过CMP除去层110和102后执行此处理。

根据制造传感器的替代方法，尤其是当传感器被用作气体传感器时，可以执行功能化多孔材料108，特别是在沟槽105的壁处的多孔材料108的步骤。

可以例如在多孔化步骤后并且在用导电材料110填充沟槽105的填充步骤前进行此功能化。例如，为了检测CO₂，可以用聚(烯丙胺)型的化合物(具有化学通式：[CH₂CH(CH₂NH₂)]_n)功能化多孔材料。为了检测NO₂，用例如ITO(铟锡氧化物)覆盖多孔材料。

根据图3中所示的传感器的替代实施方式，在执行多孔化后，可以用例如SiOCH或MSQ类型的多孔介电材料158的一个或多个层覆盖沟槽壁。

根据图4中所示的传感器另一个替代实施方式，为了在沟槽105的壁和底部处形成彼此不接触的多孔介电材料258的区域，在制成沟槽105后，可以执行多孔化步骤。

当传感器被用来检测湿度或专用于检测特定气体(诸如CO、CO₂、NO₂和CH₄)的特定多孔材料时，介电材料258可以是易于吸附水分子的材料。

然后，用导电材料填充沟槽105，以便形成电极115和125。对于此替代方案，为了使电极115和125彼此绝缘并且使电极115和125与基板100绝缘，布置多孔绝缘材料258以包围并且接触电极115、125中的一个。在此实例中，通过基板100的区域将多孔介电材料的区域258与这些区域258所涂覆的电极彼此分离。

这种实施方式可以被设置在以下情况中：例如通过PECVD来化学沉积区域258的多孔介电材料，或者用电化学方法形成的多孔材料的厚度薄。

对于此替代方案，覆盖沟槽的壁和底部的多孔材料的厚度可以被设置成较厚，且优选至少等于2μm，以使得气体或水蒸汽能够扩散到多孔材料中。

现将给出电容传感器的详细的特定示例性实施方式。

在此实例中，传感器被设置有：在0％的相对湿度(RH)下理论电容为45pf，并且副导电支路115a、115b、115c、115d、125a、125b、125c为约150。

副支路具有约1000μm的长度和约3μm的厚度，并以约1.2μm的距离彼此隔开。

在此实例中，多孔材料108是Si，并且具有约3μm的厚度、约12的介电常数以及约35％的开口孔隙率。

根据本发明的传感器的应用很多。

除了密封部件中的湿度检测，在这些应用中可以为：陶瓷工业中用于零件在烧制前的干燥控制的湿度测量；造纸厂和文具店中的湿度测量；食品工业中的湿度测量；温室湿度中的湿度测量；电子工业中用于洁净室控制的湿度测量；医院中的湿度测量；汽车室内的湿度测量。

根据本发明的传感器也可以被用于在测量工业场所中例如在萃取位置处以大规模生产的气体中的水痕量。

根据本发明的传感器也可以被用于气体控制装置中，例如尤其在用于合成纯物质(诸如药物)的方法中湿度被禁止的工业场所中，或者例如制造聚合物的场所中。

根据本发明的传感器也可以被用于检测微电子工业中的密封部件中的泄漏和由壳体保护的加速计、陀螺测试仪或压力传感器型的微系统中的泄漏。

Claims (7)

1.一种制造电容传感器的方法，包括以下步骤：

通过蚀刻至少一种给定的材料而在基于所述至少一种给定的材料的载体(100)中形成沟槽(105)；

使所述给定的材料在所述沟槽的壁和底部制成多孔；

使用导电材料(110)填充所述沟槽(105)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过防护掩蔽物(102)制成所述沟槽，在填充所述沟槽的步骤后，所述方法进一步包括通过平坦化来除去所述导电材料(110)从所述沟槽的口部突出的区域。

3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括处理使给定的多孔材料亲水的步骤。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，进一步包括功能化所述多孔材料的步骤。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中，所述载体是硅类基板。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的制造电容传感器的方法，其中，在使所述给定的材料制成多孔的步骤后且在填充所述沟槽的步骤前，包括在所述沟槽中沉积介电材料。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的制造电容传感器的方法，其中，形成所述沟槽包括交替进行使用SF₆的蚀刻阶段和使用C₄F₈的钝化阶段，随后使用O₂等离子体进行处理的一个或多个步骤。