CN110715962A - 湿度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于，提供能够抑制下部电极上小丘的产生的湿度传感器及其制造方法。用于解决课题的方法为一种湿度传感器，具有形成于基板上的下部电极、形成于前述下部电极上并且抑制前述下部电极的塑性变形的塑性变形抑制膜、隔着前述塑性变形抑制膜覆盖前述下部电极的湿敏膜、以及形成于前述湿敏膜上的上部电极。
Description
技术领域
本发明涉及电容式的湿度传感器及其制造方法。
背景技术
湿度传感器中，有使用湿敏膜作为电介质的电容式湿度传感器，该湿敏膜由介电常数根据吸收的水分量发生变化的高分子材料形成。作为该电容式的湿度传感器的电极结构，已知梳齿型、平行平板型。
梳齿型是下述结构：将一对相对的梳齿状电极设于同一平面上，在该一对梳齿状电极上设置湿敏膜(例如参照专利文献1)。
平行平板型是下述结构：在形成于基板上的下部电极与相对地设于该下部电极上的上部电极之间，设有湿敏膜。该平行平板型湿度传感器中，湿敏膜使用例如旋涂和光刻技术在形成有下部电极的基板上形成。作为形成该湿敏膜的高分子材料，例如提出了在使用聚酰亚胺形成湿敏膜后对湿敏膜进行热处理(例如参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2009-516192号公报
专利文献2：日本特开平4-19553号公报
发明内容
发明所要解决的课题
可是，制造平行平板型湿度传感器时，如果在下部电极上形成湿敏膜后对湿敏膜进行热处理，则存在下部电极被加热而发生迁移现象的可能。如果下部电极中发生迁移现象，则被称为小丘(hillock)的突起物在下部电极表面自发生长。当突起物在下部电极上生长、该突起物贯穿湿敏膜的情况下，下部电极与上部电极会发生电短路，湿度传感器无法运转。
本发明的目的在于，提供能够抑制下部电极上小丘的产生的湿度传感器及其制造方法。
用于解决课题的方法
公开的技术为一种湿度传感器，具有：形成于基板上的下部电极，形成于前述下部电极上、抑制前述下部电极的塑性变形的塑性变形抑制膜，隔着前述塑性变形抑制膜覆盖前述下部电极的湿敏膜，以及形成于前述湿敏膜上的上部电极。
发明的效果
根据本发明，可实现能够抑制下部电极上小丘的产生的湿度传感器。
附图说明
图1为用于说明现有技术的问题点的湿度传感器的截面图。
图2为显示第1实施方式涉及的湿度传感器的概略构成的平面图。
图3为概略性显示沿图2的A-A线的截面的截面图。
图4为显示湿度传感器的制造工序的工序图。
图5为显示湿度传感器制造时的截面结构的图。
图6为显示湿度传感器制造时的截面结构的图。
图7为显示由塑性变形抑制膜带来的小丘抑制效果的光学显微镜照片。
图8为显示第1实施方式的变形例涉及的湿度传感器的概略构成的截面图。
图9为显示第2实施方式涉及的湿度传感器的概略构成的截面图。
图10为显示由保护膜的厚膜化带来的小丘抑制效果的光学显微镜照片。
附图标记说明
10：下部电极；10a：第1导电膜；11：湿敏膜；12：上部电极；12a：开口；20：绝缘基板；21：绝缘膜；22：塑性变形抑制膜；22a：第2导电膜；23：保护膜；24：保护膜；25：外涂层膜；30：抗蚀剂图案；40：突起物(小丘)；50：底膜；60：塑性变形抑制膜；100、100a、100b、200：湿度传感器。
具体实施方式
<现有技术的问题点的说明>
在对用于实施发明的方式进行说明前，更具体地对现有技术的问题点进行说明。图1为用于说明现有技术的问题点的湿度传感器200的截面图。
湿度传感器200为平行平板型的电容式湿度传感器。下部电极10隔着绝缘膜21设于绝缘基板20上。下部电极10上，隔着保护膜23设有湿敏膜11。保护膜23例如为厚度100nm的氧化硅(SiO2)膜。湿敏膜11例如由聚酰亚胺形成。
湿敏膜11上形成有具有多个开口12a的上部电极12。上部电极12上，隔着保护膜24形成有外涂层膜25。
制造湿度传感器200时，制成湿敏膜11后，对湿敏膜11进行热处理。有下部电极10中由于该热处理而发生迁移现象的可能。如果下部电极10中发生迁移现象，则如同一附图所示，被称为小丘的突起物40从下部电极10自发生长。如果该突起物40贯穿湿敏膜11，则下部电极10与上部电极12会发生电短路，湿度传感器200无法运转。其中，小丘也包括被称为晶须的针状等突起物。
其中，同一附图中，在下部电极10上设有保护膜23，但该保护膜23是以抑制下部电极10的氧化、腐蚀等的影响为目的，因此无法抑制突起物40的产生。
以下，参照附图对用于实施发明的方式进行说明。各附图中，有时对同一构成部分给予同一符号，并省略了重复说明。
<第1实施方式>
[概略构成]
对第1实施方式涉及的湿度传感器的构成进行说明。图2为显示第1实施方式涉及的湿度传感器100的概略构成的平面图。图3为概略性显示沿图2的A-A线的截面的截面图。其中，图2中，仅概略性显示了湿度传感器100所含的下部电极10、湿敏膜11和上部电极12。
湿度传感器100为平行平板型的电容式湿度传感器。湿度传感器100是以硅(Si)基板等绝缘基板20为基础形成的。绝缘基板20上设有由SiO2等形成的绝缘膜21。
绝缘膜21上设有平板状的下部电极10。下部电极10例如是由作为铝合金中的一种的Al-Si-Cu合金形成的导电膜。下部电极10的厚度例如为200nm。其中，下部电极10也可以由Al-Si合金等其他铝合金形成。
下部电极10上设有用于抑制下部电极10的塑性变形的塑性变形抑制膜22。塑性变形抑制膜22仅设于下部电极10的表面上，与下部电极10具有同样的平面形状。塑性变形抑制膜22是比下部电极10硬的膜，例如为氮化钛(TiN)膜。塑性变形抑制膜22的厚度优选为100nm以上。塑性变形抑制膜22的厚度例如设为100nm。其中，塑性变形抑制膜22不限于TiN膜，也可以是TiW膜等。
塑性变形抑制膜22具有导电性，与下部电极10接触，因而作为下部电极10的一部分发挥功能。
塑性变形抑制膜22上设有由氧化硅等形成的保护膜23。保护膜23覆盖塑性变形抑制膜22的上表面、以及塑性变形抑制膜22和下部电极10的侧面。保护膜23的厚度例如为100nm。保护膜23可以由氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiN)形成。
下部电极10上，隔着塑性变形抑制膜22和保护膜23设有湿敏膜11。湿敏膜11覆盖保护膜23、塑性变形抑制膜22和下部电极10整体。湿敏膜11由厚度0.5μm～1.5μm的容易吸附水分子的高分子材料形成。湿敏膜11例如优选为厚度1μm的聚酰亚胺膜。
其中，形成湿敏膜11的高分子材料不限于聚酰亚胺，也可以是纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)等。此外，塑性变形抑制膜22上的保护膜23不是必需的，也可以直接将湿敏膜11设于塑性变形抑制膜22上。
湿敏膜11的上表面是平坦的，该上表面上形成有平板状的上部电极12。上部电极12是例如由厚度200nm的铝(Al)等形成的导电膜。上部电极12隔着湿敏膜11、保护膜23和塑性变形抑制膜22与下部电极10相对。
为了有效地将空气中的水分子吸收入湿敏膜11，上部电极12形成有多个开口12a。由于这些开口12a，上部电极12的平面形状呈格子状。开口12a优选尽可能小，越小则越能防止电场向空气中的泄露。实际上，形成有许多开口12a。其中，上部电极12的平面形状不限于格子状，也可以为梯子状等。
上部电极12上形成有由氧化硅等形成的保护膜24。该保护膜24是为了防止上部电极12的氧化、腐蚀而设置的，但不是必需的。
上部电极12上，隔着保护膜24设有外涂层膜25。外涂层膜25由高分子材料形成，例如，由与湿敏膜11相同的材料形成。外涂层膜25的厚度例如为0.5μm～10μm。
其中，外涂层膜25上，设有使上部电极12的一部分露出的电源连接用开口(未图示)。此外，外涂层膜25和湿敏膜11上设有使下部电极10的一部分露出的电源连接用开口(未图示)。
[制造方法]
接下来，对湿度传感器100的制造方法进行说明。图4为例示湿度传感器100的制造工序的工序图。图5和图6为显示湿度传感器100制造时的截面结构的图。
首先，准备作为绝缘基板20的硅晶圆(步骤S1)。接下来，如图5(A)所示，在绝缘基板20上制成作为绝缘膜21的SiO2膜(步骤S2)。
接下来，如图5(B)所示，在绝缘膜21上，将用于形成下部电极10的第1导电膜10a按照例如200nm的膜厚进行制膜，并且在第1导电膜10a上，将用于形成塑性变形抑制膜22的第2导电膜22a按照例如100nm的膜厚进行制膜。由此，第2导电膜22a层叠在第1导电膜10a上。例如，第1导电膜10a的材料为Al-Si-Cu合金，第2导电膜22a的材料为TiN。
接下来，在第2导电膜22a上形成抗蚀剂膜，通过进行光刻，如图5(C)所示形成规定形状的抗蚀剂图案30。然后，以抗蚀剂图案30为掩模，通过离子铣削等蚀刻法对第2导电膜22a进行加工，接着对第1导电膜10a进行加工。之后，除去抗蚀剂图案30，洗涤。由此，如图5(D)所示，形成下部电极10和塑性变形抑制膜22(步骤S3)。
接下来，以覆盖在塑性变形抑制膜22上的方式以例如100nm的膜厚制成作为保护膜23的SiO2膜(步骤S4)。而且，如图6(A)所示，隔着保护膜23以覆盖塑性变形抑制膜22和下部电极10整体的方式形成湿敏膜11(步骤S5)。具体地，例如用旋涂、棒涂、喷涂等方法将作为高分子材料的聚酰亚胺以例如1μm的厚度涂布，进行预烘烤。然后，在湿敏膜11上形成抗蚀剂图案(未图示)，基于该抗蚀剂图案将湿敏膜11加工成规定的形状。之后，除去抗蚀剂图案，洗涤。
而且，对于湿敏膜11，例如在350℃的氮气气氛中进行约3小时的加热处理(步骤S6)。通过该加热处理，湿敏膜11形成交联结构而固化。
接下来，在湿敏膜11上形成第3导电膜，通过基于抗蚀剂图案对其进行加工，如图6(B)所示，形成规定形状的上部电极12(步骤S7)。
接下来，以覆盖在上部电极12上的方式制成作为保护膜24的SiO2膜(步骤S8)，隔着保护膜24，以覆盖上部电极12的方式形成外涂层膜25(步骤S9)。外涂层膜25例如使用作为与湿敏膜11相同的高分子材料的聚酰亚胺形成。外涂层膜25的制膜方法与湿敏膜11的制膜方法是同样的。之后，通过进行与步骤S6同样的热处理(步骤S10)，完成图3所示构成的湿度传感器100。
[效果]
第1实施方式涉及的湿度传感器100中，下部电极10上设有比下部电极10硬的塑性变形抑制膜22，因而形成湿敏膜11后对湿敏膜11进行热处理所导致的下部电极10的塑性变形和迁移现象的产生受到抑制。其结果是，图1所示那样的小丘(突起物40)的产生受到抑制，小丘导致的下部电极10与上部电极12的短路受到抑制。
图7为显示由塑性变形抑制膜22带来的塑性变形抑制效果的光学显微镜照片。图7(A)为图1所示的不具有塑性变形抑制膜的湿度传感器200中，对湿敏膜11进行了热处理(350℃、3小时)情况下形成上部电极12后的光学显微镜照片。另一方面，图7(B)为第1实施方式涉及的具有塑性变形抑制膜的湿度传感器100中，对湿敏膜11进行了热处理(350℃、3小时)情况下形成上部电极12后的光学显微镜照片。任一情况下保护膜23均设为厚度100nm的SiO2膜。
如图7(A)所示，未设置塑性变形抑制膜22的情况下，确认到产生多个小丘，使下部电极10与上部电极12之间短路。而如图7(B)所示，设有塑性变形抑制膜22的情况下，确认到小丘的产生受到抑制。塑性变形抑制膜22设为厚度100nm的TiN膜。
<第1实施方式的变形例>
接下来，对第1实施方式涉及的湿度传感器100的变形例进行说明。图8为显示第1实施方式的变形例涉及的湿度传感器100a的概略构成的截面图。
如图8所示，湿度传感器100a中，在下部电极10的下表面形成有底膜50。湿度传感器100a的其他构成与第1实施方式涉及的湿度传感器100是同样的。
底膜50例如为TiW膜。其中，底膜50不限于TiW膜，也可以是TiN膜等。底膜50具有导电性，与下部电极10接触，因而也作为下部电极10的一部分发挥功能。
底膜50是通过在制成图5(B)所示的第1导电膜10a之前，在绝缘膜21上制作用于形成底膜50的第3导电膜而形成的。制作该第3导电膜后，制作第1导电膜10a和第2导电膜22a，基于抗蚀剂图案30将第3导电膜与第1导电膜10a和第2导电膜22a一起图形化，从而在下部电极10下形成底膜50。
这种情况下，优选例如将塑性变形抑制膜22和底膜50一起设为TiW膜，将下部电极10设为铝合金膜(例如Al-Si-Cu合金膜)。此外，优选将塑性变形抑制膜22的厚度设为60nm，将底膜50的厚度设为200nm。
<第2实施方式>
接下来，对第1实施方式涉及的湿度传感器进行说明。第1实施方式中将塑性变形抑制膜设为导电膜，而在第2实施方式中将塑性变形抑制膜设为绝缘膜。
图9为显示第2实施方式涉及的湿度传感器100b的概略构成的截面图。
如图9所示，湿度传感器100b中，塑性变形抑制膜60由覆盖在下部电极10上的绝缘膜形成。构成塑性变形抑制膜60的绝缘膜例如为下部电极10上的膜厚T为400nm以上的SiO2膜。其中，保护膜23不限定于SiO2膜，也可以是SiN膜、Al2O3膜。这种情况下，也优选膜厚T为400nm以上。
湿度传感器100b相当于在第1实施方式的湿度传感器100中将塑性变形抑制膜22除去、使保护膜23厚膜化而成的构成。
湿度传感器100b的其他构成与第1实施方式涉及的湿度传感器100是同样的。
即使以这种方式将塑性变形抑制膜60设为绝缘膜的情况下，也能够通过增大膜厚T，抑制下部电极10中迁移现象的产生，抑制小丘的产生。
图10为显示由保护膜23的厚膜化带来的小丘抑制效果的光学显微镜照片。图10(A)为设为T＝100nm、对湿敏膜11进行了热处理(350℃、3小时)情况下热处理后的光学显微镜照片。而图10(B)为设为T＝400nm、对湿敏膜11进行了热处理(350℃、3小时)情况下热处理后的光学显微镜照片。任一情况下，保护膜23均设为SiO2膜。
如图10(A)所示，T＝100nm的情况下，确认到产生多个小丘，使下部电极10与上部电极12之间短路。而如图10(B)所示，T＝400nm的情况下，确认到小丘的产生受到抑制。
第2实施方式涉及的湿度传感器100b中，膜厚T越大，小丘的抑制效果越好。可是，湿度传感器100b中，塑性变形抑制膜60是绝缘性的，因而不作为下部电极10的一部分发挥功能，且不吸收水分，因此膜厚T越大，湿敏膜11介电常数的变化量越小。因此，膜厚T越大，由湿度传感器100b得到的湿度检测灵敏度越低。因此，优选膜厚T不大至必要以上，而是设为400nm左右。
其中，作为第2实施方式的变形例，可以与图8所示的第1实施方式的变形例同样地在下部电极10的下表面设置作为底膜的TiW膜、TiN膜。
此外，上述第1和第2实施方式中，上部电极12上设有保护膜24，也可以代替保护膜24、或者在上部电极12与保护膜24之间，设置与上述塑性变形抑制膜22或塑性变形抑制膜60同样的塑性变形抑制膜。对覆盖上部电极12的外涂层膜25进行了热处理(图4的步骤S10)，所以有产生小丘的可能，但通过在上部电极12上设置塑性变形抑制膜，小丘的产生受到抑制。但是，即使上部电极12上产生了小丘，该小丘也不会导致发生电极间的短路，因而在上部电极12上设置塑性变形抑制膜不是必需的。
以上，详细对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，可以在不脱离本发明的范围的情况下对上述实施方式进行各种变形和替换。
此外，本公开中，“基板上”的措辞不仅包括与基板表面相接的情况，也包括隔着其他要素间接配置在基板表面上的情况。关于“膜上”、“电极上”的措辞也是同样的。
Claims (12)
1.一种湿度传感器，具有：
形成于基板上的下部电极，
形成于所述下部电极上、抑制所述下部电极的塑性变形的塑性变形抑制膜，
隔着所述塑性变形抑制膜覆盖所述下部电极的湿敏膜，以及
形成于所述湿敏膜上的上部电极。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，所述湿敏膜由聚酰亚胺形成。
3.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，所述塑性变形抑制膜由比所述下部电极硬的材料形成。
4.根据权利要求3所述的湿度传感器，所述塑性变形抑制膜为导电膜。
5.根据权利要求4所述的湿度传感器，所述导电膜为TiN膜或TiW膜。
6.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，所述塑性变形抑制膜为绝缘膜。
7.根据权利要求6所述的湿度传感器，所述绝缘膜为SiO2膜、SiN膜或Al2O3膜。
8.根据权利要求6所述的湿度传感器，所述绝缘膜为膜厚400nm以上的SiO2膜。
9.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，所述下部电极由铝合金膜形成。
10.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，进一步具有在所述下部电极的下表面形成的底膜。
11.根据权利要求10所述的湿度传感器，所述底膜为TiN膜或TiW膜。
12.一种湿度传感器的制造方法，具有：
通过对层叠于基板上的第1导电膜和第2导电膜进行加工，形成设于所述基板上的下部电极和设于所述下部电极上、抑制所述下部电极的塑性变形的塑性变形抑制膜的工序，
以隔着所述塑性变形抑制膜覆盖所述下部电极的方式形成湿敏膜的工序，
对所述湿敏膜进行热处理的工序，以及
在所述湿敏膜上形成上部电极的工序。
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