CN111480068A - 用于制造湿度传感器的方法及湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种制造相对湿度传感器的方法，包括以下步骤：a)提供底部基板，b)在基板上或上方提供第一和电连接器件，c)提供绝缘层，用于将第一电极与电连接器件电绝缘，d)在第一电极的区域中的绝缘层上方提供无机多孔介电层，e)通过掠入射沉积在多孔介电层上方提供与电连接器件电连接的第二电极。此外，本发明涉及通过该方法获得的相对湿度传感器。

Description

用于制造湿度传感器的方法及湿度传感器
技术领域
本发明涉及用于制造湿度传感器的方法以及湿度传感器。
背景技术
这样的相对湿度传感器在本领域中是已知的。US 4,651,121公开了一种湿度传感器，其包括基板、在基板上方的底部电极以及夹在底部电极和上部电极之间的有机湿敏膜。当水蒸气进入湿敏膜时，传感器的电容发生变化。通过检测电容的相应变化，此作用可用于确定大气中水蒸气含量的变化。基于有机材料的相对湿度传感器由于材料的化学老化而固有地经历退化，并且是热敏感的，尤其由于低的玻璃温度转变。
US 8,783,101 B2公开了另一种基于纳米结构的氧化铝膜的相对湿度传感器。它包括由Al基板制成的阳极氧化铝薄膜形式，该Al基板也用作一个电极。在阳极氧化铝膜上形成多孔金属层作为第二电极。该传感器是通过对铝板进行冲压并对其进行阳极氧化以形成多孔氧化铝而获得的，然后通过溅射在氧化铝上方形成多孔金属层。使用使用弹簧触头或导电胶连接到电极的可焊接电极引脚，可以将获得的传感器插接或焊接到电路中。然而，所公开的制作方法不能实施为高产量的微细加工装置，该微细加工装置将允许去除所有机械组装步骤并减小部件之间的差异。部件组装很繁琐，可能会导致对准精度不足。此外，可以观察到部件的不希望的分层。
发明内容
因此，本发明的目的是要改进使用无机湿度敏感层的相对湿度传感器的制造。
该目的通过根据权利要求1所述的制造相对湿度传感器的方法来实现，该方法包括以下步骤：a)提供底部基板，b)在基板上或上方提供第一电极和电连接器件，c)提供绝缘层，用于将第一电极与电连接器件电绝缘，d)在第一电极的区域中的绝缘层或第一电极上方提供无机多孔介电层，以及e)通过掠入射沉积在多孔介电层中或上方提供第二电极，特别是多孔第二电极，并将第二电极电连接到电连接器件。通过提供绝缘层，变得可以利用导致高产量和可靠性的微细加工工艺步骤。与现有技术中的机械组装相比，使用微细加工简化了各个部件的组装，并且可以在微细加工的严格限制内实现对准。同时，所获得的传感器比具有有机电介质的传感器更不易老化，并且可以使用更宽的温度范围，尤其是对于甚至超过300℃的温度。
根据一实施例，无机多孔介电层可以包括氧化铝，该氧化铝可以使用高产量的制造方法来生长。
根据一实施例，步骤d)可以包括沉积铝层的步骤和通过电解生长来生长多孔氧化铝层的步骤。例如，草酸溶液可以用于电解生长，其中生长由电解电流驱动。电解生长可以在微细加工的环境中实现，并且可以生长出适用于相对湿度传感器的多孔层。
根据一实施例，可以在绝缘层中提供导电漏极以将铝层与第一电极电连接。因此，在电解生长期间，漏极允许通过第一电极耗用电流。
根据一实施例，可以在同一底部基板上形成多个相对湿度传感器，然后提供第一电极，使得它们彼此电连接。此特征简化了实现电解生长的设置。
根据一实施例，无机多孔介电层的孔隙率在5％至99％的范围。在此孔隙率范围内，来自被探测的流体或气体中的水分会进入介电空间，从而通过穿透多孔网络而改变电容，且水分被吸收到该结构上。
根据一实施例，提供第二电极的步骤e)可以包括通过掠入射沉积来沉积导电层。掠入射沉积具有的优点为沉积的颗粒或原子不会深入穿透到多孔网络中，使得电极层基本上保留在多孔介电层的表面上。穿透深度d的厚度估算为：
d∝Φtan α 方程式1
对于孔中的每个，长度Φ为孔直径，α为粒子或原子束与多孔网络表面之间的角度。
根据一实施例，掠入射沉积可以是金属蒸气掠入射沉积。利用气相沉积技术，例如溅射、电子束蒸发或任何其他合适的沉积方法，可以通过向基板的侧面提供靶而不是向基板的表面的对面提供靶来实现掠入射沉积。
根据一实施例，蒸发的材料流与无机多孔介电层的表面的角度可以小于45°，特别是小于30°。沉积角越小，在多孔层内部沉积的原子越少，并且进入多孔材料的穿透深度越低，从而与在90°下进行沉积相比，传感器的电性能得到改善。
根据一实施例，基板是无源基板，特别是Si基板，或专用集成电路(ASIC)型基板。
根据一实施例，该方法可以包括在步骤c)之前在第一电极上提供导电层的步骤。导电层形成与第二电极相对的对电极(counter electrode)，并且其形状可以适于获得改善的电耦合，并因此改善传感器的电容特性。
根据一实施例，至少在一个维度上，无机多孔介电层的厚度可以在1μm至5μm的范围，并且横向延伸部可以在10μm至800μm的范围。使用本发明的方法，可以进一步减小传感器的尺寸，同时保持检测相对湿度的效率。
本发明的目的还通过一种特别是通过上述方法获得的相对湿度传感器来实现，该相对湿度传感器包括：基板，在基板上或上方的第一和电连接器件，在第一电极上方并且至少排除电连接器件的绝缘层，绝缘层上方的无机多孔介电层，以及第二电极，特别是多孔第二电极，其电连接至无机多孔介电层中或上方的电连接器件。
本发明的湿度传感器可以使用具有超过90％的高产率和可靠性的微细加工装置来制造。由于使用了无机电介质，可以减少或防止像有机层那样的化学老化。此外，可以实现在300℃以上的温度下工作的传感器。因此，所获得的本发明的传感器在比具有有机介电层的传感器的温度范围大的范围内起作用。该传感器可用于检测油或其他流体中气体和/或水中的湿度。
根据一实施例，无机多孔层可以包含孔隙率为5％至99％和/或厚度为200nm至10μm的氧化铝或其他绝缘性多孔无机材料。根据一实施例，第二电极可以是金或任何气相沉积的导电多孔层。
附图说明
现在将以示例性方式并参考附图使用有利的实施例更详细地描述本发明。所描述的实施例仅仅是可能的构造，并且必须牢记，在实现本发明时，如上所述的各个特征可以彼此独立地提供或者可以完全省略。
图1a-1f示意性地示出了根据本发明的制造相对湿度传感器的方法；
图2a和2b示出了图1a至1f所示的第一实施例的变型；
图3示出了多孔介电层的俯视图；和
图4示出了通过掠入射沉积进行的第二电极沉积的细节。
具体实施方式
图1a至图1f示出了根据本发明的制造相对湿度传感器的方法。它示出了一个相对湿度传感器的形成，然而，应当理解，所描述的工艺是允许同时形成多个传感器结构的微细加工工艺。
图1a示出了基板1。在随后的工艺步骤中，将形成构建相对湿度传感器所需的各个层。已经使用层沉积和图案化步骤处理了基板1，使得在基板1的表面内或表面上存在第一电极3和电连接器件5。基板1可以是硅基板、蓝宝石基板或用于微细加工生产线的任何其他基板。作为替代方案，专用集成电路(ASIC)也可以用作根据本发明的工艺的起始材料。第一电极和电连接器件是金属的，例如来自于Al、Cu、Au或来自于任何其他合适的材料。
图1b示出了进一步的层沉积和图案化步骤以获得第一电极3上的导电层7的结果。优选地，导电层7由与第一电极相同的材料制成。它具有在10至500nm的范围内的厚度。导电层7至少在一个维度上具有在10μm至800μm的范围内的横向延伸。
图1c示出了绝缘层沉积和图案化步骤的结果。所获得的绝缘层9在导电层7和第一电极3上方横向延伸，但是不覆盖电连接器件5。绝缘层9可以是SiO2层或由任何其他合适的绝缘材料制成。它具有在1nm至500nm的范围内的厚度。
图1d示出了铝沉积和图案化步骤的结果。将在随后的工艺步骤中在介电层中转变的铝层11具有1nm至1000nm的厚度，并且基本上具有与导电层7的横向延伸部a相对应的横向延伸部b。
图1e示出了将铝层11转变为多孔介电氧化铝层的电解生长步骤的结果。电解生长是在酸性介质(例如草酸)中实现的，并且是电驱动的。它将AI层11转变成多孔介电氧化铝层13。介电氧化铝层13具有1μm至5μm的厚度，并且具有与导电层7基本相同的横向延伸。进一步控制生长条件，使得整个铝层11转变成氧化铝。
图2a示出了本发明工艺的第一变体，其中在如图1d和1e所示的工艺之间引入了附加的工艺步骤。在沉积铝层11之前，一个或多个通孔蚀刻在导电层7上方区域的绝缘层9中，并填充有导电材料，例如Al，以在绝缘层9中提供电漏极35。漏极35允许在电解生长期间，特别是当在晶圆尺度上第一电极3被全部电互连时，将第一电极3用作电耗(current drain)。
图2b示出了本发明工艺的第二变化例。代替如图1d所示的将铝层11沉积在绝缘层9上，它直接沉积在底部电极3上的导电层7上。为此，实现了与图1c所示的步骤相关的图案化步骤，使得导电层7的表面变为至少部分为自由的，使得可以将铝层11沉积到层9上。同样，在此情况下，底部电极在晶圆尺度上相互连接，并且可以提供在电解生长期间的电耗。
图3示出了多孔介电层13的俯视图。它示出了由氧化铝壁15和空隙17形成的通道基质。根据生长条件，可以实现5％至99％的孔隙率。
图1f示出了在多孔介电氧化铝层13上形成第二电极19的沉积步骤的结果。第二电极19与电连接器件5电接触。这可以在相同的工艺步骤中或通过额外的层沉积和图案化步骤实现。在该实施例中，第二电极层是金层，但是在变化例中可以使用任何其他合适的导体。第二电极19具有在0.2nm至30nm的范围内的典型厚度。
之后，将基板划割(dicing)，并封装各个传感器。当使用互连的第一电极3作为电耗时，如以上关于图2a和2b所解释的，划割将使第一电极3彼此隔离。
图1f还示出了本发明的相对湿度传感器31的结构。该传感器31的功能如下。气体或流体中的湿气可以进入多孔通道基质，从而改变多孔氧化铝层13的介电性能。该变化又可以通过由导电层7、多孔氧化铝层13和第二电极19形成的电容器的电容的变化来感测。经由第一电极3和电连接器件5，相应的信号可以输出到传感器的控制电路。缺少有机材料可提供长期稳定性以及传感器可以起作用的扩展温度范围。实际上，该传感器甚至可以在超过300℃的温度下工作。由于使用了微细加工工艺步骤，因此还可以以高产量和可靠性进行批量生产。
图4示意性地示出了图1f中示出的步骤的沉积工艺。根据本发明使用的沉积方法是基于气相沉积方法的掠入射沉积(grazing incidence deposition)。在该方法中，蒸发原子21(例如，金原子)的流动不像标准沉积方法中那样垂直于表面撞击，而是相对于多孔介电氧化铝层13的表面23并考虑到射束的发散而以基本上小于45°，特别是小于30°的角度α到达多孔介电氧化铝层13的表面上。这可以通过将蒸发靶25设置在基板1的侧面上而不是像常规蒸发工艺中那样与基板1相对地设置来实现。另外，可以在掠入射沉积期间使基板1绕其法线轴旋转，以确保沉积层相对于基板取向的均匀性。
在小于45°，特别是小于30°的角度下的沉积还具有以下优点：由于相邻氧化铝壁15的遮蔽作用导致阴影区域27没有沉积原子，因此穿透深度d可以保持较小(参见方程式1)。穿透深度d估算为：
d∝Φtan α
对于孔中的每个，长度Φ是多孔网络的孔直径，α是金束和多孔层13的表面之间的角度。
从图4可以看出，该实施例中的第二电极19是多孔的，就像下面的具有氧化铝壁15和空隙17的多孔层13一样，这允许水分进入多孔层13。
具有沉积原子的区域29实际上形成第二电极19。
在以上描述中，术语沉积步骤和图案化涉及半导体制造中使用的标准制作步骤。作为示例，沉积步骤可以涉及化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)，并且图案化步骤可以涉及光刻成像以及干法或湿法蚀刻步骤。
在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对前述的本发明的实施例进行修改。用于描述和要求保护本发明的措辞例如“包括”、“包含”、“并入”、“由...组成”、“具有”、“是”旨在以非排他性的方式解释，即允许也存在未明确描述的项目、组件或元素。提及单数也应解释为涉及复数。
附图标记
1 基板
3 第一电极
5 电连接装置
7 导电层
9 绝缘层
11 铝层
13 多孔氧化铝层
15 氧化铝壁
17 空隙
19 第二电极
21 蒸发原子的流动
23 多孔层的表面
25 蒸发靶
27 阴影区域
29 具有沉积原子的区域
31 相对湿度传感器
35 电漏极
a 层7的横向延伸部
b 层11的横向延伸部
d 穿透深度
α 撞击在表面23上的蒸发原子之间的角度

Claims (15)

1.一种制造相对湿度传感器的方法，包括以下步骤：
a)提供底部基板(1)，
b)在基板(1)上或上方提供第一电极(3)和电连接器件(5)，
c)提供绝缘层(7)以将第一电极(3)与电连接器件电绝缘，
d)在第一电极(3)的区域中的绝缘层(7)或第一电极上方提供无机多孔介电层(13)，
e)通过掠入射沉积在多孔介电层(13)中或上方提供第二电极(19)，特别是多孔第二电极，并将第二电极电连接到电连接器件(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无机多孔介电层(13)包括氧化铝。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤d)包括沉积铝层(11)的步骤和通过电解生长来生长多孔氧化铝层(13)的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述绝缘层(7)中提供导电漏极(35)，以将铝层(11)与第一电极(3)电连接。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，多个相对湿度传感器形成在同一底部基板(1)上，并且其中，所述第一电极(3)被设置为使得它们彼此电连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述无机多孔介电层(13)的孔隙率在5％至99％的范围。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，提供第二电极(19)的步骤e)包括通过掠入射沉积来沉积导电层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述掠入射沉积是金属蒸气掠入射沉积。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，蒸发的材料流与无机多孔介电层(13)的表面的角度小于45°，特别是小于30°。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，基板(1)是无源基板，特别是Si或蓝宝石基板，或者是专用集成电路(ASIC)型基板。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，还包括在步骤c)之前在第一电极(3)上提供导电层(7)的步骤。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，无机多孔介电层(13)的厚度在1μm至5μm的范围，并且至少在一个维度上，横向延伸部在10μm至800μm的范围。
13.一种特别是通过根据权利要求1至12中任一项所述的方法获得的相对湿度传感器，包括：
基板(1)，
在基板(1)上或上方的第一电极(3)和电连接器件(5)，
绝缘层(9)，以将第一电极(3)与电连接器件(5)电绝缘，并且至少排除电连接器件(5)，
无机多孔介电层(13)，在第一电极(3)上方和/或在绝缘层(9)上方，和
第二电极(19)，特别是多孔的第二电极，电连接到电连接器件(5)并设置在无机多孔介电层(13)中或上方。
14.根据权利要求13所述的相对湿度传感器，其特征在于，无机多孔层(13)包括孔隙率为5％至99％且厚度为1μm至5μm的氧化铝。
15.根据权利要求13或14所述的相对湿度传感器，其中，第二电极(19)是金层。
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