DE3024523A1

DE3024523A1 - Als elektrischer kondensator ausgebildeter feuchtigkeitssensor

Info

Publication number: DE3024523A1
Application number: DE19803024523
Authority: DE
Inventors: Max Dr.rer.nat. 7910 Neu-Ulm Kuisl
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-06-28
Filing date: 1980-06-28
Publication date: 1982-01-28
Also published as: JPS5743408A; GB2078973A; FR2485736A1

Description

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Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Ulm, 26.06.1980 Theodor-Stern-Kai 1 NE2-UL/Sar/lh UL 80/52

D-60G0 Frankfurt 70

Beschreibung

"Als elektrischer Kondensator ausgebildeter Peuchtigkeits-

sens or"

Die Erfindung betrifft einen als elektrischer Kondensator ausgebildeter Feuchtigkeitssensor, zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit, dessen eine Elektrode aus einem Metallsubstrat, dessen andere Elektrode aus einer wasserdurchlässigen metallischen Schicht und dessen Dielektrikum im wesentlichen aus einer feuchtigkeitsempfindlichen Schicht besteht und ein Verfahren zur Herstellung des Sensors«

Kit der Entwicklung integrierter Schaltungen und Mikroprozessoren ergeben sich viele neue Möglichkeiten, Signale zu verarbeiten. Für die Messung und Steuerung von physikalischen Vorgängen ist die Integrationstechnik jedoch nur dann mit Vorteil einsetzbar, wenn zuverlässig arbeitende

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Signalgeber mit ausreichender elektrischer Ausgangsleistung zur Verfügung stehen.

Pur Feuchtigkeitsmessungen in Luft wurde bisher fast ausschließlich das Haarhygrometer verwendet. Dies erfüllt die Forderung nach einem elektrischen Ausgang aber nicht. Daher wurden Feuchtigkeitssensoren entwickelt, die einen Kondensator darstellen, dessen Dielektrikum feuchtigkeitsempfindlich ist. Ein großer Teil der kommerziellen Feuchtigkeitssensoren enthält als feuchtigkeitsempfindliche Schicht ein organisches Polymer. Diese Polymere haben jedoch eine beschränkte Lebensdauer und einen geringen Bereich, innerhalb dem sich die Kapazität bei wechselnden Feuchtigkeitsgehalten der Umgebung ändert. Besser geeignet erscheinen Feuchtigkeitssensoren mit Aluminiumoxid als sensitiver Schicht, wobei spezielle Herstellungsverfahren notwendig' sind, um zu erreichen, daß die Schicht auf den Vassergehalt der Umgebung anspricht.

Die genannten Sensoren sind Einzelbauelemente und daher in der Segel in ihren Ausgangsdaten nicht auf Mikroprozessoren angepaßt. Wünschenswert wäre nicht nur eine elektrische Anpassung zwischen Sensor und signalverarbeitender Schaltung, sondern die Integration beider Komponenten auf einem Siliziumchip. Wegen der gegenüber der IC-Technologie stark abweichenden Technologie zur Erstellung des Sensors ist eine derartige Kombination derzeit nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen als elektrischen Kondensator ausgebildeten Feuchtigkeitsmesser der eingangs genannten Art gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll er sich auf einem SiIi-

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ziumchip mit¹; der Auswerte Schaltung problemlos integrieren lassen, eine ausreichende Empfindlichkeit aufweisen, reversible Meßwerte in möglichst kurzer Ansprechzeit liefern und einfach Verstellbar sein.

Diese Aufgab«j wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der? Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Werdeii in die feuchtigkeitsempfindliche Siliziumoxidschicht Fremdionen der Elemente der ersten bis dritten Hauptgruppe oder den Nebengruppen des Periodensystems eingebracht, so erhält man Feuchtigkeitssensoren sehr hoher Empfindlichkeit. Mit einer zusätzlichen SiOo-Schicht und/ oder einer Siliziumnitridschicht zwischem dem Siliziumsubstrat und der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht wird in vorteilhafter Weise der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden des Kondensators erhöht.

Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung des Sensors geben die Ansprüche 6 bis 8. Wird die feuchtigkeitsempfindliche . Schicht aus einer Lösung durch einen spin-on-Prozeß hergestellt, so kann in sehr einfacher Weise das Einbringen der Fremdionen in die Schicht bereits durch Einbringen der Fremdionen in die Lösung erfolgen. Eine exakte Steuerung der Anzahl der Fremdionen in der Siliziumoxidschicht ist mit Hilfe der Ionenimplantation möglich. Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

FIG. 1 Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Feuchtigkeitssensor

FIG. -2 Verlauf der Kapazität beim Wechsel der relati- -..,.. ven Luftfeuchtigkeit von 2 % auf 97 % in Abhängigkeit von der Zeit.

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Der wesentliche Bestandteil der Erfindung besteht darin, daß als feuchtigkeitsempfindliches Dielektrikum eine Siliziumoxiöschicht eingesetzt wird, die in vorteilhafter Weise zusätzlich mit Ionen der I. bis IHI Hauptgruppe, beispielsweise Ca, Mg, Al sowie der Febengruppen, beispielsweise Ca, des Periodischen Systems der Elemente dotiert ist. JEiliziumoxid ist in Form von Kieselgel als Trockenmittel bekannt. Die Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, daß durch Einbau von Ionen in eine amorphe Siliziumoxidschicht die hygroskopischen Eigenschaften dieser Substanz so verändert werden können, daß die Aufnahme und Abgabe von Wasser reversibel und ausreichend schnell verläuft, so daß sich innerhalb kurzer Zeit ein Gleichgewichtszustand mit &Φ- Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung einstellt.

Mit der Art und Menge der eingebrachten Ionen läßt sich in weiten Grenzen die Empfindlichkeit, die Ansprechzeit und der Meßbereich variiren.

Zur Erzeugung von Siliziumoxidschichten sind in der HaIbleitertechnologie mehrere Verfahren bekannt. Um die erfindungsgemäß notwendige Dotierung mit Ionen auf einfache Weise durchführen zu können, wird eine Abscheidung aus einer Lösung benutzt. Dieses Verfahren ist aus der DE-OS 24 47 204 bekannt. Alternativ dazu können die Ionen aber auch durch Ionenimplantation eingebracht werden. Diese Prozesse sind in der Halbleitertechnologie seit langem . eingeführt und erprobt. Wird außerdem die feuchtigkeits-.empfindliche Schicht auf einkristallinem Silizium aufgebracht, so sind alle Voraussetzungen für eine Integration von Sensor und Auswerteschaltung auf einem Chip gegeben.

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Die Herstellung eines derartigen Sensors wird nun anhand der PIG. 1 näher erläutert. Eine Siliziumscheibe 1 wird durch Oxidation im Sauerstoffstrom mit einer etwa 50 nm dicken SiO^-Schicht 2 überzogen. Diese Schicht soll Isolationsverluste verhindern. Auf dieser Schicht wird nach dem spin-on-Verfahren die feuchtigkeitsempfindliche Schicht 3 aufgebracht. Diese Schicht entsteht beispielsweise aus einer Lösung folgender Zusammensetzung:

100 ml Orthokieselsäureäthylester 100 ml Methanol

100 ml wässrige Lösung von 1 mol/1 CaCl₂ · 6 H₂O eingestellt auf pH =1 durch Zugabe von HNO,

Beim... Auf schleudern entsteht aus dieser Lösung eine etwa 250 nm dicke . Silikatglasschicht 3. Es folgt Aufdampfen einer dünnen Chromschicht 4- als Haftvermittler für die im gleichen Arbeitsschritt erzeugte Goldschicht 5. Diese Schichtenfolge muß so dünn gehalten werden, daß . sie noch wasserdurchlässig ist. Für den elektrischen Anschluß ist außerhalb der eigentlichen Sensorfläche eine dickere Goldschicht 6 0^0,2 p&) vorgesehen. Dazu muß erneut aufgeg dampft werden nachdem die Sensorfläche ^W- durch Fotolack / abgedeckt worden war. Die darauf aufgedampfte Goldschicht kann durch "lift-off" wieder entfernt werden, so daß nur die Kontaktbereiche verdickt werden, welche die Sensorfläche ringsum umgeben. Kontaktiert wird das Silizium-Substrat 1 und die verdickte Goldschicht 7.

Meßergebnisse mit einem derartigen Bauelement sind in FIG. aufgetragen. Gezeigt ist der Verlauf der Kapazität C beim Wechsel der Atmosphäre von 2 % auf 97 % relative Luft-

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feuchtigkeit (Kurve 1) und zurück (Kurve 2) in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei für die Zeit ein quadratischer Maßstab gewählt ist. Der Wechsel der Luftfeuchtigkeit erfolgte in wenigen Sekunden.

Die Figur zeigt, daß zunächst keine Sättigung erreicht wird. Überraschenderweise wurde gefunden, daß auch thermisches SiOp (nämlich Oxid, das durch Oxidation von Silizium im Sauerstoffstrom bei erhöhten Temperaturen entstanden ist) auf Feuchte anspricht. Die in FIG. 2 ersichtlichen flach verlaufendes, strichliert gezeichneten Kurventeile sind auf diesen Effekt zurückzuführen. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird daher eine wasserhemmende Schicht, vorzugsweise Si,N^,, an Stelle der thermisch gewachsenen SiO~ Schicht oder zusätzlich zu dieser Schicht verwendet (durchgezogene Kurven).

Für die Integration in eine Schaltung muß der Kapazitätswert des Sensors an den Eingang der Schaltung angepaßt werden. Normalerweise liegen hierfür günstige Kapazitäten im Bereich von 10 bis 100 pF. Man erreicht diese Größen-Ordnung leicht durch die Wahl der Größe der Sensorfläche. Die in FIG. 2 angegebenen Werte beziehen sich z. B. auf eine aktive Fläche von 5x5 WR . Desgleichen muß bei Integration die Prozeßfolge für Sensorerstellung und IC aufeinander abgestimmt werden. Zu beächten ist dabei jedoch, daß die feuchtigkeitsempfindliche Sensorschicht keine Hochtemperaturprozesse mehr durchlaufen darf, weil sie bei Temperaturen oberhalb 500 ⁰C ihre Sensivität verliert. An-• dererseits kann man Temperprozesse bei niedriger Temperatur gezielt einsetzen, um die Empfindlichkeit einzustellen.

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Bei dem oben genannten lift-off-Verfahren wird auf die bereits hergestellte Goldschicht 5 (FIG. 1) eine Forolackschicht aufgetragen, die dicker als die später aufzudampfende Goldschicht 6 ist. Nach Belichtung und Ξητ;-wicklung der Fotolackschicht wird die weitere Golesch-icrrt 6 in gewünschter Stärke aufgedampft. Beim Ablösen der Fotolackschicht dringt das Lösungsmittel an den beim Aufdampfen freigebliebenen Strukturkanten zu den verbliebenen Fotolackschichten vor und löst mit diesen auch das auf den Fotolackschichten abgeschiedene Gold ab.

Die vorliegende Erfindung eröffnet nicht nur den Veg zu neuen feuchtigkeitsempfindlichen Materialien, sondern liefert außerdem einen mit der Halbleitertechnologie kompatiblen Herstellungsprozeß, der zudem noch einfach und daher kostengünstig ist.

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, Ί0.

Leerseite

Claims

Patentansprüehe

Als elektrischer Kondensator ausgebildeter Feuchtigkeits sensor , zur Messung der Feuchtigkeit in Gasen, dessen eine Elektrode aus einem Metallsubstrat, dessen andere Elektrode aus einer wasserdurchlässigen metallischen Schicht und dessen Dielektrikum im wesentlichen aus einer feuchtigkeits empfindlichen Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallsubstrat ein Siliziumeinkristall vorgesehen ist und die feuchtigkeitsempfindliche Schicht aus Siliziumoxid besteht.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Siliziumoxid zusätzlich Fremdionen eingebracht sind.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachten Fremdionen Ionen der Elemente der ersten bis dritten Hauptgruppe oder den Nebengruppen des Perioden-

15 systems sind.

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4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3_? dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche SiO^-Schicht und/oder eine Siliziumnitridschicht (Si^U^) vorgesehen ist.
5. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da-

durch gekennzeichnet, daß er zusammen mit einer integrierten Schaltung auf einem Siliziumplättchen aufgebaut ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feuchtigkeitsempfindliche

• Schicht aus einer Lösung durch einen spin-on-Prozeß hergestellt wird und das Einbringen der Ionen bereits in die Lösung erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau von Fremdionen in das Siliziumoxid mit Hilfe von Ionenimplantation erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit des Sensors durch Temperprozesse bei erhöhter Temperatur auf einen bestimmten feiert eingestellt wird.

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