JP2012508877A - 静電容量型湿度センサおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、静電容量型湿度センサに関し、より詳しくは、ＲＯＩＣ基板の上部にセンサ部を形成することによって湿度センサを小さく製作できることは勿論、下部電極層と上部電極層との間に表面積の大きい高分子素材の感湿層を形成することによってセンサの信頼度を高めることができる静電容量型湿度センサおよびその製造方法に関する。
本発明の静電容量型湿度センサは、電極パッドを含むＲＯＩＣ基板；前記ＲＯＩＣ基板の上部に形成され、前記電極パッドの一部が露出されるようにパターニングした金属層；前記金属層の上部に形成され、前記電極パッドの一部が露出されるようにパターニングした絶縁層；前記絶縁層の上部に形成された下部電極層；前記下部電極層の上部に表面積を広くするためにエッチングして形成した感湿層；前記感湿層の上部に形成された上部電極層；および露出された前記電極パッドの上部に形成され、前記下部電極層と上部電極層の各々を前記電極パッドと接触させるための連結層；を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量型湿度センサに関し、より詳しくは、ＲＯＩＣ基板の上部にセンサ部を形成することによって湿度センサを小さく製作できることは勿論、下部電極層と上部電極層との間に表面積の大きい高分子素材の感湿層を形成することによってセンサの信頼度を高めることができる静電容量型湿度センサおよびその製造方法に関する。
一般的に、静電容量型湿度センサは、両端の電極間に感湿用ポリマー層が形成され、電極の両端に誘導される電荷量の変化が感湿用ポリマー層の感湿によって誘電率の変化およびこれに応じた誘導電荷の変化に依存するように製造したものである。
このような静電容量型湿度センサは、両端に電圧を印加し、湿度によって変化する抵抗の変化を利用して湿度を測定する抵抗型湿度センサに比べ、製造工程が相対的に複雑であり、製造単価が高い。しかし、その特性の安定性と信頼性が高いという理由で高価の測定に多く活用されている。
図１は、従来の静電容量型湿度センサの構造を示す斜視図である。
シリコン基板１１０の上部にＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙなどからなる絶縁膜１２０を形成する。そして、絶縁膜１２０が形成されたシリコン基板１１０の上部にセンサ部１６０およびＲＯＩＣ（Ｒｅａｄｏｕｔ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）（１７０）を形成する。
センサ部１６０の製造方法を説明すれば、絶縁膜１２０の上部にアルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）のような金属層を蒸着およびパターニングして下部電極層１３０を形成する。次に、下部電極層１３０の上部にポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ、ＰＩ）層をスピンコーティングおよびパターニングして感湿層１４０を形成し、２００℃〜３００℃の温度で熱処理を行う。
次に、ポリイミド感湿層１４０の上部に下部電極層１３０と同じ材質の金属層を蒸着およびパターニングして、クシ（ｃｏｍｂ）形態の上部電極層１５０を形成することにより、上部電極層１５０と下部電極層１３０との間にポリイミド感湿層１４０が形成された平行板キャパシタ構造の静電容量型湿度センサを製作する。
この時、上部電極層１５０を下部電極層１３０とは違ってクシ形態で形成するのは、水分子が円滑にポリイミド感湿層１４０の内部に通過できるようにするためである。すなわち、ポリイミド感湿層１４０が部分的に露出されるようにするためである。
このように、センサ部１６０を形成した後、センサ部１６０が存在しないシリコン基板の上部領域にＲＯＩＣ（１７０）を形成する。ＲＯＩＣ（１７０）によって発生する電流や電圧などの電気的現象が湿度センサに影響を及ぼせるため、センサ部１６０と一定の距離を維持して形成することが好ましい。
しかし、従来の静電容量型湿度センサは、１つの基板上にセンサ部とＲＯＩＣ部が水平に位置しているため、湿度センサの大きさを小さく製作するのに限界があるという問題点がある。
また、静電容量型湿度センサは、ポリマーの固有の特性によって敏感度などのセンサの特性が決定されるが、従来の静電容量型湿度センサは、両電極の間に感湿層であるポリマーが挿入されたサンドイッチ構造になっているため、感湿層の敏感度を向上させ難いという問題点がある。
前記のような従来技術の問題点を解決するために導き出された本発明は、ＲＯＩＣ基板の上部にセンサ部を形成することによって湿度センサを小さく製作できることは勿論、下部電極層と上部電極層との間に表面積の大きい高分子素材の感湿層を形成することによってセンサの信頼度を高めることができる静電容量型湿度センサおよびその製造方法を提供することを本発明の目的とする。
本発明の前記目的は、電極パッドを含むＲＯＩＣ基板；前記ＲＯＩＣ基板の上部に形成され、前記電極パッドの一部が露出されるようにパターニングした金属層；前記金属層の上部に形成され、前記電極パッドの一部が露出されるようにパターニングした絶縁層；前記絶縁層の上部に形成された下部電極層；前記下部電極層の上部に表面積を広くするためにエッチングして形成した感湿層；前記感湿層の上部に形成された上部電極層；および露出された前記電極パッドの上部に形成され、前記下部電極層と上部電極層の各々を前記電極パッドと接触させるための連結層；を含む静電容量型湿度センサによって達成される。
また、本発明の前記上部電極層は、前記感湿層中のエッチングされない領域の上部に形成されることが好ましい。
また、本発明の前記感湿層と前記上部電極層はクシまたは枝の形態でパターニングされることが好ましい。
また、本発明の前記感湿層は、その厚さの３０％〜７０％がエッチングされることが好ましい。
また、本発明の前記感湿層は、ポリイミド系高分子からなることが好ましい。
また、本発明の前記下部電極層は、パターニングされない前記絶縁層の上部に形成されることが好ましい。
また、本発明の他の目的は、前記金属層の上部に絶縁層を形成するステップ；前記電極パッドの一部が露出されるように前記絶縁層および金属層をパターニングするステップ；前記絶縁層の上部に下部電極層を形成するステップ；前記下部電極層の上部に感湿層を形成するステップ；前記感湿層の上部に上部電極層を形成しパターニングするステップ；およびパターニングされた前記上部電極層をマスクとして利用して前記感湿層をエッチングするステップ；を含む静電容量型湿度センサの製造方法によって達成される。
また、本発明の前記感湿層は、ポリイミド系高分子からなることが好ましい。
また、本発明の前記上部電極層は、クシまたは枝の形態でパターニングして形成することが好ましい。
また、本発明のエッチングされた前記感湿層は、その厚さの３０％〜７０％をエッチングして形成することが好ましい。
また、本発明の前記下部電極層は、パターニングされない前記絶縁層の上部に形成することが好ましい。
したがって、本発明の静電容量型湿度センサおよびその製造方法は、ＲＯＩＣ基板の上部にセンサ部を形成することによって湿度センサを小型化できる顕著で且つ有利な効果がある。
また、下部電極層と上部電極層との間に表面積が増加した高分子素材の感湿層を形成することによって感度が向上し、センサの信頼度が高くなる顕著で且つ有利な効果がある。
従来の静電容量型湿度センサの斜視図である。 本発明に係る静電容量型湿度センサの断面図である。 本発明に係る静電容量型湿度センサの工程流れ図である。 本発明に係る静電容量型湿度センサの工程流れ図である。 本発明に係る静電容量型湿度センサの工程流れ図である。 本発明に係る静電容量型湿度センサの工程流れ図である。 本発明に係る静電容量型湿度センサの工程流れ図である。 本発明に係る静電容量型湿度センサの工程流れ図である。 本発明に係る静電容量型湿度センサの工程流れ図である。 本発明に係る静電容量型湿度センサの電子走査顕微鏡イメージである。 本発明に係る静電容量型湿度センサの特性を示すグラフである。 本発明に係る静電容量型湿度センサの特性を示すグラフである。 本発明に係る静電容量型湿度センサの特性を示すグラフである。 本発明に係る静電容量型湿度センサの特性を示すグラフである。
本明細書および請求範囲で用いられた用語や単語は通常的あるいは辞典的な意味に限定して解釈してはいけず、発明者は自身の発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に立って、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈するべきである。
したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は、本発明の最も望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないため、本出願時点において、これらを代替できる多様な均等物と変形例があり得るということを理解しなければならない。
以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態について詳しく説明する。
図２は、本発明に係る静電容量型湿度センサの断面図である。
電極パッド（図示せず）を含むＲＯＩＣ基板２１０の上部に金属層２２０が形成され、金属層２２０の上部には絶縁層２３０が形成される。そして、ＲＯＩＣ基板２１０に含まれた電極パッドの一部が露出されるように金属層２２０および絶縁層２３０をパターニングする。
パターニングされない絶縁層２３０の上部に下部電極層２４０が形成され、下部電極層２４０の上部にはクシ（ｃｏｍｂ）または枝（ｂｒａｎｃｈ）の形態でパターニングした感湿層２５０が形成される。この時、感湿層２５０がエッチングされる深さは、全体感湿層２５０の厚さの３０％〜７０％であることが好ましい。
最後にエッチングされない感湿層２５０の上部に上部電極層２６０を形成した後、下部電極層２４０と上部電極層２５０がＲＯＩＣ基板２１０に形成された電極パッドと電気的に接触するように連結層２７０を形成する。
このようにＲＯＩＣ基板２１０の上部にセンサ部２４０，２５０，２６０を形成することによって湿度センサの小型化が可能となる。また、感湿層２５０を一部エッチングして空気中に露出させることにより、より多い量の大気中の水分が感湿層２５０に吸着され、湿度検知度に優れた湿度センサを形成することができる。
図３〜図９は、本発明に係る静電容量型湿度センサの工程流れ図である。
ＲＯＩＣ基板２１０の上部は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）工程で製作されるので表面が非常に粗い。このような表面の粗さは比表面積を大きくするため、湿度センサを製作するには良い条件である。
また、ＲＯＩＣ基板２１０には、ＲＯＩＣと後ほど説明するセンサ部に存在する上部電極層および下部電極層を連結するための電極パッド（図示せず）が形成されている。
このようなＲＯＩＣ基板２１０の上部に金属層２２０を形成することにより（図３）、ＭＥＭＳ工程によって粗くなった表面と電極パッドが金属層２２０によって扁平に覆われることが好ましい。
また、金属層２２０の上部に絶縁層２３０が形成される（図４）。絶縁層２３０としてはＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙなどの酸化膜または窒化膜を形成することができ、２０００Å〜４０００Åの厚さで形成し、後工程で形成される下部電極層２４０と電気的に絶縁状態を維持することが好ましい。
また、ＲＯＩＣ基板２１０の上部に形成された電極パッドが一部露出されるように金属層２２０および絶縁層２３０をパターニングする（図示せず）。これは、今後形成される下部電極層２４０および上部電極層２５０をＲＯＩＣと接触させるためである。
絶縁層２３０をパターニングした後、パターニングされない絶縁層２３０の上部領域に下部電極層２４０を形成する（図５）。下部電極層２４０は、真空蒸気蒸着法またはスパッタリングを含む物理的蒸着法のうちのいずれか１つを利用して形成する。また、下部電極層２４０は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などのように導電性に優れた金属を含む素材を用いて、５００Å〜１５００Åの厚さを有する薄膜で形成することが好ましい。
下部電極層２４０が形成されれば、感湿層２５０としてポリイミド系高分子溶液が下部電極層２４０の全面にマイクロ厚さでスピンコーティングされる。この時、感湿層２５０の厚さは０．１μｍ〜０．５μｍであることが好ましい（図６）。
本発明に係る高分子溶液としてはポリイミド溶液が用いられることが好ましい。
感湿層２５０が塗布されれば、真空内において約１００℃〜１２０℃で１００秒〜１５０秒間前熱処理をして、フィルム内に含まれた空気を除去する。そして、前熱処理が完了すれば、後熱処理を進行する。窒素雰囲気において１００分〜１２０分間２００℃〜２５０℃にまで温度を上昇させる。次に、３０分〜４０分間２００℃〜２５０℃に温度を維持した後、６０分〜８０分間３００℃〜３５０℃にまで温度を上昇させる後熱処理をする。後熱処理が完了すれば、溶媒の蒸発によって高分子フィルムは厚さが４０％程度減少し、熱的および化学的に非常に安定した状態に変換する。
後熱処理が完了した感湿層２５０であるポリイミドフィルム上に上部電極層２６０が形成される（図７）。上部電極層２６０も下部電極層２４０と同様にアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などのように導電性に優れた金属を含む素材を用いて、３００Å〜６００Åの厚さで形成する。
また、感湿層との接着力向上のために、バッファ層としてクロム層（図示せず）を５０Å〜１５０Åの厚さで蒸着する工程を追加することもできる。
上部電極層２６０が形成されれば、上部電極層２６０をフォトリソグラフィー工程を利用してパターニングする（図８）。この時、パターニングの形態は、クシ（ｃｏｍｂ）または枝（ｂｒａｎｃｈ）の形態で形成することにより、上部電極層２６０の表面積および水分と接触する感湿層２５０の表面積をより多く露出させることが好ましい。
また、パターニングした上部電極層２６０をマスクとして利用して、露出された感湿層２５０の全面を酸素プラズマ（Ｏ２ ｐｌａｓｍａ）でエッチングするＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）工程を進行する（図９）。ＲＩＥは、上部電極層２６０のフォトリソグラフィー工程を通じて露出された感湿層２５０の全面をエッチングする。エッチングの深さは、感湿層２５０の全体厚さの３０％〜７０％程度が好ましい。
図１０は、本発明に係る静電容量型湿度センサの電子走査顕微鏡イメージである。
図１１〜図１４は、本発明に係る静電容量型湿度センサの特性を示すグラフである。
図１１は、感湿層として用いたポリイミド層のエッチング有無に応じた静電容量型湿度センサの相対湿度に対する静電容量を示すものである。
感湿層をエッチングする前の湿度センサ（図８）は、上部電極層だけがパターニングされた湿度センサを示す。また、感湿層をエッチングした後の湿度センサ（図９）は、パターニングした上部電極層をマスクとして利用して感湿層を所定の厚さでエッチングしたのを示すものである。
感湿層をエッチングする前の湿度センサの湿度検知度は３０３ｆＦ／％ＲＨであり、感湿層をエッチングした後の湿度センサの湿度検知度は３５０ｆＦ／％ＲＨであって、感湿層をエッチングした湿度センサの湿度検知度が１５．５％増加したことが分かる。
感湿層をエッチングすれば、エッチングされた面が外部大気により露出される。したがって、より多い量の大気中の水分が感湿層に吸着することによって静電容量が増加するようになる。
すなわち、感湿層のエッチング有無に応じ、大気中に同一量の水分が存在してもこれを検知する感度が変わり、感湿層をエッチングする場合に、より湿度検知度に優れた湿度センサを形成することができる。
図１２は、本発明に係る静電容量型湿度センサの水分に対する反応速度を示すものである。
９０％ＲＨ条件において、感湿層をエッチングする前の湿度センサの水分に対する反応速度は１２２秒であり、感湿層をエッチングした後の湿度センサの水分に対する反応速度は４０秒である。すなわち、感湿層をエッチングした後に湿度センサの水分に対する反応速度がそうではない場合より３倍速くなったことが分かる。
感湿層がエッチングされれば、より多い水分に露出されるため、水分検知層をエッチングしない湿度センサより速い時間内に水分を検知するようになる。
図１３は、本発明に係る静電容量型湿度センサの相対湿度に応じた素子の再現性を示すものである。
時間が経過するにつれて一定の静電容量を示すため、非常に信頼性に優れた湿度センサであることが分かる。
図１４は、本発明に係る静電容量型湿度センサの水分の吸着と脱着に応じた静電容量を示すものである。
水分の量の増減に応じ、静電容量が一定に増減する線形的特性を示している。すなわち、特定相対湿度を基準に湿度が増加したり減少したりする場合、同一の静電容量を示すことによって、本発明の容量型湿度センサが高い信頼性を有することが分かる。
本発明は、以上で説明したように好ましい実施形態を挙げて図示し説明したが、前記実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲内で当該発明が属する技術分野で通常の知識を有した者によって多様な変更と修正が可能である。

Claims (11)

  1. 電極パッドを含むＲＯＩＣ基板；
    前記ＲＯＩＣ基板の上部に形成され、前記電極パッドの一部が露出されるようにパターニングした金属層；
    前記金属層の上部に形成され、前記電極パッドの一部が露出されるようにパターニングした絶縁層；
    前記絶縁層の上部に形成された下部電極層；
    前記下部電極層の上部に表面積を広くするためにエッチングして形成した感湿層；
    前記感湿層の上部に形成された上部電極層；および
    露出された前記電極パッドの上部に形成され、前記下部電極層と上部電極層の各々を前記電極パッドと接触させるための連結層；
    を含む静電容量型湿度センサ。
  2. 前記上部電極層は、前記感湿層中のエッチングされない領域の上部に形成される、請求項１に記載の静電容量型湿度センサ。
  3. 前記感湿層と前記上部電極層は、クシまたは枝の形態でパターニングされる、請求項２に記載の静電容量型湿度センサ。
  4. 前記感湿層は、その厚さの３０％〜７０％がエッチングされる、請求項１に記載の静電容量型湿度センサ。
  5. 前記感湿層は、ポリイミド系高分子からなる、請求項１に記載の静電容量型湿度センサ。
  6. 前記下部電極層は、パターニングされない前記絶縁層の上部に形成される、請求項１に記載の静電容量型湿度センサ。
  7. 電極パッドを含むＲＯＩＣ基板の上部に金属層を形成するステップと；
    前記金属層の上部に絶縁層を形成するステップ；
    前記電極パッドの一部が露出されるように前記絶縁層および金属層をパターニングするステップ；
    前記絶縁層の上部に下部電極層を形成するステップ；
    前記下部電極層の上部に感湿層を形成するステップ；
    前記感湿層の上部に上部電極層を形成しパターニングするステップ；および
    パターニングした前記上部電極層をマスクとして利用して前記感湿層をエッチングするステップ；
    を含む静電容量型湿度センサの製造方法。
  8. 前記感湿層は、ポリイミド系高分子からなる、請求項７に記載の静電容量型湿度センサの製造方法。
  9. 前記上部電極層は、クシまたは枝の形態でパターニングして形成する、請求項７に記載の静電容量型湿度センサの製造方法。
  10. エッチングされた前記感湿層は、その厚さの３０％〜７０％をエッチングして形成する、請求項７に記載の静電容量型湿度センサの製造方法。
  11. 前記下部電極層は、パターニングされない前記絶縁層の上部に形成する、請求項７に記載の静電容量型湿度センサの製造方法。
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