JP2018059780A - Method of manufacturing semiconductor humidity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、感湿膜としてのポリイミドを生成する工程を含んだ半導体湿度センサの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor humidity sensor including a step of producing polyimide as a moisture sensitive film.
従来より、感湿膜であるポリイミドを生成する工程を含んだ感湿センサ用感湿膜の製造方法が、例えば特許文献1で提案されている。ポリイミドを生成する工程では、前駆体であるポリアミド酸を例えばN−メチルピロリドン等の溶媒(以下、NMP溶媒という)で希釈し、NMP溶媒を基材に塗布する。その後、塗布膜を加熱し、脱水縮合させて硬化させる。このようにしてポリイミドを生成することにより、電極間の容量変化として検出される出力値の変動が抑制される。
Conventionally, for example,
しかしながら、近年、半導体湿度センサの使用環境が厳しくなっている。このため、さらなる耐久変動を低減する要望がでてきており、上記従来の感湿膜ではその要望を満たせないという問題がある。 However, in recent years, the usage environment of semiconductor humidity sensors has become severe. For this reason, the request | requirement which further reduces durability fluctuation | variation has come out, and there exists a problem that the request | requirement cannot be satisfy | filled with the said conventional moisture sensitive film | membrane.
本発明は上記点に鑑み、さらなる耐久変動の低減が可能な感湿膜としてのポリイミドを生成することができる半導体湿度センサの製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the manufacturing method of the semiconductor humidity sensor which can produce | generate the polyimide as a moisture sensitive film which can further reduce a durable fluctuation in view of the said point.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、感湿素子(11)を構成する感湿膜(17)としてのポリイミドを生成する工程を含んだ半導体湿度センサの製造方法であって、ポリイミドを生成する工程では、ポリイミドの合成が可能な溶媒であって、γ−ブチロラクトン、N−メチル−2ピロリドンを含有しない溶媒を用いて、ポリイミドを生成する。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor humidity sensor including a step of forming polyimide as a moisture sensitive film (17) constituting the moisture sensitive element (11). In the step of producing polyimide, polyimide is produced using a solvent that can synthesize polyimide and does not contain γ-butyrolactone and N-methyl-2pyrrolidone.
請求項4に記載の発明ではポリイミドを生成する工程では、ポリイミドの合成が可能な溶媒として、TetraG、安息香酸エチル、安息香酸メチルのいずれかを単独あるいは混合して用いることにより、ポリイミドを生成する。 In the invention according to claim 4, in the step of producing polyimide, polyimide is produced by using any one of Tetra G, ethyl benzoate, and methyl benzoate as a solvent capable of synthesizing polyimide. .
これによると、ポリイミドの生成時に、感湿膜中の残留酸無水物の発生起因となるN−メチル−2ピロリドン等のNMP溶媒を用いていない。このため、従来のNMP溶媒を用いる場合に比べて、感湿素子の耐久変動要因となる感湿膜内の酸無水物の残存量を減らすことができる。したがって、耐久変動の低減が可能な感湿膜としてのポリイミドを生成することができる。 According to this, an NMP solvent such as N-methyl-2pyrrolidone that causes generation of residual acid anhydride in the moisture-sensitive film is not used at the time of polyimide production. For this reason, compared with the case where the conventional NMP solvent is used, the residual amount of the acid anhydride in a moisture sensitive film | membrane which becomes a durable fluctuation | variation factor of a moisture sensitive element can be reduced. Therefore, it is possible to produce polyimide as a moisture-sensitive film that can reduce endurance fluctuations.
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る半導体湿度センサは、感湿膜の誘電率の変化に基づいて湿度を検出する容量式の湿度センサとして構成されている。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor humidity sensor according to the present embodiment is configured as a capacitive humidity sensor that detects humidity based on a change in dielectric constant of a moisture sensitive film.
図1に示されるように、半導体湿度センサ10は、当該半導体湿度センサ10を取り巻く雰囲気の相対湿度を検出するための感湿素子11を有している。具体的には、図2に示されるように、感湿素子11は、例えばSi等の半導体基板12の上に形成されている。半導体基板12の表面13には、例えばSiO2等の絶縁膜14が形成されている。
As shown in FIG. 1, the
絶縁膜14の上には、一対の電極15、16が形成されている。一対の電極15、16は、同一平面上に離間して対向するように絶縁膜14の上に形成されている。各電極15、16は、例えばAl、Al−Si合金、Ti、Au、Cu、Poly−Si(多結晶シリコン)等の導電材料によって形成されている。
On the
さらに、図1に示されるように、一対の電極15、16はそれぞれ櫛歯形状をなしている。これにより、各電極15、16の櫛歯部がそれぞれ噛み合って対向するので、電極全体として配置面積が小さくなり、対向面積が大きくなる。このため、半導体湿度センサ10を取り巻く雰囲気の相対湿度の検出精度が向上する。
Further, as shown in FIG. 1, the pair of
また、一対の電極15、16及びこれらの電極間を覆うように、絶縁膜14の上に感湿膜17が形成されている。感湿膜17は、半導体湿度センサ10が置かれる環境の湿度に応じて雰囲気に含まれる水分を吸脱着する。このような感湿膜17は、ポリイミドによって構成されている。ポリイミドは、図3に示された化学式(1)の分子構造を有している。
In addition, a moisture
以上が、半導体湿度センサ10の構成である。なお、半導体湿度センサ10は、上記各構成を収容する筐体や、他の装置と電気的接続を行うための端子等を備えている。
The above is the configuration of the
次に、半導体湿度センサ10の作動について説明する。半導体湿度センサ10を取り巻く雰囲気に含まれる水分が感湿膜17に吸脱着されると、感湿膜17の誘電率が変化する。ここで、水の誘電率は高分子であるポリイミドに比べて大きいため、感湿膜17に水分が吸着すると高分子の複合誘電率が大きくなる。したがって、感湿素子11は、この複合誘電率の変化を一対の電極15、16の間の容量変化として検出する。
Next, the operation of the
感湿素子11の出力は、図示しない処理回路に入力される。処理回路は、一対の電極15、16間の静電容量値を電圧に変換するスイッチドキャパシタ回路、スイッチドキャパシタ回路の出力電圧値であるCV変換値を所定増幅率で増幅する増幅回路等を有して構成されている。なお、処理回路は例えば半導体基板12あるいは半導体基板12の上に形成されていても良いし、半導体湿度センサ10とは異なるICチップに形成されていても良い。
The output of the moisture
続いて、図1に示された半導体湿度センサ10の製造方法について説明する。まず、半導体基板12としてSi等のウェハを用意し、当該ウェハを酸素雰囲気中で熱処理することによりウェハの表面にSiO2等の絶縁膜14を形成する。なお、絶縁膜14を形成する前にウェハに処理回路等を形成しても良い。
Then, the manufacturing method of the
次に、絶縁膜14の上に蒸着やスパッタ等の方法によりAl等の金属膜を形成し、エッチング等の方法により櫛歯状にパターニングする。これにより、絶縁膜14の上に一対の電極15、16を形成する。
Next, a metal film such as Al is formed on the
この後、ウェハ上すなわち絶縁膜14や一対の電極15、16の上に感湿膜17となる上述のポリイミドをスクリーン印刷する。これにより、ウェハ上に感湿膜17としてのポリイミド膜を形成する。
Thereafter, the above-described polyimide that becomes the moisture
ポリイミドを生成する際、ポリイミドの合成が可能な溶媒であって、γ−ブチロラクトン、N−メチル−2ピロリドンを含有しない溶媒を用いて、ポリイミドを生成する。つまり、γ−ブチロラクトンやN−メチル−2ピロリドン等の一般的な溶媒すなわちNMP溶媒を用いずにポリイミドを生成する。言い換えると、酸無水物の発生要因となるラクトン系を原材料や不純物に含まない溶媒を用いて、ポリイミドを生成する。 When producing polyimide, the polyimide is produced using a solvent capable of synthesizing polyimide and not containing γ-butyrolactone and N-methyl-2pyrrolidone. That is, polyimide is produced without using a general solvent such as γ-butyrolactone or N-methyl-2pyrrolidone, that is, an NMP solvent. In other words, polyimide is produced using a solvent that does not contain raw materials or impurities of a lactone system that causes acid anhydrides.
具体的には、ポリイミドの原材料の一つであるジアミンを、溶媒に溶解させる。溶媒として、TetraG(テトラグライム)、安息香酸エチル(以下、BAEEという)、安息香酸メチルのいずれかを単独あるいは混合して用いる。 Specifically, diamine, which is one of polyimide raw materials, is dissolved in a solvent. As the solvent, TetraG (tetraglyme), ethyl benzoate (hereinafter referred to as BAEE), or methyl benzoate is used alone or in combination.
例えば、溶媒を安息香酸エチルとする。そして、他の原材料である酸無水物を投入後、イミド化触媒を投入し、加熱攪拌してイミド化及び重合を行う。所望の重合度となるまで攪拌後、温度を下げ末端修飾剤であるエチニルアニリンを投入、攪拌し末端反応を行い反応終了する。 For example, the solvent is ethyl benzoate. And after adding the acid anhydride which is another raw material, an imidation catalyst is thrown in and it heats and stirs and performs imidation and superposition | polymerization. After stirring until the desired degree of polymerization is reached, the temperature is lowered, and ethynylaniline, which is a terminal modifier, is added and stirred to conduct a terminal reaction to complete the reaction.
原材料としては、例えば、4,4’−オキシジフタル酸無水物(ODPA)、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン(BIS−AF−A)、4−エチニルアニリン等を用いることができる。 Examples of raw materials include 4,4′-oxydiphthalic anhydride (ODPA), 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] hexafluoropropane (BIS-AF-A), 4-ethynylaniline Etc. can be used.
溶媒としては、上記の他に、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチルイミダゾリジノン等の非プロトン性極性溶媒、スルホラン、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン等の含硫黄系溶媒、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン等の高沸点ケトン系溶媒、エチレングリコールアルキルエーテル、ジエチレングリコールアルキルエーテル、プロピレングリコールアルキルエーテル、トリエチレングリコールアルキルエーテル、テトラエチレングリコールアルキルエーテル等のグリコールエーテル系溶媒、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸ブチル等の芳香族エステル系溶媒、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のエステル系溶媒を用いることができる。 As the solvent, in addition to the above, for example, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, 1,3-dimethylimidazolidinone, sulfolane, dimethylsulfoxide, dimethylsulfone, etc. Sulfur-containing solvents, high boiling ketone solvents such as cyclopentanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, glycol ethers such as ethylene glycol alkyl ether, diethylene glycol alkyl ether, propylene glycol alkyl ether, triethylene glycol alkyl ether, tetraethylene glycol alkyl ether Solvents, aromatic ester solvents such as methyl benzoate, ethyl benzoate, butyl benzoate, propylene glycol monomethyl ether acetate, diethylene glycol Ester solvents such as Roh butyl ether acetate can be used.
ここで、従来のNMP溶媒では室温にて主鎖をアミック酸(イミド前駆体)重合したうえで加熱し、熱イミド化する。その後、冷却した後、末端添加、加熱反応にて終了する。一方、BAEEは室温では溶媒に対するモノマー原料の溶解性が低いためアミック酸としての反応速度が進まない。よって、原料投入の後、時間をかけないで加熱することで、即イミド化反応を開始する。その後の末端修飾反応に関して従来との違いは無い。 Here, in a conventional NMP solvent, the main chain is subjected to amic acid (imide precursor) polymerization at room temperature, followed by heating and thermal imidization. Then, after cooling, it complete | finishes by terminal addition and a heating reaction. On the other hand, since the solubility of the monomer raw material in the solvent is low at room temperature, the reaction rate as BAmic acid does not advance. Therefore, the imidization reaction is started immediately by heating the raw material without taking time. There is no difference with the conventional terminal modification reaction.
上述のように、スクリーン印刷にてウェハ上にポリイミドをパターン形成する場合、印刷に必要な粘度となるように溶媒としてTetraGで原材料の希釈を行う。粘度は、例えば10000mPasである。これにより、感湿膜ポリイミドインクを生成する。BAEEでの希釈ではなく、TetraGを用いることにより、スクリーン印刷時により蒸発しにくいインクとすることができる。 As described above, when a polyimide pattern is formed on a wafer by screen printing, the raw material is diluted with TetraG as a solvent so as to have a viscosity necessary for printing. The viscosity is, for example, 10,000 mPas. This produces a moisture sensitive polyimide ink. By using TetraG instead of dilution with BAEE, it is possible to obtain an ink that is less likely to evaporate during screen printing.
なお、感湿膜17の形成をスピンコートやその他方法にて形成する場合はBAEEでの希釈でも良い。すなわち、溶媒の粘度は溶媒の種類によって適宜変更可能である。ポリイミド膜の形成方法は、パターニング、スピンコート、ディスペンス、インクジェット方式等でも構わない。
When the moisture
そして、感湿膜ポリイミドインクを用い、ウェハ上にポリイミド膜をスクリーン印刷でパターン印刷後、乾燥とアセチレン末端基の架橋を兼ねて例えば350℃でキュアを行う。この工程は、例えば、スポイトでウェハの全面に塗布し、スピン乾燥するカップリング剤塗布、150℃、30分のカップリング剤ベーク、スクリーン印刷によるポリイミド塗布、−0.1MPa以上の減圧、1時間の真空脱泡、窒素雰囲気、350℃、1時間のポリイミドキュアにより行う。 Then, using a moisture sensitive film polyimide ink, a polyimide film is printed on the wafer by pattern printing by screen printing, and then cured at 350 ° C., for example, for both drying and crosslinking of acetylene end groups. In this step, for example, a coating agent is applied to the entire surface of the wafer with a dropper and spin-dried, a coupling agent baking at 150 ° C. for 30 minutes, a polyimide coating by screen printing, a reduced pressure of −0.1 MPa or more, 1 hour Vacuum degassing, nitrogen atmosphere, 350 ° C., polyimide curing for 1 hour.
ウェハ上にポリイミド膜を塗布した際の分子構造は上述の化学式(1)と同じである。このようにして、ウェハ上にポリイミド膜を形成し、ウェハをダイシングカットすることで感湿素子11が完成する。
The molecular structure when a polyimide film is applied on the wafer is the same as the above chemical formula (1). In this way, a polyimide film is formed on the wafer, and the wafer is diced to complete the moisture
ポリイミドを感湿膜17に持つ半導体湿度センサ10は、70℃、80%RH、5Vの高温高湿環境下では膜中への吸湿が進行し、出力がプラスに変動する特性を持つ。一方、115℃の高温のみの高温放置環境下では、水分の離脱が進み出力がマイナスに変動する特性を持つ。そして、発明者らは、感湿膜溶媒のNMPの比率と耐久変動量とに相関があることを実験により見出した。試験時間は2000hとした。その結果を図4に示す。
The
図4に示されるように、感湿膜溶媒中のNMP率が100%から減少するに伴って、耐久変動量が減少していることがわかる。そして、感湿膜溶媒中のNMP率が0%すなわち本実施形態に係る溶媒を用いてポリイミドを生成した場合、高温高湿環境及び高温環境での耐久変動量が最も減少した。したがって、本実施形態に係る溶媒を用いてポリイミドを生成したことによって、感湿素子11の環境に依存せずに耐久変動を低減することができた。
As shown in FIG. 4, it can be seen that the endurance fluctuation amount decreases as the NMP ratio in the moisture sensitive film solvent decreases from 100%. And when NMP rate in a moisture sensitive film | membrane solvent was 0%, ie, when the polyimide was produced | generated using the solvent which concerns on this embodiment, the endurance fluctuation amount in a high temperature / humidity environment and a high temperature environment decreased most. Therefore, by producing the polyimide using the solvent according to the present embodiment, it was possible to reduce the durability variation without depending on the environment of the moisture
これは、ポリイミド生成に用いる溶媒のNMP含有率を下げると、感湿膜17中の酸無水物が減少し、より水分の吸着がしにくくなるため耐久性が向上したものと考えられる。また、NMP含有率が高いほど感湿膜17中の酸無水物の残存量が増える原因は、次のように推定することができる。すなわち、図5に示されるように、NMPの原材料であるγ−ブチロラクトンがNMP溶媒中に不純物として存在している。NMPは、γ−ブチロラクトンとメチルアミンを縮合させることで製造される。さらに、図5に示された経路で反応が進み、最終的に感湿膜17の形成時の高温下にて脱水し、酸無水物が感湿膜17中に残ると考えられる。
This is considered to be due to the fact that when the NMP content of the solvent used for polyimide formation is lowered, the acid anhydride in the moisture
しかしながら、本実施形態では、感湿膜17中の残留酸無水物の発生起因となるNMP溶媒を用いずにポリイミドを生成しているので、従来のNMP溶媒を用いた場合に比べて感湿膜17内の酸無水物残存量を減らすことができ、ひいては高温高湿による耐久変動を低減することができる。したがって、感湿素子11の耐久変動の低減が可能な感湿膜17としてのポリイミドを生成することができる。
However, in the present embodiment, polyimide is generated without using the NMP solvent that causes generation of residual acid anhydride in the moisture
(他の実施形態)
上記実施形態で示された半導体湿度センサ10の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、図1及び図2で示された構成は一例であり、電極15、16の形状や配置等、適宜変更しても良い。
(Other embodiments)
The configuration of the
また、ポリイミドの分子構造は図3に限定されるものではなく、他のポリイミドでも良い。さらに、上記実施形態では、原材料の溶解度の都合によりポリイミドを直接合成し、ウェハ上に塗布形成する手法をとっているが、アミック酸の状態でウェハに塗布しイミド化を行っても良い。このように、ポリイミドの種類、あるいはアミック酸経由でのポリイミド感湿膜形成によらず、上記の耐久変動低減の効果は得られる。 The molecular structure of polyimide is not limited to that shown in FIG. 3, and other polyimides may be used. Furthermore, in the above-described embodiment, a method is employed in which polyimide is directly synthesized for convenience of raw material solubility and applied and formed on the wafer. However, imidization may be performed by applying it to the wafer in an amic acid state. As described above, the effect of reducing the durability fluctuation can be obtained regardless of the type of polyimide or the formation of the polyimide moisture sensitive film via the amic acid.
10 半導体湿度センサ
11 感湿素子
12 半導体基板
14 絶縁膜
15、16 電極
17 感湿膜
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記ポリイミドを生成する工程では、前記ポリイミドの合成が可能な溶媒であって、γ−ブチロラクトン、N−メチル−2ピロリドンを含有しない溶媒を用いて、前記ポリイミドを生成する半導体湿度センサの製造方法。 A method for producing a semiconductor humidity sensor comprising a step of producing polyimide as a moisture sensitive film (17) constituting the moisture sensitive element (11),
In the step of producing the polyimide, a method for producing a semiconductor humidity sensor, wherein the polyimide is produced using a solvent that is capable of synthesizing the polyimide and does not contain γ-butyrolactone and N-methyl-2pyrrolidone.
前記ポリイミドを生成する工程では、前記ポリイミドの合成が可能な溶媒として、TetraG、安息香酸エチル、安息香酸メチルのいずれかを単独あるいは混合して用いることにより、前記ポリイミドを生成する半導体湿度センサの製造方法。 A method for producing a semiconductor humidity sensor comprising a step of producing polyimide as a moisture sensitive film (17) constituting the moisture sensitive element (11),
In the step of producing the polyimide, as a solvent capable of synthesizing the polyimide, manufacturing of a semiconductor humidity sensor producing the polyimide by using any of TetraG, ethyl benzoate, and methyl benzoate alone or in combination. Method.
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JP2022131000A (en) * | 2021-02-26 | 2022-09-07 | 株式会社東芝 | sensor |
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