JP2021067690A

JP2021067690A - 無機湿度センサデバイス

Info

Publication number: JP2021067690A
Application number: JP2020176440A
Authority: JP
Inventors: デュリュプ，エミリアン; Durupt Emilien; アンドリュー，デミアン; Andreu Damien
Original assignee: MEAS France SAS
Current assignee: MEAS France SAS
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-04-30
Also published as: US11346800B2; CN112710700A; EP3812754A1; US20210123879A1

Abstract

【課題】高速で確実かつ恒久的な感知動作を可能にし、比較的容易に製造することができる、湿度センサデバイスを提供する。【解決手段】湿度センサデバイスは、基板と、前記基板の上に形成された少なくとも１対のくし形電極３ａ，３ｂとを備えている。また、前記基板は、半導体バルク基板１、絶縁基板、および半導体超小型回路のうちの１つである。また、前記基板は、前記半導体バルク基板または前記半導体超小型回路であり、前記半導体バルク基板または前記半導体超小型回路に形成された無機誘電体層２をさらに備える。【選択図】図１

Description

本発明は、環境の絶対または相対湿度を感知する湿度センサデバイス、およびそのような無機湿度センサの製造に関する。

車両に設置されるフロントガラス感知デバイスにおいて、暖房、換気、空調、およびフロントガラスワイパの動作を自動的に制御する目的で、温度センサ、湿度センサ、光センサ、またはこれらの組合せが使用されることが知られている。一例として、曇り状態の防止およびワイパ制御のために、フロントガラス湿度感知デバイスが一般に使用される。

当技術分野では、誘電体基板と、誘電体基板に形成された２つの電極と、２つの電極に形成された水の吸収および／または吸着のための高感度のポリマー層とを備えた湿度センサデバイスが知られている。センサによって検出される水の量が環境中の水の気体留分と熱平衡状態にあると仮定して、水の吸収および／または吸着によって引き起こされるキャパシタンス、抵抗率、またはインピーダンスの変動を測定および使用して、環境の（相対）湿度を判定することができる。

しかし、有機ポリマー材料は耐用期間中に劣化を受け、たとえばセンサデバイスの製造プロセスまたは特定の用途での実際の動作中に生じる比較的高い温度により影響される。特に、ポリマー材料はガラス遷移温度が比較的低く、ダイのリフロー処理中に問題が生じる。さらに、無機および有機材料層の形成を含む全体的な製造プロセスは比較的複雑である。また、従来のポリマー湿度センサデバイスの応答時間は比較的遅い（数秒程度）。

上記に鑑みて、本発明の目的は、高速で確実かつ恒久的な感知動作を可能にし、比較的容易に製造することができる、湿度センサデバイスを提供することである。

本発明は、基板と、基板の上に形成された少なくとも１対のくし形電極とを備えた湿度センサデバイスを提供することによって、上述した目的に対処する。

基板は、半導体バルク基板または絶縁基板、たとえばセラミック基板とすることができる。別法として、半導体超小型回路（ウェーハ）、たとえばＡＳＩＣまたはＡＳＳＰを、基板として使用することもできる。

半導体バルク基板または半導体超小型回路が基板として使用される場合、基板に無機誘電体（絶縁）層を形成することができ、無機誘電体層の上にくし形電極を形成することができる。この場合、無機誘電体層は、感知層として働くことができ、水に対して明確な吸着／吸収率を呈する。このデバイスに有機材料は含まれない。

そのように提供された構成は、大量生産の半導体製造プロセスによって容易に生産することができる。従来技術と同様の機械アセンブリとは対照的に、微細加工を使用することで、様々な部分のアセンブリが簡略化され、微細加工の狭い制限範囲内で位置合わせを実現することができる。そのような構成は、小型のサイズで製造することができ、耐用期間中の経年による深刻な劣化をそれほど受けない。デバイスは、たとえば最高約３００℃もしくは最高１０００℃またはさらにそれ以上の比較的高い温度で製造および動作することができる。さらに、そのような構成に基づいて、１秒未満の応答時間を実現することができる。

環境の温度が知られていることを条件として、適当な回路により、無機誘電体層または絶縁基板によって吸収／吸着される水の量を判定することができ、判定された水の量に基づいて、環境の湿度または相対湿度を判定することができる。環境の温度は、湿度センサデバイス内に備えることができる温度センサによって判定することができる。

特に、くし形電極間の領域内で無機誘電体層または絶縁基板の抵抗またはインピーダンスを測定することによって、環境（相対）湿度を感知することができる。別法または追加として、１対のくし形電極およびくし形電極間の無機誘電体層もしくは絶縁基板の材料によって形成されるキャパシタのキャパシタンス、または電極に電圧が印加されたときに無機誘電体層内でくし形電極間を流れる電流を測定することができる。測定は、湿度センサデバイス内に含まれる適当な感知回路によって行うことができる。

半導体バルク基板は、（ポリ）シリコン製とする、またはそれを含むことができる。別法として、サファイア基板または微細加工生産ラインに好適な任意の他の基板を使用することもできる。無機誘電体層は、窒化物材料、特にＳｉ_３Ｎ_４または炭化ケイ素製とする、またはそれを含むことができる。くし形電極は、貴金属、特に金、白金製とする、またはそれを含むことができる。これらの電極を製造するのに好適な代替材料には、アルミニウムおよび銅が含まれる。基板に対する電極の安定した接着を保証する接着層（たとえば、クロム製）を配置することもできる。

上述した例では、１対のくし形電極の電極は、無機誘電体層に平行な同じ水平平面に配置することができる。実際には、これらの電極は、同じ層から形成することができ、やはり同じ層から形成することができる電極端子に終端することができる。

上述した目的はまた、湿度センサデバイスを製造する方法であって、
基板、たとえば（ポリ）シリコン基板を提供するステップと、
基板の上に、たとえば金製の少なくとも１対のくし形電極を形成するステップとを含む方法を提供することによって対処される。

この場合も、基板は、半導体バルク基板または絶縁基板、たとえばセラミック基板とすることができる。別法として、半導体超小型回路（たとえば、ＡＳＩＣまたはＡＳＳＰ）を、基板として使用することもできる。

この方法は、基板が半導体バルク基板または半導体超小型回路の形態で提供される場合、基板に無機誘電体層、たとえばＳｉ_３Ｎ_４層を形成するステップを含むことができる。この場合、無機誘電体層は、本質的に水を吸収／吸着する感知層として働くことができる。湿度センサデバイスを製造するプロセス全体にわたって、いかなる有機材料層も形成する必要はない。

この方法は、無機誘電体層に接着層、たとえばＣｒ層を形成するステップをさらに含むことができる。この場合、１対のくし形電極は接着層に形成され、それにより電極がパターニングされる電極層の形成が容易になる。

一実施形態によれば、１対のくし形電極を形成するステップは、
無機誘電体層、特に上述した接着層の上に電極層を形成することと、
電極層の上にフォトレジスト層を形成することと、
フォトリソグラフィマスクを提供することと、
露出光源を提供することと、
フォトリソグラフィマスクおよび露出光源によってフォトレジスト層をパターニングし、パターン化されたフォトレジストを得ることと、
パターン化されたフォトレジストによって、たとえば反応性イオンエッチングにより電極層をパターニングすることとを含む。

電極層をパターニングすることは、１対のくし形電極の各電極に対して電極端子をそれぞれ形成することを含むことができる。電極層は、たとえば蒸着によって形成することができる。

さらに、この方法は、電極端子をプリント回路基板にワイヤボンディングすることを含むことができる。プリント回路基板は、無機誘電体層の抵抗、無機誘電体層のインピーダンス、１対のくし形電極および無機誘電体層によって形成されたキャパシタの静電容量、ならびに無機誘電体層を流れる電流のうちの少なくとも１つを測定するように構成された感知回路を備えることができる。

追加として、湿度センサデバイスを製造する本発明の方法の上述した実施形態のうちの１つによる方法によって得ることができる湿度センサデバイスが提供される。

そのように提供された湿度センサデバイスは、高温（数１００〜数１０００℃）および高圧（たとえば、数１０ａｔｍ以上）を特徴とする過酷な環境における遠隔感知のための独立型デバイスとして使用することができることに留意されたい。

本発明の追加の特徴および利点について、図面を参照して説明する。この説明では、本発明の好ましい実施形態を例示することを目的とした添付の図を参照する。そのような実施形態は、本発明の完全な範囲を代表するものではないことが理解されよう。

本発明について、添付の図面を参照して例として次に説明する。

本発明による湿度センサデバイスの例示的な実施形態を示す図である。本発明の一実施形態による湿度センサデバイス、たとえば図１に示す湿度センサデバイスを製造するプロセスの流れ図である。本発明の一実施形態による湿度センサデバイス、たとえば図１に示す湿度センサデバイスを製造するプロセスの流れ図である。本発明の一実施形態による湿度センサデバイス、たとえば図１に示す湿度センサデバイスを製造するプロセスの流れ図である。本発明の一実施形態による湿度センサデバイス、たとえば図１に示す湿度センサデバイスを製造するプロセスの流れ図である。本発明の一実施形態による湿度センサデバイス、たとえば図１に示す湿度センサデバイスを製造するプロセスの流れ図である。本発明の一実施形態による湿度センサデバイス、たとえば図１に示す湿度センサデバイスを製造するプロセスの流れ図である。本発明の一実施形態による湿度センサデバイス、たとえば図１に示す湿度センサデバイスを製造するプロセスの流れ図である。図１に示す構成による電流測定の実験結果を示す図である。

本発明は、たとえば車両のフロントガラス近傍の（相対）湿度を感知するのに好適な無機湿度センサデバイスを提供する。提供される湿度センサデバイスは、大量生産の半導体製造技法によって比較的容易に製造することができ、特に比較的高い温度に耐える。

図１は、本発明による湿度センサデバイス１０の一実施形態を例示的に示す。湿度センサデバイス１０は、半導体バルク基板１を備える。半導体バルク基板１は、（ポリ）シリコン基板とすることができる。

半導体バルク基板１に、吸着／吸収感知層として働く無機誘電体層２が形成される。無機誘電体層２は、窒化物層、たとえばＳｉ_３Ｎ_４層とすることができる。無機誘電体層２の上に、１対のくし形電極３ａ、３ｂが形成される。無機誘電体層２の上の１対のくし形電極３ａ、３ｂの形成は、無機誘電体層２に形成された接着層４によって容易にすることができ、接着層は、たとえばＣｒ製である、またはそれを含む（図１の上面図参照）。

電極３ａおよび３ｂはどちらも、同じ水平平面に形成されており、同じ材料製とするすることができる。たとえば、電極３ａ、３ｂは、耐薬品性および耐久性を提供するために、貴金属、特に金製とする、またはそれを含むことができる。電極３ａおよび３ｂと同じ材料製とするすることができる電極端子３ａｔおよび３ｂｔを介して、電圧を印加することができる。さらに、たとえば垂直方向の多層スタックの水平方向の寸法が約６００μｍ〜３００μｍの範囲内である小型の設計を実現することができる。

図１に示す構成により、湿度範囲全体（０％〜１００％）および１秒未満の応答時間で湿度センサデバイス１０の感知が可能になる。図３は、無機誘電体層２における水の吸着を生じる相対湿度に応じて、無機誘電体層２を通ってくし形電極３ａおよび３ｂ間を流れる電流の測定に対する実験結果を例示的に示す。

具体的な応用例に対して、電極歯の数、歯の幅および長さ、ならびにピッチ（歯と歯の間の距離）を調整することができる。電子リソグラフィ（選択される微細加工プロセスの分解能による）の場合、幅に対する例示的な範囲は、１０ｎｍ以下から数十μｍである。桁数は、数十から数万の範囲内とすることができ、長さは、数十ｎｍ〜数十μｍから最高数ｍｍの範囲である。

本発明の一実施形態による湿度センサデバイスを製造するプロセスについて、図２ａ〜図２ｇを参照して次に説明する。たとえば、図示のプロセスフローによって、図１に示す湿度センサデバイス１０を生産することができる。

図２ａに示すように、半導体バルク基板２１、たとえばＳｉ基板が提供され、半導体バルク基板２１に無機誘電体層２２、たとえばＳｉ_３Ｎ_４層が形成され、たとえば成長させられる。無機誘電体層２２の形成／成長後、無機誘電体層２２に接着層２３、たとえばＣｒ層が形成され、接着層２３に電極層２４、たとえばＡｕ層が形成される（図２ｂ参照）。電極層２４は、蒸着によって形成することができる。

電極層２４の形成後、電極層２４にフォトレジスト２５が後のフォトリソグラフィ処理のために形成される（図２ｃ参照）。フォトレジスト２５は、スピンコーティングによって、電極層２４に形成することができる。さらに、フォトレジスト２５は、たとえばポリマーまたはエポキシ樹脂製のポジ型またはネガ型のフォトレジストとすることができる。

フォトレジスト２５は、プロセス限界を数百ｎｍ未満に減少させる傾向がある場合、適当なフォトリソグラフィマスクおよび露出光源、たとえばＵＶ光源または電子ビームリソグラフィ機器を使用するフォトリソグラフィによってパターニングされる（図２ｄ参照）。図２ｅは、現像されパターン化されたフォトレジスト層２５ｐを示す。パターン化されたフォトレジスト層２５ｐに基づいて、電極層２４の構造化を実行することができる。

電極層２４の構造化は、たとえば反応性イオンエッチングまたは湿式エッチングによって実現することができ、その結果、図２ｆに示す構造化電極層２４ｓが得られる。構造化電極層２４ｓは、１対のくし形電極２４ｅ１および２４ｅ２と、それぞれの電極端子２４ｔ１および２４ｔ２とを備える。したがって、図示の例では、くし形電極２４ｅ１および２４ｅ２ならびに電極端子２４ｔ１および２４ｔ２が、同じ電極層２４から、したがって無機誘電体層２２の上の同じ水平平面に形成される。

次の処理ステップで、パターン化されたフォトレジストは剥離され、この構成を切断してダイを作り出すことができ、電極端子２４ｔ１および２４ｔ２は、たとえば図２ｇに示されるように金製の手段または好適なワイヤ２６によって、プリント回路基板へのワイヤボンディングに使用することができる。プリント回路基板は、感知されたデータを処理して湿度センサデバイスを制御するための測定および制御回路を備える。プリント回路基板は、自動較正および信号処理を実施して相対湿度測定を行うための任意のオンチップ回路を備えることができる。特に、プリント回路基板は、環境温度を感知するための温度センサを備えることができる。

上述した製造プロセスフローでは、全体的な大量生産の製造プロセスに伴う相対的な高い温度によって損傷されうる有機材料が含まれない。したがって、得られた湿度センサデバイスを比較的高温の環境において現場で動作させることを想定することができる。

図２ａ〜図２ｇに示されているように、湿度センサデバイスは、標準的な大量生産の半導体製造技法によって、高い歩留まりで容易に生産することができる。

上述した実施形態では、感知素子は、半導体バルク基板に形成される。しかし別法として、感知素子は、絶縁基板、たとえばセラミック基板に形成することができ、その場合、図２ａに示す誘電体層２２としての追加の誘電体層は不要になり、または感知素子は、半導体（感知／取得）超小型回路（ウェーハ）、たとえばＡＳＩＣもしくはＡＳＳＰの上に形成することもでき、その場合、酸化、窒化、もしくは炭化ケイ素製とすることができる誘電体（絶縁）層が介在する。これらの代替実施形態では、これらの図の参照符号１および２１は、それぞれ絶縁基板（誘電体層２２は存在しない）または半導体超小型回路を表す。センサ素子は、誘電体（絶縁）層に形成されたバイアを介して、回路の入力段に接続することができる。

前述のすべての実施形態は、限定を意図したものではなく、本発明の特徴および利点を示す例として働く。上述した特徴のいくつかまたはすべてを、異なる形で組み合わせることもできることを理解されたい。

１０湿度センサデバイス
１、２１半導体バルク基板
２、２２無機誘電体層
３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２くし形電極
３ａｔおよび３ｂｔ電極端子
４、２３接着層
２４電極層
２４ｅ１、２４ｅ２電極端子
２４ｓ構造化電極層
２５フォトレジスト
２５ｐパターン化されたフォトレジスト
２６ワイヤ

Claims

基板（１、２１）と、
前記基板（１、２１）の上に形成された少なくとも１対のくし形電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）と
を備えた湿度センサデバイス（１０）。
前記基板（１、２１）は、半導体バルク基板（１、２１）、絶縁基板（１、２１）、および半導体超小型回路のうちの１つである、請求項１に記載の湿度センサデバイス（１０）。
前記基板（１、２１）は、前記半導体バルク基板（１、２１）または前記半導体超小型回路であり、前記半導体バルク基板（１、２１）または前記半導体超小型回路に形成された無機誘電体層（２、２２）をさらに備える、請求項２に記載の湿度センサデバイス（１０）。
前記半導体バルク基板（１、２１）は、ケイ素製であり、もしくはそれを含み、かつ／または前記無機誘電体層（２、２２）は、窒化物材料、特にＳｉ_３Ｎ_４製であり、もしくはそれを含み、かつ／または前記くし形電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）は、貴金属、特に金製であり、もしくはそれを含む、請求項３に記載の湿度センサデバイス（１０）。
前記１対のくし形電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）の前記電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）は、前記無機誘電体層（２、２２）に平行な同じ水平平面に配置されている、請求項１に記載の湿度センサデバイス（１０）。
前記無機誘電体層（２、２２）の抵抗、前記無機誘電体層（２、２２）のインピーダンス、前記１対のくし形電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）および前記無機誘電体層（２、２２）によって形成されたキャパシタの静電容量、ならびに前記無機誘電体層（２、２２）を流れる電流のうちの少なくとも１つを測定するように構成された感知回路をさらに備える、請求項１に記載の湿度センサデバイス（１０）。
湿度センサデバイス（１０）を製造する方法であって、
基板（１、２１）を提供するステップと、
前記基板（１、２１）の上に１対のくし形電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）を形成するステップとを含む方法。
前記基板（１、２１）は、半導体バルク基板（１、２１）、絶縁基板（１、２１）、および半導体超小型回路のうちの１つである、請求項７に記載の方法。
前記基板（１、２１）は、前記半導体バルク基板（１、２１）または前記半導体超小型回路であり、前記半導体バルク基板（１、２１）または前記半導体超小型回路に、水を吸収／吸着する無機誘電体層（２、２２）を形成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
前記無機誘電体層（２、２２）に接着層（４、２３）を形成するステップをさらに含み、前記１対のくし形電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）は、前記接着層（４、２３）に形成される、請求項９に記載の方法。
前記１対のくし形電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）を形成するステップは、
前記無機誘電体層（２、２２）の上に電極層（２４）を形成することと、
前記電極層（２４）の上にフォトレジスト層（２５）を形成することと、
フォトリソグラフィマスクを提供することと、
露出光源を提供することと、
前記フォトリソグラフィマスクおよび前記露出光源によって前記フォトレジスト層（２５）をパターニングし、パターン化されたフォトレジスト（２５ｐ）を得ることと、
前記パターン化されたフォトレジスト（２５ｐ）によって、前記電極層（２４）をパターニングすることとを含む、請求項１０に記載の方法。
前記電極層（２４）をパターニングすることは、前記電極層（２４）の反応性イオンエッチングまたは湿式エッチングを含む、請求項１１に記載の方法。
前記電極層（２４）をパターニングすることは、前記１対のくし形電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）の前記各電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）に対して電極端子（３ａｔ、３ｂｔ）をそれぞれ形成することを含み、前記電極端子（３ａｔ、３ｂｔ）は、特にプリント回路基板にワイヤボンディングされる、請求項１２に記載の方法。
前記半導体バルク基板（１、２１）は、ケイ素製であり、もしくはそれを含み、かつ／または前記無機誘電体層（２、２２）は、窒化物材料、特にＳｉ_３Ｎ_４製であり、もしくはそれを含み、かつ／または前記くし形電極（３ａ、３ｂ、２４ｅ１、２４ｅ２）は、貴金属、特に金から形成もしくはそれを含む、請求項１３に記載の方法。
請求項７から１４のいずれか一項に記載の方法によって得ることができる湿度センサデバイス（１０）。