JPS5837907A - 陽極酸化アルミ感湿膜の製法 - Google Patents

陽極酸化アルミ感湿膜の製法

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JPS5837907A
JPS5837907A JP56136340A JP13634081A JPS5837907A JP S5837907 A JPS5837907 A JP S5837907A JP 56136340 A JP56136340 A JP 56136340A JP 13634081 A JP13634081 A JP 13634081A JP S5837907 A JPS5837907 A JP S5837907A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、小形の機卯化センサ婢に用いられる高感度
の感湿膜を陽極酸化AZ2O,(略称:陽極酸化アルミ
)で半導体基板上に形成し、し7かもそれを再現性よく
大量に容易に得られるようにし、た、陽極酸化ht、o
、感湿膜、の製法に関する。
Atを酸性電解液中で陽極酸化する事により形成される
多孔質のkA、O8膜は、雰囲気中の湿度便化に応じて
その静電容量と電気抵抗が蜜化するので、従来より様々
な湿度センサに用いられて来た。これらのAt、O,−
の製法には次のようなものがあった。すなわち、AtO
板や棒等(焼結体を含む)の表面を陽極酸化して多孔質
At、O8膜を形成し、Atはそのまま支持本1兼片側
の電極として使用する方法(I¥1公昭47−3991
6号):At箔の表面に多孔質At203を形成し、残
りのAtはBr2やI2を混和し7たメタノール等で溶
解除去した後At203膜の両面に改めて電極を取り付
ける方法(特公昭54−8119号):絶縁性基板上に
設けたAt薄膜の上層部分のみを多孔質At20.と成
し、下層に残ったAtを下部11極として用い、後で上
部電極を取り付ける方法:At薄膜の下に設けた異種金
層の下部電極を陽極とし、Mはすべて陽極酸化してAt
20.と成す方法などがそれである。
しかし、Atの板や棒を陽極酸化する方法では、構造上
小形化に限界があり、数m以下のサイズは実現困難であ
り、また上部電極を取りつける際に下部電極を兼ねたA
t本体と短絡を起こしやすい欠点があった。At箔の表
面にAt20.膜を形成し、残ったAtを除去する方法
は、比較的小形の湿度センサに用いられるが、この方法
で得られるAt、03膜の機機的強度が弱く扱いに熟練
を要するし、膜厚を数十μm より薄くする事は困難で
あるため面積をなるべく大きくして十分大きな静電容量
を得るよう設計せねばならず、小形化の’1lilfと
矛盾する。
またハロゲンや重金属を含む廃液が出る、絶縁性基板上
のAt薄膜の上層のみを陽極酸化する方法は敷部サイズ
のセンサに用いられるが、得られるAl、03層の厚さ
の制御が困難で、厚さの再現性や面内の厚さ均一性が悪
い^また、この方法で感湿膜の両面に電極を設けるサン
ドイッチ形構造は実現できるが感湿膜の片面に2つの櫛
形電極を相対して設ける構造は実現できない。At薄膜
の下に異種金属の下部電極を設け、これを陽極としてA
tを全層にわたって陽極酸化する方法では、Ar1.薄
膜の厚さによって得られるAt、O8膜の厚さが決まる
ので膜厚制御が容易であり、サンドイッチ形構造も櫛形
電極構造も実現できるが、下部電極の材質によっては陽
極酸化中KAtが剥離しやすい。また陽極酸化電流のわ
ずかな面内不均一によって、At薄膜の一部が他の部分
より先に陽極酸化され、その部分に電流が集中して他の
部分の陽極酸化が停滞する現象がある。このため、いわ
ゆるバルブ作用のある金楓材料で下S電、極を形成する
必要があり、Tiなどの高価な金属が必要である。とい
うように、小形の湿度センサを効率よく生産するために
は、それぞれ欠点があり、問題解決が必要とさねていた
本発明の目的は、StやAt等の安価な材料で製造でき
、バッチ処理により基板上に多数の小形で均一な膜厚の
At20.膜を容易に形成でき、機能化センサの製造に
適する、感湿膜製法を提供する事にある□ 本発明においては、半導体基板はセンサの支持材として
用いられると同時に、陽flit化時には半導体自身が
陽極、すなわち、陽極側の電流供給路、として使用され
るので、その表面は適宜絶縁膜で覆われ、Atに電流を
伝える部分のみ絶縁膜に窓や二設けられていて、そこで
Atと電気的導通を持って接触17ている。この構造に
より、陽極酸イヒのイヒ成電流は基板上のAt全体にわ
たって均一に供給され、基板全面に高品質の多孔質At
、03#(形成される、このAt20.膜を、陽極酸化
伊の工程で不要な部分を除去し5、所望の形状を得る一
部の工程で連続していたAt203膜を、この工程で多
数に分割する事もでき、小形のセンサを大量に生産する
のに有牙0である。
次に図直によって本発明の実施例について具体的に説明
する。111図は本発明の実施例についてその各製造工
程を示した断面図である。各図1の左右を切って同じ形
状が平面的に)数繰り返した構造である事を示している
この実施例では、半導体基板としてSiを用いているが
、他の半導体でもさ【7つかえない。
第1工程は2つの系統に大別される、左9A110A系
統に示す第1工程では工程前段でSiの半導体基板(1
)の表面の必要な部分に5in2の絶縁膜(2)を形成
する。この実施例では絶縁膜として熱酸イヒによるSt
O,を用い、不要な部分をホト1jソグラフイ技術によ
って選択的に除去して工程の前段を完了したが、Sin
、膜の形成法としてCVD法、スノくツタ法を用いても
良く、また必要な5102形状を得るために、基板の一
部を金属板でマスクしてスノ(ツタする手法により、必
要な部分のみsio、 sを形成しても良い。第1工程
の後段では、絶縁膜上に所望の形状の導電11(3)を
形成してセンサの電極と成す。
この実施例ではCrを用いたが、Ni、Au等、At以
外の適当な金属であれば良い。この工稈本、蒸着法、ス
パッタ法等により実施される。必要に応じて、エツチン
グ法、リフトオフ法で形状加工を行っても良い、いずれ
の場合でも特別が熟練を要せずこの工程を完了できる。
また、製造するセンサの種類によってはこの工程の後段
を省略してSin。
上に直接At203を形成して本さしつかえない。
第1図のB系統では右側に示すようK、工程の前段で絶
縁膜と導電膜を形成し、後段で絶縁膜の不要な部分のみ
を選択的に除去する。この場合も絶縁膜と導電膜の形成
法と形状加工法けA系統と全く同様である。B系統でけ
5in2を除去してただちに次の工程に進むので、S1
露出部が汚染されて素子の電気的特性が低下する危険が
少ない。いずれの方法を敗っても、所望の形状の5tO
2膜を形成でき、しかも1枚の基板上に容易に多数の繰
り返し構造を実現でき、大量生産に適合する事は明らか
である。
第2工程では、At膜(4)を蒸着法、スパッタ法等を
用いて基板上に形成し、Si基板と良好か電気的導通を
得るため適宜熱処理を行う。本実施例でけAt膜の厚さ
は2.0(10X〜1o、oooXでN2ガス中にて3
00〜450℃で30〜120分間熱処理を行った。
第3の工程では、硫酸、蓚酸、燐酸等の水溶液中に基板
を保持[7、液面上にrIx串lた部分よりS1基板に
電流を供給[7、At膜を陽極酸化【7て多孔質の陽極
酸化At203(5)と成す。電流はSi基板を介して
At膜全全体均一に供給させる。この時、At膜の基板
に直接接している部分からAt膜中を通って、絶縁膜上
のAtへも電流が供給されるので、SIO!膜の窓が基
板全体にわたって適宜配置さねていわばAt膜全全面一
様に陽極酸化されて、一部分がAtの甘ま残るような事
はない。また陽極酸化が基板上の一部分で他より早く完
了してもStと多孔@At、O1の界面に絶縁性の層が
形成されるので、そこに電流が集中するような事はない
。このように本発明によれば薄いAt膜でも支障なく陽
極酸化さねて均一なAt20.感湿膜が再現性よく得ら
れる。
第4の工程では、酸性水溶液を用いてAt、03膜を選
択的に除去する。従来多孔質At203膜の薬品による
選択的除去は困難とされていたが、第4の工程で均質で
かつ非常に薄いAt203Mが形成されていれは燐酬等
の酸性水溶液を用いて再現性よく加工できる。実施例で
は10〜50チの燐酸水溶液を20〜60℃で用いホト
リソグラフィ技術によりAt20゜膜の不要部分を除去
した。この手法によ妙、数μmの精度で所望の形状に加
工できる。
第1図の実施例で製造された感湿素子は感湿膜の片領に
金属電極を2つ設けて両電極間の電気抵抗または静電容
量を測定して湿度を知る構造であるが本発明の製法の適
用はこの構造に限定されず、いくつかの応用がある。第
2図のように本発明の製法で得られる感湿膜の上にさら
に上部電極(6)を設けて、いわゆるサンドイッチ形の
素子とし両電極間の静電容量を検出する構造に応用する
事もできる。また第3図は下部電極(3)を省略した形
の素子で半導体基板を下部電極として上部電極との間の
静電容量を測るものである。この場合は、8102膜の
静電容量を同時に測るので感度は若干低下するが、製造
工程は少なくなるという利点もある○工程の省略を優先
するか、性能記−とするかによって適宜費史して実施で
きる。
第4図には、半導体基板と[7てソース拡散層(7)と
ドレイン拡散N(8)を設けたStを用い*素子を示す
。この素子は、湿度費化をンースとドレイン間に流ねる
1′流として検出する節動的センサである。
第3図の素子は下部電極(3)を省略した素子であるが
、その応答特性を第5図に示す、この素子は、Si基板
を用い感湿膜の厚さは約2000Xで平面形状は直径4
50μmの円形である。この特性は素子を温度24膜湿
度30チR,)(、(相対湿度)の大気中に放置l1、
これに湿度55チの湿ったN2ガスと浸度Oチの乾燥N
2ガスを交互に吹き付けた時の素子の静電容量変化であ
る。この素子は下部電極(3)のあるものに比して、湿
度に対する感度は20〜30チ程度低下したが、応答特
性についての差異は認められかめ・った。すなわち、第
5図に示した通り応答は1〜2秒と極めて速く、本発明
による薄くて高品質の感湿材の優れた特徴を示している
第4図の素子は能動的な素子なので第6図のように外部
に22にΩの純抵抗を直列に接続しインバータの回路を
形成でき、ソースとドレインの間の電位差v6.を通常
のペンレコーダに直接人力(、て湿度変化を記録する事
ができる。この時の特性を第7図に示す。ゲート電圧v
gと1.て一定の電圧を印加17た状態で湿度をOチR
,H,から55チR,H,まで変化させた時、前記V。
け約4ボルト紫化している。
このように本発明の製法により、半導体基板上に非常に
小形の能動素子を実現でき、外部に特別な測定回路や増
巾回路を必要とせず直接表示器に接続【7て使用できる
以上のように本発明は半導体基板上に、非常に薄く小形
の高感度感湿膜を高精度で再現性よく形成できるので、
小形の受動的湿度センサの製造のみならず、半導体集積
回路と一体化【7た機能化センサ、集積化センサの製造
に大変有利である。
すなわち、本発明の製造方法は半導体基板上に形成する
陽極酸化At、03膜を半導体基板を陽極とし、半導体
基板に電気的に接続するAtを、(着た、そのAtに接
続するAtを)陽極酸化して得るようにしたから、次の
ような効果が得られる。
イ)基板上に非常に薄いAt203感湿膜が形成できる
。従って単位面積当りの静電容量の大きな感湿膜が得ら
れる。
口’)  At203膜が終始基板に密着し7た状態で
製造されるので破損させずに扱える、従って作業が悼単
になり、歩留り本高くなる。
ハ)厚さの制御が容易であり再現性が良い。
二)製造時に下部電極の導電膜に通電しないので、電極
材料に制約がなく、安価な材料が使用できる。
ホ)基板表面全体に一様な化成電流を供給する構造であ
るから、全面にわたって均一で高品質の感湿膜が形成さ
れる。
へ)平面形状を非常に小さくして高精度に製造できるの
で小形のセンサに有利であり、大量生産ができる。
ト)絶縁膜上にも支障なく陽極酸化At、03Mを形成
できるのでMOSFETのゲート絶縁膜上に感湿膜を設
けて能動的センサと成す事ができる。
チ) St基板上に小形に形成できるので電気回路と検
出部を同一チップ上に形成し、集積化センサと成す事が
できる。
従って本発明の製法は、5iIC技術を応用1.て同一
チップ上に検出部と信号処理部を一体化したいわゆる集
積化センサないし固体化センサの実現に必要−欠くべか
らざる技術である。
【図面の簡単な説明】
fJIc1図は本発明による感湿膜製法の各工程を示す
断面図。 第2図は本発明の製法による感湿素子(その2)の断面
図。 第3図は本発明の製法による感湿素子(その3)の断面
図。 第4図は本発明の製法による感湿素子(その4)の断面
図。 第5図は、第3図で示した素子の応答特性を示す図。 第6図は、第4図で示した素子の特性を測定する六めの
回路図。 第7図は、第4図で示した素子の特性を示す図である。 図中1は半導体基板、2け絶縁膜、311−t4m膜、
4はAt薄膜、5は陽極酸化At、O,III、 6は
上部電極、7はソース拡散層、8けドレイン拡散層、9
は感湿素子を示す、第5図中の(イ)は温度24℃で5
5チR,H,の湿ったN、を吹き付は状態を示す、(ロ
)は同じく30チR,H,の大気中に放雷した状態を示
す、←うは同じくOチR,)(、の乾燥N2ガス吹き付
は状態を示す。 代理人  小 池 龍太部 第1図 A系靴              B系統。 會 率4工程 +5 2 第 2 団 6 第 3 圓 惠 4 l 検 翻 第 6圓              h解 あ5図 ■ 時間(秒) 第1頁の続き 0発 明 者 古田戸節夫 東京都港区南麻布五丁目10番27 号安立電気株式会社内 0発 明 者 宮城幸一部 東京都港区南麻布五丁目10番27 号安立電気株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)、半導体基板(1)表面の一部を覆う絶縁膜(2
    )上の一部に導電性膜(3)を形成するmlの工程と;
    該第1の工程を経た半導体基板表面を覆い、該絶縁膜が
    形成されていない半導体表面において該半導体基板と電
    気的導通が得られるように、At薄膜(4)を形成する
    第2の工程と; レキ導体基板を陽極とし、第2の工程によ秒形威された
    At薄膜を陽極酸化する第3の工程と;該第3の工程で
    陽極酸化された陽極酸化At、O,膜(5)を酸性水溶
    液を用いて選択的に除去し、該導電性膜上に所望の形状
    の陽極酸化At20.膜を形成する第4の工程からなる
    陽極酸化アルミ感湿膜の製法。
  2. (2)、前記半導体基板がSt基板であることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の陽極酸化アルミ感湿膜
    の製法。
  3. (3)、前記酸性水溶液が燐酸水溶液であることを特徴
    とする特許請求の範囲蕗1項記載の陽極酸化アルミ感湿
    膜の製法。
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