JPS5837908A - 陽極酸化アルミ感湿膜の製法 - Google Patents

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、小形の機能化センサ等に用いられる高感度
の感湿膜を陽極酸化ｈｔ、Ｏ１（略称：陽極酸化アルミ
）で半導体基板上に形成し、し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Ａｔ、０．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ことにより形成され
る多孔質のＡｔ２０３膜は、雰囲気中の浸度変化に応じ
てその静電容量と電気抵抗が変化するので、従来より様
々な湿度センサに用いられて来た。

これらのｈｔ！Ｏ，ｇの製法には次のようなものがあっ
た。すなわち、Ａｔの板や棒等（焼結体を含む）の表面
を陽極酸化して多孔質Ａｔ２０３膜を形成し、Ａｔはそ
のまま支持材兼片側の電極として使用する方法（Ｉ￥ｆ
公昭４７−３９９１６号）：Ａ４箔の表面に多孔質Ａｔ
２０．を形成し、残りのＡｔはＢ　ｒ　ｚや工２を溶卵
し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（％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Ａｔ、Ｏ，と成し、下層に残ったＡｔを下部電極
として用い、後で上部電極を取シ付ける方法：ＭＷｌｌ
Ｉの下に設けた異種金層の下部電極を陽極とし、Ａｔは
すべて陽極酸化してＡｔ、０．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
小形化に限界があシ、数ｄ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ゃすい欠点があった。Ａｔ箔の表
面にＡｔ２０８Ｍ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Ａｔ２０．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より薄くすることは困難で
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、小形化の要請と矛盾する
。

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Ａ／、薄膜の上層のみを陽Ｖ！酸化する方法は、数■
サイズのセンサに用いられるが得られるＡｔ２０Ｂ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
す／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Ａｔを全層にわたって陽極酸化する方法では、Ａｔ薄
膜の厚さによって得られるＡｔ２０．　Ｈ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
陽極酸化中にＡｔ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
わゆるパルプ作用のある金属材料で下部電極を形成する
必要があり、Ｔ１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れていた
。

本発明の目的は、ＳｔやＡｔ等の安価な材料で製造でき
、バッチ処理によね基板上に多数の小形で均一な膜厚の
Ａｔ、Ｏ，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、陽極酸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が設けられていて、そこでＡｔ
と電気的導通を持って接触している。この構造にょシ、
陽極酸化の化成電流は基板上のＡｔ全体くわたって均一
に供給され、基板全面に高品質の多孔質Ａｔ２ｏ３が形
成される。

この工程に先だつ工程でＡｔを基板上に多数に分割して
付着せしめる事も可能であり、その場合は、−基板上に
多数の小形センサを同時に生産できるので大量生産に有
利である。

次に図面によって本発明の実施例について具体的に説明
する。第１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。各グの左右を切って同じ形状が
平面的に多数縁シ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Ｓｔを用いているが
、他の半導体でもさしつかえない。第１工程は２つの系
統に大別される。左側のＡ系統に示すｗＪｌ工程では工
程前段でＳｔの半導体基板（１）の表面の必要な部分に
５ｔｏ２の絶縁膜（２）を形成する。この実施例では絶
縁膜として熱酸化による５１０２を用い、不要な部分を
ホトリングラフィ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、５ｌｏｚ膜の形成法としてＣＶＤ法
、スパッタ法を用いても良く、また必要なＳ　ｉｏｚ形
状を得るために、基板の一部を金城板でマスクしてスパ
ッタする手法により、必要な部分のみ５ｉ０２膜を形成
しても艮い。第１工程の後段では、絶縁膜上に所望の形
状の導電膜（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。この工程も、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な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ａ＠によってはこの工程
の後段、を省略して５ｉ０２上に直接Ａｔ２０゜を形成
してもさしつかえない。

第１図のＢ系統では右側に示すように、工程の前段で絶
綾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？綱膜と導電膜の形成
法と形状加工法はＡ系統と全く同様である。Ｂ系統では
Ｓ　１０２を除去してただちに次の工程に進むので、Ｓ
ｔｔ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。いずれの方法を取っても、所望の形状の８１
０２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、８１基板と良好な電気的導通を
得るため適宜熱処理を行う。本実施例ではＡｌ膜の厚さ
は２，０００　Ａ〜１０，０ＯＯＸでＮ２ガス中にて３
００〜４５０℃で３０〜１２０分間熱処理を行った。こ
の工程でＡｔ膜を基板表面上全面にわたって形成すれば
、連続した１枚の感湿膜が得られるが、多数に分割し平
面的に配列せしめて形成すれば、１基板上に多数の感湿
膜が同時に製造できる。

第３の工程では、硫酸、蓚酸、燐酸等の水溶液中に基板
を保持し、液面上に露出した部分よりＳｉ基板に電流を
供給し、Ａｔ膜を陽極酸化して多孔質の陽極酸化Ａｔ２
０３ｆ５）と成す。電流は８１基板を介してＡｔ膜全全
体均一に供給される。この時、ＡｔＦＩｔＡ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Ａ
ｔへも電流が供給されるので、８１０２膜の窓が基板全
体にわたって適宜配置されていればＭ膜全面が一様に陽
極酸化されて、一部分がｋｌのま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Ｓｌと多孔質Ａｔ２０゜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力率は々い。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
されて均一なＡｔ２０３感湿膜が再現性よく得られる。

第１図の実施例で製造された感湿素子Ｆｓ、感潜膜の片
側に金属電極を２つ設けて両電徐間の電気抵抗または静
電容ｔｉｔ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、３１０□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、性能第一とするかによって適
宜変更して実施できる。

第４図には、半導体基板としてソース拡散層（７）とド
レイン拡散層（８）を設けたＳｌを用いた素子を示す。

この素子は、湿度変化をソースとドレイン間に流れる電
流として検出する能動的セ／すである。

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、Ｓｌ基板
を用い感湿膜の厚さは約２００ＯＡで平面形状は直径４
５０−の円形である。この特性は素子を温度２４℃湿度
３０チＲ，Ｈ，（相対湿度）の大気中に放置し、これに
湿度５５チの湿ったＮ２ガスと湿度０チの乾燥Ｎ２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％程度低下したが、応答特性につ
いての差異＃′ｉ認められなかった。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２２ＫＱ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ｖｄ、を通常
のペンレコーダに直接入力し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、
として一定の電圧を印加した状態で湿度を０％Ｒ，Ｈ，
から５５チＲ，Ｈ，’ｔで変化させた時、前記ｖｄ８は
約４ボルト変化している。

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して使用できる。

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
回路と一体化した機能化センサ、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）ｈＬ２０ｇ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、（また、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Ａｔ２０．感温膜が形成できる
。従って単位面積当シの静電容量の大きな感湿膜が得ら
れる。

口）　　Ａｔ、０．膜が終始基板に密着した状態で製造
されるので破損させずに扱える。従って作業が簡単にな
り、歩留シも高くなる。

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Ｈ２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Ａｔ２ｏ３膜を形成
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）Ｓｌ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技術を応用して同一チ
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】

第１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ための
回路。 第７図は、＠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は絶＃４膜、３は導電膜、４は
Ａｔ薄膜、５は陽極酸化Ａｔ２０３膜、６は上部電極、
７はソース拡散層、８はドレイン拡散層、９は感湿素子
を示す、第５図中の（イ）は温度２４℃で５５チＲ，Ｈ
，の湿ったＮ２を吹き付は状ｎを示す、（ロ）は同じ＜
３０％Ｒ，Ｉ（、の大気中に放置した状態を示す、（ハ
）扛同じくＯ％Ｒ，Ｈ，の乾燥Ｎ２ガス吹き付は状態を
７トす。 第　ｌ　図 Ａ不読　　　　　　　　　　　　　　　　β系ＭＬ第　
　２　回 品３図 第１頁の続き 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）を形成する第１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核半導体基板と電
   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； 該半導体基板を陽極とし、第２の工程により形成された
   Ａｔ薄膜を陽極化する第３の工程からなる陽極酸化アル
   ミ感温膜の製法。
2. （２）、前記半導体基板が８１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？非
   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第１項記載の陽極酸化アルミの製法
   。