JP2020008514A - 湿度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】下部電極上におけるヒロックの発生を抑制することを可能とする湿度センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成されて前記下部電極の塑性変形を抑制する塑性変形抑制膜と、前記塑性変形抑制膜を介して前記下部電極を覆う感湿膜と、前記感湿膜上に形成された上部電極と、を有する湿度センサ。
【選択図】図３

Description

本発明は、静電容量式の湿度センサ及びその製造方法に関する。

湿度センサには、吸収した水分量に応じて誘電率が変化する高分子材料で形成された感湿膜を誘電体として用いた静電容量式の湿度センサがある。この静電容量式の湿度センサの電極構造として、櫛歯型や平行平板型が知られている。

櫛歯型とは、対向する一対の櫛歯状電極を同一平面上に設け、当該一対の櫛歯状電極上に感湿膜を設けた構造である（例えば、特許文献１参照）。

平行平板型とは、基板上に形成された下部電極と、当該下部電極上に対向して設けられた上部電極との間に感湿膜を設けた構造である。この平行平板型の湿度センサでは、感湿膜は、下部電極が形成された基板上に、例えば、スピンコート及びフォトリソグラフィ技術を用いて形成される。この感湿膜を形成する高分子材料として、例えばポリイミドを用い、感湿膜の形成後に感湿膜に対して熱処理を行うことが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特表２００９−５１６１９２号公報 特開平４−１９５５３号公報

しかし、平行平板型の湿度センサを製造する際に、下部電極上に感湿膜を形成した後、感湿膜に対して熱処理を行うと、下部電極が加熱されてマイグレーション現象が発生する恐れがある。下部電極にマイグレーション現象が生じると、下部電極の表面にヒロックと呼ばれる突起物が自発成長する。下部電極上に突起物が成長して、この突起物が感湿膜を貫通した場合には、下部電極と上部電極とが電気的にショートし、湿度センサが動作不能となってしまう。

本発明は、下部電極上におけるヒロックの発生を抑制することを可能とする湿度センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

開示の技術は、基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成されて前記下部電極の塑性変形を抑制する塑性変形抑制膜と、前記塑性変形抑制膜を介して前記下部電極を覆う感湿膜と、前記感湿膜上に形成された上部電極と、を有する湿度センサである。

本発明によれば、下部電極上におけるヒロックの発生を抑制することを可能とする湿度センサが実現される。

従来技術の問題点を説明するための湿度センサの断面図である。 第１実施形態に係る湿度センサの概略構成を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線沿う断面を概略的に示す断面図である。 湿度センサの製造工程を示す工程図である。 湿度センサの製造時における断面構造を示す図である。 湿度センサの製造時における断面構造を示す図である。 塑性変形抑制膜によるヒロック抑制効果を示す光学顕微鏡写真である。 第１実施形態の変形例に係る湿度センサの概略構成を示す断面図である。 第２実施形態に係る湿度センサの概略構成を示す断面図である。 保護膜の厚膜化によるヒロック抑制効果を示す光学顕微鏡写真である。

＜従来技術の問題点の説明＞
発明を実施するための形態を説明する前に、従来技術の問題点をより具体的に説明する。図１は、従来技術の問題点を説明するための湿度センサ２００の断面図である。

湿度センサ２００は、平行平板型の静電容量式湿度センサである。絶縁基板２０上に絶縁膜２１を介して下部電極１０が設けられている。下部電極１０上には、保護膜２３を介して感湿膜１１が設けられている。保護膜２３は、例えば、厚みが１００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜である。感湿膜１１は、例えば、ポリイミドにより形成される。

感湿膜１１上には、複数の開口１２ａを有する上部電極１２が形成されている。上部電極１２上には、保護膜２４を介してオーバーコート膜２５が形成されている。

湿度センサ２００の製造時には、感湿膜１１を製膜した後、感湿膜１１に対して熱処理が行われる。この熱処理により下部電極１０にマイグレーション現象が発生する恐れがある。下部電極１０にマイグレーション現象が発生すると、同図に示すように、ヒロックと呼ばれる突起物４０が下部電極１０から自発成長する。この突起物４０が感湿膜１１を貫通すると、下部電極１０と上部電極１２とが電気的にショートし、湿度センサ２００が動作不能となってしまう。なお、ヒロックには、ウィスカと呼ばれる針状等の突起物も含まれる。

なお、同図では、下部電極１０上に保護膜２３が設けられているが、この保護膜２３は下部電極１０の酸化や腐食等の影響を抑制することを目的とするものであるため、突起物４０の発生を抑制することはできない。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜第１実施形態＞
［概略構成］
第１実施形態に係る湿度センサの構成について説明する。図２は、第１実施形態に係る湿度センサ１００の概略構成を示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線沿う断面を概略的に示す断面図である。なお、図２では、湿度センサ１００に含まれる下部電極１０、感湿膜１１、及び上部電極１２のみを概略的に示している。

湿度センサ１００は、平行平板型の静電容量式湿度センサである。湿度センサ１００は、シリコン（Ｓｉ）基板等の絶縁基板２０をベースとして形成されている。絶縁基板２０上には、ＳｉＯ_２等で形成された絶縁膜２１が設けられている。

絶縁膜２１上には、平板状の下部電極１０が設けられている。下部電極１０は、例えば、アルミニウム合金の一種であるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金により形成された導電膜である。下部電極１０の厚みは、例えば２００ｎｍである。なお、下部電極１０は、Ａｌ−Ｓｉ合金等、他のアルミニウム合金で形成されていてもよい。

下部電極１０上には、下部電極１０の塑性変形を抑制するための塑性変形抑制膜２２が設けられている。塑性変形抑制膜２２は、下部電極１０の表面上にのみ設けられており、下部電極１０と同一の平面形状を有する。塑性変形抑制膜２２は、下部電極１０よりも硬質の膜であり、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）膜である。塑性変形抑制膜２２の厚みは、１００ｎｍ以上であることが好ましい。塑性変形抑制膜２２の厚みは、例えば１００ｎｍとする。なお、塑性変形抑制膜２２は、ＴｉＮ膜に限られず、ＴｉＷ膜等であってもよい。

塑性変形抑制膜２２は、導電性を有し、下部電極１０に接触しているので、下部電極１０の一部として機能する。

塑性変形抑制膜２２上には、酸化シリコン等で形成された保護膜２３が設けられている。保護膜２３は、塑性変形抑制膜２２の上面と、塑性変形抑制膜２２及び下部電極１０の側面を覆っている。保護膜２３の厚みは、例えば１００ｎｍである。保護膜２３は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成されていてもよい。

下部電極１０上には、塑性変形抑制膜２２及び保護膜２３を介して、感湿膜１１が設けられている。感湿膜１１は、保護膜２３、塑性変形抑制膜２２、及び下部電極１０の全体を覆っている。感湿膜１１は、厚みが０．５μｍ〜１．５μｍである水分子を吸着しやすい高分子材料で形成されている。感湿膜１１は、例えば、厚みが１μｍのポリイミド膜であることが好ましい。

なお、感湿膜１１を形成する高分子材料は、ポリイミドに限られず、セルロース、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などであってもよい。また、塑性変形抑制膜２２上の保護膜２３は、必須ではなく、感湿膜１１を塑性変形抑制膜２２上に直接設けてもよい。

感湿膜１１の上面は平坦であり、この上面に、平板状の上部電極１２が形成されている。上部電極１２は、例えば、厚みが２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）等で形成された導電膜である。上部電極１２は、感湿膜１１、保護膜２３、及び塑性変形抑制膜２２を介して、下部電極１０に対向している。

上部電極１２には、空気中の水分子を感湿膜１１に効率的に取り込むために、複数の開口１２ａが形成されている。これらの開口１２ａにより、上部電極１２の平面形状は、格子状となっている。開口１２ａは、可能な限り小さいほうが好ましく、小さいほど空気中への電界の漏れが防止される。実際は、多数の開口１２ａが形成されている。なお、上部電極１２の平面形状は、格子状に限られず、ラダー状等であってもよい。

上部電極１２上には、酸化シリコン等で形成された保護膜２４が形成されている。この保護膜２４は、上部電極１２の酸化や腐食を防止するために設けられているが、必須ではない。

上部電極１２上には、保護膜２４を介してオーバーコート膜２５が設けられている。オーバーコート膜２５は、高分子材料で形成されており、例えば、感湿膜１１と同一の材料で形成されている。オーバーコート膜２５の厚みは、例えば０．５μｍ〜１０μｍである。

なお、オーバーコート膜２５には、上部電極１２の一部を露出させる電源接続用の開口（図示せず）が設けられている。また、オーバーコート膜２５及び感湿膜１１には、下部電極１０の一部を露出させる電源接続用の開口（図示せず）が設けられている。

［製造方法］
次に、湿度センサ１００の製造方法について説明する。図４は、湿度センサ１００の製造工程を例示する工程図である。図５及び図６は、湿度センサ１００の製造時における断面構造を示す図である。

まず、絶縁基板２０としてのシリコンウエハを用意する（ステップＳ１）。次に、図５（Ａ）に示すように、絶縁基板２０上に、絶縁膜２１としてのＳｉＯ_２膜を製膜する（ステップＳ２）。

次に、図５（Ｂ）に示すように、絶縁膜２１上に、下部電極１０を形成するための第１導電膜１０ａを、例えば２００ｎｍの膜厚で製膜し、第１導電膜１０ａ上に、塑性変形抑制膜２２を形成するための第２導電膜２２ａを、例えば１００ｎｍの膜厚で製膜する。これにより、第１導電膜１０ａ上に第２導電膜２２ａが積層される。例えば、第１導電膜１０ａの材料はＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金であり、第２導電膜２２ａの材料はＴｉＮである。

次に、第２導電膜２２ａ上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィを行うことにより、図５（Ｃ）に示すように、所定の形状のレジストパターン３０を形成する。そして、レジストパターン３０をマスクとして、イオンミリング等のエッチング法により第２導電膜２２ａを加工し、続けて第１導電膜１０ａを加工する。その後、レジストパターン３０を除去して洗浄する。これにより、図５（Ｄ）に示すように、下部電極１０及び塑性変形抑制膜２２が形成される（ステップＳ３）。

次に、塑性変形抑制膜２２上を覆うように、保護膜２３としてのＳｉＯ_２膜を、例えば１００ｎｍの膜厚で製膜する（ステップＳ４）。そして、図６（Ａ）に示すように、保護膜２３を介して塑性変形抑制膜２２及び下部電極１０の全体を覆うように、感湿膜１１を形成する（ステップＳ５）。具体的には、例えば、高分子材料としてポリイミドを、スピンコート、バーコータ、スプレイコータ等の方法で、例えば１μｍの厚さに塗布し、プリベークを行う。そして、感湿膜１１上に、レジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンに基づいて感湿膜１１を所定の形状に加工する。この後、レジストパターンを除去して洗浄する。

そして、感湿膜１１に対して、例えば、３５０℃の窒素ガス雰囲気中で約３時間の間熱処理を行う（ステップＳ６）。この加熱処理により、感湿膜１１は架橋構造が形成されて硬化する。

次に、感湿膜１１上に第３導電膜を形成し、これをレジストパターンに基づいて加工することにより、図６（Ｂ）に示すように、所定形状の上部電極１２を形成する（ステップＳ７）。

次に、上部電極１２上を覆うように、保護膜２４としてのＳｉＯ_２膜を製膜し（ステップＳ８）、保護膜２４を介して上部電極１２を覆うようにオーバーコート膜２５を形成する（ステップＳ９）。オーバーコート膜２５は、例えば、感湿膜１１と同一の高分子材料であるポリイミドを用いて形成される。オーバーコート膜２５の製膜方法は、感湿膜１１の製膜方法と同様である。この後、ステップＳ６と同様の熱処理を行うこと（ステップＳ１０）により、図３に示す構成の湿度センサ１００が完成する。

［効果］
第１実施形態に係る湿度センサ１００では、下部電極１０上に、下部電極１０よりも硬質の塑性変形抑制膜２２が設けられているので、感湿膜１１をした後、感湿膜１１に対して熱処理を行うことによる下部電極１０の塑性変形及びマイグレーション現象の発生が抑制される。この結果、図１に示すようなヒロック（突起物４０）の発生が抑制され、ヒロックによる下部電極１０と上部電極１２とのショートが抑制される。

図７は、塑性変形抑制膜２２による塑性変形抑制効果を示す光学顕微鏡写真である。図７（Ａ）は、図１に示す湿度センサ２００において、感湿膜１１に対して熱処理（３５０℃、３時間）を行った場合における上部電極１２の形成後の光学顕微鏡写真である。一方、図７（Ｂ）は、第１実施形態に係る湿度センサ１００において、感湿膜１１に対して熱処理（３５０℃、３時間）を行った場合における上部電極１２の形成後の光学顕微鏡写真である。いずれの場合においても、保護膜２３は、厚みが１００ｎｍのＳｉＯ_２膜としている。

図７（Ａ）に示すように、塑性変形抑制膜２２が設けられていない場合には、複数のヒロックが発生し、下部電極１０と上部電極１２との間をショートさせることが確認された。これに対して、図７（Ｂ）に示すように、塑性変形抑制膜２２を設けた場合には、ヒロックの発生が抑制されることが確認された。塑性変形抑制膜２２は、厚みが１００ｎｍのＴｉＮ膜としている。

＜第１実施形態の変形例＞
次に、第１実施形態に係る湿度センサ１００の変形例について説明する。図８は、第１実施形態の変形例に係る湿度センサ１００ａの概略構成を示す断面図である。

図８に示すように、湿度センサ１００ａにおいては、下部電極１０の下面に下地膜５０が形成されている。湿度センサ１００ａのその他の構成は、第１実施形態に係る湿度センサ１００と同様である。

下地膜５０は、例えば、ＴｉＷ膜である。なお、下地膜５０は、ＴｉＷ膜に限られず、ＴｉＮ膜等であってもよい。下地膜５０は、導電性を有し、下部電極１０に接触しているので、下部電極１０の一部としても機能する。

下地膜５０は、図５（Ｂ）で示した第１導電膜１０ａの製膜の前に、絶縁膜２１上に、下地膜５０を形成するための第３導電膜を製膜することにより形成される。この第３導電膜を製膜した後、第１導電膜１０ａ及び第２導電膜２２ａを製膜し、第３導電膜を、第１導電膜１０ａ及び第２導電膜２２ａとともに、レジストパターン３０に基づいてパターニングすることにより、下部電極１０下に下地膜５０が形成される。

この場合、例えば、塑性変形抑制膜２２と下地膜５０とをともにＴｉＷ膜とし、下部電極１０をアルミニウム合金膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜）とすることが好ましい。また、塑性変形抑制膜２２の厚みを６０ｎｍとし、下地膜５０の厚みを２００ｎｍとすることが好ましい。

＜第２実施形態＞
次に、第１実施形態に係る湿度センサについて説明する。第１実施形態では、塑性変形抑制膜を導電膜としているが、第２実施形態では塑性変形抑制膜を絶縁膜とする。

図９は、第２実施形態に係る湿度センサ１００ｂの概略構成を示す断面図である。

図９に示すように、湿度センサ１００ｂにおいては、塑性変形抑制膜６０は、下部電極１０上を覆う絶縁膜により形成されている。塑性変形抑制膜６０を構成する絶縁膜は、例えば、下部電極１０上における膜厚Ｔが４００ｎｍ以上のＳｉＯ_２膜である。なお、保護膜２３は、ＳｉＯ_２膜に限られず、ＳｉＮ膜やＡｌ_２Ｏ_３膜であってもよい。この場合においても膜厚Ｔは４００ｎｍ以上であることが好ましい。

湿度センサ１００ｂは、第１実施形態の湿度センサ１００において、塑性変形抑制膜２２を除去し、保護膜２３を厚膜化した構成に相当する。

湿度センサ１００ｂのその他の構成は、第１実施形態に係る湿度センサ１００と同様である。

このように塑性変形抑制膜６０を絶縁膜とした場合であっても膜厚Ｔを大きくすることにより、下部電極１０におけるマイグレーション現象の発生を抑制し、ヒロックの発生を抑制することができる。

図１０は、保護膜２３の厚膜化によるヒロック抑制効果を示す光学顕微鏡写真である。図１０（Ａ）は、Ｔ＝１００ｎｍとし、感湿膜１１に対して熱処理（３５０℃、３時間）を行った場合における熱処理後の光学顕微鏡写真である。一方、図１０（Ｂ）は、Ｔ＝４００ｎｍとし、感湿膜１１に対して熱処理（３５０℃、３時間）を行った場合における熱処理後の光学顕微鏡写真である。いずれの場合においても、保護膜２３は、ＳｉＯ_２膜としている。

図１０（Ａ）に示すように、Ｔ＝１００ｎｍの場合には、複数のヒロックが発生し、下部電極１０と上部電極１２との間をショートさせることが確認された。これに対して、図１０（Ｂ）に示すように、Ｔ＝４００ｎｍの場合には、ヒロックの発生が抑制されることが確認された。

第２実施形態に係る湿度センサ１００ｂでは、膜厚Ｔを大きくするほどヒロックの抑制効果が高まる。しかし、湿度センサ１００ｂでは、塑性変形抑制膜６０は絶縁性であることから下部電極１０の一部として機能せず、かつ水分を吸収しないため、膜厚Ｔを大きくするほど、感湿膜１１の誘電率の変化量が低下する。このため、膜厚Ｔを大きくするほど、湿度センサ１００ｂによる湿度の検出感度が低下する。したがって、膜厚Ｔは必要以上に大きくすることなく、４００ｎｍ程度とすることが好ましい。

なお、第２実施形態の変形例として、図８に示した第１実施形態の変形例と同様に、下部電極１０の下面に、下地膜としてＴｉＷ膜やＴｉＮ膜を設けてもよい。

また、上記第１及び第２実施形態では、上部電極１２上に保護膜２４を設けているが、保護膜２４に代えて、または上部電極１２と保護膜２４との間に、上述の塑性変形抑制膜２２または塑性変形抑制膜６０と同様の塑性変形抑制膜を設けてもよい。上部電極１２を覆うオーバーコート膜２５には、熱処理（図４のステップＳ１０）が行われるため、ヒロックが生じる恐れがあるが、上部電極１２上に塑性変形抑制膜を設けることにより、ヒロックの発生が抑制される。但し、上部電極１２上にヒロックが発生したとしても、このヒロックが電極間のショートを生じさせることはないので、上部電極１２上に塑性変形抑制膜を設けることは必須ではない。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

また、本開示において、基板上という文言は、基板の表面に接する場合だけでなく、基板の表面上に他の要素を介して間接的に配置される場合も含む。膜上や電極上という文言についても同様である。

１０ 下部電極
１０ａ 第１導電膜
１１ 感湿膜
１２ 上部電極
１２ａ 開口
２０ 絶縁基板
２１ 絶縁膜
２２ 塑性変形抑制膜
２２ａ 第２導電膜
２３ 保護膜
２４ 保護膜
２５ オーバーコート膜
３０ レジストパターン
４０ 突起物（ヒロック）
５０ 下地膜
６０ 塑性変形抑制膜
１００，１００ａ，１００ｂ，２００ 湿度センサ

Claims (12)

1. 基板上に形成された下部電極と、
   前記下部電極上に形成されて前記下部電極の塑性変形を抑制する塑性変形抑制膜と、
   前記塑性変形抑制膜を介して前記下部電極を覆う感湿膜と、
   前記感湿膜上に形成された上部電極と、
   を有する湿度センサ。
2. 前記感湿膜は、ポリイミドにより形成されている請求項１に記載の湿度センサ。
3. 前記塑性変形抑制膜は、前記下部電極より硬質の材料により形成されている請求項１または２に記載の湿度センサ。
4. 前記塑性変形抑制膜は、導電膜である請求項３の湿度センサ。
5. 前記導電膜は、ＴｉＮ膜またはＴｉＷ膜である請求項４に記載の湿度センサ。
6. 前記塑性変形抑制膜は、絶縁膜である請求項１または２に記載の湿度センサ。
7. 前記絶縁膜は、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、またはＡｌ_２Ｏ_３膜である請求項６に記載の湿度センサ。
8. 前記絶縁膜は、膜厚が４００ｎｍ以上のＳｉＯ_２膜である請求項６に記載の湿度センサ。
9. 前記下部電極は、アルミニウム合金膜で形成されている請求項１ないし８いずれか１項に記載の湿度センサ。
10. 前記下部電極の下面に形成された下地膜をさらに有する請求項１ないし９いずれか１項に記載の湿度センサ。
11. 前記下地膜は、ＴｉＮ膜またはＴｉＷ膜である請求項１０に記載の湿度センサ。
12. 基板上に積層された第１導電膜及び第２導電膜を加工することにより、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられて前記下部電極の塑性変形を抑制する塑性変形抑制膜とを形成する工程と、
    前記塑性変形抑制膜を介して前記下部電極を覆うように感湿膜を形成する工程と、
    前記感湿膜に対して熱処理を行う工程と、
    前記感湿膜上に上部電極を形成する工程と、
    を有する湿度センサの製造方法。