[其他]金属—氧化铝—硅结构湿度传感器及其制备工艺

说明书

本发明是金属-氧化物-半导体（MOS）结构Al₂O₃湿度传感器，属于指示环境湿度的元器件。

气相湿度的测量和控制在现代工业部门与科技工作中有着重要作用。环境湿度对电子器件的可靠性、工业产品质量等常常有决定性影响。因此，湿度传感器已成为工业产品质量控制和检测高可靠电子元器件气密封装中以及高纯气体中的残留水份的重要元器件。

在各种湿度传感器中，极大部份都是用于高湿气相的相对湿度传感器。能测量低湿气相绝对湿度的传感器很少，至于同时能测量绝对和相对湿度的、特别是半导体MOS结构的湿度传感器则没有见到报导。

Si-MOS结构Al₂O₃，湿度传感器是近年来发展较快的薄膜湿度传感器（例如美国专利US4143177，US4277742）。这种传感器重量轻、体积小、灵敏度高，且可连续检测，因而特别适合湿度的在线检测和自动控制，可在工业过程控制、生物学、药物学、食品工业等部门广泛应用，并可直接封入气密封装的电子元器件中“在位”监测残留水份并考察它对元器件可靠性的影响（见SolidStateTechnoLogy，February1978，p35）。

但是上述已有技术的Al₂O₃湿度传感器存在的长期漂移一直无法消除，并且，由于工艺上的原因，也没能制得对绝对湿度和相对湿度都敏感的两用湿度传感器。

Si上Al的阳极氧化通常直接采用H₂SO₄、H₃PO₄或酒石酸铵溶液（例如美国专利US4143177）。但这种方法工艺不易稳定，多孔Al₂O₃的结构参数难以控制，且其晶相结构一般为γ-Al₂O₃和γ-Al₂O₃·H₂O微晶与大量无定型Al₂O₃的混合相。由于γ-Al₂O₃表面能态甚高，十分活泼，极易化学吸附水汽且极难脱除，从而形成Al₂O₃·H₂O水化相并逐步相变，最终生成Al（OH），伴随体积增大（约1.5倍），导致Al₂O₃孔洞孔径变小、孔深变浅，表面积减小，吸附容量减小，这就造成传感器响应值的长期漂移，灵敏度不断下降，传感器的性能不稳定。湿度传感器在测量相对湿度时，通常在大气中使用，其环境含水量大，因而γ-Al₂O₃的相变也更快。所以这种传感器不能用于测量相对湿度。

为了克服Al₂O₃湿度传感器已有技术的上述不足，本发明通过改进阳极氧化工艺，使Al₂O₃中的γ-Al₂O₃相转变为α相，从而使生成的多孔Al₂O₃结构更加稳定，改善了这种传感器的长期漂移的问题，并且可以用其同时测量绝对湿度和相对湿度，使传感器可得到更广泛的应用。

本发明制备工艺的特征在于在传统制备半导体Si-MOS器件的阳极氧化工艺中，先使经过氧化、光刻、蒸Al后的硅片在酒石酸铵∶乙二醇为1∶1.7～5的溶液中，于室温下在1mA/cm²电流密度下恒流将Al全部氧化成Al₂O₃，然后移入重量百分浓度为3%的酒石酸铵溶液中，于30℃和60～90V电压下作至少20-50小时的恒压阳极氧化，以形成厚度均匀的多孔Al₂O₃膜（平均孔径700～1200、孔密度1～2×10⁹/cm²），经清洗后再进行热处理，使γ-Al₂O₃和γ-Al₂O₃·H₂O转变为α-Al₂O₃。热处理在N₂或Ar气流中进行，温度为900～1100℃（1～2小时）。