Brevet FR2485736A1 — publié le 19811231

La présente invention concerne un détecteur d'humidité réalisé sous forme d'un condensateur électrique pour mesure de l'humidité relative, dont une électrode est formée par un substrat métallique, la seconde électrode par une couche métallique perméable à l'eau et le diélectrique essentiellement par une couche sensible à l'humidité, ainsi qu'un procédé pour la production dudit détecteur. Le développement des circuits intégrés et des microprocesseurs offre de nombreuses possibilités nouvelles pour le traitement de signaux. Seule la disponibilité de capteurs fiables, ayant une puis- sance électrique de sortie suffisante, permet toutefois l'application avantageuse de la technique d'intégration à la mesure et à la com- mande de phénomènes physiques. L'hygromètre à cheveu est jusqu'à présent utilisé presque exclu- sivement pour les mesures d'humidité dans l'air. Il ne satisfait 1S toutefois pas à l'exigence d'une sortie électrique. C'est pourquoi des détecteurs d'humidité ont été développés, sous forme d'un condensateur dont le diélectrique est sensible à l'humidité. Un polymère organique constitue la couche sensible à l'humidité de nombre des détecteurs d'humidité du commerce. Ces polymères ont toutefois une durée de vie limitée et présentent une faible plage sur laquelle la capacité varie avec la teneur en humidité de l'environnement. Des détecteurs d'humi- dité dont la couche sensible est constituée par de l'alumine semblent mieux convenir, mais des procédés de production spéciaux sont néces- saires pour obtenir une réaction de la couche à la teneur en eau de l'environnement. Les détecteurs précités sont des composants discrets, dont les caractéristiques de sortie ne sont par suite généralement pas adaptées aux microprocesseurs. Il serait souhaitable d'avoir non seulement une adaptation électrique entre le détecteur et le circuit de traitement des signaux, mais aussi une intégration des deux composants sur une pastille de silicium. La grande différence entre la technologie de production du détecteur et la technologie des circuits imprimés inter- dit actuellement une telle combinaison. L'invention vise par suite à améliorer un hygromètre réalisé sous forme de condensateur électrique par rapport à l'art antérieur. Il doit en particulier être intégrable facilement avec le circuit tra- ducteur sur une pastille de silicium, présenter une sensibilité suffisante, délivrer des valeurs mesurées réversibles avec un temps de réponse aussi court que possible et permettre une production facile. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un mono- cristal de silicium est prévu comme substrat métallique et la couche sensible à l'humidité est constituée par du dioxyde de silicium. On obtient des détecteurs d'humidité à très haute sensibilité en incor- porant des ions étrangers des éléments des groupes I à III ou des sousgroupes de la classification périodique à la couche de dioxyde de silicium sensible à l'humidité. Une couche de Si02 supplémentaire et/ou une couche de nitrure de silicium entre le substrat de silicium et la couche sensible & l'humidité augmentent avantageusement la résistance électrique entre les électrodes du condensateur. L'invention a également pour objet un procédé pour la production du détecteur. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'inven- tion, la couche sensible à l'humidité est produite par centrifugation d'une solution et l'incorporation des ions s'effectue dans cette der- nière. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'incorporation d'ions étrangers au dioxyde de silicium s'effectue par implantation ionique. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la sensibilité du détecteur est ajustée à une valeur déterminée par des processus de recuit à température élevée. Lorsque la couche sensible à l'humidité est produite par centri- fugation d'une solution, l'incorporation des ions étrangers à la couche peut s'effectuer très simplement par introduction de ces ions dans la solution. L'implantation ionique permet une commande précise du nombre des ions étrangers dans la couche de dioxyde de silicium. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exem- ples de réalisation et du dessin annexé sur lequel: la figure 1 est la coupe d'un détecteur d'humidité selon l'invention; et la figure 2 représente la variation de capacité en fonction du temps pour une variation de 2 à 97 % de l'humidité relative. L'élément essentiel de l'invention réside dans l'utilisation comme diélectrique sensible à l'humidité d'une couche de dioxyde de silicium, avantageusement dopée par des ions des groupes I à III, tels que Ca, Mg, Al, et des sous-groupes, Ca par exemple, de la clas- sification périodique des éléments. Le dioxyde de silicium est connu comme produit déshydratant sous la forme de gel de silice. L'inven- tion repose sur l'observation suivante: l'incorporation d'ions à une couche de dioxyde de silicium amorphe permet de modifier les propriétés hygroscopiques de cette substance de façon que l'absorp- tion et la libération d'eau soient réversibles et suffisamment rapides pour qu'un âtat d'équilibre avec la teneur en humidité de l'environ- nement s'établisse en un temps court. La nature et la quantité des ions introduits permettent de faire varier la sensibilité, le temps de réponse et l'étendue de mesure entre de vastes limites. Plusieurs procédés sont connus dans la technologie des semicon- ducteurs pour la production de couches de dioxyde de silicium. Le dépôt à partir d'une solution est utilisé pour pouvoir réaliser sim- plement le dopage avec des ions, nécessaire selon l'invention. Ce procédé est décrit dans la demande de brevet de la République fédé- rale d'Allemagne publiée sous le n0 24 47 204. Il est toutefois pos- sible d'introduire aussi les ions par implantation. Ces processus sont adoptés dans la technologie des semiconducteurs et ont fait leurs preuves depuis longtemps. Lorsque la couche sensible à l'humidité est en outre déposée sur du silicium monocristallin, toutes les conditions sont réalisées pour l'intégration du détecteur et du circuit traducteur sur une pastille. La production d'un tel détecteur est décrite ci-après à l'aide de la figure 1. Une plaquette de silicium 1 est recouverte d'une couche 2 de Sio2 d'une épaisseur d'environ 50 nm, par oxydation dans un courant d'oxygène. Cette couche doit interdire les pertes d'isolement. La couche 3 sensible à l'humidité est déposée sur la couche 2 par centrifugation. Cette couche est par exemple produite à partir d'une solution présentant la composition suivante: ml orthosilicate d'éthyle ml méthanol ml solution aqueuse à 1 mol/l de CaCl2 6 H20, ajustée à pH = 1 par addition de HNO3. La centrifugation produit à partir de cette solution une couche 3 de verre de silice, d'une épaisseur d'environ 250 nm. Une mince couche de chrome 4 est ensuite déposée par évaporation pour assurer l'accrochage d'une couche d'or 5 produite pendant la même opération. Cette succession de couches doit être maintenue suffisamment fine pour être encore perméable à l'eau. Une couche d'or 6 plus épaisse (0,2 pm environ) est prévue pour le raccordement électrique, à l'ex- térieur de la surface du détecteur proprement dit. Une nouvelle éva- poration est nécessaire pour ce faire, après le recouvrement de la surface 51 du détecteur par une résine photosensible. La couche d'or évaporée sur cette dernière peut être ensuite éliminée par pelage, de sorte que seule est renforcée l'épaisseur des zones de contact, qui entourent la surface du détecteur. Le contact est établi entre le substrat de silicium 1 et la couche d'or 7 d'épaisseur renforcée. La figure 2 représente le résultat de mesures effectuées sur un tel composant. La variation de capacité C est portée en fonction du temps t, pour une variation de l'humidité relative de l'air de 2 à 97 % (courbe 1) et de 97 à 2 % (courbe 2); le temps est porté sur une échelle quadratique. La variation d'humidité relative s'effectue en quelques secondes. La figure 2 montre qu'aucune saturation n'est d'abord atteinte. L'observation étonnante suivante a été faite; même du SiO2 ther- mique (c'est-à-dire un dioxyde produit par oxydation du silicium dans un courant d'oxygène à température élevée) réagit à l'humidité. Les parties planes de la courbe, représentées en tireté sur la figure 2, sont imputables à cet effet. Une forme de réalisation avan- tageuse de l'invention utilise par suite une couche d'imperméabili- sation, en Si3N4 de préférence, à la place ou en plus de la couche de SiO2 produite thermiquement (courbes en trait plein). La capacité du détecteur doit être adaptée à l'entrée du cir- cuit pour l'intégration dans ce dernier. Les capacités optimales pour ce faire sont normalement comprises entre 10 et 100 pF. La sélec- tion de la taille de la surface du détecteur permet d'atteindre facilement cet ordre de grandeur. Les valeurs indiquées sur la figure 2 se rapportent par exemple à une surface active de 5 x 5 mm. Pour l'intégration, les phases de production du détecteur et du cir- cuit intégré doivent de même être adaptées. Il convient toutefois de noter que la couche du détecteur sensible à l'humidité ne doit plus subir de processus à température élevée, car sa sensibilité varie aux températures supérieures à 500 0C. Il est par contre pos- sible d'appliquer des processus de recuit à basse température pour ajuster la sensibilité. Dans le procédé de pelage précité, une couche de résine photo- sensible est déposée sur la couche d'or 5 déjà produite (figure 1), avec une épaisseur supérieure à celle de la couche d'or 6 qui sera évaporée ultérieurement. Après insolation et développement de la couche de résine photosensible, la seconde couche d'or 6 est déposée par évaporation, avec l'épaisseur voulue. Lors de la dissolution de la couche de résine photosensible, le solvant passe sur les bords de la structure, demeurés libres pendant l'évaporation, atteint les couches résiduelles de résine photosensible et les détache avec la couche d'or déposée sur elles. L'invention ouvre non seulement la voie vers de nouveaux maté- riaux sensibles à l'humidité, mais offre en outre un processus de production compatible avec la technologie des semiconducteurs et de plus simple et par suite économique. Bien entendu, diverses modifications peuvent être aportées par l'homme de l'art au principe et-aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Détecteur d'humidité réalisé sous forme d'un condensateur élec- trique pour mesure de l'humidité dans des gaz, dont une électrode est formée par un substrat métallique, la seconde électrode par une couche métallique perméable à l'eau et le diélectrique essentielle- ment par une couche sensible à l'humidité, ledit détecteur étant caractérisé en ce qu'un monocristal de silicium est prévu comme subs- trat métallique et la couche sensible à l'humidité est constituée par du dioxyde de silicium. 2. Détecteur selon revendication 1, caractérisé par l'incorporation d'ions étrangers au dioxyde de silicium. 3. Détecteur selon revendication 2, caractérisé en ce que les ions étrangers incorporés sont des ions des éléments des groupes I à III ou des sous-groupes de la classification périodique. 4. Détecteur selon une des revendications 2 et 3, caractérisé par une couche supplémentaire de SiO2 et/ou une couche de nitrure de silicium (Si3N4). 5. Détecteur selon une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé par sa réalisation avec-un circuit intégré sur une pastille de silicium. 6. Procédé pour la production d'un détecteur selon revendication 2, caractérisé en ce que la couche sensible à l'humidité est produite par centrifugation d'une solution et l'introduction des ions s'effectue dans ladite solution. 7. Procédé selon revendication 6, caractérisé en ce que l'incorpo- ration d'ions étrangers au dioxyde de silicium s'effectue par implan- tation ionique. 8. Procédé selon une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la sensibilité du détecteur est ajustée à une valeur déterminée par des processus de recuit à température élevée.