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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Erkennungsvorrichtung für eine
dynamische Größe, welche
dadurch gebildet wird, dass ein Halbleiterchip, der ein Erkennungselement
zur Erkennung einer dynamischen Größe enthält, auf einen Sockel oder Träger unter
Verwendung einer Bondierungsschicht gebondet wird.
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Die
Veröffentlichung
JP-A-2000-241273 offenbart
ein derartiges Verfahren bei der Herstellung einer diskreten Druckerkennungsvorrichtung
100 wie in
den
1A und
1B gezeigt.
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Gemäß den 1A und 1B beinhaltet die
Druckerkennungsvorrichtung oder Druckerfassungsvorrichtung 100 eine
metallische Stütze
oder einen metallischen Ständer 20,
einen diskreten Halbleiterchip 30 und eine Glasschicht 40.
Die metallische Stütze 20 beinhaltet
eine scheibenförmige
Membran 10. Der Halbleiterchip 30 ist auf die
Membran 10 mittels der Glasschicht 40 aufgebondet.
Der diskrete Halbleiterchip 30 ist in Kontakt mit der Glasschicht 40 an
einer ersten Oberfläche 31 des
diskreten Halbleiterchips 30. Die Membran 10 ist
in Kontakt mit der Glasschicht 40 an einer ersten Oberfläche 11 der Membran 10.
Der diskrete Halbleiterchip 30 beinhaltet vier Messpunkte
(Erkennungselemente) 51, 52, 53, 54 oder
vier Piezo-Widerstände 51, 52, 53, 54. Die
Messpunkte 51 bis 54 sind in einer zweiten Oberfläche 32 des
Chips 30 gegenüber
der ersten Oberfläche 31 angeordnet.
Die Glasschicht 40 ist beispielsweise aus einem Glas mit
niedrigem Schmelzpunkt gemacht.
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Wenn
ein Medium, welches Druck überträgt, der
zu erkennen oder zu erfassen ist, in die Stütze 20 eingebracht
wird, um den Druck auf eine zweite Oberfläche 12 der Membran 10 aufzubringen,
welche gegenüber
der ersten Oberfläche 11 liegt,
wird die Membran 10 ausgelenkt und der diskrete Halbleiterchip 30 wird
ebenfalls synchron ausgelenkt, um die Widerstände der Messpunkte 51 bis 54 zu ändern. Die
Widerstandsänderungen
werden von einem Verarbeitungsschaltkreis, der in der Figur nicht
dargestellt ist, verar beitet, um den Druck zu erfassen. Der Verarbeitungsschaltkreis
ist in einem anderen Chip ausserhalb des diskreten Halbleiterchips 30 vorgesehen
und beinhaltet Verarbeitungsschaltkreiselemente, beispielsweise
einen bipolaren Transistor und einen Trimmwiderstand.
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Da
der Verarbeitungsschaltkreis in einem anderen Chip angeordnet ist,
ist das System mit der diskreten Druckerkennungsvorrichtung 100 und
dem Chip mit dem Verarbeitungsschaltkreis vergleichsweise gross.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung habe angesichts der Größe bekannter
Systeme Versuche unternommen, die Messpunkte 51 bis 54 und die
verarbeitenden Schaltkreiselemente zu integrieren, um einen Verarbeitungsschaltkreis
gleich dem voran genannten Verarbeitungsschaltkreis in einem intelligenten
Halbleiterchip 33 zu bilden und somit eine intelligente
Druckerkennungsvorrichtung 101 zu schaffen, welche in den 2A und 2B gezeigt ist.
Die verarbeitenden Schaltkreiselemente sind in einem Verarbeitungsschaltkreisbereich 70 enthalten.
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Es
hat sich jedoch dann der nachfolgende Sachverhalt herausgestellt,
als die intelligente Druckerkennungsvorrichtung 101 unter
Verwendung des intelligenten Halbleiterchips 33 hergestellt
wurde: Wenn die diskrete Druckerkennungsvorrichtung 100 der 1A und 1B hergestellt
wird, wird der diskrete Halbleiterchip 30 für gewöhnlich auf
die Metallstütze 20 durch
Sintern der Glasschicht 40 angeheftet oder gebondet. Wenn
jedoch die Glasschicht 40 gesintert wurde, ändern sich
die Eigenschaften eines bipolaren Transistors, der in dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 70 enthalten
ist und der als Verarbeitungsschaltkreiselement dient.
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Die
Eigenschaftsänderungen
des bipolaren Transistors können
durch den folgenden Mechanismus bewirkt werden. Obgleich in der
Figur nicht gezeigt, enthält
der intelligente Halbleiterchip 33 ein Substrat, welches
aus Silizium ist. Verdrahtungslinien, welche Elemente wie einen
bipolaren Transistor in einer Oberfläche des Substrates elektrisch
verbinden, ein Oxidfilm, der die Drahtlinien isoliert, und ein Passivierungsfilm,
der die Drahtlinien und den Oxidfilm schützt, sind auf der Oberfläche des
Substrates angeordnet. Der Oxidfilm und der Passivierungsfilm werden
bei dem Wafer-Herstellungsprozess, bei dem ein Wafer zur Herstellung
des intelligenten Halbleiterchips 33 bearbeitet wird, in
einer Atmosphäre
ausgebildet, welche Wasserstoff enthält.
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Wenn
der Oxidfilm und der Passivierungsfilm gebildet werden, wird der
Wasserstoff in der Atmosphäre
in dem Oxidfilm und dem Passivierungsfilm in Form von Wasserstoffionen
absorbiert. Die freien Bindungen der Siliziumatome an der Schnittstelle zwischen
der Oberfläche
des Substrates und des Oxidfilm werden durch die Wasserstoffionen
begrenzt. In einem folgenden Schritt bei dem Wafer-Herstellungsvorgang
wird der Wafer in einer Atmosphäre,
welche Wasserstoff enthält,
auf hohe Temperatur erhitzt. Während
dieses Schritts wird der Betrag an Wasserstoffionen im Oxidfilm
und dem Passivierungsfilm erhöht,
da Wasserstoff in der Atmosphäre
absorbiert wird und die Bindungen zwischen den durch Wasserstoff
beschränkten
Siliziumatomen und den begrenzenden Wasserstoffatomen an der Schnittstelle
zwischen der Oberfläche
des Substrates und dem Oxidfilm können aufgrund der hohen Temperatur
aufbrechen.
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In
einem späteren
Schritt wird der Wafer geschnitten, um den intelligenten Halbleiterchip 33 zu bilden.
Da während
des Schneidschrittes keine Hitze auf den intelligenten Halbleiterchip 33 aufgebracht wird,
werden die Charakteristiken des bipolaren Transistors, beispielsweise
der Stromverstärkungsfaktor
in dem Wafer-Herstellungsprozess im wesentlichen durch die Konzentration
von Wasserstoffionen bestimmt, welche sich aus den obigen Hochtemperaturbehandlungen
ergeben haben.
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Wenn
jedoch die Glasschicht 40 gesintert wird, um den intelligenten
Halbleiterchip 33 an der Metallstütze 20 anzubonden,
wird der Verarbeitungsschaltkreisbereich 70 erhitzt. Im
Ergebnis bewegen sich die Wasserstoffatome, welche an den Siliziumatomen
an der Schnittstelle zwischen der Oberfläche des Substrates und dem
Oxidfilm angelagert sind, von den Siliziumatomen weg und die Wasserstoffatome,
welche in dem Oxidfilm absorbiert sind, wandern in Richtung des
Passivierungsfilmes oder werden in die Atmosphäre ausgegast.
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Im
Ergebnis werden Elektronen, welche von den Wasserstoffatomen in
dem Oxidfilm gehalten werden, über
die Oberfläche
des bipolaren Transis tors in dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 70 freigegeben
und der Transistorinjektions-Wirkungsgrad ("transistor injection efficiency") erhöht sich.
Infolgedessen erhöht
sich der Basisstrom und der Kollektorstrom erhöht sich ebenfalls zusammen
mit den Strömen,
welche durch die Basis, den Emitter und den Kollektor des bipolaren
Transistors fließen.
Somit erhöht
sich der Stromverstärkungsfaktor,
der eine der Eigenschaften des bipolaren Transistors ist.
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Aus
der
EP 0 762 096 A1 sind
eine vertikal integrierte Sensorstruktur, sowie ein Herstellungsverfahren
hierfür
bekannt. Ein Halbleiterchip wird mit einer Glasbondierschicht auf
einer Stütze
befestigt, die sich unter Druckeinfluss verformt. Der Chip enthält piezoresistive
Wandlerelemente, sowie Verstärker- und
Umformerschaltungen und Trimmwiderstände. Die hiermit gewonnene
Sensorstruktur soll widerstandsfähig
gegen harsche Umwelteinflüsse
sein.
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Die
US 4 933 030 A beschreibt
niedrig schmelzende Gläser
zum Befestigen von Halbleiterbauteilen auf keramischen Substraten
mit Glasübergangstemperaturen
von < 350°C. Die bei
Temperaturen von > 400°C auftretende
Nickeloxidation soll hierdurch vermieden werden.
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Aus
der
US 5 169 472 A ist
das direkte Bonden eines Sensorwafers mit einem anderen Wafer unter
Formiergas bei 100–400°C bekannt.
Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen werden empfindliche
Waferstrukturen besser geschützt
bzw. können schon
vor dem Bondiervorgang eingebaut werden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der weiter oben dargelegten
Nachteile gemacht, welche beim Sondieren eines Halbleiterchips enstehen, der
ein Erkennungselement zur Korrelation einer dynamischen Größe, welche
zu erkennen ist, mit einer elektrischen Größe und eine Mehrzahl von Verarbeitungsschaltkreiselementen
zur Herstellung eines Schaltkreises, der die elektrische Größe verarbeitet, beinhaltet,
an einem Ständer
oder Träger
unter Verwendung einer Bondierungsschicht bei einem Herstellungsvorgang
einer Erkennungsvorrichtung für eine
dynamische Größe beinhaltet.
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Konkret
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, der Änderung der Eigenschaften eines
der Verarbeitungsschaltkreiselemente entgegenzuwirken, welche verursacht
wird, wenn die Bondierungsschicht gesintert wird, um den Halbleiterchip
an dem Träger
anzubonden.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe beinhaltet ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
zur Herstellung einer Erkennungsvorrichtung für eine dynamische Größe die folgenden
Schritte: Bilden eines Halbleiterchips, der ein Erkennungselement
beinhaltet, das zur Korrelierung einer dynamischen Größe, welche
zu erfassen ist, mit einer elektrischen Größe dient, sowie ein Verarbeitungsschaltkreiselement aufweist,
zur Bildung eines Schaltkreises, der die elektrische Größe verarbeitet;
Aufbringen einer Bondierungsschicht auf einen Träger; Anordnen des Halbleiterchips
auf der Bondierungsschicht; Sondieren des Halbleiterchips auf den
Träger
durch Sintern der Bondierungsschicht; und Tempern des Halbleiterchips
in einer Atmosphäre,
welche Wasserstoff enthält,
um eine Änderung
zu heilen oder zu beseitigen, welche während des Bondierens des Halbleiterchips verursacht
wurde, nämlich
eine Änderung
in einer Eigenschaft eines der Verarbeitungsschaltkreiselemente.
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Gemäß diesem
Verfahren wird der Halbleiterchip in einer Atmosphäre getempert
oder im Kühlofen
behandelt und zwar in einer Atmosphäre, welche Wasserstoff enthält, so dass
selbst dann, wenn sich der im Halbleiterchip enthaltene Wasserstoff während des
Bondierens des Halbleiterchips entfernt, es möglich ist, Wasserstoff wieder
zuzuführen. Infolgedessen
wird ein Änderungsbetrag
von Wasserstoff im Halbleiterchip gering gehalten. Von daher ist
es möglich,
Eigenschaftsänderungen
zumindest eines der Verarbeitungsschaltkreiselemente gering zu halten.
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Vorteilhafre
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben
sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1A eine
Draufsicht auf eine bekannte Druckerkennungsvorrichtung;
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1B eine
Schnittdarstellung der Vorrichtung von 1A entlang
der dortigen Linie IB-IB;
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2A eine
Draufsicht auf eine Druckerkennungsvorrichtung, bei der ein Halbleiterchip
mit Verarbeitungsschaltkreiselementen auf einen Träger unter
Verwendung des gleichen Verfahrens wie bei der Vorrichtung der 1A und 1B aufbondiert
ist;
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2B eine
Schnittdarstellung der Vorrichtung von 2A entlang
der dortigen Linie IIB-IIB;
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3A eine
Draufsicht auf eine Druckerkennungsvorrichtung, welche gemäß einem
Verfahren einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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3B eine
Schnittdarstellung durch die Vorrichtung von 3A entlang
der dortigen Linie IIIB-IIIB;
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4 eine
Teilschnittdarstellung des Halbleiterchips der 3A und 3B;
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5 ein
Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Herstellungsverfahrens für die Druckerkennungsvorrichtung
der 3A und 3B;
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6 eine
schematische Darstellung, welche ein Temperverfahren gemäß der Ausführungsform
zeigt;
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7A und 7B Ansichten
zur Veranschaulichung der Belastungsverteilung in dem Halbleiterchip
der 3A und 3B;
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8A eine
Draufsicht auf eine Abwandlung der Druckerkennungsvorrichtung, welche
mit dem Verfahren gemäß der Ausführungsform
hergestellt worden ist, wobei die Ausrichtung eines Verarbeitungsschaltkreisbereiches
gegenüber
der Druckerkennungsvorrichtung der 3A und 3B unterschiedlich
ist;
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8B eine
Schnittdarstellung der Vorrichtung von 8A entlang
der dortigen Linie VIIIB-VIIIB;
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9A eine
Druckerkennungsvorrichtung, welche gemäß einem Verfahren hergestellt
wurde, welches nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
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9B eine
Schnittdarstellung der Vorrichtung von 9A entlang
der dortigen Linie IXB-IXB;
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10 ein
Flussdiagramm des Herstellungsverfahrens für die Druckerkennungsvorrichtung der 9A und 9B;
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11A eine Draufsicht auf eine Abwandlung der Druckerkennungsvorrichtung,
welche nach dem Verfahren gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform
hergestellt worden ist; und
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11B eine Querschnittsdarstellung der Vorrichtung
von 11A entlang der dortigen Linie XIB-XIB.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf eine
Ausführungsform
hiervon beschrieben. Wie in den 3A und 3B gezeigt,
ist eine Erkennungsvorrichtung für
eine dynamische Größe gemäß einer
Ausführungsform
eine intelligente Druckerkennungsvorrichtung 102. Die Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B wird
beispielsweise zur Steuerung des Kraftstoffeinspritzdrucks in einem
Motor oder zur Steuerung des Bremsdrucks für die Räder eines Fahrzeugs verwendet.
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Wie
in den 3A und 3B gezeigt,
beinhaltet die Vorrichtung 102 eine Metallstütze 20 (Ständer), einen
intelligenten Halbleiterchip 34 und eine Glasschicht 40.
Die Metallstütze 20 umfasst
eine scheibenförmige
Membran 10. Der Chip 34 ist auf die Membran 10 unter
Verwendung der Glasschicht 40 aufgebondet. Der Chip 34 ist
in Kontakt mit der Glasschicht 40 an einer ersten Oberfläche 31 des
Chips 34. Die Membran 10 ist in Kontakt mit der
Glasschicht 40 an einer ersten Oberfläche 11 der Membran 10. Der
Chip 34 beinhaltet weiterhin vier rechteckförmige Messpunkte
(Erkennungselemente) 51, 52, 53, 54 oder
vier Piezo-Widerstände 51, 52, 53, 54,
sowie Verarbeitungsschaltkreiselemente.
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Obgleich
in der Figur nicht dargestellt, sind die Messpunkte 51 bis 54 durch
Verdrahtungslinien elektrisch miteinander verbunden, um einen Brückenschaltkreis
zu bilden. Die Verarbeitungsschaltkreiselemente werden verwendet,
einen Schaltkreis zu bilden, um eine elektrische Größe, beispielsweise Strom
und Potential zu verarbeiten, welche vom Brückenschaltkreis ausgegeben
wird. Wie in den 3A und 3B gezeigt,
sind die Messpunkte 51 bis 54 in einer zweiten
Oberfläche 32 des
Chips 34 gegenüberliegend
der ersten Oberfläche 31 oberhalb
der Membran 10 angeordnet. Die Verarbeitungsschaltkreiselemente
sind in einem Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 enthalten,
der in der zweiten Oberfläche 32 des
Chips 34 liegt.
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Wenn
ein Medium wie ein Gas oder eine Flüssigkeit, welches beispielsweise
den Kraftstoffeinspritzdruck eines Motors überträgt, in die Stütze 20 eingebracht
wird, um den Druck auf eine zweite Oberfläche 12 der Membran 10 gegenüberliegend der
ersten Oberfläche 11 aufzubringen,
verformt sich die Membran 10 und der Chip 34 verformt
sich synchron, so dass die Widerstände an den Messpunkten 51 bis 54 geändert werden.
Die Widerstandsänderung ändert die
elektrische Größe, welche
vom Brückenschaltkreis
ausgegeben wird und die elektrische Größe wird von dem Schaltkreis
verarbeitet, der in dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 enthalten ist,
um den Druck zu erfassen.
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Die
metallische Stütze 20 hat
die Form eines Hohlzylinders und wird beispielsweise durch spanabhebende
Bearbeitung gefertigt. Die Metallstütze 20 ist beispielsweise
aus KOVAR, was eine Fe-Ni-Co-Legierung ist, mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten annähernd
gleich demjenigen von Glas. Die Membran 10 ist an einem
ersten Ende der Metallstütze 20 angeordnet.
Das Medium, welches den Druck überträgt, wird
von einem zweiten Ende der Metallstütze 20 hier eingebracht,
welches in der Figur nicht darge stellt ist, jedoch gegenüber dem ersten
Ende liegt, wobei die Einbringung des Mediums in Richtung eines
Pfeils in 3B erfolgt, um Druck auf die
zweite Oberfläche 12 der
Membran 10 aufzubringen. Die Abmessungen der Metallstütze 20 sind
beispielsweise 6,5 mm Aussendurchmesser und 2,5 mm Innendurchmesser.
Die Dicke der Membran 10 beträgt 0,65 mm, wenn der maximal
erfassbare Druck beispielsweise 20 MPa beträgt und 1,40 mm, wenn der maximal
erfassbare Druck beispielsweise 200 MPa beträgt.
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Gemäß 4 beinhaltet
der Halbleiterchip 34 ein plattenförmiges Siliziumeinkristallsubstrat 80 des
p-Typs mit gleichförmiger
Dicke. Die Oberfläche des
Siliziumsubstrates 80, welche auf Seiten der zweiten Oberfläche 32 des
Chips 34 liegt, ist eben und hat eine Oberflächenausrichtung
von (100). Die Abmessungen des Halbleiterchips 34 betragen
beispielsweise 4,0 mm × 4,0
mm betreffend Länge
und Breite der ebenen Oberfläche
und 0,2 mm betreffend die Dicke. Die Glasschicht 40 ist
beispielsweise aus einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt gemacht. Die
Dicke der Glasschicht 40 beträgt beispielsweise 0,06 mm.
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Die
Oberfläche
des Siliziumsubstrates 80 hat eine Flächenausrichtung von (100),
so dass das Substrat 80 zwei Kristallachsen von <110> hat, welche senkrecht
zueinander und parallel zur Oberfläche des Siliziumsubstrates 80 sind,
wie in 3A gezeigt. In 3A ist
eine der Kristallachsen <110> parallel zu der X-Achse,
wohingegen die andere Ausrichtungsachse <110> parallel zu der Y-Achse ist. Wie in 3A gezeigt,
sind die Messpunkte 51 bis 54 so angeordnet, dass
ihre Längsrichtungen
parallel zur X-Achse sind, wohingegen ihre Seitenrichtungen parallel
zur Y-Achse sind.
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Die
Verarbeitungsschaltkreiselemente, welche in dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 in
der zweiten Oberfläche 32 des
Halbleiterchips 34 angeordnet sind, sind solche, welche
einen bipolaren Transistor und einen Trimmwiderstand verwenden. Obgleich
in der Figur nicht gezeigt, sind die Verarbeitungsschaltkreiselemente
elektrisch mit den Messpunkten 51 bis 54 über Verdrahtungsleitungen
verbunden.
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Nachfolgend
wird der Querschnittsaufbau des Halbleiterchips 34 genauer
beschrieben. Wie in 4 gezeigt, ist eine Mehrzahl
von n– Epitaxial bereichen 82a, 82b, 82c, 82d und 82e,
welche voneinander durch p+ Isolationsbereiche 81 isoliert
sind, in der Oberfläche
des Halbleitersubstrates 80 angeordnet. Die Messpunkte 51 bis 54 sind
in der Oberfläche von
einem (82) der Bereiche der Epitaxialregionen angeordnet.
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Gemäß 4 sind
zwei Transistoren Tr1 und Tr2 zur Bildung eines Operationsverstärkers unter
Verwendung zweier Epitaxialbereiche 82b bzw. 82c ausgebildet.
Ein Trimmwiderstand 83, der zur Einstellung der Eigenschaften
des Operationsverstärkers
verwendet wird, ist in einem Epitaxialbereich 82d angeordnet.
Der Trimmwiderstand 83 wird beispielsweise aus Chromsilizium
(CrSi) gefertigt. Ein Elektrodenkissen 84, welches zur
elektrischen Verbindung des Halbleiterchips 30 mit einem
externen Schaltkreis verwendet wird, ist in einem Epitaxialbereich 82e angeordnet.
Das Elektrodenkissen 84 ist beispielsweise aus Aluminium
gefertigt. Die Transistoren Tr1, Tr2, der Trimmwiderstand 83 und
das Elektrodenkissen 84 sind in dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 enthalten.
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Obgleich
in der Figur nicht dargestellt, sind andere Epitaxialbereiche in
der Oberfläche
des Halbleitersubstrates 80 angeordnet und ebenfalls voneinander
durch andere p+ Isolationsbereiche 81 elektrisch
isoliert. Weitere Widerstände
und Transistoren sind in den anderen Epitaxialbereichen angeordnet.
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Ein
Siliziumoxidfilm 86 (SiO2) ist
auf der Oberfläche
des Halbleitersubstrates 80 angeordnet. Verdrahtungslinien 85,
welche die Messpunkte 51 bis 54, die Transistoren
Tr1 und Tr2 den Trimmwiderstand 83 und das Elektrodenkissen 84 elektrisch
untereinander verbinden, sind von dem Halbleitersubstrat 80 an
bestimmten Abschnitten durch den Siliziumoxidfilm 86 isoliert.
Ein Passivierungsfilm 87, der als Schutzfilm dient, ist
auf den Verdrahtungsleitungen 85 und dem Siliziumoxidfilm 86 angeordnet.
Der Passivierungsfilm 87 hat eine Öffnung 87a für eine Drahtbondierung,
wie in 2 gezeigt. Der Passivierungsfilm 87 ist
beispielsweise aus einem Plasma-Silizium-Nitrid-Film (P-SiN) gefertigt.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung der Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B kurz
beschrieben. Die Druckerken nungsvorrichtung 102 der 3A und 3B wird
gemäß dem Prozessablauf
von 5 hergestellt. Zunächst werden als Vorbereitungsschritt
ein Halbleiterchip 34 mit den Messpunkten 51, 52, 53 und 54 und
den Verarbeitungsschaltkreiselementen, beispielsweise Transistoren
Tr1, Tr2 und einem Trimmwiderstand 83 und eine Metallstütze oder
ein Metallträger 20 vorbereitet.
Nachfolgend wird als Anbringschritt eine Glasschicht 40 aus
beispielsweise einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt an einer bestimmten
Position einer ersten Oberfläche 11 der Membran 10 der
Metallstütze 20 aufgebracht
und der Halbleiterchip 34 wird auf der Oberseite der Glasschicht 40 angeordnet.
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Dann
wird als Bondierungsschritt die kombinierte Einheit aus den Elementen 20, 40 und 34 in
einen Sinterofen gebracht, der in der Zeichnung nicht dargestellt
ist und die Glasschicht 40 wird bei annähernd 400°C gesintert, um den HalbleiterChip 344 an der
Metallstütze 20 anzubonden.
Schließlich
wird in einem Temperschritt die gesinterte kombinierte Einheit aus
den Elementen 20, 40 und 34 in eine Temperkammer
oder einen Kühlofen 90 gemäß 6 auf einer
Heizplatte 91 angeordnet und beispielsweise bei 380°C über 30 Minuten
auf der Heizplatte 91 gesintert, während ein wasserstoffhaltiges
Gas zugeführt
wird. Durch die obigen Schritte wird die Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B gebildet.
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Nachfolgend
wird der Druckerkennungsmechanismus bei der Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B im
Detail beschrieben. Wenn ein Medium, welches den zu erfassenden
Druck überträgt, in den
Träger 20 eingebracht
wird, um diesen Druck auf die zweite Oberfläche 12 der Membran 10 wirken
zu lassen, verformt sich die Membran 10 und der Halbleiterchip 34 verformt
sich synchron hiermit. Im Erebnis wird eine Belastung in dem Halbleiterchip 34 erzeugt.
Hierbei werden Spannungen oder Belastungen entlang der X-Achse und
der Y-Achse in 3A, welche jeweils parallel
zu zwei <110> Kristallachsen des
Halbleiterchips 34 sind, in jedem der Messpunkte 51, 52, 53 und 54 erzeugt.
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Wenn
ein Druck auf die zweite Oberfläche 12 der
Membran 10 aufgebracht wird, haben die im Halbleiterchip 34 an
dem Abschnitt oberhalb der Membran 10 erzeugten Belastungen
oder Spannungen die Verteilungen ge mäß den 7A und 7B.
In 7A drücken
um welches in einer durchgezogenen Linie dargestellt ist und σyy,
welches gestrichelt dargestellt ist, die Größe der Belastung oder Spannung
entlang der X-Achse bzw. entlang der Y-Achse aus. Wie in 7A gezeigt,
nimmt σyy steiler ab, wenn der Abstand vom Mittelpunkt
K zunimmt, als dies σxx tut, obgleich sowohl σxx und σyy abnehmen,
wenn der Abstand vom Mittelpunkt K zunimmt.
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Eine
elektrische Größe entsprechend
der Differenz D zwischen σxx und σyy kann von einem Brückenschaltkreis ausgegeben
werden, der aus den Messpunkten 51, 52, 53 und 54 gebildet
ist. Die elektrische Größe ist annähernd proportional
zu dem Unterschied D zwischen σxx und σyy. Somit kann der auf die zweite Oberfläche 12 der
Membran 10 aufgebrachte Druck präzise erfasst werden. Das Siliziumsubstrat 80 in
dem Halbleiterchip 34 hat eine Flächenausrichtung (100),
so dass zwei Kristallachsen von <110>, welche senkrecht
zueinander sind, und hohe Belastungsempfindlichkeit haben, auf der Oberfläche des
Siliziumsubstrates 80 liegen. Zusätzlich hat jeder der Messpunkte 51, 52, 53 und 54 zwei Arten
von Stress- oder Belastungspegeln, nämlich σxx und σyy.
Daher ist es möglich,
den Druck auf der Grundlage des oben genannten Erkennungsmechanismus
zu erkennen.
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Wie
in 3A gezeigt, sind die Messpunkte 51, 52, 53 und 54 und
die Verarbeitungsschaltkreiselemente, welche in dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 enthalten
sind, in dem Halbleiterchip 34 der Druckerkennungsvorrichtung 102 integriert.
Daher ist es möglich,
ein System, welches die intelligente Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B beinhaltet,
kleiner als ein System zu machen, welche die diskrete Druckerkennungsvorrichtung 100 gemäß den 1A und 1B beinhaltet.
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Beim
Herstellungsvorgang der Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B wird der
Halbleiterchip 34 getempert oder nachgeglüht, nachdem
die Glasschicht 40 gesintert worden ist. Wenn der Halbleiterchip 34 nicht
getempert werden würde,
würden
sich die Eigenschaften vom Transistor Tr1 oder Tr2, welche in dem
Verarbeitungsschaltkreis 71 als Verarbeitungsschaltkreiselemente
enthalten sind, sich aufgrund der folgenden Tatsachen ändern:
Wie
beschrieben, beinhaltet der Halbleiterchip 34 das Einkristall-Siliziumsubstrat 80 vom
p-Typ und die Aluminiumleitungen 85, der Siliziumoxidfilm 86 und der
Passivierungsfilm 87 sind auf der Oberfläche des Substrates
angeordnet. Der Siliziumoxidfilm 86 und der Passivierungsfilm 87 werden
bei dem Waferherstellungsvorgang in der Atmosphäre gebildet, welche Wasserstoff
enthält,
wobei bei dem Waferherstellungsvorgang ein Wafer bearbeitet wird,
um den Halbleiterchip 34 zu bilden. Wenn der Siliziumoxidfilm 86 und
der Passivierungsfilm 87 ausgebildet werden, wird der Wasserstoff
aus der Atmosphäre
in dem Siliziumoxidfilm 86 und dem Passivierungsfilm 87 in
Form von Wasserstoffionen absorbiert. Die freien Bindungen der Siliziumatome
an der Grenzfläche oder
Schnittstelle zwischen der Oberfläche des Substrates 80 und
des Siliziumoxidfilms 86 werden durch die Wasserstoffionen
begrenzt. In einem nachfolgenden Schritt des Waferherstellungsvorganges
wird der Wafer auf hohe Temperatur in der Atmosphäre erhitzt,
welche Wasserstoff enthält.
Während
dieses Schritts kann die Menge an Wasserstoffionen im Siliziumoxidfilm 86 und
im Passivierungsfilm 87 anwachsen, da Wasserstoff aus der
Atmosphäre
absorbiert wird und die Bindungen zwischen den durch Wasserstoff
eingegrenzten Siliziumatomen und den eingrenzenden Wasserstoffatomen
an der Schnittstelle zwischen der Oberfläche des Substrates 80 und
dem Siliziumoxidfilm 86 können aufgrund der hohen Temperatur
aufbrechen.
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Wenn
jedoch in einem späteren
Schritt die Glasschicht 40 gesintert wird, können sich
die an der Schnittstelle zwischen der Oberfläche des Substrates 80 und
des Siliziumoxidfilms 86 an den Siliziumatomen gebundenen
Wasserstoffatome von den Siliziumatomen wegbewegen und die im Siliziumoxidfilm 86 absorbierten
Wasserstoffionen können
in Richtung des Passivierungsfilmes 87 wandern oder in
die Atmosphäre
ausgasen.
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Im
Ergebnis werden Elektronen, welche von den Wasserstoffatomen im
Siliziumoxidfilm 86 gehalten sind, über die Oberfläche der
Transistoren Tr1 und Tr2 freigegeben, welche in dem Verarbeitungsschaltkreis 71 enthalten
sind und der Transistorinjektions-Wirkungsgrad der Transisistoren
Tr1 und Tr2 würde
anwachsen. Infolgedessen geht der Basisstrom hoch und der Kollektorstrom
geht auch zusammen mit den Strömen
hoch, welche durch die Basis, den Emitter und den Kollektor in jedem
der Transistoren Tr1 und Tr2 fließen. Somit wird der Stromverstärkungsfaktor,
der eine der Eigenschaften der Transistoren Tr1 und Tr2 ist, ansteigen.
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Aufgrund
der erwähnten
Eigenschaftsänderung
der Transistoren Tr1 und Tr2 haben die Transistoren Tr1 und Tr2
voneinander unterschiedliche Eigenschaften, wenn diese Transistoren
Tr1 und Tr2 relativ weit voneinander beabstandet sind. Im Ergebnis
verliert sich die Parität
des Operationsverstärkers,
der durch die Transistoren Tr1 und Tr2 gebildet ist und die Eigenschaften
des Operationsverstärkers verschlechtern
sich.
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Zur
Lösung
dieses Problems wird, wie in den 5 und 6 gezeigt,
nachdem die Glasschicht 14 gesintert worden ist, der Halbleiterchip 34 durch Erhitzen
auf der Heizplatte 91 getempert, während ein wasserstoffhaltiges
Gas in die Temperkammer 90 beim Herstellungsprozess der
Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B eingebracht wird.
Selbst wenn sich somit die Wasserstoffatome, welche an der Schnittstelle
zwischen der Oberfläche des
Substrates 18 und des Siliziumoxidfilms 86 an den
Siliziumatomen gebunden sind, sich von den Siliziumatomen wegbewegen
und die Wasserstoffionen, welche im Siliziumoxidfilm 86 absorbiert
sind, in Richtung des Passivierungsfilms 87 wandern oder zur
Atmosphäre
hin ausgasen, ist es möglich,
Wasserstoffionen während
des Temperschrittes in den Siliziumoxidfilm 86 einzubringen.
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Im
Ergebnis ist es möglich,
die Verringerung der Menge der Wasserstoffionen im Siliziumoxidfilm 86 zu
unterdrücken.
Somit ist es wiederum möglich, Änderungen
in dem Transistorinjektions-Wirkungsgrad der Transistoren Tr1 und
Tr2 zu unterdrücken. Im
Ergebnis ist es möglich, Änderungen
der Basisströme
in den Transistoren Tr1 und Tr2 zu unterdrücken. Weiterhin ist es möglich, Änderungen
im Stromverstärkungsfaktor
der Transistoren Tr1 und Tr2 zu unterdrücken.
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Wenn
ein Medium, welches den zu erfassenden Druck überträgt, den Druck auf die Membran 10 aufbringt,
verformt sich die Membran 10 und somit verformt sich auch
der Halbleiterchip 34 auf synchrone Weise. Hierbei verformt
sich jedoch auch der Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 und
im Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 wird eine Belastung
erzeugt. Aufgrund dieser Belastung können elektrische Felder in
den Transistoren Tr1 und Tr2, welche in dem Verarbeitungsschaltkreis 71 angeordnet
sind, sich lokal konzentrieren und ein "hot carrier"-Phänomen
kann verursacht werden. Dies bedeutet, dass Ladungsträger, die
in den konzentrierten elektrischen Feldern beschleunigt werden,
in den Siliziumoxidfilm 86 oberhalb der Transistoren Tr1
und Tr2 eintreten. Hier können
die Ladungsträger
eingefangen werden, so dass die Schwellenwertspannungen der Transistoren
Tr1 und Tr2 geändert
werden.
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Zur
Beseitigung des Problems aufgrund des "hot carrier"-Phänomens
wird gemäß 3A der Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 am
Umfang des Halbleiterchips 34 angeordnet. Genauer gesagt,
der Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 liegt ausserhalb des
Abschnittes des Halbleiterchips 34, der oberhalb der Membran 10 der
Metallstütze 20 liegt.
Die im Halbleiterchip 34 erzeugten Belastungen oder Spannungen
sind an dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 erheblich
geringer als an den Messpunkten 51, 52, 53 und 54.
Im Ergebnis ist es möglich,
das "hot carrier"-Phänomen zu
unterdrücken,
welches ansonsten in dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 erzeugt
werden würde.
Somit ist es möglich,
Eigenschaftsänderungen
der Elemente, beispielsweise der Transistoren Tr1, Tr2 in dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 noch
weiter zu unterdrücken.
Gemäß 7A ist
es bevorzugt, dass der Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 mehr
als 2 mm entfernt vom Mittelpunkt K ist, so dass der Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 eine
Belastung nicht größer als
0,01 kgf/mm2 erfährt.
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Zusätzlich ist
die in dem Siliziumsubstrat 80 erzeugte Belastung entlang
der beiden Kristallachsen von <110> welche parallel zur
Oberfläche
des Siliziumsubstrates 80 sind, das eine Oberflächenorientierung
von (100) hat, ganz erheblich. Von daher ist es bevorzugt,
dass der Verarbeitungsschaltkreisbereich so angeordnet wird, dass
die Seiten des Verarbeitungsschaltkreisbereiches einen Winkel von
45° bezüglich der
beiden Kristallachsen von <110> haben, wie dies bei
dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 72 eines Halbleiterchips 35 in
einer Druckerkennungsvorrichtung 103 gemäß den 8A und 8B der
Fall ist. In den verbleibenden Aspekten ist die Druckerkennungsvorrichtung 103 der 8A und 8B im
Aufbau gleich der Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B.
Bei der genannten An ordnung des Verarbeitungsschaltkreisbereiches 72 erfährt der
Verarbeitungsschaltkreisbereich 72 entlang seiner Seiten
relativ geringe Belastungen. Von daher wird das "hot carrier-Phänomen" in dem Verarbeitungsschaltkreisbereich 72 weiter
unterdrückt.
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Gemäß den 9A und 9B ist
eine Erkennungsvorrichtung für
eine dynamische Größe gemäß einer
nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehörenden Ausführungsform
eine intelligente Druckerkennungsvorrichtung 104, welche ähnlichen
Aufbau wie die erfindungsgemäße Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B hat.
Obgleich in der Figur nicht dargestellt, hat ein Halbleiterchip 36 in
den 9A und 9B ähnlichen
Querschnittsaufbau zu dem Halbleiterchip 34 der 3A und 3B,
der in 4 gezeigt ist. Die Druckerkennungsvorrichtung 104 der 9A und 9B unterscheidet
sich jedoch im Herstellungsverfahren von der Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B,
wie in dem Herstellungsablauf von 10 gezeigt.
Die Druckerkennungsvorrichtung 104 der 9A und 9B wird
gemäß diesem
Ablauf von 10 hergestellt.
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Zunächst wird
in einem Vorbereitungsschritt ein Halbleiterchip 36, der
Messpunkte (Erkennungselemente) 51, 52, 53 und 54 und
Verarbeitungsschaltkreiselemente, beispielsweise Transistoren Tr1,
Tr2 und einen Trimmwiderstand 83 aufweist, sowie eine Metallstütze oder
einen Träger 20 vorbereitet.
In einem Anordnungsschritt wird eine Glasschicht 40, welche
beispielsweise aus Glas mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet ist,
auf einen bestimmten Bereich auf der ersten Oberfläche 11 der
Membran 10 der Metallstütze 20 angebracht
und der Halbleiterchip 36 wird auf die Oberseite der Glasschicht 40 aufgesetzt.
Dann wird in einem Bondierungsschritt die kombinierte Einheit der
Elemente 20, 40 und 36 in einen Sinterofen
gebracht, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, und die Glasschicht 40 wird
bei annähernd
400°C gesintert,
um den Halbleiterchip 36 an die Metallstütze 20 anzubonden.
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Die
obigen Schritte sind ähnlich
wie diejenigen bei der Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B.
Bei dem Herstellungsvorgang der Druckerkennungsvorrichtung 104 der 9A und 9B wird
jedoch in einem Trimmschritt der Trimmwiderstand 83 getrimmt,
um den Widerstand hiervon einzustellen, was unter Verwendung eines bekannten
Trimmverfahrens erfolgt, um Eigenschaftsänderungen der Transistoren
Tr1 und Tr2 zu kompensieren, welche während des Bondierungsschrittes
verursacht wurden. Mit den obigen Verfahrensschritten wird die Druckerkennungsvorrichtung 104 der 9A und 9B gebildet.
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Der
erläuterte
Herstellungsvorgang bei der Druckerkennungsvorrichtung 104 der 9A und 9B zeichnet
sich dadurch aus, dass der Trimmwiderstand 83 getrimmt
oder eingestellt wird, um seinen Widerstandswert einzustellen, so
dass Eigenschaftsänderungen
der Transistoren Tr1 und Tr2 nach dem Bondierungsschritt kompensiert
werden. Selbst wenn sich somit Wasserstoffatome, welche an den Siliziumatomen
an der Schnittstelle zwischen der Oberfläche des Substrates 80 und
dem Siliziumoxidfilm 86 gebunden waren, von den Siliziumatomen wegbewegen
und Wasserstoffionen, welche in dem Siliziumoxidfilm 86 absorbiert
waren, in Richtung des Passivierungsfilms 87 wandern oder
in die Atmosphäre
ausgasen, und sich somit die elektrischen Eigenschaften der Transistoren
Tr1 und Tr2 nach dem Bondierunsschritt ändern, ist es möglich, dass
der Operationsverstärker,
der aus den Transistoren Tr1 und Tr2 gebildet ist, nach dem Trimmschritt
zufriedenstellend arbeitet.
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Der
Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben genannte
Druckerkennungsvorrichtung beschränkt und kann auf verschiedene
andere Erkennungsvorrichtungen für
dynamische Größen, beispielsweise
bei Beschleunigungssensoren angewendet werden. Zusätzlich können die
Herstellungsverfahren und die Anordnung der Messpunkte 51 bis 54 und
des Verarbeitungsschaltkreisbereiches 71, 72 oder 73 auf
verschiedene Arten abgewandelt werden.
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Wenn
beispielsweise der Verarbeitungsschaltkreisbereich 72 von 8A so
angeordnet wird, dass seine Seiten einen Winkel von 45° bezüglich der
beiden Kristallachsen von <110> einnehmen, wie in 8A gezeigt,
können
die Photomaskenmuster für
den Verarbeitungsschaltkreisbereich 72 von 8A durch Ändern der
Daten für
die Photomaskenmuster für
den Verarbeitungsschaltkreisbereich 71 von 3A gefertigt
werden, um die Musterungen um ungefähr 45° zu verdrehen.
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Weiterhin
ist es beispielsweise möglich,
einen Siliziumwafer zu verwenden, der eine Oberflächenausrichtung
von (100) und eine Ausrichtungsfläche von 45° bezüglich der Kristallachsen von <110> hat. In diesem Fall
können
die Photomaskenmuster für
den Verarbeitungsschaltkreisbereich 72 von 8A lediglich
durch Verschieben der Photomaskenmuster des Verarbeitungsschaltkreisbereiches 71 von 3A gemacht
werden, ohne dass die Daten für
die Photomaskenmuster des Verarbeitungsschaltkreisbereiches 71 von 3A geändert werden,
um die Muster zu drehen. Hierdurch kann der Herstellungsvorgang
für die
Photomasken des Verarbeitungsschaltkreisbereiches 72 von 8A vereinfacht
werden.
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Der
Verarbeitungsschaltkreisbereich 72 von 8A ist
so angeordnet, dass seine Seiten einen Winkel von 45° bezüglich der
Seiten des Halbleiterchips 35 haben, welche parallel zu
den Kristallachsen von <110> sind. Alternativ hierzu
können
in einer Druckerkennungsvorrichtung 105 gemäß den 11A und 11B die
Seiten eines Verarbeitungsschaltkreisbereiches 74 parallel
zu den Seiten des Halbleiterchips 37 sein, welche parallel
zu den Kristallachsen von <110> sind, wohingegen die
Messpunkte 51 bis 54 so angeordnet sind, dass
ihre Längsrichtungen
einen Winkel von 45 Grad bezüglich
der Seiten des Halbleiterchips 37 haben, mit anderen Worten,
die Längsrichtungen
von ihnen sind parallel zu den Kristallachsen von <110>. Ansonsten ist die
Druckerkennungsvorrichtung 105 der 11A und 11B vom gleichen Aufbau wie die Druckerkennungsvorrichtung 102 der 3A und 3B.
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Der
Halbleiterchip 34 wird durch Erwärmen auf der Heizplatte 91 getempert,
während
ein wasserstoffhaltiges Gas in die Temperkammer oder den Kühlofen 90 gebracht
wird, um Wasserstoffionen dem Siliziumoxidfilm 86 zuzuführen, nachdem
der Bondierungsschritt in dem Herstellungsvorgang für die Druckerkennungsvorrichtung 102 von 3A und 3B abgeschlossen
ist. Es ist jedoch auch möglich,
Wasserstoffionen dem Siliziumoxidfilm 86 durch thermisches
Abscheiden von Wasserstoffkomponenten oder durch Abscheiden von
Wasserstoffkomponenten unter Verwendung eines Plasmas oder von Ultraviolettstrahlung
zuzuführen.
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Beschrieben
wurde ein Verfahren zur Herstellung einer Erkennungsvorrichtung
für eine
dynamische Größe, welche
gebildet ist durch Anbonden eines Halbleiterchips, der ein Erkennungselement aufweist
zur Erkennung der dynamischen Größe, an eine
Stütze
unter Verwendung einer Bondierungsschicht, wobei das Verfahren aufweist:
Ausbilden eines Halbleiterchips, der ein Erkennungselement zur Verwendung
bei der Korrelation einer dynamischen Größe, welche zu erkennen ist,
mit einer elektrischen Größe und eine
Mehrzahl von Verarbeitungsschaltkreiselementen zur Bildung eines
Schaltkreises, der die elektrische Größe verarbeitet, aufweist; Anbringen
einer Bondierungsschicht auf einer Stütze; Anbringen des Halbleiterchips
auf der Bondierungsschicht; Sondieren des Halbleiterchips an der
Stütze durch
Sintern der Bondierungsschicht und Tempern des Halbleiterchips in
einer Atmosphäre,
welche Wasserstoff enthält,
um eine Änderung
in einer Eigenschaft eines der Verarbeitungsschaltkreiselemente
zu heilen, wobei besagte Änderung
während des
Bondierens des Halbleiterchips verursacht wurde.