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Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer
integrierten Haibleiterschaltung, bei dem zunächst die für die Entstehung der einzelnen
Elemente der integrierten Schaltung erforderlichen iotierungsverhältnisse an der
ebenen Vorderseite eines Siliciumeinkristalls durch maskierte Diffusion und/ oder
Ionen-Implantation geschaffen werden, bei dem dann auf einer die Vorderseite des
Siliciumeinkristalls mit Ausnahme der einzelnen Kontaktierungsstellen bedeckenden
anorganischen Isolierschicht mindestens ein Teil der inneren und äußeren elektrischen
Verbindungen in Gestalt von metallischen Leiterbahnen erzeugt und mit einer weiteren
Isolierschicht abgedeckt werden, mittels welcher der Siliciumeinkristall mit einem
die Vorderseite des Siliciumeinkristalls bedeckenden isolierenden Träger bleibend
verbunden und bei dem schließlich der Siliciumeinkristall von seiner Rtokseite her
durch zwischen den Elementen der integrierten Halbleiterschaltung verlaufende grabenförmige
Vertiefungen unter Erhaltung der Verbindungen der Elemente über die Leiterbahnen
in die einzelnen Blesente aufgetrennt wird.
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Ein solches Verfahren entspricht den Offenbarungen der US-PS 3 453
722. Als Träger wird nach diesen Offenbarungen eine Scheibe aus Glas oder Keramik
mit der die Leiterbahnen tragenden Vorderseite des Siliciumeinkristalls mittels
einer isolierenden Kunststoffschicht verklebt. Es ist nun Aufgabe der Erfindung,
hier im Interesse einer thermisch nicht zerstörbaren Zwischenschicht eine zur Erhöhung
der Schaltgeschwindigkeit günstigere
Lösung anzugeben, bei gleichzeitiger
Vermeidung von parasitären Transistoreffekten zwischen den Bauelementen der integrierten
Schaltung.
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Diese Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß die mit den Beiterbahnen
versehene Vorderseite des Siliciumeinkristalls zunächst mit einer dünneren Siliciumdioxydschicht
und diese dann mit einer den Träger bildenden polykristallinen Siliciumschicht durch
Abscheiden aus der Gasphase und/oder Kathodenzerstäubung abgedeckt und dann die
Auftrennung des Siliciumeinkristalls an der Rückseite vorgenommen wird.
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Eine bevorzugte DurchfUhrungsart dieses Verfahrens besteht darin,
daß an der Vorderseite eines hochdotierten scheibenförmigen Siliciumeinkristalls
vom einen.Leitungstyp eine schwächer dotierte einkristalline Siliciumschicht desselben
Leitungstyps durch Epitaxie abgeschieden und auf deren nunmehr die Vorderseite des
Siliciumeinkristalls bildenden Oberfläche die zu den einzelnen Elementen der integrierten
Schaltung gehörenden pn-2bergänge bzw.
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Gruppen von pn-Ubergängen nebeneinander erzeugt werden, daß dann auf
einer die Vorderseite des Siliciumeinkristalls bedeckenden und mit Fenstern zu den
einzelnen Kontaktstellen der Vorderseite des Siliciumeinkristalls versehenen anorganischen
Isolierschicht die metallischen Leiterbahnen erzeugt und mit dem Material der Siliciumdioxydschicht
und des aus polykristallinem Silicium bestehenden Trägers abgedeckt werden und daß
dann auf der Rückseite des Siliciumeinkristalls die grabenfbrmigen Vertiefungen
zwischen den einzelnen Elementen der integrierten Schaltung erzeugt werden.
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In beiden Fällen ist es empfehlenswert, wenn man vor der Herstellung
der grabenfdrmigen Vertiefungen die Dicke des Siliciumeinkristalls gleichmäßig reduziert,
so daß die Dicke der durch die Auftrennung entstandenen und die einzelnen Elemente
der integrierten Schaltung bildenden Siliciuminseln kleiner als die Dicke des in
dieser Phase des Verfahrens bereits aufgebrachten Trägers aus polykristallinem Silicium
wird. Erfolgt die Abtragung
durch Ätzen, so muß der polykristalline
Träger gegen das Ätzmittel durch einen Überzug aus ätzfestem Material, z.B. Lack
oder Kunststoff, geschützt werden. Bei der Herstellung der grabenförmigen Vertiefungen
werden außerdem die nicht abzutragenden Stellen an der Rückseite des Siliciumeinkristalls
mittels einer Photlack-Ätzmaske geschützt. Vor der Erzeugung der graben-£brmigen
Vertiefungen wird die Rückseite des Siliciumeinkristalls gleichmäßig, z.B. durch
Schleifen und Läppen, abgetragen.
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Es empfiehlt sich, wenn die mit den grabenförmigen Vertiefungen zu
versehende Rückseite des Siliciumeinkristalls und damit auch seine Vorderseite mit
einer (100)-Ebene des Siliciumgitters zusammenfällt. Es empfiehlt sich außerdem,
wenn die Ätzfenster der Photolack-Ätzmaske bei der Herstellung der grabenförmigen
Vertiefungen dann parallel zu den (111)-Ebenen orientiert sind und man ein kristallographisch
wirkendes Ätzmittel, z.B. verdünnte KOH, verwendet, weil dann die entstehenden grabenförmigen
Vertiefungen spontan ein V-förmiges Querschnittsprofil erhalten.
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Der Vorteil der aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens entstandenen
integrierten Halbleiterschaltung ist in der verbesserten, insbesondere kapazitätsärmeren
Isolation zwiachen den einzelnen Elementen im Vergleich zu andersartigen Isolationsmethoden,
insbesondere zur pn-Ubergangs-lsoiation zu sehen. Gegenüber den in der US-PS 3 453
722 beschriebenen integrierten Halbleiterschaltungen kommt die kompakter. Bauart,
die höhere Temperaturbeständigkeit sowie der geringere Raumbedarf einer nach dem
vorliegenden Verfahren entstandenen Anordnung vorteilhaft zur Geltung.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden nun Anhand der Fig. 1 - 4 erläutert, wobei in Fig.
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1 -3 die den verschiedenen Phasen des Verfahrens entsprechenden
Zwischenstufen
und in Pig. 4 eine fertige Vorrichtung dargestellt ist.
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An der Vorderseite einer (100)-orientierten einkristallinen Siliciumscheibe
1 vom n+-Typ wird zunächst eine n-dotierte einkristalline Siliciumschicht 2 epitaktisch
abgeschieden, deren Stärke entsprechend der ~6ßten Tiefe der Einzelelemente der
herzustellenden integrierten Schaltung abzUglich der durch das Substrat 1 zu bildenden
Teile bemessen wird. Die herzustellenden Einzelelemente sind im Beispielsialle Vertikal-Transistoren
T1 und T2 vom npn-Typ mit einer durch Reste des Substrats 1 zu bildenden Kollektorkontaktierungszone
bzw. vergrabenen Zone (buried layer).
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~Unmittelbar nach Herstellung der epitaktischen Siliciumschicht 2
werden verteilt über die epitaktische Schicht 2 - jedoch abseits der zu erzeugenden
pn-Ubergänge - lochartige Vertiefungen 13 erzeugt und bis zu einer Tiefe vorgetrieben,
die mindestens so groß ist wie die endgtiltige Stärke des bei der Herstellung der
grabenfbrmigen Vertiefungen 9 vorliegenden Siliciumeinkristalls 1 und 2. Diese lochartigen
Vertiefungen 13 dienen der Justierung der für das Ätzen der grabenförmigen Vertiefungen
an der Rückseite des aus den Schichten 1 und 2 kombinierten Siliciumeinkristalls
ansubringenden Ätzmaske. Aus diesem Grunde müssen die lochartigen Vertiezungen 13
in definierter Lage zu den noch herzustellenden pn-Ubergängen erzeugt werden. Das
Herstellen der Vertiefungen kann in V-iörmiger Art durch Ätzen oder in zylindrischer
Fosm durch eine mittels C02Laser erzeugten "Bohrung" geschehen. Es genügen auf einem
Silicium-Wafer zwei bis acht Vertiefungen dieser Art.
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Die Herstellung der Einzelelemente T1 und T2 geschieht in üblicher
Weise durch maskierte Diifusion- und/oder Ionen-Irnplantations-Technik. Die hierbei
verwendeten Dotierungsmasken werden in definierter Weise, z.B. durch übliches Justierkreuzverfahren
ausgerichtet. Da im Beispielafalle die Elemente T1 und 22 der integrierten Schaltung
npn-Transistoren sind, weist jedes Element eine p-leitende Easiszone 3 und eine
n-leitende Emitterzone 4
auf, während der Kollektor der beiden Transistoren
1 und T2 durch das verbleibende Material der epitaktischen Zone 2 bzw.
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des Substrats 1 gebildet wird.
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Zu bemerken ist an dieser Stelle, daß ggf. die bei dem soeben beschriebenen
Prozeß erzeugten pn-Ubergänge der Elemente 21 und T2 infolge der ggf. noch anzuwendenden
Temperaturprozesse sich noch etwas verschieben können (was sich ohne weiteres bei
der Fertigung berücksichtigen läßt). Das Ausmaß dieser Verschiebung hängt von den
noch anzuwendenden Temperaturen und der Dauer ihrer Einwirkung ab. Es wird umso
größer, je höher diese Temperaturen sind und je länger sie einwirken. Bedeutsam
in dieser Beziehung ist eigentlich nur die noch zu beschreibende Herstellung des
rägers 8 aus polykristallinem Silicium.
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Der auf die Herstellung der pn-Übergänge folgende Schritt ist jedoch
die Herstellung der Leiterbahnen 6 auf einer die Oberfläche der epitaktischen Schicht
2 bedeckenden Schutzschicht 5 aus anorganischem Isoliermaterial. In den meisten
Fällen besteht dieses aus Siliciumdioxyd und/oder Siliciumnitrid und/oder Aluminiumoxyd.
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Die Herstellung der Gleitbahnen 6, insbesondere durch Aufdampfen bzw.
Aufsputtern von Aluminium bzw. Titan-Aluminium, sowie deren Formung durch Photolack-Ätztechnik
geschieht ebenfalls in üblicher Weise. Damit ist die in Figur 1 dargestellte Anordnung
erreicht.
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Nach Erzeugung der Leiterbahnen 6 werden diese und die gesamte Vorderseite
des aus dem Substrat 1 und der epitaktischen Siliciumschicht 2 kombinierten Siliciumeinkristalls
mit einer dünnen, d.h.
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0,5/um bis ca. 2/um starken SiO2-Schicht 7 überzogen, die man entweder
durch Aufsputtern (tathodenzerstäubung) oder pyrolytisch aus der Gasphase (z.B.
durch kurzzeitiges Einwirken eines mit Argon verdünnten Monosilan-Sauerstoffgemisches
auf die auf etwa 5000C erhitzte Oberfläche der epitaktischen Schicht 2) aufbringt.
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Die nachfolgende Abscheidung des polykristallinen Trägers 8 kann ebenfalls
durch Aufsputtern oder durch Pyrolyse geschehen. Das Aufsputtern hat den Vorteil,
daß es keine größeren thermischen
Belastungen bringt. Es ist jedoch
andererseits mit einem größeren Zeitaufwand als die thermische Abscheidung aus einem
Reaktionsgas verbunden, die im günstigsten Falle eine Temperatur von etwa 5000C
erfordert, nämlich dann, wenn als Reaktionsgas mit Argon verdünnter Monosilan (SiH4)
verwendet wird. Da der Träger 8 später den mechanischen Zusammenhalt der Einzelelemente
T1, T2 der integrierten Schaltung gewährleisten muß, wird die Dicke des aus polykristallinem
Silicium bestehenden Trägers 8 entsprechend groß, also etwa gleich der Dicke des
Substrats 1 eingestellt.
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Eine Möglichkeit der niedrig temperierten Abscheidung der SiO2-Schicht
7 und des Trägers 8 ist auch durch Glimmentladung in einem zur Abscheidung von SiO2
bzw. Si befähigten Reaktionsgas gegeben. Bei der Wahl der zu verwendenden Reaktionsgase
achtet man darauf, daß diese bzw. die sich bei der Abscheidung bildenden Abgase
keine nachteiligen Folgen für die bereits bestehende integrierte Halbleiterschaltung
haben können. Aus diesem Grunde und auch im Interesse eines niedrigen Energieaufwandes
bei der Abscheidung ist in der Regel die Anwendung von mit Inertgas verdünntem SiH4
bzw. SiH4+02 bei der Abscheidung des Trägers 8 bzw. der SiO2-Schicht 7 empfehlenswert.
Die Stärke des Trägers 8 aus polykristallinem Silicium wird zweckmäßig auf 300 -
500#um, ggi. auch geringer, die Stärke der S102-Schicht 7 auf etwa 0,5 bis 2,0/um
bemessen.
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Da die zur Verfügung stehenden einkristallinen Siliciumscheiben 1
etwa eine Dicke von ca 5001um und die epitaktische Schicht 2 eine Stärke von 2 bis
l51um aufweist, resultiert für die nun vorliegende und in Fig. 2 dargestellte Anordnung
eine Ge samt stärke von etwa 800 bis 1000/um. Davon entfallen auf das Substrat 1
etwa 500 um Da man für die tontaktierung der Kollektorzonen 2 bzw. für buried layers
nur eine Stärke der Epitaxiedicke (schon im Interesse einer Reduzierung der Kapazitäten
und damit der Schaltzeiten) benötigt, müssen an der Rückseite des Substrats 1 etwa
500/um abgetragen werden. Dies geschieht auch im Interesse einer Erleichterung der
Herstellung der grabenftsrmigen Vertiefungen 9 zwischen den Elementen T1 und T2.
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Die ganzflächige Abtragung auf der Rückseite kann entweder durch Schleifen
und Läppen oder durch ein anisotrop wirkendes Ätzmittel, z.B. ein HF- H202 oder
KOH - H2O2-Gemisch erfolgen, wobei die Oberfläche des Trägers durch eine ätzresistente
Schicht zu schützen ist. während der Abragung treten die lochartigen Vertiefungen
13 auch dann an der Rückseite des Siliciumeinkristalls 1, 2 in Erscheinung, wenn
sich diese im Verlauf der vorherigen Prozesse mit Material, insbesondere SiO2, angefüllt
haben.
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Für die nun an der Rückseite des nunmehr aus dem Substratrest 1 und
der epitaktischen Schicht 2 bestehenden Siliciumeinkristalls zu erzeugenden grabenförmigen
Vertiefungen 9 werden inselartig die den Einzelelementen T1 und T2 der integrierten
Schaltung zugeordneten Teile der Rückseite des Siliciumeinkristalls abdeckende ätzmaske
aus Photolack benötigt, die durch entsprechende selektive Belichtung einer vorher
auf die Rückseite aufgebrachten Photolackachicht erzeugt werden. Da die aufgebrachte
Photolackschicht durchsichtig ist und die lochartigen Vertiefungen 13 auf der durch
Abtragung entstandenen neuen Rückseite des Siliciumeinkristalls 1, 2 optisch (d.h.
visuell bemerkbar) in Erscheinung treten, kann man die zur Erzeugung der Photolack-Ätzmasken
an der Rückseite des Siliciumeinkristalls aufgebrachte Photolackschicht ohne Schwierigkeiten
in einer auf die Vertiefungen 13 und damit auf die pn-Strukturen der Elemente T1
und T2 an der Vorderseite des Siliciumeinkristalls definiert justierten Weise belichten,
um die aus der Photolackschicht durch Entwickeln entstehenden Photolack-Ätzmasken
in definierte Lage zu den Elementen 1 und 22 zu bringen.
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Wie bereits bemerkt, empfiehlt es sich, für die Erzeugung der grabenförmigen
Vertiefungen 9 ein kristallographisch wirkendes Ätzmittel zu verwenden, so daß die
Seitenwände des entstehenden Grabens gegeneinander konvergieren und ein V-förmiges
Querschnittsprofil des Grabens spontan entsteht.
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Zur Erzeugung xon Vertiefungen mit konvergierenden ebenen Begrenzungsflächen
nützt man z.B. die Tatsache aus, daß die Ätzgeschwindigkeit in einem Siliciumeinkristall
richtungsabhängig
ist, derart, daß die Abtragungsgeschwindigkeit
senkrecht zu den (lll)-Ebenen am kleinsten ist. Aus diesem Grunde lassen sich bei
Verwendung entsprechend abgestimmter Ätzmittel spontan Vertiefungen erzeugen, deren
vier BegrenzungsSlächen je einer der vier Scharen von (lll)-Ebenen des Siliciumgitters
angehören.
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Es ist deshalb zweckmäßig, wenn man die zur Erzeugung der grabenförmigen
Vertiefungen 9 dienende Siliolumoberfläche so wählt, daß die Vertiefungen symmetrisch
zur Siliciumoberfläche ausgebildet werden. Das ist bei Verwendung einer (100)-orientierten
Ausgangsfläche der Fall. Es empfiehlt sich außerdem, wenn man die zur Erzeugung
der grabenförmigen Vertiefungen 9 zu verwendenden und gewöhnlich rechteckig geformten
inselartigen ätzmaske (und damit auch die Anordnung der pn-Übergänge an der Vorderseite
des Siliciumeinkristalls, also an der Oberfläche der epitaktischen Siliciumschicht
2) derart ausrichtet, daß die Begrenzungen der Ränder der Ätzmaske parallel zu den
Ebenen je einer Schar von (lll)-Ebenen liegen. Ist dann die Weite des zur Ätzung
der Vertiefung 9 verwendeten Abschnitts der (100)-orientierten Siliciumoberfläche
und t die zu erreichende Grabentiefe, so gilt die Bezeichnung: t < d.#2. Damit
hat man eine Möglichkeit, die maximale Breite der Vertiefung 9 zu kontrollieren.
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Die beabsichtigte Wirkung wird zudem durch bekannte kristallographische
Ätzmittel erreicht, die auf verschiedener Basis beruhen. Ein häufig angewendetes
Ätzmittel wird durch wässrige KOH-lösung erreicht. Im Gegensatz zur Ätzung der grabenförmigen
Vertiefungen 9 kann man bei der Erzeugung der lochartigen Markierungsvertiefungen
13 ein zylindrisches Profil (z.B. mit C02-Lasern erzeugbar) verwenden. Werden jedoch
V-förmige Xarkierungsvertiefungen geätzt, so können diese zur Restdickenmessung
nach dem Schleifen herangezogen werden.
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Mit Hilfe einer Photolack-Ätztechnik werden nun die grabenförmigen
Vertiefungen 9 erzeugt und eine Trennung der einzelnen Elemente 21 und T2 der integrierten
Schaltung soweit erreicht, daß
diese nur noch über die anorganische
Isolierschicht 5, die Beiterbahnen 6, die SiO2Schicht 7 und den Träger 8 aus polykristallinem
Silicium miteinander in Verbindung stehen. Damit ist der aus Fig. 3 ersichtliche
Zustand erreicht.
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Die vervollständigte Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei ihr
sind die die einzelnen Elemente T1 und T2 bildenden einkristallinen Bereiche an
der Oberfläche des Trägers 8 mit einer z.B. aufgesputterten Schutzschicht 10 aus
anorganischem Isoliermaterial, insbesondere SiO2 abgedeckt. Es ist dabei möglich,
auch auf der Rückseite der Anordnung Kontaktierungen vorzunehmen, z.B. des als Kollektoranschlußzone
dienenden Subatratrestes 1 des Elements T2 über eine auf der Isolierschicht 10 aufgebrachte
und die Silo7 ciumoberfläche in einem Fenster der Schicht 10 kontaktierende.
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Leiterbahn 11. Auch die früher erzeugten Leiterbahnen 6 lassen sich
an zwischen den einzelnen Elementen oder abseits dieser Elemente liegenden Stellen
durch ein in der anorganischen Isolierschicht 5 erzeugtes Kontaktierungsfenster
von der ehemaligen Rückseite der Anordnung aus über je einen Anschluß 12 kontaktieren.
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Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens sind u.a. folgende Ziele:
Erzeugung spannungsfester integrierter Schaltungen für Spannungsbereiche von 100
V und mehr (die Belastbarkeit ergibt sich aus der Isolationsfähigkeit der Schichten
5 und 7 sowie aus den Durchbruchs spannungen der pn-Übergänge der einzelnen Elemente
T1 und T2). Um dabei kurze Schaltzeiten zu erreichen, werden vor allem die Kapazitäten
zwischen den einzelnen Elementen T1 und T2 zum Substrat (das als Trägermaterial
bei der fertigen Anordnung durch den polykristallinen Träger 8 ersetzt ist) erheblich
gegenüber den durch die bekannten Herstallungsarten erreichten Anordnungen vermindert.
Insbesondere gilt dies gegenüber integrierten Halbleiterschaltungen, deren Elemente
in einem einzigen Siliciumeinkristall integriert sind, gleichgültig, welche internen
Isolationsmaßnahmen im Innern des Siliciumeinkristalls dabei angewendet sind.
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Als Ersatz für die Narkierungslöcher 13 zum Ausrichten der Photolack-Ätztechnik
für die Erzeugung der grabenförmigen Vertiefungen 9 kann man die mit dem Träger
8 versehene Anordnung gemäß Fig. 2 auch vom träger her mit einer Infrarotstrahlung
beleuchten, für die sowohl das polykristalline Silicium des Trägers 8, als auch
die Isolierschichten 5 und 7 als auch das einkristalline Silicium im Gegensatz zu
den Leiterbahnen transparent ist und die Rückseite des einkristallinen Materials
mittels eines optischen Wandlers kontrollieren, der das aufgenommene Infrarotbild
sichtbar macht. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anwendung von (insbesondere
weichem) Röntgenlicht.
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4 Figuren 9 Patentansprüche
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