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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleitervorrichtungen und
insbesondere auf Sensoren.
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Der
Einpackprozess für
Sensoren ist arbeitsintensiv, zeitaufwendig und teuer. Für Chemiesensoren
umfasst der Einpackprozess das Sägen
eines Halbleitersubstrates in individuelle Chemiesensorchips. Die
individuellen Chemiesensorchips werden dann separat mit einem sperrigen
Metallgehäuse, das
im Stand der Technik als T39-Gehäuse
oder T05-Gehäuse bekannt
ist, gebondet beziehungsweise verbunden und in diesem montiert.
Ein Beispiel für ein
T05-Gehäuse
ist in dem US Patent Nr. 4,768,070, erteilt an Takizawa et al. am
30.08.1988, beschrieben. Der stückweise
Einpackprozess ist langsam und langwierig und erfordert eine sorgfältige Handhabung der
individuellen Chemiesensorchips, die während des Einpackprozesses
kontaminiert und physikalisch beschädigt werden können.
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Entsprechend
besteht ein Bedarf nach einem Sensor der unter Verwendung einer
chargenweisen Verarbeitungstechnik eingepackt wird, welche den Durchsatz
verbessert und die Zyklusdauer für
Herstellung und Einpacken eines Sensors reduziert. Eine chargenweise
Einpacktechnik auf Wafer-Niveau sollte einen eingepackten Sensor
erzeugen, der kompakt in der Größe ist und
sollte auch jeden Sensorchip vor Kontamination und physikalischer
Beschädigung
während
nachfolgender Handhabung schützen.
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Die
Japanischen Patent Abstracts Band 95, Nr. 9 &
JP
07 140 103 (SEIKO) offenbaren einen Feuchtesensor, der
ein bündiges
Anbringen eines Filters erlaubt. Ein Schutzfilter wird dann so ausgebildet,
dass er ein Substrat abdeckt.
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Die
internationale Patentanmeldung WO-A95/38 60 (VAN RIJN) beschreibt
einen Membranfilter mit Poren zwischen 5 nm und 50 μm. Die Membran
wird unter Verwendung von Silizium-Mikrobearbeitungstechniken bearbeitet.
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Die
Japanischen Patent Abstracts Band 10, Nr. 389 (Matsushita) beschreiben
einen Filter zum Entfernen einer Substanz, welche die Fähigkeit
des Filters Gas zu detektieren, reduziert. Der Filter ist insbesondere
gut geeignet SO2 und H2S
zu absorbieren.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 illustriert eine Querschnittsansicht
einer Ausführungsform
eines gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellten Sensors; und
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2 porträtiert eine teilweise Querschnittsansicht
einer alternativen Ausführungsform
eines gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Filters; und
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3 stellt eine teilweise
Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform
eines gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Sensors da.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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Für eine detaillierte
Beschreibung wenden wir uns den Zeichnungen zu. 1 illustriert eine Querschnittsansicht
einer Ausführungsform
eines Sensors 10. Der Sensor 10 ist eine Halbleiterkomponente,
die ein Substrat 11 umfasst. Das Substrat 11 weist
eine Oberfläche 19 auf,
die einer Oberfläche 20 gegenüberliegt
und besteht typischerweise aus einem Halbleitermaterial, wie etwa
beispielsweise Silizium, ein III-V-Komponentenhalbleiter oder ein II-VI-Komponentenhalbleiter.
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Es
versteht sich, das eine Mehrzahl von Sensoren auf dem Substrat 11 hergestellt
werden können. 1 zeigt beispielsweise Bereiche
von Sensoren 34 und 35 auf dem Substrat 11,
die an den Sensor 10 angrenzen. 1 zeigt auch Linien 36 und 37, die
als Anrisslinien für
die Vereinzelung des Sensors 10 von den Sensoren 34 bzw. 35 dienen.
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Eine
elektrisch isolierende Schicht 32 ist oberhalb der Oberfläche 19 des
Substrates 11 vorgesehen. Die elektrisch isolierende Schicht 32 ist
vorzugsweise ein dielektrisches Material, wie etwa beispielsweise
Siliziumoxid oder Siliziumnitrid und kann unter Verwendung im Stand
der Technik bekannter Techniken in das Substrat 11 überlagernder
Weise aufgebracht sein.
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Das
Substrat 11 weist eine optionale Vertiefung 12 auf,
die in einem Bereich der Oberfläche 20 ausgebildet
ist, um die Wärmedissipation
in dem Sensor 10, wie später beschrieben, zu erleichtern. Die
Vertiefung 12 erstreckt sich von der Oberfläche 20 in
Richtung auf die Oberfläche 19 hin
und kann einen Bereich der elektrisch isolierenden Schicht 32 freilegen.
Um ein fabrikmäßig ausführbaren
Herstellungsprozess für
den Sensor 10 sicherzustellen, wird die Vertiefung 12 vorzugsweise
unter Verwendung eines anisotropen Ätzmittels, welches entlang
bestimmter Kristallebenen des Substrates 11 ätzt, in
die Oberfläche 20 geätzt. Das
anisotrope Ätzmittel
sollte die elektrisch isolierende Schicht 32 im Vergleich
zu dem Substrat 11 nicht wesentlich ätzen. Beispiele für anisotrope Ätzmittel,
die zur Verwendung bei Einkristall-Siliziumsubstraten geeignet sind,
umfassen, sind jedoch nicht limitiert auf, Kaliumhydroxid, Ammoniumhydroxid,
Hydrazin, Etylendiamine/Pyrocatechol und Tetrametylamoniumhydroxid.
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Der
Sensor 10 umfast auch ein sensierendes beziehungsweise
empfindliches Element 14, das von der elektrisch isolierenden
Schicht 32 und dem Substrat 11 getragen wird und
das über
der Vertiefung 12 liegt. Wenn der Sensor 10 ein
Chemiesensor ist, ist das empfindliche Element 14 typischerweise
ein Widerstand, dessen Widerstand sich ändert, wenn er einer speziellen
Flüssigkeit
oder einem Gas (nicht dargestellt) ausgesetzt wird. Bei erhöhten Betriebstemperaturen
liegt der Widerstandswert des empfindlichen Elementes 14 typischerweise
bei einem Kiloohm bis 50 Megaohm. Wie im Stand der Technik für Chemiesensoren
bekannt, wird die Präsenz
einer bestimmten Flüssigkeit
oder eines Gases von ei ner chemischen Reaktion mittels eines Sensors
in ein elektrisches Signal umgewandelt. Beispielsweise kann eine
Steuerschaltung (nicht dargestellt) eine Änderung des Widerstandwertes
des empfindlichen Elementes 14 durch Messung einer Änderung
eines Stromes oder eines Spannungsabfalls über dem empfindlichen Element 14 erkennen.
Die Steuerschaltung kann auf einem anderen Substrat positioniert
sein oder kann in dem Substrat 11 hergestellt sein, um
ein integriertes Chemiesensorsystem zu erzeugen.
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Das
empfindliche Element 14 wird über der elektrisch isolierenden
Schicht 32 und der Oberfläche 19 des Substrates 11 unter
Verwendung im Stand der Technik bekannter Techniken bereitgestellt oder
ausgebildet. Wenn der Sensor 10 ein Chemiesensor ist, besteht
das empfindliche Element 14 aus einer elektrisch leitfähigen und
chemisch sensitiven Schicht, einschließlich, jedoch nicht limitiert
auf Metalloxide, Übergangsmetalle
oder Edelmetalle. Beispielsweise kann das empfindliche Element 14 aus Zinnoxid,
Zinkoxid, Titanoxid oder einer Legierung aus Platin und Gold bestehen.
Verschiedene Zusammensetzungen des empfindlichen Elementes 14 erlauben
das Sensieren und Überwachen
verschiedener Flüssigkeiten
oder Gase. Es versteht sich, dass das für das empfindliche Element 14 verwendete
Material dotiert sein kann, um die chemische Sensitivität und Selektivität des empfindlichen
Elementes 14 und des Sensors 10 zu verbessern.
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Das
empfindliche Element 14 kann mittels eines optionalen Heizelementes 13 aufgeheizt
werden, um dabei zu helfen, eine chemische Reaktion zwischen dem
empfindlichen Element 14 und der gewünschten Flüssigkeit oder dem Gas zu katalysieren. Das
Heizelement 13 ist unter Verwendung von dem Fachmann bekannten
Techniken ausgebildet. Beispielsweise kann das Heizelement 13 aus
Polysilizium oder einem Metall, wie etwa Platin, Gold oder dergleichen
bestehen.
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Wie
in 1 illustriert, ist
das Heizelement 13 innerhalb der elektrisch isolierenden
Schicht 32 positioniert, liegt oberhalb der Vertiefung 12 und
liegt unterhalb des empfindlichen Elementes 14. Es versteht
sich, dass das Heizelement 13 auf einem anderen Substrat,
als dem Substrat 11 positioniert sein kann. Es ist jedoch
sowohl für
das Heizelement 13 als auch für das empfindliche Element 14 wünschenswert,
für ein
effizientes Heizen und aus Platzüberlegungen
heraus auf dem Substrat 11 positioniert zu sein. Die Vertiefung 12 in
dem Substrat 11 unterstützt
die Wärmedissipation
oder die Kühlung des
Heizelementes 13 und des Sensors 10.
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Die
Verbindungsleitungen 15 und 16 verbinden die Merkmale 17 bzw. 18 elektrisch
mit dem empfindlichen Element 14. Die Verbindungsleitungen 15 und 16 bestehen
aus einem elektrisch leitfähigen Material,
wie etwa beispielsweise einem Silicid oder einem Metall. Die Verbindungsleitungen 15 und 16 sind
unter Verwendung im Stand der Technik bekannter Techniken in die
elektrisch isolierende Schicht 32 und die Oberfläche 19 des
Substrates 11 überlagernder
Weise ausgebildet.
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Die
Merkmale 17 und 18 stellen elektrische Kontakte
für das
empfindliche Element 14 bereit. Beispielsweise können Gesamtdrahtbonding-Drähte mit den
Merkmalen 17 und 18 verbunden werden, die als Bonding-Pads
dienen können.
Die Merkmale 17 und 18 bestehen typischerweise
aus einem Metall, einschließlich,
jedoch nicht limitiert auf, Gold oder Kupfer und sind unter Verwendung
von Sputtering, Elektro plattierung, chemische Bedampfung oder Verdampfungstechniken
in die elektrisch isolierende Schicht 32 und die Oberfläche 19 des
Substrates 20 überlagernder
Weise aufgebracht.
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Ein
Haftmittel 21 liegt über
den Verbindungsleitungen 15 und 16, liegt über der
elektrisch isolierenden Schicht 32, liegt über der
Oberfläche 19 des Substrates 11 und
ist vorzugsweise räumlich
von dem empfindlichen Element 14 getrennt, um eine Kontamination
des empfindlichen Elementes 14 zu vermeiden. Das Haftmittel 21 kann
ein geeignetes organisches oder anorganisches Bonding- beziehungsweise
Verbindungsmaterial sein, wie etwa beispielsweise ein Lötvorstufe,
ein mittels Siebdruck aufgebrachtes Epoxydharz oder gefrittetes
Glas. Wenn ein elektrisch leitfähiges
Haftmittel als Haftmittel 21 verwendet wird, sollte eine
isolierende Schicht (nicht dargestellt) die Verbindungsleitungen 15 und 16 von
dem Haftmittel 21 elektrisch isolieren.
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Das
Haftmittel 21 verbindet oder verklebt die elektrisch isolierende
Schicht 32 und ein Netz, eine Scheibe oder einen Filter 22,
um den Sensor 10 zu bedecken oder einzupacken. Als ein
Ergebnis bilden das Haftmittel 21, die elektrisch isolierende
Schicht 32, das Substrat 11 und der Filter 22 eine
Kavität 31. Das
Volumen der Kavität 31 kann
mittels der Dicke oder Höhe
des Haftmittels 21 gesteuert werden. Wie in 1 illustriert, ist das empfindliche
Element 14 innerhalb der Kavität 31 positioniert
und die Merkmale 17 und 18 sind außerhalb
der Kavität 31 positioniert.
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Der
Filter 22 ist über
der elektrisch isolierenden Schicht 32 und der Kavität 31 vorgesehen,
um unerwünschte
Partikel oder Chemikalien zu filtern, auszublenden oder am Eintritt
in die Kavität 31 zu hindern.
Der Filter 22 weist eine Oberfläche 23, eine gegenüberliegende
Oberfläche 24,
Kontaktöffnungen 25 und 30 und
Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 auf, die
als ein Filtermechanismus für
den Filter 22 dienen, wie dies später detaillierter diskutiert
werden soll.
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Der
Filter 22 ist vorzugsweise räumlich von dem empfindlichen
Element 14 getrennt, um eine Kontamination oder eine Beschädigung des
empfindlichen Elementes 14 zu vermeiden. Der Filter 22 sollte
eine geeignete Dicke aufweisen, so dass der Filter 22 im
Wesentlichen steif ist, um eine elastische Deformation des Filters 22 zu
verhindern, bei der der Filter 22 das empfindliche Element 14 kontaktieren
und beschädigen
kann.
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Eine
breite Vielzahl von Materialien kann als Filter 22 verwendet
werden, wie später
diskutiert werden soll. Viele diese als Filter 22 verwendeten
Materialien können
jedoch bei erhöhten
Betriebstemperaturen des Sensors 10 eine Chemikalie ausgasen. Vorzugsweise
gast der Filter 22 bei erhöhten Betriebstemperaturen keine
Chemikalie aus, um eine genaue chemische Antwort des Sensors auf
die Umgebung sicherzustellen. Falls der Filter 22 jedoch
eine Chemikalie ausgast, sollte der Filter 22 keine Chemikalie
ausgasen, die in der Lage ist, von dem empfindlichen Element 14 detektiert
zu werden, um eine genaue Umgebungsüberwachung durch den Sensor 10 sicherzustellen.
In ähnlicher
Weise sollten auch das Haftmittel 21, die elektrisch isolierende
Schicht 32, das Substrat 11, die Verbindungsleitungen 15 und 16 und
die Merkmale 17 und 18 bei den Betriebstemperaturen
des Sensors 10 keine Chemikalie ausgasen, die von dem empfindlichen
Element 14 erspürt
werden kann.
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Der
Filter 22 kann aus einem nicht porösen Material oder einem porösen oder
gaspermeablen Material bestehen. Beispiele potentiell geeigneter, nicht
poröser
Materialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf herkömmliche
Einkristall-Siliziumsubstrate, III-V-Komponenten-Halbleitersubstrate und II-VI-Komponenten-Halbleitersubstrate.
Beispiele für potentielle,
geeignete poröse
oder gaspermeable Materialien umfassen, sind jedoch nicht limitiert
auf, poröse
Siliziumsubstrate, poröse
Keramik, Kohlefilter, Duroplaste, Aluminiumoxid, Polyimide und Silicamaterial.
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Wenn
der Filter 22 aus einem porösen oder gaspermeablen Material
besteht, weist der Filter 22 einen zusätzlichen Filtermechanismus
auf, den der Filter 22 nicht aufweist, wenn er aus einem
nicht porösen
Material besteht. Bestimmte Flüssigkeiten
oder Gase können
durch bestimmte poröse
oder gaspermeable Materialien hindurchdringen und können in die
Kavität 31 gelangen,
ohne durch die Filterlöcher 26, 27, 28 oder 29 des
Filters 22 zu laufen. Ein poröses oder gaspermeables Material
kann daher die Filterfähigkeiten
des Filters 22 über
diejenigen eines nicht porösen
Materials ausdehnen oder verbessern, um die chemische Sensitivität und Selektivität des Sensors
zu verbessern.
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Jedes
poröse
oder gaspermeable Material hat eine andere Porengröße, die
verwendet werden kann, um verschiedene Größen von Partikeln, Chemikalien
oder Molekülen
auszufiltern. Die porösen oder
gaspermeablen Materialien können
chemisch aktiv sein. Bei einem speziellen Beispiel eines chemisch
aktiven, gaspermeablen Materials kann eine Schicht eines Metallophthalocyaninpolymer
als Filter 22 verwendet werden, um das Stickstoffoxid am
Passieren in die Kavität 31 hinein
zu hindern. Als ein spezielles Beispiel eins porösen Materials kann ein komprimierter
Kohlefilter als Filter 22 verwendet werden, um Kohlenwasserstoffe
auszufiltern und am Eintritt in die Kavität 31 zu hindern. Weiter
kann eine Polyamid-Schicht als Filter 22 verwendet werden,
um Feuchtigkeit oder Wasserdampf auszufiltern und am Eintritt in
die Kavität 31 zu
hindern.
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Es
wird wieder Bezug genommen auf die Beschreibung der Kontaktöffnungen 25 und 30 in
dem Filter 22. Die Kontaktöffnungen 25 und 30 sind über den
Merkmalen 17 bzw. 18 angeordnet und gestatten Zugang
zu diesen. Wenn die Merkmale 17 und 18 als Bonding-Pads
dienen, haben die Kontaktöffnungen 25 und 30 jeweils
eine Dimension von etwa 50–1000 μm und ermöglichen
es Gesamtdrahtbonding-Drähten
sich durch die Kontaktöffnungen 25 und 30 zu den
Kontaktmerkmalen 17 bzw. 18 zu erstrecken. Die Kontaktöffnungen 25 und 30 können auch
Chip-Vereinzelungsflächen,
identifiziert als Linien 36 und 37 in 1, freilegen.
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Die
Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 des
Filters 22 sind oberhalb der Kavität 31 positioniert
und dienen als ein Filtermechanismus für den Filter 22. Während der
Filter 22 ein einzelnes, über der Kavität 31 liegendes
Loch haben kann, weist der Filter 22 vorzugsweise eine
Mehrzahl von Löchern
auf, um einen geeigneten Gas- oder Flüssigkeitsstrom in die Kavität 31 oder
aus dieser hinaus zu gestatten, während eine angemessene Filterfunktionalität, wie später beschrieben,
aufrechterhalten wird. Die Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 haben
vorzugsweise jeweils einen Durchmesser der kleiner ist, als derjenige
der Kontaktöffnungen 25 und 30,
um unerwünschte
Partikel am Eintritt in die Kavität 31 zu hindern. Der
Filter 22 schützt
daher das emp findliche Element 14 vor Beschädigung und
Kontamination während
des Zerschneidens des Substrates, sonstiger Zusammensetzungsprozesse
und des Betriebs des Sensors 10.
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Falls
erwünscht
können
die Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 jeweils
einen Durchmesser in der Größenordnung
von Angstrom oder Mikrometer haben, um größere Moleküle oder Chemikalien am Eintritt
in die Kavität 31 und
daran zu hindern, mit dem empfindlichen Element 14 chemisch
zu reagieren. Auf diese Weise wird der Filter 22 auch als
ein chemischer Filter verwendet, um die chemische Selektivität und Sensitivität des Sensors 10 zu
verbessern. Als ein Beispiel sei angenommen, dass der Sensor 10 lediglich
kleine Kohlenwasserstoffmoleküle
erspüren sollte,
dass jedoch das empfindliche Element 14 chemisch mit kleinen
Kohlenwasserstoffmolekülen,
größeren Proteinmolekülen und
sogar noch größeren Desoxyribonukleinsäuremolekülen (DNA)
zu reagieren. Wenn bei diesem Beispiel die Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 jeweils
einen Durchmesser in der Größenordnung
von einigen Angstrom hätten,
könnten
kleine Kohlenwasserstoffmoleküle
durch die Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 passieren,
um mit dem empfindlichen Element 14 zu reagieren, während die
größeren Proteinmoleküle und die
DNA-Moleküle
nicht durch die Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 passieren
könnten und
nicht mit dem empfindlichen Element 14 reagieren könnten. Bei
diesem Beispiel wird daher die chemische Selektivität des Sensors 10 verbessert.
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Die
Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 und
die Kontaktöffnungen 25 und 30 werden
mittels Mikrobearbeitung in den Filter 22 eingearbeitet,
bevor der Filter 22 und das Substrat 11 zusammenverbunden werden.
Die Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 und
die Kontaktöffnungen 25 und 30 können unter Verwendung
einer Varietät
unterschiedlicher chemischer und physikalischer Verfahren ausgebildet
werden. Beispielsweise können
reaktives Ionenätzen
oder ein mechanisches Bohrverfahren angewendet werden, um die Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 und
die Kontaktöffnungen 25 und 30 in
dem Filter 22 auszubilden. Als ein weiteres Beispiel kann,
wenn der Filter 22 aus einem nicht porösen Einkristall-Siliziumsubstrat
mit einer Dicke von ungefähr
100–500 μm besteht,
ein anisotropes Ätzmittel, ähnlich demjenigen,
das für die
Vertiefung 12 in dem Substrat 11 verwendet wurde,
auch verwendet werden, um die Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 und
die Kontaktöffnungen 25 und 30 zu ätzen.
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Die
Filterlöcher 26, 27, 28 und 29 und
die Kontaktöffnungen 25 und 30 können von
der Oberfläche 23 her,
der Oberfläche 24 her
oder von beiden Oberflächen 23 und 24 her
geätzt
werden. Wie in 1 illustriert,
werden die Kontaktöffnungen 25 und 30 und
das Filterloch 26 von der Oberfläche 23 her geätzt, das
Loch 27 wird von der Oberfläche 24 her geätzt, und
die Löcher 28 und 29 werden
von den Oberflächen 23 und 24 her
geätzt.
Wenn die Löcher von
beiden Oberflächen 23 und 24 geätzt werden, kann
eine größere Anzahl
oder eine größere Dichte von
Löchern
in dem Filter 22 vorgesehen werden, im Vergleich dazu,
wenn die Löcher
lediglich von einer einzigen Oberfläche des Filters 22 aus
geätzt
werden.
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Wir
fahren fort mit 2. Eine
teilweise Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform
des Sensors 10 in 1 ist
porträtiert
als ein Sensor 40. Der Sensor 40 von 2 ist dem Sensor 10 von 1 ähnlich, wobei in den 1 und 2 verwendete, selbe Bezugszeichen, selbe
Elemente bezeichnen. In 2 wird
ei ne Kavität 44 ausgebildet, indem
das Haftmittel 21 verwendet wird, um die elektrisch isolierende
Schicht 32 und einen Filter 45 zusammenzuverbinden.
Die Kavität 44 und
der Filter 45 sind im Zweck ähnlich der Kavität 31 bzw.
dem Filter 22 von 1.
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Der
Filter 45 besteht aus einer Schicht 43, die eine
Trägerschicht 41 überlagert.
Die Trägerschicht 41 ist
in ihrer Zusammensetzung ähnlich
dem Filter 22 von 1.
Die Trägerschicht 41 weist
eine Mehrzahl von Löchern 42 auf,
die von der Schicht 43 abgedeckt sind und die im Zweck ähnlich den
Filterlöchern 26, 27, 28 und 29 des
Filters 22 in 1 sind.
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Die
Schicht 43 besteht aus einem porösen oder gaspermeablen Material,
welches als ein selektiver Filter dient, um es bestimmten Chemikalien
zu erlauben und den Durchgang anderer Chemikalien zu beschränken. Beispiele
poröser
Materialien oder gaspermeabler Materialien, die als Schicht 43 geeignet
sind, wurden hier bereits zuvor beschrieben.
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Die
Schicht 43 kann in einer Dicke von etwa 0,1–30 μm über der
Trägerschicht 41 aufgesputtert, aufgesprüht, auflaminiert,
aufgetragen oder aufgemalt sein, nachdem die Trägerschicht 41 mit
der elektrisch isolierenden Schicht 32 verbunden wurde.
Alternativ kann die Schicht 43 über der Trägerschicht 41 vorgesehen
werden, bevor der Filter 45 an der elektrisch isolierenden
Schicht 32 befestigt wird. Bei diesem alternativen Prozess
kann der Filter 45 mit der elektrisch isolierenden Schicht 32 verbunden werden,
so dass die elektrisch isolierende Schicht 32 und das Substrat 11 näher an der
Schicht 43 als an der Trägerschicht 41 positioniert
sind, was eine Konfiguration darstellt, die in 2 nicht gezeigt ist. Der Filter 45 ist
jedoch vor zugsweise mit der elektrisch isolierenden Schicht 32 verbunden,
so dass die elektrisch isolierende Schicht 32 und das Substrat 11 näher an der
Trägerschicht 41 als
an der Schicht 43 positioniert sind, wie in 2 porträtiert, so dass die Mehrzahl
von Löchern 42 während des
Betriebs des Sensors 40 nicht verstopft werden.
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Es
wird nun auf 3 Bezug
genommen. Eine teilweise Querschnittsansicht einer weiteren alternativen
Ausführungsform
des Sensors 10 in 1 ist
als ein Sensor 60 dargestellt. Der Sensor 60 von 3 ist ebenfalls ähnlich dem
Sensor 10 von 1, wobei
in den 1 und 3 verwendete, selbe Bezugszeichen
selbe Elemente bezeichnen. In 3 verbindet
das Haftmittel 21 die elektrisch isolierende Schicht 32 und
einen Filter 61, um dazwischen eine Kavität 62 auszubilden.
Die Kavität 62 und
der Filter 61 sind im Zweck ähnlich der Kavität 31 bzw,
dem Filter 22 in 1.
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Der
Filter 61 besteht aus einem porösen oder gaspermeablen Material,
das eine geeignete Dicke aufweist, um grundsätzliche Steifigkeit zu bieten,
um eine Beschädigung
des empfindlichen Elementes 14, wie zuvor hier diskutiert,
zu verhindern. Anders als der Filter 22 von 1 weist der Filter 61 von 3 keinerlei Filterlöcher auf.
Der Filter 61 kann in seiner Zusammensetzung ähnlich der
Schicht 43 von 2 sein
und kann eine Dicke von etwa 50 –500 μm haben.
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Die
Sensoren 10, 40 bzw. 60 in den 1, 2 bzw. 3 weisen
mehrere Vorteile gegenüber
Sensoren nach dem Stand der Technik auf, die in herkömmlichen,
metallenen T05- oder T39-Gehäusen
eingepackt sind. Beispielsweise haben die Kavitäten 31, 44 bzw. 62 der 1, 2 bzw. 3 kleinere
Ka vitätsvolumen,
verglichen mit den Kavitäten
oder eingeschlossenen Regionen der herkömmlichen, metallenen T05- oder
T39-Gehäuse.
Mit den kleineren Kavitätsvolumen
sind Sensoren 10, 40 und 60 kleiner im
Ausmaß und
kompakter als die herkömmlichen,
metallenen T05- oder T39-Gehäuse,
was bei jeglicher Anwendung Platz spart. Die Sensoren 10, 40 und 60 sind
wenigstens etwa einhundertmal kleiner als die herkömmlichen
metallenen T05- oder T39-Gehäuse.
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Mit
den kleineren Kavitätsvolumen
können die
Kavitäten 31, 44 und 62 auch
schneller mit einer kritischen Konzentration einer von dem empfindlichen
Element 14 aufzuspürenden
Chemikalie gefüllt werden.
Ein kleineres Kavitätsvolumen
gestattet auch eine schnellere Reinigung von einer kritischen chemischen
Konzentration. Die Antwort- und Auffrischungszeiten für die Sensoren 10, 40 und 60 sind gegenüber dem
Stand der Technik verbessert. Wie zuvor diskutiert, können die
Kavitätsvolumen
der Kavitäten 31, 44 und 62 über die
Dicke oder Höhe
des Haftmittels 21 gesteuert werden. Das Minimale, für die Kavitäten 31, 44 und 62 erforderliche
Kavitätsvolumen
hängt ab
von der Zusammensetzung und den Betriebstemperaturen des empfindlichen
Elementes 14, der speziellen, zu erspürenden Chemikalie und der Diffusionsrate
eines Umgebungsgases oder einer Umgebungsflüssigkeit in die und aus den
Kavitäten 31, 44 und 62.
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Weiter
ist der Herstellungsprozess für
die Sensoren 10, 40 und 60 weniger zeitaufwendig,
weniger teuer und weniger arbeitsintensiv verglichen mit dem Stand
der Technik. Wenn das Substrat 11 und die Filter 22, 45 oder 61 Teile
von verschiedenen Halbleiterwafern sind, kann die Herstellung des
Sensors 10 durch Verwendung automatisierter Halbleiterwafer-Handhabungsausrüstung erfolgen,
was mensch liche Intervention reduziert und die Herstellungsausbeuten
verbessert. Auf diese Weise ist die Herstellung des Sensors 10 kompatibel
mit Produktionsumgebungen für
hohe Volumina.
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Die
Sensoren 10, 40 und 60 können daher unter
Verwendung eines chargenweisen Prozesses auf Waver-Niveau eingepackt
oder aufgebaut werden, wobei hunderte oder tausende von Sensoren gleichzeitig
auf einem einzelnen Halbleitersubstrat eingepackt werden können, bevor
die individuellen Sensoren vereinzelt werden. Dieser chargenweise Einpackprozess
auf Waferniveau verbessert den Durchsatz und ist kosteneffizienter
als der manuelle und langwierige Prozess des separaten Einpackens eines
Sensors zu einer Zeit gemäß dem Stand
der Technik.
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Darüber hinaus
schützt
das Einpacken auf Waferniveau das empfindliche Element 14 vor
Beschädigung
während
der Vereinzelung, da das empfindliche Element 14 vor dem
Vereinzelungsprozess in der Kavität 31, 44 oder 62 eingeschlossen
wird. Außerdem
versteifen und verstärken
das Haftmittel 21 und die Filter 22, 45 bzw. 61 die
Sensoren 10, 40 bzw. 60, was das Bruchpotential
verringert. Entsprechend werden die Herstellungsausbeuten für die Sensoren 10, 40 und 60 gegenüber dem
Stand der Technik weiter verbessert.
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Es
ist daher offensichtlich, dass gemäß der vorliegenden Erfindung
ein verbesserter Sensor bereitgestellt wurde, der die Nachteile
des Standes der Technik überwindet.
Die ineffiziente, stückweise Montage
von Sensoren in herkömmlichen,
metallenen T05- und T39-Gehäusen
ist eliminiert, und ein kosteneffizientes und zykluszeitreduzierendes
Verfahren verbessert die mechanische Stärke und die Herstellungsausbeuten
bei der Herstellung eines Sensors. Die Größe des eingepackten Sensors
wird um einen Faktor größer als
etwa einhundert im Vergleich mit herkömmlich eingepackten Sensoren
reduziert. Weiter wird die Leistung eines Sensors durch Verbesserung
der chemischen Sensitivität,
der chemischen Selektivität
und der Auffrischungs- und Antwortzeiten verbessert.
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Obgleich
die Erfindung, insbesondere unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt
und beschrieben wurde, wird vom Fachmann verstanden werden, dass Änderungen
in Form und Detail durchgeführt
werden können,
ohne sich von dem Geist und dem Umfang der Erfindung zu entfernen.
Beispielsweise können
in den Kavitäten 31, 44 und 62 Feuchte-
und Temperatursensoren enthalten sein, um die Überwachungsfähigkeiten
der Sensoren 10, 40 bzw. 60 zu verbessern.
Weiter kann der hier beschriebene Prozess auf das Einpacken anderer Typen
von Sensoren angewendet werden, wie etwa beispielsweise Chemiefeldeffekttransistoren (CHEM-FETs), akustische
Oberflächenwellen
(SAW: surface acoustic wave) -Bauteile, kapazitive Sensoren. Entsprechend
soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung nicht limitierend
sein. Statt dessen soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung
illustrativ für
den Erfindungsumfang sein, der in den folgenden Ansprüchen aufgestellt
ist.