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Die
Erfindung bezieht sich auf die Mikroherstellung von gasgefüllten Kammern,
die aus Silizium- und/oder Glaswafern unter Verwendung von Anodisches-
und/oder Fusionsbonden-Techniken
hergestellt werden. Das Verfahren ist außerordentlich gut zur Mikroherstellung
von Optikfilterkomponenten geeignet, wie z. B. diejenigen, die bei
optischen Wandlern verwendet werden, um die Bestandteile von Narkose- und Atemgasen bei
medizinischen Anwendungen zu identifizieren und zu messen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Optische
Infrarotfilter sind zu Schlüsselkomponenten
für viele
Infrarotsensoren geworden. Zum Beispiel werden Kohlendioxidfilter,
die aus einer hermetisch abgedichteten kohlendioxidgefüllten Kammer
bestehen, die Fenster aufweist, bei medizinischen Atmungsanwendungen
verwendet. Derartige Filter sind normalerweise teuer, und ihre Lebensdauer
ist normalerweise begrenzt, weil die Abdichtung der Kammer unter
Verwendung von Haftmitteln oder einer anderen suboptimalen Bondtechnik
auf der Chipebene vorgenommen werden muss. Die Erfindung wurde in
dem Bemühen
entwickelt, die Herstellung von Optikgasfiltern und damit in Beziehung
stehenden Komponenten, wie z. B. Infrarotstrahlungsquellen, unter
Verwendung von Waferebenensiliziummikrobearbeitungstechniken zu
verbessern, die in den letzten Jahren durchführbarer geworden sind.
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Mikrobearbeitungstechniken
haben es ermöglicht,
unterschiedliche mikromechanische Komponenten herzustellen, die
Strukturdetails mit Abmessungen in der Größenordnung von Mikrometern und
Hauptabmessungen vielleicht in der Größenordnung von Millimetern
aufweisen. Mikrobearbeitungstechniken stehen in Beziehung zu Verfahren,
die beim Herstellen von Halbleitern verwendet werden, z. B. werden
verschiedene Strukturen in Siliziumkristall direkt durch Ätzen mit
Hilfe einer Schutzmaske oder durch Aufwachsen unterschiedlicher
Dünnfilme auf
der Oberfläche
des Siliziumkristalls über
Verdampfen, Sputtern, Drucken oder andere Dünnfilmtechniken, die denjenigen
bekannt sind, die integrierte Schaltungen herstellen, gebildet.
Der Anmelder der vorliegenden Anmeldung ist bei der Entwicklung von
Mikrobearbeitungstechniken, um verschiedene Komponenten für Infrarotsensoren
herzustellen, wie z. B. die Infrarotstrahlungsquellenanordnung,
die in dem U.S.-Patent Nr. 5,668,376 mit dem Titel „Double Radiation
Source Assembly And Transducer" von Weckstrom
u. a., erteilt am 16. September 1997 an den Anmelder der vorliegenden
Anmeldung, offenbart ist, beteiligt. Das letztendliche Ziel der
Erfindung, die in dem Patent offenbart ist, auf das im Vorhergehenden
verwiesen wird, sowie der Erfindung, die in dieser Anmeldung offenbart
ist, besteht darin, Waferebenensiliziummikrobearbeitungstechniken
zu verwenden, um den Herstellungsprozess von Gassensoren zu verbessern,
die verwendet werden, um Atemgase, die in den Luftwegen von Patienten
vorhanden sind, während
der Anästhesie
oder in der Intensivpflege zu messen. Die Verwendung von wirksamen
Mikrobearbeitungstechniken führt
nicht nur zu miniaturisierten Komponenten, sondern führt oft
auch zu genaueren und dauerhafteren Komponenten.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Mikroherstellen einer Mehrzahl von hermetisch abgedichteten
gasgefüllten
Optikfilterkammern geliefert, die jede ein strahlungsabsorbierendes
Gas enthalten, das eine vorausgewählte Konzentration aufweist,
derart, dass der Druck in der Kammer gleich einem vorausgewählten Wert
Pc ist, wenn die Temperatur der Kammer sich
bei einer vorausgewählten Temperatur
T0 befindet, wobei die gasgefüllten Kammern
Gase enthalten, die sich durch zumindest eines von Gastyp von Gaskonzentration
unterscheiden, und aus einer Mehrzahl von Silizium- oder Glaswafern
mikrohergestellt sind, derart, dass gasgefüllte Hohlräume benachbart zu der Schnittstelle
zwischen zumindest zweien der Wafer angeordnet sind, wobei das Verfahren
zum Mikroherstellen der gasgefüllten Optikfilterkammern
folgende Schritte aufweist:
- a) Ätzen einer
Mehrzahl von Hohlräumen
in einem Substrat, das aus einem oder mehr Wafern hergestellt ist,
wobei jeder Hohlraum benachbart zu einer Anodisches-Bonden-Oberfläche an dem
Substrat und von derselben umgeben ist;
- b) Platzieren des Substrats mit den geätzten Hohlräumen in einer ersten gasgefüllten Anodisches-Bonden-Umgebung,
wobei die gasgefüllte Anodisches-Bonden-Umgebung
ein strahlungsabsorbierendes Gas enthält, das im Wesentlichen bei
einer erhöhten
Anodisches-Bonden-Temperatur Tab und einem
erhöhten
Anodisches-Bonden-Druck Pab gehalten wird,
wobei der Bonddruck Pab im Wesentlichen
gleich Pab = Pc (Tab/T0) ist, wobei
Tab und T0 absolute
Temperaturwerte sind und Pab und Pc absolute Druckwerte sind und Pc der
vorausgewählte
Druckwert in der Kammer ist, wenn die Kammer sich bei der vorausgewählten Temperatur
T0 befindet, wobei die Temperatur T0 geringer ist als die Temperatur Tab, wobei die Verwendung eines erhöhten Drucks
und einer erhöhten
Temperatur bei dem Gas die Konzentration von Gas in dem Hohlraum
erhöht;
und
- c) anodisches Bonden zumindest eines umschließenden Wafers
an die Anodisches-Bonden-Oberfläche
an dem Substrat, während
das Substrat mit den geätzten
Hohlräumen
in der gasgefüllten
Anodisches-Bonden-Umgebung bei Temperatur Tab und
Druck Pab angeordnet ist, wobei das anodische
Bonden in der gasgefüllten
Anodisches-Bonden-Umgebung implementiert wird durch ein Ausrichten
des umschließenden
Wafers mit der Bondoberfläche
des Substrats, um eine Bondschnittstelle zwischen dem umschließenden Wafer
und dem Substrat zu bilden, und ein gleichzeitiges Einfangen von
Gas von der ersten gasgefüllten
Anodisches-Bonden-Umgebung in dem Hohlraum und danach ein Anlegen
einer Bondspannung über
die Bondschnittstelle zwischen dem umschließenden Wafer und dem Substrat,
während
der Wafer und das Substrat zum Bonden in der gasgefüllten Anodisches-Bonden-Umgebung ausgerichtet
sind, um die Schnittstelle zu bonden und das Gas in dem Hohlraum
hermetisch abzudichten, um eine gasgefüllte Optikfilterkammer zu bilden,
die die vorausgewählte
Konzentration von Gas in der Kammer aufweist,
- d) Platzieren des Substrats in einer zweiten gasgefüllten Bondumgebung,
die das gleiche oder ein anderes Gas in der gleichen oder einer
anderen Konzentration bei der Bondtemperatur und dem Bonddruck aufweist;
und
- e) Wiederholen des Bondprozesses von Schritt c), um zumindest
eine zweite hermetisch abgedichtete gasgefüllte Kammer mit dem Gas von
der zweiten gasgefüllten
Bondumgebung zu bilden.
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Die
Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Mikroherstellen einer Mehrzahl
von hermetisch abgedichteten gasgefüllten Optikfilterkammern, die
jede ein Gas enthalten, das eine vorausgewählte Konzentration aufweist,
derart, dass der Druck in der Kammer gleich einem vorausgewählten Druck
Pc ist, wenn die Temperatur der Kammer sich
bei einer vorausgewählten
Temperatur T0 befindet, wobei die gasgefüllten Kammern
Gase enthalten, die sich durch zumindest eines von Gastyp und Gaskonzentration unterscheiden,
und aus zwei oder mehr Siliziumwafern mikrohergestellt sind, derart,
dass gasgefüllte Hohlräume benachbart
zu der Schnittstelle zwischen zweien der Siliziumwafer angeordnet
sind, wobei das Verfahren zum Mikroherstellen der gasgefüllten Optikfilterkammern
folgende Schritte aufweist:
- a) Ätzen einer
Mehrzahl von Hohlräumen
in einem Substrat, das aus zumindest einem der Siliziumwafer gebildet
ist, wobei jeder Hohlraum benachbart zu einer Fusionsbondoberfläche an dem
geätzten
Siliziumwafer und von derselben umgeben ist;
- b) Vorbereiten der Oberflächen
der Siliziumwafer für
ein Fusionsbonden;
- c) Platzieren der Siliziumwafer in einer ersten gasgefüllten Bondumgebung,
wobei die gasgefüllte Fusionsbondumgebung
eine Konzentration eines ausgewählten
Gases bei einem ausgewählten Druck
aufweist;
- d) anfängliches
Zusammenbonden der Siliziumwafer, während die Siliziumwafer in
der gasgefüllten
Bondumgebung angeordnet sind, durch ein Ausrichten und Ineingriffnehmen
der jeweiligen Fusionsbondoberflächen
an den jeweiligen Siliziumwafern, um eine Bondschnittstelle dazwischen zu
bilden, während
gleichzeitig das Gas von der ersten gasgefüllten Bondumgebung in dem Hohlraum
eingefangen wird; und
- e) danach Anlegen einer ausreichenden Menge thermischer Energie
eine ausreichende Zeitmenge lang, um die Anfangsbindungen zu stärken und den
Hohlraum mit dem Gas in dem Hohlraum hermetisch abzudichten, um
eine gasgefüllte
Optikfilterkammer zu bilden, die die vorausgewählte Konzentration von Gas
in der Kammer aufweist,
- f) Platzieren des Substrats in einer zweiten gasgefüllten Bondumgebung,
die das gleiche oder ein anderes Gas in der gleichen oder einer
anderen Konzentration bei der Bondtemperatur und dem Bonddruck aufweist;
und
- g) Wiederholen des Bondprozesses der Schritte d) und e), um
zumindest eine zweite hermetisch abgedichtete gasgefüllte Kammer
mit dem Gas von der zweiten gasgefüllten Bondumgebung zu bilden.
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Bei
einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung eine mikrohergestellte,
gasgefüllte
Einchipoptikfilteranordnung, die folgende Merkmale aufweist:
ein
Siliziumsubstrat, das eine Mehrzahl von Hohlräumen aufweist, die hineingeätzt sind,
derart, dass eine jeweilige Bondoberfläche jeden Hohlraum umgibt;
einen
Glaswafer, der eine Schicht bildet, die anodisch an die Bondoberflächen an
dem Substrat gebondet ist, um eine Mehrzahl von hermetisch abgedichteten gasgefüllten Kammern
in der Anordnung zu bilden, wobei jede. der hermetisch abgedichteten
gasgefüllten
Kammern eine Abdeckung aufweist, die aus einem diskreten Abschnitt
der Abdeckungsschicht gebildet ist;
wobei zumindest eine erste
Kammer der Mehrzahl von Kammern eine erste ausgewählte Konzentration von
Gas enthält;
und
wobei zumindest eine zweite Kammer der Mehrzahl von Kammern
ein Gas enthält,
das sich von dem Gas in der ersten Kammer durch zumindest eines
von Gastyp und Gaskonzentration unterscheidet.
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Die
Erfindung liefert ferner eine mikrohergestellte, gasgefüllte Einchipoptikfilteranordnung,
die folgende Merkmale aufweist:
ein Siliziumsubstrat, das eine
Mehrzahl von Hohlräumen
aufweist, die hineingeätzt
sind, derart, dass eine jeweilige Bondoberfläche jeden Hohlraum umgibt;
einen
Siliziumwafer, der eine Schicht bildet, die thermisch an die Bondoberflächen an
dem Substrat gebondet ist, um eine Mehrzahl von hermetisch abgedichteten
gasgefüllten
Kammern in der Anordnung zu bilden, wobei jede der hermetisch abgedichteten gasgefüllten Kammern
eine Abdeckung aufweist, die aus einem diskreten Abschnitt der Abdeckungsschicht
gebildet ist;
wobei zumindest eine erste Kammer der Mehrzahl von
Kammern eine erste ausgewählte
Konzentration von Gas enthält;
und
wobei zumindest eine zweite Kammer der Mehrzahl von Kammern
ein Gas enthält,
das sich von dem Gas in der ersten Kammer durch zumindest eines
von Gastyp und Gaskonzentration unterscheidet.
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Die
Erfindung setzt die Verwendung von Mikrobearbeitungs-, Ätz- und
Bondtechniken ein, um hermetisch abgedichtete gasgefüllte Kammern
aus Silizium- und/oder Glaswafern herzustellen. Die hermetisch abgedichteten
gasgefüllten
Kammern weisen genaue Abmessungen auf und sind mit einer vorausgewählten Konzentration
von Gas gefüllt,
wodurch eine außergewöhnliche
Leistung zur Verwendung als ein optisches Gasfilter geliefert wird.
Die mikrohergestellten gasgefüllten
Kammern sind auch dauerhaft. Die Verwendung von Fusions- und Anodisches-Waferbonden-Techniken
führt zu
einer komplett hermetisch abgedichteten Kammer, die selbst unter
Bedingungen dauerhaft ist, bei denen ein wiederholtes Durchlaufen
von thermischen Zyklen erfolgt.
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Der
erste Schritt beim Implementieren der Erfindung umfasst ein Ätzen von
ein oder mehr Hohlräumen
(oder Löchern)
in ein oder mehr Glas- oder Siliziumwafern. Die Wafer werden schließlich nach geeigneten
Bondprozeduren Teil einer Chipanordnung, die eine oder mehr hermetisch
abgedichtete gasgefüllte
Kammern aufweist. Bevorzugt werden Ätztechniken verwendet, um Hohlräume in einem
Siliziumsubstrat zu erzeugen, das aus ein oder mehr Siliziumwafern
gebildet ist. Schnittstellen zwischen ausgerichteten Siliziumwafern
werden unter Verwendung von Fusionsbondtechniken gebondet. Das Siliziumsubstrat
mit dem geätzten
Hohlraum wird dann in einer gasgefüllten Anodisches-Bonden-Umgebung platziert.
Die gasgefüllte
Anodisches-Bonden-Umgebung enthält
eine ausgewählte
Gaskonzentration, die bei der Anodisches-Bonden-Temperatur Tab und
dem Druck Pab gehalten wird, während ein
Glaswafer auf dem Siliziumsubstrat mit dem geätzten Hohlraum ausgerichtet
wird. (Es kann erwünscht
sein, den Glaswaferdeckel durch einem Siliziumwafer zu ersetzen,
der eine Glasbeschichtung aufweist.) Eine Spannung wird angelegt,
um den Glaswafer anodisch an das Siliziumsubstrat zu bonden. Während dieses
Prozesses wird Gas von der Anodisches-Bonden-Umgebung innerhalb
des Hohlraums mit der gleichen Konzentration und dem gleichen Druck
eingekapselt, wie das Gas in der Anodisches-Bonden-Umgebung vorhanden
ist. Die Zusammensetzung des Gases innerhalb der Anodisches-Bonden-Umgebung
sowie die Konzentration und der Druck Pab des
Gases sind vorbestimmt, damit die Zusammensetzung und Konzentration
des Gases, das in der Gaskammer eingekapselt ist, für die ausgewählte Anwendung
ausreichend sind. Wenn z. B. eine gasgefüllte Kammer hergestellt wird,
die als ein optisches Gasfilter bei Umgebungstemperaturen verwendet
werden soll (wie es z. B. bei Atemgassensorsystemen verwendet wird),
enthält
die Anodisches-Bonden-Umgebung
normalerweise Kohlendioxidgas bei einem gesteigerten Druck, wie
z. B. zwei Atmosphären
(d. h. eine mit Überdruck
beaufschlagte Kohlendioxidumgebung), wodurch es ermöglicht wird,
dass der optische Gassensor ein Referenzsignal erhält, das
genau mit dem Absorptionsspektrum von Kohlendioxid übereinstimmt.
Kohlendioxidgasfilter weisen eine starke Absorptionsspitze bei 4,2 μm auf. Bei
einigen Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist die Optikweglänge
durch die Kammer genau durch die Dicke der Siliziumwafer definiert.
Um eine maximale Absorption zu erhalten, wird das anodische End-Bonden
in einer Bondumgebung implementiert, die Kohlendioxid bei einem
relativ hohen Druck enthält,
wodurch ermöglicht
wird, dass mehr Kohlendioxid in der Kammer eingekapselt wird. Aufgrund
der Verwendung von Kohlendioxidüberdruck
in der Bondumgebung sind höhere
Konzentrationen von Kohlendioxid innerhalb der Kammer möglich, und
die Kammer kann somit physisch kleiner gemacht werden. Abhängig von
der Anwendung kann die kleinere Größe die Herstellung erheblich
vereinfachen.
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Silizium
ist zur Verwendung bei Kohlendioxidfiltern außerordentlich gut geeignet,
da Silizium im Wesentlichen durchlässig für Strahlung ist, die eine Wellenlänge λ = 4,23 μm aufweist.
Optische Übertragungsverluste
können
jedoch durch das Glas und durch eine Brechung an den physischen
Schnittstellen entlang dem optischen Weg erfolgen. Diese optischen Übertragungsverluste
können
durch ein Verdünnen
der Glaswafer, durch die die Strahlung hindurchgeht, und durch die
Verwendung von Antireflexionsbeschichtungen, wie z. B. Siliziumnitrid
und Siliziumdioxid, verringert werden. Siliziumdioxid ist die bevorzugte
Beschichtung, da Siliziumdioxid die Qualität von Fusions- oder anodischen
Bindungen nicht beeinflusst.
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Als
eine Alternative zum anodisches Bonden eines Glaswaferdeckels an
die Anordnung innerhalb einer mit Überdruck beaufschlagten Bondumgebung kann
es unter einigen Umständen
erwünscht
sein, die Kammer zu umschließen,
während
gleichzeitig eine vorausgewählte
Konzentration von Gas unter Verwendung eines Siliziumwaferdeckels
in der Kammer eingefangen wird. Beim Herstellen einer derartigen
Anordnung ist es nötig,
die Siliziumwafer chemisch zu behandeln. Ein Anfangsbonden, um die
vorausgewählte
Konzentration von Gas in der Kammer einzufangen, kann bei Raumtemperatur
erfolgen. Der Gasdruck und die Gaskonzentration in der Anfangsbondumgebung
sind im Wesentlichen die gleichen wie der Druck und die Konzentration
des Gases, das in der Kammer nach der Herstellung eingefangen ist.
Nach einem Anfangsbonden werden die Siliziumwafer durch Fusionsbonden
ausgeheilt, um die Bindung zu verstärken und die Kammer hermetisch
abzudichten. Eine derartige mikrohergestellte Struktur weist den
Vorteil von Einfachheit auf und weist auch verringerte optische Übertragungsverluste
auf.
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Die
im Vorhergehenden beschriebenen Techniken werden verwendet, um mehrere
gasgefüllte
Kammern (z. B. optische Gasfilter) an einem einzigen Chip mikroherzustellen.
Die Herstellung kann innerhalb einer einzigen gasgefüllten Bondumgebung erreicht
werden, um mehrere Zellen zu erzeugen, die die gleiche Gaszusammensetzung
und -konzentration aufweisen. Beabsichtigte Lecks zu der umgebenden
Atmosphäre
können
in den Chip mikrogearbeitet werden, so dass eine oder mehr Kammern
mit der Atmosphäre
verbunden sind. Auf diese Weise enthalten einige Kammern an dem
Chip ein ausgewähltes Gas
(z. B. Kohlendioxidgas) mit einer ausgewählten Konzentration, während andere
Kammern für
die umgebende Atmosphäre
offen bleiben. Alternativ dazu kann die Gasgefüllte-Umgebung-Bondtechnik der Reihe
nach bei einer Vielzahl von gasgefüllten Bondumgebungen angewendet
werden, damit verschiedene Kammern an dem gleichen Chip Gase unterschiedlicher
Konzentration und/oder Zusammensetzung enthalten können. Bei
dem bevorzugten Verfahren zum Implementieren dieses Aspekts der
Erfindung ist es notwendig, den Wafer, der verwendet wird, um die
jeweiligen Kammern abzudichten, zwischen sequentiellen Bondprozessen
zu sägen.
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Bei
einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die mikrohergestellte gasgefüllte Kammer
oder die Mehrzahl von Kammern mit ein oder mehr Infrarotstrahlungsquellen
an einem einzigen Chip integriert. Der Siliziumwafer, an dem die
ein oder mehr IR-Quellen mikrohergestellt sind, wird bevorzugt verwendet,
um einen Teil der Kammer zu bilden, die das Gas enthält. Auf
diese Weise sind eine IR-Quelle und ein optisches Gasfilter effizient
und wirksam an einer Einchipanordnung integriert. In vielen Fällen wird
es bevorzugt, dass die Einchipanordnung eine Mehrzahl von lateral
angeordneten IR-Strahlungsquellen umfasst, die an einem einzigen
Wafer mikrohergestellt und an den Rest der Chipanordnung gebondet
werden, um die jeweiligen gasgefüllten
Kammern zu bilden.
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Andere
Merkmale und Aspekte der Erfindung werden für Fachleute beim Durchsehen
der folgenden Zeichnungen und der Beschreibung derselben ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Zeichnung, die die
Struktur einer mikrohergestellten, hermetisch abgedichteten Kammer,
die mit Kohlendioxidgas gefüllt ist,
gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der
Erfindung veranschaulicht.
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2 ist eine schematische Zeichnung, die ein
anodisches Bonden gemäß der Erfindung
innerhalb einer mit Überdruck
beaufschlagten Anodisches-Bonden-Umgebung
veranschaulicht, die konzipiert ist, um eine kundenspezifische Gaskonzentration
bei der hermetisch abgedichteten Kammer zu liefern.
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3 ist
ein Graph, der Testergebnisse einer optischen Übertragung bzw. Transmission
durch ein Kohlendioxidfilter, das gemäß der Erfindung hergestellt
ist, die in Abhängigkeit
von einer Wellenlänge für verschiedene
Anodisches-Bonden-Überdrücke gezeigt
sind, veranschaulicht.
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4a und 4b sind
Graphen, die optische Übertragungsverluste
durch Glaswafer veranschaulichen.
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5 ist
ein Graph, der optische Übertragungsverluste
durch einen Siliziumwafer veranschaulicht, der Siliziumoxidbeschichtungen
verschiedener Dicke aufweist, für
eine Wellenlänge λ = 4,23 μm.
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6 ist
ein Graph, der optische Übertragungsverluste
durch die gasgefüllte
Kammer, die in 1 veranschaulicht ist,
darstellt, vorausgesetzt, dass eine dünne Glasschicht und Siliziumoxidbeschichtungen
verwendet werden, um optische Übertragungsverluste
zu verringern.
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7 veranschaulicht schematisch verschiedene
alternative Ausführungsbeispiele
zum Mikroherstellen einer hermetisch abgedichteten gasgefüllten Kammer
gemäß der Erfindung.
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8 ist eine schematische Zeichnung, die ein
anodisches Bonden innerhalb einer mit Überdruck beaufschlagten Anodisches-Bonden-Umgebung
veranschaulicht, unter Verwendung eines Siliziumsubstrats, das einen
geätzten
Hohlraum aufweist, und eines Siliziumwafers, der eine Glasbeschichtung aufweist,
um anodisches Bonden zu ermöglichen.
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9 ist eine schematische Zeichnung, die das
Anfangsbonden eines Siliziumsubstrats, in dem ein Hohlraum geätzt ist,
und eines Siliziumwaferdeckels in einer gasgefüllten Bondumgebung veranschaulicht,
wobei dem Anfangsbonden später
ein Fusionsbonden bei hohen Temperaturen folgt, um die Bindung zu
verstärken.
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10 veranschaulicht schematisch verschiedene
Verfahren zum Aufbringen einer Antireflexionsbeschichtung, um optische
Brechungsübertragungsverluste
in einer gasgefüllten
Kammer zu verringern, die als ein optisches Filter verwendet wird.
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11 veranschaulicht eine mikrohergestellte
Einchipanordnung, die eine Mehrzahl von Kammern (die meisten hermetisch
abgedichtet und gasgefüllt)
umfasst, gemäß der Erfindung.
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12 ist eine schematische Zeichnung, die ein
Verfahren zum Herstellen der mikrohergestellten Ein chipanordnung,
die in 11 gezeigt ist, veranschaulicht.
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13 enthält schematische Zeichnungen, die
die bevorzugte Art und Weise eines Mikroherstellens der mikrohergestellten
Einchipanordnung, die in 11 gezeigt
ist, veranschaulichen.
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14 enthält schematische Zeichnungen, die
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der mikrohergestellten Einchipanordnung, die in 11 gezeigt
ist, zeigen.
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15A zeigt einen Wandler, der eine gasgefüllte Kammer
verwendet, die gemäß der Erfindung
mikrohergestellt wird.
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15B zeigt den Wandler von 15A, der
mit einem Atemkreis eines Patienten verbunden ist.
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16 ist
eine schematische Ansicht, die einen mikrohergestellten Kohlendioxidfilterchip
veranschaulicht, der eine Kohlendioxidkammer aufweist, die in Verbindung
mit einem Infrarotstrahlungsquellenchip verwendet wird, wobei die
Referenzstrahlungsquelle lateral bzgl. der Abtaststrahlungsquelle an
dem gleichen Chip angeordnet ist.
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17 ist eine schematische Zeichnung, die die
bevorzugten Schritte beim Herstellen eines Infrarotstrahlungsquellenchips
veranschaulicht, der lateral angeordnete Infrarotstrahlungsquellen
an dem gleichen Chip aufweist.
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18 ist
eine Draufsicht des Chips, der in 16 gezeigt
ist, der lateral angeordnete Infrarotstrahlungsquellen umfasst.
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19 enthält schematische Zeichnungen, die
die verschiedenen Ausführungsbeispiele
der Erfindung zeigen, bei denen hermetisch abgedichtete gasgefüllte Kammern
mit einer Mehrzahl von lateral angeordneten Infrarotstrahlungsquellen
an einem einzigen Chip integriert sind.
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20 ist eine schematische Zeichnung, die verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung enthält,
bei denen eine Mehrzahl von hermetisch abgedichteten gasgefüllten Kammern
an einem einzigen Chip enthalten sind und eine Mehrzahl von lateral
angeordneten Infrarotstrahlungsquellen ebenfalls an dem gleichen
Chip integriert sind.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 – 6 beziehen
sich auf ein mikrohergestelltes optisches Kohlendioxidfilter 10a, 10b.
Das Filter 10a, 10b, wie dasselbe in 1 gezeigt ist, weist ein Kohlendioxidgas 14 auf,
das in einer Kammer 12 eingekapselt ist. Die Kammer 12,
wie dieselbe in 1 gezeigt ist, weist äußere Abmessungen
von etwa 2,8 mm × 2,8
mm und eine Hohlraumtiefe von 1 Millimeter auf. Das Filter 10a, 10b wird
durch ein Ätzen
und Bonden von drei reinen, einzelnen, kristallinen Siliziumwafern 16a, 18a, 20a (oder 16b, 18b, 20b)
und eines Pyrex-Glaswafers 22 hergestellt, die am besten
für die
Bondtechniken, die hier offenbart sind, geeignet sind.
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Der
Mikroherstellungsprozess für
das Filter 10a, 10b ist schematisch in 1 gezeigt. Die Herstellung beginnt mit
der Oxidierung von zwei 500 μm dicken
reinen Siliziumwafern 18a und 20a (oder 18b und 20b).
Eine Oxidschicht 24 wird auf beiden Seiten durch Doppelseitenausrichtungsphotolithographie strukturiert,
siehe 1A. Dem folgt ein standardgemäßes anisotropes
KOH-Ätzen,
um Löcher 26a, 26b durch
die Wafer 18a, 20a zu ätzen. Es sei darauf hingewiesen, dass
durch ein geringfügiges
Verlängern des Ätzens durch
die Wafer die geneigten Wände (26a in 1B)
beseitigt werden und stattdessen gerade Wände 26b (in 1B' gezeigt) gebildet werden. Nachdem die Löcher 26a, 26b in
den reinen Siliziumwafern 18a und 20a (oder 18b und 20b)
gebildet worden sind, wird die verbleibende Oxidschicht 24 entfernt.
Die beiden geätzten
Siliziumwafer 18a und 20a bzw. 18b, 20b werden
dann ausgerichtet und unter Verwendung einer Fusionsbondprozedur miteinander
verbunden. Der Siliziumwaferdeckel 16a oder 16b wird
dann an den oberen Wafer 18a (oder 18b), durch
den ein Loch geätzt
ist, fusionsgebondet. Das Ergebnis ist ein Dreifachstapelwafersubstrat 16a, 18a, 20a (oder 16b, 18b, 20b)
mit einem 1 mm tiefen Hohlraum 12a (oder 12b).
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Beim
Implementieren der Fusionsbondtechnik werden die Bondoberflächen der
Siliziumwafer gereinigt und vorbehandelt, um zu ermöglichen,
dass sich die Oberflächen
chemisch miteinander verbinden. Die Wafer werden dann ausgerichtet
und bei etwa 1.000°C
in einer Stickstoffatmosphäre
mehrere Stunden lang erhitzt, um die Siliziumwafer auszuheilen oder
zu bonden.
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Der
Glaswafer 22, bevorzugt ein Pyrex-7740-Glaswafer, wird
dann anodisch an das Dreifachstapelsiliziumsubstrat 16a, 18a, 20a gebondet, wobei
ein geeigneter Bonder verwendet wird, wie z. B. ein Karl-Suss-SB6-Bonder.
Dieser Bonder weist eine Kammer mit variablem Druck (Vakuum bis
3 Bar) mit einer elektrostatischen Option auf, die es ermöglicht,
dass der Glaswafer 22 vor dem Bonden von dem Siliziumsubstrat
getrennt wird. Unter Verwendung der elektrostatischen Option wird
der Glaswafer (in Vakuum) getrennt, und dann wird der Kammer variablen
Drucks innerhalb des Bonders Kohlendioxidgas zugeführt. Unter
jetziger Bezugnahme auf 2 wird, wenn
der erwünschte
Druck des Kohlendioxidgases Pab erreicht
ist, der Glaswafer 22 mit dem Siliziumsubstrat 15 verbunden,
und eine ansonsten standardmäßige Anodisches-Bonden-Prozedur
wird durchgeführt:
die bevorzug te Anodisches-Bonden-Temperatur Tac beträgt 430°C; die bevorzugte Anodisches-Bonden-Spannung
beträgt
1.500 Volt; und die bevorzugte Anodisches-Bonden-Zeit beträgt etwa
1 Stunde. Da das anodische Bonden bei einer erhöhten Temperatur Tab (z.
B. 430°C)
durchgeführt wird,
beträgt
der Innendruck Pc in der Gaskammer 12 nach
dem Abkühlen
(z. B. Umgebungstemperatur T0) etwa die
Hälfte
des Bonddrucks Pab. In anderen Worten wird
ein anodisches Bonden mit Kohlendioxidüberdruck (d. h. Pab =
Pab × das
Verhältnis
Tab/T0) durchgeführt, um
eine höhere
Konzentration von Kohlendioxidgas in der Kammer 12 einzukapseln. Falls
es erwünscht
ist, wird die Vierstapelwaferanordnung (1)
dann in einzelne Filter 10 zersägt. Die Ausbeute, die von diesem
Prozess erhalten wird, ist normalerweise besser als 95%. Der Erfolg
von Fusions- und anodischem Bonden stellt sehr gute hermetische
Abdichtungen der Kohlendioxidkammern 12 sicher. Thermozyklustests
wurden ebenfalls bei den Kammern 12 durchgeführt, die
gemäß dem oben
beschriebenen Prozess hergestellt wurden, und die Kammern 12 wiesen
keine Gaslecks auf.
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3 veranschaulicht
Optikfiltercharakteristika des Filters 10, das in 1 gezeigt ist, wobei der Anodisches-Bonden-Druck
Pab variiert wird. In 3 ist
das Transmissionsspektrum der Kohlendioxidkammer 12 über der
Wellenlänge
für drei
unterschiedliche Bonddrücke
Pab (1, 1,5 und 2 Bar) aufgetragen. Die
graphische Darstellung in 3 bestätigt die
starken Absorptionscharakteristika von Kohlendioxid bei 4,23 μm. Wie erwartet,
weist der Anodisches-Bonden-Druck Pab eine
starke Wirkung auf das Absorptionsfilter auf. Bei einem Druck von
105 Pa (1 Bar) beträgt die maximale Absorption
49%, während die
maximale Absorption bei einem Druck von 2 × 105 Pa
(2 Bar) fast 90% erreicht.
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Silizium
ist im Wesentlichen durchlässig
für Infrarotstrahlung
mit 4,23 μm,
wobei es sich um die interessierende Wellenlänge bei einem Kohlendioxidgasfilter 10 handelt.
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Optische Übertragungsverluste
können
jedoch bei λ =
4,23 μm
auftreten, da der optische Weg durch den Glaswafer 22 hindurchgeht,
und auch aufgrund einer Reflexion an den physischen Schnittstellen
zwischen verschiedenen Materialien (besonders bei einer Interferenz
mit Silizium). 4a ist eine graphische Darstellung,
die die Menge an optischem Übertragungsverlust
durch einen 500 mm dicken Pyrex-7740-Glaswafer über der
Wellenlänge λ mit Luft als
Referenz veranschaulicht. Es sei darauf hingewiesen, dass in 4a eine
Glasabsorption bei etwa 5 μm
oder mehr dominant ist, was bedeutet, dass Pyrex-Glas bei diesen
Wellenlängen
nicht verwendet werden kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass bei
einer Wellenlänge λ = 4,23 μm ein 500 μm dicker Glaswafer
einen optischen Übertragungsverlust
von etwa 60% aufweist. Um eine optische Übertragung zu verbessern, ist
es erwünscht,
die Dicke des Glaswafers 22 zu verringern. 4b veranschaulicht
optische Übertragungsverluste
bei λ =
4,23 μm
für verschiedene
Dicken für
den Glaswafer 22. Es sei darauf hingewiesen, dass eine
70%ige Übertragung
erreicht werden kann, wenn der Glaswafer 22 auf 100 μm verdünnt wird.
Falls es nötig
ist, kann das Verdünnen über ein Ätzen erreicht
werden.
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Aufgrund
der großen
Veränderung
des Brechungsindex von Luft zu Silizium bestehen besonders hohe
Reflexionsverluste an diesen Schnittstellen. Um diese Verluste zu
minimieren, können
die Oberflächen
des Siliziums entlang dem optischen Weg mit Antireflexionsbeschichtungen
beschichtet werden. Die bevorzugte Antireflexionsbeschichtung ist
eine Siliziumdioxidbeschichtung, da eine derartige Beschichtung
im Wesentlichen die Bondprozeduren nicht stört. 5 zeigt
den Prozentsatz von optischen Übertragungsverlusten
bei λ =
4,23 μm
in Abhängigkeit
von der Dicke für
eine Siliziumdioxidbeschichtung. Wie es in 5 gezeigt
ist, beträgt
die bevorzugte Dicke von Siliziumdioxidantireflexionsbeschichtungen
etwa 0,75 μm.
Eine weitere geeignete Antireflexionsbeschichtung ist Siliziumnitrid.
Siliziumnitrid kann wirksam als eine Antireflexionsbeschichtung
verwendet werden, die Herstellungsprozedur ist jedoch komplizierter,
da die Siliziumnitridbeschichtung strukturiert werden muss, so dass
ein Fusionsbonden nicht beeinträchtigt
wird. Somit sind bei einer Siliziumnitridbeschichtung eine zusätzliche
Maske und ein zusätzlicher
Photolithographieschritt sowie ein empfindlicher Ausrichtungsschritt
nötig.
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6 vergleicht
die Leistung eines optischen Gasfilters 10, das in 1 gezeigt ist, nachdem der Glaswafer 22 verdünnt wurde
und Antireflexionsbeschichtungen verwendet wurden. Die Kurve 28 zeigt
die optische Übertragung über der
Wellenlänge
für ein
Kohlendioxidgasfilter 10, das einen Glaswafer 22 von
500 μm,
keine Antireflexionsbeschichtung, einen Bonddruck von 2 × 105 Pa (2 Bar) und eine Hohlraumdicke von 1
mm aufweist. Die Kurve 30 zeigt eine optische Übertragung über der
Wellenlänge
für ein
Kohlendioxidfilter, das einen Glaswafer 22 von 125 μm, Siliziumdioxidantireflexionsschichten
von 0,575 μm,
einen Bonddruck von 2 × 105 Pa (2 Bar) und eine Hohlraumdicke von 1
mm aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Leistung des optimierten
Filters (Kurve 30) wesentlich besser ist, wodurch ein Signalkontrast
verbessert wird.
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7 veranschaulicht verschiedene alternative
Ausführungsbeispiele
zum Mikroherstellen von gasgefüllten
Kammern 12 unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken,
die denjenigen ähnlich sind,
die in den 1 – 6 beschrieben
sind. In 7a weist das Siliziumsubstrat 15 zwei
Siliziumwafer 16, 18 auf. Ein Loch 12 wird
durch den zweiten Siliziumwafer 18 trockengeätzt. Die
Siliziumwafer 16 und 18 werden fusionsgebondet,
und dann wird der Glaswafer 22 in einer gasgefüllten Anodisches-Bonden-Umgebung
anodisch gebondet, um eine Konzentration von Gas in der Kammer 12 einzufangen. Das
Ausführungsbeispiel,
das in 7a gezeigt ist, ist demjenigen ähnlich,
das in 1 gezeigt ist, mit Ausnahme
dessen, dass sich die Breite der Kammer 12 nur für die Länge eines
einzigen Siliziumwafers 18 erstreckt. Die 7b und 7c sind
Ausführungsbeispiele, die
demjenigen ähnlich
sind, das in 7a gezeigt ist. In 7b weist
das Loch 12, das durch den zweiten Siliziumwafer 18 geätzt ist,
geneigte Wände
auf, wie es bei einem KOH-Ätzen
typisch ist. In 7c werden die Wände des
Lochs 12 von beiden Seiten KOH-geätzt. 7f zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das Siliziumsubstrat aus einem einzigen Siliziumwafer besteht,
in den ein Hohlraum 12 geätzt wird, um nach einem anodischen Bonden
des Glaswafers 12 an den Siliziumwafer 15 die
Kammer 12 zu bilden. In 7g wird
der Hohlraum 12 in den Glaswafer 22 anstatt den
Siliziumwafer 15 geätzt.
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In 7d wird
das erste Siliziumsubstrat 16 durch einen Glaswafer 32 ersetzt.
Der Glaswafer 32 wird anodisch an den Siliziumwafer 18 gebondet, durch
den das Loch 12 geätzt
ist. Bei dem Ausführungsbeispiel,
das in 7d gezeigt ist, ist es nötig, dass
nur eine der anodischen Bindungen (d. h. entweder Glaswafer 22 oder
Glaswafer 32) in der gasgefüllten Anodisches-Bonden-Umgebung
implementiert wird. In 7e wird
das Loch 12 durch einen Glaswafer 35 anstatt einen
Siliziumwafer geätzt. Auch
werden die Glaswafer 22, 32, die in 7d gezeigt
sind, durch Siliziumwafer 34, 15 ersetzt.
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In 7h wird
der Glaswafer 22, der in 7a gezeigt
ist, durch einen Siliziumwafer 22a ersetzt, der eine Glasbeschichtung 22b aufweist.
Auf diese Weise ist es möglich,
anodisches Bonden zu verwenden, um das Siliziumsubstrat 15 mit
dem Hohlraum 12 an den Siliziumwaferdeckel 22a zu Bonden.
Die Schicht 22b bondbaren Glases kann auf den Siliziumwafer 22a unter
Verwendung von Flüssigglasaufschleudertechniken,
Pyrex-Sputtern oder irgendeiner anderen Glasaufbringungstechnik
aufgebracht werden. 8 zeigt die Anodisches-Bonden-Technik
für das
Ausführungsbeispiel,
das in 7h gezeigt ist. Es sei darauf
hingewiesen, dass anodisches Bonden bei einer mit Überdruck
beaufschlagten Anodisches-Bonden-Umgebung erfolgt, wie es im Detail
bezüglich 2 offenbart ist, wobei der Hauptunterschied
in der Aufbringung der bondbaren Glasschicht 22 auf dem
Siliziumwafer 22a liegt.
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In 7i wird
der Glaswafer 22, der in 7a gezeigt
ist, durch einen anderen Siliziumwafer 34 ersetzt. Der
Siliziumwafer 34 wird nach einer Anfangsbindung, die in
einer Bondumgebung implementiert wird, die ein Gas, wie z. B. Kohlendioxidgas, enthält, an den
Siliziumwafer 18 fusionsgebondet. Das Gas (z. B. Kohlendioxid)
wird während
des Anfangsbondschrittes in der Kammer 12 eingefangen. Unter
Bezugnahme auf 9 wird die Fusionsbondtechnik
jetzt genauer erläutert.
Zuerst werden das Siliziumsubstrat 15 und der Siliziumwaferdeckel 34 chemisch
in Säure
vorbereitet. Nach der chemischen Vorbereitung werden das Siliziumsubstrat 15 und
der Waferdeckel 34 in einer Halterung mit einem kleinen Zwischenraum
zwischen den Bondoberflächen
ausgerichtet. Es ist wichtig, dass die Bondoberflächen nicht
vorzeitig miteinander in Kontakt kommen. Das Siliziumsubstrat 15 und
der Siliziumwaferdeckel 34, die ausgerichtet sind, werden
dann in einer gasgefüllten
Umgebung platziert, die eine vorausgewählte Konzentration und einen
vorausgewählten
Druck bei Raumtemperatur aufweist (d. h. der vorausgewählte Gasdruck
ist der gleiche Druck in der Kammer 12 nach einer kompletten
Herstellung). Der Siliziumwafer wird dann zum Anfangsbonden bei
Raumtemperatur gegen das Siliziumsubstrat 15 gepresst.
Die anfänglich
gebondete Struktur wird dann erhitzt, um die Bindung zu stärken und
das Gas hermetisch in der Kammer 12 abzudichten. Bevorzugt
wird das Erhitzen in zwei Schritten erreicht: zuerst wird die Mikrostruktur
auf etwa 400°C
innerhalb der Bondmaschine erhitzt, und später wird dieselbe in einem
Ofen auf eine Temperatur erhitzt, die höher als 400°C ist, z. B. 1.000°C.
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10 zeigt verschiedene Konfigurationen, die
zum Verringern von optischen Übertragungsverlusten
nützlich
sein können,
einschließlich
verschiedener Arten eines Aufbringens von Antireflexionsbeschichtungen.
In 10 wird ein Loch 12 in
dem Glaswafer 35 geätzt,
und zwei Siliziumwafer 16, 34 werden anodisch
an den Glaswafer 35 gebondet, um die gasgefüllte Kammer 12 zu
bilden. Siliziumdioxidantireflexionsbeschichtungen 36 werden
durchgehend über
die Siliziumwafer 36, 34 aufgebracht. Der optische
Weg 38 geht durch die Wafer 34, 16 und
die jeweiligen Antireflexionsbeschichtungen 36 sowie die gasgefüllte Kammer 12 hindurch.
In 10 werden die Siliziumdioxidbeschichtungen 36 durch
Siliziumnitridbeschichtungen 40 ersetzt, die strukturiert
und ausgerichtet werden müssen,
um nicht die Bondschnittstellen zwischen den jeweiligen Wafern 34, 35 und 16 zu
unterbrechen. Das Ausführungsbeispiel
in 10 ist demjenigen in 7a ähnlich,
außer
dass der Glaswafer 22 durch ein Ätzen verdünnt worden ist und Siliziumnitridbeschichtungen 40 aufgebracht worden
sind, um optische Übertragungsverluste
zu verringern.
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11 zeigt schematische Zeichnungen, die verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung darstellen, bei denen eine Mehrzahl von Kammern 12 auf
eine einzige Chipanordnung 42 mikrohergestellt werden.
In 11 ist jede der Kammern 12 mit
dem gleichen Gas mit der gleichen Konzentration gefüllt. In 11 ist jede der Kammern 12 mit
einer anderen Gaszusammensetzung oder einer anderen Gaskonzentration
gefüllt.
Getrennte Glasabdeckungen 44 werden für jede der verschiedenen Gaszusammensetzungen/-konzentrationen
bereitgestellt. In 11 wird eine Leitung 46 in
den Wafer 18 mikrohergestellt (obwohl die Leitung 46 in
einen beliebigen der Wafer 22, 18, 16 mikrohergestellt
werden könnte).
Die Leitung 46 führt
von der Kammer 12L in 11 zu
einer Kante des Chips 42, so dass die Kammer 12L zur
Außenatmosphäre hin offen
ist. Somit ist die Kammer 12L z. B. mit Umgebungsluft
gefüllt,
wenn sich die Chipanordnung 42 in Betrieb befindet.
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12 zeigt ein mögliches Verfahren zum Mikroherstellen
einer Einchipanordnung, die gasgefüllte Kammern 12a, 12b aufweist,
die mit unterschiedlichen Gasen und/oder Gaskonzentrationen gefüllt sind.
Zuerst wird ein Glaswafer 22 anodisch an einen Siliziumwafer 18 gebondet,
um Gas A in der Kammer 12a einzukapseln. Dann wird ein
Glaswafer 32 anodisch an die andere Seite des Siliziumwafers 18 gebondet,
um Gas B in der Kammer 12b einzufangen. Die Einchipanordnung 42,
die in 12 gezeigt ist, ist jedoch
suboptimal, da es wahrscheinlich ist, dass die Doppelverwendung
der Glaswafer 22, 32 zu übermäßigen optischen Verlusten führt.
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13 veranschaulicht die bevorzugte Weise
einer Mikroherstellung einer Anordnung, die eine Mehrzahl von hermetisch
abgedichteten gasgefüllten Kammern 12a, 12b, 12x auf
einem einzigen Chip 42 aufweist. 13a zeigt
einen Glaswafer 44a, der anodisch an das Siliziumsubstrat
gebondet wird, während
derselbe in einer Anodisches-Bonden-Umgebung angeordnet ist, die eine ausgewählte Konzentration
eines Gases A enthält.
Der Glaswafer 44a wurde geätzt, so dass Abschnitte des
Glaswafers 44a, die nicht die Hohlräume 12a bedecken,
die ausgewählt
sind, um das Gas A zu enthalten, oder die jeweiligen umgebenden
Bondoberflächen
für die
ausgewählten
Hohlräume 12a nicht
das Siliziumsubstrat 15 kontaktieren, wenn der Glaswafer 44a mit
dem Siliziumsubstrat 15 zum anodischen Bonden in der Umgebung
ausgerichtet ist, die mit dem Gas A gefüllt ist. Nach einem anodischen
Bonden wird der Glaswafer 44a gesägt, um den Abschnitt des Glaswafers 44a zu entfernen,
der vorhergehend weggeätzt
wurde und nicht die Hohlräume 12a bedeckte,
die ausgewählt sind,
um das Gas A zu enthalten (siehe 13b). 13c zeigt die Verwendung eines zweiten Glaswafers 44b,
bei dem erneut Abschnitte weggeätzt sind.
Der zweite Glaswafer 44b wird anodisch an die Anordnung
gebondet, während
derselbe in einer Anodiosches-Bonden-Umgebung angeordnet ist, die ein
Gas B enthält
(siehe 13c). Nach dem anodischen Bonden
des zweiten Glaswafers 44b an das Siliziumsubstrat 15 wird
das Gas B innerhalb der jeweiligen hermetisch abgedichteten Kammern 12b eingekapselt,
und erneut werden die überschüssigen Abschnitte
des Glaswafers 44b durch Sägen entfernt. Diese Prozedur
kann für
beliebig viele Gasumgebungen fortgeführt werden (siehe 13e).
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14 zeigt ein weiteres alternatives Herstellungsverfahren
zum Mikroherstellen einer Mehrzahl von hermetisch abgedichteten
gasgefüllten Kammern 12a, 12b, 12x an
einem einzigen Chip 46. In 14a wird
ein Hohlraum 12a in ein Siliziumsubstrat 15a geätzt, das
aus einem einzigen geätzten
Siliziumwafer hergestellt ist. Der vorgeätzte Siliziumwafer 15a wird
in einer Anodisches-Bonden-Umgebung, die ein Gas A enthält, anodisch
an den Glaswafer 22 gebondet, wodurch das Gas A in der
Kammer 12a eingefangen wird. Nach dem anodischen Bonden
des Siliziumwafers 15a an den Glaswafer 22 wird
der überschüssige Abschnitt
des Siliziumwafers 15a mit einer Vereinzelungsklinge gesägt, um den überschüssigen Abschnitt
zu entfernen. Dieser Prozess kann für mehrere Gasumgebungen wiederholt werden,
wie es in den 14b und 14c gezeigt ist.
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Eine
typische Anwendung für
ein optisches Filter 10, wie dasselbe bislang offenbart
ist, ist in den 15A und 15B gezeigt. 15A zeigt einen Wandler 48 und ein abnehmbares
Gasprobenvolumen 50. Falls der Wandler 48 als
ein normaler Wandler verwendet wird, sind die Wände 52 und die Fenster 54, 56 des
Gasprobenvolumens 50 Teile eines Verbinders 58 (15A), der Teil des Atemkreises des Patienten ist,
der jedoch von dem Wandler 48 abgenommen werden kann. Der
Verbinder 58 (15A)
sollte ein Einwegelement sein oder derselbe sollte ohne Weiteres
sterilisiert werden können. Deshalb
ist es eine wichtige Charakteristik, dass der Verbinder 58 von
dem Wandler 48 abnehmbar ist. Der Wandler 48 umfasst
einen Infrarotstrahlungsquellenchip 68 und einen Kohlendioxidfilterchip 70, der
eine kohlendioxidgefüllte
Kammer 12 enthält.
Die Chips 68/70 können durch einen Keramikhalter
gehalten werden oder können
integriert hergestellt sein, wie es in den 18 und 19 offenbart ist. Der IR-Quellenchip 68 und
der Gasfilterchip 70 sind an einem Gehäuse 71a befestigt,
das wiederum an einem Wandler gehäuse 73 befestigt
ist. Auf eine ähnliche Weise
hält ein
Gehäuse 71b die
Komponenten auf der anderen Seite des Wandlers 48.
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Der
IR-Quellenchip 68 umfasst eine Mehrzahl von Fäden 72,
die eine Strahlung durch das Kohlendioxidfilter 70, durch
das Fenster 74, durch das Probengasvolumen 50,
durch das Fenster 76, durch das IR-Bandpassfilter 78 und
auf den Infrarotdetektor 80 emittieren. Die Glasfenster 70, 76 können aus
Glas, Keramik, Silizium oder einem anderen dünnen Material sein, das für Infrarotstrahlung
durchlässig
ist. Falls nötig,
sollte ein Antireflexionsfilm verwendet werden, um optische Reflexionsübertragungsverluste
zu verringern. Normalerweise umfasst die IR-Quelle 72 ein
Array von 20 bis 50 Mikrofäden. Wie
es in dem im Vorhergehenden aufgenommenen U.S.-Patent Nr. 5,668,376
beschrieben ist, wird die IR-Strahlungsquelle 68 aus einem
reinen Siliziumsubstrat hergestellt. Kurz dargestellt, wird eine
Ausnehmung in dem Substrat in der Region der Mikrofäden geätzt, d.
h. in der Region, die Strahlung emittiert. Die Fäden sind normalerweise aus
polykristallinem Silizium hergestellt, das dotiert ist, um leitend
zu werden, und durch eine Siliziumnitridbeschichtung geschützt ist,
aber dieselben können
durch andere Materialen hergestellt werden, die für eine Dünnfilmtechnologie
geeignet sind, wie z. B. Metall (z. B. Wolfram) usw. Die Fäden sind
von der unteren Oberfläche der
Ausnehmung weg beabstandet, derart, dass die Mikrofäden eine
geringe thermische Kapazität
und somit eine kurze thermische Zeitkonstante aufweisen. Das Volumen
eines einzelnen Mikrofadens beträgt
höchstens
200.000 μm3, bevorzugt höchstens etwa 50.000 μm3 und normalerweise in der Größenordnung
von 2.000 – 20.000 μm3; und die thermische Zeitkonstante der Mikrofäden beträgt höchstens
etwa 50 Millisekunden, bevorzugt höchstens etwa 10 Millisekunden,
normalerweise in der Größenordnung
von 0,5 – 5
Millisekunden. Somit weist ein einzelner Mikrofaden eine typische
Dicke in der Größenordnung von
0,5 – 5 μm, eine Breite
in der Größenordnung
von 5 – 100 μm und eine
Länge in
der Größenordnung von
50 μm – 3 mm auf.
Die Entfernung des Fadens von dem unteren Ende der Ausnehmung beträgt allgemein
in der Größenordnung
von 10 – 1.000 μm, normalerweise
in der Größenordnung
von 50 – 300 μm. Die Fäden der
IR-Quelle 72 sind elektrisch mit Metallelektroden an dem
IR-Chip verbunden, die als Anschlüsse zu dem Rest des elektrischen
Systems wirksam sind. In 15A wird
Elektrizität über einen Draht 82 an
den IR-Chip 72 geliefert.
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15B zeigt den Atemkreis eines Patienten. Ein Wandler 48 und
ein Verbinder 58 sind zwischen den Inkubationsschlauch 84 des
Patienten und das Y-Stück 86 geschaltet.
Das Y-Stück
verbindet die Eingangsschläuche 88, 90 der
Vorrichtung 92, die die Atmung aufrechterhält. Der
Wandler 48 ist elektronisch über eine Leitung 94 und
einen Verbinder 96 mit der Patientenüberwachungseinrichtung 98 verbunden,
wo das Signal verarbeitet wird. Die Patientenüberwachungseinrichtung 98 umfasst
eine Anzeige 100, die die Konzentration des Gases, die durch
den Wandler 48 gemessen wird, in Abhängigkeit von der Zeit zeigt,
d. h. die Atmungskurve oder die Konzentrationswerte von Einatmung
und Ausatmung.
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Der
beschriebene Infrarotanalysator ist hauptsächlich dazu vorgesehen, normal
als ein Kohlendioxidwandler verwendet zu werden, aber unter Verwendung
des gleichen Prinzips wäre
es auch möglich,
andere Gase oder Flüssigkeiten
zu messen, die eine Strahlung absorbieren. In der Anästhesie
ist es hauptsächlich
eine Frage von Lachgas oder Narkosegas. Es ist ziemlich klar, dass
es auch andere Gase gibt, die bei anderen Anwendungen gemessen werden
können.
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16 veranschaulicht
eine besonders nützliche
Konfiguration für
einen IR-Sensor, der infolge der Fähigkeit entwickelt wurde, einen
Chip 104 herzustellen, der eine Mehrzahl von hermetisch
abgedichteten gasgefüllten
Kammern 12 aufweist. 15 veranschaulicht
einen mikrohergestellten Kohlendioxidfilterchip 104, der
in Verbindung mit einem Infrarotstrahlungsquellenchip 105 verwendet wird,
bei dem eine Referenzstrahlungsquelle 106 lateral von der
Abtaststrahlungsquelle 108 an dem gleichen Chip 102 verschoben
ist. 18 zeigt eine Draufsicht des IR-Quellenchips 102.
Es sei darauf hingewiesen, dass zwei diagonal angeordnete Referenzquellen 106a, 106b und
zwei diagonal angeordnete Abtastquellen 108a, 108b vorliegen.
Der Kohlendioxidfilterchip 104 sollte eine getrennte kohlendioxidgefüllte Kammer 12 für jede Referenzquelle 106a, 106b umfassen.
Aluminiumbondanschlussflächen 110, 112, 114, 116 und 118 sind
an dem IR-Quellenchip 102 bereitgestellt und dienen als Elektroden
für die
jeweiligen Strahlungsquellen 106a, 106b, 108a, 108b.
Unter jetziger Bezugnahme auf die beiden 17 und 18 bestehen
die IR-Quellen 106a, 106b, 108a, 108b aus
in Siliziumnitrid 120 eingekapselten phosphordotierten
Polysiliziumfäden, die über einem
jeweiligen KOH-geätzten
Hohlraum hängen.
Die Fadenlänge
beträgt
etwa 1 mm, wobei es sich um einen Kompromiss zwischen mechanischer
Festigkeit und thermischen Charakteristika der IR-Quelle handelt.
Kürzere
Fäden würden eine
höhere
mechanische Festigkeit bedeuten, würden jedoch eine weniger gleichmäßige Temperaturverteilung über die
Fadenfläche
liefern. Bei dieser Anwendung werden die IR-Quellen 106a, 106b, 108a, 108b diagonal
in Paaren zwischen dem Abtaststrahl und dem Referenzstrahl in relativ
rascher Modulation (t < 10 Millisekunden)
geschaltet, deshalb liegt die bevorzugte Hohlraumtiefe zwischen
100 und 300 μm.
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Der
Herstellungsprozess ist schematisch in 17 gezeigt.
Ein reines Siliziumsubstrat 102 mit einer 0,1 μm (1.000
Angström)
dicken Opferpolysiliziumschicht in den Bereichen der geätzten Hohlräume unter
den Fäden
wird bereitgestellt, um mit der Herstellung zu beginnen. Das Opferpolysilizium
wird photolithographisch strukturiert und trockengeätzt, um
die Hohlraumbereiche zu definieren, in denen die Fäden angeordnet
sein werden. Dem folgt eine belastungsfreie Siliziumnitridschicht
von 1 μm
und dann eine Aufbringung von 0,5 μm Polysilizium. Phosphorionenimplantation,
Photo lithographie und Polysiliziumtrockenätzen werden implementiert,
um den dotierten Polysiliziumfaden zu bilden, worauf dann eine zweite
Aufbringung von 0,5 μm
belastungsfreiem Siliziumnitrid folgt. Eine Aktivierung der Dotiermittel
in den Polysiliziumfäden
eine Stunde lang bei 1.000°C ergibt
den Schichtwiderstandswert von etwa 25 Ohm pro Quadrat. Photolithographie
und ein Trockennitridätzen öffnen die
Kontaktlöcher,
und ein dünnes (1.000
Angström)
belastungsfreies Siliziumnitrid wird aufgebracht, um die Kontaktlöcher während des KOH-Ätzens zu
schützen.
Die Öffnungen
zwischen den Fäden
bis hinunter zu der Opferpolysiliziumschicht werden dann photolithographisch
strukturiert und trockengeätzt.
Das KOH-Ätzen
führt zu
einem lateralen Ätzen
des Opferpolysiliziums und einem vertikalen Ätzen des Siliziumsubstrats,
was Hohlräume bildet,
die eine Tiefe von bevorzugt etwa 200 μm unter den Fäden aufweisen.
Schließlich
wird die obere Siliziumnitridschicht durch ein Trockenätzen entfernt, und
dem folgt eine Aufbringung von einer 1,5 μm dicken Aluminiumschicht, die
strukturiert ist, um die Metallbondanschlussflächen 110, 112, 114, 116 und 118 zu
bilden. Ein Vereinzeln durch Sägen
führt zu dem
IR-Quellenchip 102,
der in 18 gezeigt ist. Der IR-Quellenchip, der
in 18 gezeigt ist, kann bei einem wirksamen Wandler
als eine getrennte Komponente von dem Kohlendioxidfilterchip 104,
wie es in 16 gezeigt ist, implementiert
werden, oder derselbe kann einen Teil einer integrierten Einchipanordnung
bilden, die sowohl die Infrarotstrahlungsquellen als auch die jeweiligen
Kohlendioxidfilter integriert.
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Die 19 und 20 veranschaulichen
verschiedene mikrohergestellte Anordnungskonfigurationen, die IR-Quellen
und optische Gasfilter an einem einzigen Chip integrieren. Die IR-Quellen 106, 108 werden
an dem ersten Siliziumwafer 16 hergestellt, und die gasgefüllte Kammer 12 wird
in dem zweiten Siliziumwafer 18 geätzt. Bevorzugt werden, wie
es vorher unter Bezugnahme auf 7 beschrieben
ist, die Siliziumwafer 16, 18 fusionsgebondet,
um das integrierte Siliziumsubstrat 15 zu bilden, das den
Hohlraum 12 und auch die IR-Quellen 106, 108 aufweist (IR-Quellen,
wie dieselben an dem Siliziumwafer 16 vorabhergestellt
sind). Der Glaswafer 22 wird dann in einer gasgefüllten Anodisches-Bonden-Umgebung anodisch
an das Siliziumsubstrat 15 gebondet, um Gas in der Kammer 12 einzufangen. 19a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das
Referenzsignal von der Referenz-IR-Quelle 106 durch die
gasgefüllte
Kammer 12 hindurchgeht, wohingegen das Abtastsignal von
der Abtastquelle 108 durch das Siliziumsubstrat 15 hindurchgeht.
In 19b geht das Abtastsignal von der Abtastquelle 108 durch
die Kammer 12b hindurch, die ein Leck 46 enthält, wodurch bewirkt
wird, dass die Kammer 12b mit Umgebungsluft gefüllt wird.
Das Ausführungsbeispiel,
das in 19c gezeigt ist, ist dem Ausführungsbeispiel ähnlich,
das in 19c gezeigt ist, mit der Ausnahme,
dass die Chipanordnung eine Schutzglasabdeckung 124 umfasst,
um die IR-Fäden 106, 108 vor mechanischer
Beschädigung
zu schützen.
In 19d werden die IR-Fäden 106, 108 innerhalb
der Glasabdeckung 124 vakuumabgedichtet, wodurch die Fäden 106, 108 ferner
vor anderen Typen von Umweltreizstoffen geschützt werden. Es sei darauf hingewiesen,
dass die Schutzabdeckung 124 in 19d bevorzugt
in einem separaten Anodisches-Bonden-Prozess bezüglich des Glaswafers 22 aufgebracht
wird. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die IR-Fäden 106, 108 bezüglich der
gasgefüllten
Kammer 12 in den 19a – 19d extern angeordnet sind. Im Gegensatz dazu
zeigt 19e ein Ausführungsbeispiel, bei dem die
IR-Fäden 106, 108 innerhalb
der Kammern 12a, 12b angeordnet sind. Kammer 12a ist
gasgefüllt,
z. B. mit Kohlendioxidgas, so dass das Referenzsignal von der Referenzquelle 106 durch
das Gas in der Kammer 12a hindurchgeht. Andererseits umfasst
die Kammer 12b ein Leck 46. Somit geht das Abtastsignal
von der Abtast-IR-Quelle 108 durch die Umgebungsluft anstatt
durch ein Filtergas hindurch.
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20 veranschaulicht zwei Ausführungsbeispiele,
bei denen eine Einchipanordnung, die eine Mehrzahl von IR- Quellen umfasst,
an einem einzigen Chip integriert sein kann, der eine Mehrzahl von
hermetisch abgedichteten Kammern 12a, 12b, 12x aufweist,
wobei jede Kammer 12a, 12b, 12x eine
andere Gaszusammensetzung und/oder -konzentration enthält. Auf
viele Weisen ist das Verfahren zur Herstellung demjenigen ähnlich,
das bezüglich 13 offenbart ist. In 20a wird der erste Siliziumwafer 16 vorabhergestellt,
um IR-Quellen 150a, 150b und 150x zu
enthalten, vor einem Fusionsbonden an das zweite Siliziumsubstrat 18 und
den nachfolgenden sequentiellen anodischen Bondvorgängen in
einer Gas-A-Umgebung für
die Glasabdeckung 44a, in einer Gas-B-Umgebung für die Glasabdeckung 44b, und
in einer Gas-X-Umgebung
für die
Glasabdeckung 44x usw. Wie es aus der Zeichnung in 20a hervorgeht, sind die IR-Quellenfäden 150a, 150b und 150x bezüglich der
jeweiligen gasgefüllten
Kammer 12a, 12b, 12x bei der Einchipanordnung,
die in 20a gezeigt ist, extern. In 20b sind die IR-Quellenfäden 150a, 150b und 150x in
den jeweiligen gasgefüllten
Kammern 12a, 12b, 12x angeordnet. Bei
der Einchipanordnung, die in 20b gezeigt
ist, wird der zweite Siliziumwafer 16 vorabhergestellt,
um IR-Fäden 150a, 150b, 150x sowie
das jeweilige Loch 12a, 12b, 12x für die jeweilige
gasgefüllte
Kammer zu umfassen. Der erste und der zweite Siliziumwafer 16, 18 werden
dann fusionsgebondet, vor einem sequentiellen anodischen Bonden
der Glasabdeckung 44a in einer Gas-A-Umgebung, der Glasabdeckung 44b in
einer Gas-B-Umgebung und der Glasabdeckung 44x in einer
Gas-X-Umgebung.