(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
過酷な環境用のトランスデューサであって、
第１の面と、前記環境と連通している第２の面とを有する基板と、
シリコンからなる、０．５ミクロン未満の厚さを有する単結晶半導体材料を含む、前記環境と関連したパラメータを測定するために前記基板上に配置されたデバイス層センサ手段と、
前記基板と前記デバイス層センサ手段との間の絶縁層と、
前記基板上に配置され、前記センサ手段と電気的に連通している出力コンタクトであって、該出力コンタクトはメタライゼーション層を含み、
該メタライゼーション層は、タンタル、クロム、ジルコニウム、及びハフニウムからなる群から選択される材料を含む接着層と、タンタル・シリサイドからなる第１の拡散障壁層と、内側から外側にかけて白金シリサイドの濃度が減少するように、(i)白金及び(ii)白金シリサイドを含む第２の拡散障壁層とを含む、出力コンタクトと、
前記環境と連通するための内部空間及びポートを有し、前記基板を前記内部空間内に受けて、該基板の前記第１の面が該環境から実質的に分離され、該基板の前記第２の面が前記ポートを通して該環境に実質的に露出されるようにする、パッケージと、
前記パッケージに結合された連結部品と、
前記センサ手段の出力を伝達できるように、前記連結部品と前記出力コンタクトを電気的に接続するワイヤと、
を含み、前記ワイヤの外面は実質的に白金であり、前記出力コンタクト及び前記連結部品の少なくとも一方の外面は実質的に白金であり、
前記ワイヤの第１の端部は、前記メタライゼーション層に電気的に接続されている、
ことを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２】
前記出力コンタクト及び前記連結部品の両方の前記外面が実質的に白金であることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記基板は、両端に差圧が生じたときに撓むように構成されたほぼ可撓性のダイヤフラムを含み、前記センサ手段は、前記ダイヤフラム上に少なくとも部分的に配置された感知要素を含み、該ダイヤフラムの撓みにより前記感知要素の電気的特性の変化が引き起こされることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記感知要素は、約０．５ミクロン未満の厚さを有し、前記感知要素は、ｐ−ドープされた単結晶シリコンを含むことを特徴とする、請求項３に記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記ダイヤフラムは、約３ミクロンから約２００ミクロンまでの間の厚さを有することを特徴とする、請求項３に記載のトランスデューサ。
【請求項６】
前記連結部品は、前記パッケージを通って密封するように延びるピンであることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項７】
前記連結部品は、固体白金、又は白金で被覆されたニッケルであることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項８】
前記パッケージは、内部ヘッダーを含み、前記連結部品は取り付け接合部において前記ヘッダーに結合され、前記トランスデューサは、前記環境が圧力を測定する流体を含むとき、前記流体が、前記取り付け接合部を圧縮状態にする力をかけるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項９】
前記基板を前記パッケージに固定する接合部をさらに含み、前記接合部は、約６５０℃から約７５０℃までの間の液相線温度を有し、約５００℃において安定した機械的特性を有する高温蝋付けプリフォームによって形成されることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１０】
前記基板を前記パッケージに固定する接合部をさらに含み、前記接合部は、インジウム−銅−金、又は金−ゲルマニウム、又はガラス・フリットからなる高温蝋付けプリフォーム材料によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１１】
前記センサ手段を覆う熱酸化物層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１２】
前記基板の前記第１の面に結合され、前記センサ手段の少なくとも部分をほぼ密封するように覆うキャップをさらに含み、前記キャップは前記出力コンタクトを覆わないことを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１３】
前記パッケージは、第１及び第２の対向する面と、内部に又はそこを貫通して形成された孔とを有するヘッダーをさらに含み、前記連結部品は、高温蝋付けプリフォーム材料、亜共晶合金、又はガラス・フリットからなる群から選択される材料によって前記孔の中に保持されることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１４】
前記メタライゼーション層は、連続的に前記基板上に堆積される、タンタル層、タンタル・シリサイド層、又は窒化タンタル層、及び白金層を最初に含むことを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１５】
前記基板は、該基板が、前記内部空間を前記環境と連通している第１の内部空間と該環境から実質的に封止された第２の内部空間とに分けるように、前記パッケージに結合されることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１６】
前記トランスデューサは、摂氏５００度の温度及び６００ｐｓｉｇの圧力に耐えることができ、これらに曝されたときに機能し続けることができることを特徴とする、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１７】
過酷な環境で用いるための圧力センサであって、
両端に差圧が生じたときに撓むように構成されたほぼ可撓性のダイヤフラムを含む基板と、
前記ダイヤフラム上に少なくとも部分的に配置された感知要素と、
前記基板と前記感知要素との間の絶縁層と、
前記基板上に配置され、前記感知要素と電気的に連通している出力コンタクトであって、該出力コンタクトはメタライゼーション層を含み、
該メタライゼーション層は、タンタル、クロム、ジルコニウム、及びハフニウムからなる群から選択される材料を含む接着層と、タンタル・シリサイドからなる第１の拡散障壁層と、内側から外側にかけて白金シリサイドの濃度が減少するように、(i)白金及び(ii)白金シリサイドを含む第２の拡散障壁層とを含む、出力コンタクトと、
を含み、
該ダイヤフラムの撓みにより前記感知要素の電気的特性の変化が引き起こされ、
内部空間を定め、前記基板を前記内部空間内に受け、前記環境における圧力変動が前記差圧として現われるようにする、パッケージと、
高温蝋付け材料又はガラス・フリット材料を溶融することによって形成された、前記パッケージと前記基板との間の接合部と、
が設けられたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項１８】
前記接合部は、約６５０℃から約７５０℃までの間の液相線温度を有し、約４００℃において安定した機械的特性を有することを特徴とする、請求項１７に記載の圧力センサ。
【請求項１９】
前記接合部は、インジウム−銅−金、又は金−ゲルマニウム、或いはガラス・フリットからなる高温蝋付けプリフォーム材料によって形成されることを特徴とする、請求項１７に記載の圧力センサ。
【請求項２０】
前記接合部は、約５５０℃において安定した機械的特性を有することを特徴とする、請求項１７に記載の圧力センサ。
【請求項２１】
過酷な環境で用いるための圧力センサであって、
両端に十分な差圧が生じたときに撓むように構成されたほぼ可撓性の非金属ダイヤフラムを有する基板と、
前記ダイヤフラムが撓んだときに電気信号をもたらすように、該ダイヤフラム上に少なくとも部分的に配置された半導体単結晶の圧電又は圧電抵抗感知要素と、
前記基板と前記感知要素との間の絶縁層と、
前記基板上に配置され、前記感知要素と電気的に連通している出力コンタクトであって、該出力コンタクトはメタライゼーション層を含み、
該メタライゼーション層は、タンタル、クロム、ジルコニウム、及びハフニウムからなる群から選択される材料を含む接着層と、タンタル・シリサイドからなる第１の拡散障壁層と、内側から外側にかけて白金シリサイドの濃度が減少するように、(i)白金及び(ii)白金シリサイドを含む第２の拡散障壁層とを含む、出力コンタクトと、
を含み、
前記センサは、６００ｐｓｉｇの圧力及び４５０℃の温度に耐えることができ、これらに曝されたときに機能し続けることができることを特徴とするセンサ。
【請求項２２】
前記ダイヤフラムは、単結晶半導体材料を含み、約０．５ミクロン未満の厚さを有することを特徴とする、請求項２１に記載のセンサ。
【請求項２３】
前記センサは、航空機エンジン又はタービンの燃焼副生物に耐えることができ、これに曝されたときに機能し続けることができることを特徴とする、請求項２１に記載のセンサ。
【請求項２４】
前記センサは、４０００ｐｓｉｇの圧力に耐えることができ、これに曝されたときに機能し続けることができることを特徴とする、請求項２１に記載のセンサ。
【請求項２５】
トランスデューサを形成する方法であって、
電気絶縁層によって分離される第１の半導体層及び第２の半導体層を含む半導体オン・インシュレータ・ウェハを準備し、前記第１の層は、出発ウェハの水素イオン層間剥離によって形成又は提供され、
前記第１の層をドープして、圧電抵抗フィルムを形成し、
前記圧電抵抗フィルムをエッチングして、少なくとも１つの圧電抵抗器を形成し、
前記半導体オン・インシュレータ・ウェハ上にメタライゼーション層を堆積又は成長させ、前記メタライゼーション層は、前記圧電抵抗器、タンタル、クロム、ジルコニウム、及びハフニウムからなる群から選択される材料を含む接着層、タンタル・シリサイドからなる第１の拡散障壁層、及び、内側から外側にかけて白金シリサイドの濃度が減少するように、(i)白金及び(ii)白金シリサイドを含む第２の拡散障壁層の上に配置された、又は、前記圧電抵抗器、前記接着層、前記第１の拡散障壁層及び前記第２の拡散障壁層に電気的に結合された電気接続部分を含み、
前記第２の半導体層の少なくとも一部分を除去してダイヤフラムを形成し、前記圧電抵抗器の前記少なくとも一部分が前記ダイヤフラム上に配置されるようにし、
高温蝋付け材料又はガラス・フリット材料を溶融することによって、前記ウェハをパッケージに接合する、
ステップを含み、
前記電気絶縁層は、前記圧電抵抗器の前記少なくとも一部と前記ダイヤフラムを絶縁することを特徴とする方法。
【請求項２６】
過酷な環境で用いるための圧力センサであって、
両端に十分な差圧が生じたときに撓むように構成されたほぼ可撓性のダイヤフラムを含む、環境と連通している基板と、
前記ダイヤフラムが撓んだときに電気信号をもたらすように、該ダイヤフラム上に少なくとも部分的に配置された感知要素と、
前記基板と前記感知要素との間の絶縁層と、
前記基板上に配置され、前記感知要素と電気的に連通している出力コンタクトであって、該出力コンタクトはメタライゼーション層を含み、
該メタライゼーション層は、タンタル、クロム、ジルコニウム、及びハフニウムからなる群から選択される材料を含む接着層と、タンタル・シリサイドからなる第１の拡散障壁層と、内側から外側にかけて白金シリサイドの濃度が減少するように、(i)白金及び(ii)白金シリサイドを含む第２の拡散障壁層とを含む、出力コンタクトと、
前記基板とほぼ密封するように嵌合し、前記感知要素を実質的に覆うように構成されたキャップと、
前記キャップを前記基板と位置合わせし、該キャップ及び該基板を第１の温度まで加熱することによって該キャップと該基板との間に形成された接合部と、
を含み、該キャップ及び該基板を前記第１の温度まで加熱した後に形成された前記接合部は、該第１の温度より高い第２の温度で安定することを特徴とする圧力センサ。
【請求項２７】
前記基板はシリコンを含むことを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項２８】
前記単結晶半導体材料は、シリコンの水素イオン層間剥離層であることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサ、より詳細には、高温及び過酷な環境に耐え、そこで動作することができるソリッド・ステート圧力センサに向けられる。
本出願は、その全内容を引用によりここに組み入れる、２００５年５月３日に出願された「ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ  ＷＩＴＨ  ＢＯＮＤＩＮＧ  ＭＥＴＡＬＬＩＺＡＴＩＯＮ」という名称の米国特許出願第１１／１２０，８８５号の部分継続出願である。
【背景技術】
【０００２】
高温に耐え、腐食及び酸化環境で動作することができる圧力センサに対する必要性が増している。例えば、エンジン／タービン内部の圧力変化を検出するために、エンジン／タービンの燃焼区域内に又はこれに隣接して圧力センサを配置することが望ましい場合がある。次に、エンジン／タービンの効率及び性能全体を追跡するために、圧力データを分析することができる。油又は潤滑油フィルタ・システム、燃料流量制御システム、衛星利用、及び化学処理において、動的圧力センサを用いることもできる。
【０００３】
こうした高温・苛酷な環境用圧力センサのために、幾つかの設計手法を用いることができる。例えば、圧力センサは、圧電センサの形態をとることができる。しかしながら、こうした圧電センサは、かさばる高価な電荷増幅器を必要とし、損傷を受けやすいインピーダンスワイヤも必要とする。さらに、圧電センサは、静圧を効果的に測定することができない。さらに、電子回路を高温から保護するために、圧電センサの出力は、特定の長さのワイヤを通して電子回路に伝えなければならない。しかしながら、信号を遠隔の電子回路に伝えることは、インピーダンス制御を複雑にする。従って、圧電センサは、全ての状況に適しているわけではない。
【０００４】
高温・苛酷な環境用圧力センサはまた、容量型圧力センサの形態をとることもできる。しかしながら、容量型センサの生出力は、典型的には非常に小さい規模のものであり、よって、寄生効果を受けやすい。さらに、圧電センサと同様に、回路を高温又は苛酷な条件から保護するために、容量型センサの出力を遠隔の電子回路に伝えなければならない。センサと回路の間の距離は、静電容量の僅かな変化を正確に検出するための回路の機能を低下させる。
【０００５】
光ファイバー式圧力トランスデューサを高温・苛酷な環境用センサとして用いるように試みることができる。しかしながら、光ファイバー技術は、費用のかかるものであり、振動故障及び精密な光学的位置合わせを維持する必要性などの種々の要因のために、一般的には実装するのが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，３７４，５６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、高温及び苛酷な環境に耐えることができるコンパクトで頑丈な圧力センサに対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態において、本発明は、コンパクトで頑丈であり、高温及び腐食性環境に耐えることができる圧電抵抗トランスデューサである。そうした圧電抵抗トランスデューサは、ＤＣモードで動作し、インピーダンス整合を必要としない。さらに、圧電抵抗素子は、抵抗の比較的小さい変化が増幅され、熱抵抗効果が最小になる（ホイートストン・ブリッジなどにより）ように配向することができる。さらに、センサの出力は、信号の著しい損失なしにワイヤの長さに沿って容易に伝達することができ、これにより、センサ素子と電子回路が分離されることが可能になる。圧電抵抗トランスデューサは、比較的単純なものであり、安価に製造することができ、信号処理が比較的簡単である。最終的に、圧電抵抗トランスデューサは、高温及び腐食性環境に耐えることができる材料で作製することができる。
【０００９】
より詳細には、本発明の一実施形態においては、第１面と、環境と連通している第２面とを有する基板を含む、苛酷な環境用のトランスデューサである。このトランスデューサは、環境と関連したパラメータを測定するための、基板上に配置されたデバイス層センサ手段を含む。センサ手段は、約０．５ミクロン未満の厚さを有する単結晶半導体材料を含む。トランスデューサは、基板上に配置され、センサ手段と電気的に連通している出力コンタクトをさらに含む。トランスデューサは、内部パッケージ空間と、環境と連通するためのポートとを有するパッケージを含む。パッケージは、基板を内部パッケージ空間内に収容し、基板の第１の面が環境から実質的に分離され、基板の第２の面が、ポートを通して環境に実質的に露出されるようにする。トランスデューサは、パッケージに結合された連結部品と、連結部品と出力コンタクトを電気的に接続し、センサ手段の出力を伝達できるようにするワイヤとをさらに含む。ワイヤの外面は、実質的に白金であり、出力コンタクトと連結部品の少なくとも一方の外面は実質的に白金である。
【００１０】
別の実施形態においては、本発明は、両端に差圧が生じたときに撓むように構成された概ね可撓性のダイヤフラムを備えた基板を含む、苛酷な環境で用いるための圧力センサである。この圧力センサは、ダイヤフラム上に少なくとも部分的に配置された感知要素を含み、ダイヤフラムの撓みにより、感知要素の電気的性質の変化が引き起こされる。圧力センサは、内部空間を定め、基板を該内部空間内に受け、環境における圧力変動が差圧として現れるようにするパッケージをさらに含む。接合部がパッケージと基板との間に配置され、この接合部は、高温蝋付け材料を溶融することによって形成される。
【００１１】
別の実施形態においては、本発明は、両端に十分な差圧が生じたときに撓むように構成されたほぼ可撓性の非金属ダイヤフラムと、半導体単結晶の圧電又は圧電抵抗感知要素とを含む、苛酷な環境で用いるための圧力センサである。この感知要素は、少なくとも部分的にダイヤフラム上に配置され、ダイヤフラムが撓んだときに電気信号をもたらす。センサは、６００ｐｓｉｇの圧力及び４５０℃の温度に耐えることができ、それらに曝されたときに機能し続けることができる。
【００１２】
さらに別の実施形態において、本発明は、電気絶縁層によって分離された第１及び第２の半導体層を含む半導体オン・インシュレータ・ウェハを準備するステップを含む、トランスデューサを形成する方法であり、第１の層ウェハは、出発ウェハの水素イオン層間剥離によって形成又は提供される。この方法は、第１の層をドープして圧電抵抗フィルムを形成し、圧電抵抗フィルムをエッチングして少なくとも１つの圧電抵抗器を形成することをさらに含む。この方法はまた、半導体オン・インシュレータ・ウェハ上にメタライゼーション層を堆積又は成長させることも含み、メタライゼーション層は、圧電抵抗器上に配置された又はこれに電気的に結合された電気接続部を含む。この方法は、圧電抵抗器の少なくとも一部をダイヤフラム上に配置した状態で、第２半導体層の少なくとも一部を除去してダイヤフラムを形成し、高温蝋付け材料又はガラス・フリット材料を溶融することによってウェハをパッケージに接合することをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の圧力センサの一実施形態の垂直断面図である。
【図２】図１の線２−２に沿って取られた平面図である。
【図３】図１の線３−３に沿って取られた、図１のセンサ・ダイの底面図である。
【図４】線４−４に沿って取られた、図３のセンサ・ダイの垂直断面図である。
【図５】センサ・ダイの代替的な実施形態の底面図である。
【図６】本発明の圧力センサの代替的な実施形態の垂直断面図である。
【図７Ａ】別のセンサ・ダイの底面図である。
【図７Ｂ】図７Ａのセンサ・ダイの側面図である。
【図８】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図９】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図１０】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図１１】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図１２】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図１３】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図１４】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図１５】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図１６】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図１７】センサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図１８】図１１に示される領域の詳細図である。
【図１９】アニール後の図１８の構造体を示す。
【図２０】アニール後に示される、図１１に示される領域の詳細図である。
【図２１】ボンディング材料が上に堆積された、図１９の構造体を示す。
【図２２】離間配置され互いに結合する準備ができた状態の、図１のセンサ・ダイ及び基板を示す。
【図２３】図２２に示される領域の詳細図である。
【図２４】互いに押し付けられた状態の図２３の部品を示す。
【図２５】図２４に示される領域の詳細図である。
【図２６】ボンディング・プロセス中に形成された種々の層を示す。
【図２７】ボンディング・プロセス中に形成された種々の層を示す。
【図２８】ボンディング・プロセス中に形成された種々の層を示す。
【図２９】ボンディング・プロセス中に形成された種々の層を示す。
【図３０】ボンディング・プロセス中に形成された種々の層を示す。
【図３１】ボンディング・プロセスが完了した後の図２４の部品を示す。
【図３２】ゲルマニウム／金合金の共晶図である。
【図３３】互いから離れて分解された、図１の基板及びリングを示す。
【図３４】蝋付け材料が上に堆積された、図３３のリング内に配置された図３３の基板を示す。
【図３５】メタライゼーション層及びボンディング層が上堆積され、その上にセンサ・ダイが配置された状態の、互いに結合された図３４の基板及びリングを示す。
【図３６】互いから離れて分解された、ピン及び基板を示す。
【図３７（ａ）】図３６のピン及び基板を互いに取り付け、結果として得られた組立体をセンサ・ダイに結合するための一連のステップを示す。
【図３７（ｂ）】図３６のピン及び基板を互いに取り付け、結果として得られた組立体をセンサ・ダイに結合するための一連のステップを示す。
【図３７（ｃ）】図３６のピン及び基板を互いに取り付け、結果として得られた組立体をセンサ・ダイに結合するための一連のステップを示す。
【図３７（ｄ）】図３６のピン及び基板を互いに取り付け、結果として得られた組立体をセンサ・ダイに結合するための一連のステップを示す。
【図３７（ｅ）】図３６のピン及び基板を互いに取り付け、結果として得られた組立体をセンサ・ダイに結合するための一連のステップを示す。
【図３７（ｆ）】図３６のピン及び基板を互いに取り付け、結果として得られた組立体をセンサ・ダイに結合するための一連のステップを示す。
【図３７（ｇ）】図３６のピン及び基板を互いに取り付け、結果として得られた組立体をセンサ・ダイに結合するための一連のステップを示す。
【図３８（ａ）】図３６のピン及び基板を互いに結合するための一連のステップを示す。
【図３８（ｂ）】図３６のピン及び基板を互いに結合するための一連のステップを示す。
【図３８（ｃ）】図３６のピン及び基板を互いに結合するための一連のステップを示す。
【図３８（ｄ）】図３６のピン及び基板を互いに結合するための一連のステップを示す。
【図３８（ｅ）】図３６のピン及び基板を互いに結合するための一連のステップを示す。
【図３８（ｆ）】図３６のピン及び基板を互いに結合するための一連のステップを示す。
【図３８（ｇ）】図３６のピン及び基板を互いに結合するための一連のステップを示す。
【図３９】代替的な外部コネクタ及び引っ込み位置にあるシースを有する、図１の圧力センサを示す。
【図４０】鞘が閉鎖位置にある状態の、図３９の圧力センサを示す。
【図４１】電子モジュールと共に用いられる図３９及び図４０のコネクタを示す。
【図４２】本発明の圧電抵抗圧力センサの第１の実施形態の垂直断面図である。
【図４３】キャッピング・ウェハが除去された状態の、図４２のセンサの平面図である。
【図４４】図４３のセンサ・ダイのレジスタの配置の概略的な平面図である。
【図４５】図４３のセンサ・ダイのレジスタの別の配置の概略図である。
【図４６】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図４７】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図４８】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図４９】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図５０】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図５１】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図５２】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図５３】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図５４】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図５５】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図５６】図４２のセンサ・ダイを形成するプロセスを示す一連の垂直断面図である。
【図５７】図４２のセンサと共に用いることができる台座組立体の垂直断面図である。
【図５８】本発明の圧電抵抗圧力センサの第２の実施形態のセンサ・ダイの垂直断面図である。
【図５９】図５８のセンサ・ダイの上から見た斜視図である。
【図６０】本発明の圧電抵抗圧力センサの第２の実施形態の垂直断面図である。
【図６１】本発明の圧電抵抗圧力センサの第３の実施形態の垂直断面図である。
【図６２】図６１の圧力センサのセンサ・ダイの平面図である。
【図６３】図６１の圧力センサの基板の底面図である。
【図６４】ボンディングのために図６３の基板と位置合わせされた図６２のセンサ・ダイを示す。
【図６５】互いに結合された図６４のセンサ・ダイ及び基板を示す。
【図６６】本発明の圧電抵抗圧力センサの別の実施形態の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
概要−圧電センサ
図１に示すように、トランスデューサの一実施形態が、周囲流体の急速な圧力変動を感知するために用いることができる、動的圧力センサ又はマイクロフォンのような圧力センサ１０の形態を取る。圧力センサ１０は、タービン、航空機エンジン、又は内燃機関のような、エンジンの燃焼キャビティ内に又はこれに隣接して取り付けるように構成することができる。この場合、圧力センサ１０は、比較的高い作動温度、広い温度範囲、高い作動圧力、及び燃焼副生成物（水、ＣＯ、ＣＯ2、ＮＯx、並びに種々の窒素及び硫黄化合物といった）の存在に耐えるように構成することができる。
【００１５】
図示されたセンサ１０は、下にある基板１４に電気的かつ機械的に結合されたトランスデューサダイ又はセンサ・ダイ１２を含む。センサ・ダイ１２は、ダイヤフラム／膜１６を含み、ダイヤフラム１６の両端の動的差圧を測定するように構成される。センサ・ダイ１２及び基板１４の材料が以下に詳細に説明されるが、一実施形態においては、センサ・ダイ１２は、半導体オン・インシュレータ・ウェハ又はシリコン・オン・インシュレータ（「ＳＯＩ」）ウェハを含む又はこれから作製される。基板１４は、薄壁の金属リング１８内に圧縮取り付けされた（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｍｏｕｎｔｅｄ）ほぼディスク形状のセラミック材料とすることができる。リング１８は、順に、ヘッダー、ヘッダー・プレート、ベース、又はリング１８及び構造体を支持し、全体としてセンサ１０を保護する台座２０に取り付けられる。ダイヤフラム１６は、半導体材料のような種々の材料で作製できるが、ある事例においては、殆どどのような非金属材料でも作製される。
【００１６】
連結部品とも呼ばれるピン２２は、該ピン２２の一方の端部がセンサ・ダイ１２に電気的に結合され、その他方の端部がワイヤ２４に電気的に結合される。次に、ワイヤ２４は、外部コントローラ、プロセッサ、増幅器、電荷トランスデューサなどに接続され、これにより、センサ・ダイ１２の出力を伝達することができる。センサ・ダイ１２に何らかの機械的保護を与え、同様に流体及び熱スパイクからの保護を与えるために、ベース２０の上部開口部にわたって遮蔽体２６を設けることができる。
【００１７】
圧電センサ・ダイの構造
センサ・ダイ１２の動作及び構成を、ここでより詳細に説明する。図４に見られるように、センサ・ダイ１２は、ＳＯＩウェハ３０で作製することができ、又はこれを含むことができる。ウェハ３０は、シリコンのベース又はハンドル層３２、シリコンの上部又はデバイス層３４、及びデバイス層３４とベース層３２との間に配置された酸化物又は電気絶縁層３６を含む。デバイス層３４は、ドープされたシリコンのような導電性材料とすることができる。しかしながら、以下により詳細に説明されるように、ＳＯＩウェハ３０／デバイス層３４は、シリコン以外の種々の他の材料で作製することができる。ベース層３２及び酸化物層３６の一部分を除去してデバイス層３４の一部分を露出させ、これにより、両端の差圧に応じて撓むことができるダイヤフラム１６が形成される。
【００１８】
センサ１０は、デバイス層３４／ダイヤフラム１６の上に配置された圧電フィルム４２を含む、全体が４０で示される圧電感知要素を含む。１組の電極４４、４６が、圧電フィルム４２上に配置される。必要に応じて、電極４４、４６及び圧電フィルム４２の上に誘電体層又はパッシベーション層４８を配置し、それらの部品を保護することができる。
【００１９】
図３は、センサ・ダイ１２が、中心電極４４と、中心電極４４をほぼ中心として配置された外側電極４６とを含み、電極４４、４６間に間隙４９が配置された、電極のための１つの構成を示す。中心電極４４は、ダイヤフラム１６が撓んだときに（すなわち、差圧のために）ダイヤフラム１６の引っ張り表面歪みの領域上に位置するように構成され、外側電極４６は、ダイヤフラム４６が撓んだときにダイヤフラム４６の圧縮表面歪みの領域上に位置するように配置される。中心電極４４と外側電極４６との間の間隙４９は、ダイヤフラム１６が撓んだとき、歪みが最小の領域又は歪みがない領域上に配置される。
【００２０】
図３のセンサ・ダイ１２は、各々が電極４４、４６の一方に直接電気的に結合された、１対の出力コンタクト５０、５２を含む。例えば、リード線５６が中心電極４４から出力コンタクト５０に延びて、これらの部品を電気的に接続し、リード線５８が外側電極４６から出力コンタクト５２に延びて、これらの部品を電気的に接続する。両方のリード線５６、５８は、誘電体層４８と圧電フィルム４２との間に配置された「埋め込み式」リード線とすることができる（すなわち、図４のリード線５８を参照されたい）。圧電フィルム４２がセンサ・ダイ１２を全体的に被覆しない場合、絶縁体層（図示せず）をセンサ１２上に堆積させ、リード線５６、５８とデバイス層３４の間に配置して、リード線５６、５８をデバイス層３４から電気的に絶縁することができる。
【００２１】
センサ・ダイ１２はまた、デバイス層３４に直接接触するように圧電フィルム４２を通って延びる基準コンタクト６０を含むこともできる（図４を参照されたい）。このように、基準コンタクト６０は、コンタクト５０、５２で測定される電圧と比較することができる基準電圧又は「対地」電圧を提供する。しかしながら、電荷トランスデューサ又は電荷増幅器を用いて、電極４４、４６に対する誘起された圧電電荷が測定される場合、必要に応じて、基準コンタクト６０を省略することができる。
【００２２】
作動において、センサ・ダイ１２がダイヤフラム１６の両端に差圧が生じたとき、ダイヤフラム１６は、図４に示される位置から上向き又は下向きのいずれかに撓む。例えば、ダイヤフラム１６の上側に比較的大きい圧力がかけられたとき、ダイヤフラム１６が下向きに撓み、これにより、引っ張り歪みが、中心電極４４に隣接して配置された圧電フィルム４２の部分に誘起される。同時に、圧縮歪みが、外側電極４６に隣接して配置された圧電フィルム４２の部分に誘起される。誘起された応力により、中心電極４４及び外側電極４６、並びに関連した電気コンタクト５０、５２に伝達される圧電フィルム４２の電気的特性（すなわち、電位又は電荷）の変化が生じる。一実施形態においては、図６に示すように、必要に応じて、基板１４が、ダイヤフラム１６の下向きの撓みに適合するように、上面上に形成された凹部６２を含むことができる。しかしながら、凹部６２は随意的なものであり、必要に応じて省略することができる。
【００２３】
基準コンタクト６０に対して感知されるような、コンタクト５０、５２間の電気的な差により、ダイヤフラム１６の両端の差圧を示す出力が与えられる。言い換えれば、電極４４、４６及びリード線５６、５８は、誘起された圧電電荷を蓄積し、これらをコンタクト５０、５２に伝達する。そこから、コンタクト５０、５２により、電荷が、（ピン２２及びワイヤ２４を介して）電荷トランスデューサ又は電荷増幅器に、そして最終的にコントローラ、プロセッサ、又は出力を処理して感知された圧力／圧力変化を求めることができる他のものに伝達されることが可能になる。圧電フィルム４２は、非常に速い応答時間をもたらし、よって、振動及び他の高周波数現象を測定するのに有用である。圧電フィルム４２は、典型的には、動的又はＡ／Ｃ又は高周波の圧力変化を感知するために用いられる。圧電フィルムを通る誘電漏洩に関連したリークバック効果（ｌｅａｋｂａｃｋ  ｅｆｆｅｃｔ）のために、静的又はＤ／Ｃ又は低周波の圧力変化を感知するための圧電フィルムの有用性は、一般に、制限される。
【００２４】
しかしながら、感知要素４０は、圧電フィルム４２を用いるのではなく、圧電抵抗フィルムを用いることができる。圧電抵抗フィルムは、静的又はＤ／Ｃ又は低周波の圧力変化を正確に感知することができる。この場合、圧電抵抗フィルムは、ダイヤフラム１６上に、周知の方法で図４３に示すような蛇行状の形状でパターン形成され、周知の方法でコンタクト５０、５２に電気的に結合される。蛇行状パターンは、ホイートストン・ブリッジの２つの脚部がダイヤフラム１６上に配置される、ホイートストン・ブリッジ構成を形成することができる。次に、周知の方法で、圧電抵抗フィルムの抵抗の変化を通して、ダイヤフラム１６の撓みが測定される。
【００２５】
圧電感知要素４０は、ここで具体的に示されるものとは異なる種々の形状及び構成を有し得ることを理解すべきである。例えば、必要に応じて、ダイヤフラム１６、中心電極４４、及び外側電極４６は各々、平面図において、正方形又は矩形の形状ではなく、円形形状又は他の形状を有することができる。さらに、図５及び図６に示すように、必要に応じて、単一の感知電極４４のみを用いることもできる。この場合、単一の電極４４は、ダイヤフラム１６の内側（又は、必要に応じて外側）部分だけの上に配置することができる。この実施形態においては、差動電気測定値が与えられないので、センサ１０の感度が幾分低下することがある。しかしながら、この実施形態により、ずっと小型のセンサ・ダイ１２（及びセンサ１０）及び簡単化された電気接続部がもたらされる。
【００２６】
図３に提供されるセンサ・ダイ１２の底面図から分かるように、接合フレーム７０がセンサ・ダイ１２上に配置され、ダイヤフラム１６の下側の周りにエンクロージャを形成する。接合フレーム７０は、センサ・ダイ１２の周辺部の周りに延び、センサ・ダイ１２を横方向に横切って延びてるバルクヘッド７２も含む。バルクヘッド７２は、コンタクト５０、５２、６０を環境的に分離する。センサ１０がエンジン燃焼室等で用いられるとき、この燃焼室は、６００ｐｓｉｇ以上で作動することができ、関心ある圧力変動は、５０Ｈｚ程の低さの（及び１０００Ｈｚ程の高さの）周波数において０．１ｐｓｉｇ程の低さとすることができる。従って、接合フレーム７０にわたって何らかの圧力除去装置を設けて、ダイヤフラム１６にわたる静水圧平衡（ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ  ｂａｌａｎｃｅ）をもたらし、より薄いダイヤフラム１６を可能にし、それにより、センサ１０の感度を増加させることが望ましい。
【００２７】
図１に示されるように、一実施形態においては、基板１４内及び接合フレーム７０の下方に小さい開口部７４を形成して、ダイヤフラム１６にわたる均圧を可能にし、静水圧平衡をもたらすことができる。開口部７４が比較的小さい（すなわち、数十ミリメートル未満の断面積を有する）ので、ダイヤフラム１６の上側の如何なる圧力変動も、それらが開口部７４を通って移動するに従って減衰され又は弱められる。言い換えれば、Ａ／Ｃ変動は、ダイヤフラム１６の下側には伝達されず、より低い周波の静的又は大規模な圧力変動だけが開口部７４を通過する。このように、開口部７４は、ローパス周波数フィルタを形成する。下記に詳細に説明するように、静水圧平衡をもたらす他の方法を提供することもできる。
【００２８】
バルクヘッド７２は、コンタクト５０、５２、６０の周りに密封されたキャビティ７６（図３）を提供する。密封されたキャビティ７６は、その周辺部の周りの接合フレーム７０及びバルクヘッド７２、上側のセンサ・ダイ１２、及び下側の基板１４によって形成される（図１を参照されたい）。密封されたキャビティ７６は、デバイスの電気的部分（すなわち、コンタクト５０、５２、６０）を、圧力部分（すなわち、ダイヤフラム１６）から分離して、圧力媒体が電気素子又は電気部品に侵入せず、これを汚染／腐食しないこと、また、電気素子及び電器部品を高圧から保護することを保証する。
【００２９】
従って、各々のリード線５６、５８はコンタクト５０、５２に電気的に接続され、及び／又は、各々のコンタクト５０、５２は接続位置５７においてピン２２に電気的に接続され、接続位置は、保護を与えるように、密封されたキャビティ７６内に配置される。各々のリード線５６、５８は、密封されたキャビティ７６の分離を損なうことなく、周知の表面微細加工方法を用いて、バルクヘッド７２の下、上、又は中を通って密封されたキャビティ７６に入ることができる。各々のコンタクト５０、５２及び各々のピン２２は、接合フレーム７０から電気的に絶縁され得る。
【００３０】
各々のリード線５６、５８がバルクヘッド７２の下又は中を通る時点で、各々のリード線５６、５８は、フレーム７０、バルクヘッド７２、及びセンサ・ダイ１２の本体の間に直接配置される。この時点で、各々のリード線５６、５８とバルクヘッド７２の金属層との間に電気絶縁材料を配置して、これらの部品を電気的に絶縁し、リード線５６、５８がフレーム７０又はバルクヘッド７２に対して短絡するのを防止することができる。代替的な実施形態においては、バルクヘッド７２（実際は、フレーム７０全体）が、誘電体層４２の上に配置され、この場合、誘電体層４２がリード線５６、５８をバルクヘッド７２から電気的に絶縁する。
【００３１】
しかしながら、センサが比較的温和な環境で用いられる場合、必ずしもバルクヘッド７２を含ませる必要はない。例えば、図７Ａは、バルクヘッド７２を含まないセンサ・ダイ１２の実施形態を示す。さらに、ここで説明され図示される実施形態のいずれも、必要に応じて、バルクヘッド７２を含んでも又は含まなくてもよい。図７Ａ及び図７Ｂに示される実施形態においては、図７Ａの矢印で示されるように、接合フレーム７０は、ダイヤフラム１６にわたる均圧を可能にするように、全体的に蛇行状のパス７８を形成する。センサ・ダイ１２の本体にも、合致する蛇行状キャビティ８０が内部に形成され得る。この場合、開口部７４（すなわち、図１の）は必要とせず、その代わりに、蛇行状キャビティ７８により静水圧平衡がもたらされる。蛇行状キャビティ７８は、変動の周波数に応じて、膜１６の下側における圧力変動を大きく減衰させることができる。さらに、必要に応じて、図７Ａに示された実施形態では、バルクヘッド７２を用いて、コンタクト５０、５２、６０の周りに密封されたキャビティ７６を形成することができる。
【００３２】
さらに代替的に、図５に示すように、基板１４内に開口部７４を形成するか又は蛇行状チャネル７８を設けるのではなく、比較的小さい開口部８２を接合フレーム７０内に（すなわち、端壁７０’に沿って）形成し、均圧を可能にすることができる。下記により詳細に説明するように、製造／組立プロセスの際、接合フレーム７０はリフローされる。従って、開口部８２が開口したままであり、リフローされた材料によって密封されないことを保証するために、特定のチャネル又は他の流量制御手段（誘電体層４８内にボイドを配置するといった）を用いることができる。
【００３３】
センサ・ダイ１２は、必ずしも、均圧をもたらすためにいずれかのチャネル又はパスを含む必要はなく、この場合、ダイヤフラム１６の２つの側を、互いから流体分離できることを理解すべきである。さらに、ここで開示されるいずれの実施形態においても、圧力平衡をもたらすための種々の構造体（すなわち、基板１４内に形成された開口部７４、接合フレーム７０内に形成された開口部８２、又は蛇行状チャネル７８）のいずれを用いてもよく、又は代替的に、圧力平衡構造を設けなくてもよいことを理解すべきである。
【００３４】
圧電センサ・ダイの製造
図１−図７のセンサ・ダイ１２を形成するための１つのプロセスが図８−図１７に示され、下記に説明されるが、本発明の範囲から逸脱することなく、プロセスにおいて異なるステップを用いてもよく、又は全く異なるプロセスを用いてもよいことを理解すべきである。従って、ここで説明される製造ステップは、センサ・ダイ１２を製造することができる１つの方法にすぎず、ここで説明される各ステップの順序及び詳細は、変わることができ、又は他のステップを用いてもよく、或いは当技術分野において周知の他のステップと置き換えてもよい。バッチ製造プロセスにおいて、単一のウェハ上又は多数のウェハ上に、多数のセンサ・ダイ１２を同時に形成することができる。しかしながら、説明を明瞭にするために、図８−図１７は、単一のセンサ・ダイ１２の形成のみを示す。
【００３５】
層又は部品が別の層、部品、又は基板「上に（ｏｎ）」又は「の上に（ａｂｏｖｅ）」配置されるものとして言及されるとき、この層又は部品は、必ずしも他の層、部品、又は基板の直ぐ上に配置される必要はなく、介在する層、部品、又は材料が存在し得ることを理解すべきである。さらに、層又は部品が、別の層、部品、又は基板「上に（ｏｎ）」又は「の上に（ａｂｏｖｅ）」配置されるものとして言及されるとき、この層又は部品は、他の層、部品、又は基板を完全に又は部分的に覆うことができる。
【００３６】
一般に、図面の種々の層の陰影付けは、図８−図１７他の図面全体を通してほぼ一貫した方法で保持されるが、多数の部品及び材料のために、材料又は層の陰影付けは、種々の図面間で異なり得ることにも留意すべきである。さらに、図８−図１７は、製造中のウェハの概略的な断面を表すものであり、特定の部品の位置は、必ずしも真の断面に対応しているとは限らない。
【００３７】
図８に示すように、プロセスは、両面が研磨された、直径３インチ又は４インチの（又は、それより大きい）ウェハのようなＳＯＩウェハ３０で始まる。一実施形態において、ウェハ３０のデバイス層３４は、シリコンであり、約３０ミクロンの厚さ（別の実施形態においては、８ミクロンの厚さ）であるが、デバイス層３４は、約１ミクロンから約６０ミクロンまでの、又は約３ミクロンから約６０ミクロンまでの、又は約３ミクロンから約３００ミクロンまでの、約６０ミクロン又は６０ミクロン未満の、又は約３００ミクロン未満の、又は約２００ミクロン未満の、約１ミクロンより大きい、又は約３ミクロンより大きい種々の厚さを有することができ、或いは、必要に応じて他の厚さを有することもできる（図に示される種々の層の厚さは、必ずしも縮尺通りではないことを理解すべきである）。
【００３８】
デバイス層３４は、ドープされた（ｎ−ドープ又はｐ−ドープのいずれか）シリコンとすることができ、圧電フィルム４２のその後の堆積を助けるために、（１１１）結晶配向を有することができる。必要に応じて、デバイス層３４は、サファイア、窒化ガリウム、窒化シリコン、炭化シリコン、或いは耐熱材料又はセラミックのような、シリコン以外の他の材料で作製することもできる。デバイス層３４は、炭化シリコンで作製することができるが、本発明の一実施形態においては、デバイス層３４は、非炭化シリコンの半導体材料で作製される。
【００３９】
圧力変動範囲に対するセンサ・ダイ１２の応答性は、ダイヤフラム１６の厚さと直接関連している。殆どの場合、デバイス層３４の厚さは、最終的に、ダイヤフラム１６の厚さを決定することになり、よって、デバイス層３４の厚さを注意深く選択すべきである。しかしながら、必要に応じて、後の処理ステップ中にデバイス層３４の厚さを低減させ、ダイヤフラム１６の応答性を、関心ある圧力範囲及び変動に調整することができる。
【００４０】
ベース層３２はまた、シリコン又は上記に列挙された他の材料で作製することもでき、約１００ミクロンから約１，０００ミクロンまでの間、又は１，０００ミクロンより大きく、より特定的には約５００ミクロンといった種々の厚さを有することができる。ベース層３２は、センサ・ダイ１２に対する構造的支持を与えるのに十分な厚さのものにすべきである。一実施形態において、ベース層３２は、容易なエッチングを可能にするために、（１００）結晶配向を有する単結晶シリコンである。
【００４１】
絶縁層３６は、いずれの種々の材料にすることもでき、典型的には二酸化シリコンである。絶縁層３６は、エッチング停止部として働き、ウェハ３０を電気的に絶縁する。絶縁層３６は、約０．５ミクロンから約４ミクロンまでの間といった種々の厚さを有することができ、典型的には約１ミクロン又は２ミクロンの厚さである。さらに、下部絶縁層８４（厚さ０．３ミクロンの二酸化シリコン層のような）をウェハ３０上に堆積又は成長させることができる。下部絶縁層８４は、絶縁層３６と同じ特性を有することができる。代替的に、下記に述べられ、図９に示されるように、圧電フィルム４２が堆積された後に、下部絶縁層８４を堆積又は成長させることができる。
【００４２】
図９に示すように、ウェハ３０が設けられた後、デバイス層３４の上に、圧電フィルム４２が堆積される。圧電フィルム４２は、デバイス層３４の全てを被覆することができる。代替的に、圧電フィルム４２は、デバイス層３４の一部のみ（すなわち、ダイヤフラム１６のみ、又は電極４４、４６が配置された場所のみ）を覆うこともできる。圧電フィルム４２の材料は、その作動温度範囲、電気抵抗率、圧電係数、及び結合係数に基づいて選択される。窒化アルミニウムは、１１００℃まで圧電作用を残すので、圧電フィルムに有用であり得る。しかしながら、これらに限られるものではないが、窒化ガリウム、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、チタン酸ランタン（Ｌａ2Ｔｉ2Ｏ7の形態をとることができる）、又はランガサイト（典型的には、Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14、Ｌａ3Ｇａ5.5Ｔａ0.5Ｏ14、又はＬａ3Ｇａ5.5Ｎｂ0.5Ｏ14のような、ランタン及びガリウムを含む幾つかの組成物の形態をとることができる）種々の他の材料を用いることができる。さらに、作動温度に応じて、あらゆる他の圧電材料をフィルム４２として用いることができる。
【００４３】
ウェハ３０のデバイス層３４が（１１１）シリコンであるとき、窒化アルミニウムの六方晶構造及び（１１１）シリコンの緊密に対応する構造のために、デバイス層３４上に、窒化アルミニウムをエピタキシャル成長させることができる。さらに代替的に、有機金属化学気相堆積（「ＭＯＣＶＤ」）、分子線エピタキシ（「ＭＢＥ」）、気相エピタキシ（「ＶＰＥ」）、又は圧電フィルム４２のエピタキシャル成長をもたらし得るいずれかの他の堆積プロセスを用いて、圧電フィルム４２を堆積させることができる。さらに代替的に、圧電フィルム４２は、ナノ結晶又はアモルファス形態のいずれかでスパッタ堆積させることもできる。この場合、デバイス層３４は、必ずしも（１１１）シリコンのものである必要はなく、代わりに、圧電フィルム・スパッタリング・プロセスの際に電極として働くように、圧電フィルム４２を堆積する前に、デバイス層３４上に、白金のような金属薄膜を堆積させることができる。スパッタリング・プロセスの際に金属電極が用いられる場合、金属フィルムが、代わりにデバイス層３４に所望の導電性を与えることができるので、必ずしもデバイス層３４をドープする必要はない。圧電フィルム４２は、約０．２ミクロンから約２ミクロンまでの間などの種々の厚さを有することができる。
【００４４】
図１０に示すように、次に、圧電フィルム４２の一部がパターン形成され、８６において除去され、その下のデバイス層３４の部分を露出させる。圧電フィルム４２は、高密度プラズマ・エッチング（すなわち、誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）エッチング）のような、あらゆる許容可能な方法によってエッチング／パターン形成することができる。
【００４５】
図１１に示すように、次に、メタライゼーション層８８が、スパッタリング及び光パターン形成などによって選択的に堆積され、中心電極４４、外側電極４６、リード線５６、５８（図１１には示されていない）、基準コンタクト６０、出力コンタクト５０、５２、及び接合フレーム７０のための材料を形成する又は与える。下記により詳細に説明されるように、メタライゼーション層８８は、活性層３４に良好なオーム接触をもたらし、拡散障壁としても動作する。メタライゼーション層８８を堆積するための材料及びプロセスは、下記により詳細に説明されるが、一実施形態においては、メタライゼーション層８８は、ウェハ３０上に配置されたタンタル層、タンタル層上に配置されたタンタル・シリサイド層、及びタンタル・シリサイド層上に配置された白金層を含む。
【００４６】
中心電極４４、外側電極４６、基準コンタクト６０、出力コンタクト５０、５２、及びリード線５６、５８は、種々の形状及びサイズを有することができる。（図３を参照した）一実施形態においては、中心電極４４は、約３９００×３９００ミクロンの寸法を有し、外側電極４６は、約６０００×６０００ミクロンの外のり寸法を有し、基準コンタクト６０は、約２０００×１０００ミクロンの寸法を有し、各出力コンタクト５０、５２は、約６００×６００ミクロンの寸法を有し、各リード線５６、５８は、約５０ミクロンから約１５０ミクロンまでの間の幅を有する。
【００４７】
図１２に示すように、次に、用いられる場合には、パッシベーション層４８が、ウェハ３０上、並びに、メタライゼーション層８８及び圧電フィルム４２の上に堆積される。一実施形態において、パッシベーション層４８は、ＳｉＯxＮyであり、プラズマ強化化学気相堆積（「ＰＥＣＶＤ」）によって、約１ミクロン（別の実施形態においては、０．３ミクロン）の厚さに堆積される。しかしながら、パッシベーション層４８は、様々な保護／絶縁材料のいずれで作製することもできる。上述のように、付加的な保護／絶縁を必要としない場合、パッシベーション層４８を省略することができる。しかしながら、このプロセス・フローの残りについては、パッシベーション層４８が用いられると考えられる。
【００４８】
図１３に示すように、次に、パッシベーション層４８の部分を除去して、基準コンタクト６０のメタライゼーション部分８８、出力コンタクト５０、５２、及び接合フレーム７０を露出させる。電極４４、４６及びリード線５６、５８を形成するメタライゼーション層８８は、埋め込まれたままである。次に、図１４に示すように、ボンディング材料９０が、露出されたメタライゼーション層８８上に堆積され、コンタクト５０、５２、６０及び接合フレーム７０にさらなる構造を付加する。ボンディング材料９０のための材料及びその堆積は、下記により詳細に説明されるが、一実施形態においては、金及びゲルマニウムを含む。
【００４９】
図１５に示すように、次に、下部絶縁層８４をパターン形成し、エッチングのためにベース層３２の部分を露出させる。次に、図１６に示すように、ベース層３２の露出された部分を除去し、上にダイヤフラム１６が配置されるキャビティ９２を定め、１対のダイシング・レーン９４を定める。ダイヤフラム１６にかかる熱応力を減少させるために、ダイヤフラム１６の下方に配置された酸化物層３６の部分を除去することもできる。ダイヤフラム１６は、種々のサイズを有することができ、一実施形態においては、約０．２５ｍｍ2から約４ｍｍ2までの間の表面積を有する。この図１６のエッチング・ステップは、ディープ反応性イオン・エッチング（「ＤＲＩＥ」）、ＫＯＨエッチングのような湿式エッチング、又はいずれかの種々の他のエッチング方法によって行なうことができる。次に、ダイシング・レーン９４に沿ってセンサ・ダイ１２を個別化し、図１７に示される最終構造をもたらす。
【００５０】
メタライゼーション層
メタライゼーション層８８の構造、及びこれを堆積する方法（図１１及びそれに付随する説明で参照された）をここでより詳細に説明する。図１８及び図１９は、デバイス層３４の直ぐ上へのメタライゼーション層８８の堆積を示す（すなわち、基準コンタクト６０を形成するとき）。図１８に示される実施形態において、メタライゼーション層は、第１の層又は接着層１０２、第２の層又は外方拡散障壁層１０４、及び第３の層又は内方拡散障壁層１０６を含む。接着層１０２は、ウェハ３０（すなわち、シリコン）に良好に接着する種々の材料のいずれかで作製することができる。従って、接着層１０２の材料は、ウェハ３０の材料に応じて変わり得るが、接着層１０２は、主にウェハ３０に強く接合する能力に基づいて選択される。
【００５１】
タンタルは種々の材料に良好に接着するので、タンタルは接着層１０２の一例である。しかしながら、タンタル以外に、クロム、ジルコニウム、ハフニウム、又はウェハ３０と好都合に反応し、ウェハ３０に強く接合する化合物を形成するいずれかの元素のような種々の他の材料を、接着層１０２として用いることができる。
【００５２】
接着層１０２は、種々の厚さを有することができ、種々の方法で堆積することができる。しかしながら、接着層１０２は、ウェハ３０への適切な接着を保証するのに十分な厚さを有するべきであるものの、メタライゼーション層８８に著しい嵩を追加するほど厚くすべきではない。接着層１０２は、最初に、約１００オングストロームから約１０，０００オングストロームまでの間の厚さに堆積することができ、プラズマ強化物理気相堆積又は当技術分野において周知の他の適切な堆積技術によって堆積することができる。
【００５３】
接着層１０２がタンタルであるとき、接着層１０２とウェハ３０の界面における酸素の存在が、シリサイドの形成を抑制することがあり、その材料は、拡散障壁特性のために望ましい。界面における酸素の存在はまた、接着層１０２において不利な金属変換を引き起こすこともあり、これにより、高応力がかけられた（すなわち、弱い）接着層１０２がもたらされる。
【００５４】
従って、接着層１０２をデバイス層３４上に堆積させる前に、デバイス層３４の上面を洗浄し、酸化物を除去することができる。この洗浄ステップは、プラズマ・スパッタ・エッチング、又は液体ＨＦ（フッ化水素酸）溶液、又は乾式ＨＦ蒸気洗浄プロセス、又は当技術分野において周知の他の方法によって酸化物を除去することを含むことができる。酸化物がデバイス層３４上に再び生じる（すなわち、周囲環境における酸素との酸化化学反応のために）機会を有する前に上に堆積されることを保証するために、洗浄ステップの直後に、接着層１０２をデバイス層３４上に堆積させるべきである。
【００５５】
外方拡散材料（すなわち、ウェハ３０のシリコン）は、メタライゼーション層８８の材料と反応することがあり、そのことが、メタライゼーション層８８を脆弱にすることがある。従って、第２の層１０４は、ウェハ３０の材料の外方拡散を阻止する材料で作製される。第２の層１０４及び第３の層１０６は、それぞれ内方拡散障壁層及び外方拡散障壁層として設計されるが、第２の層１０４及び第３の層１０６は、それ自体が、必ずしも所望の方法で拡散を阻止することができるとは限らないことを理解すべきである。代わりに、下記に詳細に説明されるように、層１０４、１０６の各々は、メタライゼーション層８８の焼結時、アニール時、化学反応時などに、反応して拡散障壁層を形成する材料を含むこと又はこれをもたらすことができる。
【００５６】
第２の層１０４は、ウェハ３０の材料に応じて（その外方拡散が阻止されることが望まれる）、種々の材料のいずれで作製することもできる。一実施形態においては、第２の層１０４は、タンタル・シリサイドであるが、炭化タンタル及び窒化タングステンを含むがこれらに限定されない種々の他の材料を用いることもできる。第２の層１０４は、ウェハ材料３０の外方拡散を防止するのに十分な厚さを有する、又は、アニール後に十分な外方拡散障壁層を形成するのに十分な材料を与えるべきである。第２の層１０４は、最初に、プラズマ・スパッタリング又は当技術分野において周知の他の適切な堆積技術によって、約１００オングストロームから約１０，０００オングストロームまでの間の厚さに堆積することができる。
【００５７】
第２の層１０４が化合物（例えば、タンタル・シリサイド）で作製されるとき、タンタル・シリサイドは、タンタル・シリサイドとしての形態で直接堆積させることができる。代替的に、層が後に反応して所望のタンタル・シリサイドを形成するように、タンタル層及びシリコン層を堆積させることもできる。この場合、交互する薄い（すなわち、５オングストロームから２０オングストロームまでの）２つの基本材料（タンタル及びシリコン）の別個の層が、共堆積プロセス（ｃｏ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ）において接着層１０２上に堆積される。複合層の全厚が上述のような約１００オングストロームから約１０，０００オングストロームまでの間であれば、交互する層の数は重要ではない。タンタルとシリコンの交互層が堆積された後、下記により詳細に説明されるアニール・ステップ中、交互層が高温に曝される。アニール・ステップ中、タンタルとシリコンの交互層は、拡散又は反応して単一のタンタル・シリサイド層を形成する。
【００５８】
この方法を用いてタンタル・シリサイド１０４を堆積させるとき、共堆積プロセス中にタンタルとシリコンの堆積された層の相対的な厚さが、結果として得られるタンタル・シリサイド層１０４におけるタンタルとシリコンの比率を制御する。従って、タンタル層及びシリコン層の相対的厚さを制御する能力により、タンタル・シリサイドのシリコンが豊富な層又はシリコンが乏しい層を形成することが可能になる。例えば、拡散抵抗を強化するために、比較的シリコンが豊富なタンタル・シリサイド層（すなわち、化学量論的タンタル・シリサイド（ＴａＳｉ2）よりも、シリコンが数百分率・ポイント豊富な原子組成を有するタンタル・シリサイド）は、外方拡散障壁１０４として好ましいものであり得る。
【００５９】
メタライゼーション層８８の第３の層１０６は、望ましくない元素、化合物、又はガスの内方拡散を阻止又は制限する材料で作製される。例えば、第３の層は、周囲環境中の窒素、酸素、又は二酸化炭素のようなガスの内方拡散を阻止し、又はメタライゼーション層８８上に配置された固体元素又は化合物の内方拡散を阻止する材料で作製することができる。これらの望ましくない元素、化合物、又はガスは、メタライゼーション層８８の他の材料又はウェハ３０の材料と不利に反応することがある。
【００６０】
第３の層１０６は、白金のような種々の材料で作製できるが、第３の層の材料は、ウェハ３０の材料、接着層１０２及び第２の層１０４の材料、並びに、内方に拡散するのを阻止することが望ましい元素、化合物、又はガスによって決まる。第３の層１０６は、プラズマ・スパッタリング又は当業者には周知の他の適切な堆積方法によって、約１００オングストロームから約１０，０００オングストロームまでの間の初期厚さに堆積させることができる。
【００６１】
一実施形態においては、第１の層１０２は、約１５００オングストロームの厚さを有するタンタル層を含み、第２の層１０４は、約３０００オングストロームの厚さを有するタンタル・シリサイドを含み、第３の層１０６は、約１０，０００オングストロームの厚さを有する白金を含む。種々の層１０２、１０４、１０６の特定の厚さ許容範囲は、有効な接着層を生成する必要性により、処理される材料について決定され、白金−白金ワイヤ・ボンディングのためにメタライゼーション層８８の外面上で利用可能な十分な白金を残しながら、有効な内方拡散障壁及び外方拡散障壁を拡散し、生成する。
【００６２】
図１８は、第１の層１０２（図示された実施形態においては、タンタル）、第２の層１０４（図示された実施形態においては、タンタル・シリサイド）、及び第３の層１０６（図示された実施形態においては、白金）の堆積後のメタライゼーション層８８を示す。層１０２、１０４、及び１０６の堆積後、メタライゼーション層８８をアニールして（焼結とも呼ばれる）、特定の反応及び／又は反応副生成物を生じさせる。特に、一実施形態において、図１８に示される構造体は、真空において約６００℃で約３０分間アニールされる。アニール・プロセスは、タンタル・シリサイド層１０４が形成されるように（タンタルとシリサイドが交互層として堆積される場合）、又は他の所望の反応が完了するまで、行われる。
【００６３】
代替的に、単一ステップ・アニール・プロセスを用いるのではなく、２ステップ・アニール・プロセスを用いることもできる。２ステップ・アニール・プロセスは、温度を（室温から）毎分約６℃−１０℃増加させることによって、約４５０℃の温度まで上げることを含む。次に、温度を約１時間約４５０℃に保持することによって、第１のアニール・ステップを行なう。約１５分間にわたって、温度を約６００℃までゆっくりと上げ、次に、第２のアニール・ステップのために約１時間、温度を約６００℃に保持する。次いで、メタライゼーション層８８をゆっくりと冷却することが可能になる。
【００６４】
２ステップ・アニール・プロセスは、ウェハ３０へのメタライゼーション層８８の接着を改善し、特に圧電フィルム４２（図２０）への接着層１０２／１０８の接着を改善する。さらに、２ステップ・アニール・プロセスのかなりの部分は、比較的低温（すなわち、６００℃より下）で行なわれるため、圧電フィルム４２を貫通するデバイス層３４内への白金又はタンタルの拡散が減少され、これにより、漏電問題が低減される。
【００６５】
図１９は、アニール・ステップ後の図１８の構造体を示す。説明のために、第１、第２、及び第３の層は、ここではそれぞれ「タンタル層１０２」、「タンタル・シリサイド層１０４」、及び「白金層１０６」と呼ぶことができることに留意されたい。しかしながら、この約束事は、説明を容易にするためのものにすぎず、層１０２、１０４、１０６をそれらの特定の材料に制限されることを伝えるように意図するものではない。さらに、アニール後、図１９に示され下記に説明されるもの以外の種々の層又は材料が、メタライゼーション層８８内に形成されてもよく、図１９は、アニール後に存在すると予想される種々の主要な層の存在を示すものにすぎないことに留意されたい。
【００６６】
特に、ウェハ３０がＳＯＩウェハであり、第１の層１０２、第２の層１０４、及び第３の層１０６が、それぞれタンタル、タンタル・シリサイド、及び白金であるとき、アニール後に、接着層１０２とウェハ３０との反応生成物として、内部のタンタル・シリサイド層１０８が形成される。内部タンタル・シリサイド層１０８は、タンタル接着層１０２及びウェハ３０に良好に接着し、従って、メタライゼーション層８８に高い接着強度を与える。さらに、タンタル・シリサイドは一般に多くの材料（シリコンを含む）の外方拡散を阻止することから、内部タンタル・シリサイド層１０８はまた、シリコン・ウェハ３０のための外方拡散障壁層としても働く。ウェハ３０がシリコン以外の材料で作製され、タンタルが接着層１０２として用いられるとき、ウェハ３０の材料によって、種々の他の拡散障壁タンタル化合物を形成することができる。
【００６７】
図１９に示すように、アニール後、白金層１０６と、ウェハ３０のシリコン及び／又はタンタル・シリサイド１０４のシリコンとの間の反応のために、上部白金層１０６が白金シリサイド層１１０に変換される。結果として得られる白金シリサイド１１０は、内方拡散障壁層として働き、特に、酸素と窒素の内方拡散を阻止する。白金シリサイド層１１０は、完全に白金シリサイドでなくてもよく、代わりに、メタライゼーション層８８の上面が、少なくとも約９０％、又は少なくとも約９９％、或いは少なくとも約９９．９９％の白金であるように、白金と白金シリサイドの勾配を含むことができる。メタライゼーション層８８の第２の層１０４としてタンタル・シリサイドを用いるのではなく、第２の層として、窒化タンタル（すなわち、約５００オングストロームの厚さ、又は必要に応じて他の厚さを有する）を用い得ることにも留意すべきである。
【００６８】
タンタル・シリサイドがメタライゼーション層８８の第２の層１０４として用いられる場合、タンタル・シリサイドは、酸素がそこを通って拡散し、シリコン／タンタル界面に酸化物を形成するのを有効に防止する。しかしながら、約７００℃を上回る温度では、シリコンは、メタライゼーション層８８を通って上方に拡散し、メタライゼーション層８８の上部に酸化シリコン層を形成することがあり、そのことは後のワイヤ・ボンディングを困難にする。
【００６９】
対照的に、窒化タンタルが第２の層１０４として用いられるとき、窒化タンタルは、メタライゼーション層８８の上面を保護するために、酸素が内方に拡散するのを防止するだけでなく、シリコンが外方に拡散するのも防止する。タンタル・ベース・ライナの拡散障壁の有効性は、窒素含有量が高くなるのに伴って、少なくとも１：１のＮ対Ｔａの化学量論比にまで増加すると考えられる。従って、必要に応じて、窒化タンタルを第２の層１０４として用いることもできる。
【００７０】
上述のように、図１９は、基準コンタクト６０の少なくとも一部を形成するように、デバイス層３４の真上に配置されたアニール後のメタライゼーション層８８を示す。しかしながら、図１１に見られるように、メタライゼーション層８８はまた、圧電フィルム４２の上にも配置される（すなわち、電極４４、４６、コンタクト５０、５２、リード線５６、５８、及び接合フレーム７０の一部を形成するために）。この場合、図１１の圧電フィルム４２上に堆積されたメタライゼーション・フィルム８８は、図１８の上述したメタライゼーション・フィルム８８と同じ構造を有し、同じ方法で堆積することができる。圧電フィルム４２上に配置されたメタライゼーション・フィルム８８のアニール後の構造（図２０に示される）は、図１９に示されるアニール後のメタライゼーション・フィルム８８と同じであってもよい。従って、メタライゼーション層８８は、高温で金属的に安定し、かつ、拡散及び化学反応に抵抗する、コンタクト５０、５２、６０、電極４４、４６、リード線５６、５８、及び接合フレーム７０を提供する。
【００７１】
ボンディング材料
ここで、ボンディング材料又は層９０の適用（図１４及びそれに付随する説明で参照される）をより詳しく説明する。図２１に示すように、ボンディング層９０が、メタライゼーション層８８上に配置される。ボンディング層９０は、互いに共晶を形成できる第１のボンディング材料又は層１２０及び第２のボンディング材料又は層１２２を含む。例えば、第１のボンディング材料１２０は、金、或いは第２のボンディング材料１２２と共晶合金を形成できる他の元素又は材料とすることができる。第２のボンディング材料１２２は、ゲルマニウム、スズ、又はシリコン、或いは、第１のボンディング材料１２０と共晶合金を形成できる他の元素又は材料とすることができる。ボンディング層９０の他の材料の代表例は、ＩｎＣｕＡｕ、ＡｕＮｉ、ＴｉＣｕＮｉ、ＡｇＣｕ、ＡｇＣｕＺｎ、ＩｎＣｕＡｇ、及びＡｇＣｕＳｎを含む。
【００７２】
プラズマ・スパッタリング又は当業者には周知の他の適切な堆積技術によって、関連したメタライゼーション層８８上に第１のボンディング材料１２０及び第２のボンディング材料１２２の両方を堆積させることができる。さらに、第１のボンディング材料１２０及び第２のボンディング材料１２２は、様々な厚さで堆積させることができる。しかしながら、ボンディング材料１２０、１２２の厚さは、最終生成物の接合部において第１のボンディング材料１２０と第２のボンディング材料１２２の間に所望の比率を与えるように選択すべきである。
【００７３】
図示された実施形態において、ボンディング層９０は、第２のボンディング材料１２２上に配置されたキャッピング層１２４を含む。キャッピング層１２４は、第２のボンディング材料１２２の上を覆って保護し、第２のボンディング材料１２２の酸化を防止する。キャッピング層１２４は、金のような抗酸化性の多様な材料のいずれにすることもできる。この場合、キャッピング層１２４が共晶接合プロセスに関与するように、キャッピング層１２４は、第１のボンディング材料１２０と同じ材料とすることができる。キャッピング層１２４は、約１０００オングストローム以下のように非常に薄くすることもできる。
【００７４】
センサ・ダイの取り付け
上に配置されたメタライゼーション層８８及びボンディング層９０を含む、図１７に示されるようなセンサ・ダイ１２が提供されると、次に、センサ・ダイ１２を基板１４に結合することが望ましい。図２２に示すように、センサ・ダイ１２は、図１７に示される位置から反転され、基板１４と位置合わせされる。基板１４は、一般にセンサ・ダイ１２との関連で上述したのと同じ方法でその上に堆積されたメタライゼーション層８８及びボンディング材料９０を有する。
【００７５】
しかしながら、基板１４は、センサ・ダイ１２とは異なる材料で作製されるので、基板１４上のメタライゼーション層８８の材料の一部は、センサ・ダイ１２に関連して上述したものとは異なることがある。例えば、基板１４が窒化アルミニウムであるとき（センサ・ダイ１２のシリコンとは対照的に）、メタライゼーション層８８の層１０８は、窒化タンタル、タンタル・アルミニド、又は、タンタルとアルミニウムと窒素の三元化合物のような、タンタル・シリサイド以外の材料とすることができ、或いはこれらを含むことができる。さらに、メタライゼーション層８８の接着層１０２の材料は、基板１４の材料に応じて変わり得る。
【００７６】
下記の説明においては、金／ゲルマニウム共晶合金の特定の特性の説明を可能にするために、ボンディング材料９０の第２のボンディング材料１２２はゲルマニウムであり、第１のボンディング材料１２０及びキャッピング材料１２４は金であると仮定される。しかしながら、この説明は、例示のためのものであり、種々の他の材料を、第１のボンディング材料１２０、第２のボンディング材料１２２、及びキャッピング材料１２４として用い得ることを理解されたい。
【００７７】
基板１４及びセンサ・ダイ１２は、ボンディングに備えて、図２２に示すように位置合わせされ、位置合わせプロセスを助けるために、いずれかの部品又は両方の部品が自己整合構造部（ｓｅｌｆ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｆｅａｔｕｒｅ）を含むことができる。基板１４のメタライゼーション層８８／ボンディング層９０は、センサ・ダイ１２のメタライゼーション層８８／ボンディング層９０のパターンと合致するパターンを有するので、一旦接合されると、これらの材料はうまく合致し、これらの部品を互いに接合する電気コンタクト５０、５２、６０及び接合フレーム７０を形成する／完成させる。図２３及び図２４に示すように、センサ・ダイ１２及び基板１４は、それらのボンディング層９０が互いに接触するように互いに押し付けられる。ボンディング層９０の材料は、共晶ボンディング・プロセス（下記に述べられる）の際、ボンディング・プロセス中に形成される液体が、ボンディング層９０間のあらゆるボイド又は間隙を十分に充填するように、十分に平坦にすべきである。
【００７８】
次に、センサ・ダイ１２及び基板１４は、当技術分野において周知であり、下記に簡単に概説される過渡的液相接合プロセス（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｌｉｑｕｉｄ  ｐｈａｓｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）において結合又は接合される。過渡的液相接合を開始するために、軽い圧力（例えば、数ポンド）をかけて、センサ・ダイ１２及び基板１４、並びにそれらのボンディング層９０を互いに押し付ける（図２４）。次に、ボンディング層９０は、ボンディング合金、すなわち金／ゲルマニウム合金の共晶点における温度又は共晶点より上の温度、或いは共晶温度に曝される。例えば、図３２に見られるように、金／ゲルマニウム合金の共晶温度は約３６１℃である。
【００７９】
説明に役立つ実例において、ボンディング層９０は、約４５０℃の温度に曝される。しかしながら、実際のボンディング温度は、ボンディング材料９０の拡散速度、ボンディング材料９０の厚さ、及び、ボンディング合金の均一な固溶体が達成されるように拡散を完了するのに使用できる時間によって決まる。
【００８０】
金／ゲルマニウム界面における材料が共晶温度（すなわち、３６１℃）に達すると、材料の溶融のために、各々の界面に溶融された材料又は液体の材料の区域１３２が形成される（図２５を参照されたい）。図２５においては、キャッピング層１２４全体が溶融して（それらの層の薄さのために）中央の液体区域１３０を形成し、第２のボンディング層１２２及び第１のボンディング層１２０の一部が溶融して、上部及び下部液体区域１３２を形成する。液体材料区域１３０、１３２の各区域は、共晶組成の又はそれに近い組成を有する。
【００８１】
ボンディング層９０が加熱し続け、周囲温度（すなわち、４５０℃）に接近するに従って、ゲルマニウム層１２２の全ての材料が溶融し、溶けて液体区域１３０、１３２になるまで、液体区域１３０、１３２は、成長し拡大し続ける。従って、図２５の別個の液体区域は、成長し、最終的に組み合わされて、単一のより大きい液体区域１３４（図２６）を形成する。図２６に示される段階においては、ゲルマニウム層１２２の材料の最後のものが溶け、液体区域は、図３２の組成Ａのままである。
【００８２】
次に、周囲材料が周囲温度に接近するに従って、液体区域１３４に隣接する金層１２０の材料が液化し続ける。付加的な金が溶融し、液体区域１３４に付加されるのに従って、液体区域１３４内のゲルマニウムが希釈され、これにより、液体区域１３４内のゲルマニウムの百分率が減少する。従って、液体区域１３４の組成は、図３２の液化曲線１３８に沿って上昇し、点Ａの左に移行する。溶融した金がゲルマニウムを希釈し続けるに伴い、液体区域１３４が４５０℃の周囲温度に達すると、液体組成は、最終的に図３２の点Ｂにおける組成に達する。
【００８３】
図２７は、液体区域１３４が成長し、金を付加して、液体区域が組成Ｂになるボンディング・プロセスを示す。この段階において、液体区域１３４は４５０℃の周囲温度に達し、約２４原子百分率のゲルマニウムと７６原子百分率の金の組成を有する。
【００８４】
液体区域の組成が点Ｂに達すると、液体区域１３４内のゲルマニウムは、液体区域１３４と金層１２２の界面において、残りの固体金層１２０内に拡散し始める。これが生じるとき、界面に隣接する液体区域１３４内のゲルマニウムの濃度が低下する。界面におけるゲルマニウムの百分率が十分に低く（すなわち、約３原子百分率以下のゲルマニウム）低下すると、界面における液体区域が固溶体相１４０を形成する（図２８を参照されたい）。新しく形成された固体１４０は、図３２のグラフ上の点Ｃに示される組成を有する。図３２に見られるように、点Ｃは、固化曲線１４２上に位置し、所定の温度について固体が形成されるゲルマニウムの百分率を示す。従って、新しく形成された固体は、約３原子百分率のゲルマニウム及び約９７原子百分率の金を有する。
【００８５】
周囲温度は引き続き４５０℃に保持され、液体区域１３４内の残りのゲルマニウムは、新しく形成された固体１４０を通って主に金層１２０の中に外方に拡散し続ける。液体区域１３４内のゲルマニウムが外方に拡散し続けるのに従って、液体区域１３４と固体１４０の界面に、より多くのゲルマニウムが乏しい液体が生成され、最終的に固体１４０を形成する。このように、固体１４０は、液体区域１３４全体が消費されるまで内方に成長する（図２９）。この時点で、固体１４０は、比較的ゲルマニウムが豊富なもの（すなわち、約３原子百分率のゲルマニウム）とすることができ、周囲の金層１２０は、比較的ゲルマニウムが乏しいもの（すなわち、約３原子百分率未満のゲルマニウム）とすることができる。この場合、ゲルマニウムは、平衡に達して固体１４０及び金層１２０の両方が全て同じ組成を有する（図３０の固体１４０として示される）まで、固相拡散（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を通じて固体１４０から金層１２０内に拡散し続ける。
【００８６】
固相拡散後に形成された固体１４０は、金／ゲルマニウム合金、又は、約３原子百分率のゲルマニウム組成を有する固溶体合金である。しかしながら、ゲルマニウム層１２２の厚さを利用可能な金に対して比較的低い百分率に制限することによって、利用可能なゲルマニウムの量が制限されることがある。結果として得られる固体１４０が約３原子百分率未満のゲルマニウム（例えば、約０．５原子百分率、又はそれより少ないゲルマニウム）を有するように、（白金、ニッケル、及びクロムのようなゲルマニウム捕捉材料を用いて）捕捉する（ｓｃａｖｅｎｇｅ）ことによって、利用可能なゲルマニウムの量を減少させることもできる。いずれの場合にも、ゲルマニウムの量が制限／減少されたとき、固体１４０の組成は、図３２の点Ｃの左に位置する。図３２の状態図を参照すると、ゲルマニウムの原子百分率を３原子百分率よりも低く減少させることにより、点Ｃより上方の及び左の固化曲線１４２上に位置する溶液が提供される。組成を点Ｃの左に動かすことにより、４５０℃よりも高い、理論上最大１０６４℃までの融点をもつ固溶体が提供される。
【００８７】
上述した過渡的液相接合法は、比較的低温（共晶温度よりも高いが）におけるシリコン・センサ・ダイ１２とセラミック基板１４の接合を可能にし、そのことは、あらゆる温度感受性部品の損傷を防ぎ、さらに比較的高い溶融温度を有する接合をもたらす。結果として得られたボンディング材料１４０は、比較的高い溶融温度を有する亜共晶の金−ゲルマニウム固体合金である。固体ボンディング材料１４０はまた、ボンディング層９０のための出発材料に応じて、亜共晶金−シリコン固体合金又は亜共晶金−スズ固体合金とすることができる。ボンディング・プロセスはまた、融着プロセスの加速のために加熱段階及び超音波エネルギーを用いる共晶ダイ・ボンダーを用いて行なうこともできる。
【００８８】
図３１は、ボンディング層９０を接合して単一の接合層１４０を形成した後のセンサ・ダイ１２及び基板１４の部分を示す。従って、図３１は、ボンディング後の、図２２に示される丸で囲まれた領域「２３」を示す。
【００８９】
上述のように、メタライゼーション・フィルム８８は、ボンディング・プロセス中にメタライゼーション・フィルム８８内に、又は、これを通って材料が内方拡散するのを阻止する内方拡散障壁層１１０を含む。同様に、層１０４及び／又は１０２及び／又は１０８は、ボンディングの際、センサ・ダイ１２及び／又は基板１４の材料が外方に拡散するのを阻止する。従って、メタライゼーション層８８は、そこを通る拡散に抵抗し、種々の基板に良好に接着し、長期間の高温でさえも熱力学的に安定している。協働して機能するとき、メタライゼーション層８８及びボンディング材料９０は、丈夫な高温作動を用いる低温のボンディングを可能にする。
【００９０】
基板の取り付け
簡単に上述したように、基板１４は、リング１８内部に配置され、これに結合され、ここで、取り付けプロセスを詳細に説明し、図３３−図３５に示す。しかしながら、基板１４及びリング１８の取り付けがここに説明されるものの（センサ・ダイ１２及び基板１４を上述した後に）、実際の組み立て中、操作の順序を逆にすることができる。より特定的には、組み立て中、基板１４は、最初にリング１８に取り付け、次に、センサ・ダイ１２を基板１４／リング１８組立体に取り付けることができる。この操作順序は、基板１４がリング１８に蝋付けされるとき、センサ・ダイ１２のより敏感な電気部品が高温に曝されないことを保証する。
【００９１】
基板１４は、比較的高温に耐えることができ、抗酸化性の材料で作製することができ、センサ・ダイ１２のものに比較的よく合致する熱膨張係数を有する。従って、基板１４は、モノリシックの窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は窒化アルミニウムのような種々のセラミック材料（ホット・プレス及び焼結された（すなわち、多結晶窒化アルミニウム））で作製することができる。
【００９２】
リング１８は、比較的高温に耐えることができ、抗酸化性の材料で作製することができ、センサ・ダイ１２のものに比較的よく合致する熱膨張係数を有する。従って、リング１８は、デラウェア州Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ所在のＣＲＳ  Ｈｏｌｄｉｎｇｓ，Ｉｎｃ．社により販売されている、ＴＨＥＲＭＯ−ＳＰＡＮ（登録商標）のような種々の金属合金、又は類似した環境抵抗性及び物理的特性を有する他の金属で作製することができる。
【００９３】
基板１４のようなセラミック材料をリング１８のような金属材料に接合する場合、特に、接合部が高温及び広い温度範囲に曝されるとき、接合技術を注意深く選択すべきである。蝋付けを用いて、セラミック基板１４を金属リング１８に接合することができ、その場合、蝋付けプロセスを助けるために、基板１４を最初に薄膜メタライゼーションのような材料で処理する必要がある。
【００９４】
基板１４をリング１８に蝋付けする際に、上述され、図１８−図２０に示されるメタライゼーション層８８を用いることもできる。例えば、図３３は、基板１４の端面上に位置するサブレイヤ１０２、１０４、１０８、１１０を含む、アニール後のメタライゼーション層８８を示す。図３３に示されるように、基板１４のメタライゼーション層８８は、周方向の外面１４６上に配置される。この場合、基板１４上にのみメタライゼーション層８８が配置されており、リング１８は、その固有の金属構造のために如何なるメタライゼーションも必要としない。しかしながら、蝋付けプロセスを改善し、及び／又は耐腐食性を改善するために、リング１８の蝋付け面（内面）上に薄いニッケル層（すなわち、１０ミクロン）を堆積させることができる。
【００９５】
メタライゼーション層８８（すなわち、図１８の第１の層１０２、第２の層１０４、及び第３の層１０６）を周方向の外面１４６の上に堆積させるために、円筒形マグネトロン・プラズマ・スパッタ堆積システムを用いることができる。こうしたスパッタ・システムにおいて、基板１４は、円筒形マグネトロンのスパッタ・チャンバ内の回転固定具上に配置される。円筒形マグネトロンは、外面１４６に垂直な方向に、第１の層１０２、第２の層１０４、及び第３の層１０６を基板の外面１４６に徐々に堆積させる。このように、円筒形マグネトロンは、曲面に対して垂直な（すなわち、堆積中の金属原子の流れ方向が、半径方向内方に外面１４６に対して垂直な）スパッタリング流束をもたらす。円筒形スパッタリングは、より容易であり、より有効であるが、同じ結果を得るために、従来の堆積システムにおいて特別な固定具及び工具を用いてもよく、よって、円筒形スパッタリング以外のシステムを用いることもできる。
【００９６】
第１の層１０２、第２の層１０４、及び第３の層１０６は、上述した材料で作製し、図１８−図２０との関連で上述した方法で堆積させることができる。しかしながら、一実施形態においては、外面１４６上の事前アニール・メタライゼーション層８８が、約５００オングストロームの厚さを有するタンタル層１０２と、約５０００オングストロームの厚さを有するシリコンが豊富なタンタル・シリサイド層１０４と、約３０００オングストロームの厚さを有する白金層１０６とを含む。堆積後、層１０２、１０４、１０６をアニールし、図１９及び図３３に示される層１０８、１０２、１０４、１１０を提供する。しかしながら、下記に述べられる後の蝋付けプロセスが同じ反応を推進できるので、必要に応じて、アニール・ステップを省くことができる。
【００９７】
図３３は、リング１８から離れて間隔を置いて配置された基板１４を示し、図３４は、リング１８にゆるく嵌入された基板１４を示す。蝋付けプロセスを実行するために、延性の蝋付け材料、蝋付けスラリ、蝋付け合金、又は蝋付けペースト１５０が、基板１４の外周の近く又は周りに、リング１８及びメタライゼーション層８８と緊密に接触するように堆積される。従って、蝋付け材料は、基板１４の外径及び／又はリング１８の内径に塗布される。蝋付け材料、蝋付けスラリ、蝋付け合金、又は蝋付けペースト１５０の特定のタイプは、基板１４及びリング１８の材料のタイプによって決まるが、金／ニッケルの蝋付け材料など、高温及び腐食環境に耐えることができるいずれの高温蝋付け材料１５０とすることもできる。
【００９８】
蝋付け材料１５０は、室温で堆積させ、次に、蝋付け材料１５０を溶融するのに適した高温（例えば、金／ニッケルの蝋付けには約９８０℃）に曝すことができる。溶融した蝋付け材料１５０は、毛管作用によって、基板１４とリング１８との間の間隙に引き入れられる（図３５に示される）。必要に応じて、基板１４の外縁を面取りし（図示せず）、メタライゼーション層８８の露出された領域をもたらし、かつ、蝋付け材料１５０を基板１４とリング１８の間の間隙内に「注ぎ込む」ことができる。次に、蝋付け材料１５０が冷却し、標準的な蝋付けの周知の方法で強固な結合部を形成するように、温度が下げられる。図３５は、上述され、図２２−図３１に示されるプロセスにおける後の接合のための、完了した蝋付けされたリング１８／基板１４の組立体の上方に配置されたセンサ・ダイ１２を示す。
【００９９】
基板１４及びリング１８は、機械的に頑丈な接合部を形成するような大きさにすることができる。特に、加熱時（すなわち、蝋付けプロセス中）、リング１８を拡張して内部の基板１４を比較的ゆるやかに受けることができる（図３３及び図３４に示される）。リング１８は金属であるので、リング１８は、基板１４に対して比較的大きい熱膨張係数を有する。冷却時、金属リング１８は、基板１４の周りで収縮し、これにより、基板１４が半径方向の圧縮状態に配置され、そのことが構造体をより頑丈にする。
【０１００】
ピンの取り付け
上述のように、センサ・ダイ１２は、複数のコンタクト（図３に示される実施形態においては、３つのコンタクト５０、５２、及び６０）を含む。ピン２２（その１つだけが図１に示される）が、コンタクト５０、５２、又は６０の各々に電気的に結合され、外部コントローラ、プロセッサ、増幅器等へのセンサ・ダイ１２の出力を提供する。ピン２２は、頑強な酸化膜を形成し、酸化物の膨張による剥離に抵抗する、耐酸化金属のような種々の材料のいずれで作製することもできる。例えば、ピン２２は、導電性、熱膨張係数等といった所望の特性に応じて、ニッケル、ステンレス鋼、インディアナ州Ｋｏｋｏｍｏ所在のＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．社により販売されるＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）合金、又は、デラウェア州Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ所在のＣＲＳ  Ｈｏｌｄｉｎｇｓ，Ｉｎｃ．社により販売されるＫＯＶＡＲ（登録商標）合金で作製することができる。ピン２２はまた、管又は他の金属部品の形をとることもできる。
【０１０１】
ピン２２がセンサ・ダイ１２上の関連したコンタクト５０、５２、６０と位置合わせされるように、ピン２２を基板１４内に適切に配置する必要がある。下記に述べられる取り付けプロセスを用いて、精密に、かつ、ピン２２及び関連した取り付け構造体が過酷な環境に耐え得るように、ピン２２を基板１４内に取り付けることができる。
【０１０２】
ピン２２を取り付けるためのプロセスを説明する以下の図３６−図３８は、単一のピン２２だけを示すが、所望の数のピン２２をこの方法で取り付け得ることを理解すべきである。図３６は、１対の対向する面１５４、１５６を有し、開口部１５８が第１の面１５４から第２の面１５６まで延び、かつ、取り付け面１６０を画定する、基板１４を示す。基板１４は、約０．６０インチから約０．００６インチまでの間といった種々の厚さを有することができ、一実施形態においては、約０．０６０インチの厚さを有する。
【０１０３】
図３７（ａ）−（ｅ）に示されるように、一実施形態においては、開口部１５８は、階段状のボア開口部の形態をとることができる（図３７（ａ））。階段状ボア開口部１５８は、超音波ドリル法又は他の許容可能な方法によって形成することができる。ピン２２を基板１４に蝋付けするために、開口部１５８に隣接して又はその中に、基板１４上に活性蝋（ａｃｔｉｖｅ  ｂｒａｚｅ）１６２が堆積される（図３７（ｂ））。活性蝋１６２は、真空中でリフローされるので、活性蝋１６２は液体状態で下方に流れ、開口部１５８の側壁１６０を被覆し、より小さい直径を充填する。活性蝋１６２が下方に流れるとき、基板１４と化学反応し、基板１４を後に湿潤させることを可能にする。従って、活性金属蝋１６２は、側壁１６０を被覆し、上述した蝋付け合金１５０と同じ又は類似した従来の蝋付け合金で後に蝋付けするために基板を準備する。
【０１０４】
図３７（ｃ）に示されるように、活性金属蝋１６２は、開口部１５８のより小さい直径の部分を充填し、これを塞ぐ。活性金属蝋１６２によって形成されたプラグは、基板１４の側１５６上に連続的な金属をもたらすので、研削、ラップ仕上げ、又は他の仕上げ方法の後、基板１４と同一平面上にある平坦で連続した金属コンタクトが与えられる。これに応じて、活性金属蝋１６２が開口部１５８のより小さい直径の部分の塞ぐことができるように、階段状開口部１５８のより小さい直径、並びに、活性金属蝋１６２の材料及び量を選択すべきである。
【０１０５】
次に、図３７（ｄ）に示されるように、ピン２２が活性金属蝋１６２の底に達するまで、ピン２２が開口部１５８のより大きい直径部分に挿入される。次に、第２の蝋付け材料１６４が、開口部１５８のより大きい直径部分の残りの容積に導入され、第２の蝋付け材料１６４がピン２２を囲み、該ピン２２を活性金属蝋１６２／基板１４に固定／蝋付けする。図３７（ｅ）に示されるように、次に、センサ・ダイ１２の後のボンディング・ステップのために、研削及び研磨などによって、基板１４の対向する面が十分に平坦になるように平坦化される。一実施形態において、基板組立体１４及び関連したメタライゼーション部が、１ミクロン以内、又はより特定的には、０．５ミクロン以内に平坦化される。この平坦化により、メタライゼーション・フィルム８８及びボンディング・フィルム９０を上に配置できること、及び、基板１４をセンサ・ダイ１２上に取り付けることができることが保証される。従って、図３７（ａ）−図３７（ｅ）に示される多数回の蝋付け、すなわち「ステップ−蝋付け」プロセスを用いて、ピン２２及び基板１４を接合することができ、そこで、活性金属蝋１６２は事前メタライゼーション部として働き、第２の蝋付け材料１６４は接合部を形成する。
【０１０６】
蝋付け材料１６２、１６４は、ピン２２を関心ある基板１４に蝋付けするために用いることができる種々の蝋付け金属のいずれとすることもできる。一実施形態においては、活性金属蝋１６２は、チタン／銅、チタン／ニッケル、チタン／金、チタン／ニッケル／金等のような、チタン活性蝋とすることができる。第２の蝋付け材料１６４は、比較的高温（すなわち、６００℃〜７００℃まで）に耐え、耐腐食性を与えることができる、金／ニッケル、又は共晶比の銅／ニッケルを有する銅／ニッケルのような、標準的な蝋付け又は高温蝋付け材料とすることができる。
【０１０７】
図３７（ｆ）に示されるように、ピン２２が適所に蝋付けされ、表面が平坦化された後、基板１４上にメタライゼーション・フィルム８８及びボンディング材料９０が堆積され、堆積されたメタライゼーション・フィルム８８／ボンディング材料９０は、通常、活性金属蝋１６２と位置合わせされるか、又は電気的に結合される。従って、堆積されたメタライゼーション・フィルム８８／ボンディング材料９０は、蝋付け材料１６２、１６４を通してピン２２に電気的に結合される。上述され、図２２−図３１に示されるように、基板のボンディング材料９０がセンサ・ダイ１２に接合され（図３７（ｇ））、導体ピン２２とコンタクト５０、５２、６０の間の電気的接触を完成させる。従って、メタライゼーション・フィルム８８／ボンディング材料９０は、センサ・ダイ１２及び基板１４を機械的に結合するだけでなく、センサ・ダイ１２及びピン２２に電気的にも結合する。
【０１０８】
図３８（ａ）−（ｆ）は、ピン２２を基板１４に蝋付けするための代替的な方法を示す。より特定的には、この実施形態においては、基板は、真っ直ぐな壁の開口部１５８（図３８（ａ））又は僅かにテーパ状の開口部１５８（図３８（ｂ））のような非階段状のボア開口部を含む。図３８（ａ）又は（ｂ）の開口部１５８は、ウォータージェット、電子放射アブレーション、又は他の方法によって超音波により穿孔することができ、ピン２２の直径を収容する（すなわち、これより僅かに大きい）直径を有することができる。例えば、ピン２２／開口部１５８は、約０．０２０インチ、又は約０．０３０インチ、或いはそれより大きい開口部を有することができる。ウォータージェットの使用にはあまり費用はかからないが、図３８（ｂ）に示されるように僅かなテーパを有する開口部をもたらすことがある。しかしながら、テーパが僅かである（すなわち、約０．０６０インチ、又は０．１２５インチまで、又はそれより厚い厚さを有する基板１２の厚さ全体にわたって、千分の数インチ未満である）限り、テーパが悪影響を及ぼすことはない。
【０１０９】
２ステップで形成しなければならず、より精密さを必要とする図３７（ａ）の階段状開口部１５８と対照的に、図３８（ａ）及び図３８（ｂ）の開口部はそれぞれ、単一のステップで形成することができる。さらに、階段状ボアの形成は、図３８の開口部に用いることができるウォータージェット・ドリルより高価な超音波ドリル等の使用を必要とする。
【０１１０】
図３８（ｃ）及び図３８（ｄ）に示されるように、図３８（ａ）又は図３８（ｂ）の開口部１５８が形成されると、上述したものと殆ど同じ方法で、活性金属蝋１６２が塗布され、リフローされる。開口部１５８がテーパを有する場合（図３８（ｂ））、活性金属蝋１６２を開口部１５８のより大きい直径端部（すなわち、図３８（ｂ）の上端部）に適用し、その結果、活性蝋１６２が下方に流れるとき、該活性蝋１６２が薄くなり、側壁１６０上に等しいコーティングを保証することができる。
【０１１１】
活性蝋１６２が堆積され（図３８（ｃ））及びリフローされる（図３８（ｄ））と、ピン２２が開口部１５８に挿入され、第２の蝋１６４が適用される（図３８（ｅ））。図３８（ｅ）に示されるように、必要に応じて、ピン２２が基板１４を完全に貫通して延び、該ピン２２が十分な深さまで挿入されることを保証してもよい。次に、基板の一方の側１５４又は他方の側１５６を平坦化することができる（すなわち、研削及び研磨によって（図３８（ｆ））。次に、メタライゼーション・フィルム８８及びボンディング材料９０を堆積させることができ、上述のようにボンディング・プロセスを行なうことができる。
【０１１２】
第３の代替案として、図３８（ｇ）に示されるように、孔１５８内に、蝋付け材料１６２／１６４で形成された固体金属プラグを形成することができる。この場合、ピン２２は、プラグに突合せ溶接されてもよく、又は種々の他の手段によって取り付けられてもよい。ピン２２の代わりに、ワイヤボンド又は他の電気接続部が所望される場所に、この簡単な金属充填方法を用いることもできる。
【０１１３】
第４の代替案として、業界において周知の方法で、孔１５８を導電性の同時焼成（ｃｏｆｉｒｅｄ）メタライゼーション部で充填することができ、そのことにより、図３８（ｂ）に類似した外観がもたらされる。ピン２２は、蝋付け又は他の周知の方法で、同時焼成メタライゼーション部に取り付けることができる。
【０１１４】
組立体
図１及び図６に示される構造体を組み立てるために、一実施形態において、基板１４が準備され、基板内に開口部１５８が形成される。次に、開口部１５８上に又はこれに隣接して、事前メタライゼーション層１６２（すぐ上に説明され、図３７及び図３８に示される）が堆積され、メタライゼーション層８８及びボンディング層９０が、基板１４の周方向方向面上に堆積される（「基板の取り付け」と題するセクションに説明され、図３３に示される）。次に、基板１４は、リング１８に蝋付けされる（「基板の取り付け」と題するセクションに説明され、図３４及び図３５に示される）。基板１４がリング１８に蝋付けされる前、蝋付けされた後、又は蝋付けされると同時に、図３７及び図３８に示されるように、ピン２２は、蝋付け材料１５８によって基板１４に蝋付けされる。
【０１１５】
次に、図３５に示される、「センサ・ダイの取り付け」と題するセクションにおけるように、センサ・ダイ１２（「センサ・ダイの製造」という題名のセクションにおいて説明され、図１７に示される）が基板１４に取り付けられる。センサ・ダイ１２及び基板１４が結合された後、ピン２２への電気接続が完成し、結果として得られる組立体が、ベース２０及びリング１８（図１及び図６）内に包装される。
【０１１６】
図１の実施形態において、ベース２０は、これに対して支持を与えるように基板１４のかなりの部分の下方に配置され、かつ、基板１４が比較的高い圧力に耐え得ることを保証する裏当て部分（ｂａｃｋｉｎｇ  ｐｏｒｔｉｏｎ）１７０を含む。必要に応じて、裏当て部分１７０とピン２２との間の空間１７１を高温の埋め込み用樹脂で充填することができる。さらに必要に応じて、裏当て部分１７０は、実質的に金属リング１８内の空間を充填し、基板１４の下面１５６に当接する高温の埋め込み用樹脂と完全に置き換えることができる。対照的に、図６の実施形態においては、基板１４は著しく小さく、よって、表面積がより狭いので、ベース２０は、裏当て支持部分を含まない。さらに、図６の実施形態においては、金属リング１８は、該リング１８（及び基板１４）をベース２０に固定的に結合させるのを可能にするための比較的広いフット部１７２を含む。
【０１１７】
いずれにせよ、基板１４を（半径方向に）囲むリング１８の部分は、比較的薄い厚さをもつことができるので、リング１８は、何らかのコンプライアンスを有し、温度の変動中に撓み、基板１４とリング１８との間の熱膨張係数のいずれの不一致も収容することができる。リング１８の撓みはまた、ベース２０の熱膨張及び収縮に耐えるための付加的なコンプライアンスをもたらすこともできる。基板１４を受けるリング１８の部分の厚さは、基板１４にかかる残留応力、及び、基板１４とベース２０の間に必要とされる応力分離量によって求められるが、一実施形態においては、約０．０１０インチの厚さである。
【０１１８】
リング１８は、基板１４の熱膨張係数に可能な限り緊密に合致するように、比較的低い熱膨張係数を有するべきである。例えば、リング１８及び他のパッケージ材料は、同じ方向の基板１４及び／又はセンサ・ダイ１２の熱膨張係数の約５０％、又は約１００％、或いは約１５０％内である、所定の方向の熱膨張係数を有する。リング１８の材料及び形状は、これらに限られるものではないが、作動、起動、及び冷却中の相対的熱環境、ベース２０及び基板１４の熱膨張係数、振動限界、並びに予想される最大作動圧及び圧力変動を含む要因に基づいて決定される。リング１８は、カンチレバー方式でセンサ・ダイ１２及び基板１４をベース２０から分離するので、ベース２０に適用される又はこれにより生じるいずれの応力も、通常、基板１４に伝えられない。
【０１１９】
一実施形態において、ベース２０及びリング１８は各々、優れた耐腐食性も示す制御された膨張合金である、デラウェア州、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ所在のＣＲＳ  Ｈｏｌｄｉｎｇｓ，Ｉｎｃ．社により販売されているＴＨＥＲＭＯ−ＳＰＡＮ（登録商標）金属合金で作製することができる。しかしながら、必要に応じて、ベース２０及び／又はリング１８は、ステンレス鋼、フランス国パリ所在のＩｍｐｈｙ  Ｓ．Ａ．社の商標であるＩＮＶＡＲ（登録商標）合金、ウェスト・バージニア州Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ所在のＨｕｎｔｉｎｇｔｏｎ  Ａｌｌｏｙｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社の商標であるＮＩ−ＳＰＡＮ−Ｃ（登録商標）合金、又はこのシステムが作動する環境に適した比較的低い熱膨張係数及び耐腐食性を有する他の材料で作製することができる。リング１８は、ベース２０に（すなわち、図１及び図６に示される溶接部１７６に）溶接される。溶接中、パッケージの耐腐食性を損なわないことを確かめるように注意を払うべきである。さらに、溶接ではなく、ベース２０の部品をねじ式又はボルト式取り付け具によって結合し、リング１８をねじ式又はボルト式取り付け具によってベース２０に結合することができる。
【０１２０】
外部接続
電気信号を外部のコントローラ、プロセッサ、増幅器等に伝えるために、結合位置において、ワイヤ２４（その１つが図１及び図６に示される）が、ピン２２の各々に結合される。各ワイヤ２４は、ＮｉＣｒ、又は電気絶縁用シース（ｓｈｅａｔｈ）を有する白金のような種々の材料で作製することができる。各ワイヤ２４の先端部を関連したピン２２の下端部に巻き付け、蝋付けによる取り付けによってこれに結合させることができる。ワイヤ２４の反対端は、細断された充填材料（すなわち、ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌ所在の３Ｍ社によって作製されたＮＥＸＴＥＬ（登録商標）熱障壁、又は他の高融点材料）のような、熱伝導性及び電気絶縁材料１８０を通過し、ワイヤ組立体１９０の可撓性を可能にする。別の実施形態においては、熱伝導性及び電気絶縁材料１８０は、高温セラミック又はガラス埋め込み用樹脂である。
【０１２１】
図１の金属（ニッケル又はステンレス鋼のような）導管１８２が、電気絶縁材料及び／又は熱絶縁材料１８０の周りに配置され、内部に配置されたワイヤ２４にＥＭＩシールドを提供する。金属導管１８２は、蝋付け材料１８６によって、ベース２０の下部１８４に結合される。各ワイヤ２４は、単一の導管１８２を通過する、又は代替的に、各ワイヤ２４は、それぞれの専用導管１８２を通過することができる。各ワイヤ２４は、電気絶縁材料で被覆し、絶縁材料１８０によって適所に保持することができる。各導管１８２は、剛性の導管の形態をとることができ、或いは編組み金属ワイヤ等のような可撓性材料の形態をとることもできる。導管１８２が可撓性材料であるとき、蝋付け材料１８６を用いることができず、代わりに、何らかの他の許容可能な取り付け手段を用いることができる。
【０１２２】
図３９及び図４０に示される組立体は、ピン２２をワイヤ２４に電気的に接続するための組立体を示す。図３９に示されるように、多数のワイヤ２４（すなわち、示される実施形態においては３本の）が、金属導管１９０内に含まれる。各ワイヤ２４は、熱絶縁用シース及び電気絶縁用シース内に個々に覆われており、各ワイヤ２４の端部は、関連したピン２２への電気接続のために露出されている。外側シース１９２は、導管１９０に摺動可能に配置され、導管１９０の周りにスエージ加工される下端部から、ベース２０の下側と嵌合するような形状にされた比較的広い口部１９６まで外方に広がっている。
【０１２３】
電気接続を完成させるために、各ワイヤ２４の露出された部分が、関連したピン２２（その１つだけが図３９に示される）に蝋付けされる。次に、シース１９２は、ベース２０と嵌合するまで、導管２０に沿って上方に摺動され、溶接１９８（図４０）などによってベースに固定される。シース１９２は、その反対端において、蝋２００等によって導管１９０に固定される。酸化を最小にするために、密封する直前に、シース１９２内の空間を不活性ガスでパージすることができる。
【０１２４】
このように、図３９及び図４０の組み立て方法は、高温の能力により、ピン２２とワイヤ２４との間に密閉された電気接続を提供する。この組み立てはまた、比較的コンパクトな包装も提供し、センサ・パッケージのサイズ全体における相当なサイズ低減を可能にする。ワイヤ２４／導管１９０の反対端には、出力電気接続（すなわち、プロセッサ等への接続）への保護を提供する第２のシース１９２（図示せず）を上に取り付けることもできる。
【０１２５】
必要に応じて、図３９及び図４０に示される取り付け方法を電子機器モジュールにも適用することができる。例えば、図４１に示されるように、電子機器組立体２０２は、シースがその両端に配置された状態で、金属殻２０４内にカプセル封入することができる。この構成は、密閉された金属シース組立体における２つの組立体の電気接続を可能にする。
【０１２６】
使用分野
上述のように、センサ１０及びパッケージを用いて、高頻度の圧力変動を検出するためのマイクロフォンを形成することができる。しかしながら、ここに開示されるパッケージ構造体は、これらに限られるものではないが、加速センサ、温度センサ、放射線センサ、又は化学センサを含むいずれかの高温センサ（動的又は他の方法の）と共に、或いはその一部として用いることができる。例えば、センサ１０及びパッケージは、電気化学感知又は振動感知のいずれか又は両方を用いて環境内に存在する分析物を検出するための化学検出器を形成するために用いることができる。こうした振動センサは、氷、汚染物質、化学物質の存在、材料の堆積、微生物、流体密度等を検出するために、種々の方法で共振の変化を測定する部品として用いることができる。
【０１２７】
トランスデューサ及びパッケージも、圧電抵抗又は容量性感知要素、温度感知要素等を用いるセンサのような種々の他のタイプのセンサと共に、或いはその一部として用いることができる。ここに示される構造体はまた、例えば、機械的入力（すなわち、加速又は振動）を測定するために、又はエネルギーの取り入れ（すなわち、バッテリ等を充電するために振動を電荷に変換する）に用いるために、使用することができる受動構造体として用いることもできる。ここに説明されるアクチュエータ・パッケージの熱保護及び分離機能は、多様な用途及び環境に用いるのに適しており、種々のトランスデューサと共に用いることができる。
【０１２８】
圧電抵抗トランスデューサ−第１の実施形態
本発明は、種々の圧電抵抗トランスデューサの形態をとることもでき、その実施形態が下記に詳細に説明される。図４２に最も良く示されるように、第１の実施形態において、本発明の圧電抵抗トランスデューサが、全体を２１０で示される圧力センサの形態である。センサ２１０は、ベース・ウェハ２１４、キャップ又はキャッピング・ウェハ２１６、及びベース・ウェハ２１４とキャッピング・ウェハ２１６との間に配置されたデバイス・ウェハ２３８を含むウェハ・スタック又はセンサ・ダイ２１２（ここでは基板とも呼ばれる）を含む。ウェハ・スタック２１２は、台座、ヘッダー・プレート、ベース又はヘッダー２１９に結合され、フレーム、カバー、パッケージ・ベース、圧力ケース、取り付け具２２０は、ヘッダー・プレート２１９に結合され、フレーム２２０及びヘッダー・プレート２１９は、全体的にウェハ・スタック２１２を内部にカプセル封入する。フレーム２２０の下部は、圧力ケースと呼ばれることが多く、フレーム２２０の上部は、真空ケースと呼ばれることが多い。
【０１２９】
ヘッダー・プレート２１９は、内部に形成された圧力ポート２２２を含み、導管２２４が圧力ポート２２２に結合されている。圧力ポート２２２及び導管２２４により、関心ある流体が、デバイス・ウェハ２１８のダイヤフラム２２６上に（ウェハ・スタック２１２の第１の面上に）圧力をかけることが可能になる。キャッピング・ウェハ２１６は、ダイヤフラム２２６の反対側（ウェハ・スタック２１２の第２の反対側の面上の）を密封し、ダイヤフラム２２６の反対側の面上に基準圧力（又は、真空）を与える。ダイヤフラム２２６の両端の差圧により、ダイヤフラム２２６が撓み、この撓みは、上に配置された感知部品２３０により検出される。感知部品２３０の出力は、１組のピン２３４に電気的に結合された１組の出力コンタクト２３２を介して、外部プロセッサ、コントローラ、増幅器等に伝えられる。ピン２３４は、ヘッダー・プレート２１９を通って延び、これにより、感知部品２３０の出力信号が、プロセッサ、コントローラ、増幅器等に伝えられる。
【０１３０】
図４３に示されるように、感知部品２３０は、ホィートストン・ブリッジ構成で互いに接続された１組の抵抗器２４０を含むことができる。抵抗器２４０は、１組のリード線２４２によって、互いに結合され、出力コンタクト２３２の組に結合される。抵抗器２４０は、ダイヤフラム２２６上に配置されるので、２つの抵抗器２４０は、ダイヤフラム２２６が所定の方向に撓んだときに主として機械的張力を受け、他の２つの抵抗器２４０は、ダイヤフラム２２６が所定の方向に撓んだときに主として機械的圧縮を受ける。従って、２対の抵抗器は、ダイヤフラム２２６の撓みに応じて、互いに反対の抵抗変化を示す。次に、抵抗変化は、ホィートストン・ブリッジの周知の方法で増幅される。この２対の抵抗器は、ダイヤフラム２２６における配置のため、又はその方向に依存する抵抗特性の配向のため、反対の抵抗変化を示し得る。
【０１３１】
抵抗器２４０は、ｐ−ドープされた又はｎ−ドープされた単結晶シリコンのようなドープされたシリコンで作製することができる。抵抗器２４０がｐ−ドープされたシリコンで作製されるとき、図４３及び図４４に示される構成を用いることができる。抵抗器２４０がｎ−ドープされたシリコンで形成されるとき、図４５に示される構成を用いることができ、そこでは、ｐ−ドープされたシリコンと比べてｎ−ドープされたシリコンの異なる指向感度のために、抵抗器２４０は、図４４の位置から約４５度回転されている。図４５の抵抗器２４０は４５度回転されているので、図４５の抵抗器２４０は、フォトリソグラフィを用いるとき、形成するのがより困難である。さらに、ｐ-型抵抗器は、一般に、ｎ−型抵抗器と比べてあまり温度に依存していず、よって、ｐ−型抵抗器を用いることが望ましい。必要に応じて、出力コンタクト２３２及びリード線２４２、又はそれらの部分を抵抗器２４０と同じ材料（すなわち、ドープされたシリコン）で形成することができる。
【０１３２】
１対の出力コンタクト２３２が温度センサ２３１の反対側へのリード線を介して結合されるように、温度感受性抵抗器のような温度センサ２３１をデバイス・ウェハ２１８上に配置することができる。温度センサ２３１は、感知部品２３０の出力を分析するとき、コントローラ、プロセッサ、増幅器が温度補償技術を用いることを可能にする。
【０１３３】
図４２のウェハ・スタック２１２を形成するための１つのプロセスが、図４６−図５６に示され、下記に説明されるが、このプロセスにおいて異なるステップを用い得ること、或いは、本発明の範囲から逸脱することなく完全に異なるプロセスを用い得ることを理解すべきである。従って、ここに示される製造ステップは、ウェハ・スタック２１２を製造することができる１つの方法にすぎず、ここに説明される各ステップの順序及び詳細は変わることがあり、又は他のステップを用いることができ、或いは当業者には周知の他のステップと置き換えることができる。バッチ製造プロセスを用いることができるが、説明を明確にするために、図４５−図５６は、単一のウェハ・スタック２１２の形成のみを示す。
【０１３４】
一般に、図の種々の層の陰影付けは、図４５−図５６その他の場所の図面全体にわたってほぼ一貫した方法で保持されるが、多数の部品及び材料のために、材料又は層の陰影付けは、種々の図面間で異なり得ることにも留意すべきである。さらに、図４５−図５６は、製造中のウェハの概略的な断面を表すものであり、特定の部品の位置は、必ずしも真の断面に対応しないことがある。
【０１３５】
図４６に示されるように、プロセスは、両面が研磨された、直径３インチ又は４インチの（又は、それより大きい）ウェハのような半導体オン・インシュレータ・ウェハ２４４で始まる。ＳＯＩウェハ２４４は、ベース又はバルク層２４６及びデバイス層２４８を含み、電気絶縁層２５０がこれらの間に配置されている。一実施形態において、デバイス層２４８は、約０．３４ミクロンの厚さを有する単結晶シリコンであるが、デバイス層２４８は、約０．０５ミクロンから約１ミクロンまでの間、約１ミクロン未満、又は約１．５ミクロン未満、又は約０．５ミクロン未満、又は約０．０５ミクロンより大きいといった、種々の厚さを有することができる。デバイス層２４８の厚さは最終的に抵抗器２４０の厚さを決定するので、デバイス層２４８の厚さを注意深く選択すべきである（必要に応じて、後の処理ステップ中にデバイス層２４８の厚さを低減させることもできるが）。
【０１３６】
デバイス層２４８は、（１００）結晶配向を有することができる。必要に応じて、デバイス層２４８は、圧電抵抗性の他の材料で作製することができ、或いはポリシリコン又は炭化シリコンのように、圧電抵抗性にすることができる。デバイス層２４８が、ポリシコンではなく、単結晶半導体材料（すなわち、シリコン）で作製されているとき、結晶粒成長により引き起こされたデバイス層２４８の欠陥及び粒子境界におけるドーピング分離（ｄｏｐｉｎｇ  ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）が回避される。
【０１３７】
デバイス層２４８が十分に薄いとき（すなわち、約０．５ミクロン未満、又は１．５ミクロン未満、又は約５ミクロン未満）、デバイス層を形成するための特別の技術を用いることができる。例えば、薄いデバイス層は、より厚いウェハの面にイオンを打ち込み、ガス状の微小気泡のサブレイヤを画定することによって、より厚い出発ウェハ（図示せず）から形成することができる。次に、より厚いウェハは、微小気泡の線に沿って分離され、薄いデバイス層２４８を形成し、次に、この薄いデバイス２４８が絶縁層２５０上に堆積されて、ＳＯＩウェハ２４４を形成する。こうしたプロセスは、その内容全体がここに組み入れられるＢｒｕｅｌへの特許文献１に概説される。こうしたプロセスは、フランス国Ｂｅｒｎｉｎ所在のＳ．Ｏ．Ｉ．ＴＥＣ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｓ．Ａ．社により提供される商標ＳＭＡＲＴ  ＣＵＴ（登録商標）の下でも提供される。従って、デバイス層２４８は、より厚いウェハの水素イオン層間剥離によって形成又は提供することができる。このウェハ２４４の形成方法は、均一の厚さを有するデバイス層２４８をもたらし、そのことが製品収量を増加させる。このウェハ形成方法はまた、優れたドーピング均一性をもたらし、例えば、ポリシリコンと比べて改善された高温での熱安定性を有するシリコンの使用を可能にする。
【０１３８】
ベース層２４６は、シリコン、又はデバイス層２４８について上に列挙した他の材料のような種々の材料で作製することができる。ベース層２４６は、約１００ミクロンから約１，０００ミクロンまでの間、より特定的には約５００ミクロンのような種々の厚さを有することができる。ベース層２４６は、ウェハ２４４に対して構造的支持を与えるのに十分な厚さにすべきである。一実施形態においては、ベース層２４６は、容易なエッチングを可能にするように、（１００）結晶配向を有する単結晶シリコンである。
【０１３９】
絶縁層２５０は、いずれの種々の材料のものとしてもよく、典型的には二酸窒化シリコンである。絶縁層２５０は、主としてエッチング停止部として働き、ウェハ２４４への電気絶縁も与える。絶縁層２５０はまた、ｐ−ｎ接合型デバイスと関連した漏洩効果なしに（すなわち、ベース層２４６を通過する電流のために）、センサ２１０が非常に高い温度で機能するのを可能にする。絶縁層２５０は、約０．５ミクロンから約１．５ミクロンまでの間といった種々の厚さを有することができ、典型的には約１ミクロンの厚さである。
【０１４０】
ウェハ２４４が準備された後、後のドーピングを助けるために、デバイス層２４８の上及びウェハ２４４（図４７）の下部上に、２００オングストロームの厚さの熱酸化物のような熱酸化物２５２が堆積される。次に、デバイス層２４８は、ｐ−ドープ又はｎ−ドープのいずれかによってドープされる（図４７の矢印で概略的に示される）が、ｐ−ドープは、上に概説したように特定の利点をもたらすことができる。デバイス層２４８を最高レベルの溶解度までドープすることができ、高用量イオン注入又はホウ素拡散によるなどの種々の方法によって、ドーピングを行なうことができる。一実施形態においては、デバイス層２４８は、約１４オーム−ｃｍから約３０オーム−ｃｍまでの間のドーピング後抵抗を有することができる。
【０１４１】
次に、ウェハ２４４をアニールして、ドーピング・プロセスを完了させる。一実施形態においては、ウェハ２４４を、約１５分間、Ｎ2の環境において約１０５０℃の温度でアニールする。次に図４８に示されるように、熱酸化物層２５２が除去され、低圧化学気相成長（「ＬＰＣＶＤ」）又は他の適切な堆積プロセスによって、ウェハ２４４の両側の上に窒、化シリコンのようなマスク材料２５４が堆積される。窒化シリコン２５４は、種々の厚さを有することができ、一実施形態においては、約１５００オングストロームの厚さである。次に、図４９に概略的に示されるように、窒化シリコン２５４の上層が、抵抗器２４０、出力コンタクト２３２、及びリード線２４２の所望の形状でパターン形成される（又はパターン化された形状に堆積される）。次に、デバイス層２４８の露出された部分が除去される。次に、図５０に示されるように、窒化シリコン２５４の上層が除去されて、デバイス層２４８の残りの部分を露出させる。
【０１４２】
図５１に示されるように、次に、ＰＥＣＶＤなどによって、ウェハ２４４の上部に、二酸化シリコン２５８が被覆される。次に、二酸化シリコン２５８の部分が除去されて（図５２）、下にある出力コンタクト２３２の部分を露出させ、出力コンタクト２３２を完成することができる。示される領域２３１において、二酸化シリコン２５８及び絶縁層２５０の部分も除去され、ベース層２４６を露出させ、基板コンタクト２６０のための位置を提供する（図４２及び図５３を参照されたい）。基板コンタクト２６０は、ベース層２４６への電気的接触を提供し、ウェハ２４４／センサ・ダイ２１２における電圧上昇を回避し、これによりノイズが低減される。
【０１４３】
次に、二酸化シリコン２５８の開口部内にメタライゼーション層が堆積され、基板コンタクト２６０及び出力コンタクト２３２を形成／完成する。メタライゼーション層は、「メタライゼーション層」と題するセクションで上述されたものと同じメタライゼーション層８８とすることができる。従って、一実施形態において、堆積されたままのメタライゼーション層８８は、下部タンタル層を含み、窒化タンタル層がタンタル層上に配置され、上部白金層が窒化タンタル層上に配置されている。メタライゼーション層８８は、リフトオフ・レジスト（「ＬＯＲ」）によって、又はシャドー・マスキング・スパッタリング技術によってパターン形成することができる。
【０１４４】
メタライゼーション層８８は、高温に耐えることができ、そのように高温に曝された後も依然として溶接することができる面を提供する。例えば、ベース・ウェハ２１４、デバイス・ウェハ２１８、及びキャッピング・ウェハ２１６が互いに結合されたとき、並びに、ウェハ・スタック２１２がヘッダー・プレート２１９に結合されたとき、メタライゼーション層８８を高温に曝すことができる。しかしながら、メタライゼーション層８８の構成により、センサ２１０の作動中に高温に曝されたとき、該メタライゼーション層８８が十分に導電性のままであり、その接着強度を保持し、こうした温度に曝された後に金属学的に安定したままであることが可能になる。
【０１４５】
次に、図５４に示されるように、ウェハ２４４の底部上の熱酸化物２５２がパターン形成され、抵抗器２４０の下方に配置されたベース層２４６の一部分を露出させる。次に、ベース層２４６の一部分をエッチングして、ダイヤフラム２２６と、ダイヤフラムの下方に配置されたキャビティ２６２とを定める（図５５）。このエッチング・ステップは、ＤＲＩＥ、ＫＯＨエッチング、又は様々な他のエッチング方法のいずれかによって行なうことができる。次に下部の熱酸化物層２５２が除去される。
【０１４６】
ダイヤフラム２２６は、平面図において円形又は正方形などの種々の形状を有することができ、一実施形態においては、約０．２５ｍｍ2から約９ｍｍ2までの間の表面積を有する。ダイヤフラム２２６は、約１ミクロンから約２００ミクロンまでの間の、又は約２００ミクロン未満の、又は約１ミクロンより大きい、又は約８ミクロンより大きい、又は約３０ミクロンより大きい、又は約１５０ミクロン未満の厚さにエッチングすることができる。
【０１４７】
図５５Ａに示されるように、代替的な実施形態においては、ウェハ２４４は、付加的な埋込み酸化物層２６４を含む。埋込み酸化物層２６４は、ダイヤフラム２２６を形成するために、ベース層２４６のエッチングの際、エッチング停止部として用いることができる。このように、埋込み酸化物層２６４は、一貫したダイヤフラム２２６の厚さを保証するのを助ける。図５５Ａには図示されていないが、必要に応じて、酸化物層２６４の露出された部分を除去し、酸化物層２６４がダイヤフラム２２６にかける熱応力を低減させることができる。
【０１４８】
デバイス・ウェハ２１８が形成された後、次に、ベース・ウェハ２１４が準備される（図５６）。ベース・ウェハ２１４は、ＫＯＨエッチングを行なって貫通孔２６５を形成する、８００ミクロンの厚さのシリコン・ウェハとすることができる。キャッピング・ウェハ２１６も準備され、キャッピング・ウェハ２１６は、ＫＯＨ又はＤＲＩＥエッチングを行なってキャビティ２６６を形成する、シリコン・ウェハとすることができる。次に、ベース・ウェハ２１４、デバイス・ウェハ２１８、及びキャッピング・ウェハ２１６を互いに結合することによって、ウェハ・スタック２１２が形成される。ウェハ２１４、２１６、及び２１８が位置合わせされ、ガラス・フリット取り付け層２２１（図５６）又は他の許容可能な接合方法を用いて互いに結合される。ガラス・フリット取り付けは、十分試験済みの予測可能な取り付け方法である。プラズマ強化溶融ボンディングを用いて、ウェハ・スタック２１２を接合することもできる。プラズマ強化溶融ボンディングにより、３００℃の温度でウェハ・スタック２１２を形成することが可能になり、そのことにより、電子機器／圧電抵抗材料への損傷を低減させることができる。
【０１４９】
ウェハ・スタック２１２が形成されると、約７５０℃のボンディング温度で形成されたＩｎＣｕＡｇ蝋付け材料（図４２を参照されたい）などによって、スタック２１２がヘッダー・プレート２１９に結合される。ＩｎＣｕＡｇ蝋付け材料を用いる以外に、他の共晶ボンディング材料（すなわち、金／ゲルマニウム共晶）、又は４４０℃以上の焼成温度を有する伝導性ガラス転写テープ、６００℃以上の焼成温度を有する非伝導性ガラス・フリット、又は７０５℃以上の共晶液体温度を有するＩｎＣｕＡｇ合金ベースの蝋付けプリフォーム（ｂｒａｚｉｎｇ  ｐｒｅｆｏｒｍ）のような、他の高温蝋付け材料を用いることもできる。６００℃から６５０℃までの間の硬化温度を有する、Ｌ１０１０２グラス・フリットを用いることもできる。スタック２１２を台座に取り付ける材料は、５００℃において８００ｐｓｉｇより大きい圧力に耐えることができる。
【０１５０】
取り付け材料２７０として用いられるガラス転写テープは、下部のポリエチレン・キャリア片、キャリアの上部に配置されたガラス層、ガラス層の上の有機接着層、及び剥離紙の上部層を含む標準的なサンドイッチ型構造のものにすることができる。従って、接合部２７０は、約６００℃から約６５０℃までの間の硬化温度で形成することができ、約４００℃、又は約５００℃、或いは約５５０℃で安定した機械的特性を有する。
【０１５１】
上述したように、メタライゼーション層８８は、シリコンに対して接着力が良く、６００℃までの温度で安定した電気的特性を有し、少なくとも７２５℃又は７５０℃までの温度に耐えることができる。従って、メタライゼーション層８８は、ウェハ２１４、２１６、２１８の互いへの取り付け、及び、ウェハ・スタック２１２のヘッダー・プレート２１９への取り付けを存続できなければならない。
【０１５２】
しかしながら、場合によっては、比較的高温のボンディング・プロセスによって、ベース・ウェハ２１２とデバイス・ウェハ２１８を接合し、及び／又は、デバイス・ウェハ２１８とキャッピング・ウェハ２１６を接合することによって、ウェハ・スタック２１２を形成することができる。この場合、ボンディング温度は十分に高いものであり、メタライゼーション層８８又はウェハ・スタック２１２上の他の感受性部品は、高温に耐えることができない。この場合、ウェハ・スタック２１２が部分的に又は完全に形成された後（すなわち、ベース・ウェハ２１４及びデバイス・ウェハ２１８、及び／又は、デバイス・ウェハ２１８及びキャッピング・ウェハ２１６が接合された後）、メタライゼーション層８８を堆積させることができる。
【０１５３】
上述され、図４２に示されるように、センサ２１０は、センサ２１０の出力を伝えるように、各々がワイヤ２７２によって出力コンタクト２３２に結合されている複数のピン２３４を含む。ワイヤ２７２は、白金で作製することができ、約２５ミクロンから約７５ミクロンまでの間の直径を有することができる。各ワイヤ２７２は、一方の端部を白金ピン２３４に、或いは、他方の端部を関連した出力コンタクト２３２にスポット溶接又はウェッジ接合することができる（すなわち、本出願の目的のために、両方とも「ワイヤ・ボンディング」であると考えられる）。ウェッジ・ボンディングは、周知のプロセスであり、ワイヤ２７２を溶接される面の上に押し付け、超音波エネルギーを適用して接合を完了させることを含む。
【０１５４】
ピン２３４は、白金で被覆されたＫＯＶＡＲ（登録商標）合金又は固体白金のような種々の材料で作製することができる。ピン２３４が、白金めっきの代わりに固体白金であるとき、ワイヤ２７２とピン２３４との間の接合部を損なう可能性があるいずれのニッケルの拡散も排除することができる。さらに、ワイヤ２７２が、通常の金材料の代わりに白金であるとき、白金−白金間のワイヤ・ボンディングを用いることができる（上部層１１０における白金シリサイドの勾配のために、メタライゼーション層８８の上面が主として白金であるため）。ワイヤ２７２が金製であった場合、金がマイグレートし、金−シリコン共晶を形成し、そのことにより、ワイヤ２７２／出力コンタクト２３２が脆くなり、高温で損傷する。従って、白金−白金間のワイヤ・ボンディングにより、高温及び腐食環境に耐える白金の自然能力を利用するための接続が可能になる。
【０１５５】
複数のピン２３４が、ヘッダー・プレート２１９内に取り付けられ、そこを通って延び、セラミック・ガラス、又はガラス・フリット材料２７６、或いは他の許容可能な材料によって適所に保持される。セラミック又はガラス・フリット製フィードスルー（ｆｅｅｄ  ｔｈｒｏｕｇｈ）２７６の使用は、ガラス製フィードスルー材料とは対照的に、より高い温度に耐えることができる材料を提供する。さらに、ガラス・フリット又はセラミック製フィードスルー２７６は、ガラス製ピン・シールと比べてより白金との適合性がある。
【０１５６】
ヘッダー・プレート２１９及び／又はフレーム２２０は、ステンレス鋼、ＩＮＶＡＲ（登録商標）合金、ＫＯＶＡＲ（登録商標）合金、ＮＩ−ＳＰＡＮ−Ｃ（登録商標）合金、窒化アルミニウム、又は比較的低い熱膨張係数を有する他の耐食性材料のような、種々の材料で作製することができる。ヘッダー・プレート２１９及びフレーム２２０は、互いに溶接する、又はねじ込むことができる。
【０１５７】
図５７に示されるように、圧電抵抗センサ２１０の第１の実施形態の代替的なバージョンにおいて、図４２に示されるヘッダー・プレート２１９を図５７の台座組立体２８０と置き換えることができる。台座組立体２８０は、基板１４について上述した材料で作製することができるセラミック基板２８２を含むことができる。この基板２８２は、「基板の取り付け」と題するセクションにおいて上述したものと同じ方法で、リング２８４内に圧縮取り付けすることができる。１組のピン２３４を、基板２８２内に、これを貫通して取り付けることができる。ピン２３４を取り付けるための種々の方法を用いることができるが、一実施形態においては、「ピンの取り付け」と題するセクションにおいて上述した取り付けプロセスを用いることができる。圧力伝達流体をダイヤフラム２２６の裏面に伝えるために、導管２８６を基板２８２内に、これを貫通して取り付けることができる。導管２８６は、ピン２３４と同じ方法で基板２８２内に、及び基板２８２に取り付けることができ、その上端部を平坦化し、研磨して平坦にし、センサ・ダイ２１２をこれに取り付けることが可能になる。センサ・ダイ２１２は、例えば、ガラス・フリット、又は金−ゲルマニウム（又は、他の材料）の過渡的液相接合によって台座組立体２８０に取り付けることができる。
【０１５８】
図５７に示される台座組立体２８０が準備されると、図４２のワイヤ２７２をピン２３４に取り付けることができ、図４２の台座／ヘッダー・プレート２１９と同じ又は類似した方法で、台座組立体２８０をフレーム２２０に結合させることができる。台座組立体２８０は、セラミック基板２８２の使用のために、高温に適合することができ、製造がより容易であり得る。
【０１５９】
上述のように、示される実施形態において、感知部品２３０が、圧電抵抗材料で作製される又は圧電抵抗材料を含む。しかしながら、圧電抵抗材料で作製される以外に、感知部品２３０は、上記に（すなわち、図８−図１７及びそれに付随する説明において）詳細に説明したセンサ１０と同じ又は類似した方法で、圧電材料で作製する又は圧電材料を含むことができ、それにより、動的圧力センサがもたらされる。さらに、下記に述べられた実施形態（「圧電抵抗トランスデューサ−第２の実施形態」及び「圧電抵抗トランスデューサ−第３の実施形態」）における圧電抵抗材料を、圧電材料と置き換え、圧電トランスデューサをもたらすこともできる。しかしながら、これらのセクションで説明されたセンサ／トランスデューサは、圧電センサ／トランスデューサではなく、圧電抵抗センサ／トランスデューサとしてさらなる有用性を有することができ、よって、表題では、これらのトランスデューサを「圧電性」ではなく「圧電抵抗性」と称する。
【０１６０】
圧電抵抗トランスデューサ−第２の実施形態
圧電抵抗トランスデューサ２９２の第２の実施形態が、図５８−図６０に示される。この実施形態においては、図６０に示されるように、センサ・ダイ２９０は、ピン２３４に対して、図４２の実施形態と比べると、ヘッダー・プレート２１９の反対側に取り付けられる。図４２の実施形態においては、ダイヤフラム２２６にかけられる圧力が、センサ・ダイ２１２をヘッダー・プレート２１９から遠ざかるように引っ張る傾向がある。対照的に、図６０の実施形態においては、センサ・ダイ２９０にかけられる圧力は、取り付け接合部２７０を押し付けて圧縮状態にし、これにより、圧力センサ２９２の破壊圧力が大きく増大する。
【０１６１】
図５８−図６０の実施形態のセンサ・ダイ２９０は、一般に、図４２−図５６の実施形態のセンサ・ダイ２１２と同じ構造を有し、これと同じ方法で形成することができる。しかしながら、図５８−図６０のセンサ・ダイ２９０は、ベース・ウェハ２１４を含むことができない。さらに、図５８及び図５９に見られるように、キャッピング・ウェハ２１６は、デバイス・ウェハ２１８を全体的に覆い、出力コンタクト２３２にアクセスできるように、そこを通って形成された１対のスロット２９４を有することができる。各ワイヤ２７２もまた、出力コンタクト２３２にアクセスするためにヘッダー・プレート２１９内に形成された開口部３０９を通過する。
【０１６２】
図６０を参照すると、キャッピング・ウェハ２１６とダイ・ウェハ２１８との間のキャビティ２６６内に、真空／不活性ガス又は基準圧力を封止することができる。さらに、或いは代替的に、キャッピング・ウェハ２１６とヘッダー・プレート２１９との間に配置されたキャビティ３００内に、真空、不活性ガス、又は基準圧力を封止することもできる。この場合、キャッピング・ウェハ２１６は、２つのキャビティ２６６、３００が連通するように内部に形成された開口部（図示せず）を含むことができる。さらに、又はさらに代替的に、真空、不活性ガス、又は基準圧力は、フレーム２２０とヘッダー・プレート２１９との間に配置されたキャビティ３０２内に存在してもよく、このキャビティ３０２は、他の２つのキャビティ２６６、３００と連通することができる。
【０１６３】
図６０の実施形態においては、ピン２３４は、そこを通って部分的にのみ延びるヘッダー・プレート２１９の孔内に取り付けられる。ピン２３４を貫通していない穴に取り付けることにより、ヘッダー・プレート２１９及びフレーム２２０によって画定されたキャビティ３０２が損傷されないことが保証される。図４２の実施形態におけるように、ピン２３４は、グラス・フリット又はセラミック製フィードスルー材料２７６によって取り付けることができる。図６０の実施形態においては、圧力ポート２２４は、センサ・ダイ２９０の下側にあり、キャビティ２０６、３００、３０２の真空又は窒素環境において、全ての電気接続部を保護し、汚染、及び／又はセンサ要素及び電気接続部の酸化を防ぐことができる。
【０１６４】
センサ２９２の出力を伝えるために、白金ワイヤ３０８によって、各ピン２３４が関連した管状フィードスルー３０６に電気的に結合される。各々の管状フィードスルー３０６は、カバー２２０の上端部に結合され、白金で作製することができる。管３０６は、蝋付け等によってフレーム２２０の上端部に結合されたより大きい管又は殻３０９内に配置することができる。殻３０９は、セラミック材料、又はガラス・フリット、又は埋込用樹脂３１０で充填され、各々の管３０６は、蝋付け等によって材料３１０に結合される。
【０１６５】
各ワイヤ３０８は、そのワイヤ３０８の上端部で関連した管３０６に、かつ、他方の端部で関連したピン２３４に蝋付けすることができる。セラミックのようなプラグ材料３１２を各管３０６に挿入し、管３０６を密封することができる。真空シール管３１５を管３０６に隣接して配置し、キャビティ３０２及び／又は３００及び／又は２６６を排気し、絶対圧力の測定を可能にすることができる。周囲環境から密封するために、真空シール管を密封する。図６０に示される管構成３０６は、種々の他のセンサ及びワイヤ３０８の出口経路を胎教するためのパッケージと共に用いることができること、例えば、管構成を図１及び図６に示される圧電センサ及び関連したパッケージと共に用いることができることに留意すべきである。
【０１６６】
ヘッダー・プレート２１９は、ＫＯＶＡＲ（登録商標）、ＡＩＮ、又は上述したような他の耐熱、耐食性材料のような種々の材料で作製することができ、その熱膨張係数（「ＴＥＣ」）が比較的シリコンのものに近くなるように、材料を選択することができる。さらに、示される実施形態においては、１対の応力隔離リング３１４が、ヘッダー・プレート２１９の両側に配置される。応力隔離リング３１４は、ＫＯＶＡＲ（登録商標）、ステンレス鋼、又はヘッダー・プレート２１９と類似した他の材料のような種々の材料で作製することができる。各々の応力隔離リング３１４は、ヘッダー・プレート２１９の上面又は下面上の溝に受けることができ、圧力ケース２２０に溶接することができる。各応力隔離リング３１４は、各応力隔離リング３１４が拡張して又は撓んで、熱的不整合をセンサ・パッケージ／組立体に収容することを可能にするように、比較的薄い壁厚（すなわち、約１０ミル）を有することができる。極めて腐食性の環境においては、ヘッダー・プレート２１９及び／又はリング３１４のＫＯＶＡＲ（登録商標）材料を、ＴＨＥＲＭＯ−ＳＰＡＮ（登録商標）、又は他の膨張が制御された耐熱材料と置き換えることができる。
【０１６７】
圧電抵抗トランスデューサ−第３の実施形態
本発明のセンサの第３の実施形態が、図６１−図６５に示される。この実施形態においては、上述したデバイス・ウェハ２１８と同じ又は類似したデバイス・ウェハ３２０を用いることができる。デバイス・ウェハ３２０は、図４６−図５５に示されるプロセス及びそれに付随した説明によって形成することもできる。図６１に示されるように、デバイス・ウェハ３２０は、隣接する基板３２２に機械的かつ電気的に結合される。デバイス・ウェハ３２０は、上述した第２の実施形態におけるように、センサ３２４の能力を向上させて高圧に適応させるように、デバイス・ウェハ３２０を逆の構成で取り付ける。基板３２２とフレーム２２０との間に配置されたキャビティ３２５、及び／又は基板３２２とデバイス・ウェハ３２０との間のキャビティ３２６内に、基準圧力又は真空又は不活性ガスを配置することができる。さらに、必要に応じて、基板３２２内に開口部３１９を形成し、キャビティ３２５、３２６の連通を可能にする。
【０１６８】
図６２に示されるように、デバイス・ウェハ３２０は、その周囲の周りに延びるフレーム３４０、及びデバイス・ウェハ３２０を横切って横方向に延びる１対のバルクヘッド３４２を含む。フレーム３４０及びバルクヘッド３４２は、上述したメタライゼーション材料８８及びボンディング層９０で作製することができる。その意味では、フレーム３４０及びバルクヘッド３４２は、図３に示されるデバイス・ウェハのフレーム７０及びバルクヘッド７２と同じ材料で作製することができる。
【０１６９】
図６３に示されるように、基板３２２は、図６２のデバイス・ウェハ３２０のフレーム３４０及びバルクヘッド３４２と（サイズ及び形状が）概ね合致するフレーム３４４及びバルクヘッド３４６を含む。フレーム３４４及びバルクヘッド３４６はまた、その上部にボンディング層９０を有するメタライゼーション層８８で作製することもできる。基板３２２はまた、デバイス・ウェハ３２０の出力コンタクト２３２と位置合わせするように構成された１組のコンタクト３４８も含む。この意味で、基板３２２は、上記に述べられ、示された基板１４に類似している。
【０１７０】
デバイス・ウェハ３２０及び基板３２２を接合するために、これらは図６４に示されるように位置合わせされ、フレーム３４０、３４４、バルクヘッド３４２、３４６、及びコンタクト２３２、３４８が位置合わせされる。次に、フレーム３４０、３４４、バルクヘッド３４２、３４６、及びコンタクト２３２、３４８が互いに接触するように、デバイス・ウェハ３２０及び基板３２２を押圧して接触させる。デバイス・ウェハ３２０及び基板３２２は、次に、「センサ・ダイの取り付け」と題するセクションで上述した過渡的液相接合プロセスにおいて接合又は結合される。結果として得られる構造体が、図６５に示される。
【０１７１】
デバイス・ウェハ３２０及び基板３２２が互いに接合された後、フレーム３１０、３４４及びバルクヘッド３４２、３４６は、コンタクト２３２、３７８の周りに密封されたキャビティを形成する。密封されたキャビティは、デバイスの電気部分（すなわち、コンタクト２３２）を圧力部分から分離して、圧力媒体が電気要素又は部品に侵入し、これを汚染／腐食しないことを保証し、同じく電気要素及び部品を高圧から保護する。
【０１７２】
基板３２２は、上述した基板１４と同じ材料で作製される概ねディスク形状のセラミック材料とすることができる。基板３２２は、薄壁の金属リング１８内に圧縮取り付けされる（すなわち、「基板の取りつけ」と題するセクションで上述されたものと同じ方法で）。次に、リング１８は、リング１８及び構造体への支持を提供し、全体としてセンサ３２４を保護するフレーム２２０に取り付けられる。
【０１７３】
１組のピン２３４が、一方の端部でデバイス・ウェハ３２０に、及び、他方の端部で関連したワイヤ３０８に電気的に結合される。各々のピン２３４は、上記の「ピンの取り付け」と題するセクションで上述したように基板３２２に結合することができる。各々のワイヤ３０８は、図６０に示される実施形態と同様に、他方の端部で管３０６に結合される、又はこれを通って延びる。図６１−図６５に示される第３の実施形態においては、コンタクト・パッド２３２へのワイヤ・ボンディングが排除される。その代わり、コンタクト・パッド２３２及びピン２３４への電気的接続を完成させるために。より自動化され、制御され、予測可能なフリップ・チップ・プロセスが用いられる。
【０１７４】
図６６は、図５８−図６０のセンサと図６１−図６５のセンサとの間の多少「混合（ハイブリッド）」である別の実施形態を示す。このセンサにおいては、センサ・ダイ２９０は、図５８−図６０のセンサ・ダイ２９０と類似したものにすることができる。ヘッダー・プレート２１９は、ＡＩＮ、ＫＯＶＡＲ（登録商標）、又は上述のような他の耐熱、耐食性材料で作製することができる。出力コンタクト２３２は、（白金）ワイヤ２７２によってピン２３４に結合される。ヘッダー・プレート２１９は、リング１８内に圧縮取り付けされ、ピン２３４は、平坦化され、図６１に示されるピン２３４と同様に適所に蝋付けされる。この実施形態は、予測可能なワイヤ・ボンディングの技術を、圧縮取り付けされ、分離されたヘッダー・プレート２１９の利点と組み合わせるものである。
【０１７５】
圧電抵抗センサの第１、第２、第３の、及び混合の実施形態は、極めて頑丈なものであり、高い圧力、温度、及び腐食性の環境に耐えることができる。より特定的には、各実施形態は、６００ｐｓｉｇ又は８００ｐｓｉｇまでの圧力に耐えるように設計することができる。第１の実施形態は、６００ｐｓｉｇまでの圧力及び５００℃までの温度に耐えることができる。第２、第３、及び混合の実施形態は、４０００ｐｓｉｇまでの圧力及び４５０℃まで又は５００℃までの温度に耐えることができる。種々の実施形態のセンサもまた、例えば、長時間（すなわち、４０時間まで、又は４００時間まで、或いは４，０００時間まで）にわたって燃焼生成物に直接曝されるといった腐食性環境に耐えることができる。
【０１７６】
ここに開示される種々の圧電抵抗圧力センサ及び圧電圧力センサはまた、必要に応じて、圧力抵抗／圧電感知要素に制限されない種々の他の圧力センサの形態をとることもできる。この場合、ここに開示されたパッケージ、メタライゼーション、接合、ピン取り付け、及び他の構造部は、こうした圧力センサと共に用いることができる。さらに、ここに開示される種々の構造部は、必ずしも圧力センサと共に使用するように制限されるものではなく、例えば、上述した「使用分野」と題するセクションに開示されたように種々のセンサ及びトランスデューサのいずれかと共に用いることができる。
【０１７７】
種々の実施形態を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、その変更及び変形が可能であることは明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７ａ】
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【図３７ｂ】
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【図３７ｃ】
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【図３７ｄ】
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【図３７ｅ】
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【図３７ｆ】
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【図３７ｇ】
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【図３８ａ】
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【図３８ｂ】
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【図３８ｃ】
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【図３８ｄ】
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【図３８ｅ】
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【図３８ｆ】
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【図３８ｇ】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５５Ａ】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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