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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Oberflächenform-Erkennungssensor und
ein Verfahren zu dessen Herstellung und insbesondere einen Oberflächenform-Erkennungssensor
zum Erfassen von feinen dreidimensionalen Mustern wie einem menschlichen
Fingerabdruck und dem Nasenabdruck eines Tiers, sowie ein Verfahren
zu dessen Herstellung.
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Die
Aufmerksamkeit liegt zurzeit auf Sicherheitsverfahren im Rahmen
der Weiterentwicklung der informationsorientierten Gesellschaft
und des Umfelds in der jetzigen Gesellschaft. So haben beispielsweise
Authentisierungsverfahren in der informationsorientierten Gesellschaft
zum Aufbau eines elektronischen Barzahlungssystems und Ähnlichem
an Bedeutung gewonnen. Vor kurzem wurde eingehende Forschungs- und
Entwicklungsarbeit zu Authentisierungsverfahren zum Schutz vor Diebstahl
und betrügerischer
Nutzung von Karten betrieben (z.B. Yoshimasa Shimizu et al.: „Study
on IC Card Having Personal Authentication Function", Technical Report
of IEICE, OFS92-32,
S. 25 – 30(1992)).
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Verschiedene
Authentisierungsverfahren zur Verhinderung der betrügerischen
Nutzung von Fingerabdrücken,
Stimmprofilen und Ähnlichem.
Verschiedene Techniken zur Authentisierung von Fingerabdrücken wurden
entwickelt. Diese Verfahren zur Authentisierung von Fingerabdrücken werden
grob in optische Leseverfahren und Verfahren zum Erfassen von Erhebungen/Vertiefungen
in der Haut eines Fingers eingeteilt, wobei sie unter Verwendung
elektrischer Eigenschaften des Menschen in ein elektrisches Signal
umgewandelt werden.
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Ein
optisches Leseverfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Fingerabdruck
als optische Bilddaten empfangen wird, hauptsächlich durch Verwendung der
Lichtreflexion und eines CCD-Bildsensors, und der Fingerabdruck
zugeordnet wird (Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 61-221883).
Es wurde ein weiteres Verfahren entwickelt, bei dem dünne piezoelektrische
Schichten verwendet werden, um den Druckunterschied zwischen der
Erhebung und der Vertiefung in der Haut eines Fingers abzulesen
(Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 5-61965). Als Verfahren
zum Erfassen eines Fingerabdruckmusters durch Umwandeln von Veränderungen
der elektrischen Eigenschaften bei Berührung der Haut eines Fingers
in eine Verteilung von elektrischen Signalen wurde ein Authentisierungsverfahren
vorgeschlagen, das druckempfindliche dünne Schichten verwendet und
das auf Veränderungsbeträgen von Widerstand
und Kapazität
beruht (Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 7-168930).
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Von
den zuvor beschriebenen Techniken kann das Verfahren, das mit Licht
arbeitet, schwer als kompaktes System umgesetzt werden und ist daher schwer
auf den allgemeinen Zweck anzuwenden. Das heißt, dass die Anwendbarkeit
dieses Verfahrens begrenzt ist. Das Verfahren zum Erfassen der Erhebungen/Vertiefungen
in der Haut eines Fingers durch Verwendung einer druckempfindlichen
dünnen Schicht
erweist sich in der Praxis als schwierig und weist eine schlechte
Zuverlässigkeit
auf, da ein besonderer Werkstoff benötigt wird und schwer zu verarbeiten
ist.
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Es
wurde ein kapazitiver Fingerabdrucksensor auf der Grundlage von
LSI-Herstellungsverfahren entwickelt (Marco Tartagni und Roberto
Guerrieri: „A 390
dpi Live Fingeprint Imager Based on Feedback Capacitive Sensing
Scheme", 1997 IEEE
International Solid-State Circuits Conference, S. 200 – 201 (1997)).
Dies ist ein Verfahren zum Erfassen eines Musters aus Erhebungen/Vertiefungen
in der Haut eines Fingers durch das kapazitive Rückkopplungserfassungsverfahren
unter Verwendung kleiner Sensoren, die zweidimensional auf einem
LSI-Chip angeordnet sind. Dieser kapazitive Sensor ist so ausgestaltet,
dass zwei Platten auf der obersten LSI-Verbindung gebildet sind,
und dass eine Passivierungsschicht auf den Platten gebildet ist.
Wenn die Fingerspitze diesen Sensor berührt, dient die Hautoberfläche als
dritte Platte und ist durch eine Isolierschicht aus Luft von dem
Sensor isoliert. Durch einen Erfassungsvorgang wird ein Fingerabdruck
entsprechend den Unterschieden im Abstand zwischen den Erhebungen/Vertiefungen
in der Haut und dem Sensor erfasst. Diese Anordnung erlaubt eine
Verringerung der Größe, da im
Vergleich zu dem herkömmlichen
optischen Verfahren keine besondere Schnittstelle notwendig ist.
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Die
Herstellung dieses Fingerabdrucksensors erfolgt grundsätzlich durch
Bilden von Sensorelektroden auf einem Halbleitersubstrat und Bilden
einer Passivierungsschicht auf den Sensorelektroden. Bei einem Verfahren,
bei dem dieser Sensor eingesetzt wird, wird die Kapazität zwischen
der Haut und dem Sensor durch die Passivierungsschicht erfasst, um
ein feines Muster aus Erhebungen/Vertiefungen zu erfassen.
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Weitere
kapazitive Fingerabdrucksensoren sind in der US-Patentschrift 4,353,056
offenbart, die auf einer zeitweiligen Verformung einer Kondensatorelektrode
beruhen, nachdem sie die Erhebungen/Vertiefungen der Haut berührt hat.
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Ein
herkömmlicher
kapazitiver Fingerabdrucksensor wird im Folgenden mit Bezug auf
die 24 und 25 kurz
beschrieben. Dieser kapazitive Sensor weist eine Anordnung wie die
auf, die in 24 gezeigt ist. Zuerst wird
eine Verbindung 2403 auf einem Halbleitersubstrat 2401 gebildet,
auf dem LSI-Schaltungen und Ähnliches
gebildet sind, durch eine untere Isolierschicht 2402. Eine
dielektrische Zwischenniveauschicht 2404 wird dann auf
der Verbindung 2403 gebildet.
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Zum
Beispiel sind Sensorelektroden 2406, die jeweils eine rechteckige
ebene Form aufweisen, auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 2404 gebildet.
Jede Sensorelektrode 2406 ist durch einen Einsatz 2405 in
einem Durchgangsloch, das in der dielektrischen Zwischenniveauschicht 2404 gebildet ist,
mit der Verbindung 2403 verbunden. Auf der dielektrischen
Zwischenniveauschicht 2404 ist eine Passivierungsschicht 2407 gebildet,
um die Sensorelektroden 2406 zu bedecken, wodurch Sensorelemente
gebildet werden. Diese Sensorelemente sind zweidimensional angeordnet,
so dass sich die Sensorelektroden 2406 der benachbarten
Sensorelemente nicht gegenseitig berühren.
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Im
Folgenden wird der Betrieb dieses kapazitiven Sensors beschrieben.
Wenn ein Fingerabdruck erfasst werden soll, berührt ein Finger als Zielobjekt
der Fingerabdruckerfassung die Passivierungsschicht 2407.
Wenn der Finger die Schicht auf diese Weise berührt, dient die Haut, die die
Passivierungsschicht 2407 berührt, auf den Sensorelektroden 2406 als
Elektrode. Dadurch bilden sich Kapazitäten zwischen der Haut und den
Sensorelektroden 2406. Die Kapazitäten werden durch die Verbindungen 2403 erfasst.
Ein Fingerabdruck besteht aus den Erhebungen/Vertiefungen in der
Haut des Fingers. Wenn also der Finger die Passivierungsschicht 2407 berührt, ändern sich
die Abstände
von der Haut, die als Elektrode dient, und den Sensorelektroden 2406 entsprechend
den Erhebungen/Vertiefungen, die einen Fingerabdruck bilden. Diese
Abstandsunterschiede werden als Kapazitätsunterschiede erfasst. Durch
das Erfassen einer Verteilung von Kapazitätsunterschieden kann das Muster
der Erhebungen in der Haut des Fingers erhalten werden. Das bedeutet, dass
ein feines Muster aus Erhebungen/Vertiefungen in der Haut durch
diesen kapazitiven Sensor erfasst werden kann.
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Ein
derartiger kapazitiver Fingerabdrucksensor kann in eine kompakte
Form gebracht werden, da im Vergleich zu einem herkömmlichen
optischen Sensor keine besondere Schnittstelle erforderlich ist.
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Dieser
kapazitive Sensor kann zusammen mit einer LSI-Schaltung auf dem
folgenden (LSI-) Chip mit integrierter Schaltung eingebaut werden. Genauer
gesagt, kann der vorstehende kapazitive Sensor auf einem Chip mit
integrierter Schaltung zusammen mit einem Speicherbereich eingebaut
werden, in dem Fingerabdruckdaten zum Zuordnen gespeichert werden,
und mit einem Erkennungsverarbeitungsbereich, der in den Speicherbereich
eingegliedert ist, um Fingerabdruckdaten, die in einem Speicherbereich
aufbereitet werden, mit einem eingelesenen Fingerabdruck zu vergleichen/diesem
zuzuordnen. Die Ausbildung derartiger Bestandteile auf einem Chip
mit integriertem Schaltkreis macht es schwierig, bei der Datenübertragung
zwischen Einheiten unerlaubte Eingriffe an Informationen vorzunehmen,
wodurch die Sicherheitsschutzleistung verbessert wird.
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Da
die Haut als Elektrode verwendet wird, ist eine LSI-Schaltung, die
zusammen mit dem Sensor auf dem Substrat eingebaut wird, gemäß dem zuvor beschriebenen
Sensor jedoch anfällig
für durch
statische Elektrizität
verursachte Beschädigungen,
die erzeugt wird, wenn die Haut den Sensor berührt.
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Daher
ist die Nachfrage nach einem Sensor, der ein feines dreidimensionales
Muster wie einen Fingerabdruck eines Menschen oder den Nasenabdruck
eines Tiers erfasst, sowie nach dessen Herstellungsverfahren entstanden,
wobei Stabilität,
Empfindlichkeit, Zuverlässigkeit
und Ähnliches
des Sensors, Miniaturisierung und Vielseitigkeit berücksichtigt
werden sollen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung löst
das zuvor erwähnte
Problem und hat zum Ziel eine stabile hochempfindliche Oberflächenformerfassung
zuverlässig auszuführen, ohne
Schäden
aufgrund von statischer Elektrizität zu verursachen, die bei dem
Erfassungsvorgang erzeugt wird.
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Um
das zuvor beschriebene Ziel zu erreichen, ist nach einem Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung ein Sensor zum Erkennen der Oberflächenform
eines Zielobjekts bereitgestellt, wobei der Sensor eine Mehrzahl
von Kapazitätsermittlungselementen
mit Sensorelektroden umfasst, die stationär in einer Ebene auf einer
auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten dielektrischen Zwischenniveauschicht angeordnet
sind, wobei die Sensorelektroden voneinander isoliert sind, Kapazitätsermittlungsmittel zum
Erfassen von Kapazitäten
der jeweiligen Kapazitätsermittlungselemente
umfasst, wenigstens eine stationäre
Elektrode umfasst, die auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht
ausgebildet ist und gegenüber
den Sensorelektroden zu isolieren ist; und eine Passivierungsschicht
umfasst, die aus einem isolierenden Element hergestellt und auf
der dielektrischen Zwischenniveauschicht gebildet ist, um die Sensorelektroden
zu bedecken, wobei die stationäre Elektrode
freiliegende Abschnitte an der Oberseite der Passivierungsschicht
aufweist, um zu ermöglichen,
dass das Zielobjekt mit der Oberseite der Passivierungsschicht und
mit der wenigstens einen stationären
Elektrode in Berührung kommt,
um als Gegenelektrode zu dienen, und die Kapazitätsermittlungsmittel ausgebildet
sind, um Kapazitäten
zwischen den Sensorelektroden und der wenigstens einen stationären Elektrode
zu ermitteln.
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Bei
dieser Anordnung ändern
sich die Kapazitäten,
die durch die Kapazitätsermittlungselemente erfasst
werden, entsprechend den Aussparungen ! Vorsprüngen auf der Oberfläche des
Gegenstands, wenn ein zu erkennender Gegenstand den Sensor berührt.
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Wenn
ein zu erkennender Gegenstand den Sensor berührt, dient der Gegenstand als
Gegenelektrode. Während
der Gegenstand die stationäre Elektrode
berührt,
bilden sich Kapazitäten
zwischen der Oberfläche
des Gegenstands und den Sensorelektroden. Bei dieser Anordnung können die
Sensorelektroden und die stationäre
Elektrode aus Kupfer oder Gold hergestellt sein. Die Passivierungsschicht kann
aus Polyimid hergestellt sein. Als dieses Polyimid kann Polybenzoxazol
verwendet werden. Zusätzlich
können
leitende Schutzschichten ausgebildet sein, um die Seitenflächen und
Oberseiten der Sensorelektroden und die Seitenfläche und Oberseite der stationären Elektrode
zu bedecken. Die Schutzschichten können beispielsweise aus Gold oder
Ruthenium hergestellt sein. Außerdem
können die
ersten und zweiten Verbindungen, die mit den Sensorelektroden und
der stationären
Elektrode verbunden sind, unter der dielektrischen Zwischenniveauschicht
auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sein, und die Sensorelektroden
und die stationäre Elektrode
können
durch die ersten und zweiten Verbindungen mit den Kapazitätsermittlungsmitteln
verbunden sein. Außerdem
können
die Kapazitätsermittlungsmittel
zusammen mit den vorstehenden Elementen auf dem Halbleitersubstrat
eingebaut sein.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind bei
dieser Anordnung die freiliegenden Abschnitte auf wenigstens der
Oberseite der Passivierungsschicht als Matrixmuster ausgebildet,
und die Sensorelektroden sind in zentralen Abschnitten quadratischer
Abschnitte angeordnet, die durch die stationäre Elektrode gebildet sind.
Deshalb sind alle Abstände
zwischen den Sensorelektroden und der stationären Elektrode einheitlich ausgestaltet.
Bei dieser Anordnung können,
wenn die stationäre
Elektrode als ein quadratisches Matrixmuster ausgebildet ist, jeder quadratische
Abschnitt das Kapazitätsermittlungselement
bildet, und die Passivierungsschicht eine Stärke von 0,3 μm oder mehr
bis zu 20 μm
oder weniger auf der Sensorelektrode aufweist, die Kapazitäten zwischen
den Sensorelektroden und dem Zielobjekt der Oberflächenformerkennung
erfasst werden, das die Passivierungsschicht auf den Sensorelektroden
berührt.
Wenn der Zustand eines menschlichen Fingerabdrucks erfasst werden
soll, werden die Abstände
zwischen den quadratischen Abschnitten des Matrixmusters der stationären Elektrode
auf 100 μm
oder weniger festgelegt. Bei dieser Anordnung kann die relative
Dielektrizitätskonstante der
Passivierungsschicht beispielsweise im Bereich von 2 bis 7 liegen.
Wenn zum Beispiel ein Werkstoff mit einer relativen Dielektrizitätskonstante
von 4 als Passivierungsschicht verwendet wird, und seine Stärke über jeder
Sensorelektrode auf 2 μm
festgelegt ist, kann jede Sensorelektrode eine quadratische Form
aufweisen, wobei eine Seite eine Länge von 20 μm oder mehr aufweist. Es wird
insbesondere bevorzugt, dass der Abstand zwischen jeder Sensorelektrode
und der stationären
Elektrode, die um sie herum angeordnet ist, 2 μm beträgt.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind die
Oberseite der Passivierungsschicht und die freiliegenden Flächen der
stationären
Elektrode im Wesentlichen eben. Außerdem ist die stationäre Elektrode
bei dem Sensor eine Erdungselektrode.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein
Verfahren zum Herstellen eines Oberflächenform-Erkennungssensors
bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden erster
und zweiter Verbindungen auf einem Halbleitersubstrat, Ausbilden
einer dielektrischen Zwischenniveauschicht auf dem Halbleitersubstrat
und Bedecken der ersten und zweiten Verbindungen, Bilden einer Mehrzahl
von Sensorelektroden auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht,
wobei die Sensorelektroden gegeneinander isoliert sind, Ausbilden
wenigstens einer stationären
Elektrode in der gleichen Ebene, in einer sie von den Sensorelektroden
isolierenden Art und Weise, und Bilden einer aus einer Isolierschicht
hergestellten Passivierungsschicht und Bedecken der Sensorelektroden,
während
Abschnitte der wenigstens einen stationären Elektrode an der Oberseite
freigelegt werden, wobei Kapazitätsermittlungsmittel
zum Ermitteln von Kapazitäten
bereitgestellt sind, die zwischen den Sensorelektroden und der wenigstens
einen stationären
Elektrode auftreten, und die ersten und zweiten Verbindungen gebildet
und mit den Kapazitätsermittlungsmitteln
verbunden sind.
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Deshalb
sind die Sensorelektroden durch die ersten Verbindungen mit den
Kapazitätsermittlungsmitteln
verbunden, und die stationäre
Elektrode ist durch die zweiten Verbindungen mit den Kapazitätsermittlungsmitteln
verbunden.
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Bei
diesem Herstellungsvorgang können
die ersten, zweiten und dritten Metallschichten aus Kupfer und/oder
Gold hergestellt sein. Nachdem die Sensorelektroden und die stationäre Elektrode
gebildet sind, können
außerdem
Schutzschichten gebildet werden, die leitend sind und die die Seitenflächen und
Oberseiten der Sensorelektroden und der stationären Elektrode bedecken. Die
Schutzschichten können
aus Ruthenium hergestellt sein. Die Passivierungsschicht kann aus
Polyimid hergestellt sein. Als dieses Polyimid kann Polybenzoxazol
verwendet werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine Schnittansicht, die die Anordnung eines Kapazitätsermittlungselements
eines Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß einem ersten
Vergleichsbeispiel zeigt;
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1B ist
eine Draufsicht, die die Anordnung des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß dem ersten
Vergleichsbeispiel zeigt;
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2 ist
eine Draufsicht, die die Anordnung eines Teils des Oberflächenform-Erkennungssensors gemäß dem ersten
Vergleichsbeispiel zeigt;
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3A bis 3K sind
Ansichten, die die Schritte bei einem Verfahren zur Herstellung
des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß dem ersten
Vergleichsbeispiel zeigen;
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4A bis 4F sind
Schnittansichten, die die Schritte bei einem anderen Verfahren zur
Herstellung des Oberflächenform-Erkennungssensors gemäß dem ersten
Vergleichsbeispiel zeigen;
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5 ist
eine Schnittansicht, die noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung
des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß dem ersten
Vergleichsbeispiel zeigt;
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6 ist
eine Schnittansicht, die die Anordnung eines Kapazitätsermittlungselements
eines Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß einem zweiten
Vergleichsbeispiel zeigt;
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7A bis 7I sind
Schnittansichten, die die Schritte bei einem Verfahren zur Herstellung
des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß dem zweiten
Vergleichsbeispiel zeigen;
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8 ist
eine Schnittansicht, die ein Kapazitätsermittlungselement eines
Oberflächenform-Erkennungssensor
gemäß einem
dritten Vergleichsbeispiel zeigt;
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9A bis
9H sind Schnittansichten, die die Schritte bei einem Verfahren zur
Herstellung des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß dem dritten
Vergleichsbeispiel zeigen;
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10 ist
eine Schnittansicht, die die Anordnung eines Kapazitätsermittlungselements
eines Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11A bis 11F sind
Schnittansichten, die die Schritte bei einem Verfahren zur Herstellung des
Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigen;
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12A und 12B sind
Schnittansichten, die die Anordnung eines Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
zeigen;
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12C ist eine Draufsicht, die die Anordnung des
Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der zweiten
Ausführungsform
zeigt;
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13A bis 13I sind
Ansichten, die die Schritte bei einem Verfahren zur Herstellung
des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der zweiten
Ausführungsform
zeigen;
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14 ist
eine Schnittansicht, die die Anordnung eines Kapazitätsermittlungselements
eines Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß einer dritten
Ausführungsform
zeigt;
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15A bis 15F sind
Schnittansichten, die die Schritte bei einem Verfahren zur Herstellung des
Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der dritten
Ausführungsform
zeigen;
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16 ist
eine Schnittansicht, die die Anordnung eines Kapazitätsermittlungselements
eines Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß einer vierten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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17A bis 17D sind
Schnittansichten, die die Schritte bei einem Verfahren zur Herstellung des
Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der vierten
Ausführungsform
zeigen;
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18 ist
eine Schnittansicht, die schematisch die Anordnung eines Kapazitätsermittlungselements
des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der vierten
Ausführungsform
zeigt;
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19 ist
ein Schaubild, das das Ergebnis zeigt, das durch Simulation des
Verhältnisses
einer Kapazität
Cf zu einem Abstand L zwischen einer Sensorelektrode und einer Erdungselektrode
bei dem in 18 dargestellten Oberflächenform-Erkennungssensor
erhalten wird;
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20 ist
ein Schaubild, das die Korrelation zwischen L und Wo in
dem in 18 dargestellten Oberflächenform-Erkennungssensor
zeigt;
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21 ist
ein Schaubild, das die Korrelation zwischen L, Wo und
d in dem in 18 dargestellten Oberflächenform-Erkennungssensor
zeigt, wenn die relative Dielektrizitätskonstante einer Passivierungsschicht
auf 2 festgelegt ist;
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22 ist
ein Schaubild, das die Korrelation zwischen L, Wo und
d in dem in 18 dargestellten Oberflächenform-Erkennungssensor
zeigt, wenn die relative Dielektrizitätskonstante der Passivierungsschicht
auf 4 festgelegt ist;
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23 ist
ein Schaubild, das die Korrelation zwischen L, Wo und
d in dem in 18 dargestellten Oberflächenform-Erkennungssensor
zeigt, wenn die relative Dielektrizitätskonstante der Passivierungsschicht
auf 7 festgelegt ist;
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24 ist
eine Schnittansicht, die schematisch die Anordnung eines Kapazitätsermittlungselements
eines herkömmlichen
Oberflächenform-Erkennungssensors
zeigt; und
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25 ist
eine Draufsicht, die schematisch die Anordnung des herkömmlichen
Oberflächenform-Erkennungssensors
zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Vergleichsbeispiele und die Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen
ausführlich beschrieben.
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Erstes Vergleichsbeispiel
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1A und 1B zeigen
einen Oberflächenform-Erkennungssensor
(ein Kapazitätsermittlungselement)
gemäß dem ersten
Vergleichsbeispiel. Beispielsweise sind eine Sensorelektrode 105 mit
einer Größe von 80 μm im Quadrat,
die aus Kupfer besteht, und eine Hilfselektrode (stationäre Elektrode) 106 auf
einer dielektrischen Zwischenniveauschicht 103 gebildet,
die auf einer Isolierschicht 101 gebildet ist. Es ist zu
beachten, dass die Isolierschicht 101 auf einem Halbleitersubstrat
gebildet ist, auf dem integrierte Schaltungen wie eine Erfassungseinheit 110 (wird
später
beschrieben) und Verarbeitungsmittel (nicht gezeigt) gebildet sind.
Ein Kapazitätsermittlungselement
(im Folgenden als Sensorelement bezeichnet) muss nicht immer genau
eine Sensorelektrode 105 aufweisen, sondern kann eine Mehrzahl völlig übereinstimmender
Sensorelektroden aufweisen.
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Wie
in 1B gezeigt ist, ist die Hilfselektrode 106 als
ein Matrixmuster ausgebildet, das aus quadratischen Abschnitten
besteht, die jeweils eine Größe von 100 μm im Quadrat
aufweisen. Die Sensorelektrode 105 ist in dem zentralen
Abschnitt jedes quadratischen Abschnitts angeordnet. Die Hilfselektrode 106 weist
etwa 300 × 300
quadratische Abschnitte auf. Das bedeutet, dass 300 × 300 Sensorelektroden 105 in
Form einer Matrix angeordnet sind.
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Eine
Aluminiumverbindung 102a ist auf der Isolierschicht 101 gebildet,
um durch eine Sperrschicht 104 aus Titannitrid mit der
Sensorelektrode 105 verbunden zu werden. In diesem Fall
besteht die Sensorelektrode 105 aus einer unteren Elektrode 105a,
die eine Stärke
von etwa 0,1 μm
aufweist, und einer oberen Elektrode 105b, die eine Stärke von etwa
0,3 μm aufweist
und auf der unteren Elektrode 105a ausgebildet ist. Die
untere und die obere Elektrode 105a und 105b bestehen
aus Kupfer. Wie später
beschrieben wird, muss die Sensorelektrode 105 nicht in
diese beiden Bestandteile aufgeteilt sein.
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Ebenso
ist eine Aluminiumverbindung 102b auf der Isolierschicht 101 gebildet,
um durch die Sperrschicht 104 aus Titannitrid mit der Hilfselektrode 106 verbunden
zu werden. Die Hilfselektrode 106 besteht aus einer unteren
Elektrode 106a, die aus Kupfer besteht und eine Stärke von
0,2 μm aufweist, und
aus einer Elektrodensäule
(Stützelement) 106b, die
aus Kupfer besteht und eine Stärke
von etwa 5 μm
aufweist und die auf der unteren Elektrode 106a ausgebildet
ist.
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Eine
Metallschicht 105c aus Gold und eine Schutzschicht 106c werden
auf der Oberseite 25 der Sensorelektrode 105 beziehungsweise
der Hilfselektrode 106 gebildet. Es ist zu beachten, dass
die Sperrschicht 104 gebildet ist, um die Diffusion z.B. von
Kupfer einzuschränken,
und nicht auf Titannitrid beschränkt
ist. Die Sperrschicht 104 kann aus einem anderen leitenden
Werkstoff als Titannitrid bestehen, der in der Lage ist, wechselseitiges
Diffundieren einzuschränken,
z.B. Chrom, Wolfram, Tantal oder ein Nitrid dieser Elemente.
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Eine
Gegenelektrode 107 ist annähernd auf der gesamten Oberseite
der matrixartigen Hilfselektrode 106 (Schutzschicht 106c)
ausgebildet. Die Gegenelektrode 107 biegt sich mindestens
in dem zentralen Abschnitt jedes quadratischen Abschnitts der Hilfselektrode 106 nach
unten. Zum Zweck einer einfachen Herstellung (wird später beschrieben)
weist die Gegenelektrode 107 ein maschenartiges Muster mit
Löchern
auf, die jeweils eine Größe aufweisen, die
kleiner ist als die der Hilfselektrode 106. Eine Schicht 108 mit
Vorsprüngen 108a in
den zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte der
Hilfselektrode 106 ist mit/an der Gegenelektrode 107 verbunden/befestigt.
Mit den Vorsprüngen 108a auf
der Oberfläche
der Schicht 108 gelangen die zentralen Abschnitte der jeweiligen
Sensorelemente an die höchste
Stelle, um die Empfindlichkeit zu verbessern. 2 zeigt
den Oberflächenform-Erkennungssensor
von oben gesehen. Das heißt,
eine Mehrzahl Vorsprünge 108a sind
auf der Oberfläche
gebildet, die ein Gegenstand berührt.
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Eine
Mehrzahl Erfassungseinheiten 110 ist durch die Verbindungen 102a und 102b,
die zuvor beschrieben worden sind, mit den Sensorelektroden 105 beziehungsweise
den Hilfselektroden 106 verbunden. Diese Erfassungseinheiten 110 erfassen
die Kapazitäten,
die sich zwischen den Hilfselektroden 106 und den Sensorelektroden 105 bilden,
und geben Signale aus, die den Kapazitäten entsprechen. Die Ausgangssignale
der jeweiligen Erfassungseinheiten 110 werden von einem
Verarbeitungsmittel (nicht gezeigt) verarbeitet. Dieses Verarbeitungsmittel
wandelt die Kapazitäten,
die durch die jeweiligen Sensorelektroden 105 gebildet
werden, in Rasterbilddaten um. In diesem Fall muss nicht jede Erfassungseinheit 110 unter
der entsprechenden Sensorelektrode 105 ausgebildet sein,
wie in 1A gezeigt ist, sondern kann
in einem anderen Bereich ausgebildet sein. Außerdem muss eine Erfassungseinheit 110 nicht
für ein
Sensorelement hergestellt sein und kann mit einer Mehrzahl von Sensorelementen
verbunden sein.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor,
der die vorstehende Anordnung aufweist, werden die Vorsprünge 108a in Übereinstimmung
mit dem Fingerabdruckmuster des Fingers nach unten gedrückt, wenn
die Fingerspitze die Oberseite der Schicht 108 berührt. Als
Folge davon biegt sich die Gegenelektrode 107 in den entsprechenden
Abschnitten auf die Sensorelektroden 105 zu. Die Kapazitäten, die
sich zwischen den Sensorelektroden 105 und der Gegenelektrode 107 gebildet
haben, ändern sich
in den gebogenen Abschnitten. Das heißt, wenn der Finger auf die
Schicht 108 gelegt wird, ändern sich die Kapazitäten an den
jeweiligen Sensorelektroden 105 in Übereinstimmung mit dem Fingerabdruckmuster
(Aussparungen/Vorsprünge).
Die jeweiligen Kapazitäten,
die sich verändert
haben, werden von den Erfassungseinheiten 110 erfasst.
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Wenn
das Verarbeitungsmittel Rasterdaten entsprechend der jeweiligen
Kapazitäten
erzeugt, die an den Sensorelektroden 105 erfasst wurden,
kann das Fingerabdruckmuster wiedergegeben werden. Wenn beispielsweise
300 × 300
Sensorelektroden 105 in 100 μm-Abständen angeordnet sind, kann
ein Bild des Fingerabdrucks mit 300 × 300 Punkten bei einer Auflösung von
etwa 250 Punkten je Zoll gewonnen werden.
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Obwohl
dies in 1A nicht gezeigt ist, ist eine
integrierte Schaltung, in der ein Speicherbereich, der Fingerabdruckdaten
zum Zuordnen speichert, ein Erkennungsverarbeitungsbereich zum Vergleichen/Zuordnen
der Fingerabdruckdaten, die im Speicherbereich gespeichert sind,
anhand eines eingelesenen Bilds eines Fingerabdrucks, und Ähnliches
eingegliedert sind, in einem anderen Bereich auf dem Halbleitersubstrat
angeordnet. Alle diese Bestandteile können auf dem Halbleitersubstrat
an einer Stelle unter der Sensorelektrode 105 angeordnet
sein. Bei dieser Anordnung kann das erfasste Fingerabdruckmuster
durch den Erkennungsverarbeitungsbereich, der in der integrierten
Schaltung in einem kompakteren Zustand gebildet ist, anhand der Fingerabdruckdaten
verglichen/zugeordnet werden, die im Speicherbereich gespeichert
sind.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor
des ersten Vergleichsbeispiels wird der Finger nicht als Elektrode
verwendet, wenn das Fingerabdruckmuster erkannt werden soll. Dadurch
werden durch statische Elektrizität verursachte Beschädigungen
von anderen Abschnitten der integrierten Schaltung vermieden, die
unter den Elektroden ausgebildet sind. Außerdem können die Abstände zwischen der
Hilfselektrode und den jeweiligen Sensorelektroden gemäß dem ersten
Vergleichsbeispiel so ausgestaltet sein, dass sie gleich sind, da
die Hilfselektrode als das Matrixmuster ausgebildet ist und die
Sensorelektroden in den zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen
Abschnitte angeordnet sind.
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Da
die vorstehende Beschreibung die Erfassung von Fingerabdrücken als
Beispiel verwendet, ist die Größe jedes
quadratischen Abschnitts der Hilfselektrode 106, d.h. die
Größe jedes
Sensorelements, auf etwa 100 μm
im Quadrat festgelegt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht
darauf beschränkt. Wenn
ein Fingerabdruck erfasst werden soll, kann jedes Sensorelement
kleiner als die Breite der Erhebung ausgestaltet sein, da die Breite
einer Erhebung in der Haut des menschlichen Fingers etwa 200 bis 300 μm beträgt. Wenn
daher die Größe jedes
Sensorelements etwa 100 μm
im Quadrat beträgt,
was der halben Breite der Erhebung entspricht, kann ein Fingerabdruckmuster
erfasst werden. Wenn diese Größe beispielsweise
auf 80 μm
im Quadrat festgelegt wird, was kleiner als 100 μm im Quadrat ist, kann ein Fingerabdruck
mit einer hohen Auflösung
von etwa 300 Punkten je Zoll erfasst werden. Selbstverständlich kann
die Größe jedes
Sensorelements in Übereinstimmung
mit Form, Eigenschaften und Ähnlichem
eines zu messenden Gegenstands beliebig verändert werden und ist daher
nicht auf die zuvor genannten Werte begrenzt.
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Im
Folgenden ist ein Verfahren zur Herstellung des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß dem ersten
Vergleichsbeispiel beschrieben.
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Erstes Herstellungsverfahren
gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel
-
Zuerst
werden andere integrierte Schaltungen wie die zuvor beschriebenen
Erfassungs einheiten auf dem Halbleitersubstrat gebildet. Wie in 3A gezeigt
ist, wird dann die Isolierschicht 101 aus Siliziumoxid
auf dem Halbleitersubstrat gebildet, um diese integrierten Schaltungen
zu bedecken. Die Aluminiumverbindungen 102a und 102b werden
auf der Isolierschicht 101 gebildet. Diese Verbindungen 102a und 102b können gebildet
werden, indem Aluminiumschichten gebildet und durch ein bekanntes fotolithografisches
Verfahren mit einem Muster versehen werden. Die dielektrische Zwischenniveauschicht 103 wird
auf der Isolierschicht 101 gebildet, um die Verbindungen 102a und 102b zu
bedecken. Durchgangslöcher 103a und 103b werden
in vorher festgelegten Abschnitten der dielektrischen Zwischenniveauschicht 103 gebildet,
die über
den Verbindungen 102a und 102b liegen.
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Die
Sperrschichten 104 aus Titannitrid werden gebildet, um
mindestens die Flächen
der Verbindungen 102a und 102b zu bedecken, die
auf den Bodenabschnitten der Durchgangslöcher 103a und 103b freigelegt
sind. Diese Sperrschichten 104 können folgendermaßen gebildet
werden: Zuerst wird durch Sputtern oder Ähnliches eine Titannitridschicht auf
der dielektrischen Zwischenniveauschicht 103 gebildet,
in der die Durchgangslöcher 103a und 103b gebildet
sind. Dann wird durch das fotolithografische Verfahren ein Lackmuster
gebildet, um die Abschnitte zu bedecken, in denen die Durchgangslöcher gebildet
sind. Die Titannitridschicht wird gezielt durch Trockenätzen entfernt,
z.B. reaktives Ionenätzen (RIE),
wobei dieses Lackmuster als Maske verwendet wird, und dann wird
das Lackmuster entfernt, wodurch die Sperrschichten 104 gebildet
werden. Es ist zu beachten, dass die Sperrschicht 104 nicht
auf eine Titannitridschicht beschränkt ist. Wie zuvor beschrieben,
kann die Sperrschicht 104 aus einem anderen leitenden Werkstoff
bestehen, der wechselseitiges Diffundieren verhindern kann, z.B.
Chrom, Wolfram oder ein Nitrid davon.
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Wie
beispielsweise in 3B gezeigt ist, wird eine dünne Metallschicht 301,
die aus Kupfer besteht und eine Stärke von etwa 0,1 μm aufweist,
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 103 einschließlich den
Sperrschichten 104 gebildet. Zum Beispiel kann in diesem
Schritt eine Kupferschicht durch Sputtern gebildet werden.
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Wie
in 3C gezeigt ist, wird ein Lackmuster 302 mit
einem Öffnungsbereich 302a in
einem vorher festgelegten Bereich, der dem oberen Abschnitt jedes
Durchgangslochs 103a entspricht, auf der dünnen Metallschicht 301 bis
auf eine Stärke
von etwa 5 μm
gebildet. Eine 0,3 μm
starke Kupferschicht wird durch ein galvanisches Verfahren unter
Verwendung der dünnen
Metallschicht 301 als Kathode auf der Oberfläche der
dünnen
Metallschicht 301 gebildet, die auf dem Bodenabschnitt
des Öffnungsbereichs 302a freigelegt
ist, wodurch die obere Elektrode 105b gebildet wird. Es
ist zu beachten, dass die Bildung dieser oberen Elektrode 105b nicht
auf Galvanisieren beschränkt
ist. Wenn die dünne
Metallschicht 301 jedoch bis auf eine Stärke von
etwa 0,4 μm
gebildet wird, muss die obere Elektrode 105b nicht gebildet
werden. Zusätzlich
wird auf der oberen Elektrode 105b durch Bilden einer Metallschicht
mit einer Stärke
von etwa 0,2 μm
durch Galvanisieren die Metallschicht 105c gebildet.
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Nachdem
das Lackmuster 302 entfernt ist, wird ein Lackmuster 303 mit
einer Nut 303a, die die obere Elektrode 105b umgibt,
bis auf eine Stärke
von etwa 5 μm
gebildet, wie in 3D gezeigt ist. In dieser Nut 303a wird
die Hilfselektrode 106 der 1A und 1B angeordnet.
Eine Kupferschicht wird durch das galvanische Verfahren unter Verwendung der
dünnen
Metallschicht 301 als Kathode auf der Oberfläche der
dünnen
Metallschicht 301, die auf dem Bodenabschnitt der Nut 303a freigelegt
ist, bis auf eine Stärke
von etwa 5 μm
erzeugt, wodurch die Elektrodensäule 106b gebildet
wird. Außerdem
wird durch das galvanische Verfahren unter Verwendung der dünnen Metallschicht 301 als
Kathode die Schutzschicht 106c gebildet, indem eine Goldschicht auf
der Elektrodensäule 106b bis
auf eine Stärke
von etwa 0,1 μm
erzeugt wird.
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Wie
in 3E gezeigt ist, wird das Lackmuster 303 entfernt.
Wie in 3F gezeigt ist, werden die freiliegenden
Abschnitte der dünnen
Metallschicht 301 durch Ätzen entfernt. In diesem Fall
können
diese Abschnitte durch einen nasschemischen Ätzvorgang unter Verwendung
einer gemischten wässrigen Säurelösung aus
Phosphorsäure,
Salpetersäure
und Essigsäure
als Ätzmittel
entfernt werden.
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Als
Ergebnis des vorstehenden Vorgangs wird die Hilfselektrode 106 in
einem Matrixmuster bis auf eine Höhe von etwa 5 μm über der
dielektrischen Zwischenniveauschicht 103 ausgebildet. Die
Sensorelektroden 105 werden im zentralen Abschnitt der jeweiligen
quadratischen Abschnitte der matrixartigen Hilfselektrode 106 gebildet.
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Wie
in 3G gezeigt ist, wird eine Opferschicht 304 gebildet,
um jeden quadratischen Abschnitt der matrixartigen Hilfselektrode 106 zu
füllen. Diese
Opferschicht 304 kann folgendermaßen gebildet werden: Zuerst
wird die dielektrische Zwischenniveauschicht 103, auf der
die Sensorelektrode 105 und die Hilfselektrode 106 gebildet
sind, mit einem SOG-Werkstoff dreimal durch Rotationsbeschichtung
oder Ähnliches
beschichtet. Das entstehende Gebilde wird anschließend bei
etwa 300°C
getempert, um eine SOG-Schicht zu bilden. Durch diese Beschichtung
wird die Oberseite der SOG-Schicht geglättet, wobei
die Aussparungen/Vorsprünge
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 103, die auf
die Hilfselektrode 106 und die Sensorelektrode 105 zurückzuführen sind,
absorbiert werden. Wenn diese ebene SOG-Schicht rückgeätzt wird,
bis die Oberfläche
der Metallschicht 106a freigelegt ist, kann das Lackmuster 303,
das eine ebene Oberfläche
aufweist, gebildet werden, um jeden quadratischen Abschnitt der
Hilfselektrode 106 zu füllen.
Dieser Rückätzschritt
kann durch Trockenätzen
mit einem Sauerstoffplasma erfolgen. Es ist zu beachten, dass der
Rückätzschritt
beispielsweise durch ein chemisches/mechanisches Polierverfahren
erfolgen kann. Selbstverständlich
ist der Werkstoff für
die Opferschicht 304 nicht auf eine SOG-Schicht begrenzt, und
ein anderer Werkstoff kann verwendet werden, solange eine Opferschicht
gebildet werden kann, die geätzt
werden kann, indem hauptsächlich
ein Sauerstoffplasma verwendet wird.
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Wie
in 3H gezeigt ist, wird die Gegenelektrode 107 auf
der Opferschicht 304 und der Hilfselektrode 106 gebildet.
Diese Gegenelektrode 107 wird folgendermaßen gebildet:
Zuerst wird eine Kupferschicht mit einer Stärke von etwa 0,5 μm durch Sputtern
oder Ähnliches
auf der gesamten Oberfläche
der zuvor beschriebenen Struktur gebildet. Diese Kupferschicht wird
teilweise geätzt,
um eine Mehrzahl feiner Löcher
zu bilden. Dadurch wird die Gegenelektrode 107, wie in
der Draufsicht der 3I gezeigt ist, in ein maschenartiges
Muster gebracht.
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Anschließend wird
die Opferschicht 304 unter Verwendung eines Plasmagemischs
aus CF4 und Sauerstoff gezielt geätzt. Obwohl
anorganische Werkstoffe wie das Metall, das für die Gegenelektrode 107 verwendet
wird, kaum von den ätzenden
Bestandteilen weggeätzt
werden, die durch dieses Plasma erzeugt werden, wird die Opferschicht 304 geätzt. Da
eine Mehrzahl feiner Löcher
in der Gegenelektrode 107 gebildet ist, können die ätzenden
Bestandteile, die von dem Plasma erzeugt werden, durch die Löcher die
Opferschicht 304 erreichen. Die Opferschicht 304 kann
damit gezielt geätzt
werden. Dadurch ist die Gegenelektrode 107, wie in 3J gezeigt
ist, so ausgebildet, dass sie von der Hilfselektrode 106 gestützt wird,
damit ein vorher festgelegter Zwischenraum über der Sensorelektrode 105 entsteht.
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Wie
in 3K gezeigt ist, wird die Schicht 108 mit
den Vorsprüngen 108a mit/an
der Gegenelektrode 107 verbunden/befestigt, wodurch der
Oberflächenform-Erkennungssensor
des ersten Vergleichsbeispiels erhalten wird, der in 1A gezeigt ist.
Diese Schicht 108 kann durch Verarbeiten einer Schicht
aus einem organischen Werkstoff wie PTFE (Polytetrafluorethylen)
gebildet werden, der Thermoplastizität aufweist. PTFE kann erfolgreich
eingesetzt werden, da es schmutzbeständig ist und Thermoplastizität aufweist.
Die ebene Oberfläche
der Schicht 108 wird mit einem schichtartigen Klebstoff beschichtet
und auf der Gegenelektrode 107 angebracht und befestigt,
wobei die mit Klebstoff beschichtete Fläche zur Gegenelektrode 107 zeigt.
Das entstehende Gebilde wird anschließend 10 Min. bei 150°C erhitzt.
Dadurch ist die Schicht 108 mit/an der Gegenelektrode 107 verbunden/befestigt.
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Gemäß der vorstehenden
Beschreibung wird die Hilfselektrode als ein Matrixmuster ausgebildet. Jedoch
ist das erste Vergleichsbeispiel nicht darauf beschränkt und
die Hilfselektrode kann jedes beliebige Muster aufweisen, solange
die entstehende Anordnung die Gegenelektrode stützen kann, wobei ein vorher
festgelegter Zwischenraum über
jeder Sensorelektrode gewährleistet
ist.
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Zweites Herstellungsverfahren
gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel
-
Der
Oberflächenform-Erkennungssensor des
ersten Vergleichsbeispiels kann folgendermaßen hergestellt werden: Zuerst
wird, wie in 4A gezeigt ist, die Isolierschicht 101 aus
Siliziumoxid auf dem Halbleitersubstrat gebildet, auf dem weitere
integrierte Schaltungen wie Erfassungseinheiten (nicht gezeigt)
gebildet sind, um die integrierten Schaltungen zu bedecken. Die
Aluminiumverbindungen 102a und 102b werden auf
der Isolierschicht 101 gebildet. Die dielektrische Zwischenniveauschicht 103 wird auf
der Isolierschicht 101 gebildet, um die Verbindungen 102a und 102b zu
bedecken. Die Durchgangslöcher 103a und 103b werden
in vorher festgelegten Abschnitten der dielektrischen Zwischenniveauschicht 103 gebildet,
die über
den Verbindungen 102a und 102b angeordnet sind.
Die Sperrschichten 104 aus Titannitrid werden gebildet,
um mindestens die Flächen
der Verbindungen 102a und 102b zu bedecken, die
auf den Bodenabschnitten der Durchgangslöcher 103a und 103b freigelegt
sind.
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Wie
beispielsweise in 4B gezeigt ist, wird eine dünne Metallschicht 401,
die aus Kupfer besteht und eine Stärke von etwa 0,1 μm aufweist,
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 103 einschließlich den
Sperrschichten 104 gebildet. Ein Lackmuster 402 mit
einem Öffnungsbereich 402a in einem
vorher festgelegten Bereich über
jedem Durchgangsloch 103a wird auf der dünnen Metallschicht 401 bis
auf eine Stärke
von etwa 5 μm
gebildet. Die obere Elektrode 105b wird durch Bilden einer 0,3 μm starken
Kupferschicht durch das galvanische Verfahren unter Verwendung der
dünnen
Metallschicht 401 als Kathode auf der Oberfläche der
dünnen
Metallschicht 401 gebildet, die auf dem Bodenabschnitt
des Öffnungsbereichs 402a freigelegt
ist. Anschließend
wird eine Goldschicht mit einer Stärke von etwa 0,2 μm gebildet,
indem ebenfalls das galvanische Verfahren angewendet wird, wodurch
die Metallschicht 105c auf der oberen Elektrode 105b entsteht.
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Der
vorstehende Vorgang stimmt mit dem des ersten Herstellungsverfahrens überein,
das zuvor beschrieben ist.
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Bei
dem zweiten Herstellungsverfahren wird nach der Entfernung des Lackmusters 402 ein
Lackmuster 403 bis auf eine Stärke von etwa 5 μm gebildet,
das eine Form aufweist, die jede obere Elektrode 105b umgibt,
wie in 4C gezeigt ist. Der Bereich, der
von diesem Lackmuster 403 bedeckt wird, ist der Bereich,
in dem die Hilfselektrode 106 gebildet wird, wie in den 1A und 1B gezeigt
ist.
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Die
freiliegenden Oberflächenabschnitte
der dünnen
Metallschicht 401 werden dann gezielt geätzt, wobei
das Lackmuster 403 und die Metallschicht 105c als
Masken verwendet werden, um die untere Elektrode 105a und
die untere Elektrode 106a zu bilden, wie in 4D gezeigt
ist. In diesem Fall können diese
Abschnitte durch einen nasschemischen Ätzvorgang unter Verwendung
einer wässrigen
gemischten Säurelösung aus
Phosphorsäure,
Salpetersäure
und Essigsäure
als Ätzmittel
entfernt werden. Da das Lackmuster 403 und die Metallschicht 105c aus
Gold durch diesen nasschemischen Ätzvorgang kaum weggeätzt werden,
kann die dünne
Metallschicht 401 gezielt entfernt werden.
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Nachdem
das Lackmuster 403 entfernt ist, wird eine Opferschicht 404,
die aus Polyimid besteht und eine Nut 404a aufweist, die
die obere Elektrode 105b umgibt, bis auf eine Stärke von
etwa 5 μm
gebildet, wie in 4E gezeigt ist. Diese Nut 404a ist der
Bereich, in dem die Hilfselektrode 106 gebildet wird. Es
ist zu beachten, dass der Werkstoff für die Opferschicht 404 nicht
auf Polyimid beschränkt
ist und eine SOG-Schicht verwendet werden kann.
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Wie
beispielsweise in 4F gezeigt ist, wächst Kupfer
durch stromloses Abscheiden gezielt auf der unteren Elektrode 106a auf,
um die Nut 404a mit Kupfer zu füllen, wodurch die Elektrodensäule 106b mit
einer Höhe
von etwa 5 μm
entsteht. Die Schutzschicht 106c mit einer Stärke von
etwa 0,1 μm wird
auf der Elektrodensäule 106b gebildet,
indem sie fortwährend
mit Gold plattiert wird.
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Nach
diesem Schritt wird die Gegenelektrode 107, wie bei den
zuvor beschriebenen Schritten, die in den 3H bis 3K gezeigt
sind, auf der Opferschicht 404 und der Hilfselektrode 106 gebildet, und
nur die Opferschicht 404 wird gezielt entfernt. Die Schicht 108 mit
den Vorsprüngen 108a wird mit/an
der Gegenelektrode 107 verbunden/befestigt. Dadurch wird
der Oberflächenform-Erkennungssensor
des ersten Vergleichsbeispiels gewonnen, der in 1A gezeigt
ist.
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Drittes Herstellungsverfahren
gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel
-
Gemäß der vorstehenden
Beschreibung wird die Gegenelektrode gebildet, nachdem die Opferschicht
gebildet ist. Jedoch ist das vorliegende Vergleichsbeispiel nicht
darauf beschränkt.
Die Gegenelektrode kann gebildet werden, ohne dass die Opferschicht
gebildet wird.
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Insbesondere
wird die Hilfselektrode 106 beispielsweise, wie in den 3A bis 3F gezeigt ist,
als ein Matrixmuster in einer Höhe
von etwa 5 μm über der
dielektrischen Zwischenniveauschicht 103 ausgebildet und
die Sensorelektrode 105 wird im zentralen Abschnitt jedes
quadratischen Abschnitts der matrixartigen Hilfselektrode 106 gebildet.
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Inzwischen
wird eine Gegenelektrode 507, die aus einer mehrlagigen
Schicht aus Chrom und Gold besteht, beispielsweise durch ein Maskenaufbringungsverfahren
auf einer Oberfläche
der Schicht 108 (3K) mit
den Vorsprüngen 108a gebildet,
auf der keine Vorsprünge
gebildet sind, wie in 5 gezeigt ist. Die Gegenelektrode 507 und
die Oberfläche der
Schutzschicht 106c der Hilfselektrode 106 werden
miteinander/aneinander mit einem leitfähigen Klebstoff verbunden/befestigt,
wodurch der Oberflächenform-Erkennungssensor
des ersten Vergleichsbeispiels gewonnen wird, der in 1A gezeigt
ist. Wenn die Gegenelektrode und die Schutzschichten mit einem Klebstoff
befestigt werden sollen, können sie
beispielsweise durch den leitfähigen
Klebstoff in Berührung
miteinander gebracht werden, und die entstehende Struktur kann 10
Min. bei etwa 150°C erhitzt
werden.
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Wird
die Gegenelektrode 507 auf diese Art gebildet, ist keine
Opferschicht notwendig. Dadurch kann der Herstellungsvorgang im
Vergleich zu dem ersten und zweiten Herstellungsverfahren vereinfacht
werden.
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Zweites Vergleichsbeispiel
-
Im
Folgenden ist ein Oberflächenform-Erkennungssensor
gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel
beschrieben. Wie in 6. gezeigt ist, umfasst der
Oberflächenform-Erkennungssensor
des zweiten Vergleichsbeispiels Sensorelektroden 605, von
denen jede aus Kupfer besteht und eine Größe von 80 μm im Quadrat aufweist, und eine
Hilfselektrode 606 auf einer dielektrischen Zwischenniveauschicht 603, die
auf einer Isolierschicht 601 gebildet ist. Es ist zu beachten,
dass die Isolierschicht 601 auf dem Halbleitersubstrat
gebildet ist, auf dem integrierte Schaltungen wie Erfassungseinheiten 610 (später beschrieben)
und ein Verarbeitungsmittel (nicht gezeigt) gebildet sind.
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Bei
dem zweiten Vergleichsbeispiel ist die Hilfselektrode 606,
wie bei dem Fall, der in 1B gezeigt
ist, als ein Matrixmuster ausgebildet, das quadratische Abschnitte
aufweist, die jeweils eine Größe von 100 μm im Quadrat
aufweisen. Die Sensorelektrode 605 ist in dem zentralen
Abschnitt jedes quadratischen Abschnitts angeordnet. Die Hilfselektrode 606 weist
etwa 300 × 300
quadratische Abschnitte auf, sodass damit 300 × 300 Sensorelektroden 605 in
Form einer Matrix angeordnet sind.
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Eine
Aluminiumverbindung 602a ist auf der Isolierschicht 601 gebildet,
um durch eine Sperrschicht 604 aus Titannitrid mit der
Sensorelektrode 605 verbunden zu werden. Die Sensorelektrode 605 besteht
aus einer unteren Elektrode 605a, die eine Stärke von
etwa 0,2 μm
aufweist, und einer oberen Elektrode 605b, die eine Stärke von
etwa 0,3 μm
aufweist und auf der unteren Elektrode 605a ausgebildet ist.
In diesem Fall ist die untere Elektrode 605a eine zweilagige
Schicht mit einer Chrom- und einer Kupferschicht, die jeweils eine
Stärke
von etwa 0,1 μm aufweisen.
Die obere Elektrode 605b besteht aus Kupfer.
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Ebenso
ist eine Aluminiumverbindung 602b auf der Isolierschicht 601 gebildet,
um durch die Sperrschicht 604 aus Titannitrid mit der Hilfselektrode 606 verbunden
zu werden. Die Hilfselektrode 606 besteht ebenfalls aus
einer 0,1 μm
starken unteren Elektrode 606a, die aus einer zweilagigen
Schicht mit einer Chrom- und einer Kupferschicht besteht, und einer
Elektrodensäule 606b,
die aus Kupfer besteht und eine Stärke von etwa 5 μm aufweist
und auf der unteren Elektrode 606a ausgebildet ist. Die
Schutzschichten 605c und 606c aus Ruthenium sind
so gebildet, dass sie die Oberseiten und Seitenflächen der Sensorelektrode 605 und
der Hilfselektrode 606 bedecken. Es ist zu beachten, dass
das Metall, das für die
untere Schicht jeder unteren Elektrode 605a und 606a verwendet
wird, nicht auf Chrom beschränkt
ist. Zum Beispiel können
andere Metalle wie Titan und Nickel verwendet werden, die die Diffusion
von Kupfer unterdrücken
und die Hafteigenschaften gegenüber
einem Isolierstoff verbessern können.
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Anschließend wird
eine Gegenelektrode 607 annähernd auf der gesamten Oberseite
der matrixartigen Hilfselektrode 606 (Schutzschicht 606c)
gebildet. Die Gegenelektrode 607 biegt sich mindestens
in den zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte
der Hilfselektrode 606 nach unten. Zum Zweck einer einfachen
Herstellung (wird später beschrieben)
weist die Gegenelektrode 607 ein maschenartiges Muster
mit Löchern
auf, von denen jedes eine Größe aufweist,
die kleiner ist als die der Hilfselektrode 106. Eine Schicht 608 mit
den Vorsprüngen 608a in
den zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte
der Hilfselektrode 606 ist mit/an der Gegenelektrode 607 verbunden/befestigt.
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Eine
Mehrzahl von Erfassungseinheiten 610 ist durch die Verbindungen 602a und 602b,
die zuvor beschrieben worden sind, mit den jeweiligen Sensorelektroden 605 und
der Hilfselektrode 606 verbunden. Die Erfassungseinheiten 610 erfassen
die Kapazitäten,
die sich zwischen der Hilfselektrode 606 und den Sensorelektroden 605 bilden,
und geben Signale aus, die den Kapazitäten entsprechen. Die Ausgangssignale
der jeweiligen Sensoreinheiten 610 werden von einem Verarbeitungsmittel
(nicht gezeigt) verarbeitet. Dieses Verarbeitungsmittel wandelt
die Kapazitäten,
die durch die jeweiligen Sensorelektroden 605 gebildet
werden, in Rasterbilddaten um. In diesem Fall muss nicht jede Erfassungseinheit 610 unter
der entsprechenden Sensorelektrode 605 ausgebildet sein,
wie in 6 gezeigt ist, sondern kann in einem anderen Bereich
ausgebildet sein. Außerdem
muss eine Erfassungseinheit 610 nicht für ein Sensorelement hergestellt
sein und kann mit einer Mehrzahl von Sensorelementen verbunden sein. Diese
Anordnungen stimmen mit denen des ersten Vergleichsbeispiels überein.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor,
der die vorstehende Anordnung aufweist, werden die Vorsprünge 608a in Übereinstimmung
mit dem Fingerabdruckmuster des Fingers nach unten gedrückt, wenn
die Fingerspitze die Oberseite der Schicht 608 berührt. Als
Folge biegt sich die Gegenelektrode 607 in den entsprechenden
Abschnitten auf die Sensorelektroden 605 zu. Die Kapazitäten, die
sich zwischen den Sensorelektroden 605 und der Gegenelektrode 607 gebildet
haben, ändern
sich in den gebogenen Abschnitten. Das heißt, wenn der Finger auf die
Schicht 608 gelegt wird, ändern sich die Kapazitäten an den
jeweiligen Sensorelektroden 605 in Übereinstimmung mit dem Fingerabdruckmuster
(Aussparungen/Vorsprünge).
Die jeweiligen Kapazitäten,
die sich verändert
haben, werden von den Erfassungseinheiten 610 erfasst.
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Wenn
das Verarbeitungsmittel Rasterdaten entsprechend der jeweiligen
Kapazitäten
erzeugt, die an den Sensorelektroden 605 erfasst wurden,
kann das Fingerabdruckmuster wiedergegeben werden. Wenn beispielsweise
300 × 300
Sensorelektroden 605 in 600 μm-Abständen angeordnet sind, kann
ein Bild des Fingerabdrucks mit 300 × 300 Punkten bei einer Auflösung von
etwa 250 Punkten je Zoll gewonnen werden.
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Obwohl
dies in 6 nicht gezeigt ist, ist eine
integrierte Schaltung, in der ein Speicherbereich, der Fingerabdruckdaten
zum Zuordnen speichert, ein Erkennungsverarbeitungsbereich zum Vergleichen/Zuordnen
der Fingerabdruckdaten, die im Speicherbereich gespeichert sind,
mit/zu einem eingelesenen Bilds eines Fingerabdrucks, und Ähnliches
eingegliedert sind, in einem anderen Bereich auf dem Halbleitersubstrat
angeordnet. Alle diese Bestandteile können auf dem Halbleitersubstrat
an einer Stelle unter der Sensorelektrode 605 angeordnet
sein. Bei dieser Anordnung kann das erfasste Fingerabdruckmuster
durch den Erkennungsverarbeitungsbereich, der in der integrierten
Schaltung in einem kompakteren Zustand gebildet ist, anhand der Fingerabdruckdaten
verglichen/zugeordnet werden, die im Speicherbereich gespeichert
sind.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor
des zweiten Vergleichsbeispiels wird der Finger wie bei dem ersten
Vergleichsbeispiel nicht als Elektrode verwendet, wenn das Fingerabdruckmuster
erkannt werden soll. Dadurch werden durch statische Elektrizität verursachte
Beschädigungen
von anderen Abschnitten der integrierten Schaltung vermieden, die
unter den Elektroden gebildet sind.
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Außerdem kann
gemäß dem zweiten
Vergleichsbeispiel die Beschädigung
der Elektrodenflächen
durch Oxidation vermieden werden, da die freiliegenden Flächen der
Sensorelektroden und der Hilfselektrode mit den Rutheniumschichten
bedeckt sind. Rutheniumoxid ist außerdem leitfähig und
wird daher im Allgemeinen als Kontaktwerkstoff verwendet. Dieser
Werkstoff ist für
Schichten geeignet, um die Oxidation von Elektroden verhindern.
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Auch
bei dem zweiten Vergleichsbeispiel können die Zwischenräume zwischen
den Hilfselektroden und den jeweiligen Sensorelektroden so ausgestaltet
sein, dass sie einander gleich sind, da die Hilfselektrode als ein
Matrixmuster ausgebildet ist und die Sensorelektroden in den zentralen
Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte angeordnet sind.
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Im
Folgenden ist ein Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß dem zweiten
Vergleichsbeispiel teilweise beschrieben.
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Zuerst
werden andere integrierte Schaltungen wie die zuvor beschriebenen
Erfassungseinheiten auf dem Halbleitersubstrat gebildet. Wie in 7A gezeigt
ist, wird dann die Isolierschicht 601 aus Siliziumoxid
auf dem Halbleitersubstrat gebildet, um diese integrierten Schaltungen
zu bedecken, und die Aluminiumverbindungen 602a und 602b werden auf
der Isolierschicht 601 gebildet. Diese Verbindungen 602a und 602b können gebildet
werden, indem eine Aluminiumschicht gebildet und durch ein bekanntes
fotolithografisches Verfahren mit einem Muster versehen wird. Die
dielektrische Zwischenniveauschicht 603 wird auf der Isolierschicht 601 gebildet, um
die Verbindungen 602a und 602b zu bedecken. Die
Durchgangslöcher 603a und 603b werden
in vorher festgelegten Abschnitten der dielektrischen Zwischenniveauschicht 603 gebildet,
die über
den Verbindungen 602a und 602b liegen.
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Die
Sperrschichten 604 aus Titannitrid werden gebildet, um
mindestens die Oberseiten der Verbindungen 602a und 602b zu
bedecken, die auf den Bodenabschnitten der Durchgangslöcher 603a und 603b freigelegt
sind. Die Sperrschichten 604 können folgendermaßen gebildet
werden: Zuerst wird durch Sputtern oder Ähnliches eine Titannitridschicht
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 603 gebildet,
in der die Durchgangslöcher 603a und 603b gebildet
sind. Dann wird durch Fotolithografie ein Lackmuster gebildet, um
die Abschnitte zu bedecken, in denen die Durchgangslöcher gebildet
sind. Die Titannitridschicht wird gezielt durch Trockenätzen entfernt, z.B.
mit dem RIE-Verfahren, wobei dieses Lackmuster als Maske verwendet
wird. Wenn das Lackmuster entfernt ist, werden die Sperrschichten 604 gebildet. Es
ist zu beachten, dass die Sperrschicht 604 nicht auf eine
Titannitridschicht beschränkt
ist. Die Sperrschicht 604 kann aus einem anderen leitenden
Werkstoff als Titannitrid bestehen, der in der Lage ist, wechselseitiges
Diffundieren einzuschränken,
z.B. Chrom, Wolfram, Tantal oder ein Nitrid dieser Elemente.
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Wie
in 7B gezeigt ist, wird eine dünne Metallschicht 701,
die aus einer zweilagigen Schicht, die eine Chromschicht mit einer
Stärke
von 0,1 μm und
eine Kupferschicht mit einer Stärke
von 0,1 μm umfasst,
besteht auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 603 einschließlich den
Sperrschichten 604 gebildet. Bei diesem Schritt kann die
Chromschicht beispielsweise durch Abscheidung gebildet sein, und
die Kupferschicht kann durch Sputtern gebildet sein. Die Bildung
einer solchen Chromschicht als untere Schicht kann die Diffusion
von Kupfer verhindern und die Hafteigenschaften gegenüber Kupfer verbessern.
Wie zuvor beschrieben, kann statt Chrom ein anderes Metall verwendet
werden, das die Diffusion von Kupfer verhindern und die Hafteigenschaften
gegenüber
einem Isolierstoff verbessern kann, z.B. Titan oder Nickel.
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Wie
in 7C gezeigt ist, wird ein Lackmuster 702 mit
einem Öffnungsbereich 702a in
einem vorher festgelegten Bereich über jedem Durchgangsloch 603a auf
der dünnen
Metallschicht 701 bis auf eine Stärke von etwa 5 μm gebildet.
Eine 0,3 μm
starke Kupferschicht wird durch ein galvanisches Verfahren unter
Verwendung der dünnen
Metallschicht 701 als Kathode auf der Oberseite der dünnen Metallschicht 701 gebildet,
die auf dem Bodenabschnitt des Öffnungsbereichs 702a freigelegt
ist, wodurch die obere Elektrode 605b gebildet wird. Es
ist zu beachten, dass die Bildung dieser oberen Elektrode 605b nicht
auf Galvanisieren beschränkt
ist.
-
Nachdem
das Lackmuster 702 entfernt ist, wird ein Lackmuster 703 mit
einer Nut 703a, die die obere Elektrode 605b umgibt,
bis auf eine Stärke
von etwa 5 μm
gebildet, wie in
-
7D gezeigt
ist. Diese Nut 703a ist der Bereich, in dem die Hilfselektrode 606 gebildet
ist, wie in 6 gezeigt ist. Eine Kupferschicht
wächst durch
das galvanische Verfahren unter Verwendung der dünnen Metallschicht 701 als
Kathode auf der Oberfläche
der dünnen
Metallschicht 701 auf bis auf eine Stärke von etwa 5 μm an, die
auf dem Bodenabschnitt der Nut 703a freigelegt ist, wodurch
die Elektrodensäule 606b gebildet
wird.
-
Nachdem
das Lackmuster 703 entfernt ist, werden die freiliegenden
Abschnitte der dünnen
Metallschicht 701 weggeätzt,
wie in 7E gezeigt ist. Bei diesem Ätzschritt
kann zuerst die obere Kupferschicht durch einen nasschemischen Ätzvorgang
unter Verwendung einer wässrigen
gemischten Säurelösung, gebildet
aus Phosphorsäure,
Salpetersäure
und Essigsäure,
als Ätzmittel
entfernt werden. Dann kann die untere Chromschicht durch einen nasschemischen Ätzvorgang
unter Verwendung einer Lösung
aus Kaliumhexacyanoferrat(III) und Natriumhydroxid entfernt werden.
-
Als
Ergebnis des vorstehenden Vorgangs wird die matrixartige Hilfselektrode 606 in
einer Höhe von
etwa 5 μm über der
dielektrischen Zwischenniveauschicht 603 gebildet. Die
Sensorelektrode 605 wird im zentralen Abschnitt jedes quadratischen
Abschnitts der matrixartigen Hilfselektrode 606 gebildet.
-
Wie
in 7F gezeigt ist, werden die Schutzschichten 605c und 606c aus
Ruthenium auf den freiliegenden Flächen der Sensorelektroden 605 und
der Hilfselektrode 606 gebildet. Diese Schutzschichten
können
gebildet werden, indem Rutheniumschichten durch stromloses Abscheiden
nur auf den Oberseiten der Elektroden aus Kupfer bis auf eine Stärke von
etwa 0,1 μm
anwachsen.
-
Wie
in 7G gezeigt ist, wird eine Opferschicht 704 gebildet,
um jeden quadratischen Abschnitt der matrixartigen Hilfselektrode 606 zu
füllen. Diese
Opferschicht 704 kann folgendermaßen gebildet werden: Zuerst
wird die dielektrische Zwischenniveauschicht 603, auf der
die Sensorelektrode 605 und die Hilfselektrode 606 gebildet
sind, durch Rotationsbeschichten oder Ähnliches mit einem Polyimidwerkstoff
beschichtet, um eine Polyimidschicht zu bilden. Als dieser Polyimidwerkstoff
wird beispielsweise ein Polyimidharz verwendet, das als Grundbestandteil
einen Polybenzoxazol-Vorläufer
enthält.
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Durch
diese Beschichtung wird die Oberseite der Polyimidschicht geglättet, wobei
die Aussparungen/Vorsprünge
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 603, die auf
die Hilfselektrode 606 und die Sensorelektrode 605 zurückzuführen sind,
absorbiert werden. Nachdem die Polyimidschicht durch Beschichten
gebildet ist, wird die entstehende Struktur bei etwa 310°C erhitzt,
damit die Polyimidschicht aushärtet.
Wenn die ausgehärtete
Polyimidschicht rückgeätzt wird,
bis die Oberfläche
der Hilfselektrode 606 freigelegt ist, kann die Opferschicht 704,
die aus Polyimid besteht und eine ebene Oberfläche aufweist, gebildet werden,
um jeden quadratischen Abschnitt der Hilfselektrode 606 zu
füllen.
Dieser Rückätzschritt
kann durch Trockenätzen
mit einem Sauerstoffplasma erfolgen. Polyimid ist ein organischer
Werkstoff und kann daher mit einem Sauerstoffplasma geätzt werden.
Es ist zu beachten, dass der Rückätzschritt
beispielsweise durch ein chemisches/mechanisches Polierverfahren
erfolgen kann.
-
Wie
in 7H gezeigt ist, wird die Gegenelektrode 607 auf
der Opferschicht 704 und der Hilfselektrode 606 gebildet.
Diese Gegenelektrode 607 wird folgendermaßen gebildet:
Zuerst wird eine Chromschicht mit einer Stärke von etwa 0,2 μm durch Sputtern
oder Ähnliches
auf der gesamten Oberfläche
des zuvor beschriebenen Gebildes gebildet. Diese Schicht wird dann
teilweise geätzt,
um eine Mehrzahl feiner Löcher
zu bilden, um die Gegenelektrode 607 in ein maschenartiges
Muster zu bringen, wie in der Draufsicht der 3I gezeigt
ist.
-
Wenn
die Opferschicht 704 mit einem Plasmagemisch aus CF4 und Sauerstoff gezielt geätzt wird,
wird die Gegenelektrode 607 so ausgebildet, dass sie von
der Hilfselektrode 606 gestützt wird, damit ein vorher
festgelegter Zwischenraum über
der Sensorelektrode 605 entsteht, wie in 7I gezeigt ist.
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Wenn
die Schicht 608 mit den Vorsprüngen 608a mit/an der
Gegenelektrode 607 verbunden/befestigt ist, kann der Oberflächenform-Erkennungssensor
des zweiten Vergleichsbeispiels gewonnen werden, der in 6 gezeigt
ist. Diese Schicht 608 kann durch Verarbeiten einer Schicht
aus einem organischen Werkstoff wie PTFE gebildet werden. Die ebene
Fläche
der Schicht 608 wird mit einem schichtartigen Klebstoff
beschichtet und auf der Gegenelektrode 607 angebracht und
befestigt, wobei die mit Klebstoff beschichtete Fläche zur
Gegenelektrode 607 zeigt. Die entstehende Struktur wird
anschließend
10 Min. bei 150°C
erhitzt. Dadurch ist die Schicht 608 mit/an der Gegenelektrode 607 verbunden
1 befestigt.
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Gemäß der vorstehenden
Beschreibung wird die Hilfselektrode als ein Matrixmuster ausgebildet. Jedoch
ist das vorliegende Vergleichsbeispiel nicht darauf beschränkt und
die Hilfselektrode kann jedes beliebige Muster aufweisen, solange
die entstehende Anordnung die Gegenelektrode stützen kann, wobei ein vorher
festgelegter Zwischenraum über
jeder Sensorelektrode gewährleistet
ist.
-
Drittes Vergleichsbeispiel
-
Im
Folgenden wird ein Oberflächenform-Erkennungssensor
gemäß dem dritten
Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei diesem
Oberflächenform-Erkennungssensor,
wie er in 8 gezeigt ist, sind Sensorelektroden 805,
jede mit einer Größe von 80 μm im Quadrat,
und eine Hilfselektrode 806 auf einer dielektrischen Zwischenniveauschicht 803 gebildet,
die auf einer Isolierschicht 801 gebildet ist. Bei dem
zweiten Vergleichsbeispiel bestehen diese Elektroden aus Gold.
-
Obwohl
dies nicht gezeigt ist, ist die Isolierschicht 801 auf
einem Halbleitersubstrat gebildet, auf dem integrierte Schaltungen
wie Erfassungseinheiten und Verarbeitungsmittel (werden später beschrieben)
gebildet sind. Die Hilfselektrode 806 ist als ein Matrixmuster
ausgebildet, das aus quadratischen Abschnitten besteht, die jeweils
eine Größe von 100 μm im Quadrat
aufweisen. Die Sensorelektrode 805 ist in dem zentralen
Abschnitt jedes quadratischen Abschnitts angeordnet. Die Hilfselektrode 806 weist etwa
300 × 300
quadratische Abschnitte auf. Das heißt, dass 300 × 300 Sensorelektroden 805 in
Form einer Matrix angeordnet sind. Dieser Aufbau stimmt mit dem
des zweiten Vergleichsbeispiels überein.
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Eine
Aluminiumverbindung 802a ist auf der Isolierschicht 801 gebildet,
um durch eine Sperrschicht 804 aus Titannitrid mit der
Sensorelektrode 805 verbunden zu werden. Die Sensorelektrode 805 besteht
aus einer unteren Elektrode 805a, die eine Stärke von
etwa 0,2 μm
aufweist, und einer oberen Elektrode 805b, die eine Stärke von
etwa 0,3 μm
aufweist und auf der unteren Elektrode 805a ausgebildet ist.
Die untere Elektrode 805a besteht aus einer zweilagigen
Schicht aus einer Chrom- und einer Goldschicht, die jeweils eine
Stärke
von etwa 0,1 μm
aufweisen. Die obere Elektrode 805b besteht aus Gold. Die
Bildung einer solchen Chromschicht als untere Schicht kann die Hafteigenschaften
zwischen der Goldschicht und der dielektrischen Zwischenniveauschicht 803 verbessern,
die darunter gebildet ist. Wie bei dem zweiten Vergleichsbeispiel
kann statt Chrom ein anderes Metall verwendet werden, das die Hafteigenschaften
gegenüber
einem Isolierstoff verbessert, z.B. Titan oder Nickel.
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Ebenso
ist eine Aluminiumverbindung 802b auf der Isolierschicht 801 gebildet,
um durch die Sperrschicht 804 mit der Hilfselektrode 806 verbunden
zu werden. Die Elektrodensäule 806b besteht ebenfalls
aus einer unteren Elektrode 806a, die aus einer zweilagigen
Schicht einschließlich
einer Chrom- und einer Goldschicht besteht, die jeweils eine Stärke von
etwa 0,1 μm
aufweisen, und einer Elektrodensäule 806b,
die eine Stärke
von etwa 5 μm aufweist.
Wie zuvor beschrieben, muss bei diesem Vergleichsbeispiel keine
Elektrode mit einer Schutzschicht versehen werden, da korrosionsbeständiges Gold
verwendet wird.
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Auch
bei dem dritten Vergleichsbeispiel ist eine Gegenelektrode 807 annähernd auf
der gesamten Oberseite der matrixartigen Hilfselektrode 806 (Schutzschicht 806c)
ausgebildet. Die Gegenelektrode 807 biegt sich mindestens
in dem zentralen Abschnitt jedes quadratischen Abschnitts der Hilfselektrode 806 nach
unten. Zum Zweck einer einfachen Herstellung (wird später beschrieben)
weist die Gegenelektrode 807 ein maschenartiges Muster
mit Löchern
auf, von denen jedes eine Größe aufweist,
die kleiner ist als die der Hilfselektrode 806. Eine Schicht 808 mit
den Vorsprüngen 808a in
den zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte der
Hilfselektrode 806 ist mit/an der Gegenelektrode 807 verbunden/befestigt.
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Wie
bei den vorstehenden Vergleichsbeispielen ist eine Mehrzahl von
Erfassungseinheiten durch die Verbindungen 802a und 802b,
die zuvor beschrieben sind, mit den Sensorelektroden 805 beziehungsweise
den Hilfselektroden 806 verbunden. Diese Erfassungseinheiten
erfassen die Kapazitäten, die
sich zwischen den Hilfselektroden 806 und den Sensorelektroden 805 bilden,
und geben Signale aus, die den Kapazitäten entsprechen. Die Ausgangssignale
der jeweiligen Sensoreinheiten werden von einem Verarbeitungsmittel
(nicht gezeigt) verarbeitet. Dieses Verarbeitungsmittel wandelt
die Kapazitäten,
die durch die jeweiligen Sensorelektroden 805 gebildet
werden, in Rasterbilddaten um.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor,
der die vorstehende Anordnung aufweist, werden die Vorsprünge 808a in Übereinstimmung
mit dem Fingerabdruckmuster des Fingers nach unten gedrückt, wenn
die Fingerspitze die Oberseite der Schicht 808 berührt. Als
Folge biegt sich die Gegenelektrode 807 in den entsprechenden
Abschnitten auf die Sensorelektroden zu. Die Kapazitäten, die sich
zwischen den Sensorelektroden 805 und der Gegenelektrode 807 gebildet
haben, ändern
sich in den gebogenen Abschnitten. Das heißt, wenn der Finger auf die
Schicht 808 gelegt wird, ändern sich die Kapazitäten an den
jeweiligen Sensorelektroden 805 in Übereinstimmung mit dem Fingerabdruckmuster
(Aussparungen/Vorsprünge).
Die jeweiligen Kapazitäten,
die sich verändert
haben, werden von den Erfassungseinheiten erfasst.
-
Wenn
das Verarbeitungsmittel Rasterdaten entsprechend der jeweiligen
Kapazitäten
erzeugt, die an den Sensorelektroden 805 erfasst wurden,
kann das Fingerabdruckmuster wiedergegeben werden. Wenn beispielsweise
300 × 300
Sensorelektroden 805 in 100 μm-Abständen angeordnet sind, kann
ein Bild des Fingerabdrucks mit 300 × 300 Punkten bei einer Auflösung von
etwa 250 Punkten je Zoll gewonnen werden.
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Obwohl
dies in 8 nicht gezeigt ist, ist auch
bei dem dritten Vergleichsbeispiel eine integrierte Schaltung, in
der ein Speicherbereich, der Fingerabdruckdaten zum Zuordnen speichert,
ein Erkennungsverarbeitungsbereich zum Vergleichen/Zuordnen der
Fingerabdruckdaten, die im Speicherbereich gespeichert sind, mit/zu
einem eingelesenen Bild eines Fingerabdrucks, und Ähnliches
eingegliedert sind, in einem anderen Bereich auf dem Halbleitersubstrat
angeordnet. Alle diese Bestandteile können auf dem Halbleitersubstrat
an einer Stelle unter der Sensorelektrode 805 angeordnet
sein. Bei dieser Anordnung kann das erfasste Fingerabdruckmuster durch
den Erkennungsverarbeitungsbereich, der in der integrierten Schaltung
in einem kompakteren Zustand gebildet ist, anhand der Fingerabdruckdaten verglichen/zugeordnet
werden, die im Speicherbereich gespeichert sind.
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Auch
gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor
des dritten Vergleichsbeispiels wird der Finger nicht als eine Elektrode
verwendet, wenn das Fingerabdruckmuster erkannt werden soll. Dadurch werden
durch statische Elektrizität
verursachte Beschädigungen
von anderen Abschnitten der integrierten Schaltung vermieden, die
unter den Elektroden gebildet sind.
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Außerdem verschlechtern
sich die Oberflächen
der Elektroden gemäß dem dritten
Vergleichsbeispiel nicht durch Oxidation, da die Sensorelektroden
und die Hilfselektrode aus Gold bestehen. Auch bei dem dritten Vergleichsbeispiel
ist die Hilfselektrode als Matrixmuster ausgebildet und die Sensorelektroden
sind in den zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte
angeordnet, wobei die Abstände
zwischen der Hilfselektrode und den jeweiligen Sensorelektroden
so ausgestaltet sein können, dass
sie einander gleich sind. Es ist zu beachten, dass auch bei dem
dritten Vergleichsbeispiel Schutzschichten aus Ruthenium auf den
freiliegenden Flächen
der Sensorelektroden und der Hilfselektrode gebildet sein können.
-
Im
Folgenden ist ein Verfahren zur Herstellung des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß dem dritten
Vergleichsbeispiel teilweise beschrieben.
-
Andere
integrierte Schaltungen wie die zuvor beschriebenen Erfassungseinheiten
sind auf dem Halbleitersubstrat gebildet. Wie in 9A gezeigt
ist, wird dann die Isolierschicht 801 aus Siliziumoxid
auf dem Halbleitersubstrat gebildet, um diese integrierten Schaltungen
zu bedecken. Die Aluminiumverbindungen 802a und 802b werden
auf der Isolierschicht 801 gebildet. Diese Verbindungen 802a und 802b können gebildet
werden, indem eine Aluminiumschicht gebildet und durch ein bekanntes
fotolithografisches Verfahren mit einem Muster versehen wird. Die
dielektrische Zwischenniveauschicht 803 wird auf der Isolierschicht 801 gebildet,
um die Verbindungen 802a und 802b zu bedecken.
Die Durchgangslöcher 803a und 803b werden
in vorher festgelegten Abschnitten der dielektrischen Zwischenniveauschicht 803 gebildet,
die über
den Verbindungen 802a und 802b liegen.
-
Die
Sperrschichten 804 aus Titannitrid werden gebildet, um
mindestens die Oberflächen
der Verbindungen 802a und 802b zu bedecken, die
auf den Bodenabschnitten der Durchgangslöcher 803a und 803b freigelegt
sind. Die Sperrschichten 804 können folgendermaßen gebildet
werden: Zuerst wird durch Sputtern oder Ähnliches eine Titannitridschicht
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 803 gebildet,
in der die Durchgangslöcher 803a und 803b gebildet
sind. Dann wird ein Lackmuster gebildet, um die Abschnitte zu bedecken,
in denen die Durchgangslöcher
gebildet sind. Die Titannitridschicht wird gezielt durch Trockenätzen entfernt,
z.B. mit dem RIE-Verfahren, wobei dieses Lackmuster als Maske verwendet
wird. Das Lackmuster wird dann entfernt. Dadurch werden die Sperrschichten 804 gebildet.
Es ist zu beachten, dass die Sperrschicht 804 nicht auf
Titannitrid beschränkt
ist. Die Sperrschicht 804 kann aus einem anderen leitenden
Werkstoff als Titannitrid bestehen, der in der Lage ist, wechselseitiges
Diffundieren einzuschränken,
z.B. Chrom, Wolfram oder ein Nitrid dieser Elemente.
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Wie
in 9B gezeigt ist, wird eine dünne Metallschicht 901 mit
einem zweischichtigen Aufbau aus einer Chrom- und einer Goldschicht
durch Abscheidung auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 803 einschließlich der
Sperrschicht 804 bis auf eine Stärke von etwa 0,2 μm gebildet.
Die Bildung der Chromschicht als untere Schicht kann die Diffusion
von Gold verhindert und die Hafteigenschaften gegenüber der
dielektrischen Zwischenniveauschicht 803 verbessern. Wie
zuvor beschrieben, kann statt Chrom ein anderes Metall verwendet
werden, das die Diffusion von Gold verhindern und die Hafteigenschaften
verbessern kann, z.B. Titan oder Nickel.
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Wie
in 9C gezeigt ist, wird ein Lackmuster 902 mit
einem Öffnungsbereich 902a in
einem vorher festgelegten Bereich über dem Durchgangsloch 803a auf
der dünnen Metallschicht 901 bis
auf eine Stärke
von etwa 5 μm
gebildet. Eine 0,3 μm
starke Goldschicht wird durch ein galvanisches Verfahren unter Verwendung
der dünnen
Metallschicht 901 als Kathode auf der Oberfläche des
Lackmusters 902 gebildet, das auf dem Bodenabschnitt des Öffnungsbereichs 902a freigelegt
ist, wodurch die obere Elektrode 805b gebildet wird. Die
Bildung der oberen Elektrode 805b ist nicht auf das Galvanisieren
beschränkt.
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Nachdem
das Lackmuster 902 entfernt ist, wird ein Lackmuster 903 mit
einer Nut 903a gebildet, die die obere Elektrode 805b umgibt,
wie in 9D gezeigt ist. Diese Nut 903a ist
der Bereich, in dem die Hilfselektrode 806 aus 8 gebildet
ist. Eine 5 μm starke
Goldschicht wächst
durch das galvanische Verfahren mit der dünnen Metallschicht 901 als
Kathode auf der Oberfläche
der dünnen
Metallschicht 901 auf, die auf dem Bodenabschnitt der Nut 903a freigelegt
ist, um die Nut 903a zu füllen, wodurch die Elektrodensäule 806b gebildet
wird.
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Nachdem
das Lackmuster 903 entfernt ist, werden die freiliegenden
Abschnitte der dünnen
Metallschicht 901 durch Ätzen entfernt. Bei diesem Ätzschritt
kann zuerst die obere Goldschicht durch einen nasschemischen Ätzvorgang
unter Verwendung eines Lösungsgemisches
aus Jod, Ammoniumjodid und Ethanol als Ätzmittel entfernt werden. In
diesem Fall beträgt
die Ätzgeschwindigkeit
etwa 0,5 μm/min. Dann
kann die untere Chromschicht durch einen nasschemischen Ätzvorgang
unter Verwendung einer wässrigen
Lösung
aus Kaliumhexacyanoferrat(III) und Natriumhydroxid entfernt werden.
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Als
Ergebnis des vorstehenden Vorgangs wird die Hilfselektrode 806 als
ein Matrixmuster in einer Höhe
von etwa 5 μm über der
dielektrischen Zwischenniveauschicht 803 gebildet. Die
Sensorelektrode 805 wird im zentralen Abschnitt jedes quadratischen
Abschnitts der matrixartigen Hilfselektrode 806 gebildet.
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Wie
in 9F gezeigt ist, wird eine Opferschicht 904 gebildet,
um jeden quadratischen Abschnitt der matrixartigen Hilfselektrode 806 zu
füllen. Diese
Opferschicht 904 kann folgendermaßen gebildet werden: Zuerst
wird die Oberseite der dielektrischen Zwischenniveauschicht 803,
auf der die Sensorelektrode 805 und die Hilfselektrode 806 gebildet sind,
durch Rotationsbeschichten mit einem Polyimidwerkstoff beschichtet,
um eine Polyimidschicht zu bilden. Als dieser Polyimidwerkstoff
wird beispielsweise ein Polyimidharz verwendet, das als Grundbestandteil
einen Polybenzoxazol-Vorläufer
enthält. Durch
diese Beschichtung wird die Oberseite der Polyimidschicht geglättet, wobei
die Aussparungen/Vorsprünge
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 803, die auf
die Hilfselektrode 806 und die Sensorelektrode 805 zurückzuführen sind,
absorbiert werden.
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Nachdem
die Polyimidschicht durch Beschichten gebildet ist, wird die entstehende
Struktur bei etwa 310°C
erhitzt, damit die Polyimidschicht aushärtet. Wenn die ausgehärtete Polyimidschicht rückgeätzt wird,
bis die Oberfläche
der Hilfselektrode 806 freigelegt ist, kann die Opferschicht 904,
die aus Polyimid besteht und eine ebene Oberfläche aufweist, gebildet werden,
um jeden quadratischen Abschnitt der Hilfselektrode 806 zu
füllen.
Dieser Rückätzschritt
kann durch Trockenätzen
mit einem Sauerstoffplasma erfolgen. Polyimid ist ein organischer
Werkstoff und kann daher mit einem Sauerstoffplasma geätzt werden.
Es ist zu beachten, dass der Rückätzschritt
beispielsweise durch ein chemisches/mechanisches Polierverfahren
erfolgen kann. Wie zuvor beschrieben ist, können ausgezeichnete Hafteigenschaften
gegenüber
der Polyimidharzschicht erzielt werden, da die Sensorelektroden 805 und
die Hilfselektrode 806 aus Gold bestehen. Daher löst sich
die gebildete Harzschicht nicht ab, selbst wenn das Polieren durch
das chemische/mechanische Polierverfahren erfolgt.
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Wie
in 9G gezeigt ist, wird die Gegenelektrode 807 auf
der Opferschicht 904 und der Hilfselektrode 806 gebildet.
Diese Gegenelektrode 807 wird folgendermaßen in ein
maschenartiges Muster gebracht: Zuerst wird eine Chromschicht mit
einer Stärke
von etwa 0,2 μm
durch Sputtern oder Ähnliches
auf der gesamten Oberfläche
des zuvor beschriebenen Gebildes gebildet. Diese Schicht wird dann
teilweise geätzt,
um eine Mehrzahl feiner Löcher
zu erhalten.
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Wenn
die Opferschicht 904 mit einem Gasgemisch aus CF4 und Sauerstoff gezielt geätzt wird, wird
die Gegenelektrode 807 so ausgebildet, dass sie von der
Hilfselektrode 806 gestützt
wird und einen vorher festgelegten Zwischenraum über der Sensorelektrode 805 aufweist,
wie in 9H gezeigt ist.
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Wie
bei dem zuvor beschriebenen ersten und zweiten Vergleichsbeispiel
wird der Oberflächenform-Erkennungssensor
des dritten Vergleichsbeispiels aus 8 erhalten,
wenn die Schicht 808 mit den Vorsprüngen 808a mit/an der
Gegenelektrode 807 verbunden/befestigt ist. Diese Schicht 808 kann durch
Verarbeiten einer Schicht aus einem organischen Werkstoff wie PTFE
gebildet werden, der warmverformbar ist. Die ebene Fläche der
Schicht 808 wird mit einem schichtartigen Klebstoff beschichtet
und auf der Gegenelektrode 807 angebracht und befestigt,
wobei die mit Klebstoff beschichtete Fläche zur Gegenelektrode 807 zeigt.
Die entstehende Struktur wird anschließend 10 Min. bei 1500°C erhitzt.
Dadurch ist die Schicht 808 mit/an der Gegenelektrode 807 verbunden/befestigt.
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Gemäß der vorstehenden
Beschreibung wird die Hilfselektrode als ein Matrixmuster ausgebildet. Jedoch
ist das vorliegende Vergleichsbeispiel nicht darauf beschränkt und
die Hilfselektrode kann jedes beliebige Muster aufweisen, solange
die entstehende Anordnung die Gegenelektrode stützen kann, wobei ein vorher
festgelegter Zwischenraum über
jeder Sensorelektrode gewährleistet
ist.
-
Erste Ausführungsform
-
Im
Folgenden wird ein Oberflächenform-Erkennungssensor
gemäß der ersten
Ausführungsform der
Erfindung beschrieben. 10 zeigt eine Anordnung, die
zwei Sensorelementen des Oberflächenform-Erkennungssensors
entspricht. Diese Anordnung weist Sensorelektroden 1005 auf,
von denen jede eine Größe von 80 μm im Quadrat
aufweist, und Erdungselektroden 1006 auf einer dielektrischen Zwischenniveauschicht 1004,
die auf einer unteren Isolierschicht 1002 auf einem Halbleitersubstrat 1001 gebildet
ist. Es wird ein Fall beschrieben, bei dem eine Sensorelektrode 1005 für ein Sensorelement gefertigt
ist. Eine Verbindung (erste Verbindung) 1003, die über ein
Durchgangsloch (erstes Durchgangsloch) 1004a mit der Sensorelektrode 1005 verbunden
ist, ist auf der unteren Isolierschicht 1002 gebildet.
Obwohl dies in 10 nicht gezeigt ist, sind Verbindungen
(zweite Verbindungen), die mit den Erdungselektroden 1006 verbunden
sind, auf der unteren Isolierschicht 1002 gebildet. Diese
Verbindungen sind auch über
Durchgangslöcher
(zweite Durchgangslöcher)
mit den Erdungselektroden 1006 verbunden, die in der dielektrischen
Zwischenniveauschicht 1004 gebildet sind. Eine Passivierungsschicht 1007 ist
gebildet, um die Sensorelektroden 1005 zu bedecken. Die
oberen Abschnitte der Erdungselektroden 1006 sind an der
Oberseite der Passivierungsschicht 1007 freigelegt.
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In
diesem Fall ist eine Mehrzahl von Sensorelektroden 1005,
d.h. Sensorelementen, in 100 μm-Abständen angeordnet.
Die Passivierungsschicht 1007 besteht aus einem Isolierstoff
mit einer relativen Dielektrizitätskonstante
von etwa 4,0, z.B. Siliziumoxid. Die Stärke dieser Schicht auf der
Sensorelektrode 1005 beträgt etwa 5 μm.
-
Eine
Erfassungseinheit 1008 ist auf dem Halbleitersubstrat 1001 an
einer Stelle unter jedem Sensorelement gebildet. Die Erfassungseinheit 1008 ist
durch die zuvor beschriebene Verbindung 1003 und Ähnliches
mit den Erdungselektroden 1006 und der Sensorelektrode 1005 verbunden.
Die Erfassungseinheit 1008 erfasst die Kapazität, die zwischen
den Erdungselektroden 1006 und der Sensorelektrode 1005 gebildet
wird. Das Ausgangssignal jeder Erfassungseinheit 1008 wird
von einem Verarbeitungsmittel (nicht gezeigt) verarbeitet. Dieses
Verarbeitungsmittel wandelt die Kapazitäten, die in den jeweiligen
Sensorelektroden 1005 gebildet sind, in Rasterbilddaten
um. Es ist zu beachten, dass eine Erfassungseinheit 1008 nicht
an einer Stelle unter jedem Sensorelement gebildet sein muss, sondern
für eine
Mehrzahl von Sensorelementen ausgebildet sein kann. Außerdem können die
Erfassungseinheiten in anderen Bereichen auf dem Halbleitersubstrat 1001 gebildet
sein, gemeinsam mit dem zuvor beschriebenen Verarbeitungsmittel.
Dieses Verarbeitungsmittel kann unter den Sensorelementen angeordnet
sein, gemeinsam mit den Erfassungseinheiten. Diese Erfassungseinheiten 1008 und
Verarbeitungsmittel müssen
nicht in ein monolithisches Gebilde auf dem Halbleitersubstrat 1001 eingegliedert sein.
Es ist jedoch bevorzugt, dass die Sensorelektroden 1005,
die Erfassungseinheiten 1008 und das Verarbeitungsmittel
so nah wie möglich
angeordnet sind.
-
Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor,
der die vorstehende Anordnung aufweist, berühren die Erhebungen in der
Haut des Fingers die oberen Abschnitte der Erdungselektroden 1006, wenn
die Fingerspitze die Oberseite der Passivierungsschicht 1007 berührt. Da
die Breite einer Erhebung in der Haut des menschlichen Fingers etwa
200 bis 300 μm
beträgt,
berühren
die Erhebungen in der Haut immer die Erdungselektroden 1006,
die in 100 μm-Abständen angeordnet
sind. Als Folge wird das Potenzial jeder Erhebung in der Haut der
Fingerspitze, die auf die Passivierungsschicht 1007 gelegt
wird, das gleiche wie das der entsprechenden Erdungselektrode 1006.
Kapazitäten
werden damit zwischen den jeweiligen Erhebungen in der Haut der
Fingerspitze und den Sensorelektroden 1005 gebildet und von
den Erfassungseinheiten 1008 erfasst.
-
In
diesem Fall berühren
die Erhebungen in der Haut der Fingerspitze, die auf die Passivierungsschicht 1007 gelegt
wird, die Passivierungsschicht 1007, wohingegen die Vertiefungen
in der Haut einen Abstand zu der Passivierungsschicht 1007 aufweisen.
Der Abstand d1 zwischen der Oberfläche einer Erhebung in der Haut
und der darunter liegenden Sensorelektrode 1005 unterscheidet
sich daher von dem Abstand d2 zwischen der Oberfläche einer
Vertiefung in der Haut und der darunter liegenden Sensorelektrode 1005,
und insbesondere d1 < d2.
Die Kapazität
C1 zwischen der Oberfläche
der Erhebung in der Haut und der darunter liegenden Sensorelektrode 1005 unterscheidet
sich von der Kapazität
C2 zwischen der Oberfläche
der Vertiefung in der Haut und der darunter liegenden Sensorelektrode 1005. Folglich
werden verschiedene Kapazitäten
zwischen der Sensorelektrode 1005 unter der Erhebung in
der Haut und der Erdungselektrode 1006 und zwischen der
Sensorelektrode 1005 unter der Vertiefung in der Haut und
der Erdungselektrode 1006 erfasst.
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Bei
der vorstehenden Anordnung beträgt
die Kapazität
C1 beispielsweise etwa 43 fF. Da die Tiefe einer Vertiefung in der
Haut etwa 100 μm
beträgt,
beträgt
die Kapazität
C2 etwa 2,3 fE. Sind die jeweiligen Sensorelektroden 1005 in
Form einer Matrix angeordnet, können
Kapazitäten,
die den Erhebungen/Vertiefungen in der Haut entsprechen, in Übereinstimmung
mit der Anordnung der Sensorelektroden 1005 erfasst werden.
Wenn das Verarbeitungsmittel Rasterdaten in Übereinstimmung mit den jeweiligen
Kapazitäten
erzeugt, die an den Sensorelektroden 1005 erfasst wurden,
kann das Fingerabdruckmuster wiedergegeben werden. Wenn beispielsweise
300 × 300
Sensorelektroden in 100 μm-Abständen in
Form einer Matrix angeordnet sind, kann ein Bild des Fingerabdrucks
mit 300 × 300 Punkten
mit einer Auflösung
von etwa 250 Punkten je Zoll gewonnen werden.
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Obwohl
dies in 10 nicht gezeigt ist, ist eine
integrierte Schaltung, in der ein Speicherbereich, der Fingerabdruckdaten
zum Zuordnen speichert, ein Erkennungsverarbeitungsbereich zum Vergleichen/Zuordnen
der Fingerabdruckdaten, die im Speicherbereich gespeichert sind,
mit/zu einem eingelesenen Bild eines Fingerabdrucks, und Ähnliches eingegliedert
sind, in einem anderen Bereich auf dem Halbleitersubstrat 1001 angeordnet.
Alle diese Bestandteile können
auf dem Halbleitersubstrat 1001 an einer Stelle unter der
Sensorelektrode 1005 angeordnet sein. Bei dieser Anordnung
kann das erfasste Fingerabdruckmuster durch den Erkennungsverarbeitungsbereich,
der in der integrierten Schaltung in einem kompakteren Zustand gebildet
ist, mit den Fingerabdruckdaten verglichen/diesen zugeordnet werden,
die im Speicherbereich gespeichert sind.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor
der ersten Ausführungsform
berührt
ein Abschnitt des Fingers die Erdungselektroden, wenn beispielsweise
ein Fingerabdruckmuster erkannt werden soll. Dadurch wird auf der
Oberfläche
des Oberflächenform-Erkennungssensors
statische Elektrizität
erzeugt. Jedoch fließt
die statische Elektrizität
zu den Erdungselektroden. Dadurch werden durch statische Elektrizität verursachte
Beschädigungen
von anderen Abschnitten der integrierten Schaltung vermieden, die
unter den Erdungselektroden gebildet sind.
-
Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der ersten
Ausführungsform
teilweise und kurz beschrieben.
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Zuerst
werden andere integrierte Schaltungen wie die zuvor beschriebenen
Erfassungseinheiten auf dem Halbleitersubstrat 1001 gebildet.
Wie in 11A gezeigt ist, wird dann die
untere Isolierschicht 1002 auf dem Halbleitersubstrat 1001 gebildet,
um diese integrierten Schaltungen zu bedecken. Die Verbindungen 1003 werden
auf der unteren Isolierschicht 1002 gebildet. Obwohl dies
nicht gezeigt ist, werden gleichzeitig die Verbindungen gebildet, die
mit den Erdungselektroden 1006 (später beschrieben) verbunden
werden sollen.
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Wie
in 11B gezeigt ist, wird die dielektrische Zwischenniveauschicht 1004 auf
der unteren Isolierschicht 1002 gebildet, um die Verbindungen 1003 zu
bedecken. Wie in 11C gezeigt ist, werden die
Durchgangslöcher 1004a in
vorher festgelegten Abschnitten der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1004 über den
Verbindungen 1003 gebildet. Obwohl dies nicht gezeigt ist,
werden gleichzeitig Durchgangslöcher
in Abschnitten gebildet, die den Verbindungen entsprechen, die mit
den Erdungselektroden 1006 (später beschrieben) verbunden
werden.
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Wie
in 11D gezeigt ist, werden die Sensorelektroden 1005,
die über
die Durchgangslöcher 1004a mit
den Verbindungen 1003 verbunden sind, auf der dielektrischen
Zwischenniveauschicht 1004 gebildet.
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Wie
in 11E gezeigt ist, werden die Erdungselektroden 1006,
von denen jede stärker
als die Sensorelektrode 1005 ist, auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1004 so
gebildet, dass sie von den Sensorelektroden 1005 beabstandet
sind. Die Erdungselektroden 1006 werden über Durchgangslöcher (nicht
gezeigt), die in der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1004 gebildet
sind, mit den entsprechenden Verbindungen (nicht gezeigt) verbunden,
die auf der unteren Isolierschicht 1002 gebildet sind.
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Wie
in 11F gezeigt ist, wird die Passivierungsschicht 1007 so
gebildet, dass sie die Aussparungsabschnitte füllt, die durch die Erdungselektroden 1006 gebildet
sind, und dass sie die Sensorelektroden 1005 bedeckt. Zu
diesem Zeitpunkt sind die oberen Abschnitte der Erdungselektroden 1006 auf der
Oberseite der Passivierungsschicht 1007 freigelegt.
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Durch
den vorstehenden Vorgang kann der Elektrodenabschnitt des Oberflächenform-Erkennungssensors
der ersten Ausführungsform
gebildet werden, der in 10 gezeigt ist.
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Zweite Ausführungsform
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Als
nächstes
wird ist ein Oberflächenform-Erkennungssensor
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Die 12A, 12B und 12C zeigen
die Anordnung des Oberflächenform-Erkennungssensors
der zweiten Ausführungsform.
Die 12A und 12B sind Schnittansichten,
und 12C ist eine Draufsicht. 12A entspricht einer Schnittansicht entlang einer Linie
A – A' in 12C. 12B entspricht
einer Schnittansicht entlang einer Linie B – B' in 12C.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
werden zuerst Sensorelektroden 1205, von denen jede eine Größe von 80 μm im Quadrat
aufweist, und eine Erdungselektrode 1206 auf einer dielektrischen
Zwischenniveauschicht 1203 gebildet, die auf einer Isolierschicht 1201 auf
einem Halbleitersubstrat (nicht gezeigt) gebildet ist. Es ist im
Folgenden ein Fall beschrieben, bei dem eine Sensorelektrode 1205 für ein Sensorelement
gefertigt ist. 12A zeigt ein Sensorelement
des Oberflächenform-Erkennungssensors
der zweiten Ausführungsform.
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Die
Sensorelektrode 1205 ist durch eine Sperrschicht 1204 aus
Titannitrid mit einer Aluminiumverbindung 1202 verbunden,
die auf der Isolierschicht 1201 gebildet ist. Es ist zu
beachten, dass auch eine Aluminiumverbindung 1202a auf
der Isolierschicht 1201 gebildet ist, und durch die Sperrschicht 1204 mit
einer Erdungselektrode 1206 verbunden ist, wie in 12B gezeigt ist.
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In
diesem Fall besteht die Erdungselektrode 1206 aus einer
unteren Elektrode 1206a aus Kupfer und einer Elektrodensäule 1206b aus
Kupfer, die auf der unteren Elektrode 1206a gebildet ist.
Eine Schutzschicht 1206c aus Gold ist auf der Oberseite der
Erdungselektrode 1206 gebildet. Eine Schutzschicht 1205a aus
Gold ist auch auf der Oberseite jeder Sensorelektrode 1205 gebildet.
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Eine
Passivierungsschicht 1207, die zum Beispiel aus Siliziumoxid
besteht, ist gebildet, um jede Sensorelektrode 1205 zu
bedecken, und jeder obere Abschnitt der Erdungselektrode 1206 ist
an der Oberseite der Passivierungsschicht 1207 freigelegt.
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Wie
in 12C gezeigt ist, ist die Erdungselektrode 1206 als
ein Matrixmuster ausgebildet, das quadratische Abschnitte aufweist,
die in 100 μm-Abständen angeordnet
sind. Die Sensorelektroden 1205 sind in den zentralen Abschnitten
der jeweiligen quadratischen Abschnitte in 100 μm-Abständen angeordnet. Bei der zweiten
Ausführungsform
bildet daher ein quadratischer Abschnitt des Matrixmusters ein Sensorelement. 12C zeigt einen Zustand, bei dem neun Sensorelemente
in Form einer Matrix angeordnet sind. Die Passivierungsschicht 1207 besteht
aus einem Isolierstoff mit einer relativen Dielektrizitätskonstante
von etwa 4,0. Diese Schicht ist gebildet, um die Abschnitte zwischen
den quadratischen Abschnitten des Matrixmusters der Erdungselektrode 1206 zu
füllen
und eine Stärke
von etwa 5 μm
auf jeder Sensorelektrode 1205 aufzuweisen.
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Obwohl
dies nicht gezeigt ist, sind Erfassungseinheiten auf dem Halbleitersubstrat
an Stellen unter den jeweiligen Sensorelementen gebildet. Diese
Erfassungseinheiten sind durch die Verbindungen 1202 und Ähnliches
mit der Erdungselektrode 1206 beziehungsweise den Sensorelektroden 1205 verbunden.
Die Erfassungseinheiten erfassen die Kapazitäten, die zwischen der Erdungselektrode 1206 und den
jeweiligen Sensorelektroden 1205 gebildet sind, und geben
Signale aus, die den Kapazitäten
entsprechen.
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Das
Ausgangssignal von jeder Erfassungseinheit 1208 wird von
einem Verarbeitungsmittel (nicht gezeigt) verarbeitet. Dieses Verarbeitungsmittel
wandelt die Kapazitäten,
die in den jeweiligen Sensorelektroden 1205 gebildet werden,
in Rasterbilddaten um. Es ist zu beachten, dass diese Erfassungseinheiten
und Verarbeitungsmittel auf dem Halbleitersubstrat (nicht gezeigt)
nicht an Stellen unter den Sensorelektroden 1205 angeordnet
sein müssen,
sondern in anderen Bereichen des Halbleitersubstrats angeordnet
werden können.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor,
der die vorstehende Anordnung aufweist, berühren die Erhebungen in der
Haut des Fingers wie bei der ersten Ausführungsform die oberen Abschnitte
der Erdungselektrode 1206, wenn die Fingerspitze die Oberseite
der Passivierungsschicht 1207 berührt. Da die Breite einer Erhebung
in der Haut des menschlichen Fingers etwa 200 bis 300 μm beträgt, berühren die
Erhebungen in der Haut immer die Erdungselektroden 1206,
die als ein Matrixmuster mit quadratischen Abschnitten ausgebildet
sind, die in 100 μm-Abständen angeordnet
sind. Als eine Folge davon wird das Potenzial jeder Erhebung in
der Haut der Fingerspitze, die auf die Passivierungsschicht 1207 gelegt
wird, das gleiche wie das der Erdungselektrode 1206. Kapazitäten werden
damit zwischen den jeweiligen Erhebungen in der Haut der Fingerspitze
und den Sensorelektroden 1205 gebildet und von den Erfassungseinheiten 1208 erfasst.
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In
diesem Fall berühren
die Erhebungen in der Haut der Fingerspitze, die auf die Passivierungsschicht 1207 gelegt
wird, die Passivierungsschicht 1207, wohingegen die Vertiefungen
in der Haut einen Abstand zu der Passivierungsschicht 1207 aufweisen.
Der Abstand d1 zwischen der Oberfläche einer Erhebung in der Haut
und der darunter liegenden Sensorelektrode 1205 unterscheidet
sich daher von dem Abstand d2 zwischen der Oberfläche einer
Vertiefung in der Haut und der darunter liegenden Sensorelektrode 1205,
und genauer d1 < d2.
Die Kapazität
C1 zwischen der Oberfläche
der Erhebung in der Haut und der darunter liegenden Sensorelektrode 1205 unterscheidet
sich von der Kapazität
C2 zwischen der Oberfläche
der Vertiefung in der Haut und der darunter liegenden Sensorelektrode 1205.
Folglich werden verschiedene Kapazitäten zwischen der Sensorelektrode 1205 unter
der Erhebung in der Haut und der Erdungselektrode 1206 und
zwischen der Sensorelektrode 1205 unter der Vertiefung
in der Haut und der Erdungselektrode 1206 erfasst.
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Bei
der vorstehenden Anordnung beträgt
die Kapazität
C1 beispielsweise etwa 43 fF. Da die Tiefe einer Vertiefung in der
Haut etwa 100 μm
beträgt,
beträgt
die Kapazität
C2 etwa 2,3 fF. Sind die jeweiligen Sensorelektroden 1205 in
Form einer Matrix angeordnet, können
die Kapazitäten,
die den Erhebungen/Vertiefungen in der Haut entsprechen, in Übereinstimmung
mit der Anordnung der Sensorelektroden 1205 erfasst werden.
Wenn das Verarbeitungsmittel Rasterdaten in Übereinstimmung mit den jeweiligen
Kapazitäten
erzeugt, die an den Sensorelektroden 1205 erfasst wurden,
kann das Fingerabdruckmuster wiedergegeben werden. Wenn beispielsweise
300 × 300
Sensorelektroden in 100 μm-Abständen in
Form einer Matrix angeordnet sind, kann ein Bild des Fingerabdrucks
mit 300 × 300 Punkten
mit einer Auflösung
von etwa 250 Punkten je Zoll gewonnen werden.
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Obwohl
dies in den 12A bis 12C nicht
gezeigt ist, ist eine integrierte Schaltung, in der ein Speicherbereich,
der Fingerabdruckdaten zum Zuordnen speichert, ein Erkennungsverarbeitungsbereich
zum Vergleichen/Zuordnen der Fingerabdruckdaten, die im Speicherbereich
gespeichert sind, mit/zu einem eingelesenen Bild eines Fingerabdrucks,
und Ähnliches
eingegliedert sind, in einem anderen Bereich auf dem Halbleitersubstrat
angeordnet. Alle diese Bestandteile können auf dem Halbleitersubstrat
an einer Stelle unter der Sensorelektrode 1205 angeordnet
sein. Bei dieser Anordnung kann das erfasste Fingerabdruckmuster
durch den Erkennungsverarbeitungsbereich, der in der integrierten Schaltung
in einem kompakteren Zustand gebildet ist, anhand der Fingerabdruckdaten
verglichen/zugeordnet werden, die im Speicherbereich gespeichert sind.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor
der zweiten Ausführungsform
berührt
ein Abschnitt des Fingers die Erdungselektroden, wenn beispielsweise
ein Fingerabdruckmuster erkannt werden soll. Als Folge wird auf
der Oberfläche
des Oberflächenform-Erkennungssensors
statische Elektrizität
erzeugt. Jedoch fließt
die statische Elektrizität
zu den Erdungselektroden. Dadurch werden durch statische Elektrizität verursachte
Beschädigungen
von anderen Abschnitten der integrierten Schaltung vermieden, die
unter den Erdungselektroden gebildet sind.
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Zusätzlich sind
die freiliegenden Oberflächenabschnitte
der Erdungselektrode gemäß der zweiten
Ausführungsform
mit Gold beschichtet, um die Bildung von Oxidschichten auf den Berührungsflächen der
Erdungselektrode zu verhindern. Außerdem werden die Abstände zwischen
der Erdungselektrode und den jeweiligen Sensorelektroden gemäß der zweiten
Ausführungsform
so gestaltet, dass sie gleich sind, da die Erdungselektrode als
ein Matrixmuster ausgebildet ist und die Sensorelektroden in den
zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte gebildet
sind.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Herstellung des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der zweiten
Ausführungsform
teilweise beschrieben.
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Zuerst
werden andere integrierte Schaltungen wie die zuvor beschriebenen
Erfassungseinheiten auf dem Halbleitersubstrat gebildet. Wie in 13A gezeigt ist, wird dann die Isolierschicht 1201 aus
Siliziumoxid auf dem Halbleitersubstrat gebildet, um diese integrierten
Schaltungen zu bedecken. Die Aluminiumverbindung 1202 wird
auf der Isolierschicht 1201 gebildet. Diese Verbindung 1202 kann gebildet
werden, indem eine Aluminiumschicht gebildet und durch ein bekanntes
fotolithografisches Verfahren mit einem Muster versehen wird. Die
dielektrische Zwischenniveauschicht 1203 wird auf der Isolierschicht 1201 gebildet,
um die Verbindung 1202 zu bedecken. Ein Durchgangsloch 1203a wird
in einem vorher festgelegten Abschnitt der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1203 über der
Verbindung 1202 gebildet.
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Die
Sperrschicht 1204 aus Titannitrid wird gebildet, um mindestens
den Oberflächenabschnitt der
Verbindung 1202 zu bedecken, der auf dem Bodenabschnitt
des Durchgangslochs 1203a freigelegt ist. Diese Sperrschicht 1204 kann
folgendermaßen gebildet
werden: Zuerst wird durch Sputtern oder Ähnliches eine Titannitridschicht
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1203 gebildet,
in der das Durchgangsloch 1203a gebildet ist. Dann wird durch
Fotolithografie ein Lackmuster gebildet, um den Abschnitt zu bedecken,
in dem das Durchgangsloch gebildet ist. Die Titannitridschicht wird
gezielt durch Trockenätzen
entfernt, z.B. mit dem RIE-Verfahren, wobei dieses Lackmuster als
Maske verwendet wird. Das Lackmuster wird dann entfernt. Als Folge
entsteht die Sperrschicht 1204. Es ist zu beachten, dass
der Werkstoff für
die Sperrschicht 1204 nicht auf Titannitrid beschränkt ist.
Es kann ein anderer leitfähiger
Werkstoff für
die Sperrschicht 1204 verwendet werden, der wechselseitiges
Diffundieren verhindern kann.
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Wie
in 13B gezeigt ist, wird eine dünne Metallschicht 1301,
die aus Kupfer besteht und mit eine Stärke von etwa 0,1 μm aufweist,
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1203 einschließlich der
Sperrschicht 1204 gebildet. Diese Schicht kann durch Sputtern
gebildet werden.
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Wie
in 13C gezeigt ist, wird ein Lackmuster 1302 mit
einem Öffnungsbereich 1302a in
einem vorher festgelegten Bereich über dem Durchgangsloch 1203a auf
der dünnen
Metallschicht 1301 gebildet. Eine 0,3 μm starke Kupferschicht und eine 0,2 μm starke
Goldschicht werden durch ein galvanisches Verfahren unter Verwendung
der dünnen
Metallschicht 1301 als Kathode auf der Oberseite der dünnen Metallschicht 1301 gebildet,
die auf dem Bodenabschnitt des Öffnungsbereichs 1302a freigelegt ist,
wodurch die Schutzschicht 1205a gebildet wird. Die Bildung
dieser Schutzschicht 1205a ist nicht auf das Galvanisieren
beschränkt.
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Nachdem
das Lackmuster 1302 entfernt ist, wird ein Lackmuster 1303 mit
einer Nut 1303a gebildet, die die Schutzschicht 1205a umgibt,
wie in 13D gezeigt ist. Es ist zu beachten,
dass diese Nut 1303a so gebildet ist, dass ein Abschnitt über der Sperrschicht 1204,
die mit der Verbindung 1202a in 12B verbunden
ist, offen ist.
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Wie
in 13E gezeigt ist, wächst eine Kupferschicht durch
das galvanische Verfahren unter Verwendung der dünnen Metallschicht 1301 als
Kathode bis auf eine Stärke
von etwa 5 μm
auf der Oberseite der dünnen
Metallschicht 1301 an, die auf dem Bodenabschnitt der Nut 1303a freigelegt
ist, wodurch die Elektrodensäule 1206b gebildet
wird. Ebenso wächst
durch Galvanisieren, wie in 13F gezeigt
ist, eine Goldschicht auf der Oberseite der Elektrodensäule 1206b bis
auf eine Stärke
von etwa 0,1 μm
an, um die Schutzschicht 1206c zu bilden. Es ist zu beachten,
dass beispielsweise die Bildung der Elektrodensäule 1206b nicht auf
das Galvanisieren beschränkt
ist, und stromloses Abscheiden verwendet werden kann.
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Nachdem
das Lackmuster 1303 entfernt ist, wird die dünne Metallschicht 1301 gezielt
geätzt,
wobei die Schutzschichten 1205a und 1206c als
Masken verwendet werden, wie es in 13G gezeigt
ist. Dieser Ätzschritt
kann durch einen nasschemischen Ätzvorgang
unter Verwendung einer wässrigen
gemischten Säurelösung aus
Phosphorsäure,
Salpetersäure
und Essigsäure
als Ätzmittel
erfolgen.
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Als
Folge des vorstehenden Vorgangs wird die Erdungselektrode 1206 als
ein Matrixmuster auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1203 ausgebildet,
und die Sensor elektroden 1205 werden in den zentralen Abschnitten
der jeweiligen quadratischen Abschnitte der Erdungselektrode 1206 gebildet.
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Wie
in 13H gezeigt ist, wird die Passivierungsschicht 1207 gebildet,
um die quadratischen Abschnitte der Erdungselektrode 1206 zu
füllen.
Diese Passivierungsschicht 1207 kann folgendermaßen gebildet
werden: Zuerst wird die Oberseite der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1203,
auf der die Sensorelektroden 1205 und die Erdungselektrode 1206 gebildet
sind, durch Rotationsbeschichten oder Ähnliches mit einem SOG-Werkstoff
beschichtet, um eine SOG-Schicht zu bilden.
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Damit
eine dicke SOG-Schicht entsteht, wird das Beschichten mit dem SOG-Werkstoff
dreimal durchgeführt.
Durch diese Beschichtung wird die Oberseite der SOG-Schicht geglättet, wobei
die Aussparungen/Vorsprünge
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1203, die
auf die Erdungselektrode 1206 und die Sensorelektroden 1205 zurückzuführen sind,
absorbiert werden. Nachdem die SOG-Schicht durch dieses Beschichten
gebildet ist, wird die entstehende Struktur bei etwa 300°C erhitzt, damit
aus der Beschichtung eine Siliziumoxidschicht entsteht. Wenn die
SOG-Schicht rückgeätzt wird,
bis die Oberseite der Erdungselektrode 1206 freigelegt ist,
kann die Passivierungsschicht 1207, die eine ebene Oberfläche aufweist,
gebildet werden, um die jeweiligen quadratischen Abschnitte der
Erdungselektrode 1206 zu füllen.
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Durch
den vorstehenden Vorgang kann der Elektrodenabschnitt des Oberflächenform-Erkennungssensors
der zweiten Ausführungsform
gebildet werden, der in den 12A, 12B und 12C gezeigt
ist.
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Es
ist zu beachten, dass die Passivierungsschicht 1207 nicht
auf die zuvor beschriebene An und Weise gebildet werden muss. Diese
Schicht kann aus einem Isolierstoff bestehen und so ausgebildet sein,
dass sie eine ebene Oberseite aufweist, wie in 13H gezeigt ist. Deshalb kann die Passivierungsschicht 1207,
die eine ebene Oberseite aufweist, gebildet werden, indem eine Siliziumoxidschicht
abgeschieden wird, um die Erdungselektrode 1206 zu bedecken,
und die Schicht mithilfe eines chemischen/mechanischen Polierverfahrens
geschnitten/poliert wird, bis die Oberseite der Erdungselektro de 1206 freigelegt
ist.
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Gemäß der vorstehenden
Beschreibung ist die Erdungselektrode als ein Matrixmuster ausgebildet.
Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise
kann eine Mehrzahl von Erdungselektroden 1313, wie in einer
Draufsicht in 13I gezeigt ist, so ausgebildet
sein, dass jede Erdungselektrode auf einer Seite jeder Sensorelektrode 1312 angeordnet
ist, die sich in einer Passivierungsschicht 1311 befindet,
und die Erdungselektroden auf der Oberseite der Passivierungsschicht 1311 voneinander
getrennt sind. Es ist zu beachten, dass die Erdungselektroden 1313 durch
eine untere Verbindungsschicht miteinander verbunden und auf das gleiche
Potenzial eingestellt sind.
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Ein
Paar Erdungselektroden, deren Oberseiten freigelegt sind, müssen nicht
in der Nähe
jeder Sensorelektrode gebildet sein, sondern es kann eine Erdungselektrode
für eine
Mehrzahl von Sensorelektroden gebildet sein.
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Wenn
die Erdungselektrode jedoch wie bei der zweiten Ausführungsform
als ein Matrixmuster ausgebildet ist und die Sensorelektroden in
den zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte
angeordnet sind, dann können
die Abstände zwischen
den jeweiligen Sensorelektroden, die in Form einer Matrix angeordnet
sind, und der Erdungselektrode so ausgestaltet sein, dass sie gleich
sind.
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Dritte Ausführungsform
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Im
Folgenden ist ein Oberflächenform-Erkennungssensor
gemäß der dritten
Ausführungsform beschrieben.
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Wie
in 14 gezeigt ist, werden zuerst eine Sensorelektrode 1405,
die eine Größe von 80 μm im Quadrat
aufweist, und eine Erdungselektrode (stationäre Elektrode) 1406 auf
einer dielektrischen Zwischenniveauschicht 1403 gebildet,
die auf einer Isolierschicht 1401 gebildet ist.
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Obwohl
dies nicht gezeigt ist, ist die Isolierschicht 1401 auf
einem Halbleitersubstrat gebildet, auf dem integrierte Schaltungen
gebildet sind, z.B. Erfassungseinheiten und ein Verarbeitungsmittel.
Die Erdungselektrode 1406 ist als ein Matrixmuster ausgebildet,
das quadratische Abschnitte aufweist, die jeweils eine Größe von 100 μm im Quadrat
aufweisen. Die Sensorelektroden 1405 sind in den zentralen
Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte angeordnet.
Die Erdungselektrode 1406 weist etwa 300 × 300 quadratische
Abschnitte auf, sodass 300 × 300
Sensorelektroden 1405 in Form einer Matrix angeordnet sind.
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Eine
Aluminiumverbindung 1402a, die durch eine Sperrschicht 1404 aus
Titannitrid mit der Sensorelektrode 1405 verbunden ist,
ist auf der Isolierschicht 1401 gebildet. Die Sensorelektrode 1405 besteht
aus einer unteren Elektrode 1405a mit einem zweischichtigen
Aufbau aus einer Chrom- und einer Kupferschicht, die jeweils eine
Stärke
von etwa 0,1 μm
aufweisen, und einer oberen Elektrode 1405b, die eine Stärke von
etwa 0,3 μm
aufweist und auf der unteren Elektrode 1405a gebildet ist.
Es ist zu beachten, dass die obere Elektrode 1405b aus
Kupfer besteht.
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Ebenso
ist eine Aluminiumverbindung 1402b, die durch die Sperrschicht 1404 aus
Titannitrid mit der Erdungselektrode 1406 verbunden ist,
auf der Isolierschicht 1401 gebildet. Die Erdungselektrode 1406 besteht
ebenfalls aus einer unteren Elektrode 1406a mit einem zweischichtigen
Aufbau aus einer Chrom- und einer Kupferschicht und einer Elektrodensäule 1406b,
die aus Kupfer besteht und eine Stärke von etwa 5 μm aufweist
und auf der unteren Elektrode 1406a ausgebildet ist. Wie
bei dem zweiten Vergleichsbeispiel ist das Metall, das für die untere Schicht
jeder unteren Elektrode 1405a und 1406a verwendet
wird, nicht auf Chrom beschränkt.
Beispielsweise können
andere Metalle wie Titan und Nickel verwendet werden, die die Diffusion
von Kupfer verhindern und die Hafteigenschaften gegenüber einem
Isolierstoff verbessern können.
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Die
Schutzschichten 1405c und 1406c aus Ruthenium
sind gebildet, um die Oberseiten und Seitenflächen der Sensorelektrode 1405 und
der Erdungselektrode 1406 zu bedecken.
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Eine
Passivierungsschicht 1407 aus Polyimid ist gebildet, um
die Sensorelektrode 1405 zu bedecken. Die oberen Abschnitte
der Erdungselektrode 1406 sind auf der Oberseite der Passivierungsschicht 1407 freigelegt.
Die Passivierungsschicht 1407 ist gebildet, um die Abschnitte
zwischen den quadratischen Abschnitten der Erdungselektrode 1406 zu
füllen
und eine Stärke
von etwa 5 μm über der
Sensorelektrode 1405 aufzuweisen.
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Die
zuvor beschriebene Erfassungseinheit ist durch die zuvor beschriebenen
Verbindungen 1402a und 1402b und Ähnliches
mit jeder Sensorelektrode 1405 und der Erdungselektrode 1406 verbunden.
Die Erfassungseinheiten erfassen die Kapazitäten, die zwischen den Erdungselektroden 1406 und
den jeweiligen Sensorelektroden 1405 gebildet sind, und
geben Signale aus, die den Kapazitäten entsprechen. Die Ausgangssignale
der jeweiligen Erfassungseinheiten werden von einem Verarbeitungsmittel
(nicht gezeigt) verarbeitet. Dieses Verarbeitungsmittel wandelt
die Kapazitäten,
die durch die jeweiligen Sensorelektroden 1405 gebildet
werden, in Rasterbilddaten um.
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Diese
Schritte stimmen mit denen bei der ersten und zweiten Ausführungsform überein.
Insbesondere kann auch bei dem Oberflächenform-Erkennungssensor der
dritten Ausführungsform
das Fingerabdruckmuster wiedergegeben werden, wenn das Verarbeitungsmittel
Rasterdaten in Übereinstimmung
mit den jeweiligen Kapazitäten
erzeugt, die an den Sensorelektroden 1405 erfasst wurden.
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Obwohl
dies in 14 nicht gezeigt ist, ist eine
integrierte Schaltung, in der ein Speicherbereich, der Fingerabdruckdaten
zum Überprüfen speichert,
ein Erkennungsverarbeitungsbereich zum Vergleichen/Zuordnen der
Fingerabdruckdaten, die im Speicherbereich gespeichert sind, mit/zu
einem eingelesenen Bild eines Fingerabdrucks, und Ähnliches eingegliedert
sind, in einem anderen Bereich auf dem Halbleitersubstrat angeordnet.
Alle diese Bestandteile können
auf dem Halbleitersubstrat an einer Stelle unter der Sensorelektrode 1405 angeordnet
sein. Bei dieser Anordnung kann das erfasste Fingerabdruckmuster
durch den Erkennungsverarbeitungsbereich, der in der integrierten
Schaltung in einem kompakteren Zustand gebildet ist, mit den Fingerabdruckdaten verglichen/diesem
zugeordnet werden, die im Speicherbereich gespeichert sind.
-
Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor
der dritten Ausführungsform
berührt
ein Abschnitt des Fingers die Erdungselektroden, wenn beispielsweise
ein Fingerabdruckmuster erkannt werden soll. Als Folge wird auf
der Oberfläche
des Oberflächenform-Erkennungssensors
statische Elektrizität
erzeugt. Jedoch fließt
die statische Elektrizität
zu den Erdungselektroden. Dies vermeidet bei dem Oberflächenform-Erkennungssensors
der dritten Ausführungsform
durch statische Elektrizität
verursachte Beschädigungen
von anderen Abschnitten der integrierten Schaltung, die unter den
Erdungselektroden gebildet sind.
-
Zusätzlich sind
die freiliegenden Oberflächenabschnitte
der Erdungselektrode gemäß der dritten
Ausführungsform
mit Ruthenium beschichtet, um die Bildung von Oxidschichten auf
den Berührungsflächen der
Erdungselektrode zu verhindern. Außerdem werden die Abstände zwischen
der Erdungselektrode und den jeweiligen Sensorelektroden gemäß der dritten
Ausführungsform
so gestaltet, dass sie einander gleich sind, da die Erdungselektrode
als ein Matrixmuster ausgebildet ist und die Sensorelektroden in
den zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte
gebildet sind.
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der dritten
Ausführungsform
teilweise beschrieben.
-
Zuerst
werden andere integrierte Schaltungen wie die zuvor beschriebenen
Erfassungseinheiten auf dem Halbleitersubstrat gebildet. Wie in 15A gezeigt ist, wird dann die Isolierschicht 1401 aus
Siliziumoxid auf dem Halbleitersubstrat gebildet, um diese integrierten
Schaltungen zu bedecken. Die Aluminiumverbindungen 1402a und 1402b werden auf
der Isolierschicht 1401 gebildet. Diese Verbindungen 1402a und 1402b können gebildet
werden, indem eine Aluminiumschicht gebildet und durch ein bekanntes
fotolithografisches Verfahren mit einem Muster versehen wird. Die
dielektrische Zwischenniveauschicht 1403 wird auf der Isolierschicht 1401 gebildet,
um die Verbindungen 1402a und 1402b zu bedecken.
Durchgangslöcher 1403a und 1403b werden in
vorher festgelegten Abschnitten der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1403 über den
Verbindungen 1402a und 1402b gebildet.
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Die
Sperrschichten 1404 aus Titannitrid werden gebildet, um
mindestens die Oberseiten der Verbindungen 1402a und 1402b zu
bedecken, die auf den Bodenabschnitten der Durchgangslöcher 1403a und 1403b freigelegt
sind. Die Sperrschichten 1404 können folgendermaßen gebildet
werden: Zuerst wird durch Sputtern oder Ähnliches eine Titannitridschicht
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1403 gebildet,
in der die Durchgangslöcher 1403a und 1403b gebildet
sind. Dann wird durch Fotolithografie ein Lackmuster gebildet, um
die Abschnitte zu bedecken, in denen die Durchgangslöcher gebildet sind.
Die Titannitridschicht wird gezielt durch Trockenätzen entfernt,
z.B. mit dem RIE-Verfahren, wobei dieses Lackmuster als Maske verwendet
wird. Wenn das Lackmuster entfernt ist, werden die Sperrschichten 1404 gebildet.
Es ist zu beachten, dass die Sperrschichten 1404 nicht
aus Titannitrid bestehen müssen.
Es kann ein anderer leitfähiger
Werkstoff für die
Sperrschichten 1404 verwendet werden, der wechselseitiges
Diffundieren verhindern kann.
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Wie
in 15B gezeigt ist, wird eine dünne Metallschicht 1501 mit
einem zweischichtigen Aufbau aus einer Chrom- und einer Kupferschicht,
die jeweils eine Stärke
von etwa 0,1 μm
aufweisen, auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1403 einschließlich den
Sperrschichten 1404 gebildet. Zum Beispiel kann diese Chromschicht
durch Abscheidung gebildet werden, und die Kupferschicht kann durch
Sputtern gebildet werden. Die Bildung einer solchen Chromschicht
unter der Kupferschicht kann die Diffusion von Kupfer verhindern
und die Hafteigenschaften gegenüber
Kupfer verbessern. Es ist zu beachten, dass statt Chrom ein anderes
Metall verwendet werden kann, das die Diffusion von Kupfer verhindern
und die Hafteigenschaften verbessern kann, z.B. Titan oder Nickel.
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Wie
in 15C gezeigt ist, wird ein Lackmuster 1502 mit
einem Öffnungsbereich 1502a in
einem vorher festgelegten Bereich über dem Durchgangsloch 1403a auf
der dünnen
Metallschicht 1501 bis auf eine Stärke von etwa 5 μm gebildet.
Eine 0,3 μm
starke Kupferschicht wird durch ein galvanisches Verfahren unter
Verwendung der dünnen
Metallschicht 1501 als Kathode auf der Oberseite der dünnen Metallschicht 1501 gebildet,
die auf dem Bodenabschnitt des Öffnungsbereichs 1502a freigelegt
ist, wodurch die obere Elektrode 1405b gebildet wird. Es ist
zu beachten, dass die Bildung der oberen Elektrode 1405b nicht
auf das Galvanisieren beschränkt
ist.
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Nachdem
das Lackmuster 1502 entfernt ist, wird ein Lackmuster 1503 mit
einer Nut 1503a, die die obere Elektrode 1405b umgibt,
bis auf eine Stärke
von etwa 5 μm
gebildet, wie in 15D gezeigt ist. Diese Nut 1503a ist
der Bereich, in dem die Erdungselektrode 1406 gebildet
ist, die in 14 gezeigt ist. Eine Kupferschicht
wächst
durch das galvanische Verfahren unter Verwendung der dünnen Metallschicht 1501 als
Kathode auf der Oberseite der dünnen
Metallschicht 1501 bis auf eine Stärke von etwa 5 μm an, die
auf dem Bodenabschnitt der Nut 1503a freigelegt ist, wodurch
die Elektrodensäule 1406b gebildet
wird.
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Nachdem
das Lackmuster 1503 entfernt ist, werden die freiliegenden
Abschnitte der Oberseite der dünnen
Metallschicht 1501 durch Ätzen entfernt, wie in 15E gezeigt ist. Bei diesem Ätzschritt kann zuerst die obere
Kupferschicht durch einen nasschemischen Ätzvorgang unter Verwendung
einer wässrigen
gemischten Säurelösung aus
Phosphorsäure, Salpetersäure und
Essigsäure
als Ätzmittel
entfernt werden. Dann kann die untere Chromschicht durch einen nasschemischen Ätzvorgang
unter Verwendung einer wässrigen
Lösung
aus Kaliumhexacyanoferrat(III) und Natriumhydroxid entfernt werden.
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Als
Folge des vorstehenden Vorganges wird die matrixartige Erdungselektrode 1406 in
einer Höhe
von etwa 5 μm über der
dielektrischen Zwischenniveauschicht 1403 gebildet. Die
Sensorelektrode 1405 wird im zentralen Abschnitt jedes
quadratischen Abschnitts der matrixartigen Hilfselektrode 1406 gebildet.
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Wie
in 15F gezeigt ist, werden die Schutzschichten 1405c und 1406c aus
Ruthenium auf den freiliegenden Flächen der Sensorelektrode 1405 und
der Erdungselektrode 1406 gebildet. Diese Schutzschichten
können
gebildet werden, indem Rutheniumschichten durch stromloses Abscheiden
nur auf den Oberseiten der Elektroden aus Kupfer bis auf eine Stärke von
etwa 0,1 μm
anwachsen.
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Wie
in 14 gezeigt ist, wird die Passivierungsschicht 1407 gebildet,
um jeden quadratischen Abschnitt der matrixartigen Erdungselektrode 1406 zu
füllen.
Diese Passivierungsschicht 1407 kann folgendermaßen gebildet
werden: Zuerst wird die dielektrische Zwischenniveauschicht 1403,
auf der die Sensorelektrode 1405 und die Erdungselektrode 1406 gebildet
sind, durch Rotationsbeschichten oder Ähnliches mit einem Polyimidwerkstoff
beschichtet, um eine Polyimidschicht zu bilden. Als dieser Polyimidwerkstoff
wird beispielsweise ein Polyimidharz verwendet, das als Grundbestandteil
einen Polybenzoxazol-Vorläufer
enthält.
Durch diese Beschichtung wird die Oberseite der Polyimidschicht
geglättet,
wodurch die Aussparungen/Vorsprünge
auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1403, die
auf die Erdungselektrode 1406 und die Sensorelektrode 1405 zurückzuführen sind,
absorbiert werden. Nachdem die Polyimidschicht durch Beschichten
gebildet ist, wird die entstehende Struktur bei etwa 310°C erhitzt, damit
die Polyimidschicht aushärtet.
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Wenn
die ausgehärtete
Polyimidschicht rückgeätzt wird,
bis die Oberfläche
der Erdungselektrode 1406 freigelegt ist, kann die Passivierungsschicht 1407,
die aus Polyimid besteht und eine ebene Oberfläche aufweist, gebildet werden,
um jeden quadratischen Abschnitt der Erdungselektrode 1406 zu
füllen.
Dieser Rückätzschritt
kann durch Trockenätzen
mit einem Sauerstoffplasma erfolgen. Polyimid ist ein organischer
Werkstoff und kann daher unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas
geätzt werden.
Es ist zu beachten, dass der Rückätzschritt beispielsweise
durch ein chemisches/mechanisches Polierverfahren erfolgen kann.
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Mit
dem vorstehenden Vorgang kann der Oberflächenform-Erkennungssensor der
dritten Ausführungsform
gebildet werden, der in 14 gezeigt ist.
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Gemäß der vorstehenden
Beschreibung ist die Erdungselektrode 1406 als ein Matrixmuster
ausgebildet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise
kann eine Mehrzahl von Erdungselektroden 1406 so ausgebildet sein,
dass jede Erdungselektrode auf einer Seite jeder Sensorelektrode 1405 angeordnet
ist, die sich in einer Passivierungsschicht 1407 befindet,
und die Erdungselektroden auf der Oberseite der Passivierungsschicht 1407 voneinander
getrennt sind. Es ist zu beachten, dass die Erdungselektroden 1406 durch
eine untere Verbindungsschicht miteinander verbunden und auf das
gleiche Potenzial eingestellt sind.
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Ein
Paar Erdungselektroden, deren Oberseiten freigelegt sind, müssen nicht
in der Nähe
jeder Sensorelektrode gebildet sein, sondern es kann eine Erdungselektrode
für eine
Mehrzahl von Sensorelektroden gebildet sein.
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Wenn
die Erdungselektrode jedoch wie bei der dritten Ausführungsform
als ein Matrixmuster ausgebildet ist und die Sensorelektroden in
den zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte
angeordnet sind, dann können
die Abstände zwischen
den jeweiligen Sensorelektroden, die in Form einer Matrix angeordnet
sind, und der Erdungselektrode so ausgestaltet sein, dass sie gleich
sind.
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Vierte Ausführungsform
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Im
Folgenden ist ein Oberflächenform-Erkennungssensor
gemäß der vierten
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Wie
in 16 gezeigt ist, werden zuerst eine Sensorelektrode 1605,
die eine Größe von 80 μm im Quadrat
aufweist, und eine Erdungselektrode 1606 auf einer dielektrischen
Zwischenniveauschicht 1603 gebildet, die auf einer Isolierschicht 1601 gebildet
ist. Obwohl dies in 16 nicht gezeigt ist, ist die
Isolierschicht 1601 auf einem Halbleitersubstrat gebildet, auf
dem integrierte Schaltungen gebildet sind, z.B. Erfassungseinheiten
und ein Verarbeitungsmittel (später
beschrieben).
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Wie
bei der dritten Ausführungsform
ist die Erdungselektrode 1606 als ein Matrixmuster ausgebildet,
das quadratische Abschnitte aufweist, die jeweils eine Größe von 100 μm im Quadrat
aufweisen. Die Sensorelektroden 1605 sind in den zentralen
Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte angeordnet.
Die Erdungselektrode 1606 weist etwa 300 × 300 quadratische
Abschnitte auf, sodass 300 × 300
Sensorelektroden 1605 in Form einer Matrix angeordnet sind.
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Eine
Aluminiumverbindung 1602a, die durch eine Sperrschicht 1604 aus
Titannitrid mit der Sensorelektrode 1605 verbunden ist,
ist auf der Isolierschicht 1601 gebildet. Die Sensorelektrode 1605 besteht
aus einer unteren Elektrode 1605a mit einem zweischichtigen
Aufbau aus einer Chrom- und einer Kupferschicht, die jeweils eine
Stärke
von etwa 0,1 μm
aufweisen, und einer oberen Elektrode 1605b, die aus Gold
besteht und eine Stärke
von etwa 0,3 μm
aufweist und auf der unteren Elektrode 1605a gebildet ist.
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Ebenso
ist eine Aluminiumverbindung 1602b, die durch die Sperrschicht 1604 aus
Titannitrid mit der Erdungselektrode 1606 verbunden ist,
auf der Isolierschicht 1601 gebildet. Die Erdungselektrode 1606 besteht
aus einer unteren Elektrode 1606a mit einem zweischichtigen
Aufbau aus einer Chrom- und einer Goldschicht und einer Elektrodensäule 1606b,
die aus Gold besteht und eine Stärke
von etwa 5 μm
aufweist und auf der unteren Elektrode 1606a ausgebildet
ist. Die Bildung einer solchen Chromschicht als untere Schicht kann
die Hafteigenschaften zwischen der Goldschicht und der darunter liegenden
dielektrischen Zwischenniveauschicht 1603 verbessern. Es
ist zu beachten, dass statt Chrom ein anderes Metall wie Titan oder
Nickel verwendet werden kann, das die Diffusion von Gold verhindern
und die Hafteigenschaften gegenüber
einem Isolierstoff verbessern kann.
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Zusätzlich bedeckt
eine Passivierungsschicht 1607 aus Polyimid jede Sensorelektrode 1605.
Die oberen Abschnitte der Erdungselektrode 1606 sind auf
der Oberseite der Passivierungsschicht 1607 freigelegt.
Die Passivierungsschicht 1607 ist gebildet, um die Abschnitte
zwischen den quadratischen Abschnitten der Erdungselektrode 1606 zu
füllen
und eine Stärke
von etwa 5 μm über jeder
Sensorelektrode 1605 aufzuweisen.
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Wie
zuvor beschrieben, kommt es bei der vierten Ausführungsform nicht zu Korrosion,
da die Sensorelektroden 1605 und die Erdungselektrode 1606 aus
Gold bestehen. Somit müssen
keine Schutzschichten oder Ähnliches
gebildet werden. Da für
die Passivierungsschicht 1607 ein Polyimidwerkstoff verwendet
wird, der Polybenzoxazol enthält, können außerdem gute
Hafteigenschaften gegenüber
Gold erzielt werden. Aus diesem Grund kann das Ablösen der
Passivierungsschicht 1607 größtenteils vermindert werden,
selbst wenn Gold für
die Sensorelektroden 1605 und die Erdungselektrode 1606 verwendet
wird.
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Weiterhin
sind die zuvor beschriebenen Erfassungseinheiten durch die Verbindungen 1602a und 1602b und Ähnliches
mit den entsprechenden Sensorelektroden 1605 beziehungsweise
der Erdungselektrode 1606 verbunden. Die Erfassungseinheiten
erfassen die Kapazitäten,
die zwischen den Erdungselektroden 1606 und den jeweiligen
Sensorelektroden 1605 gebildet sind, und geben Signale aus,
die den Kapazitäten
entsprechen. Die Ausgangssignale der jeweiligen Erfassungseinheiten werden
von einem Verarbeitungsmittel (nicht gezeigt) verarbeitet. Dieses
Verarbeitungsmittel wandelt die Kapazitäten, die durch die jeweiligen
Sensorelektroden 1605 gebildet werden, in Rasterbilddaten
um.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor,
der die vorstehende Anordnung aufweist, berühren die Erhebungen in der
Haut des Fingers die oberen Abschnitte der Erdungselektrode 1606,
wenn die Fingerspitze die Oberseite der Passivierungsschicht 1607 berührt. Da
die Breite einer Erhebung in der Haut des menschlichen Fingers etwa
200 bis 300 μm
beträgt,
berühren
die Erhebungen in der Haut immer die Erdungselektrode 1606,
die in 100 μm-Abständen angeordnet
ist. Als Folge wird das Potenzial jeder Erhebung in der Haut der
Fingerspitze, die auf die Passivierungsschicht 1607 gelegt
wird, das gleiche wie das der Erdungselektrode 1606. Kapazitäten werden
damit zwischen den jeweiligen Erhebungen in der Haut der Fingerspitze
und den Sensorelektroden 1605 gebildet und von den Erfassungseinheiten erfasst.
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Wie
bei der ersten Ausführungsform
beschrieben ist, werden verschiedene Kapazitäten zwischen der Sensorelektrode 1605 unter
der Erhebung in der Haut und der Erdungselektrode 1606 und
zwischen der Sensorelektrode 1605 unter der Vertiefung in
der Haut und der Erdungselektrode 1006 erfasst. Wenn das
Verarbeitungsmittel Rasterdaten in Übereinstimmung mit den jeweiligen
Kapazitäten
erzeugt, die an den Sensorelektroden 1605 erfasst wurden, kann
das Fingerabdruckmuster wiedergegeben werden.
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Obwohl
dies in 16 nicht gezeigt ist, ist eine
integrierte Schaltung, in der ein Speicherbereich, der Fingerabdruckdaten
zum Zuordnen speichert, ein Erkennungs verarbeitungsbereich zum Vergleichen/Zuordnen
der Fingerabdruckdaten, die im Speicherbereich gespeichert sind,
mit/zu einem eingelesenen Bild eines Fingerabdrucks, und Ähnliches eingegliedert
sind, in einem anderen Bereich auf dem Halbleitersubstrat angeordnet.
Alle diese Bestandteile können
auf dem Halbleitersubstrat an einer Stelle unter der Sensorelektrode 1605 angeordnet
sein. Bei dieser Anordnung kann das erfasste Fingerabdruckmuster
durch den Erkennungsverarbeitungsbereich, der in der integrierten
Schaltung in einem kompakteren Zustand gebildet ist, mit/zu den
Fingerabdruckdaten verglichen/zugeordnet werden, die im Speicherbereich
gespeichert sind.
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Auch
gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor
der vierten Ausführungsform
berührt ein
Abschnitt des Fingers die Erdungselektrode, wenn beispielsweise
ein Fingerabdruckmuster erkannt werden soll. Als Folge wird auf
der Oberfläche des
Oberflächenform-Erkennungssensors
statische Elektrizität
erzeugt. Jedoch fließt
die statische Elektrizität
zur Erdungselektrode. Dadurch werden bei dem Oberflächenform-Erkennungssensor
der vierten Ausführungsform
durch statische Elektrizität
verursachte Beschädigungen
von anderen Abschnitten der integrierten Schaltung vermieden, die
unter den Erdungselektroden gebildet sind.
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Außerdem besteht
die Erdungselektrode gemäß der vierten
Ausführungsform
aus Gold, sodass auf den Berührungsflächen der
Erdungselektrode keine Oxidschicht gebildet wird. Außerdem werden die
Abstände
zwischen der Erdungselektrode und den jeweiligen Sensorelektroden
gemäß der vierten Ausführungsform
so gestaltet, dass sie einander gleich sind, da die Erdungselektrode
als ein Matrixmuster ausgebildet ist und die Sensorelektroden in den
zentralen Abschnitten der jeweiligen quadratischen Abschnitte gebildet
sind. Auch bei der vierten Ausführungsform
können
die Seitenflächen
und Oberseiten der Sensorelektroden und der Erdungselektrode mit
Schutzschichten beschichtet werden, die beispielsweise aus Ruthenium
bestehen. Wie in diesem Fall können
die Hafteigenschaften gegenüber der
Passivierungsschicht manchmal verbessert werden, wenn diese Abschnitte
mit Schutzschichten bedeckt sind.
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Oberflächenform-Erkennungssensors
gemäß der vierten
Ausführungsform
teilweise beschrieben.
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Zuerst
werden andere integrierte Schaltungen wie die zuvor beschriebenen
Erfassungseinheiten auf dem Halbleitersubstrat gebildet. Wie in 17A gezeigt ist, wird dann die Isolierschicht 1601 aus
Siliziumoxid auf dem Halbleitersubstrat gebildet, um die integrierten
Schaltungen zu bedecken. Die Aluminiumverbindungen 1602a und 1602b werden auf
der Isolierschicht 1601 gebildet. Diese Verbindungen 1602a und 1602b können gebildet
werden, indem eine Aluminiumschicht gebildet und durch ein bekanntes
fotolithografisches Verfahren mit einem Muster versehen wird.
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Die
dielektrische Zwischenniveauschicht 1603 wird auf der Isolierschicht 1601 gebildet,
um die Verbindungen 1602a und 1602b zu bedecken. Durchgangslöcher 1603a und 1603b werden
in vorher festgelegten Abschnitten der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1603 gebildet,
die über
den Verbindungen 1602a und 1602b liegen.
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Wie
bei dem zuvor beschriebenen ersten bis dritten Vergleichsbeispiel
werden die Sperrschichten 1604 gebildet, die aus Titannitrid
bestehen, um mindestens die Flächen
der Verbindungen 1602a und 1602b zu bedecken,
die auf den Bodenabschnitten der Durchgangslöcher 1603a und 1603b freigelegt sind.
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Wie
in 17B gezeigt ist, wird eine dünne Metallschicht 1701 aus
Chrom und Gold auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht 1603 einschließlich der
Sperrschicht 1604 bis auf eine Stärke von etwa 0,2 μm gebildet.
Diese Schicht kann beispielsweise durch Abscheiden gebildet werden.
Die Bildung der Chromschicht unter der Goldschicht kann die Diffusion
von Gold verhindern und die Hafteigenschaften von Gold gegenüber der
dielektrischen Zwischenniveauschicht 1603 verbessern. Es
ist zu beachten, dass statt Chrom ein anderes Metall wie Titan oder
Nickel verwendet werden kann, das die Diffusion von Gold verhindern
und die Hafteigenschaften gegenüber
einem Isolierstoff verbessern kann.
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Wie
in 17C gezeigt ist, wird ein Lackmuster 1702 mit
einem Öffnungsbereich 1702a in
einem vorher festgelegten Bereich über dem Durchgangsloch 1603a auf
der dünnen
Metallschicht 1701 bis auf eine Stärke von etwa 5 μm gebildet.
Eine 0,3 μm
starke Goldschicht wird durch ein galvanisches Verfahren unter Verwendung
der dünnen
Metallschicht 1701 als Kathode auf der Oberseite der dünnen Metallschicht 1701 gebildet,
die auf dem Bodenabschnitt des Öffnungsbereichs 1702a freigelegt
ist, wodurch die obere Elektrode 1605b gebildet wird.
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Nachdem
das Lackmuster 1702 entfernt ist, wird ein Lackmuster 1703 mit
einer Nut 1703a, die die obere Elektrode 1605b umgibt,
bis auf eine Stärke
von etwa 5 μm
gebildet, wie in 17D gezeigt ist. Diese Nut 1703a ist
der Bereich, in dem die Erdungselektrode 1606 gebildet
ist, die in 16 gezeigt ist. Eine Goldschicht
wächst
durch das galvanische Verfahren unter Verwendung der dünnen Metallschicht 1701 als
Kathode bis auf eine Stärke
von etwa 5 μm
auf der Oberseite der dünnen
Metallschicht 1701 an, die auf dem Bodenabschnitt der Nut 1703a freigelegt
ist, wodurch die Elektrodensäule 1606b gebildet
wird.
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Nachdem
das Lackmuster 1703 entfernt ist, werden die freiliegenden
Abschnitte der Oberfläche der
dünnen
Metallschicht 1701 durch Ätzen entfernt. Bei diesem Ätzschritt
kann zuerst die obere Goldschicht durch einen nasschemischen Ätzvorgang
unter Verwendung eines Lösungsgemisches
aus Jod, Ammoniumjodid und Ethanol als Ätzmittel entfernt werden. In
diesem Fall beträgt
die Ätzgeschwindigkeit
etwa 0,05 μm/min.
Dann kann die untere Chromschicht durch einen nasschemischen Ätzvorgang
unter Verwendung einer wässrigen
Lösung
aus Kaliumhexacyanoferrat(III) und Natriumhydroxid entfernt werden.
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Als
Ergebnis des vorstehenden Vorgangs wird die Erdungselektrode 1606 als
ein Matrixmuster in einer Höhe
von etwa 5 μm über der
dielektrischen Zwischenniveauschicht 1603 ausgebildet.
Die Sensorelektrode 1605 wird im zentralen Abschnitt jedes quadratischen
Abschnitts der matrixartigen Erdungselektrode 1606 gebildet.
-
Wie
bei der zuvor beschriebenen dritten Ausführungsform wird der Oberflächenform-Erkennungssensor
der vierten Ausführungsform,
der in 16 gezeigt ist, gebildet, wenn
die Passivierungsschicht 1607 gebildet ist, um die quadratischen
Abschnitte der matrixartigen Erdungselektrode 1606 zu füllen.
-
Auch
bei der vierten Ausführungsform
muss die Erdungselektrode 1606 nicht als ein Matrixmuster ausgebildet
sein. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Erdungselektroden 1603 so
gebildet sein, dass jede Erdungselektrode auf einer Seite jeder
Sensorelektrode 1605 angeordnet ist, die sich in der Passivierungsschicht 1607 befindet,
und die Erdungselektroden auf der Oberseite der Passivierungsschicht 1607 voneinander
getrennt sind.
-
Wie
zuvor beschrieben, liegen die Erdungselektrode und die Sensorelektroden
nah beieinander, wenn die Erdungselektrode als ein Matrixmuster
ausgebildet ist und die Sensorelektroden in den zentralen Abschnitten
der jeweiligen quadratischen Abschnitte angeordnet sind. Als Folge
werden parasitäre
Kapazitäten
zwischen ihnen erzeugt. Sind diese parasitären Kapazitäten übermäßig groß, wird es schwierig, die Kapazitäten zwischen
den Sensorelektroden und der Haut des Fingers zu erfassen, der die Oberseite
der Passivierungsschicht berührt.
-
In
Anbetracht der Erfassung eines menschlichen Fingerabdrucks wird
für einen
Oberflächenform-Erkennungssensor
eine Auflösung
von 250 bis 500 dpi benötigt.
Um dieser Anforderung gerecht zu werden, muss die Größe jedes
Sensorelements, das in Form einer Matrix angeordnet ist, d.h. der
Abstand der Sensorelemente, beispielsweise 100 μm im Quadrat betragen.
-
Betrachtet
wird eine Schnittansicht eines Sensorelements, wie in 18 gezeigt.
Eine quadratische Sensorelektrode 1802 und Erdungselektroden 1803 in
einer Matrixform sind auf einer dielektrischen Zwischenniveauschicht 1801 angeordnet,
und eine Passivierungsschicht 1804 mit einer relativen
Dielektrizitätskonstante
von 4 ist gebildet, um den Zwischenraum zwischen den Erdungselektroden 1803 zu
füllen.
Wenn ein Fingeabdruck erfasst werden soll, berührt ein Finger 1805 die
Oberseite der Passivierungsschicht 1804. Es ist zu beachten,
dass der Finger 1805 die Erdungselektrode 1803 in
einem Bereich (nicht gezeigt) berührt.
-
In
diesem Fall wird eine Kapazität
zwischen dem Finger 1805, der Erdungselektrode 1803 und der
Sensorelektrode 1802 gebildet. Da eine parasitäre Kapazität Cp zwischen der
Sensorelektrode 1802 und der Erdungselektrode 1803 gebildet
wird, kann eine Kapazität
Cf, die mit der Oberflächenformerfassung
in Verbindung steht, gewonnen werden, indem die parasitäre Kapazität Cp von
der Kapazität
abgezogen wird, die erzeugt wird, wenn ein Finger 1805 die
Erdungselektrode 1803 berührt.
-
Das
Verhältnis
zwischen der Kapazität
Cf und dem Abstand L zwischen der Sensorelektrode 1802 und
der Erdungselektrode 1803 kann simuliert werden, wie in 19 gezeigt
ist, vorausgesetzt, dass die Größe eines
Sensorelements 80 μm
im Quadrat beträgt
und der Zwischenraum zwischen den Erdungselektroden 1803 beinahe
null ist, d.h. Wo = 80 μm. In diesem Fall beträgt die Stärke der
Passivierungsschicht 1804 auf der Sensorelektrode 1802 2 μm und die
relative Dielektrizitätskonstante
beträgt 2.
Mit Bezug auf 19 verweist die Strichlinie
auf einen Fall, bei dem die parasitäre Kapazität Cp nur zwischen einer Seitenfläche der
Sensorelektrode 1802 und der Erdungselektrode 1803 erzeugt
wird. In der Praxis werden die parasitären Kapazitäten Cp jedoch zwischen einer
Seitenfläche
und Oberseite der Sensorelektrode 1802 und der Erdungselektrode 1803 erzeugt.
Die gepunktete und die durchgezogene Linie zeigen die Ergebnisse
an, die unter Berücksichtigung
dieses Umstandes erhalten wurden. Das Ergebnis, das von der durchgezogenen
Linie angezeigt wird, wird gewonnen, wenn die Wirkung auf der Oberseite
stärker
berücksichtigt
wird.
-
Mit
Bezug auf 19 nehmen die Fläche der Sensorelektrode 1802 und
die Kapazität
Cf bei steigendem Abstand L ab, da der maximale Bereich, in dem
die Sensorelektrode 1802 gebildet werden kann, kleiner
als ein Bereich von 80 μm
im Quadrat ist. Im Gegensatz dazu steigt die Kapazität Cf, die
erfasst werden kann, wenn die Größe der Sensorelektrode 1802 zunimmt,
d.h. der Abstand L abnimmt.
-
Wird
angenommen, dass die parasitäre
Kapazität
Cp nur an einer Seitenfläche
gebildet wird, steigt die Kapazität Cf, die erfasst werden kann, wenn
der Abstand L auf den Minimalwert absinkt. In der Praxis jedoch
steigt die parasitäre
Kapazität
Cp bei einem Anstieg der Fläche
der Sensorelektrode 1802, da eine parasitäre Kapazität auch zwischen der
Oberseite der Sensorelektrode 1802 und der Erdungselektrode 1803 gebildet
wird. Als Folge sinkt die Kapazität Cf, die erfasst werden kann,
wie durch die gepunktete und die durchgezogene Linie angezeigt ist.
Wie aus 19 ersichtlich ist, erreicht
die Kapazität
Cf, die erfasst werden kann, den Höchstwert, wenn der Abstand
L zwischen der Sensorelektrode 1802 und der Erdungselektrode 1803 2 μm beträgt. Wenn
eine Erdungselektrode als ein Matrixmuster ausgebildet ist und die
Sensorelektroden in den jeweiligen quadratischen Abschnitten angeordnet
sind, kann, wie zuvor beschrieben ist, das beste Ergebnis erzielt
werden, wenn der Abstand zwischen jeder Sensorelektrode und der
Erdungselektrode auf etwa 2 μm
festgelegt wird, wie es bei der dritten und vierten Ausführungsform
der Fall ist.
-
Wie
zuvor beschrieben ist, nimmt die Fläche der Sensorelektrode 1802 mit
steigendem Abstand L ab und daher sinkt die Kapazität Cf, die
erfasst werden kann. Steigt der Abstand L übermäßig, wird die Kapazität Cf zu
gering, um durch die Erfassungseinheit erfasst werden zu können. Daher
wird der Abstand L durch die Empfindlichkeitsgrenze der Erfassungseinheit
definiert.
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In
Anbetracht der Erfassung eines Fingerabdrucks beträgt die Obergrenze
der Größe eines
Sensorelements, d.h. die Obergrenze von Wo in 18, etwa
100 μm.
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20 zeigt
das Verhältnis
zwischen L und Wo unter Berücksichtigung
der zuvor beschriebenen Umstände.
Mit Bezug auf 20 ist die Stärke d der Passivierungsschicht 1804 auf
der Sensorelektrode 1802 auf 2 μm und 4 μm festgelegt. Wenn Wo aufgrund von Beschränkungen hinsichtlich der Auflösung auf
100 μm oder
weniger festgelegt ist, wie in 20 gezeigt
ist, ist der Einfluss der parasitären Kapazität Cp auf ein Mindestmaß verringert,
wenn der Abstand L nahe 2 μm
liegt, wie auch in 19 gezeigt ist, ist selbst bei
Veränderungen
von Wo beinahe gleich bleibend, und in Übereinstimmung
mit der Stärke
d eindeutig bestimmt. Sinkt der Abstand L übermäßig, sinkt die Kapazität Cf, die
erfasst werden kann, steil ab, wie in 19 gezeigt
ist. Vorzugweise ist der Abstand L deshalb so eingestellt, dass
er nicht übermäßig gering
im Vergleich zu 2 μm
ist. Steigt der Abstand L übermäßig ab 2 μm an, sinkt
die Kapazität Cf,
die erfasst werden kann, ebenfalls, da die Fläche der Sensorelektrode 1802 abnimmt.
Wie zuvor beschrieben ist, kann die Kapazität Cf nicht von der Erfassungseinheit
erfasst werden, wenn der Abstand L übermäßig steigt. Im Allgemeinen
beträgt
die Kapazität, die
erfasst werden kann, etwa einige fF. Das bedeutet, wenn die Passivierungsschicht 1804 eine
relative Dielektrizitätskonstante
von etwa 4 und eine Stärke
von etwa 2 μm
aufweist, kann die Kapazität
Cf nicht erfasst werden, wenn die Fläche der Sensorelektrode 1802 nicht
400 μm2 oder mehr beträgt. Im Allgemeinen muss daher
eine Seite W der quadratischen Sensorelektrode 1802 20 μm oder mehr
betragen. In diesem Fall ist L ≤ (Wo/2) – 10,
da
Wo = W + 2L und L = (Wo – W)/2,
wie in 20 gezeigt ist.
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Es
ist zu beachten, dass sich die dreieckige Fläche, die in 20 gezeigt
ist, nach oben ausdehnen kann und sich verändert, wie in den 21, 22 und 23 gezeigt
ist, wenn die relative Dielektrizitätskonstante der Passivierungsschicht 1804 zunimmt
und die Stärke
der Schicht abnimmt.
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Wie
zuvor beschrieben, ist erfindungsgemäß ein Sensor zum Erkennen der
Oberflächenform
eines Zielobjekts bereitgestellt, wobei der Sensor eine Mehrzahl
von Kapazitätsermittlungselementen
mit Sensorelektroden umfasst, die stationär in einer Ebene auf einer
auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten dielektrischen Zwischenniveauschicht
angeordnet sind, wobei die Sensorelektroden voneinander isoliert
sind, Kapazitätsermittlungsmittel
zum Erfassen von Kapazitäten
der jeweiligen Kapazitätsermittlungselemente
umfasst, wenigstens eine stationäre Elektrode
umfasst, die auf der dielektrischen Zwischenniveauschicht ausgebildet
ist und gegenüber den
Sensorelektroden zu isolieren ist, und eine Passivierungsschicht
umfasst, die aus einem isolierenden Element hergestellt und auf
der dielektrischen Zwischenniveauschicht gebildet ist, μm die Sensorelektroden
zu bedecken, wobei die stationäre
Elektrode freiliegende Abschnitte an der Oberseite der Passivierungsschicht
aufweist, um zu ermöglichen,
dass das Zielobjekt mit der Oberseite der Passivierungsschicht und
mit der wenigstens einen stationären Elektrode
in Berührung
kommt, um als Gegenelektrode zu dienen, und die Kapazitätsermittlungsmittel
so ausgebildet sind, dass Kapazitäten zwischen den Sensorelektroden
und der stationären
Elektrode ermittelt werden können.
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Bei
dieser Anordnung ändern
sich die Kapazitäten,
die durch die Kapazitätsermittlungselemente erfasst
werden, entsprechend den Aussparungen/Vorsprüngen auf der Oberfläche des
Gegenstands, wenn ein zu erkennender Gegenstand den Sensor berührt. Durch
das Hinzufügen
der stationären
Elektrode werden durch statische Elektrizität verursachte Beschädigungen,
die während
des Erfassungsvorgangs erzeugt wird, von Elementen vermieden, die
gemeinsam mit dem Sensor eingebaut sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
eine stabile hochempfindliche Oberflächenformerfassung eine hohe
Zuverlässigkeit
bei der Erkennung einer Oberflächenform.
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Wenn
ein zu erkennender Gegenstand den Sensor berührt, dient der Gegenstand als
Gegenelektrode. Während
der Gegenstand die stationäre Elektrode
berührt,
bilden sich Kapazitäten
zwischen der Oberfläche
des Gegenstands und den Sensorelektroden. Diese Kapazitäten werden
von den Kapazitätsermittlungsmitteln
erfasst. Selbst wenn daher statische Elektrizität erzeugt wird, wenn der Gegenstand
den Sensor berührt,
fließt
der Strom zur stationären
Elektrode, damit durch statische Elektrizität verursachte Beschädigungen
von Elementen vermieden werden, die gemeinsam mit dem Sensor eingebaut
sind. Als Ergebnis ermöglicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine stabile hochempfindliche Oberflächenformerfassung eine hohe
Zuverlässigkeit bei
der Erkennung einer Oberflächenform.
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Gemäß dem Oberflächenform-Erkennungssensor
der Erfindung werden bei dieser Anordnung freiliegende Abschnitte
auf wenigstens der Oberseite der Passivierungsschicht als Matrixmuster
ausgebildet und die Sensorelektroden in zentralen Abschnitten quadratischer
Abschnitte angeordnet, die durch die stationäre Elektrode gebildet sind.
Deshalb sind alle Abstände
zwischen den Sensorelektroden und der stationären Elektrode einheitlich ausgestaltet. Wenn
die stationäre
Elektrode als ein quadratisches Matrixmuster ausgebildet ist, jeder
quadratische Abschnitt das Kapazitätsermittlungselement bildet,
und die Passivierungsschicht eine Stärke von 0,3 μm oder mehr
bis zu 20 μm
oder weniger auf der Sensorelektrode aufweist, können die Kapazitäten zwischen
den Sensorelektroden und einem Zielobjekt der Oberflächenformerkennung
erfasst werden, das die Passivierungsschicht berührt. Wenn der Zustand eines
Fingerabdrucks eines Menschen erfasst werden soll, werden die Abstände zwischen
den quadratischen Abschnitten des Matrixmusters der stationären Elektrode
auf 100 μm
oder weniger festgelegt. Bei dieser Anordnung kann die relative
Dielektrizitätskonstante
der Passivierungsschicht beispielsweise im Bereich von 2 bis 7 liegen.
Wenn zum Beispiel ein Werkstoff mit einer relativen Dielektrizitätskonstante
von 4 als Passivierungsschicht verwendet wird, und seine Stärke über jeder
Sensorelektrode auf 2 μm
festgelegt ist, kann jede Sensorelektrode eine quadratische Form
aufweisen, wobei eine Seite eine Länge von 20 μm oder mehr aufweist. Es wird
insbesondere bevorzugt, dass der Abstand zwischen jeder Sensorelektrode
und der stationären
Elektrode, die um sie herum angeordnet ist, 2 μm beträgt.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Oberflächenform-Erkennungssensors
umfasst die Schritte, die in dem unabhängigen Anspruch 15 definiert
sind.
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Die
Sensorelektroden können
durch die ersten Verbindungen mit den Kapazitätsermittlungsmittel verbunden
sein, und die stationäre
Elektrode kann durch die zweiten Verbindungen mit den Kapazitätsermittlungsmitteln
verbunden sein.
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Bei
diesem Herstellungsvorgang können
die ersten, zweiten und dritten Metallschichten aus Kupfer und/oder
Gold hergestellt sein. Nachdem die Sensorelektroden und die stationäre Elektrode
gebildet sind, können
außerdem
Schutzschichten gebildet werden, die leitend sind und die die Seitenflächen und
Oberseiten der Sensorelektroden und der stationären Elektrode bedecken. Die
Schutzschichten können
aus Ruthenium hergestellt sein. Die Passivierungsschicht kann aus
Polyimid hergestellt sein. Als dieses Polyimid kann Polybenzoxazol
verwendet werden. Wie zuvor beschrieben, kann ein Oberflächenform-Erkennungssensor
erfindungsgemäß einfach
hergestellt werden.