JP2004082238A

JP2004082238A - 可動構造部を有する微小構造体

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Publication number: JP2004082238A
Application number: JP2002244282A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hashimoto; 橋本　浩幸; Takahiko Oma; 大麻　隆彦; Naoki Ikeuchi; 池内　直樹; Muneo Harada; 原田　宗生
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】厚みの増加を最小限に抑えることが可能であり、実質的に構造体の特性へ影響が無く、簡易且つ低コストで製造可能な微小構造体を提供すること。
【解決手段】微小構造体は、可動構造部１４の露出した面の上部に張られ、当該可動部の過剰な動きを防止するワイヤ２２を備える。そして、ワイヤ２２の端部が固定されるワイヤ固定部の位置が、可動構造部１４の上面に対して相対的に低く設定する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、可動構造部を有する微小構造体に関し、特に、可動構造部の動きに応じて出力信号を得る加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
可動構造部を利用したセンサには種々のタイプのものがある。例えば、慣性センサとして代表的なものとして、加速度センサや角加速度センサ（振動ジャイロ）がある。
【０００３】
自動車などの車両の加速度を検出する加速度センサは、一般に、半導体のピエゾ抵抗効果を利用している。このようなセンサは、例えば、シリコン基体に空洞部を形成し、その中に３次元方向に自由に動くことができる箱形の可動構造部を収容している。可動構造部にはピエゾ素子が連結されており、可動構造部の動きに対応した応力がピエゾ素子に加わるように構成されている。そして、ピエゾ素子に加わる応力の変化を抵抗の変化として検出し、当該検出結果を用いて車両の走行制御などを行っている。
【０００４】
ところで、上記のようにシリコン基体に収容される可動構造部は、自由に動けることが重要であるが、過剰に動いた場合には、センサの破壊につながることもある。そこで、従来においては、例えば、特公平５−７１１４８号公報に開示されているように、可動構造部の上下方向の過剰動作を防止するための、ガラス製のストッパが設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにガラス製のストッパを設けると、センサ（チップ）の厚みが増すという問題点があった。また、ガラスの接合工程が煩雑であり、製造コストの増加につながる。更に、ガラスとシリコンの接合による応力がセンサ特性に影響することも否定できない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、厚みの増加を最小限に抑えることが可能であり、実質的に微小構造体の特性への影響が無く、簡易且つ低コストで製造可能な微小構造体を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る微小構造体は、可動構造部の露出した面の上部に張られ、当該可動部の過剰な動きを防止するワイヤを備える。そして、ワイヤの端部が固定されるワイヤ固定部の位置が、可動構造部の上面に対して相対的に低く設定する。
【０００８】
現在のワイヤボンディング加工技術においては、ワイヤを低く張るのには限界があり、特に１００μｍ以下の高さとした場合に、最下部から最上部までの高さのばらつきが大きくなる。上記のような本発明によれば、ワイヤの最下部（ワイヤ固定部）から最上部までの高さは変わらなくとも、可動部上面からワイヤまでの距離を短くすることが可能となる。その結果、ワイヤ高さのばらつきを増大させることなく、センサの厚さを減少させることが可能となる。
【０００９】
例えば、可動構造部の上面に突出部を形成することにより、ワイヤ固定部の位置を相対的に低くすることができる。また、突出部としては、可動構造部の上面に形成された樹脂層；メッキ層；多結晶シリコン層を採用することができる。
【００１０】
ワイヤ固定部は、基体上に設けられ、可動構造部の上面に対して相対的に低い位置に配置することもできる。例えば、ワイヤ固定部を、基体に形成された段差部とする。
【００１１】
本発明を加速度センサに適用した具体的な態様においては、微小構造体（センサ本体）をパッケージに収容するものであり、ストッパとして機能するワイヤの端部をパッケージのリードパッドに固定し、当該リードパッドをワイヤ固定部として活用する。そして、センサの可動構造部の上面に対して相対的に低い位置にリードパッドを配置する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、加速度センサを例にとって説明する。なお、本発明は、角加速度センサ（振動ジャイロ）等の他の慣性センサに加えて、アクチュエータ等の可動構造部を有するあらゆるタイプの微小構造体（ＭＥＭＳ）に適用可能である。
【００１３】
図１及び図２は、本発明の第１実施例に係る加速度センサ１０の構造を示す斜視図及び平面図である。なお、図２において、説明の便宜上、ピエゾ抵抗素子などの細かな構成は省略する。図３は、加速度センサ１０の内部構造を示す断面図である。本実施例に係る加速度センサ１０は、シリコン基体１２と、シリコン基体１２の中央付近において上下左右のあらゆる方向に移動可能に収容された可動構造部（可動マス）１４とを備えている。シリコン基体１２の中央には、箱形の空間が形成されており、その中に可動構造部１４が収容される。可動構造部１４は、慣性力を向上させるために、４つの正方形を中央で連結した所謂クローバー型に成形されている。基本的に、可動構造部１４（後述の突起部１４ａを除く）の上面は、シリコン基体１２の上面と同一面となるように設計されている。
【００１４】
４つに区画された可動構造部１４の上部には、各々隆起部（突起部）１４ａが設けられ、シリコン基体１２の上面に対して突起部１４ａがΔｈだけ高くなるように設定されている。
【００１５】
センサ１０は、また、可動構造部１４とシリコン基体１２とを連結する４本のビーム（支持梁）１６と、ビーム１６とシリコン基体１２との連結部分に跨って配置された８個のピエゾ抵抗素子１８とを備えている。各ビーム１６は、可動構造部１４のクローバーの葉と葉の間に対応する位置に配置される。シリコン基体１２の上面には、電極パッド２０が形成されており、図示しない配線によってピエゾ抵抗素子１８と電気的に接続されている。
【００１６】
ピエゾ抵抗素子１８に接続されていない電極パッド２０は、ワイヤ２２のボンディングパッドとして利用される。すなわち、ストッパとして機能する４本のワイヤ２２は、可動構造部１４の四隅に架かるように配置され、その端部が電極パッド２０上に周知のワイヤボンディング工程によって接合される。
【００１７】
図３に示すように、シリコン基体１２は、ダイボンド面２４上に固定されている。上述したように、可動構造部１４はシリコン基体１２の空間内で上下左右に自由に移動可能であるが、下方向への過動はダイボンド面２４によって制止され、水平方向の過動はシリコン基体１２の内面によって制止される。そして、可動構造部１４の上方向への過動は、ワイヤ２２によって制止される。ここで、「過動」とは、センサなどの微小構造体が正常に動作しなくなる程度の動き、例えば、構造体が破壊される以上の動き、若しくは、センサ出力の最大定格以上の動き等を言う。
【００１８】
なお、突起部１４ａの上面からワイヤ２２までの距離Ｈは、ボンディング装置の設定及び突出部１４ａの高さΔｈによって調整することができる。本実施例においては、ワイヤ２２の最下部（ワイヤ固定部）から最上部までの高さ（Ｈ＋Δｈ）は変わらなくとも、可動部１４ａ上面からワイヤ２２までの距離Ｈを短くすることが可能となる。その結果、ワイヤ２２の高さのばらつきを増大させることなく、センサ１０の全体的な厚さを減少させることが可能となる。例えば、突起部１４ａの上面からワイヤ２２までの距離Ｈを約８０μｍとした場合にも、センサ毎の高さＨのばらつきを抑えることができる。
【００１９】
図４（Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施例に係る加速度センサ１０の第１の製造工程例を示す断面図である。本実施例の加速度センサ１０の製造に際しては、最初に、活性層（Ｓｉ）；埋め込み酸化膜層（ＳｉＯ２）；Ｓｉ基板からなるＳＯＩ基板３０を形成する。その後、ＳＯＩ基板３０の活性層上に半導体加工技術を用いてブリッジ回路を構成するように、ピエゾ抵抗素子１８、金属配線及び電極パッド２０を配列形成してセンサ回路３２を成形する（図４Ａ）。次に、感光性ポリイミド、レジスト等を所望の膜厚でスピンコート（回転塗布）し、露光、現像、ベーク等の処理を経て突起部３４を形成する（図４Ｂ）。
【００２０】
次に、Ｓｉ　Ｄｅｅｐ　ＲＩＥ　（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりビーム部１６を形成する。その後、Ｓｉ基板側から同様に、Ｓｉ　Ｄｅｅｐ
ＲＩＥ　によって可動構造部１４を形成する。次に、埋め込み酸化膜をエッチングすることにより、可動構造部１４をリリースする（図４Ｃ）。その後、ダイシングによって個々のセンサチップに切断する。次に、このセンサチップをパッケージ（図示せず）にボンディングし、続いて、センサチップ１０の電極パッド２０とパッケージのリードパッド（図示せず）をワイヤボンディングする。この時、同一のボンディング工程において、センサチップ１０にワイヤ２２を形成する（図４Ｄ）。
【００２１】
図５（Ａ）〜（Ｄ）、図６（Ｅ）〜（Ｇ）は、第１実施例に係る加速度センサ１０の第２の製造工程例を示す断面図である。本実施例の加速度センサ１０の製造に際しては、最初に、活性層（Ｓｉ）；埋め込み酸化膜層（ＳｉＯ２）；Ｓｉ基板からなるＳＯＩ基板３０を形成する。その後、ＳＯＩ基板３０の活性層上に半導体加工技術を用いてブリッジ回路を構成するように、ピエゾ抵抗素子１８，金属配線及び電極パッド２０を配列形成してセンサ回路３２を成形する（図５Ａ）。そして、電極パッドを除いた部分をＳｉＮ等の保護膜で覆う。
【００２２】
次に、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｃｏ等からなるシード゛層４０をスパッタリングにより成膜する（図５Ｂ）。その後、感光性ポリイミド、レジスト等を所望の膜厚でスピンコート（回転塗布）し、露光、現像、ベーク等の処理を経てレジストパターン４２を形成する（図５Ｃ）。
【００２３】
次に、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｃｏ等のメッキ層を成膜する（図５Ｄ）。その後、レジストパターンを除去し、シード層４０をイオンミリング、ウェットエッチング、ＲＩＥ　（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）等により、除去して突起部４４を形成する（図６Ｅ）。
【００２４】
次に、Ｓｉ　Ｄｅｅｐ　ＲＩＥ　（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりビーム部１６を形成する。その後、Ｓｉ基板側から同様に、Ｓｉ　Ｄｅｅｐ
ＲＩＥ　によって可動構造部１４を形成する。次に、埋め込み酸化膜をエッチングすることにより、可動構造部１４をリリースする（図６Ｆ）。その後、ダイシングによって個々のセンサチップに切断する。次に、このセンサチップをパッケージ（図示せず）にボンディングし、続いて、センサチップ１０の電極パッド２０とパッケージのリードパッド（図示せず）をワイヤボンディングする。この時、同一のボンディング工程において、センサチップ１０にワイヤ２２を形成する（図６Ｇ）。
【００２５】
図７（Ａ）〜（Ｃ）、図８（Ｄ）〜（Ｆ）は、第１実施例に係る加速度センサ１０の第３の製造工程例を示す断面図である。本実施例の加速度センサ１０の製造に際しては、最初に、活性層（Ｓｉ）；埋め込み酸化膜層（ＳｉＯ２）；Ｓｉ基板からなるＳＯＩ基板３０を形成する。その後、ＳＯＩ基板３０上に、多結晶シリコン層５０を成膜する（図７Ａ）。次に、レジストをスピンコート（回転塗布）し、露光、現像、ベーク処理を経てレジストパターン５２を形成する（図７Ｂ）。
【００２６】
次に、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）により多結晶シリコン層５０をエッチングして、突起部５４を形成する（図７Ｃ）。その後、半導体加工技術を用いてブリッジ回路を構成するように、ピエゾ抵抗素子１８，金属配線及び電極パッド２０を配列形成してセンサ回路３２を成形する（図８Ｄ）。そして、電極パッドを除いた部分をＳｉＮ等の保護膜で覆う。
【００２７】
次に、Ｓｉ　Ｄｅｅｐ　ＲＩＥ　（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりビーム部１６を形成する。その後、Ｓｉ基板側から同様に、Ｓｉ　Ｄｅｅｐ
ＲＩＥ　によって可動構造部１４を形成する。次に、埋め込み酸化膜をエッチングすることにより、可動構造部１４をリリースする（図８Ｅ）。その後、ダイシングによって個々のセンサチップに切断する。次に、このセンサチップをパッケージ（図示せず）にボンディングし、続いて、センサチップ１０の電極パッド２０とパッケージのリードパッド（図示せず）をワイヤボンディングする。この時、同一のボンディング工程において、センサチップ１０にワイヤ２２を形成する（図８Ｆ）。
【００２８】
図９は、本発明の第２実施例に係る加速度センサの構造を示す断面図である。図１０（Ａ）〜（Ｅ）は、第２実施例に係る加速度センサの製造工程例を示す断面図である。なお、図９及び図１０において、上記第１実施例と同一又は対応する構成要素については、同一の符号を付し、重複した説明は省略する。本実施例の加速度センサと第１実施例のセンサとの違いは、可動構造部１４及びシリコン基体５８の構造にある。すなわち、本実施例においては、可動構造部１４に突起部１４ａを形成することなく、シリコン基体５８の上面を削ることにより、可動構造部１４の上面とワイヤ２２との距離Δｈを形成するものである。
【００２９】
本実施例の加速度センサ１０の製造に際しては、最初に、活性層（Ｓｉ）；埋め込み酸化膜層（ＳｉＯ２）；Ｓｉ基板からなるＳＯＩ基板３０を形成する。次に、ＳＯＩ基板３０の活性層上に、レジストをスピンコート（回転塗布）し、露光、現像、ベーク処理を経てレジストパターン６０を形成する（図１０Ａ）。その後、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ
Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりＳＯＩ基板３０をエッチングして、ストッパ形成用の電極パッド部３０ａを形成する（図１０Ｂ）。
【００３０】
次に、半導体加工技術を用いてブリッジ回路を構成するように、ピエゾ抵抗素子１８，金属配線及び電極パッド２０を配列形成してセンサ回路３２を成形する（図１０Ｃ）。そして、電極パッドを除いた部分をＳｉＮ等の保護膜で覆う。その後、Ｓｉ　Ｄｅｅｐ　ＲＩＥ　（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりビーム部１６を形成し、Ｓｉ基板側から同様に、Ｓｉ　Ｄｅｅｐ　ＲＩＥ　によって可動構造部１４を形成する。次に、埋め込み酸化膜をエッチングすることにより、可動構造部１４をリリースする（図１０Ｄ）。その後、ダイシングによって個々のセンサチップに切断する。次に、このセンサチップをパッケージ（図示せず）にボンディングし、続いて、センサチップ１０の電極パッド２０とパッケージのリードパッド（図示せず）をワイヤボンディングする。この時、同一のボンディング工程において、センサチップ１０にワイヤ２２を形成する（図１０Ｅ）。
【００３１】
図１１は、本発明の第３実施例に係る加速度センサパッケージ７０に収容される加速度センサ７４の構造を示す斜視図である。図１２は、第３実施例に係る加速度センサパッケージ７０の構造を示す断面図である。なお、図１１及び図１２において、上記第１及び第２実施例と同一又は対応する構成要素については、同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００３２】
本実施例に係る加速度センサ７４は、シリコン基体１２と、シリコン基体１２の中央付近において上下左右のあらゆる方向に移動可能に収容された可動構造部（可動マス）１４とを備えている。シリコン基体１２の中央には、箱形の空間が形成されており、その中に可動構造部１４が収容される。可動構造部１４は、慣性力を向上させるために、４つの正方形を中央で連結した所謂クローバー型に成形されている。可動構造部１４（後述の突起部１４ａを除く）の上面は、シリコン基体１２の上面と同一面となるように設計されている。
【００３３】
センサ７４は、また、可動構造部１４とシリコン基体１２とを連結する４本のビーム（支持梁）１６と、ビーム１６とシリコン基体１２との連結部分に跨って配置された８個のピエゾ抵抗素子１８とを備えている。各ビーム１６は、可動構造部１４のクローバーの葉と葉の間に対応する位置に配置される。シリコン基体１２の上面には、電極パッド２０が形成されており、図示しない配線によってピエゾ抵抗素子１８と電気的に接続されている。
【００３４】
本実施例に係るセンサ７４は、パッケージ７０の内部に収容される。パッケージ７０のリードパッド７６は、センサ７４の上面からΔｈだけ低い位置に設定されている。センサ７４の逆側に位置する２つのリードパッド７６をワイヤ２２で連結することにより、当該ワイヤ２２を過動防止ストッパとして機能させる。本実施例においても、上記第１及び第２実施例と同様の作用・効果を得ることができる。
【００３５】
以上、本発明の実施例（実施形態、実施態様）について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、ワイヤを用いて可動構造部の過剰な動きを防止しているため、ガラス製のストッパを用いた場合に比べ、厚みの増加を最小限に抑えることが可能となる。特に、ワイヤ固定部（端部）と可動構造部の上面との間に相対的な段差を設けているため、ワイヤの最下部（ワイヤ固定部）から最上部までの高さは変わらなくとも、可動部上面からワイヤまでの距離を短くすることが可能となる。その結果、ワイヤ高さのばらつきを増大させることなく、センサの厚さを減少させることが可能となる。
【００３７】
また、ワイヤの接合時に基体及び可動構造部に加わる応力は殆ど無いため、センサなどの微小構造体の特性への影響が実質的に無い。更に、ワイヤボンディング工程において、ストッパワイヤを形成できるため、製造工程が煩雑になることもなく、従来のようにガラス製ストッパを接合する場合に比べ、製造工程が簡素且つ低コストで実行することができる。特に、加速度センサなどの場合には、センサチップの電極パッドとパッケージのリードパッドをワイヤボンディングする際に、これと同一工程で、ストッパ用のワイヤを形成することができ、極めて合理的、効率的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例に係る加速度センサの構造を示す斜視図である。
【図２】図２は、第１実施例に係る加速度センサの構造を示す平面図である。
【図３】図３は、図１のＩ−Ｉ方向の断面図である。
【図４】図４（Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施例に係る加速度センサの第１の製造工程例を示す断面図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施例に係る加速度センサの第２の製造工程例を示す断面図である。
【図６】図６（Ｅ）〜（Ｇ）は、第１実施例に係る加速度センサの第２の製造工程例を示す断面図であり、図５から続く。
【図７】図７（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施例に係る加速度センサの第３の製造工程例を示す断面図である。
【図８】図８（Ｄ）〜（Ｆ）は、第１実施例に係る加速度センサの第３の製造工程例を示す断面図であり、図７から続く。
【図９】図９は、本発明の第２実施例に係る加速度センサの構造を示す断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）〜（Ｅ）は、第２実施例に係る加速度センサの製造工程例を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施例に係る加速度センサパッケージに使用される加速度センサの構造を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、第３実施例に係る加速度センサパッケージの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　　　加速度センサ
１２　　　シリコン基体
１４　　　可動構造部（可動マス）
１４ａ　　　突起部
１６　　　ビーム（支持梁）
１８　　　ピエゾ抵抗素子
２０　　　電極パッド
２２　　　ワイヤ
２４　　　ダイボンド面
７０　　　パッケージ

Claims

可動構造部を有する微小構造体において、
前記可動構造部を３次元方向に移動可能に収容した基体を備え；
前記可動構造部は、前記基体に収容された時に、少なくとも１面が外部に露出した状態であり；
前記可動構造部の露出した面の上部に張られ、当該可動部の過剰な動きを防止するワイヤを備え、
前記ワイヤの端部が固定されるワイヤ固定部の位置が、前記可動構造部の上面に対して相対的に低く設定されていることを特徴とする微小構造体。
前記可動構造部の上面に突出部を形成することにより、前記ワイヤ固定部の位置を相対的に低くすることを特徴とする請求項１に記載の微小構造体。
前記突出部は、前記可動構造部の上面に形成された樹脂層であることを特徴とする請求項２に記載の微小構造体。
前記突出部は、前記可動構造部の上面に形成されたメッキ層であることを特徴とする請求項２に記載の微小構造体。
前記突出部は、前記可動構造部の上面に形成された多結晶シリコン層であることを特徴とする請求項２に記載の微小構造体。
前記ワイヤ固定部は、前記基体上に設けられ、前記可動構造部の上面に対して相対的に低い位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の微小構造体。
前記ワイヤ固定部は、前記基体に形成された段差部であることを特徴とする請求項６に記載の微小構造体。
可動構造部の動きに応じて出力信号を得る加速度センサにおいて、
前記可動構造部を３次元方向に移動可能に収容したシリコン基体を備え；
前記可動構造部は、前記シリコン基体に収容された時に、少なくとも上面が外部に露出した状態であり；
前記可動構造部の上面を横切るように張られ、両端部が前記シリコン基体の上面にワイヤボンディング工程によって接合されて、当該可動部の上方への過剰な動きを防止するワイヤを備え、
前記ワイヤの端部が固定されるワイヤ固定部の位置が、前記可動構造部の上面に対して相対的に低く設定されていることを特徴とする加速度センサ。
前記シリコン基体は、パッケージのリードパッドとワイヤボンディングによって接続される電極パッドを備え、
前記ワイヤは、前記パッケージのリードパッドと前記電極パッドとをワイヤボンディングするのと同一の工程によって形成されることを特徴とする請求項８に記載の加速度センサ。
前記リードパッドが前記ワイヤ固定部を兼ね、
前記リードパッドが形成される位置が、前記可動構造部の上面に対して相対的に低い位置に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の加速度センサ。