JP2007171042A - Physical quantity sensor and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車、航空機、家電製品等に用いられる加速度センサをはじめとする物理量センサ、及びその製造方法に関し、特に、ウエハレベルパッケージングにより気密空間が形成される物理量センサに関する。 The present invention relates to a physical quantity sensor such as an acceleration sensor used for automobiles, airplanes, home appliances, and the like, and a manufacturing method thereof, and more particularly to a physical quantity sensor in which an airtight space is formed by wafer level packaging.
従来、半導体とその加工技術を用いた小型で高性能の物理量センサが開発されて用いられている。例えば、加速度センサ、圧力センサ、傾斜センサなどのような物理量センサがある。これらは、半導体の微細加工技術を用いて半導体ウエハに形成したセンサ部とそのセンサ部を保護するカバー部を備えて構成される(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a small and high-performance physical quantity sensor using a semiconductor and its processing technology has been developed and used. For example, there are physical quantity sensors such as an acceleration sensor, a pressure sensor, and a tilt sensor. These include a sensor unit formed on a semiconductor wafer using a semiconductor microfabrication technique and a cover unit that protects the sensor unit (see, for example, Patent Document 1).
そのセンサ部は、精度や寿命を維持するため、特に気密空間に密封した状態で製造されて用いられる。近年、このような気密空間を有する物理量センサを小型化して大量に効率的に製造するために、センサ部を一枚のウエハに多数形成し、ウエハの状態で他のウエハなどを接合して気密空間を形成し、その後、各センサ部を含むチップにダイシングして個片化する、いわゆるウエハレベルパッケージングの技術が用いられている。そして、気密空間を備えて個片化された物理量センサは、例えば、ヘリウムリーク試験等の方法によって、その気密空間の気密性が検査される。ヘリウムは原子半径が小さくて細かい隙間にも入り込みやすく、また、大気中に少ないのでプローブガスとしてよく用いられる。 The sensor unit is manufactured and used in a state of being sealed in an airtight space in order to maintain accuracy and life. In recent years, in order to manufacture a physical quantity sensor having such an airtight space in a compact and efficient manner in large quantities, a large number of sensor portions are formed on one wafer, and the other wafers are bonded in an airtight state. A so-called wafer level packaging technique is used in which a space is formed and then diced into chips including each sensor unit. The physical quantity sensor that is separated into pieces with the airtight space is inspected for airtightness of the airtight space by a method such as a helium leak test, for example. Helium is often used as a probe gas because it has a small atomic radius and can easily enter fine gaps, and is small in the atmosphere.
そして、ヘリウムリーク試験は、例えば、個片化した物理量センサを、高圧のヘリウムガス雰囲気中に所定時間放置して取出した後、物理量センサからのヘリウムガスの検出の有無によって行われる。すなわち、物理量センサからヘリウムが検出されたならば、その物理量センサの気密空間の気密性が不完全であったため気密空間にヘリウムが入り、その残留したヘリウムが検出されたとして、その物理量センサは不良品とされる。
しかしながら、上述したようなヘリウムリーク試験を用いて製造される、気密空間を有する物理量センサやその製造方法には、次のような問題がある。一般に、気密空間からリークしてくるヘリウムを測定するヘリウムリーク試験は、ヘリウム検出のための条件を整えるための時間が必要であり、大量の物理量センサの試験には長時間を要することになる。また、ウエハレベルパッケージングによって製造される気密空間を持つ物理量センサは、その小型化の故に、気密空間の容量が小さいことが多く、ヘリウムリーク試験のための有効時間が短くなって検査ができなくなるという問題もある。 However, the physical quantity sensor having an airtight space and the manufacturing method thereof manufactured using the helium leak test as described above have the following problems. In general, a helium leak test for measuring helium leaking from an airtight space requires time for adjusting the conditions for helium detection, and a large amount of physical quantity sensor test requires a long time. In addition, physical quantity sensors having an airtight space manufactured by wafer level packaging often have a small capacity in the airtight space due to the miniaturization thereof, and the effective time for the helium leak test is shortened, so that the inspection cannot be performed. There is also a problem.
すなわち、気密空間へのリークパスがある気密性不良品の気密空間にヘリウムが漏れ込んだとしても、気密空間内部に進入したヘリウムは、ヘリウムのリークレートと気密空間の容量によって決まる減少率で外部に逃げて減少するので、ある時間を超えてしまうと、ヘリウムが気密不良部からリークしきってしまい、不良であるにも関わらず、ヘリウムを検出できないことになる。つまり、小さな気密空間を有する物理量センサほど、物理量センサを高圧のヘリウム充填空間から取り出して気密性試験を行うまでに許される時間が短くなる。 In other words, even if helium leaks into the airtight space of a defective airtight product that has a leak path to the airtight space, helium that has entered the airtight space is externally reduced at a rate determined by the leak rate of the helium and the capacity of the airtight space. Since it escapes and decreases, if a certain time is exceeded, helium leaks from the airtight portion, and helium cannot be detected even though it is defective. That is, the physical quantity sensor having a small airtight space has a shorter time allowed for taking out the physical quantity sensor from the high-pressure helium-filled space and conducting the airtightness test.
本発明は、上記課題を解消するものであって、気密空間の気密性の検査が容易かつ確実な、ウエハレベルパッケージによって形成される気密空間を有する物理量センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a physical quantity sensor having an airtight space formed by a wafer level package and a method for manufacturing the same, in which the airtightness of the airtight space can be easily and reliably inspected. And
上記課題を達成するために、請求項1の発明は、測定する物理量に応じて電気信号を出力するセンサ部が、ウエハレベルパッケージによって形成される気密空間に半導体微細加工プロセスによって形成された物理量センサであって、ダイヤフラムを介して前記気密空間に隣接する気密室と、前記ダイヤフラムの変形量を測定する歪ゲージとを有した圧力センサを備えて、この圧力センサにより前記センサ部の特性の維持に必要な前記気密空間の気密性を検査可能としたものである。 In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is directed to a physical quantity sensor in which a sensor unit that outputs an electric signal according to a physical quantity to be measured is formed by a semiconductor microfabrication process in an airtight space formed by a wafer level package. A pressure sensor having an airtight chamber adjacent to the airtight space via a diaphragm and a strain gauge for measuring the amount of deformation of the diaphragm, and maintaining the characteristics of the sensor unit by the pressure sensor. The required airtightness of the airtight space can be inspected.
請求項2の発明は、測定する物理量に応じて電気信号を出力するセンサ部が、ウエハレベルパッケージによって形成された気密空間に半導体微細加工プロセスによって形成された物理量センサの製造方法であって、ダイヤフラムを介して前記気密空間に隣接する気密室と、前記ダイヤフラムの変形量を測定する歪ゲージとを有した圧力センサを形成する工程と、前記工程によって形成された圧力センサによって前記センサ部の特性の維持に必要な前記気密空間の気密性を計測する検査工程と、を含むものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a physical quantity sensor in which a sensor unit that outputs an electrical signal in accordance with a physical quantity to be measured is formed in a hermetic space formed by a wafer level package by a semiconductor microfabrication process. A step of forming a pressure sensor having an airtight chamber adjacent to the airtight space through a strain gauge and a strain gauge for measuring the amount of deformation of the diaphragm, and the pressure sensor formed by the step determines characteristics of the sensor unit. And an inspection process for measuring the airtightness of the airtight space necessary for maintenance.
請求項3の発明は、請求項2に記載の物理量センサの製造方法において、前記センサ部は歪ゲージを備えたものであり、前記圧力センサの歪ゲージを形成する工程は、前記センサ部の歪ゲージの形成と同時に行われるものである。 According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing a physical quantity sensor according to the second aspect, the sensor unit includes a strain gauge, and the step of forming the strain gauge of the pressure sensor is performed by the strain of the sensor unit. It is performed simultaneously with the formation of the gauge.
請求項4の発明は、請求項2又は請求項3に記載の物理量センサの製造方法において、前記検査工程は、前記圧力センサの歪みゲージに対するプローブ検査によって行うものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the physical quantity sensor manufacturing method according to the second or third aspect, the inspection step is performed by a probe inspection for a strain gauge of the pressure sensor.
請求項5の発明は、請求項4に記載の物理量センサの製造方法において、前記検査工程は、前記センサ部の特性を検査するためのプローブ検査と同時に行われるものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a physical quantity sensor according to the fourth aspect, the inspection step is performed simultaneously with a probe inspection for inspecting characteristics of the sensor unit.
請求項1の発明によれば、ダイヤフラムの変形量によって、気密空間の圧力を測定できるように圧力センサを形成して備えたので、気密空間の圧力変化を測定でき、従って、ヘリウムリーク検査によらずに気密空間の気密性を短時間で容易かつ確実に検査できる。この圧力センサを用いた気密空間の気密性の検査は、例えば、物理量センサを異なる圧力状態におき、それぞれの状態で測定した圧力センサの出力を比較することにより行える。 According to the first aspect of the present invention, since the pressure sensor is formed so as to be able to measure the pressure in the hermetic space according to the deformation amount of the diaphragm, the pressure change in the hermetic space can be measured. In addition, the airtightness of the airtight space can be inspected easily and reliably in a short time. The airtightness inspection of the airtight space using the pressure sensor can be performed, for example, by placing the physical quantity sensor in different pressure states and comparing the output of the pressure sensor measured in each state.
請求項2の発明によれば、ダイヤフラムの変形量によって、気密空間の圧力を測定できるように圧力センサを形成する工程と、この圧力センサによる検査工程を備えたので、この製造方法によって製造される物理量センサは、ヘリウムリーク検査によらずに、気密空間の圧力変化を測定して気密空間の気密性を短時間で容易かつ確実に検査でき、従来よりも製造効率が向上する。 According to the second aspect of the present invention, the method includes a step of forming a pressure sensor so that the pressure in the hermetic space can be measured by a deformation amount of the diaphragm, and an inspection step using the pressure sensor. The physical quantity sensor can measure the pressure change in the hermetic space and check the hermeticity of the hermetic space easily and reliably in a short time without using the helium leak test, and the manufacturing efficiency is improved as compared with the conventional sensor.
請求項3の発明によれば、圧力センサの歪ゲージの形成を、センサ部の歪ゲージ形成と同時に行うので、別途形成する場合よりも少ない工数で、低コストの物理量センサの製造が可能となる。 According to the invention of claim 3, since the formation of the strain gauge of the pressure sensor is performed at the same time as the formation of the strain gauge of the sensor portion, it is possible to manufacture a low-cost physical quantity sensor with fewer man-hours than when separately formed. .
請求項4の発明によれば、気密空間の気密性の評価が、ヘリウムリーク試験に比べて、より短時間かつ容易に行える。 According to the invention of claim 4, the evaluation of the airtightness of the airtight space can be performed in a shorter time and more easily than the helium leak test.
請求項5の発明によれば、検査のためのセッティングを共通化でき、効率的に物理量センサの評価と検査ができる。 According to the invention of claim 5, the setting for the inspection can be made common, and the physical quantity sensor can be evaluated and inspected efficiently.
以下、本発明の一実施形態に係る物理量センサとその製造方法について、図面を参照して説明する。図1(a)(b)は本発明の一実施形態に係る物理量センサ1の概要を示し、図2は物理量センサ1の構成部品を示す。なお、物理量センサ1は、ウエハレベルパッケージの技術によって形成されるものであり、以下の図に示す物理量センサ1及びその部品は、ウエハを個片化した後の形状を示している。また、以下において、物理量の例として加速度を取り上げ、加速度センサを前提として物理量センサ1を説明する。 Hereinafter, a physical quantity sensor and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show an outline of a physical quantity sensor 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows components of the physical quantity sensor 1. The physical quantity sensor 1 is formed by a wafer level package technique, and the physical quantity sensor 1 and its components shown in the following figures show the shape after the wafer is separated into pieces. In the following, acceleration is taken as an example of a physical quantity, and the physical quantity sensor 1 will be described on the assumption of an acceleration sensor.
物理量センサ1は、測定する物理量に応じて電気信号を出力するセンサ部2が、ウエハレベルパッケージによって形成される気密空間R1に半導体微細加工プロセスによって形成されたセンサである。この物理量センサ1は、ダイヤフラム30と、その変形量を測定する歪ゲージ(後述図4)と、電極31と、ダイヤフラム30を介して気密空間R1に隣接する気密室R2と、を有した圧力センサ3を備えており、この圧力センサ3により、センサ部2の特性の維持に必要な気密空間R1の気密性を検査可能としている。 The physical quantity sensor 1 is a sensor in which a sensor unit 2 that outputs an electrical signal according to a physical quantity to be measured is formed in a hermetic space R1 formed by a wafer level package by a semiconductor microfabrication process. This physical quantity sensor 1 is a pressure sensor having a diaphragm 30, a strain gauge for measuring the amount of deformation thereof (described later in FIG. 4), an electrode 31, and a hermetic chamber R 2 adjacent to the hermetic space R 1 via the diaphragm 30. 3, and the pressure sensor 3 can inspect the airtightness of the airtight space R <b> 1 necessary for maintaining the characteristics of the sensor unit 2.
この物理量センサ1は、センサ部2と圧力センサ3が形成されたセンサウエハ10と、センサ部2の上面と圧力センサ3のダイヤフラム30とを覆うように配置してこれらに接触することなくセンサウエハ10の外周部で接合されたカバーウエハ11と、センサウエハ10の裏面に接合して気密空間R1と気密室R2とを形成する下部カバーウエハ12と、を備えている。 The physical quantity sensor 1 is arranged so as to cover the sensor wafer 10 on which the sensor unit 2 and the pressure sensor 3 are formed, and the upper surface of the sensor unit 2 and the diaphragm 30 of the pressure sensor 3, without contacting the sensor wafer 10. A cover wafer 11 bonded at the outer peripheral portion and a lower cover wafer 12 bonded to the back surface of the sensor wafer 10 to form an airtight space R1 and an airtight chamber R2.
センサウエハ10には、外形が長四角形のシリコン基板に、物理量(加速度)を測定するセンサ部2と、センサ部2を囲む枠体10aと、センサ部2に隣接して形成され気密室R2を形成するためのダイヤフラム30を上面とする矩形凹部が形成されている。 The sensor wafer 10 is formed on a silicon substrate having a long rectangular outer shape, a sensor unit 2 for measuring a physical quantity (acceleration), a frame 10a surrounding the sensor unit 2, and an airtight chamber R2 formed adjacent to the sensor unit 2. A rectangular recess having an upper surface of the diaphragm 30 is formed.
気密空間R1は、センサウエハ10の上面外周部とカバーウエハ11の下面外周部との接合部a、及びセンサウエハ10の下面のセンサ部2の外周部(枠体10a下面)と下部カバーウエハ12の上面との接合部b,cによって封止された空間である。この気密空間R1内でセンサ部が動作する。また、気密室R2は、ダイヤフラム30とセンサウエハ10の側壁と下部カバーウエハ12とで囲まれた空間である。気密室R2は、センサウエハ10の下面と下部カバーウエハ12の上面との接合部c,dによって封止されている。 The airtight space R <b> 1 includes a bonding portion a between the outer peripheral portion of the upper surface of the sensor wafer 10 and the outer peripheral portion of the lower surface of the cover wafer 11, and an outer peripheral portion (lower surface of the frame 10 a) of the sensor portion 2 on the lower surface of the sensor wafer 10 and the upper surface of the lower cover wafer 12. It is the space sealed by the joint parts b and c. The sensor unit operates in the airtight space R1. The hermetic chamber R <b> 2 is a space surrounded by the diaphragm 30, the side wall of the sensor wafer 10, and the lower cover wafer 12. The hermetic chamber R <b> 2 is sealed by joints c and d between the lower surface of the sensor wafer 10 and the upper surface of the lower cover wafer 12.
センサ部2は、加速度に対する慣性力を検出するための重錘体20と、重錘体20から4方向に延びて枠体10aに至り、枠体10a側から重錘体20を支えるビーム21と、ビーム21の根本近傍に形成されてビームの変形量を電気的に検出する、例えばピエゾ素子で形成された、歪ゲージ(図4)と、を備えて構成されている。これらの重錘体20、ビーム21、枠体10aは、例えば、シリコン半導体ウエハを素材として、これを半導体微細加工技術によって一体化状態で加工して構成されている(後述、図8)。歪ゲージからの電気信号は、電気配線(不図示)によって中央部から周辺部に引き出されて、物理量センサ1の外表面に設けた電極22に取り出される。 The sensor unit 2 includes a weight body 20 for detecting an inertial force against acceleration, a beam 21 extending from the weight body 20 in four directions to the frame body 10a, and supporting the weight body 20 from the frame body 10a side. And a strain gauge (FIG. 4) formed near the base of the beam 21 to electrically detect the deformation amount of the beam, for example, formed of a piezo element. The weight body 20, the beam 21, and the frame body 10a are configured by, for example, using a silicon semiconductor wafer as a material and processing it in an integrated state by a semiconductor micromachining technique (described later, FIG. 8). An electrical signal from the strain gauge is drawn from the central portion to the peripheral portion by electric wiring (not shown), and is taken out to the electrode 22 provided on the outer surface of the physical quantity sensor 1.
重錘体20は、重錘体20に発生する慣性力の大きさがビーム21の変形に感度よく反映されるように、中央部から離れたところに重心を有する4つの質量部分からなる。なお、3次元空間の任意の方向の加速度を測定できるように、つまり、重錘体20が、ねじれ、回転、平行移動などの必要十分な動きができるように、各重錘体20と各ビーム21とが干渉するのを防止する目的で、ビーム21の位置より一段下がったところに、重錘体20が形成されている。また、カバーウエハ11の下面と下部カバーウエハ12の上面には、それぞれ凹部が形成されている。これらの凹部は、重錘体20の上下方向の可動空間を形成すると共に、その凹部の底面は、重錘体20の過度の移動を防止するストッパを構成する。 The weight body 20 is composed of four mass portions having a center of gravity at a position away from the central portion so that the magnitude of the inertial force generated in the weight body 20 is reflected in the deformation of the beam 21 with high sensitivity. Note that each weight body 20 and each beam can be measured so that acceleration in an arbitrary direction in the three-dimensional space can be measured, that is, the weight body 20 can perform necessary and sufficient movements such as twisting, rotation, and parallel movement. A weight body 20 is formed at a position one step below the position of the beam 21 for the purpose of preventing interference with the beam 21. In addition, concave portions are formed in the lower surface of the cover wafer 11 and the upper surface of the lower cover wafer 12, respectively. These recesses form a movable space in the vertical direction of the weight body 20, and the bottom surface of the recess constitutes a stopper that prevents excessive movement of the weight body 20.
ここで、物理量センサ1の各部の寸法について説明する。物理量センサ1の外形寸法は、例えば、縦及び横寸法が2.0〜5.0mm、厚みが0.6mm〜1.0mm程度である。また、重錘体20の厚み寸法は、例えば、300〜500μmである。ビーム21の寸法は、例えば、長さが300〜700μm程度、幅が60〜150μm程度、厚みが4〜10μm程度である。なお、ビーム21の厚みは、重錘体20の厚みに対し十分小さい値とされる。また、ダイヤフラム30の1辺の大きさは、例えば、50μm〜1.0mm程度である。 Here, the dimension of each part of the physical quantity sensor 1 will be described. The external dimensions of the physical quantity sensor 1 are, for example, a vertical and horizontal dimension of 2.0 to 5.0 mm and a thickness of about 0.6 mm to 1.0 mm. Moreover, the thickness dimension of the weight body 20 is 300-500 micrometers, for example. The dimensions of the beam 21 are, for example, a length of about 300 to 700 μm, a width of about 60 to 150 μm, and a thickness of about 4 to 10 μm. The thickness of the beam 21 is set to a sufficiently small value with respect to the thickness of the weight body 20. The size of one side of the diaphragm 30 is, for example, about 50 μm to 1.0 mm.
次に、物理量センサ1の加速度センサとしての動作原理、及び圧力センサ3の動作原理を説明する。図3(a)〜(c)は重錘体の動作を示し、図4はセンサ部2とダイヤフラム30の上の歪ゲージの配置を示すセンサウエハ10の上面を示し、図5(a)はセンサ部2の電気信号検出に用いられるブリッジ回路を示し、図5(b)は各歪ゲージの加速度に対する正負の応答を示し、図6は圧力センサ3の電気信号検出に用いられるブリッジ回路を示す。 Next, the operation principle of the physical quantity sensor 1 as an acceleration sensor and the operation principle of the pressure sensor 3 will be described. 3A to 3C show the operation of the weight body, FIG. 4 shows the upper surface of the sensor wafer 10 showing the arrangement of the strain gauges on the sensor unit 2 and the diaphragm 30, and FIG. 5A shows the sensor. FIG. 5B shows positive and negative responses to the acceleration of each strain gauge, and FIG. 6 shows a bridge circuit used for electric signal detection of the pressure sensor 3.
物理量センサ1が、図3(a)に示すように、ビーム21と平行な矢印uの方向の加速度を受けると、枠体10aが矢印u方向に動き、重錘体20は、取り残されて矢印vの方向の慣性力を受ける。そこで、左側のビーム21には圧縮応力(例えば、+符号で表示)が発生し、右側のビーム21には引っ張り応力(例えば、−符号で表示)が発生する。 As shown in FIG. 3A, when the physical quantity sensor 1 receives acceleration in the direction of the arrow u parallel to the beam 21, the frame body 10a moves in the direction of the arrow u, and the weight body 20 is left behind. Receives an inertial force in the direction of v. Therefore, a compressive stress (for example, indicated by a + sign) is generated in the left beam 21, and a tensile stress (for example, indicated by a-sign) is generated in the right beam 21.
また、物理量センサ1が、図3(b)に示すように、ビーム21と平行ではない矢印uの方向の加速度を受けると、重錘体20は、上下方向に傾いた矢印vの方向の慣性力を受ける。そして、左右のビーム21には、図3(c)に示すように、それぞれ圧縮応力と引っ張り応力とが発生する。そこで、各ビーム21の両端近傍に歪ゲージを設けて、圧縮応力と引っ張り応力の発生具合を計測すると、重錘体20に作用する慣性力、従って、物理量センサ1が受ける加速度を計測することができる。歪ゲージは、例えば、歪を受けることによって、抵抗が変化する抵抗体で構成される。 3B, when the physical quantity sensor 1 receives acceleration in the direction of the arrow u that is not parallel to the beam 21, the weight body 20 is inertial in the direction of the arrow v inclined in the vertical direction. Receive power. Then, as shown in FIG. 3C, compressive stress and tensile stress are generated in the left and right beams 21, respectively. Therefore, if strain gauges are provided in the vicinity of both ends of each beam 21 and the degree of occurrence of compressive stress and tensile stress is measured, the inertial force acting on the weight body 20, and hence the acceleration received by the physical quantity sensor 1, can be measured. it can. For example, the strain gauge is formed of a resistor that changes its resistance by receiving strain.
センサウエハ10のセンサ部2のビーム21には、図4に示すように、X方向に長い抵抗体から成るX方向の加速度計測用の歪ゲージX1〜X4と、Y方向に長い抵抗体から成るY方向の加速度計測用の歪ゲージY1〜Y4とが、応力集中部となるビーム21のセンサ内方側の端部に配置されている。また、Y方向に長い抵抗体から成るZ方向の加速度計測用の歪ゲージZ1〜Z4が他の応力集中部となるビーム21のセンサ外方側の端部に配置されている。なお、図4に示したハッチング領域Sは、配線領域、及び、センサウエハ10とカバーウエハ11との接合領域である。従って、このハッチング領域Sの内部は、気密空間R1の内部となる。 As shown in FIG. 4, the beam 21 of the sensor unit 2 of the sensor wafer 10 includes strain gauges X1 to X4 for measuring acceleration in the X direction made of a resistor long in the X direction and Y made of a resistor long in the Y direction. Directional strain measurement strain gauges Y1 to Y4 are arranged at the sensor inner end of the beam 21 serving as a stress concentration portion. Further, strain gauges Z1 to Z4 for acceleration measurement in the Z direction, which are made of resistors that are long in the Y direction, are arranged at the sensor outer end of the beam 21 serving as another stress concentration part. The hatching area S shown in FIG. 4 is a wiring area and a bonding area between the sensor wafer 10 and the cover wafer 11. Therefore, the inside of the hatching region S is the inside of the airtight space R1.
上述のセンサ部2の各歪ゲージは、それぞれ長手方向の両端に接続された電気配線(不図示)によって、センサウエハ10の外周部に配置された電極Xa,Xb,Ya,Yb,Za,Zb,E1,Gに、図5(a)に示すブリッジ回路を形成するように、接続される。このようにブリッジ回路を形成すれば、例えば、X軸に加速度が印加されたときにブリッジ回路の抵抗値バランスが崩れるので、電源電極E1とグランド電極G間に一定電圧が加わっているとき、電極Xa,Xb間の電位差が加速度の大きさに応じて変化し、加速度を電圧として検出することができる。 Each strain gauge of the above-described sensor unit 2 has electrodes Xa, Xb, Ya, Yb, Za, Zb, arranged on the outer periphery of the sensor wafer 10 by electrical wiring (not shown) connected to both ends in the longitudinal direction. E1 and G are connected so as to form a bridge circuit shown in FIG. If the bridge circuit is formed in this way, for example, when the acceleration is applied to the X-axis, the resistance value balance of the bridge circuit is lost. Therefore, when a constant voltage is applied between the power supply electrode E1 and the ground electrode G, the electrode The potential difference between Xa and Xb changes according to the magnitude of the acceleration, and the acceleration can be detected as a voltage.
同様に、各XYZ軸の加速度に対する応力の変化は、図5(b)に示すようになるので、この物理量センサ1は、各XYZ軸について独立、かつ同時に加速度を検出できる。 Similarly, the change in stress with respect to the acceleration of each XYZ axis is as shown in FIG. 5B. Therefore, the physical quantity sensor 1 can detect the acceleration independently and simultaneously for each XYZ axis.
また、センサウエハ10の圧力センサ3のダイヤフラム30には、四角いダイヤフラム30の一辺に沿う方向に長い形状の歪ゲージP1〜P4が配置されている。その配置場所は、大きな変形が得られるダイヤフラム30周辺部である。これらの歪ゲージは、それぞれ長手方向の両端に接続された電気配線(不図示)によって、センサウエハ10の外周部に配置された電極Pa,Pb,E2,Gに、図6に示すブリッジ回路を形成するように、接続される。 In addition, strain gauges P <b> 1 to P <b> 4 that are long in the direction along one side of the square diaphragm 30 are arranged on the diaphragm 30 of the pressure sensor 3 of the sensor wafer 10. The arrangement location is the periphery of the diaphragm 30 where a large deformation can be obtained. These strain gauges form the bridge circuit shown in FIG. 6 on the electrodes Pa, Pb, E2, and G arranged on the outer periphery of the sensor wafer 10 by electrical wiring (not shown) connected to both ends in the longitudinal direction. To be connected.
上述のようにブリッジ回路を形成すれば、例えば、気密空間R1と気密室R2との間で圧力変化があったとき、ダイヤフラム30が変形してブリッジ回路の抵抗値バランスが崩れるので、電源電極E2とグランド電極G間に一定電圧を加えておくと、電極Pa,Pb間の電位差が圧力変化に応じて変化し、圧力変化を電圧として検出することができる。 If the bridge circuit is formed as described above, for example, when there is a pressure change between the hermetic space R1 and the hermetic chamber R2, the diaphragm 30 is deformed and the resistance value balance of the bridge circuit is lost, so the power supply electrode E2 When a constant voltage is applied between the ground electrode G and the ground electrode G, the potential difference between the electrodes Pa and Pb changes according to the pressure change, and the pressure change can be detected as a voltage.
このように、本発明の物理量センサ1によれば、ダイヤフラム30の変形量によって、気密空間R1の圧力を測定できるように圧力センサ3を形成して備えたので、気密空間R1の圧力変化を測定でき、従って、ヘリウムリーク検査によらずに気密空間R1の気密性を短時間で容易かつ確実に検査できる。この圧力センサ3を用いた気密空間R1の気密性の検査は、例えば、物理量センサ1を異なる圧力状態におき、それぞれの状態で測定した圧力センサ3の出力を比較することにより行える。 Thus, according to the physical quantity sensor 1 of the present invention, the pressure sensor 3 is formed and provided so that the pressure in the airtight space R1 can be measured by the deformation amount of the diaphragm 30, so that the pressure change in the airtight space R1 is measured. Therefore, the airtightness of the airtight space R1 can be inspected easily and reliably in a short time without using the helium leak inspection. The airtightness inspection of the airtight space R1 using the pressure sensor 3 can be performed, for example, by placing the physical quantity sensor 1 in different pressure states and comparing the output of the pressure sensor 3 measured in each state.
次に、物理量センサ1の製造工程を説明する。図7は物理量センサ1の製造工程の概略フローを示し、図8(a)〜(d)は製造工程の主要段階を物理量センサ1の断面によって時系列的に示す。なお、図8(a)に示すSOIウエハは、シリコンウエハ1aの上に、シリコン酸化膜1b、シリコン層1c、シリコン酸化膜1dを、この順に積層したウエハである。 Next, the manufacturing process of the physical quantity sensor 1 will be described. FIG. 7 shows a schematic flow of a manufacturing process of the physical quantity sensor 1, and FIGS. 8A to 8D show main stages of the manufacturing process in a time series by cross sections of the physical quantity sensor 1. The SOI wafer shown in FIG. 8A is a wafer in which a silicon oxide film 1b, a silicon layer 1c, and a silicon oxide film 1d are stacked in this order on a silicon wafer 1a.
まず、図8(a)に示すセンサウエハ10となるSOIウエハを準備し、その表面におけるビーム21形成領域とダイヤフラム30形成領域に、歪ゲージ、及び、歪ゲージから周辺部に至る拡散配線を、不純物拡散による配線形成技術により形成する(S1)。このとき、物理量センサ1の加速度検出用歪ゲージと、圧力センサ3の圧力検出用歪ゲージとは、同時に形成する。 First, an SOI wafer to be the sensor wafer 10 shown in FIG. 8A is prepared, and a strain gauge and diffusion wiring extending from the strain gauge to the peripheral portion are formed on the surface of the beam 21 forming region and the diaphragm 30 forming region. The wiring is formed by diffusion wiring technology (S1). At this time, the strain gauge for acceleration detection of the physical quantity sensor 1 and the strain gauge for pressure detection of the pressure sensor 3 are formed simultaneously.
次に、センサウエハ10に、拡散配線からセンサウエハ10の外周部に配置された電極Xa等に至る金属配線を形成し、加速度検出用のブリッジ回路、及び気密性検出用のブリッジ回路を同時形成する(S2)。 Next, metal wiring from the diffusion wiring to the electrode Xa and the like disposed on the outer periphery of the sensor wafer 10 is formed on the sensor wafer 10, and a bridge circuit for detecting acceleration and a bridge circuit for detecting airtightness are formed simultaneously ( S2).
次に、図8(b)に示すように、センサウエハ10のシリコンウエハ1a部分を、半導体微細加工プロセスによって、エッチングして、重錘体20とビーム21から成るセンサ部の構造体、及び気密室R1となる凹部R0とダイヤフラム30から成る圧力センサの構造体を形成する(S3)。 Next, as shown in FIG. 8 (b), the silicon wafer 1a portion of the sensor wafer 10 is etched by a semiconductor microfabrication process, and the sensor unit structure including the weight body 20 and the beam 21, and the airtight chamber. A pressure sensor structure comprising the concave portion R0 and the diaphragm 30 is formed (S3).
次に、図6(c)に示すように、センサウエハ10の下面に、別途形成した下部カバーウエハ12を接合する(S4)。センサウエハ10と下部カバーウエハ12の接合部c,dが形成されることにより、気密室R2が完成する。なお、この接合を真空雰囲気で行うことにより、気密室R2を真空空間とする。 Next, as shown in FIG. 6C, a separately formed lower cover wafer 12 is bonded to the lower surface of the sensor wafer 10 (S4). By forming the joints c and d between the sensor wafer 10 and the lower cover wafer 12, the hermetic chamber R2 is completed. By performing this bonding in a vacuum atmosphere, the hermetic chamber R2 is made a vacuum space.
次に、図8(d)に示すように、上部電極22,31と貫通配線(不図示)とを備えて別途形成したカバーウエハ11を、センサウエハ10の上面に接合する。これによりウエハレベルパッケージングされた物理量センサ1の接合ウエハが完成する(S5)。この接合に際し、センサウエハ10に形成されている電極Xa等(図4)とカバーウエハ11の貫通電極との電気接続を行う。貫通電極は上部電極と接続されており、これにより、各歪ゲージの出力が外部に取り出される。また、センサウエハ10とカバーウエハ11の接合は、真空中で行うことにより、真空状態の気密空間R1が形成される。 Next, as shown in FIG. 8D, the cover wafer 11 that is separately formed with the upper electrodes 22 and 31 and the through wiring (not shown) is bonded to the upper surface of the sensor wafer 10. Thereby, the bonded wafer of the physical quantity sensor 1 packaged in the wafer level is completed (S5). At the time of this bonding, the electrode Xa and the like (FIG. 4) formed on the sensor wafer 10 and the through electrode of the cover wafer 11 are electrically connected. The through electrode is connected to the upper electrode, whereby the output of each strain gauge is taken out to the outside. Further, the sensor wafer 10 and the cover wafer 11 are joined in a vacuum to form a vacuum-tight airtight space R1.
次に、ウエハレベルパッケージングされた物理量センサ1をダイシングして、個々の物理量センサ1のチップに個片化する(S6)。個片化した物理量センサ1は、プローバを用いて、加速度センサの基本特性の検査と同時に、圧力センサ3による気密空間R1の気密性の検査が同時に行われる(S7)。 Next, the physical quantity sensor 1 packaged in the wafer level is diced into individual chips of the physical quantity sensor 1 (S6). The separated physical quantity sensor 1 is simultaneously inspected for the airtightness of the airtight space R1 by the pressure sensor 3 simultaneously with the inspection of the basic characteristics of the acceleration sensor using a prober (S7).
上述のように、本発明の物理量センサの製造方法によれば、ダイヤフラム30の変形量によって、気密空間R1の圧力を測定できるように圧力センサ3を形成する工程と、この圧力センサ3による検査工程を備えたので、この製造方法によって製造される物理量センサ1は、ヘリウムリーク検査によらずに、気密空間R1の圧力変化を測定して気密空間R1の気密性を短時間で容易かつ確実に検査でき、製造効率が向上する。また、圧力センサ3の歪ゲージの形成とセンサ部2の歪ゲージ形成を同じ工程で同時に行うので、別途形成する場合よりも少ない工数で、低コストの物理量センサの製造が可能となる。 As described above, according to the method of manufacturing a physical quantity sensor of the present invention, the step of forming the pressure sensor 3 so that the pressure of the hermetic space R1 can be measured by the deformation amount of the diaphragm 30, and the inspection step by the pressure sensor 3 Therefore, the physical quantity sensor 1 manufactured by this manufacturing method can easily and reliably inspect the airtightness of the airtight space R1 in a short time by measuring the pressure change in the airtight space R1 without using the helium leak inspection. Manufacturing efficiency is improved. In addition, since the formation of the strain gauge of the pressure sensor 3 and the formation of the strain gauge of the sensor unit 2 are simultaneously performed in the same process, it is possible to manufacture a low-cost physical quantity sensor with fewer man-hours than when separately formed.
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、プローブ検査において、各物理量センサ1がバラバラに個片化された状態でなくウエハレベルの状態で検査を行うようにしてもよい。このようなウエハレベルでのプローブ検査によって、短時間にウエハ上の全ての物理量センサ1について、物理量センサ1の特性評価と共に気密空間R1の気密性の評価を行うことができる。 The present invention is not limited to the above-described configuration, and various modifications can be made. For example, in the probe inspection, each physical quantity sensor 1 may be inspected in a wafer level state instead of being separated into pieces. By such a probe inspection at the wafer level, it is possible to evaluate the airtightness of the airtight space R1 together with the characteristic evaluation of the physical quantity sensor 1 for all the physical quantity sensors 1 on the wafer in a short time.
上述の評価を行う場合、リークのある気密空間R1へのリークのパスが他の気密空間R1を形成する側壁などによって閉鎖されることのないように、予め、各気密空間R1を形成する接合面a,b,cの断面が露出するように、ウエハレベルパッケージの各物理量センサ1の周囲に加工を施す必要がある。この処理により、リークのある気密空間R1を見逃すことなく検査できる。この場合において、ウエハレベル状態の物理量センサ1の全数について行う圧力センサ3の出力の測定を、高圧下と低圧下の2回行い、各物理量センサ1毎に、このような2回の測定結果を比較することにより、気密性の検査を短時間にかつ効率的に行うことができる。 When performing the above-described evaluation, a joint surface that forms each airtight space R1 in advance so that a leak path to the airtight space R1 having a leak is not closed by a side wall or the like that forms another airtight space R1. It is necessary to process the periphery of each physical quantity sensor 1 of the wafer level package so that the cross sections a, b, and c are exposed. By this processing, the inspection can be performed without missing the leaky airtight space R1. In this case, the measurement of the output of the pressure sensor 3 performed for the total number of physical quantity sensors 1 in the wafer level state is performed twice under a high pressure and a low pressure, and such a measurement result is obtained for each physical quantity sensor 1. By comparing, airtightness inspection can be performed in a short time and efficiently.
1 物理量センサ
2 センサ部
3 圧力センサ
30 ダイヤフラム
R1 気密空間
R2 気密室
X1〜X4 歪ゲージ
Y1〜Y4 歪ゲージ
Z1〜Z4 歪ゲージ
P1〜P4 歪ゲージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Physical quantity sensor 2 Sensor part 3 Pressure sensor 30 Diaphragm R1 Airtight space R2 Airtight chamber X1-X4 Strain gauge Y1-Y4 Strain gauge Z1-Z4 Strain gauge P1-P4 Strain gauge
Claims (5)
ダイヤフラムを介して前記気密空間に隣接する気密室と、前記ダイヤフラムの変形量を測定する歪ゲージとを有した圧力センサを備えて、この圧力センサにより前記センサ部の特性の維持に必要な前記気密空間の気密性を検査可能としたことを特徴とする物理量センサ。 A sensor unit that outputs an electrical signal according to a physical quantity to be measured is a physical quantity sensor formed by a semiconductor microfabrication process in an airtight space formed by a wafer level package,
A pressure sensor having an airtight chamber adjacent to the airtight space via a diaphragm and a strain gauge for measuring a deformation amount of the diaphragm, and the airtightness necessary for maintaining the characteristics of the sensor unit by the pressure sensor; A physical quantity sensor characterized in that the airtightness of a space can be inspected.
ダイヤフラムを介して前記気密空間に隣接する気密室と、前記ダイヤフラムの変形量を測定する歪ゲージとを有した圧力センサを形成する工程と、
前記工程によって形成された圧力センサによって前記センサ部の特性の維持に必要な前記気密空間の気密性を計測する検査工程と、を含むことを特徴とする物理量センサの製造方法。 A sensor unit that outputs an electrical signal according to a physical quantity to be measured is a method of manufacturing a physical quantity sensor formed by a semiconductor microfabrication process in an airtight space formed by a wafer level package,
Forming a pressure sensor having a hermetic chamber adjacent to the hermetic space via a diaphragm and a strain gauge for measuring a deformation amount of the diaphragm;
An inspection step of measuring the airtightness of the airtight space necessary for maintaining the characteristics of the sensor unit by the pressure sensor formed by the step.
前記圧力センサの歪ゲージを形成する工程は、前記センサ部の歪ゲージの形成と同時に行われることを特徴とする請求項2に記載の物理量センサの製造方法。 The sensor part is provided with a strain gauge,
The method of manufacturing a physical quantity sensor according to claim 2, wherein the step of forming the strain gauge of the pressure sensor is performed simultaneously with the formation of the strain gauge of the sensor unit.
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JP2009128337A (en) * | 2007-11-28 | 2009-06-11 | Japan Radio Co Ltd | Method and device for waterproof test of in-car electronic toll collection (etc) system for two-wheel vehicle |
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