JP2007263767A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】質量体の変位を規制するために質量体に付設した部材と支持部とを利用し、ストッパを別途に設けることなく低背化したセンサ装置を提供する。
【解決手段】センシング部Ｄｓは、半導体基板により形成された支持部１１および質量体１２を有し、支持部１１と質量体１２とは半導体基板の厚み方向に可撓性を有した撓み部１３により繋がれる。支持部１１には脚部となるバンプ２５によって実装基板２１に実装され、支持部１１の下面と実装基板２１の内底面とはバンプ２５により所定の距離が保たれる。質量体１２の下面には支持部１１と実装基板２１との間に挿入されるストッパ片１５が付設される。ストッパ片１５が支持部１１の下面である係止部に当接する位置と、ストッパ片１５が実装基板２１に当接する位置との間で、質量体１２の変位の範囲が規制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板で形成され半導体基板の厚み方向に変位可能な質量体を有するセンサ装置に関するものである。

この種のセンサ装置には、図１１、図１２に示すように、センシング部として加速度センサを構成したセンサチップ１０１を備える構成がある。加速度センサは、半導体基板に形成され外部回路との接続部を有する支持部１１１と、支持部１１１に対して相対的に可動である質量体１１２と、可撓性を有し支持部１１１と質量体１１２とを繋ぐ撓み部１１３とを備えている。また、質量体１１２に作用する加速度（外力）を電気量に変換する技術としては、質量体１１２の変位に伴って撓み部１１３に生じる応力を検出するピエゾ抵抗からなる歪みゲージを設けて加速度の変化を電気抵抗の変化として検出する構成や、質量体１１２に設けた可動電極と支持部１１１に対して相対的に固定された固定電極とが対向するように配置して加速度の変化を静電容量の変化として検出する構成が知られている。

支持部１１１としては、質量体１１２に並設する構成のほか、質量体１１２の周囲を全周に囲繞する構成が採用されている。また、質量体１１２から一方向に延出した撓み部１１３を用いて質量体１１２を支持部１１１に対して片持ち梁の形式で繋ぐ構造、質量体１１２から一直線上で二方向に延出した撓み部１１３を用いて質量体１１２を囲繞する支持部１１１と質量体１１２とを両持ち梁の形式で繋ぐ構造が主として採用されており、また、質量体１１２から四方に延出した撓み部１１３を用いて質量体１１２を囲繞する支持部１１１と質量体１１２とを４箇所で繋ぐ構造も知られている。支持部１１１と質量体１１２とを４箇所で繋ぐ構造では、平面視（支持部１１１が質量体１１２を囲繞する平面）において４回回転対称となるように撓み部１１３を配置したものが一般的である。

センサチップ１０１と協働する回路部はセンサチップ１０１とは別の回路チップ１０４に集積回路として形成される。センサチップ１０１と回路チップ１０４とは厚み方向に積層され、ボンディンブワイヤ１０８を介して電気的に接続される。また、センサチップ１０１および回路チップ１０４は、電極形成基板１０５とカバー基板１０６とからなるパッケージに収納される。電極形成基板１０５には外部回路と接続するための端子となる電極１５１が形成され、回路チップ１０４と電極１５１とがボンディングワイヤ１０９により電気的に接続される（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の構成では、質量体１１２の下面が実装基板１０５に対向し、質量体１１２の上面が回路チップ１０４に対向しているから、質量体１１２の変位量は実装基板１０５と回路チップ１０４とにより規制される。すなわち、質量体１１２の変位を規制するストッパが実装基板１０５と回路チップ１０４とにより構成されていると言える。また、回路チップ１０４が不要である場合には、回路チップ１０４に代えてガラス基板や半導体基板を用いた別途のストッパが配置される。
特表２００５−１６９５４１号公報

上述したように、この種のセンサ装置では、質量体１１２の変位を規制するために実装基板１０５のほかにストッパが必要になっているから、センサチップ１０１とストッパとを合わせた高さ寸法が大きくなり、低背化が阻害されてるという問題を有している。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、質量体の変位を規制するために質量体に付設した部材と支持部とを利用することで、ストッパを別途に設ける必要をなくし、結果的に低背化することが可能なセンサ装置を提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板により形成され実装基板上に固定されるフレームを形成する支持部と、支持部に対して可動であって前記半導体基板により形成される質量体と、半導体基板の厚み方向における一面側において支持部と質量体とを繋ぎ少なくとも半導体基板の厚み方向に可撓性を有した撓み部と、質量体の変位を電気量に変換する変換部と、支持部の一部に設けた係止部を実装基板に対して所定の距離が保たれた形で支持する脚部と、半導体基板の厚み方向における他面側において質量体に一体に結合されるとともに半導体基板の厚み方向に変位可能となるように係止部と実装基板との間に挿入されるストッパ片とを備え、ストッパ片が係止部に当接する位置で質量体の前記一面側への変位量が規制され、ストッパ片が実装基板に当接する位置で質量体の前記他面側への変位量が規制されることを特徴とする。

この構成によれば、支持部の一部に設けた係止部と実装基板とに当接可能なストッパ片を質量体に付設し、支持部に対する質量体の変位を実装基板と支持部とにより規制するから、質量体の変位を規制するために、ガラス基板や半導体基板などで形成した別途のストッパを設ける必要がなく、ストッパ用の基板を省略できる分だけ低背化が可能になる。また、半導体基板の厚み方向において質量体とストッパ片とを合わせた寸法が従来構成の質量体と同寸法であるとすれば、質量体よりもストッパ片が広幅であることによって質量体に質量を付加したことになる。つまり、従来構成のものと質量体に作用する加速度が等しいとすれば、ストッパ片を設けた構成のほうが撓み部に生じる応力が大きくなるのであって、感度の向上が期待できる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記変換部と協働する集積回路からなる回路部が前記半導体基板に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、変換部と協働する回路部が支持部および質量体を形成している半導体基板に形成されているから、回路部を形成する半導体基板を別途に設ける場合に比較すると、支持部および質量体を形成している半導体基板と回路部を形成した半導体基板とを合わせた占有体積を小さくすることができる。つまり、回路部を形成した半導体基板を別に設ける場合には、支持部および質量体を形成している半導体基板に回路部を形成した半導体基板を積層するか、支持部および質量体を形成している半導体基板に回路部を形成した半導体基板を並べて配置することになるから、嵩高になって低背化が阻害されるか、実装面積が大きくなるという問題が生じるが、請求項２の構成によれば、回路部を備えながらも低背かつ実装面積の小さいセンサ装置を提供することが可能になる。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記脚部の少なくとも一部は前記支持部とは別部品である底上片を支持部に固着して形成され、前記ストッパ片は前記質量体とは別部品を質量体に固着して形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、底上片およびストッパ片を支持部および質量体を形成した半導体基板とは別に形成することができるから、底上片やストッパ片の寸法管理が容易になる。また、底上片やストッパ片を形成するプロセスを支持部および質量体を形成するプロセスとを分離することができるから、所望性能に形成するのが容易になる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記支持部に、前記底上片を固着する面であって前記質量体の一面と同平面となる第１平面と、前記ストッパ片に対向する面であって前記係止部として機能し前記質量体の前記一面よりも撓み部との距離が小さい第２平面とが形成され、前記ストッパ片と前記底上片とは厚み寸法が等しいことを特徴とする。

この構成によれば、支持部に質量体の一面と同平面である第１平面を形成し、第１平面に脚部を固着していることにより、ストッパ片と底上片とに同じ厚み寸法の部材を用いることが可能になり、ストッパ片と底上片とに厚み寸法の異なる部材を用いる場合よりも、部材の管理が容易になる。

請求項５の発明は、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載のセンサ装置を製造する方法であって、前記支持部と前記質量体と前記撓み部と前記変換部とからなるセンシング部を多数個形成した半導体ウェハと、前記底上片となる領域と前記ストッパ片となる領域との一部間に分離用の貫通溝が形成された基板とを固着する工程を有し、当該工程の後に、センシング部を個別に切断分離すると同時に底上片とストッパ片とが切断分離される工程を有することを特徴とする。

この構成によれば、底上片とストッパ片とを１枚の基板に形成するとともに当該基板の一部に分離用の貫通溝を形成しておき、半導体ウェハに基板を固着した後にダイシング工程において切断分離する際に、底上片とストッパ片とを切断分離するから、センシング部を備える半導体ウェハと底上片とストッパ片とを備える基板とを固着する工程は１回の工程になり、底上片とストッパ片とを個別に接合する場合に比較すると工程が少なくなる。しかも、半導体ウェハと基板とを固着した後にダイシングするから、多数個のセンサ装置を製造するにあたって、センシング部を備える個別の半導体基板に底上片およびストッパ片を個別に固着する場合に比較すると、固着の工程が大幅に省力化される。

本発明の構成によれば、支持部の一部に設けた係止部と実装基板とに当接可能なストッパ片を質量体に付設することにより、支持部に対する質量体の変位を実装基板と支持部とにより規制しているから、質量体の変位を規制する手段として、ガラス基板や半導体基板などで形成した別途のストッパを設ける必要がなく、ストッパ用の基板が不要になることから低背化が可能になるという利点を有する。しかも、ストッパ片を質量体に付加していることにより感度が高くなるという利点もある。

以下に説明する実施形態では、ピエゾ抵抗を用いた加速度センサをセンシング部に用いる例を示す。この加速度センサでは、支持部が質量体を囲繞するとともに、質量体から四方に延出させた可撓性を有する撓み部を介して支持部と質量体とを繋いである。各撓み部にはピエゾ抵抗体からなる歪みゲージが設けられており、質量体の変位に伴って撓み部に生じる応力が歪みゲージにより検出され、歪みゲージの抵抗変化を用いて加速度が検出される。また、各質量体から四方に延出している撓み部にそれぞれ歪みゲージが配置されることにより、４本の撓み部を含む平面内で互いに直交する方向の２軸と、これらの２軸に直交する方向の１軸との合計３軸における加速度を個別に検出することが可能になっている。質量体の変位の検出はピエゾ抵抗に限らず、静電容量の変化として検出する構成を採用してもよい。また、撓み部は質量体から四方に延出する構成に限定されない。

（実施形態１）
本実施形態のセンサ装置は、図１に示すように、センシング部を形成した半導体基板からなるセンサチップ１と、センサチップ１を収納したパッケージ２とを備える。パッケージ２は、センサチップ１を収納する収納凹所２３を有する実装基板２１と、収納凹所２３を気密的に封止するように実装基板２１に封着されるカバー体２２とにより構成される。図示例では、実装基板２１に対してセンサチップ１をボンディングワイヤ２４で電気的に接続した例を示している。したがって、実装基板２１には、外部回路と接続するための図示しない端子が設けられる。センサチップ１の外周形状は矩形状（図示例では正方形）に形成される（図２参照）。

図２、図３にセンサチップ１を示す。センサチップ１はＳＯＩウェハを加工することにより形成される。ここで用いるＳＯＩウェハは、図３に示すように、シリコン基板からなる支持基板１０ａを有し、支持基板１０ａの厚み方向の一表面にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜としての絶縁層１０ｂを介してｎ形のシリコン層からなる活性層１０ｃが形成されている。さらに、センサチップ１において、活性層１０ｃの表面にはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる絶縁膜１６が形成される。したがって、活性層１０ｃは絶縁膜１６により表面が覆われる。また、電極形成基板２とカバー基板３とは、それぞれ異なるシリコンウェハを加工することにより形成してある。すなわち、センサチップ１の半導体基板としてＳＯＩウェハを用い、電極形成基板２とカバー基板３との半導体基板としてはシリコンウェハを用いている。

本実施形態における寸法例を例示すると、ＳＯＩウェハにおける支持基板１０ａの厚み寸法は３００〜５００μｍ、絶縁層１０ｂの厚み寸法は０．３〜１．５μｍ、シリコン層１０ｃの厚み寸法は４〜１０μｍとする。また、電極形成基板２を形成するシリコンウェハの厚み寸法は２００〜３００μｍ、カバー基板３を形成するシリコンウェハの厚み寸法は１００〜３００μｍとする。もっとも、これらの数値は限定する趣旨ではなく目安を示す値である。また、ＳＯＩウェハの一表面であるシリコン層１０ｃの表面は（１００）面としてある。

センサチップ１は、図２に示すように、平面視において（厚み方向に直交する方向から見たときに）枠状（本実施形態では矩形枠状）である支持部１１の中央部に質量体１２を備える形状に形成されている。つまり、質量体１２はフレームとなる支持部１１に囲繞されている。また、本実施形態では平面視において支持部１１の中心と質量体１２の中心とはほぼ一致している。支持部１１と質量体１２とは、質量体１２から四方に延出する４本の撓み部１３により繋がれている。

各撓み部１３は、短冊状に形成された可撓性を有している。各撓み部１３は平面視において質量体１２の中心を通り互いに直交する２本の直線の上に配置される。つまり、各２本の撓み部１３がそれぞれ互いに直交する各直線上に配置される。この構成により、質量体１２は支持部１１に対して変位可能になる。図３に示すように、支持部１１はＳＯＩウェハの支持基板１０ａと絶縁層１０ｂと活性層１０ｃとの全体を用い、撓み部１３はＳＯＩウェハにおける支持基板１０ａと絶縁層１０ｂとを除去し活性層１０ｃのみを用いる。したがって、撓み部１３は支持部１１および質量体１２に比較して十分に薄肉に形成されており、主として厚み方向（図３の上下方向）に可撓性を有している。

質量体１２は、４本の撓み部１３を介して支持部１１に結合されているコア部１２ａと、コア部１２ａに連続一体に連結された４個のリーフ部１２ｂとを備える。平面視においては、質量体１２は、５個の正方形のうちの１個の正方形を中心として他の正方形を周囲に４回回転対称となるように配列し、中心の正方形の各角部に他の各正方形の１つの角部をそれぞれ重複させた形状に形成される。本実施形態では、中心に配置した正方形に対応する部分がコア部１２ａに相当し、他の正方形のうちコア部１２ａと重複する部位を除いた部分がリーフ部１２ｂに相当する。言い換えると、コア部１２ａは平面視において正方形状であり、リーフ部１２ｂは正方形の一つの角部が切欠された形状になる。撓み部１３は、コア部１２ａの各辺の中央部に一体に連続し、各撓み部１３の幅方向（平面視において撓み部１３の延長方向とは直交する方向）の両側にリーフ部１２ｂが配置される。

各リーフ部１２ｂは、平面視において互いに直交する２本の撓み部１３と支持部１１とに囲まれる空間に配置されており、各リーフ部１２ｂと支持部１１との間にはそれぞれセンサチップ１の厚み方向に貫通するスリット１４が形成される。また、撓み部１３と各リーフ部１２ｂとは離間しており、撓み部１３を挟んで配置された各一対のリーフ部１２ｂの間隔は、各撓み部１３の幅寸法よりも大きくなっている。質量体１２においてコア部１２ａはＳＯＩウェハの支持基板１０ａと絶縁層１０ｂと活性層１０ｃとの全体を用い、リーフ部１２ｂは絶縁層１０ｂと活性層１０ｃとを除去して支持基板１０ａのみを用いる。

なお、センサチップ１における支持部１１と質量体１２と撓み部１３とは、半導体装置の製造技術として知られているリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成することができる。

ところで、図示例は３軸の加速度センサであるから、加速度を検出する方向を定義しておく。センサチップ１の厚み方向に直交する方向をｚ軸方向とし、支持基板１０ａから活性層１０ｃに向かう向きを正の向きとする。また、活性層１０ｃの表面をｘｙ平面とし、ｘｙ平面において質量体１２の中心位置を原点とする。ｘ軸方向およびｙ軸方向は、それぞれコア部１２ａから撓み部１３が延出されている方向とし、右手系で正の向きを定義する。たとえば図３の右向きをｘ軸方向の正の向き、上向きをｙ軸方向の正の向きとする。したがって、質量体１２は、コア部１２ａを挟んで配置されたｘ軸方向の２本の撓み部１３と、コア部１２ａを挟んで配置されたｙ軸方向の２本の撓み部１３とにより支持部１１に繋がれていることになる。

質量体１２のコア部１２ａからｘ軸方向の正向き（図２においてコア部１２ａから右向き）に延出する撓み部１３には、コア部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ２が形成される。同様にして、コア部１２ａからｘ軸方向の負向き（図２においてコア部１２ａから左向き）に延出する撓み部１３には、コア部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ３が形成される。

質量体１２のコア部１２ａからｙ軸方向の正向き（図２においてコア部１２ａから上向き）に延長された撓み部１３には、コア部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ３が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ１が形成される。同様にして、コア部１２ａからｙ軸方向の負向き（図２においてコア部１２ａから下向き）に延長された撓み部１３には、コア部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｙ２，Ｒｙ４が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ４が形成される。

ｘ軸方向に延長された２本の撓み部１３において、コア部１２ａ側の一端部に形成された４個のピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、ｘ軸方向の加速度を検出するために形成され、ｘ軸方向の加速度が質量体１２に作用したときに撓み部１３に生じる応力が集中する領域に形成されている。ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、平面視においてｘ軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。これらのピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、図４における左端のブリッジ回路Ｂｘを構成するように接続される。

また、ｙ軸方向に延長された２本の撓み部１３において、コア部１２ａ側の一端部に形成された４個のピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、ｙ軸方向の加速度を検出するために形成され、ｙ軸方向の加速度が質量体１２に作用したときに撓み部１３に生じる応力が集中する領域に形成されている。ピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、平面視においてｙ軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。これらのピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、図４における中央のブリッジ回路Ｂｙを構成するように接続される。

４本の撓み部１３において、それぞれ支持部１１側の一端部に形成された４個のピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、ｚ軸方向の加速度を検出するために形成されている。ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、いずれもｙ軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。すなわち、ｙ軸方向に延長された２本の撓み部１３に形成されたピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ４の長手方向は撓み部１３の延長方向に一致し、ｘ軸方向に延長された２本の撓み部１３に形成されたピエゾ抵抗Ｒｚ２，Ｒｚ３の長手方向は撓み部１３の延長方向に直交する。これらのピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、図４における右端のブリッジ回路Ｂｚを構成するように接続されている。

上述した各ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４の接続には、センサチップ１に形成されている拡散層配線や金属配線を用いる。

図４に示した回路構成では、３個のブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚに電圧を印加する入力端子Ｔ１，Ｔ２を共通に接続し、各ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚには個別の出力端子Ｘ１，Ｘ２、Ｙ１，Ｙ２、Ｚ１，Ｚ２を設けている。本実施形態では、入力端子Ｔ１，Ｔ２に印加する電圧は直流電圧であって、入力端子Ｔ１に電圧ＶＤＤを印加し、入力端子Ｔ２を回路グランドＧＮＤに接続する。したがって、質量体１２の変位に伴って撓み部１３に生じる応力が、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４により電気量（抵抗値）に変換され、さらに、ブリッジＢｘ，Ｂｙ，Ｂｚにより電気量（電圧）に変換されて出力されるのである。言い換えると、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４によって、撓み部１３に生じる応力を電気量に変換する変換部が構成される。

以下にセンサチップ１の動作例を説明する。いま、センサチップ１に加速度が作用していない状態からセンサチップ１に対してｘ軸方向の正向きに加速度が作用したとすると、ｘ軸方向の負向きに作用する質量体１２の慣性力によって支持部１１に対して質量体１２が変位し、コア部１２ａからｘ軸方向に延長された２本の撓み部１３が撓んで当該撓み部１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４の抵抗値が変化する。このとき、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３は引張応力を受け、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４は圧縮応力を受ける。一般に、ピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値（抵抗率）が増加し、圧縮応力を受けると抵抗値（抵抗率）が減少する。したがって、ｘ軸方向の正向きに加速度が作用したときには、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３の抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４の抵抗値が減少する。この動作によって、図４の左端のブリッジ回路Ｂｘの出力端子Ｘ１，Ｘ２間の電位差がｘ軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。

同様にして、ｙ軸方向の加速度が作用すれば図４の中央のブリッジ回路Ｂｙの出力端子Ｙ１，Ｙ２間の電位差がｙ軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、ｚ軸方向の加速度が作用すれば図４の右端のブリッジ回路Ｂｚの出力端子Ｚ１，Ｚ２間の電位差がｚ軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。

したがって、各ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力電圧の変化をそれぞれ検出することにより、センサチップ１に作用したｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれの加速度を検出することができる。本実施形態では、質量体１２と４本の撓み部１３とピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４とによりセンシング部が構成される。

センサチップ１の一表面（図１の下面）には、電極１９が形成される。電極１９はセンサチップ１に形成された金属配線の一部であり、センサチップ１を外部回路と接続するための接続部として機能する。なお、拡散層配線の図示は省略してある。電極１９を含む金属配線は活性層１０ｃの表面を覆う絶縁膜１６の上に形成される。

センサチップ１において、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４および拡散層配線は、活性層１０ｃにおけるそれぞれの形成部位に適宜濃度のｐ形不純物をドーピングすることにより形成される。また、電極１９を除いた金属配線は、絶縁膜１６上にスパッタ法や蒸着法などにより成膜した金属膜（たとえば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより形成されており、金属配線は絶縁膜１６に設けたコンタクトホールを通して拡散層配線と電気的に接続されている。

電極１９は、接合用のＡｕ膜を表面に備え、Ａｕ膜と絶縁膜１６との間には密着性改善用のＴｉ膜を介在させてある。つまり、電極１９は、絶縁膜１６上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により形成されている。

なお、電極１９は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあり、電極１９を除く金属配線の膜厚は１μｍに設定してある。ただし、これらの数値は一例であって限定する趣旨ではない。

ところで、質量体１２に作用する加速度の大きさに応じて質量体１２が変位するから、衝撃力などが作用すると質量体１２が大きく変位して撓み部１３が破損することになる。したがって、質量体１２の変位量を規制する手段を設ける必要がある。本実施形態では、質量体１２の変位量を規制する手段として、質量体１２にストッパ片１５を一体に結合してある。以下では、図１における上下の関係を用いて説明する。ストッパ片１５は、支持部１１の下面の一部に重複するようにセンサチップ１の下面に沿って質量体１２から張り出した形に形成されている。つまり、撓み部１３はセンサチップ１を形成している半導体基板の一面側において支持部１１と質量体１２とを繋いでおり、半導体基板の他面側において質量体１２にストッパ片１５が結合される。

センサチップ１は、実装基板２１における収納凹所２３の内底面に形成したバンプ２５を用いて、支持部１１においてストッパ片１５と重複しない部位を実装基板２１に固定してある。バンプ２５の高さ寸法は、支持部１１の下面と実装基板２１の内底面との間にストッパ片１５を挿入可能であり、かつストッパ片１５が支持部１１と実装基板２１との間で変位可能となるように設定されている。言い換えると、質量体１２の下部は支持部１１よりも下方に突出しており、質量体１２において支持部１１の下部に突出している部位に支持部１１の下面から離間した形でストッパ片１５が突設され、かつ支持部１１とストッパ片１５との距離と同程度の距離が支持基板２１の内底面との間に確保できるようにバンプ２５の高さ寸法が設定される。したがって、バンプ２５は実装基板２１に対する支持部１１の距離を保つための脚部として機能する。

上述した構成によって、ストッパ片１５はセンサチップ１の支持部１１の下面の一部と実装基板２１の内底面とに当接可能になり、質量体１２の変位量が支持部１１の下面と実装基板２１とにより規制されることになる。つまり、支持部１１の下面の一部がストッパ片１５の移動を規制する係止部として機能する。この構成では、センサチップ１が実装基板２１に実装されていれば、質量体１２の変位量が規制されるから、質量体１２の上方への変位量を規制するためにガラス基板や半導体基板を用いて別途にストッパを設ける必要がない。したがって、センサチップ１に別部材であるストッパを積層する場合に比較すると低背化が可能になる。しかも、半導体基板の厚み方向において従来のセンサチップ１と同じ厚み寸法を有しているものとすれば、ストッパ片１５を付加した分だけ質量体１２の実質的な質量が増加したことになり、ストッパ片１５を付加していない場合よりも質量体１２に作用する力が大きくなり、結果的に感度が向上する。

本実施形態は３軸の加速度センサであるから、センシング部と協働する回路部が必要である。回路部としては、ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの入力端子Ｔ１，Ｔ２に電圧を印加する電源回路、ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力端子Ｘ１，Ｘ２、Ｙ２，Ｙ２、Ｚ１，Ｚ２に接続されブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力電圧を増幅する増幅回路などが必要である。回路部は、センサチップ１を形成している半導体基板において、センシング部の周囲にセンシング部を囲繞する形で形成するのが望ましい。すなわち、回路部は支持部１１の一表面（図１の上面）に集積回路として形成するのが望ましい。

（実施形態２）
実施形態１では、質量体１２とストッパ片１５とを連続一体に形成しているから、支持部１１の下面の一部である係止部とストッパ片１５との一部が重複しており、製造プロセスがやや複雑になる。そこで、本実施形態では、図５に示すように、質量体１２とストッパ片１５とを別部材により形成した後に固着（貼着）する方法を採用している。また、ストッパ片１５とともに脚部の一部となる底上片２６を形成してある。ストッパ片１５と底上片２６とは１枚の基板（半導体基板、合成樹脂基板、ガラス基板など）を用いて形成され、同じ厚み寸法になっている。ストッパ片１５と底上片２６との厚み寸法を等しくするために、支持部１１の下面には質量体１２の下面と同平面である第１平面Ｐ１と、質量体１２の下面に対して上方（撓み部１３に近い側）に位置する第２平面Ｐ２とを設けている。したがって、図５に示す例では、支持部１１のうち第２平面Ｐ２と第１平面Ｐ１との間の部位が、底上片２６およびバンプ２５とともに脚部として機能する。また、後述する動作から明らかなように第２平面Ｐ２が係止部として機能する。

図示例では、質量体１２を囲む矩形枠状の支持部１１の各辺の外周側に第１平面Ｐ１を形成し内周側に第２平面Ｐ２を形成している。したがって、支持部１１の下面は内周側が外周側よりも上方に位置する階段状に形成される。ストッパ片１５は質量体１２の下面に固着（接合または接着）され、ストッパ片１５の周部が第２平面Ｐ２に対向する。したがって、質量体１２が上方に移動する際には、ストッパ片１５が第２平面Ｐ２に当接する位置で質量体１２の変位量が制限される。

センサチップ１を実装基板２１に実装するにあたってはバンプ２５を用いる。ただし、実施形態１では半導体基板の厚み方向おいて質量体１２が変位する範囲に相当する高さ寸法のバンプ２５を必要としていたのに対して、本実施形態の構成では、質量体１２が実装基板２１に向かって変位する際の変位を許容する高さ寸法のバンプ２５を用いればよい。つまり、バンプ２５の高さ寸法は、質量体１２が実装基板２１に向かって移動する際の許容された最大距離になる。

本実施形態では、図６（ａ）に示すように、ストッパ片１５および底上片２６をセンサチップ１とは別の基板を用いて形成し、図６（ｂ）のようにストッパ片１５を質量体１２に固着し、支持部１１において切欠１７を除く部位に底上片２６を固着している。この構成により、実施形態１と同様に質量体１２の上方向への変位量を規制することが可能になる。

ところで、センサチップ１の支持部１１において第１平面Ｐ１および第２平面Ｐ２を設ける位置は上述した例に限らず、以下に説明するように設けることができる。

図７、図８に示す構成例は、多数個のセンシング部Ｄｓを形成した半導体ウェハ（ここでは、シリコンウェハを想定する）を用いて製造するのに適した構成であって、支持部１１のうち対向する２辺の下面を質量体１２の下面と同平面の第１平面Ｐ１とし、支持部１１の残りの２辺の下面を質量体１２の下面よりも上方に位置させて第２平面としている。

この構成では、支持部１１の２辺にストッパ片１５の一部が対向する。センシング部Ｄｓを設ける半導体ウェハ４０は、上述したように、支持部１１の４辺のうち対向する２辺の下面を質量体１２の下面と同平面である第１平面Ｐ１とし、残りの２辺の下面を質量体１２の下面よりも上方に位置する第２平面Ｐ２としている。第１平面Ｐ１は底上片２６が固着され、実装基板２１に対して実装するために用いられ、第２平面Ｐ２はストッパ片１５が当接可能であって質量体１２の変位量を制限するために用いられる。

ストッパ片１５および底上片２６は、センシング部Ｄｓを形成する半導体ウェハ４０とは異なる基板５０を用いて形成される。基板５０には、半導体ウェハ４０よりも厚み寸法の小さいものを用いる。基板５０には、支持部１１と質量体１２との間のスリット１４に相当する幅を有し半導体ウェハ５０の表裏に貫通する分離用の貫通溝５１が形成される。

貫通溝５１は、半導体ウェハ４０に配列され一直線上に並ぶセンシング部Ｄｓのスリット１４に対応する武威に形成されている。つまり、一直線上に並ぶ複数個のセンシング部Ｄｓに対して２本の貫通溝５１が形成されている。貫通溝５１は、各センシング部Ｄｓのスリット１４を結ぶように形成され、第１平面Ｐ１の端縁に沿って形成される。言い換えると、センシング部Ｄｓにおける２個の第１平面Ｐ１に挟まれる領域において、第１平面Ｐ１の端縁に沿って貫通溝５１が形成される。

１つのセンシング部Ｄｓに対応する２本の貫通溝５１の間の領域はストッパ片１５になる領域であり、貫通溝５１の間ではない領域は底上片２６になる領域である。言い換えると、基板５０では、ストッパ片１５となる領域と底上片２６となる領域とが連続一体に形成されているが、両領域の一部間に貫通溝５１が形成されているのである。

上述のように支持部１１の２辺に第１平面Ｐ１を形成し、他の２辺に第２平面Ｐ２を形成し、第１平面Ｐ１を形成した２辺の間に第１平面Ｐ１の端縁に沿ってスリット１４の幅の貫通溝５１を有する基板５０を固着しているから、半導体ウェハ４０に基板５０を固着した後に、ダイシング工程において、貫通溝５１に直交する方向に並ぶセンシング部Ｄｓを切断分離し、かつ貫通溝５１の長手方向に並ぶセンシング部Ｄｓを切断分離すると、ストッパ片１５と底上片２６とが分離されることになる。切断分離により除去される領域は、図７に斜線部Ｒで示している。

基板５０は質量体１２および支持部１１の第１平面Ｐ１に固着されているから、斜線部Ｒを除去して各センサチップ１を切り離すと、図７におけるストッパ片１５の上下両端部であって第２平面Ｐ２とは離間している部位が移動可能になり、底上片２６は支持部１１の左右各辺に形成された第１平面Ｐ１に固着される。要するに、多数個のセンシング部Ｄｓを形成した半導体ウェハ４０と、多数本の貫通溝５１を形成した基板５０とを接合し、ダイシング工程において各センサチップ１を分離すれば、ストッパ片１５および底上片２６を備えたセンサチップ１を形成することができる。

図７、図８に示した構成例は、支持部１１の２辺にストッパ片１５が当接する第２平面Ｐ２を形成しているが、支持部１１の４辺に第２平面Ｐ２を形成することも可能である。すなわち、図９、図１０に示すように、支持部１１の四隅でのみ下面を質量体１２の下面と同平面とした第１平面Ｐ１とし、支持部１１の下面の残りの部位を質量体１２の下面より上方に位置する第２平面Ｐ２としている。

したがって、基板５０には第１平面Ｐ１の端縁における第２平面Ｐ２との境界部分においてＬ字状の貫通溝５１を形成している。第２平面Ｐ２は各センシング部Ｄｓについて４箇所形成されるから、貫通溝５１も各センシング部Ｄｓについて４箇所形成される。この構成では、多数個のセンシング部Ｄｓを配列した半導体ウェハ４０に、ストッパ片１５および底上片２６となる領域を多数形成した基板５０を固着した後、貫通溝５１の端縁を通るように各センシング部Ｄｓを分離切断すると（図９に斜線部Ｒで示す領域を除去する）、センサチップ１が個別に分離される。

分離されたセンサチップ１では、支持部１１の四隅に形成された第１平面Ｐ１には底上片２６が固着されており、支持部１１の各辺に形成された第２平面Ｐ２にはストッパ片１５の周部が対向することになる。

上述したように、各センサチップ１においてセンシング部Ｄｓにストッパ片１５および底上片２６を個別に固着するのではなく、半導体ウェハ４０に基板５０を固着した後に、ダイシング工程により切断分離することで各センサチップ１を形成するから、センサチップ１の製造プロセスにおいて全体として工数が削減されることになる。

なお、上述した構成例では、センサチップ１の形成にＳＯＩウェハを用いているが、この構成は必須ではなく、ＳＯＩウェハに代えて、たとえばシリコンウェハを採用してもよい。

実施形態１を示す縦断面図である。 同上に用いるセンサチップの平面図である。 図２におけるＡ−Ａ′線断面の縦断面図である。 同上の回路図である。 実施形態２を示す縦断面図である。 同上の製造手順を示す工程図である。 同上の他の構成例の中間工程における平面図である。 図７の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ′線断面図、（ｃ）は（ａ）図のＢ−Ｂ′線断面図である。 同上の別構成例の中間工程における平面図である。 図９の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ′線断面図、（ｃ）は（ａ）図のＢ−Ｂ′線断面図である。 従来構成を断面図である。 同上の分解斜視図である。

符号の説明

１１ 支持部
１２ 質量体
１３ 撓み部
１５ ストッパ片
２１ 実装基板
２５ バンプ（脚部）
２６ 底上片（脚部）
４０ 半導体ウェハ
５０ 基板
５１ 貫通溝
Ｄｃ 回路部
Ｐ１ 第１平面
Ｐ２ 第２平面
Ｒｘ１〜Ｒｘ４ ピエゾ抵抗（変換部）
Ｒｙ１〜Ｒｙ４ ピエゾ抵抗（変換部）
Ｒｚ１〜Ｒｚ４ ピエゾ抵抗（変換部）

Claims (5)

1. 半導体基板により形成され実装基板上に固定されるフレームを形成する支持部と、支持部に対して可動であって前記半導体基板により形成される質量体と、半導体基板の厚み方向における一面側において支持部と質量体とを繋ぎ少なくとも半導体基板の厚み方向に可撓性を有した撓み部と、質量体の変位を電気量に変換する変換部と、支持部の一部に設けた係止部を実装基板に対して所定の距離が保たれた形で支持する脚部と、半導体基板の厚み方向における他面側において質量体に一体に結合されるとともに半導体基板の厚み方向に変位可能となるように係止部と実装基板との間に挿入されるストッパ片とを備え、ストッパ片が係止部に当接する位置で質量体の前記一面側への変位量が規制され、ストッパ片が実装基板に当接する位置で質量体の前記他面側への変位量が規制されることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記変換部と協働する集積回路からなる回路部が前記半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記脚部の少なくとも一部は前記支持部とは別部品である底上片を支持部に固着して形成され、前記ストッパ片は前記質量体とは別部品を質量体に固着して形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセンサ装置。
4. 前記支持部には、前記底上片を固着する面であって前記質量体の一面と同平面となる第１平面と、前記ストッパ片に対向する面であって前記係止部として機能し前記質量体の前記一面よりも撓み部との距離が小さい第２平面とが形成され、前記ストッパ片と前記底上片とは厚み寸法が等しいことを特徴とする請求項３記載のセンサ装置。
5. 請求項３または請求項４のいずれか１項に記載のセンサ装置を製造する方法であって、前記支持部と前記質量体と前記撓み部と前記変換部とからなるセンシング部を多数個形成した半導体ウェハと、前記底上片となる領域と前記ストッパ片となる領域との一部間に分離用の貫通溝が形成された基板とを固着する工程を有し、当該工程の後に、センシング部を個別に切断分離すると同時に底上片とストッパ片とが切断分離される工程を有することを特徴とするセンサ装置の製造方法。

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