JP2008244174A - センサ素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】センサ基板の残留応力が少なくて所望のセンサ特性を有するセンサ素子の製造歩留まりを高めることができるセンサ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】センサ基板1と各パッケージ用基板2,3との互いの接合面それぞれを清浄・活性化する活性化工程と、活性化工程の後でセンサ基板1と各パッケージ用基板2,3とを互いの接合面を突き合せて接合する接合工程とを備え、接合工程では、センサ基板1と第2のパッケージ用基板3とをSi−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合により接合し、その後、センサ基板1の第1の電気接続用金属層19と第1のパッケージ用基板2の第2の電気接続用金属層29とを常温接合するとともに、センサ基板1と第1のパッケージ用基板2との封止用金属層18,28同士を常温接合する。
【選択図】図1
【解決手段】センサ基板1と各パッケージ用基板2,3との互いの接合面それぞれを清浄・活性化する活性化工程と、活性化工程の後でセンサ基板1と各パッケージ用基板2,3とを互いの接合面を突き合せて接合する接合工程とを備え、接合工程では、センサ基板1と第2のパッケージ用基板3とをSi−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合により接合し、その後、センサ基板1の第1の電気接続用金属層19と第1のパッケージ用基板2の第2の電気接続用金属層29とを常温接合するとともに、センサ基板1と第1のパッケージ用基板2との封止用金属層18,28同士を常温接合する。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば、加速度センサなどのセンサ素子の製造方法に関するものである。
従来から、バルクマイクロマシニング技術を利用して形成したセンサ素子としてMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)が知られており、近年、バルクマイクロマシニング技術およびウェハレベルパッケージング技術を利用して形成したセンサ素子が研究開発されている。
ここにおいて、MEMSとしては、加速度センサやジャイロセンサなどが広く知られており、加速度センサとしては、加速度が印加されたときのピエゾ抵抗からなるゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化により加速度を検出するピエゾ抵抗形の加速度センサや、加速度が印加されたときの固定電極と可動電極との間の静電容量の変化により加速度を検出する容量形の加速度センサなどが知られている。
ピエゾ抵抗形の加速度センサとしては、矩形枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が一方向へ延長された撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持された片持ち式のものや、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が相反する2方向へ延長された一対の撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持された両持ち式のものなどが提案されており、近年では、枠状のフレーム部の内側に配置される重り部が四方へ延長された4つの撓み部を介してフレーム部に揺動自在に支持され、互いに直交する3方向それぞれの加速度を各別に検出可能なものも提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。
なお、上述のピエゾ抵抗形の加速度センサでは、重り部および撓み部が可動部を構成し、ピエゾ抵抗がセンシング部を構成している。また、容量形の加速度センサ(例えば、特許文献3参照)やジャイロセンサ(例えば、特許文献4参照)では、可動電極を設けた重り部や可動電極を兼ねる重り部などが可動部を構成しており、固定電極と可動電極とによりセンシング部を構成している。
ところで、上述のMEMSは、シリコンウェハやSOIウェハなどを用いてフレーム部および可動部を有するセンサ基板を形成することが多いので、センサ基板と同じサイズのパッケージ用基板をセンサ基板に接合することでセンサ素子を構成する場合、シリコンウェハを用いてパッケージ用基板を形成するとともに、シリコンウェハ同士を接合する常温接合法(例えば、特許文献5,6参照)を利用してパッケージ用基板とセンサ基板とを接合することが考えられる。
ここにおいて、上記特許文献5には、例えば、図21に示すように、チャンバCH’内で2つのウェハ保持部材205a,205bそれぞれに保持された2枚のシリコンウェハWa,Wbそれぞれの接合面に真空中において互いに異なるビーム照射装置211a,211bから不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高速原子ビームを照射した後、上側のウェハ保持部材205aを押し下げるプッシュロッド207を駆動して両シリコンウェハWa,Wbの接合面同士を重ね合わせることで両シリコンウェハWa,Wbを接合する技術が開示されている。なお、上記特許文献6には、半導体素子が形成された半導体基板同士を常温接合するにあたって、両半導体基板の互いの対向面に金属層を形成しておき金属層同士を常温接合することが記載されている。
特開2004−109114号公報
特開2004−233072号公報
特開2004−028912号公報
特開2005−292117号公報
特許第2791429号公報
特許第3532788号公報
上述のセンサ素子の製造にあたって、上記特許文献5,6に開示された常温接合技術を適用することにより、センサ基板の残留応力の低減が期待される。しかしながら、バルクマイクロマシンニング技術を利用して形成された3次元構造体にセンシング部が設けられたセンサ基板の一部と、センサ基板の厚み方向の両面それぞれに接合する2枚のパッケージ用基板とで構成される気密パッケージを有するセンサ素子の製造にあたって、センサ基板と各パッケージ用基板との互いの接合面を突き合わせて接合する接合工程において、上述のように金属層同士を常温接合する常温接合技術を適用した場合、3次元構造体にセンシング部が設けられたセンサ基板とパッケージ用基板との互いの金属層の表面同士を付き合わせて所定の荷重を印加した時に、センサ基板の3次元構造体の構造に起因して荷重を効率良く作用させることができず、接合歩留まりや接合信頼性が低かった。
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、センサ基板の残留応力が少なくて所望のセンサ特性を有するセンサ素子の製造歩留まりを高めることができるセンサ素子の製造方法を提供することにある。
請求項1の発明は、バルクマイクロマシニング技術を利用して形成された3次元構造体にセンシング部が設けられたセンサ基板の一部と、センサ基板のセンシング部に電気的に接続される貫通孔配線を有しセンサ基板の一表面側に接合された第1のパッケージ用基板と、センサ基板の他表面側に接合された第2のパッケージ用基板とで構成される気密パッケージを有するセンサ素子の製造方法であって、真空中においてセンサ基板と各パッケージ用基板との互いの接合面それぞれを清浄・活性化する活性化工程と、活性化工程の後でセンサ基板と各パッケージ用基板とを互いの接合面を突き合せて接合する接合工程とを備え、接合工程では、センサ基板と第2のパッケージ用基板とをSi−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合により接合し、その後、センサ基板の前記一表面側においてセンシング部に電気的に接続された第1の電気接続用金属層と第1のパッケージ用基板におけるセンサ基板との対向面側において貫通孔配線に電気的に接続された第2の電気接続用金属層とを常温接合するとともに、センサ基板と第1のパッケージ用基板との互いの対向面側に形成されている封止用金属層同士を常温接合することを特徴とする。
この発明によれば、接合工程では、センサ基板と第2のパッケージ用基板とをSi−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合により接合し、その後、センサ基板の前記一表面側においてセンシング部に電気的に接続された第1の電気接続用金属層と第1のパッケージ用基板におけるセンサ基板との対向面側において貫通孔配線に電気的に接続された第2の電気接続用金属層とを常温接合するとともに、センサ基板と第1のパッケージ用基板との互いの対向面側に形成されている封止用金属層同士を常温接合するので、センサ基板と第2のパッケージ用基板との常温接合を金属−金属の常温接合により行う場合に比べて、センサ基板と第2のパッケージ用基板とを低荷重で安定して接合することができ、また、Si−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合に比べて大きな荷重を必要とする金属−金属の常温接合となる封止用金属層同士および電気接続用金属層同士の常温接合を、Si−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合よりも先に行う場合(つまり、センサ基板と第1のパッケージ用基板との封止用金属層同士および電気接続用金属層同士の常温接合を、センサ基板と第2のパッケージ用基板との常温接合よりも先に行う場合)に比べて、センサ基板と第1のパッケージ用基板との封止用金属層同士および電気接続用金属層同士を常温接合する際に、2枚のパッケージ用基板(第1のパッケージ用基板および第2のパッケージ用基板)を必要とするセンサ基板が既に第2のパッケージ用基板に支持されていることにより、接合時の荷重を効率良く作用させることができ、封止用金属層同士および電気接続用金属層同士の接合歩留まりや接合信頼性を高めることができるとともに、センサ基板に発生する応力を低減することができるから、センサ基板の残留応力が少なくて所望のセンサ特性を有するセンサ素子の製造歩留まりを高めることができ、特に、ウェハレベルで接合する場合にセンサ基板を形成しているウェハが反るのを抑制することができ、接合歩留まりを高めることができる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記センサ基板の形成にあたっては、前記第2のパッケージ用基板との接合予定領域の投影領域内に前記第1の封止用金属層および前記第1の電気接続用金属層を形成することを特徴とする請求項1記載のセンサ素子の製造方法。
この発明によれば、前記センサ基板と前記第1のパッケージ用基板との接合時の荷重をより効率良く作用させることができる。
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記センサ基板における前記3次元構造体が、前記センサ基板の厚み方向に変位可能であって前記センシング部が設けられた可動部を有し、前記第2のパッケージ用基板が、センサ基板側の表面に、前記可動部の変位空間を確保する凹部が形成されたものであり、前記第2のパッケージ用基板の形成にあたっては、前記センサ基板との接合予定領域を除いた領域内に前記凹部を形成することを特徴とする。
この発明によれば、前記センサ基板と前記第2のパッケージ用基板との接合時の荷重をより効率良く作用させることができる。
請求項1の発明では、センサ基板の残留応力が少なくて所望のセンサ特性を有するセンサ素子の製造歩留まりを高めることができるという効果がある。
(実施形態1)
以下、本実施形態のセンサ素子について図2〜図12を参照しながら説明した後、特徴となる製造方法について図1を参照しながら説明する。
以下、本実施形態のセンサ素子について図2〜図12を参照しながら説明した後、特徴となる製造方法について図1を参照しながら説明する。
本実施形態のセンサ素子は、加速度センサであり、図2(c)および図3に示すように後述のセンシング部が形成されたセンサ基板1と、センサ基板1のセンシング部に電気的に接続される貫通孔配線24を有しセンサ基板1の一表面側(図2(c)の上面側)に接合された貫通孔配線形成基板(第1のパッケージ用基板)2と、センサ基板1の他表面側(図2(c)の下面側)に接合されたカバー基板(第2のパッケージ用基板)3とを備えている。ここにおいて、センサ基板1および貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3の外周形状は矩形状であり、貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3はセンサ基板1と同じ外形寸法に形成されている。なお、図2(c)は図3のA−A’断面に相当する図である。
上述のセンサ基板1は、シリコン基板からなる支持基板10a上のシリコン酸化膜からなる絶縁層(埋込酸化膜)10b上にn形のシリコン層(活性層)10cを有するSOIウェハを、バルクマイクロマシニング技術などを利用して加工することにより形成してあり、貫通孔配線形成基板2は、第1のシリコンウェハを加工することにより形成し、カバー基板3は、第2のシリコンウェハを加工することにより形成してある。なお、本実施形態では、SOIウェハにおける支持基板10aの厚さを300μm〜500μm程度、絶縁層10bの厚さを0.3μm〜1.5μm程度、シリコン層10cの厚さを4μm〜10μm程度とし、また、第1のシリコンウェハの厚さを200μm〜300μm程度、第2のシリコンウェハの厚さを100〜300μm程度としてあるが、これらの数値は特に限定するものではない。また、SOIウェハの主表面であるシリコン層10cの表面は(100)面としてある。
センサ基板1は、図5〜図7に示すように、枠状(本実施形態では、矩形枠状)のフレーム部11を備え、フレーム部11の内側に配置される重り部12が一表面側(図2(c)および図5(b)の上面側)において可撓性を有する4つの短冊状の撓み部13を介してフレーム部11に揺動自在に支持されている。要するに、センサ基板1は、枠状のフレーム部11の内側に配置される重り部12が重り部12から四方へ延長された4つの撓み部13を介してフレーム部11に揺動自在に支持された3次元構造体に上述のセンシング部が設けられており、センサ基板1の一部と貫通孔配線形成基板2とカバー基板3とで気密パッケージが構成されている。ここで、フレーム部11は、上述のSOIウェハの支持基板10a、絶縁層10b、シリコン層10cそれぞれを利用して形成してある。これに対して、撓み部13は、上述のSOIウェハにおけるシリコン層10cを利用して形成してあり、フレーム部11よりも十分に薄肉となっている。
重り部12は、上述の4つの撓み部13を介してフレーム部11に支持された直方体状のコア部12aと、センサ基板1の上記一表面側から見てコア部12aの四隅それぞれに連続一体に連結された直方体状の4つの付随部12bとを有している。言い換えれば、重り部12は、フレーム部11の内側面に一端部が連結された各撓み部13の他端部が外側面に連結されたコア部12aと、コア部12aと一体に形成されコア部12aとフレーム部11との間の空間に配置される4つの付随部12bとを有している。つまり、各付随部12bは、センサ基板1の上記一表面側から見て、フレーム部11とコア部12aと互いに直交する方向に延長された2つの撓み部13,13とで囲まれる空間に配置されており、各付随部12bそれぞれとフレーム部11との間にはスリット14が形成され、撓み部13を挟んで隣り合う付随部12b間の間隔が撓み部13の幅寸法よりも長くなっている。ここにおいて、コア部12aは、上述のSOIウェハの支持基板10a、絶縁層10b、シリコン層10cそれぞれを利用して形成し、各付随部12bは、SOIウェハの支持基板10aを利用して形成してある。しかして、センサ基板1の上記一表面側において各付随部12bの表面は、コア部12aの表面を含む平面からセンサ基板1の上記他表面側(図2(c)および図5(b)の下面側)へ離間して位置している。なお、センサ基板1の上述のフレーム部11、重り部12、各撓み部13は、バルクマイクロマシニング技術を利用して形成されている。
ところで、図5(a),(b)それぞれの右下に示したように、センサ基板1の上記一表面に平行な面内でフレーム部11の一辺に沿った一方向をx軸の正方向、この一辺に直交する辺に沿った一方向をy軸の正方向、センサ基板1の厚み方向の一方向をz軸の正方向と規定すれば、重り部12は、x軸方向に延長されてコア部12aを挟む2つ1組の撓み部13,13と、y軸方向に延長されてコア部12aを挟む2つ1組の撓み部13,13とを介してフレーム部11に支持されていることになる。なお、上述のx軸、y軸、z軸の3軸により規定した直交座標では、センサ基板1において上述のシリコン層10cにより形成された部分の表面における重り部12の中心位置を原点としている。
重り部12のコア部12aからx軸の正方向に延長された撓み部13(図5(a)の右側の撓み部13)は、コア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx2,Rx4が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz2が形成されている。一方、重り部12のコア部12aからx軸の負方向に延長された撓み部13(図5(a)の左側の撓み部13)は、コア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Rx1,Rx3が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz3が形成されている。ここに、コア部12a近傍に形成された4つのピエゾ抵抗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たもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13の長手方向に一致するように形成してあり、図8における左側のブリッジ回路Bxを構成するように配線(センサ基板1に形成されている拡散層配線、金属配線17など)によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4は、x軸方向の加速度がかかったときに撓み部13において応力が集中する応力集中領域に形成されている。
また、重り部12のコア部12aからy軸の正方向に延長された撓み部13(図5(a)の上側の撓み部13)はコア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry1,Ry3が形成されるとともに、フレーム部11近傍に1つのピエゾ抵抗Rz1が形成されている。一方、重り部12のコア部12aからy軸の負方向に延長された撓み部13(図5(a)の下側の撓み部13)はコア部12a近傍に2つ1組のピエゾ抵抗Ry2,Ry4が形成されるとともに、フレーム部11側の端部に1つのピエゾ抵抗Rz4が形成されている。ここに、コア部12a近傍に形成された4つのピエゾ抵抗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たもので、平面形状が細長の長方形状であって、長手方向が撓み部13の長手方向に一致するように形成してあり、図8における中央のブリッジ回路Byを構成するように配線(センサ基板1に形成されている拡散層配線、金属配線17など)によって接続されている。なお、ピエゾ抵抗Ry1〜Ry4は、y軸方向の加速度がかかったときに撓み部13において応力が集中する応力集中領域に形成されている。
また、フレーム部11近傍に形成された4つのピエゾ抵抗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たものであり、図8における右側のブリッジ回路Bzを構成するように配線(センサ基板1に形成されている拡散層配線、金属配線17など)によって接続されている。ただし、2つ1組となる撓み部13,13のうち一方の組の撓み部13,13に形成したピエゾ抵抗Rz1,Rz4は長手方向が撓み部13,13の長手方向と一致するように形成されているのに対して、他方の組の撓み部13,13に形成したピエゾ抵抗Rz2,Rz3は長手方向が撓み部13,13の幅方向(短手方向)と一致するように形成されている。
なお、図2〜図5では、センサ基板1における金属配線17のうち第1の接続用接合金属層19近傍の部位のみを図示してあり、拡散層配線の図示は省略してある。
ここで、センサ基板1の動作の一例について説明する。
いま、センサ基板1に加速度がかかっていない状態で、センサ基板1に対してx軸の正方向に加速度がかかったとすると、x軸の負方向に作用する重り部12の慣性力によってフレーム部11に対して重り部12が変位し、結果的にx軸方向を長手方向とする撓み部13,13が撓んで当該撓み部13,13に形成されているピエゾ抵抗Rx1〜Rx4の抵抗値が変化することになる。この場合、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。一般的にピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値(抵抗率)が増大し、圧縮応力を受けると抵抗値(抵抗率)が減少する特性を有しているので、ピエゾ抵抗Rx1,Rx3は抵抗値が増大し、ピエゾ抵抗Rx2,Rx4は抵抗値が減少することになる。したがって、図8に示した一対の入力端子VDD,GND間に外部電源から一定の直流電圧を印加しておけば、図8に示した左側のブリッジ回路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、y軸方向の加速度がかかった場合には図8に示した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軸方向の加速度がかかった場合には図8に示した右側のブリッジ回路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。しかして、上述のセンサ基板1は、各ブリッジ回路Bx〜Bzそれぞれの出力電圧の変化を検出することにより、当該センサ基板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、重り部12と各撓み部13とで可動部を構成しており、各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4それぞれが、センサ基板1におけるセンシング部を構成している。
ところで、センサ基板1は、図8に示すように、上述の3つのブリッジ回路Bx,By,Bzに共通の2つの入力端子VDD,GNDと、ブリッジ回路Bxの2つの出力端子X1,X2と、ブリッジ回路Byの2つの出力端子Y1,Y2と、ブリッジ回路Bzの2つの出力端子Z1,Z2とを備えており、これらの各入力端子VDD,GNDおよび各出力端子X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2が、上記一表面側(つまり、貫通孔配線形成基板2側)に第1の電気接続用金属層19として設けられており、貫通孔配線形成基板2に形成された貫通孔配線24と電気的に接続されている。すなわち、センサ基板1には、8つの電気接続用金属層19が形成され、貫通孔配線形成基板2には、8つの貫通孔配線24が形成されている。なお、8つの第1の電気接続用金属層19は、外周形状が矩形状(本実施形態では、正方形状)であり、フレーム部11の周方向に離間して配置されている(矩形枠状のフレーム部11の4辺それぞれに2つずつ配置されている)。
また、センサ基板1のフレーム部11上には、フレーム部11よりも開口面積が大きな枠状(矩形枠状)の第1の封止用金属層18が形成されており、上述の8つの電気接続用金属層19は、フレーム部11において第1の封止用金属層18よりも内側に配置されている。要するに、センサ基板1は、第1の封止用金属層18の幅寸法をフレーム部11の幅寸法に比べて小さく設定し、第1の封止用金属層18と各電気接続用金属層19とを同一平面上に形成してある。
ここにおいて、センサ基板1は、上記一表面側において上記シリコン層10c上に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が形成されており、第1の電気接続用金属層19および第1の封止用金属層18および金属配線17は絶縁膜16上に形成されている。
また、第1の封止用金属層18および第1の電気接続用金属層19は、接合用のAu膜と絶縁膜16との間に密着性改善用のTi膜を介在させてある。言い換えれば、第1の封止用金属層18および第1の電気接続用金属層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構成されている。要するに、第1の電気接続用金属層19と第1の封止用金属層18とは同一の金属材料により形成されているので、第1の電気接続用金属層19と第1の封止用金属層18とを同時に形成することができるとともに、第1の電気接続用金属層19と第1の封止用金属層18とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第1の封止用金属層18および第1の電気接続用金属層19は、Ti膜の膜厚を15〜50nm、Au膜の膜厚を500nmに設定してあり、金属配線17の膜厚は1μmに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここにおいて、各Au膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、本実施形態では、各Au膜と絶縁膜16との間に密着性改善用の密着層としてTi膜を介在させてあるが、密着層の材料はTiに限らず、例えば、Cr、Nb、Zr、TiN、TaNなどでもよい。
上述の各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4および上記各拡散層配線は、上記シリコン層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ており、上述の金属配線17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(例えば、Al膜、Al合金膜など)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17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。また、第1の電気接続用金属層19と金属配線17とは、第1の電気接続用金属層19における金属配線17との接続部位19b(図4(b)参照)が、貫通孔配線形成基板2におけるセンサ基板1との対向面に形成された後述の変位空間形成用凹部21内に位置する形で電気的に接続されている。
貫通孔配線形成基板2は、図9〜図11に示すように、センサ基板1側(図2(c)における下面側)の表面に、センサ基板1の重り部12と各撓み部13とで構成される可動部の変位空間を確保する上述の変位空間形成用凹部21が形成されるとともに、変位空間形成用凹部21の周部に厚み方向に貫通する複数(本実施形態では、8つ)の貫通孔22が形成されており、厚み方向の両面と各貫通孔22の内面とに跨って熱酸化膜(シリコン酸化膜)からなる絶縁膜23が形成され、貫通孔配線24と貫通孔22の内面との間に絶縁膜23の一部が介在している。ここにおいて、貫通孔配線形成基板2の8つの貫通孔配線24は当該貫通孔配線形成基板2の周方向に離間して形成されている。また、貫通孔配線24の材料としては、Cuを採用しているが、Cuに限らず、例えば、Niなどを採用してもよい。
また、貫通孔配線形成基板2は、センサ基板1側の表面において変位空間形成用凹部21の周部に、各貫通孔配線24それぞれと電気的に接続された複数(本実施形態では、8つ)の第2の電気接続用金属層29が形成されている。貫通孔配線形成基板2は、センサ基板1側の表面の周部には、全周に亘って枠状(矩形枠状)の第2の封止用金属層28が形成されており、上述の8つの第2の電気接続用金属層29は、外周形状が細長の長方形状であり、第2の封止用金属層28よりも内側に配置されている。ここにおいて、第2の電気接続用金属層29は、長手方向の一端部が貫通孔配線24と接合されており、他端側の部位がセンサ基板1の金属配線17よりも外側でセンサ基板1の第1の電気接続用金属層19と接合されて電気的に接続されるように配置してある。要するに、貫通孔配線形成基板2の周方向において貫通孔配線24と当該貫通孔配線24に対応する第1の電気接続用金属層19との位置をずらしてあり、第2の電気接続用金属層29を、長手方向が第2の封止用金属層28の周方向に一致し且つ貫通孔配線24と第1の電気接続用金属層19とに跨る形で配置してある。
また、第2の封止用金属層28および第2の電気接続用金属層29は、接合用のAu膜と絶縁膜23との間に密着性改善用のTi膜を介在させてある。言い換えれば、第2の封止用金属層28および第2の電気接続用金属層29は、絶縁膜23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構成されている。要するに、第2の電気接続用金属層29と第2の封止用金属層28とは同一の金属材料により形成されているので、第2の電気接続用金属層29と第2の封止用金属層28とを同時に形成することができるとともに、第2の電気接続用金属層29と第2の封止用金属層28とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第2の封止用金属層28および第2の電気接続用金属層29は、Ti膜の膜厚を15〜50nm、Au膜の膜厚を500nmに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここにおいて、各Au膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、本実施形態では、各Au膜と絶縁膜23との間に密着性改善用の密着層としてTi膜を介在させてあるが、密着層の材料はTiに限らず、例えば、Cr、Nb、Zr、TiN、TaNなどでもよい。
また、貫通孔配線形成基板2におけるセンサ基板1側とは反対側の表面には、各貫通孔配線24それぞれと電気的に接続された複数の外部接続用電極25が形成されている。なお、各外部接続用電極25の外周形状は矩形状となっている。
カバー基板3は、図12に示すように、センサ基板1との対向面に、センサ基板1の厚み方向への重り部12の変位空間を確保するための所定深さ(例えば、5μm〜10μm程度)の凹部31を形成してある。ここにおいて、凹部31は、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してある。なお、本実施形態では、カバー基板3におけるセンサ基板1との対向面に、センサ基板1の厚み方向への重り部12の変位空間を確保する凹部31を形成してあるが、重り部12のコア部12aおよび各付随部12bのうち支持基板10aを利用して形成されている部分の厚さを、フレーム部11において支持基板10aを利用して形成されている部分の厚さに比べて、センサ基板1の厚み方向への重り部12の許容変位量分だけ薄くするようにすれば、カバー基板3に凹部31を形成しなくても、センサ基板1の上記他表面側には上記他表面に交差する方向への重り部12の変位を可能とする隙間が重り部12とカバー基板3との間に形成される。
ところで、上述の加速度センサにおけるセンサ基板1と貫通孔配線形成基板2とは、第1の封止用金属層18と第2の封止用金属層28とが接合されるとともに、第1の電気接続用金属層19と第2の電気接続用金属層29とが接合され、センサ基板1とカバー基板3とは、互いの対向面の周部同士が接合されている。また、本実施形態の加速度センサは、図2(a),(b)に示すように、上述のSOIウェハにセンサ基板1を複数形成したセンサウェハ10と、上述の第1のシリコンウェハに貫通孔配線形成基板2を複数形成した第1のパッケージウェハ20と、上述の第2のシリコンウェハにカバー基板3を複数形成した第2のパッケージウェハ30とをウェハレベルで常温接合することでウェハレベルパッケージ構造体100を形成してから、個々の加速度センサに分割する分割工程(ダイシング工程)により個々の加速度センサに分割されている(なお、図2(c)は図2(a)に示すウェハレベルパッケージ構造体100のうち丸Aで囲んだ部分の概略断面図である)。したがって、貫通孔配線形成基板2とカバー基板3とがセンサ基板1と同じ外形サイズとなり、小型のチップサイズパッケージを実現できるとともに、製造が容易になる。なお、本実施形態では、センサ基板1のフレーム部11と第1のパッケージ用基板である貫通孔配線形成基板2と第2のパッケージ用基板であるカバー基板3とで上述の気密パッケージを構成しており、当該気密パッケージ内で重り部12と各撓み部13とで構成される可動部が変位可能となっている。
ここにおいて、本実施形態では、センサウェハ10と第1のパッケージウェハ20および第2のパッケージウェハ30との接合方法として、センサ基板1の残留応力を少なくするためにより低温での接合が可能な常温接合法を採用している。以下、本実施形態の加速度センサの製造方法において特徴となる工程について図1を参照しながら説明する。なお、図1中のセンサ基板1、第1のパッケージ用基板である貫通孔配線形成基板2、第2のパッケージ用基板であるカバー基板3はそれぞれ、センサウェハ10、第1のパッケージウェハ20、第2のパッケージウェハ30の一部であるが、必ずしもウェハの状態である必要はない。
まず、図1(a)に示すように、チャンバCH内にセンサ基板1、貫通孔配線形成基板2、カバー基板3を導入してからチャンバCH内が規定真空度(例えば、1×10−5Pa)以下となるように真空排気し、その後、真空中においてセンサ基板1と貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3との互いの接合面それぞれをスパッタエッチングすることで清浄・活性化する活性化工程を行う。ここにおいて、活性化工程では、各接合面に対してアルゴンのイオンビームをチャンバCH内で所定時間(例えば、300秒)だけ照射して各接合面を清浄・活性化する。なお、活性化工程を行っているときのチャンバCH内の真空度は、活性化工程を開始する前の上記規定真空度よりも低真空の1×10−2Pa程度となる。また、活性化工程では、アルゴンのイオンビームに限らず、アルゴンのプラズマ若しくは原子ビームを照射するようにしてもよい。また、活性化工程で用いるガスは、アルゴンに限らず、窒素、ヘリウムなどの不活性ガスであればよい。
活性化工程の後、センサ基板1および各パッケージ用基板(貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3)の存在する空間の雰囲気を所望のセンサ特性に応じて設計した気密パッケージ内の設計雰囲気に調整する雰囲気調整工程を行う。ここにおいて、本実施形態の加速度センサでは、ダンピング効果により周波数特性および耐衝撃性を向上するために、上記設計雰囲気を、不活性ガス(例えば,アルゴン)が大気圧で封入された雰囲気に設計してあり、本実施形態における雰囲気調整工程では、排気用バルブV2を閉じてから、ガス導入用バルブV1を開いて不活性ガスをチャンバCH内へ導入してチャンバCH内を大気圧まで戻すことによりチャンバCH内の雰囲気を上記設計雰囲気に調整するようにしている。なお、チャンバCH内を大気圧まで戻した後はガス導入用バルブV1を閉じる。
上記雰囲気調整工程が終了した後、図1(b)に示すように、雰囲気調整工程にて調整された雰囲気下においてセンサ基板1と第2のパッケージ用基板であるカバー基板3とを互いの接合面を突き合せて接合(本実施形態では、常温接合)し、続いて、図1(c)に示すように上記雰囲気調整工程にて調整された雰囲気下においてセンサ基板1と第1のパッケージ用基板である貫通孔配線形成基板2とを互いの接合面を突き合せて接合(本実施形態では、常温接合)する接合工程を行う。ここで、本実施形態では、センサ基板1とカバー基板3とを常温接合する際には、第1の設定荷重(例えば、0.5kg/cm2)を印加して、センサ基板1のフレーム部11とカバー基板3の周部とを常温接合している。また、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2とを常温接合する際には、第1の設定荷重よりも大きな第2の設定荷重(例えば、20kg/cm2)を印加して、第1の封止用金属層18と第2の封止用金属層28とを常温接合するのと同時に、第1の電気接続用金属層19と第2の電気接続用金属層29とを常温接合している。要するに、本実施形態では、センサウェハ10と第2のパッケージウェハ30とが、Si−Siの常温接合(つまり、ウェハ材料同士の常温接合)により接合され、センサウェハ10と第1のパッケージウェハ20との封止用金属層18,28同士および電気接続用金属層19,29同士が金属−金属(ここでは、Au−Au)の常温接合により接合されている。
以上説明した本実施形態の加速度センサの製造方法によれば、活性化工程の後でセンサ基板1および各パッケージ用基板(貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3)の存在する空間の雰囲気を所望のセンサ特性に応じて設計した気密パッケージ内の設計雰囲気に調整する雰囲気調整工程と、雰囲気調整工程にて調整された雰囲気下においてセンサ基板1と各パッケージ用基板(貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3)とを互いの接合面を突き合せて接合する接合工程とを備え、活性化工程と雰囲気調整工程と接合工程とを同一チャンバCH内で連続的に行うので、活性化工程により清浄・活性化されたセンサ基板1の接合面と各パッケージ用基板それぞれの接合面とを大気に曝すことなく所望のセンサ特性に応じて設計した気密パッケージ内の設計雰囲気に調整された雰囲気下で突き合せて接合することができ、所望のセンサ特性の加速度センサを容易に形成することができる。なお、本実施形態の加速度センサの製造方法によれば、センサ基板1と各パッケージ用基板とを常温接合により接合するので、半田などの熱処理を必要とする材料を用いて接合する場合に比べて、センサ基板1と各パッケージ用基板との接合時に発生する残留応力を低減できる。
また、本実施形態の加速度センサの製造方法によれば、雰囲気調整工程では、チャンバCH内へ不活性ガスを導入することによりチャンバCH内の雰囲気を上記設計雰囲気に調整するので、チャンバCH内の雰囲気を調整する際に活性化工程にて清浄・活性化された接合面を清浄・活性な状態に保つことができるとともに、加速度センサの信頼性を高めることができる。また、雰囲気調整工程では、活性化工程の後でチャンバCH内へ不活性ガスを導入してチャンバCH内を大気圧まで戻すことでチャンバCH内の雰囲気を上記設計雰囲気に調整するので、センサ素子である加速度センサの周波数特性および耐衝撃性をダンピング効果により向上できる。
また、本実施形態の加速度センサの製造方法によれば、接合工程が終了するまでの全工程をセンサ基板1および各パッケージ用基板それぞれについてウェハレベルで行うことでセンサ素子である加速度センサを複数備えたウェハレベルパッケージ構造体100を形成するようにし、当該ウェハレベルパッケージ構造体100からセンサ素子である加速度センサに分割する分割工程を備えているので、上記気密パッケージの平面サイズをセンサ基板1の平面サイズに合わせることができるから、より小型の加速度センサを提供でき、また、量産性を高めることができる。
また、本実施形態では、センサウェハ10に対して貫通孔配線24が形成された第1のパッケージウェハ20とは反対側に常温接合する第2のパッケージウェハ30とセンサウェハ10とは、Si−Siの組み合わせの常温接合により接合されているが、Si−Siの組み合わせに限らず、Si−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合により接合されるようにしてもよい。
ところで、本実施形態の加速度センサの製造方法によれば、接合工程では、センサ基板1とカバー基板3とをSi−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合により接合し、その後、センサ基板1の第1の電気接続用金属層19と貫通孔配線形成基板2の第2の電気接続用金属層29とを常温接合するとともに、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2との互いの対向面側に形成されている封止用金属層18,28同士を常温接合するので、センサ基板1とカバー基板3との常温接合を金属−金属の常温接合により行う場合に比べて、センサ基板1とカバー基板3とを低荷重で安定して接合することができ、また、Si−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合に比べて大きな荷重を必要とする金属−金属の常温接合となる封止用金属層18,28同士および電気接続用金属層19,29同士の常温接合を、Si−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合よりも先に行う場合(つまり、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2との封止用金属層18,28同士および電気接続用金属層19,29同士の常温接合を、センサ基板1とカバー基板3との常温接合よりも先に行う場合)に比べて、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2との封止用金属層18,28同士および電気接続用金属層19,29同士を常温接合する際に、2枚のパッケージ用基板(第1のパッケージ用基板たる貫通孔配線形成基板2および第2のパッケージ用基板たるカバー基板3)を必要とするセンサ基板1が既に第2のパッケージ用基板たるカバー基板3に支持されていることにより、接合時の荷重を封止用金属層18,28同士の積層構造および電気接続用金属層19,29同士の積層構造に効率良く作用させることができ、封止用金属層18,28同士および電気接続用金属層19,29同士の接合歩留まりや接合信頼性を高めることができるとともに、センサ基板1に発生する応力を低減することができるから、センサ基板1の残留応力が少なくて所望のセンサ特性を有する加速度センサの製造歩留まりを高めることができる。また、センサ基板1と各パッケージ用基板(貫通孔配線形成基板2、カバー基板3)とを接合する場合、接合工程の順序が逆になると、センサ基板1に反りが発生し、センサ基板1と第2のパッケージ用基板たるカバー基板3とを接合できないことがあるのに対して、本実施形態の製造方法では、センサ基板1とカバー基板3とをより確実に接合することができ、特にウェハレベルで接合する場合にセンサウェハ10(つまり、センサ基板1を形成しているウェハ)が反るのを抑制でき、接合歩留まりを高めることができる。
また、本実施形態では、センサ基板1の上記他表面側においてフレーム部11の全領域がカバー基板3と接合されるようにカバー基板3における凹部31の開口面積を設定してあり、センサ基板1の形成にあたっては、カバー基板3との接合予定領域(センサ基板1の上記他表面側におけるフレーム部11の全領域)の投影領域(センサ基板1の上記一表面側において上記全領域に重複する領域)内に第1の封止用金属層18および第1の電気接続用金属層19を形成するようにしており、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2との接合時の荷重を、封止用金属層18,28同士の積層構造および電気接続用金属層19,29の積層構造に対して、より効率良く作用させることができる。また、本実施形態では、カバー基板3の形成にあたっては、センサ基板1との接合予定領域を除いた領域内に凹部31を形成するようにしているので、センサ基板1と貫通孔配線基板2との接合時の荷重を、封止用金属層18,28同士の積層構造および電気接続用金属層19,29の積層構造に対して、より効率良く作用させることができる。
また、本実施形態の加速度センサの製造方法では、センサウェハ10と第1のパッケージウェハ20との封止用金属層18,28同士および電気接続用金属層19,29同士が金属−金属の常温接合により接合されており、金属−金属の組み合わせが、化学的に安定な材料であるAu−Auの組み合わせなので、製造歩留まりを向上できるとともに接合安定性を向上できる。ここにおいて、金属−金属の組み合せは、Au−Auに限らず、例えば、Cu−Cuの組み合わせや、Al−Alの組み合わせでもよく、Cu−Cuの組み合わせの場合には、各電気接続用金属層19,29の低抵抗化を図れることができ、Al−Alの組み合わせの場合には、Au−Auの組み合わせを採用する場合に比べて、材料コストを低減することができる。また、Al−Alの組み合わせはパッケージ基板にICを形成するような場合に、ICにおける配線の形成プロセスと同様のプロセスを利用できるという利点がある。
また、本実施形態では、貫通孔配線形成基板2の第2の電気接続用金属層29におけるセンサ基板1の第1の電気接続用金属層19との接合部位を、当該第2の電気接続用金属層29における貫通孔配線24との接続部位からずらしてあるので、第2の電気接続用金属層29において第1の電気接続用金属層19との接合部位の接合前の表面の平滑性を高めることができ(第2の電気接続用金属層29の成膜時の表面の平滑性を高めることができ)、第1の電気接続用金属層19と第2の電気接続用金属層29とを上述のように常温接合法により直接接合する場合の接合信頼性を高めることが可能となる。
(実施形態2)
以下、本実施形態のセンサ素子について図13〜図20を参照しながら説明した後、特徴となる製造方法について説明する。
以下、本実施形態のセンサ素子について図13〜図20を参照しながら説明した後、特徴となる製造方法について説明する。
本実施形態のセンサ素子である加速度センサの基本構成は実施形態1と略同じであり、センサ基板1に、CMOSを用いた集積回路(CMOS IC)であってセンシング部と協働する集積回路が形成されたIC領域部E2を設けてある点などが実施形態1と相違する。ここにおいて、上記集積回路は、実施形態1にて説明したブリッジ回路Bx,By,Bzの出力信号に対して増幅、オフセット調整、温度補償などの信号処理を行って出力する信号処理回路や、信号処理回路において用いるデータを格納したEEPROMなどが集積化されている。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態におけるセンサ基板1は、図13および図15に示すように、実施形態1にて説明したフレーム部11の一部、重り部12、各撓み部13、センシング部であるピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4などが形成されたセンサ領域部E1と、上記集積回路が形成された上述のIC領域部E2と、実施形態1にて説明した第1の封止用金属層18などが形成された接合用領域部E3とを備え、平面視において中央部に位置するセンサ領域部E1をIC領域部E2が囲み、IC領域部E2を接合領域部E3が囲むように各領域部E1〜E3のレイアウトが設計されている。ここで、本実施形態では、実施形態1におけるセンサ基板1のフレーム部11の外形寸法を大きくしてあり(言い換えれば、フレーム部11の幅寸法を大きくしてあり)、フレーム部11に上記集積回路を形成してある。
ところで、センサ基板1は、実施形態1と同様にSOIウェハを用いて形成されており、IC領域部E2では、多層配線技術を利用してセンサ基板1における当該IC領域部E2の占有面積の縮小化を図っている。このため、センサ基板1のIC領域部E2では、シリコン層10c上のシリコン酸化膜と当該シリコン酸化膜上のシリコン窒化膜との積層膜からなる絶縁膜16の表面側に、層間絶縁膜やパッシベーション膜などからなる多層構造部41が形成され、上記パッシベーション膜の適宜部位を除去することにより複数のパッド42を露出させてあり、各パッド42が金属材料(例えば、Auなど)からなる引き出し配線43を介して接合領域部E3の絶縁膜16上の第1の電気接続用金属層19と電気的に接続されている(図16参照)。ここで、本実施形態では、引き出し配線43の材料と第1の電気接続用金属層19の材料とを同じとして、引き出し配線43と第1の電気接続用金属層19とが連続する形で形成されている。なお、IC領域部E2に形成された複数のパッド42には、信号処理回路を通してセンシング部と電気的に接続されるものと、信号処理回路を通さずにセンシング部と電気的に接続されるものがあるが、いずれにしても、貫通孔配線形成基板2の貫通孔配線24とセンシング部とが電気的に接続されることとなる。
また、本実施形態では、実施形態1と同様に、第1のシリコンウェハを用いて形成された貫通孔配線形成基板2(図13、図17、図18参照)および第2のシリコンウェハを用いて形成されたカバー基板3(図13、図19参照)がセンサ基板1と同じ外形寸法に形成されており、本実施形態における貫通孔配線形成基板2は、実施形態1にて説明した変位空間形成用凹部21の開口面の投影領域内にセンサ領域部E1およびIC領域部E2が収まるように変位空間形成用凹部21の開口面積を実施形態1に比べて大きくしてあり、IC領域部E2の多層構造部41が変位空間形成用凹部21内に配置されるようになっている(図13(c)、図14参照)。
以上説明した本実施形態の加速度センサでは、実施形態1の加速度センサと、実施形態1の加速度センサのセンシング部と協働する集積回路を形成したICチップとを1つのパッケージに収納したセンサモジュールに比べて小型化および低コスト化を図れ、また、センシング部と集積回路との間の配線長を短くすることができ、センサ性能の向上を図れる。
以下、上述のSOIウェハにセンサ基板1を複数形成したセンサウェハ10の製造方法について図20を参照しながら簡単に説明するが、図20(a)〜(d)は図15(a)のA−A’断面に対応する部分の断面を示してある。
まず、SOIウェハの主表面側(シリコン層10cの表面側)に各ピエゾ抵抗Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4、ブリッジ回路Bx,By,Bz形成用の拡散層配線や上記集積回路などの回路要素をCMOSプロセス技術などを利用して形成する。ここにおいて、IC領域部E2の各パッド42を露出させる工程が終了した段階では、上述の多層構造部41がセンサ領域部E1および接合領域部E3にも形成されているが、多層構造部41のうちセンサ領域部E1および接合領域部E3に対応する部位に形成されている部分には金属配線は設けられていない。
上述の各パッド42を露出させる工程が終了した後、多層構造部41のうちセンサ領域部E1および接合領域部E3それぞれに対応する部位に形成されている部分を露出させるようにパターニングされたレジスト層を形成し、当該レジスト層をエッチングマスクとして、多層構造部41の露出部分をシリコン層10c上の絶縁膜16のシリコン窒化膜をエッチングストッパ層としてウェットエッチングによりエッチング除去し、続いて、レジスト層を除去することによって、図20(a)に示す構造を得る。
その後、SOIウェハの主表面側に第1の封止用金属層18、各電気接続用金属層19、および引き出し配線43をスパッタ法などの薄膜形成技術およびフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成してから、SOIウェハの主表面側に、上述の絶縁膜16においてフレーム部11、重り部12のコア部12a、各撓み部13それぞれに対応する部位を覆い他の部位を露出させるようにパターニングされたレジスト層を形成し、当該レジスト層をエッチングマスクとして、絶縁膜16の露出部分をエッチングすることで絶縁膜16をパターニングし、SOIウェハを主表面側から絶縁層10bに達する深さまで絶縁層10bをエッチングストッパ層としてエッチングする表面側パターニング工程を行うことによって、図20(b)に示す構造を得る。この表面側パターニング工程を行い、続いて、レジスト層を除去することによって、SOIウェハにおけるシリコン層10cは、フレーム部11に対応する部位と、コア部12aに対応する部位と、各撓み部13それぞれに対応する部位とが残る。なお、この表面側パターニング工程におけるエッチングに際しては、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)型のドライエッチング装置を用いてドライエッチングを行えばよく、エッチング条件としては、絶縁層10bがエッチングストッパ層として機能するような条件を設定する。
上述の表面側パターニング工程に続いてレジスト層を除去した後、SOIウェハの裏面側で支持基板10aに積層されているシリコン酸化膜10dにおいてフレーム部11に対応する部位とコア部12aに対応する部位と各付随部12bそれぞれに対応する部位とを覆い且つ他の部位を露出させるようにパターニングされたレジスト層を形成し、当該レジスト層をエッチングマスクとして、シリコン酸化膜10dの露出部分をエッチングすることでシリコン酸化膜10dをパターニングし、レジスト層を除去してから、シリコン酸化膜10dをエッチングマスクとして、SOIウェハを裏面側から絶縁層10bに達する深さまで絶縁層10bをエッチングストッパ層として略垂直にドライエッチングする裏面側パターニング工程を行うことによって、図20(c)に示す構造を得る。この裏面側パターニング工程を行うことにより、SOIウェハにおける支持基板10aは、フレーム部11に対応する部位と、コア部12aに対応する部位と、各付随部12bそれぞれに対応する部位とが残る。なお、この裏面側パターニング工程におけるエッチング装置としては、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)型のドライエッチング装置を用いればよく、エッチング条件としては、絶縁層10bがエッチングストッパ層として機能するような条件を設定する。
裏面側パターニング工程の後、絶縁層10bのうちフレーム部11に対応する部位およびコア部12aに対応する部位を残して不要部分をウェットエッチングによりエッチング除去することでフレーム部11、各撓み部13、重り部12を形成する分離工程を行うことによって、図20(d)に示す構造を得る。なお、この分離工程において、SOIウェハの裏面側のシリコン酸化膜10dもエッチング除去される。
本実施形態の加速度センサは、実施形態1と同様に、SOIウェハにセンサ基板1を複数形成したセンサウェハ10と、上述の第1のシリコンウェハに貫通孔配線形成基板2を複数形成した第1のパッケージウェハ20と、上述の第2のシリコンウェハにカバー基板3を複数形成した第2のパッケージウェハ30とをウェハレベルで常温接合することでウェハレベルパッケージ構造体100を形成してから、ダイシング工程により所定のサイズ(所望のチップサイズ)の加速度センサに切断されている(なお、図13(c)の加速度センサは図13(a)に示すウェハレベルパッケージ構造体100のうち丸Aで囲んだ部分の断面に相当している)。したがって、貫通孔配線形成基板2とカバー基板3とがセンサ基板1と同じ外形サイズとなり、小型のチップサイズパッケージを実現できるとともに、製造が容易になる。
以上説明した本実施形態の加速度センサの製造方法は、センサウェハ10を形成するための工程数が実施形態1よりも増加するだけで、第1のパッケージウェハ20における貫通孔配線形成基板2を形成するための各工程、第2のパッケージ基板30におけるカバー基板3を形成するための各工程は実施形態1と同じであり、センサウェハ10および各パッケージウェハ20,30を形成した後の工程も実施形態1と同様である。
すなわち、本実施形態の加速度センサの製造方法においても、実施形態1における加速度センサの製造方法と同様に、真空中においてセンサ基板1と各パッケージ用基板(貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3)との互いの接合面それぞれを清浄・活性化する活性化工程と、活性化工程の後でセンサ基板1および各パッケージ用基板(貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3)の存在する空間の雰囲気を所望のセンサ特性に応じて設計した気密パッケージ内の設計雰囲気に調整する雰囲気調整工程と、雰囲気調整工程にて調整された雰囲気下においてセンサ基板1と各パッケージ用基板(貫通孔配線形成基板2およびカバー基板3)とを互いの接合面を突き合せて接合する接合工程とを備え、活性化工程と雰囲気調整工程と接合工程とを同一チャンバCH(図1参照)内で連続的に行うので、活性化工程により清浄・活性化されたセンサ基板1の接合面と各パッケージ用基板それぞれの接合面とを大気に曝すことなく所望のセンサ特性に応じて設計した気密パッケージ内の設計雰囲気に調整された雰囲気下で突き合せて接合することができ、所望のセンサ特性の加速度センサを容易に形成することができる。
また、本実施形態の加速度センサの製造方法においても、実施形態1と同様、接合工程では、センサ基板1とカバー基板3とをSi−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si3N4−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合により接合し、その後、センサ基板1の第1の電気接続用金属層19と貫通孔配線形成基板2の第2の電気接続用金属層29とを常温接合するとともに、センサ基板1と貫通孔配線形成基板2との互いの対向面側に形成されている封止用金属層18,28同士を常温接合するので、封止用金属層18,28同士および電気接続用金属層19,29同士の接合歩留まりや接合信頼性を高めることができるとともに、センサ基板1に発生する応力を低減することができるから、センサ基板1の残留応力が少なくて所望のセンサ特性を有する加速度センサの製造歩留まりを高めることができる。
また、本実施形態の加速度センサの製造方法では、センサ基板1にはセンシング部と協働する集積回路が形成されているので、センシング部と協働する集積回路が形成されたICチップを実施形態1にて説明した加速度センサのようなセンサ素子とともに1つのパッケージに収納してセンサモジュールを構成する場合に比べて、製造コストの低コスト化を図れる。
ところで、上述の実施形態1,2ではセンサ素子として加速度センサを例示したが、センサ素子は加速度センサに限らず、例えば、センサ素子がセンサ基板として可動部の構造が異なる複数種類のセンサ基板を有する複合センサ(加速度センサとジャイロセンサとが複合化された複合センサ)や、センサ基板が可動部を備えていないセンサ素子(例えば、熱型の赤外線センサなど)であってもよく、少なくとも雰囲気調整工程と接合工程とからなる基本工程をセンサ基板ごとに各別に行うようにすれば、各センサ基板それぞれについて気密パッケージ内の雰囲気を各別に設計された設計雰囲気に調整できる。また、実施形態2のセンサ素子は、センサ基板1にセンシング部と協働する集積回路を形成してあるが、他のセンサ素子(例えば、上述のジャイロセンサや複合センサや熱型の赤外線センサなど)においてセンサ基板1にセンシング部と協働する集積回路を形成するようにして、センサ基板1と各パッケージ用基板とを接合するようにしてもよい。
1 センサ基板
2 貫通孔配線形成基板(第1のパッケージ用基板)
3 カバー基板(第2のパッケージ用基板)
18 第1の封止用金属層
19 第1の電気接続用金属層
24 貫通孔配線
28 第2の封止用金属層
29 第2の電気接続用金属層
31 凹部
CH チャンバ
2 貫通孔配線形成基板(第1のパッケージ用基板)
3 カバー基板(第2のパッケージ用基板)
18 第1の封止用金属層
19 第1の電気接続用金属層
24 貫通孔配線
28 第2の封止用金属層
29 第2の電気接続用金属層
31 凹部
CH チャンバ
Claims (3)
- バルクマイクロマシニング技術を利用して形成された3次元構造体にセンシング部が設けられたセンサ基板の一部と、センサ基板のセンシング部に電気的に接続される貫通孔配線を有しセンサ基板の一表面側に接合された第1のパッケージ用基板と、センサ基板の他表面側に接合された第2のパッケージ用基板とで構成される気密パッケージを有するセンサ素子の製造方法であって、真空中においてセンサ基板と各パッケージ用基板との互いの接合面それぞれを清浄・活性化する活性化工程と、活性化工程の後でセンサ基板と各パッケージ用基板とを互いの接合面を突き合せて接合する接合工程とを備え、接合工程では、センサ基板と第2のパッケージ用基板とをSi−Si、Si−SiO2、SiO2−SiO2、Si−Si3N4、Si3N4−Si3N4、SiO2−Si3N4の群から選択される1組の組み合わせの常温接合により接合し、その後、センサ基板の前記一表面側においてセンシング部に電気的に接続された第1の電気接続用金属層と第1のパッケージ用基板におけるセンサ基板との対向面側において貫通孔配線に電気的に接続された第2の電気接続用金属層とを常温接合するとともに、センサ基板と第1のパッケージ用基板との互いの対向面側に形成されている封止用金属層同士を常温接合することを特徴とするセンサ素子の製造方法。
- 前記センサ基板の形成にあたっては、前記第2のパッケージ用基板との接合予定領域の投影領域内に前記第1の封止用金属層および前記第1の電気接続用金属層を形成することを特徴とする請求項1記載のセンサ素子の製造方法。
- 前記センサ基板における前記3次元構造体が、前記センサ基板の厚み方向に変位可能であって前記センシング部が設けられた可動部を有し、前記第2のパッケージ用基板が、センサ基板側の表面に、前記可動部の変位空間を確保する凹部が形成されたものであり、前記第2のパッケージ用基板の形成にあたっては、前記センサ基板との接合予定領域を除いた領域内に前記凹部を形成することを特徴とする請求項2記載のセンサ素子の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007083023A JP2008244174A (ja) | 2007-03-27 | 2007-03-27 | センサ素子の製造方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010225746A (ja) * | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Panasonic Electric Works Co Ltd | センサ装置 |
CN104991086A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-10-21 | 上海芯赫科技有限公司 | 一种mems加速度传感器的加工方法及加速度传感器 |
-
2007
- 2007-03-27 JP JP2007083023A patent/JP2008244174A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010225746A (ja) * | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Panasonic Electric Works Co Ltd | センサ装置 |
CN104991086A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-10-21 | 上海芯赫科技有限公司 | 一种mems加速度传感器的加工方法及加速度传感器 |
CN104991086B (zh) * | 2015-06-24 | 2018-01-12 | 上海芯赫科技有限公司 | 一种mems加速度传感器的加工方法及加速度传感器 |
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