JP2008292427A - 半導体センサ - Google Patents

Abstract

【課題】煩雑な工程を経ることなく簡便な手法にて半導体層の電極を取り出すことができるとともに、信頼性の高い良好な半導体センサを提供する。
【解決手段】絶縁基板２０上に形成された半導体層２によって物理量を検出する静電容量式センサ１において、半導体層２の絶縁基板２０が接合された面と対向する面上に、半導体層２の可動電極５、固定電極６の表面の一部を露出させる電極取り出し用の貫通孔２３を有するシート状フィルムからなる保護層２１を形成し、貫通孔２３によって露出された半導体層２の可動電極５、固定電極６の表面にワイヤボンディングが施されていることで実現する。
【選択図】図２

Description

本発明は、絶縁基板上に形成された半導体層によって所定の物理量を検出する半導体センサに関する。

公知の半導体プロセスを用いて半導体基板を加工することで、例えば、静電容量の変化を検出し、加速度や角速度などの種々の物理量を検出できるようにした静電容量式センサなどが一般に知られている。このような静電容量式センサは、半導体層を絶縁基板にて上下方向から挟み込むような構造となっていることから、上方の絶縁基板に設けた半導体層へと連通する貫通孔に、蒸着法やスパッタリング法といった手法により金属膜を成膜することで配線用端子を形成し、半導体層の電極を外部へと取り出している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１４４５９８号公報

しかしながら、上述した特許文献１で開示されている手法により配線用端子を形成して、半導体層の電極を外部へと取り出すようにした場合、ガラス基板などである上方の絶縁基板にサンドブラスト加工などにより貫通孔を形成する工程、蒸着法やスパッタリング法といった手法により金属膜を成膜することで配線用端子を形成する工程を実行する必要があり、さらに、金属膜を成膜する場合には、貫通孔の底近傍においてステップカバレッジを厳しく管理する必要があるなど、非常に煩雑な作業を強いられるといった問題がある。

また、上方の絶縁基板にガラス基板を用いる場合には、約４００度の高温が必要となる陽極接合により半導体層と接合させることになるため、熱応力による歪み発生などによりセンサとしての信頼性に欠けてしまうといった問題もある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、煩雑な工程を経ることなく簡便な手法にて半導体層の電極を取り出すことができるとともに、信頼性の高い良好な半導体センサを提供することを目的とする。

本発明の半導体センサは、絶縁基板上に形成された半導体層によって物理量を検出する半導体センサにおいて、前記半導体層の前記絶縁基板が接合された面と対向する面上に、前記半導体層の電極の表面の一部を露出させる電極取り出し用の貫通孔を有するシート状フィルムからなる保護層を形成し、前記貫通孔によって露出された前記半導体層の電極の表面にワイヤボンディングが施されていることを特徴する。

また、本発明の半導体センサは、前記シート状フィルムとして感光性皮膜をフィルム状にしたドライフィルムを用いることを特徴とする。

また、本発明の半導体センサは、前記保護層の厚みが、前記半導体層の厚み以上、前記絶縁基板の厚み以下であることを特徴とする。

また、本発明の半導体センサは、前記保護層が、前記半導体層の表面を視認することができる程度の透過性を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体センサは、前記保護層上に、前記保護層の強度を補強する補強層を形成することを特徴とする。

また、本発明の半導体センサは、前記補強層が、ポリイミド樹脂からなることを特徴とする。

また、本発明の半導体センサは、前記ポリイミド樹脂が、感光性を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体センサは、前記保護層上にストッパを載置し、接着剤にて固着させることを特徴とする。

また、本発明の半導体センサは、前記保護層が、前記半導体層の表面を視認することができる程度の透過性を有し、前記ストッパが、前記保護層を介して、前記半導体層の表面を視認することができる程度の透過性を有していることを特徴とする。

本発明によれば、煩雑な工程を経ることなく簡便な手法にて半導体層の電極を取り出すことができるとともに、信頼性の高い良好な半導体センサを提供することを可能とする。

また、本発明によれば、感光性被膜をフィルム状にしたドライフィルムを用いることで、フォトリソグラフィにより容易に貫通孔を形成することを可能とする。

また、本発明によれば、保護層の厚みを、半導体層の厚み以上、絶縁基板の厚み以下とすることで、保護層の強度を適切に補強することを可能とする。

また、本発明によれば、半導体層の外観検査を視覚的に容易に行うことを可能とする。

また、本発明によれば、保護層上に補強層を形成することで、補強層を形成する材料が有する様々な強度特性にて適切に保護層を補強することを可能とする。

また、本発明によれば、ポリイミド樹脂にて補強層を形成することで、ポリイミド樹脂が有する最高レベルの高い熱的、機械的、化学的性質とから、保護層の強度を適切に補強することを可能とする。

また、本発明によれば、感光性を有するポリイミド樹脂を用いることで、フォトリソグラフィにより容易に補強層を形成することを可能とする。

また、本発明によれば、ストッパを保護層上に載置して接着剤にて固着させることで、極めて容易に保護層の耐衝撃性を向上させる構成とすることを可能とする。

また、本発明によれば、保護層上にストッパを載置した構成であっても、半導体層の外観検査を視覚的に容易に行うことを可能とする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［静電容量式センサの構成］
図１、図２を用いて、本発明の実施の形態として示す半導体センサである静電容量式センサ１の構成について説明する。実施の形態として示す静電容量式センサ１は、互いに垂直な２軸方向の加速度を検出することができる。

図１は、静電容量式センサの半導体層２を示した平面図である。図１に示すように、半導体層２は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙１０を形成することで、フレーム部３、ビーム部４、可動電極５、固定電極６、ストッパ部７、グランド電極９が形成されている。

図２は、図１のＩ−Ｉ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ１を切断した様子を示した断面図である。図２に示すように、静電容量式センサ１は、この半導体層２の裏面にガラス基板などを、例えば、陽極接合などをして接合することで絶縁基板２０とし、半導体層２の表面にシート状フィルムを、例えば、加熱しながらラミネータなどにより貼り付けることで保護層２１を形成してなる。これら半導体層２と絶縁基板２０、保護層２１との接合面には、比較的浅い凹部２２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。図１に示すように、半導体層２が略正方形状となるように静電容量式センサ１は、切り出されることになる。

保護層２１は、基本的には、後述するように可動電極５、固定電極６からワイヤにより電位を取り出した際に、半導体層２との絶縁を図るために設けられている。また、保護層２１は、静電容量式センサ１において、実質的に物理量を検出するセンサ構造体である半導体層２への外部からの衝撃を保護するように機能したり、可動電極５の過度な挙動を抑制するストッパとしても機能する。

図１に示すように、グランド電極９は、静電容量式センサ１の略正方形状となる半導体層２のサイズを規定するように四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に延設されている。

フレーム部３は、間隙１０を介してグランド電極９内側に形成されている。具体的には、フレーム部３は、グランド電極９の四つの周縁（四辺）に沿って略一定幅で枠状に延設されている。フレーム部３は、グランド電極９の内周側に、略枠状の間隙１０をもって隔離された状態で配置されている。

フレーム部３には、内側の隅から、それぞれ当該フレーム部３の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながら中心に向けて渦巻き状に伸びるビーム部４が設けられている。図１に示すようにビーム部４は、間隙１０を介して略枠状となるフレーム部３の二辺分に亘って、それぞれ相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動電極５の隅部に接続されており、フレーム部３に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素（渦巻きバネ）として機能する。

これにより、静電容量式センサ１では、可動電極５に対し、バネ要素としてのビーム部４、ビーム部４に接続されたフレーム部３により支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成している。このような静電容量式センサ１は、質量要素としての可動電極５の位置変位による可動電極５、固定電極６間の静電容量の変化を検出する。そして、静電容量式センサ１は、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ１に加えられた加速度を検出することができる。

具体的には、この静電容量の変化は、可動電極５、固定電極６にそれぞれ形成された櫛歯状の複数の検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａからなる検出部８Ａ乃至８Ｄ（以下、総称する場合は、単に検出部８と呼ぶ。）によって検出される。

図１に示すＸ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＸ軸方向に変位し、検出部８Ａの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量と、検出部８Ｂの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＸ軸方向の加速度を検出することができる。

一方、図１に示すＹ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＹ軸方向に変位し、検出部８Ｃの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量と、検出部８Ｄの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＹ軸方向の加速度を検出することができる。

図１に示す固定電極６の隅部６ｂの位置Ａ乃至位置Ｄ上には、図２に示すようなシート状フィルムである保護層２１を貫通させた貫通孔２３を介し、隅部６ｂの表面６ｃに固定電極６の電位を取り出すためのワイヤ３０がワイヤボンディングにより接続されている。

一方、可動電極５の電位は、当該可動電極５をビーム部４を介して支持するフレーム部３から取り出すようにする。図１に示すフレーム部３の位置Ｅ、Ｆ上には、図示しないが、シート状フィルムである保護層２１を貫通させた貫通孔を介し、フレーム部３の表面に可動電極５の電位を取り出すためのワイヤがワイヤボンディングにより接続されている。

図１に示すように、ストッパ部７は、可動電極５の動作により、可動電極５と固定電極６とが衝突して損傷することを防止するために設けられている。ストッパ部７は、可動電極５と対向する面に突起７ａを設けることで衝突による影響を最小限に抑制している。なお、ストッパ部７は、可動電極５、固定電極６と電気的に絶縁されている。

このように、保護層２１をシート状フィルムで形成すると、ガラス基板などを用いた場合と比較して、サンドブラスト加工などにより貫通孔２３を形成する工程、蒸着法やスパッタリング法といった手法により金属膜を成膜することで配線用端子を形成する工程を簡略化して、固定電極６、可動電極５の電位を容易に取り出すことができる。また、金属膜を成膜する必要が全くないため、貫通孔の底近傍におけるステップカバレッジの管理といった煩雑な作業も省略することができる。

また、ガラス基板を半導体層２に接合させるには、約４００度の高温が必要となる陽極接合をすることになるが、保護層２１をシート状フィルムで形成した場合、若干の加熱をするだけで半導体層２に保護層を形成することができるため、熱応力による歪み発生などを回避できるため、静電容量式センサ１のセンサとしての信頼性を高めることができる。

また、保護層２１を形成するシート状フィルムとして、例えば、感光性被膜をフィルム状にしたドライフィルムを用いることができる。このように、シート状フィルムとしてドライフィルムを用いると、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、保護層２１に形成する貫通孔２３と同一位置に開口部３１ａが形成されたフォトマスク３１を用いて、フォトリソグラフィにより容易に貫通孔２３に形成することができる。

また、保護層２１を形成するシート状フィルムを、半導体層２の表面を視認することができる程度の透過性を有する材料で形成するようにしてもよい。このような、シート状フィルムを用いると、静電容量式センサ１の半導体層２の外観検査を視覚的に容易に行うことができる。

［検出部８の構成］
続いて、図４に示す静電容量式センサ１の検出部８を中心に可動電極５、固定電極６を拡大した平面図を用いて、検出部８の詳細な構成について説明をする。

図４に示すように、可動電極５には、その中央部５ｂからフレーム部３の一辺の端部に向けてその辺と略垂直に細長く伸びる帯状の検出可動電極５ａが形成されている。検出可動電極５ａは、所定のピッチで、互いに平行となるように櫛歯状に複数形成される。また、各検出可動電極５ａは、先端部が互いに平行となるように揃えられているが、長さが櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっている。

一方、固定電極６には、可動電極５の中央部５ｂに向けて、検出可動電極５ａと平行に細長く伸びる帯状の検出固定電極６ａが形成されている。検出固定電極６ａは、上述した櫛歯状の複数の検出可動電極５ａの間に、検出可動電極５ａと１対１で平行に対向するように、所定のピッチ（例えば、検出可動電極５ａと同一のピッチ）で櫛歯状に複数形成される。また、各検出固定電極６ａは、検出可動電極５ａに対応させて、櫛歯の中央となるほど長く、櫛歯の中央から離れるほど短くなっており、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ同士が相互に対向する対向面の対向面積をできるだけ広く確保できるようにしてある。

図４に示すように、検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａを形成する上で設けられた間隙１０は、一方側で狭い間隙１０ａ、他方側で広い間隙１０ｂとなっている。検出部８は、狭い側の間隙１０ａを検知ギャップ（電極ギャップ）として検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａ間の静電容量を検出する。

［保護層２１の強度補強］
上述したように保護層２１は、静電容量式センサ１において、実質的に物理量を検出するセンサ構造体である半導体層２への外部からの衝撃を保護するように機能したり、可動電極５の過度な挙動を抑制するストッパとしても機能する。そこで、保護層２１の厚みを、半導体層２の厚み以上、絶縁基板２０の厚み以下とすることで、保護層２１の強度を適切に補強することができる。

保護層２１の厚みの下限は、保護層２１を可動電極５の過度な挙動を抑制するストッパとして機能させることを想定すればよいため、少なくとも可動電極５が形成されている半導体層２の厚みと同等以上にすればよい。

また、保護層２１の厚みの上限は、以下に示すように考えることができる。保護層２１の厚みは、厚いほどストッパとしての機能を向上させることができる。しかしながら、ある程度の厚みを有していれば、それ以上厚くしたしてもストッパとしての機能は飽和することになる。

従来の技術のように、ガラス基板にて保護層２１を形成した場合に、絶縁基板２０と同等の厚みにすると、保護層２１はストッパとして十分機能することが分かっている。つまり、さらに厚みを増すことで、センサとしての主要な機能部である半導体層２の厚み以上とすることは、付随的な機能でしかないストッパを主構成としてしまう設計思想となってしまい本末転倒である。また、保護層２１の厚みを、必要以上に増加させれば不必要にコストもかかってしまうことになる。これより、保護層２１の厚みの上限は、絶縁基板２０の厚み以下とする。

保護層２１の強度は、保護層２１自体の厚みを増すことで補強できるが、図６に示すようように、貫通孔２３を設けた保護層２１の上に直接、補強層２４を形成することでも補強することができる。保護層２１の材料とは異なる材料を用いた補強層２４を保護層２１上に形成することで、材料が有する様々な強度特性にて適切に保護層２１を補強することができる。

具体的には、補強層２４は、ポリイミド樹脂を塗布堆積させ硬化させることで形成することができる。ポリイミド樹脂は、イミド結合が強い分子間力を持つためにすべての高分子中で最高レベルの高い熱的、機械的、化学的性質を有することから、保護層２１の強度を適切に補強することができる。

また、補強層２４を形成するポリイミド樹脂として、感光性を有するポリイミド樹脂を用いるとことができる。このように、感光性を有するポリイミド樹脂を用いると、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、保護層２１に形成する貫通孔２３と同一位置に開口部３２ａが形成されたフォトマスク３２を用いて、フォトリソグラフィにより容易に貫通孔２３を形成することができる。つまり、補強層２４を容易に形成することができる。

［耐衝撃性の向上］
上述したように、保護層２１の強度を補強する手法に代えて、図８に示すように保護層２１上にストッパ２６を載置して、接着剤２７にて固着させることで保護層２１に対する外部からの耐衝撃性、可動電極５の挙動による保護層２１の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパ２６は、例えば、ガラスやプラスチックなどの材料にて形成される。図９は、保護層２１上にストッパ２６を載置した様子を示した図である。図９に示すように、ストッパ２６は、保護層２１に形成された貫通孔２３の位置を回避するように形成され、ワイヤ３０による可動電極５、固定電極６からの電位の取り出しを容易なものとしている。

このように、ストッパ２６は、保護層２１上に載置して、接着剤２７にて固着させるだけであるため、極めて容易に保護層２１の耐衝撃性を向上させる構成とすることができる。

また、上述したように、保護層２１を形成するシート状フィルムを、半導体層２の表面を視認することができる程度の透過性を有する材料で形成した場合に、ストッパ２６も同様に、半導体層２を視認することができる程度の透過性を有する材料で形成すると、静電容量式センサ１の半導体層２の外観検査を視覚的に容易に行うことができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の実施の形態として示す静電容量式センサの半導体層の構成について示す図である。 前記静電容量式センサを図１に示すＩ−Ｉ線で切断した様子について説明するための断面図である。 前記静電容量式センサに保護層を形成する工程について説明するための図である。 前記静電容量式センサの検出部の詳細な構成について説明するための図である。 前記静電容量式センサの保護層を厚くすることで強度を補強した様子を示した図である。 前記静電容量式センサの保護層上に補強層を形成した様子を示した図である。 前記静電容量式センサに補強層を形成する工程について説明するための図である。 前記静電容量式センサの保護層上にストッパを載置して固着させた様子を示した図である。 前記静電容量式センサの保護層上に載置したストッパの形状の一例を示した図である。

符号の説明

１ 静電容量式センサ
２ 半導体層
５ 可動電極
６ 固定電極
６ｃ 表面
８ 検出部
２０ 絶縁基板
２１ 保護層
２３ 貫通孔
２４ 補強層
２６ ストッパ
２７ 接着剤
３０ ワイヤ
３１ フォトマスク
３１ａ 開口部
３２ フォトマスク
３２ａ 開口部

Claims (9)

1. 絶縁基板上に形成された半導体層によって物理量を検出する半導体センサにおいて、
   前記半導体層の前記絶縁基板が接合された面と対向する面上に、前記半導体層の電極の表面の一部を露出させる電極取り出し用の貫通孔を有するシート状フィルムからなる保護層を形成し、
   前記貫通孔によって露出された前記半導体層の電極の表面にワイヤボンディングが施されていること
   を特徴する半導体センサ。
2. 前記シート状フィルムとして感光性皮膜をフィルム状にしたドライフィルムを用いること
   を特徴とする請求項１記載の半導体センサ。
3. 前記保護層の厚みは、前記半導体層の厚み以上、前記絶縁基板の厚み以下であること
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体センサ。
4. 前記保護層は、前記半導体層の表面を視認することができる程度の透過性を有すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体センサ。
5. 前記保護層上に、前記保護層の強度を補強する補強層を形成すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体センサ。
6. 前記補強層は、ポリイミド樹脂からなること
   を特徴とする請求項５記載の半導体センサ。
7. 前記ポリイミド樹脂は、感光性を有すること
   を特徴とする請求項６記載の半導体センサ。
8. 前記保護層上にストッパを載置し、接着剤にて固着させること
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体センサ。
9. 前記保護層は、前記半導体層の表面を視認することができる程度の透過性を有し、
   前記ストッパは、前記保護層を介して、前記半導体層の表面を視認することができる程度の透過性を有していること
   を特徴とする請求項８記載の半導体センサ。

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