JP5006429B2 - 半導体センサー装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical Syst
ems)チップを有する半導体センサー装置およびその製造技術に関し、特に、可動部を
有するMEMSチップを備えた半導体センサ−装置およびその製造に適用して有効な技術
に関するものである。
半導体製造プロセス技術に機械加工技術や材料技術などを組み合わせることによって、
半導体基板上に三次元的な微細構造を有するシステムを実現するMEMS技術は、極めて
広汎な分野に応用可能である。特に、自動車や航空機、携帯端末機器、玩具などに用いら
れるこれら半導体センサー装置は、加速度や角速度、圧力等の物理量検出分野への適用が
注目されている。
これらの半導体センサー装置は、MEMS技術で形成された可動部を有しているのが特
徴である。可動部の動き量をピエゾ抵抗素子の抵抗変化や静電容量変化で検知し、データ
ー処理することで、加速度や角速度、圧力等の値を得るものである。特許文献1から3に
加速度センサー装置、特許文献4から6に角速度センサー装置、特許文献7から8に圧力
センサー装置が開示されている。
特開2006−133123号 公報 特開平8−233851号 公報 特開平11−160348号 公報 特開2006−175554号 公報 特開2003−194545号 公報 特表2005−524077号 公報 特開2004−132947号 公報 特開平10−98201号 公報
特許文献1の加速度センサーの構造に付いて、図9を用いて簡単に述べる。半導体セ
ンサー装置は特に断りの無い限り、加速度センサー装置を用いて説明する。また、半導体
センサー装置に用いる半導体センサーチップの構造や構成等は、特許文献1から8に準じ
ているので詳細説明の一部を省くことがある。図9a)に3軸加速度センサーの分解斜視
図を示す。3軸加速度センサー70は、ケース73にセンサーチップ71とIC規制板7
2が樹脂などの接着剤で所定の間隔を持って固着されている。センサーチップ71のチッ
プ端子78はワイヤー75でIC規制板端子77に、IC規制板端子77はワイヤー76
でケース端子710に接続され、センサーの信号は外部端子711から取り出す。ケース
73にはケース蓋74が接着剤で固着されている。図9b)は、センサーチップ71のセ
ンサー上面から見た平面図である。センサーチップ71には、3軸加速度センサー素子7
20とチップ端子78が形成されている。3軸加速度センサー素子720は、方形の枠部
714と錘部713と対を成す梁部712で構成され、錘部713が2対の梁部712で
枠部714の中央に保持されている。梁部712にはピエゾ抵抗素子が形成されている。
一対の梁にはX軸ピエゾ715とZ軸ピエゾ717が、他の一対の梁にはY軸ピエゾ71
6が形成されている。
図9に示した3軸加速度センサー70は、ケース73とケース蓋74がアルミナ等のセ
ラミックで形成されている。セラミックのため、ケース73とケース蓋74の肉厚を薄く
するには限度があり、小型化が難しいだけでなく軽量化も難しかった。セラミック製ケー
スに金属のケース端子710と外部端子711を形成し、これらをセラミック内で接続す
るため、セラミック製ケースは高価となり、セラミック製ケースを使用する限り安価な加
速度センサーの実現は難しかった。ケース73とケース蓋74は接着樹脂で接着し封止し
ている。樹脂を用いるため周囲環境変化で気密度が低下してしまうと言う問題があった。
気密性を上げる方法が、特許文献9に記載されている。図10a)に示す様に、MEM
Sチップが多数形成された基板81(以下、MEMS基板と言う)と、キャップチップが
多数形成された基板82(以下、キャップ基板と言う)とを接合し、MEMSチップ20
4の可動部分を上下のキャップチップ203で密封したMEMS組立体基板45を得る。
MEMS組立体基板45の一点鎖線で示す分離部90をダイヤモンド砥石で切断して、図
10b)に示すMEMS組立体80を得る。密封する部分はMEMSチップ204の可動
部分に限定すること、言い替えると接合総長さを短くすることで、気密性を確保し易くす
るものである。図10c)に示す様に、MEMS組立体80をケース83の内底部に接着
し、ケース83の上辺部にケース蓋84を接着し半導体センサー装置85を得る。しかし
、図10c)の様にMEMS組立体をケースに入れるのでは、小型化や低価格化を図るこ
とが難しかった。
特許文献10に開示されているような、半導体の樹脂封止技術を応用し、MEMS組立
体80を樹脂で覆った半導体センサー装置86が実用化され始めている。図10d)に、
樹脂封止した例を示す。MEMS組立体80やワイヤー5等が外気に直接触れない程度に
、モールド樹脂87を薄くすることで、小型化と軽量化が実現できる。また、図10c)
の様に、ケースの接着作業等が不要となるため、製造コストの低減が可能となる。
特開平3−2535号 公報 特開平10−170380号 公報
数多くのMEMS組立体80を樹脂で覆った半導体センサー装置86を製造するに従い
、図11に示すように、MEMS組立体のセンサー端子205以外の部位にワイヤー5が
接触して、ノイズの発生やワイヤーの線間短絡と言う不具合が低い率であるが発生した。
ワイヤー5の接触は全てキャップチップ203間で発生しており、MEMSチップ204
との接触は起こっていなかった。センサー端子205に溶接したワイヤー5は立ち上がり
、所定曲率を持って立ち下がって電極端子207に接続する事となる。このワイヤー5の
立ち上がり部分が樹脂モールド時に、樹脂によって変形してキャップチップ端面208と
接触していた。MEMSチップ側面は単純な形状をしているため、樹脂モールド時の樹脂
の動きが単純化されワイヤー5を変形させることが無いものと考えられる。
キャップチップ端面とワイヤーが接触しないようにするには、キャップチップ端面20
8とセンサー端子205の間隔を大きくすれば良いが、半導体センサー装置の小型化に反
することとなる。逆にキャップチップ端面とワイヤーが接触しても、ノイズや線間短絡が
発生しないように、電気絶縁性のキャップチップを採用するか、導電性のキャップチップ
端面を絶縁することで対応できる。もしくは、絶縁被覆されたワイヤーを使用することが
考えられる。しかし、超音波ワイヤーボンディング法やボールボンド法の作業方法から絶
縁被覆ワイヤーを使用することは考え難い。また、絶縁被覆ワイヤーを用いるとワイヤー
を曲げる曲率半径も大きくせざるを得ず、小型化に反することになる。また、裸線に比べ
絶縁被覆ワイヤーは高価であるため、製造コストの上昇を招くことになる。
電気絶縁性の材料でキャップチップを製作することは可能であるが、MEMSチップは
シリコンで製作されており、MEMSチップとキャップチップの熱膨張率が異なってしま
う。シリコンと熱膨張率が一致した絶縁材を選択し採用することは難しく、熱膨張率の差
によるクラック等の発生の問題がでる。絶縁材としてシリコンの熱膨張率とほぼ等しいガ
ラスを使用した場合でも、ガラスの加工精度や接合した後の薄肉化、電極パッドの露出加
工が困難であり、製造コスト高となることは避けられない。
シリコン製のキャップチップを用いてMEMS組立体を作製した後、キャップチップ側
面に電気絶縁性材料を付加する場合、電極端子の表面をフォトレジスト等でマスキングす
る必要がある。マスキングする部位はキャップチップから数十〜数百μm程度窪んだ面に
あるため、フォトリソ技術を用いたレジストマスクを作製することは非常に難しい。フォ
トリソ技術を用いずテープ等でマスキングすることも考えられるが、マスキングの位置精
度や作業工数の点で採用することは難しい。また、被覆の柔軟性が高い樹脂材料を用いる
ことも考えられる。しかし、MEMSチップを配線基板もしくは回路基板に実装する時に
リフロー等の加熱工程があるため、樹脂が劣化する危険性がある。
本願発明の目的は、ノイズ発生と線間短絡の原因であるキャップチップとワイヤーとの
間の電気絶縁を確保でき、またMEMSチップとキャップチップの気密性が得られる小型
軽量な半導体センサー装置およびその製造方法を提供することである。
本願発明の半導体センサー装置は、可動部を有するMEMSチップと、MEMSチップ
の少なくとも可動部を密封するキャップチップで形成されたMEMS組立体を、配線基板
もしくは回路基板にMEMS組立体を固着し、MEMSチップと回路基板、回路基板と配
線基板は配線で接続され、配線基板上の回路基板と配線、MEMS組立体を樹脂部材で封
止した半導体センサー装置であって、MEMS組立体のキャップチップ側面がウェットエ
ッチング面で形成され、該ウエットエッチング面に絶縁性保護膜が形成されていることが
好ましい。
MEMSチップは、加速度や角速度、圧力等の物理量を検出する加速度センサーやジャ
イロセンサー、圧力センサー等である。MEMSチップに外部から加速度や角速度、圧力
等が加わると、MEMSチップの可動部上に形成された抵抗素子や容量素子等で、電流や
電圧、静電容量等の物理量に変換して出力する。
MEMSチップの可動部をキャップチップで気密封止することで、雰囲気や圧力によっ
て出力値が影響を受け難い構造とすることができる。例えば、静電容量を検出する静電容
量素子の静電容量Cは、C=εεS/dで表される。ここで、εは真空の誘電率、ε
はMEMS組立体内の気体の誘電率、Sは電極面積、dは電極間隔である。MEMS組立
体内の誘電率すなわち雰囲気(ガス)や圧力(真空度)により、静電容量が変化してしま
うため、MEMS組立体内を気密封止することが好ましい。また、電流や電圧として出力
する抵抗素子では、抵抗素子の抵抗値が大気中の水分や温度の影響を受けやすい。そのた
め、MEMS組立体内に水分等が混入して測定値に与える影響を低減するため気密封止す
ることが好ましい。
キャップチップにはシリコンを用いることが好ましく、特に微細加工し易い単結晶シリ
コンが好ましい。MEMSチップは単結晶シリコンに成膜やエッチング、パターニング等
の半導体技術を適用して作製されている。MEMSチップと同じ材質でキャップチップを
作製することで、熱膨張率を合わせることができる。熱膨張率を合わせることで、MEM
S基板とキャップ基板の接合時や、他の製造工程で加わる温度変化に対しても壊れ難く、
気密性の高いMEMS組立体が得られる。キャップチップも凹凸を有する形状であるので
、成膜、パターニング、エッチング等を用いて製作する。キャップチップをMEMSチッ
プと同じ材質のシリコンとすることで、同じウェットエッチング液を使用できるのでウェ
ットエッチング液の種類を増やす必要がなく、工程の簡略化が図れる。
ワイヤーと接触する恐れのあるキャップチップ側面には、絶縁性保護膜が形成されてい
ることが重要である。キャップチップ側面以外の面である、MEMSチップ対向面および
MEMSチップ対向背面への絶縁性保護膜の形成は任意である。キャップチップのMEM
Sチップ対向背面にワイヤーが接することはないので、ウェットエッチングで薄肉化と個
片化を行ったままとし、絶縁性保護膜の形成は必要ない。キャップチップのMEMSチッ
プ対向面にも絶縁性保護膜を形成することで、MEMSチップ対向背面以外の部位をウェ
ットエッチング液から保護することができ、キャップチップの形状と寸法の安定化が図れ
る。キャップチップのMEMSチップ対向面と側面に形成される絶縁性保護膜は連続した
膜であることが好ましいものである。MEMSチップとの接合部に絶縁性保護膜が形成さ
れていても接合や気密性に問題は無い。キャップ基板のMEMS基板対向面側全面に絶縁
性保護膜を形成することで、レジストパターンの作製等を行う必要がなく、製造コストの
低減を図ることができる。
本願発明のキャップチップのMEMSチップ対向面側は、MEMSチップと固着する接
合部と可動部の駆動を抑制する凹部、キャップチップ厚み部、電極パッド開口部で構成さ
れる。ウェットエッチングでキャップチップの薄肉化と個片化を行う時、キャップ厚み部
の一部と電極パッド開口部はエッチングで除去される。電極パッド開口部の深さは、可動
部の駆動を抑制する溝より深く形成することで、キャップチップの個片化が容易となる。
MEMS基板とキャップ基板が接合されたMEMS組立基板の、キャップ基板をエッチン
グで薄肉化を進め、電極パッド開口部を完全に分離する。キャップ厚み部の一部と電極パ
ッド開口部の絶縁性保護膜のみ残った部位の、絶縁性保護膜を機械的に除去することで、
キャップチップは個片化できる。薄肉化でエッチング除去する量(厚み)は、電極パッド
開口部の厚みより大きいことが必要である。
シリコン基板に成膜とフォトリソ、エッチングで、接合部と可動部の駆動を抑制する凹
部、キャップ厚み部、電極パッド開口部を形成する。少なくとも電極パッド開口部はウェ
ットエッチングで形成する。電極パッド開口部の深さは、キャップチップの厚みより深く
形成しておく。その後、絶縁保護膜、接合金属を形成する。
少なくともキャップチップ側面となる部位をウェットエッチングで形成することで、絶
縁性保護膜の膜質が良くなる。ダイヤモンド砥石やサンドブラストで形成した面では面粗
さが粗いため、膜の連続性が悪くウェットエッチング液がシリコンと膜間に侵入し、膜の
剥離やキャップチップ形状の不安定性を起こす危険性がある。
ノイズの発生と線間短絡を防止するには、キャップチップ側面と電極パッド間の距離を
出来る限り大きく取り、ワイヤーの接触を防ぐことである。キャップチップの側面をシリ
コンの{100}面とすることで、キャップチップの側面を垂直に形成することができる
。キャップチップの側面を垂直とすることで、電極パッドとキャップチップ側壁との距離
を大きくすることが可能となり、ワイヤーの接触を防止できるだけでなく、ワイヤーボン
ディングの作業効率の向上が図れる。
本願発明の半導体センサー装置は、キャップチップ側面に形成される絶縁性保護膜は、
電気抵抗率1010(Ω・cm)以上で、耐アルカリ性を有することが好ましい。
キャップチップにワイヤーが触れてもノイズの発生や線間短絡を起こさせないため、絶
縁性保護膜の電気抵抗率は大きい程好ましい。また、キャップチップの薄肉化と個片化を
行う際に、絶縁性保護膜がアルカリ性のエッチング液でエッチングされないことが必要で
ある。また、絶縁性保護膜を通してエッチング液が侵入しないように、緻密で欠陥のない
膜である必要がある。スパッターやCVDで製膜可能な膜として、酸化シリコン(>10
14Ω・cm)、窒化シリコン(>1014Ω・cm)、アルミナ(>1014Ω・cm
)、ジルコニア(1013Ω・cm)等の材質を用いる。また、これらの材料を積層した
膜を用いても良い。キャップ基板に単結晶シリコンを使用するため、可動部の駆動を抑制
する凹部、電極開口溝を形成した後、熱酸化により酸化シリコン膜を形成しても良い。
本願発明の半導体センサー装置は、絶縁性保護膜の膜厚は0.1μm以上であることが
好ましい。
絶縁性保護膜の厚みは0.1μm以上とすることで緻密な膜となり、絶縁性の確保とエ
ッチング液の侵入を防止できる。キャップ厚み部の一部と電極パッド開口部の絶縁性保護
膜のみ残った部位の絶縁性保護膜は機械的に容易に除去でき、キャップチップ側面の絶縁
性保護膜が剥がれない膜強度と膜付着強度であることが望まれる。絶縁性保護膜の材質に
よって僅かであるが上限の膜厚は異なってくるが、概略3μmを上限とすることができる
MEMSチップ対向面側のキャップチップ接合部には、低融点金属や樹脂等の接合材料
を形成する。接合材料でMEMS基板とキャップ基板を密封固着するものである。接合材
料はリフトオフやイオンミリング、エッチング、めっき等の手法を用いて接合部に形成す
る。接合材料に低融点金属や樹脂等の様に加熱時に流れ易い材料を用いる場合、接合部面
に接合材料の流れを堰き止める溝等を形成しておくことが好ましい。
MEMSチップとキャップチップとの接合は、MEMSチップ上の検出素子や配線、電
極パッド等が耐高温特性ではないため、陽極接合や低融点材料接合(低融点金属接合や共
晶接合、低融点ガラス接合、樹脂接合等を含む)、拡散接合、表面活性化接合のいずれか
の方法を用いることが好ましい。MEMS基板とキャップ基板との接合は、低融点材料接
合がより好ましい。MEMS基板とキャップ基板を位置合わせした後、加圧と加熱により
接合する。MEMS基板とキャップ基板のうねり等により発生する隙間を、低融点材料が
流れることで隙間を埋め気密性を向上させることができる。このため、大きな圧力を加え
て基板のうねりを強制する必要がないので、キャップ基板等を破損する危険性が低くなる
。MEMS組立体内の空間を真空(減圧下)に保つ、もしくは乾燥窒素や不活性ガス等を
充填気密するため、真空(減圧)雰囲気下や乾燥窒素、不活性ガス雰囲気下で接合できる
ことが好ましい。
キャップ基板の薄肉化や個片化は、水酸化カリウム水溶液やヒドラジン、エチレンジア
ミン、水酸化アンモニウム系水溶液等のアルカリ性水溶液を用いたウェットエッチングで
行う。MEMS組立基板を、前記アルカリ性水溶液に浸漬させてキャップ基板の薄肉化と
個片化のウェットエッチングを行う。ウェットエッチング量は、アルカリ性水溶液の濃度
や温度、浸漬時間の組合せで制御することができる。
静電容量型加速度センサーやジャイロセンサー等で多く用いられている、MEMS基板
上に回路基板を搭載した構造では、キャップチップの薄肉化や電極の露出形成時に、水酸
化カリウム水溶液等のアルカリ金属イオンを含むエッチング液を使用すると、アルカリ金
属イオンが基板内に拡散して、回路基板の機能を低下させ不良となる危険性がある。そこ
で、アルカリ金属イオンを含まない、例えばテトラメチルアンモニウム水溶液等の有機系
のアルカリ性水溶液を用いることが好ましい。しかし、テトラメチルアンモニウム水溶液
を用いると、キャップチップのサイドエッチが非常に大きいためキャップチップの形状の
制御が難しい。キャップチップ側面に絶縁性保護膜を形成することでサイドエッチを防ぐ
事ができる。
キャップ基板をウェットエッチングで薄肉化と個片化を行うと、キャップ厚み部の一部
と電極パッド開口部に絶縁性保護膜のみ残った部位ができる。この絶縁性保護膜は薄いた
め、エッチング液内もしくは洗浄液内での揺動や超音波印加で容易に除去することできる
。また、ブラシで軽く擦るようにしても除去することができる。絶縁性保護膜が除去され
た時点で、実質的なキャップチップ個片化が成されたことになる。キャップ厚み部の側面
の絶縁性保護膜はウェットエッチング面上に形成されているので膜の密着力は強く、超音
波やブラシで除去すべき部位の絶縁性保護膜を除去しても、キャップ厚み部の側面の残す
べき絶縁性保護膜が除去されることはない。
絶縁性保護膜厚の違いで絶縁性保護膜の除去方法を変えることが出来る。膜材質によっ
ても異なるが目安として、絶縁性保護膜の厚み0.1〜0.5μmではエッチング液もし
くは洗浄液内での揺動、0.3〜1.0μmでは洗浄液内で超音波印加、1.0μm以上
ではブラシによる機械的除去方法が良い。絶縁性保護膜の厚みが厚くなるに従い、除去が
難しくなるのと除去に用いる機械設備の費用が高くなる。そのため、絶縁性保護膜を出来
る限り薄くすることが、製造コスト的にも好ましいものである。
MEMSチップの側面以外の表面は、耐アルカリ性水溶液材で被覆されていることが好
ましい。MEMS組立体基板をアルカリ性水溶液のウェットエッチング液に浸し、キャッ
プ基板の薄肉化と個片化をする。ウェットエッチング時、MEMSチップの可動部はキャ
ップチップで密封固着されているため、ウェットエッチング液に晒されないが、MEMS
チップの可動部以外の部位は、ウェットエッチング液に晒されるため、ウェットエッチン
グされないように、耐アルカリ性水溶液材で被覆することが好ましい。耐アルカリ性水溶
液材としては、電極パッド上には貴金属系材料を、それ以外の箇所には酸化シリコンや窒
化シリコン等の材料を、0.1μm以上積層する。MEMSチップ可動部上も耐アルカリ
性水溶液材を積層しておいても構わないものである。酸化シリコンや窒化シリコンは、C
VD(Chemical Vapor Deposition)、スパッタ等で成膜積層
する。貴金属系材料は、スパッタや真空蒸着等で成膜積層する。成膜した酸化シリコンや
窒化シリコン、貴金属系材料は、フォトリソやドライエッチング等の方法を用いてパター
ンを形成することができる。キャップ基板とMEMS基板を接合する接合材料と、耐アル
カリ性水溶液材料に用いる貴金属系材料が同じである場合は、同時に成膜できるので工数
の低減を図ることができる。耐アルカリ性水溶液材料は、ウェットエッチング作業が終わ
っても除去する必要はない。除去せず残しておくことで、除去する工数の削減を図ること
ができる。
キャップ基板をウェットエッチングで薄肉化と個片化した後、MEMS基板をダイヤモ
ンド砥石で切断することで、MEMS組立体を得ることができる。MEMS基板の切断は
、反応性イオンミリングやイオンミリング等のドライエッチングを用いることもできる。
また、レーザーを用いてMEMS基板を切断してMEMS組立体を得る事もできる。
配線基板上に樹脂接着剤や金属ペースト等を用いて回路基板を接着する。さらに、回路
基板上にMEMS組立体を樹脂接着剤等で接着する。その後、MEMS組立体と回路基板
、配線基板の電極パッドを金属の極細線(ワイヤー)等で接続する。電極パッドと金属の
極細線の接続は、超音波溶接もしくは半田溶接で行うことができる。金属の極細線による
接続の代わりに、半田ボールやボールボンドによる接続を用いることもできる。
MEMS組立体と回路基板、配線基板、ワイヤーの樹脂封止には、エポキシ樹脂やシリ
コン樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。成型方法は、液状樹
脂を用いたポッティング法もしくは粉体樹脂を用いたトランスファーモールド法を用いる
ことができる。トランスファーモールド法は、MEMS組立体と回路基板、配線基板、ワ
イヤーが一体化されたものを金型内に設置し、モールド機のポッドにタブレット状に成型
された樹脂を装填しポッドの押出し部を加熱して樹脂を軟化させ、プランジャー(押圧機
構)でポッド内の軟化した樹脂を金型内に押圧する。金型内で樹脂を硬化させた後、金型
から樹脂モールド品を取り出し半導体センサー装置を得る。ポティング法は、MEMS組
立体と回路基板、配線基板、ワイヤーが一体化されたものを金型内に設置し、液状樹脂を
金型内に流し込み樹脂を硬化させた後、金型から樹脂モールド品を取り出し半導体センサ
ー装置を得る。
MEMSチップに外部から加速度や角速度、圧力等の力が加わると、可動部上に形成し
た抵抗素子や静電容量素子等で、電流や電圧、静電容量等の物理量に変換して出力する。
出力される物理量の変化は非常に微小であるため、回路基板には出力を増幅する素子(増
幅回路等)を形成する。また、前記素子が温度の影響を受ける場合、温度補正回路等を搭
載することが好ましい。配線基板はプリント回路やリードフレーム等である。
本願発明の半導体センサー装置は、MEMS基板およびキャップ基板を形成する工程、
MEMS基板の少なくともシリコン面以外の材料表面を、耐アルカリ水溶液材で被覆する
工程、MEMS基板の少なくとも可動部を上下キャップ基板で密着封止する工程、キャッ
プ基板をウェットエッチングで薄肉化しキャップチップ間を絶縁性保護膜とする工程、キ
ャップチップ間の絶縁性保護膜を除去しキャップチップを個片化する工程、MEMS基板
を個片化してMEMS組立体を形成する工程、配線基板上に回路基板を固着する工程、回
路基板上にMEMS組立体のキャップチップ面を固着する工程、配線基板と回路基板、回
路基板とMEMS組立体を配線する工程、配線基板上の回路基板と配線、MEMS組立体
を樹脂部材で封止する工程を有することが好ましい。
キャップチップの側面に絶縁性保護膜を形成することで、樹脂モールド時にワイヤーが
変形しキャップチップに接触しても、ノイズの発生や線間短絡の発生を防ぐことができた
。また、MEMSチップとキャップチップの気密性が得られる小型軽量な半導体センサー
装置を提供することができた。
本発明の第一の実施例の加速度センサーチップの斜視図である。 本発明の第一の実施例の加速度センサー基板の平面図および断面図である。 本発明の第一の実施例のキャップ基板の平面図および断面図である。 本発明の第一の実施例の半導体センサー装置の製造プロセスを説明する図である。 本発明の第二の実施例のキャップ基板の平面図および断面図である。 本発明の第二の実施例のMEMS組立体の分解斜視図である。 本発明の第三の実施例のMEMS組立体の分解斜視図である。 本発明の第三の実施例の半導体センサー装置の製造プロセスを説明する図である。 従来の3軸加速度センサーの分解斜視図である。 従来のMEMS組立体と半導体センサー装置の断面図である。 従来の半導体センサー装置でのノイズと線間短絡の発生原因箇所を示す図である。
以下本発明について、図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。説明を判
り易くするため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。
本願発明の第一の実施例について、図1から図4を用いて、半導体センサー装置の構造
と製造プロセスを加速度センサー装置の例で説明する。そのため、MEMS基板と加速度
センサー基板、MEMSチップを加速度センサーチップと同義で用いている。図1は加速
度センサーチップの斜視図である。図2は加速度センサー基板の平面図および断面図、図
3は、キャップ基板の平面図および断面図、図4は、半導体センサー装置の製造プロセス
を説明する図である。
図1a)はピエゾ抵抗素子側、図1b)は裏面側から見たセンサーチップの斜視図であ
る。図1に示すように、加速度センサーチップ2はピエゾ抵抗素子21と配線22、電極
パッド24、2点鎖線で示した接合部20、梁部25、錘部26、枠部27等から構成さ
れている。加速度センサーチップ2の製作には、約400μm厚のシリコン板に数μmの
シリコン酸化層と約6μmのシリコン層を有するSOI(Silicon on Ins
ulator)ウェファ−を用いた。シリコン層側の面にピエゾ抵抗素子21の形状にフ
ォトレジストのパターンを形成した。シリコン層にボロンを1〜3x1018原子/cm
打ち込み、ピエゾ抵抗素子21を形成し、ピエゾ抵抗素子21に接続する配線22を、
金属スパッターとドライエッチング装置を用いて形成した。シリコン層とシリコン板をフ
ォトリソとドライエッチング装置を用いて加工し、シリコン層に形成される梁部25、お
よびシリコン層からシリコン板に渡って形成される錘部26を形成した。シリコン酸化層
はシリコンのドライエッチングの際にエッチングストッパーとして機能する。ドライエッ
チングされるのはシリコンのみであるので、シリコン板はドライエッチングされるがシリ
コン酸化層は残っている。ドライエッチング後、弗酸、弗化アンモニム水溶液に漬けシリ
コン酸化層をウェットエッチングで除去した。ドライエッチングはSF、酸素混合ガス
とCガスとを交互に導入するプラズマ内で行った。1枚のウェファ−上に多数の加
速度センサーチップを作製した。
図2に加速度センサー基板2’の一部分を示す。図2b)は加速度センサー基板のピエ
ゾ抵抗素子21側の平面図、図2a)は図2b)のj−j’断面図である。加速度センサ
ー基板は、複数の加速度センサーチップ2が形成されている。一点鎖線で示した分離部9
0で分離し個片化した。加速度センサー基板2’の上下面には、キャップ基板と接合する
接合材が形成された接合部20を設けた。接合部には、Au:0.2μm/Ni:1.0
μm/Cr:0.1μmをスパッターで形成した。ドライエッチングにより錘部26を形
成した。
図3にキャップ基板3’の一部分を示す。図3b)はキャップ基板3’の接合部側から
見た平面図、図3a)は図3b)のk−k’断面である。キャップ基板3’は400μm
厚のシリコン平板の片面に駆動抑制溝31と分離溝32を凹状に、接合部20を凸状に形
成した。分離溝32の側面(キャップチップの側面)が{111}の面となる面方位とし
ている。シリコン平板の片面に、酸化シリコン0.5μmを積層して、フォトリソで駆動
抑制溝31のパターンを形成した。その後、窒化シリコン0.1μmを積層してキャップ
基板の分離溝32のパターンを形成した。次に67℃の温度で、40wt%水酸化カリウ
ム水溶液を用い分離溝32を85μm深さにウェットエッチングした。次に、窒化シリコ
ンを除去して、駆動抑制溝31を深さ15μmに、分離溝32を15μm追加ウェットエ
ッチングし、分離溝32の深さを100μmとした。MEMS基板対向面側に窒化シリコ
ンの絶縁性保護膜33を0.3μm厚にCVDで形成した。分離溝32と駆動抑制溝31
の間に形成された接合部20には、Au:0.2μm/Ni:1.0μm/Cr:0.1
μmをスパッターで形成した後、Au−Sn合金積層膜を4μm厚に電気めっきで形成し
た。
加速度センサーのピエゾ抵抗素子21や配線22、電極パッド24を形成した後、それ
らの上に窒化シリコンをCVDで0.2μm積層した後、電極パッド上の窒化シリコンを
フォトリソ、エッチングで除去した。次にフォトレジストで電極パッド24および接合部
を開口した後、金属スパッタで、Cr0.1μm−Ni1.0μm−Au0.5μmの順
で積層膜を形成した。次に電極パッド24と接合部20以外のフォトレジストと金属膜を
除去し、ウェットエッチング液に晒される部位を保護した。
接合部20の幅は気密封止できるように60μmとした。キャップ基板3’は厚さ40
0μmとしたので、キャップ基板3’と加速度センサー基板2’を加圧接合する時の圧力
約10kNに対して十分な強度を有しており、加圧接合時に割れたり、クラックが入った
りするような問題は起きなかった。
図4を用いて、本実施例の半導体センサー装置の製造プロセスを説明する。加速度セン
サー基板2’の上下面にキャップ基板3’を接合し、MEMS組立基板45を得る[図4
a)]。67℃に加熱した40wt%水酸化カリウム水溶液にMEMS組立基板45を浸
漬して、2点鎖線で示すエッチングライン90’までキャップ基板3’をエッチングして
薄肉化した。エッチングで除去した厚みは300μmである。このキャップ基板薄肉化で
分離溝32のシリコンは完全に除去され、絶縁性保護膜33のみとなっている[図4b)
]。エッチング液内でMEMS組立基板45を10回程度上下左右に揺動させて、キャッ
プチップ間の絶縁性保護膜33を除去した[図4c)]。加速度センサー基板2’の分離
部90に沿って2000番のダイヤモンド砥石60を用い、砥石回転数20000rpm
で切断し、MEMS組立体80を得た[図4d)]。
厚さ200μmの配線基板6上に加速度センサー素子からの信号の増幅や温度補正等を
行う回路基板4を、エポキシ接着剤で固定した[図4e)]。回路基板4の上にMEMS
組立体80をエポキシ系樹脂で固着し、MEMS組立体80の電極パッド24と回路基板
4の電極パッド41、回路基板4の電極パッド42と配線基板6の電極パッド61は、直
径25μmの裸金ワイヤー5を超音波ボンダーで接続を行った[図4f)]。
MEMS組立体80と回路基板4、配線基板6が組立てられた構造体を、トランスファ
ーモールド法を用いエポキシ樹脂7でモールド成型した。トランスファーモールド作業は
次の手順、条件で行った。MEMS組立体80と回路基板4、配線基板6が組立てられた
構造体を、成型用金型内の所定の位置に保持した。モールド機のポッドにタブレット状に
成型された樹脂を装填し、ポッドの押出し部を加熱して樹脂を軟化させ、プランジャー(
押圧機構)でポッド内の軟化した樹脂を金型内に押圧する。金型内に175℃の樹脂を5
MPaの圧力で押圧した。成型時間は2分とした。金型内で樹脂を硬化させた後、金型か
ら樹脂モールド品を取り出し半導体センサー装置1を得た[図4g)]。一度のトランス
ファーモールド作業で、50個の半導体センサー装置1が得られる金型を用いた。
本願発明の第二の実施例を図5、6を用いて説明する。図5はキャップ基板の平面図お
よび断面図、図6はMEMS組立体の分解斜視図である。キャップチップ3のMEMS基
板対向面側形状と絶縁性保護膜33の材質、キャップチップ3間の絶縁性保護膜33の除
去方法以外は実施例1と同じである。図5に示すように、キャップチップ3のMEMS基
板対向面側の凹凸形状は、熱酸化で酸化シリコン1.0μmを形成した後、フォトリソ技
術を用い駆動抑制溝31のパターンを形成した。更に、熱酸化で酸化シリコン0.7μm
を形成してキャップ基板の分離溝32のパターンを作製した。次に67℃の40wt%水
酸化カリウム水溶液を用いて、分離溝32を90μm深さにウェットエッチングした。酸
化シリコンを除去して、駆動抑制溝31を深さ10μmにエッチングすると共に、分離溝
32は15μmの追加ウェットエッチングし、分離溝32には10μmの追加エッチング
を行い、総深さを100μmとした。駆動抑制溝3と分離溝32を形成した面に熱酸化で
酸化シリコン0.6μmを形成し絶縁性保護膜33とした。
接合部20には、Cr:0.1μm、Ni:0.5μm、Au:0.2μm、Au−S
n:4μm形成した。分離溝32の側壁は、{100}面で形成しているため、MEMS
基板2に対して垂直に形成でき、電極24とキャップチップ3の側面との距離を大きくで
き、ワイヤーとの接触を防止することができた。また、駆動抑制溝31の側面は、{11
1}面と{100}面で構成された形状とした。
キャップチップ間の絶縁性保護膜の除去は、次の方法で行った。キャップチップ間の絶
縁性保護膜は、エッチング液内での揺動でほぼ除去できたが、イソプロピルアルコールと
水の混合液中に浸漬させて、超音波を印加することで残渣分を含め、完全に除去すること
ができた。イソプロピルアルコールと水の混合液を用いることで、除去した酸化シリコン
が再付着することはなかった。
本願発明の第三の実施例を図7、8を用いて説明する。本実施例のMEMS組立体は、
静電容量型のジャイロセンサーである。静電容量型のジャイロセンサーの検知部はシリコ
ン基板の片面に形成されているので、キャップチップは1個である点が実施例1,2と異
なっている。図7はMEMS組立の分解斜視図、図8は半導体センサー装置の製造プロセ
スを説明する図である。
図7に示すように、MEMSチップ2は、静電容量検出部10と回路素子11、配線1
3、電極パッド14、接合部20等から構成されている。MEMSチップ2の製作には、
約500μm厚のシリコン板に数μmのシリコン酸化層と数10μmのシリコン層を有す
るSOIウェファーを使用した。シリコン層側の面に半導体プロセス技術とフォトリソ技
術、製膜技術を用い、信号の増幅等を行う回路素子11と静電容量検出部10、接合部2
0、電極パッド14を形成した。キャップチップは、実施例1の図3と図4で示した形状
である。熱酸化で形成した酸化シリコン1.0μm形成したものを絶縁保護膜33とした
本実施例の半導体センサー装置の製造プロセスを、図8を用いて説明する。MEMS基
板2’の回路素子11や静電容量検出部10等形成面側にキャップ基板3’を接合し、M
EMS組立基板45を得る[図8a)]。70℃に加熱した25wt%のテトラメチルア
ンモニウム水溶液にMEMS組立基板45を浸漬して、2点鎖線で示すエッチングライン
90’までキャップ基板3’とMEMS基板2’をエッチングして薄肉化した。エッチン
グで除去した厚みは300μmである。このキャップ基板薄肉化で分離溝32のシリコン
は完全に除去され、絶縁性保護膜33のみとなっている[図8b)]。エッチング液や洗
浄液内でMEMS組立基板45を揺動させることで、キャップチップ間の絶縁性保護膜3
3をほぼ除去することができるが、残渣分を数回ブラッシングすることで完全に除去した
。[図8c)]。MEMS基板2’の分離部90に沿ってレーザー照射を行い切断した。
レーザーには定格出力800Wの炭酸ガスレーザーを用いた。1〜2m/minの送り速
度で切断加工を行い、MEMS組立体80を得た[図8d)]。
厚さ200μmの配線基板6上に、MEMS組立体80をエポキシ系樹脂で固着し、M
EMS組立体80の電極パッド14と配線基板6の電極パッド61間を直径25μmの金
裸ワイヤー5で接続した[図8e)]。MEMS組立体80と配線基板6が組立てられた
構造体を、トランスファーモールド法を用いエポキシ樹脂7でモールド成型した。トラン
スファーモールド作業は次の手順、条件で行った。MEMS組立体80と配線基板6が組
立てられた構造体を、成型用金型内の所定の位置に保持した。モールド機のポッドにタブ
レット状に成型された樹脂を装填し、ポッドの押出し部を加熱して樹脂を軟化させ、プラ
ンジャー(押圧機構)でポッド内の軟化した樹脂を金型内に押圧する。金型内に175℃
の樹脂を5MPaの圧力で押圧した。成型時間は2分とした。金型内で樹脂を硬化させた
後、金型から樹脂モールド品を取り出し半導体センサー装置1を得た[図8f)]。一度
のトランスファーモールド作業で、50個の半導体センサー装置1が得られる金型を用い
た。
本願発明の実施例1から3の絶縁性保護膜33を有するシリコンキャップを用いた半導
体センサー装置と、従来の絶縁性保護膜の無いシリコンキャップを用いた半導体センサー
装置を用い、ノイズの発生および線間短絡の有無を評価した。供試数は各2000個であ
る。従来の半導体センサー装置では、ノイズの発生と線間短絡を合わせた不良数は8個で
、不良率は0.4%であった。キャップチップ側面に絶縁性保護膜を形成した半導体セン
サー装置では、実施例1から3のいずれの試料も不良数は0個、不良率0%であった。キ
ャップチップ側面に絶縁性保護膜を形成することで、ノイズの発生や線間短絡の不具合を
解決できた。また、詳細説明は省くが、MEMSチップとキャップチップの気密性には、
何らの不具合もなかった。
1 半導体センサー装置、
2 加速度センサーチップ、
2’,81 MEMS基板,加速度センサー基板、
3,203 キャップチップ、
3’,82 キャップ基板、
4 回路基板、
5,75,76 ワイヤー、6 配線基板、
7 エポキシ樹脂、10 静電容量検出部、
11 回路素子、13,22 配線、
14,41,42 電極パッド、20 接合部、
21 ピエゾ抵抗素子、24 電極パッド、
25,712 梁部、26,713 錘部、
27,714 枠部、31 駆動抑制溝、
32 分離溝、33 絶縁性保護膜、
45 MEMS組立基板、60 ダイヤモンド砥石、
61 電極パッド、70,720 3軸加速度センサー、
71 センサーチップ、72 IC規制板、
73 ケース、74 ケース蓋、
77 IC規制板端子、78 チップ端子、
80 MEMS組立体、83 ケース、
84 ケース蓋、85,86 半導体センサー装置、
87 モールド樹脂、90 分離部、
90’ エッチングライン、204 MEMSチップ、
205 センサー端子、207 電極端子、
208 キャップチップ端面、710 ケース端子、
711 外部端子、715 X軸ピエゾ、
716 Y軸ピエゾ、717 Z軸ピエゾ。

Claims (1)

  1. MEMS基板およびキャップ基板を形成する工程、MEMS基板の少なくともシリコン
    面以外の材料表面を、耐アルカリ水溶液材で被覆する工程、MEMS基板の少なくとも可
    動部を上下キャップ基板で密着封止する工程、キャップ基板をウェットエッチングで薄肉
    化しキャップチップ間を絶縁性保護膜とする工程、キャップチップ間の絶縁性保護膜を除
    去しキャップチップを個片化する工程、MEMS基板を個片化してMEMS組立体を形成
    する工程、配線基板上に回路基板を固着する工程、回路基板上にMEMS組立体のキャッ
    プチップ面を固着する工程、配線基板と回路基板、回路基板とMEMS組立体を配線する
    工程、配線基板上の回路基板と配線、MEMS組立体を樹脂部材で封止する工程を有する
    ことを特徴とする半導体センサー装置の製造方法。
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