JP5151085B2 - センサーユニットおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサーユニットに係り、特に多軸加速度成分と多軸角速度成分を検出できる多軸モーションセンサーを搭載したセンサーユニットと、このセンサーユニットを簡便に製造する方法に関する。

従来から、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサー、加速度センサー等のセンサーと、このセンサーを制御する能動素子とを備えたセンサーユニットが種々の用途に用いられている。このようなセンサーユニットとしては、例えば、ワイヤボンディング、金属バンプ等の接続手段を用いて配線基板上にセンサー内蔵モジュールと能動素子内蔵モジュールを実装し、これらを樹脂封止して保護したものが知られている（特許文献１）。
一方、物体のモーション検出には、加速度センサーや角速度センサー等が複数組み合わされて使用されていた。そして、小型化、コスト低減の要請から、加速度センサーや角速度センサーの多軸化が進み、最近では、加速度と角速度を同時に検出する多軸モーションセンサーが開発されている（特許文献２、３）。
特開２００３−２５９１６９号公報 特開平８−６８６３６号公報 特開２００４−６９４０５号公報

しかしながら、上述のような従来のセンサーユニットは、配線基板上に実装されたセンサー内蔵モジュールが、能動素子内蔵モジュールの実装部位とは別の部位に位置するため、配線基板の面方向の広がりが必要であった。このため、センサーユニットの小型化には限界があった。
また、配線基板上にセンサー内蔵モジュールと能動素子内蔵モジュールを個々に実装するため、個々のモジュールを配線基板の所定の位置に実装するための位置合せを正確に行なう必要があり、工程管理が煩雑であるとともに、実装位置のズレを生じた場合、センサーユニットの信頼性が低下するという問題があった。
さらに、実装時にセンサーが高温に曝されることがあり、センサーの特性の低下や、センサーユニットの信頼性低下を引き起こすことがあった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、小型で信頼性の高いセンサーユニットと、このようなセンサーユニットを簡便に製造するための製造方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明のセンサーユニットは、多軸モーションセンサーと、貫通電極を有するインターポーザと、能動素子内蔵モジュールとをこの順に多段状態で備え、前記多軸モーションセンサーは、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ基板からなるセンサー本体と、該センサー本体を挟持するように配設されたガラス基板とを備え、前記インターポーザと対向する前記ガラス基板に外部配線を有し、前記インターポーザは、貫通電極に接続された配線を両面に有し、一方の面の前記配線は対向する前記多軸モーションセンサーの外部配線に接合され、前記能動素子内蔵モジュールは、基板と、該基板に内蔵された能動素子と、前記基板を貫通する複数の貫通電極を前記能動素子から外側の領域に有するとともに、前記貫通電極と前記能動素子を接続する配線を有し、前記貫通電極は前記インターポーザの前記配線に接合されており、前記インターポーザの配線と前記多軸モーションセンサーの外部配線との接合、および、前記能動素子内蔵モジュールの貫通電極と前記インターポーザの配線との接合は、接合バンプを介したものであり、該接合バンプは、Ａｕ、Ｓｎ−Ａｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金のいずれかであり、接合バンプを挟持するようにＣｕ／Ｃｒ積層、Ｃｕ／Ｔｉ積層、Ａｌ／Ｃｒ積層、Ａｌ／Ｔｉ積層のいずれかの金属層が配設されているような構成とした。

本発明の他の態様として、前記接合バンプは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎあるいはこれらの合金のいずれかの導電性粉末と樹脂成分とを有する導電性ペースト、または、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎのいずれかの導電材料であるような構成とした。

また、本発明のセンサーユニットは、能動素子内蔵モジュールと、該能動素子内蔵モジュール上に接合された多軸モーションセンサーを備え、前記多軸モーションセンサーは、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ基板からなるセンサー本体と、該センサー本体を挟持するように配設されたガラス基板とを備え、前記能動素子内蔵モジュールと対向する前記ガラス基板に外部配線を有し、前記能動素子内蔵モジュールは、基板と、該基板に内蔵された能動素子と、前記基板を貫通する複数の貫通電極を前記能動素子から外側の領域に有するとともに、前記貫通電極と前記能動素子を接続する配線を有し、前記多軸モーションセンサーの前記外部配線を有する前記ガラス基板と前記能動素子内蔵モジュールの前記基板とが陽極接合されており、前記貫通電極は前記多軸モーションセンサーの外部配線に接続されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記多軸モーションセンサーの前記センサー本体は、中央に梁を介して支持された錘と、該錘の両面に配設された所望形状の電極とを有し、前記ガラス基板は、前記錘と間隙を介して対向する面に複数の電極を有するような構成とした。

本発明のセンサーユニットの製造方法は、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩウエハと、２枚のガラスウエハとを多面付けに区画し、これらに対して各面付け毎に所望の加工を施して、ＳＯＩウエハに形成されたセンサー本体を、ガラスウエハに形成されたガラス基板で挟持した積層構造の多軸モーションセンサーを多面付けで作製する工程と、インターポーザ用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に複数の微細貫通孔を形成し、該微細貫通孔に導電材料を配設して貫通電極とし、該貫通電極に接続した所望の配線および接合バンプを表裏に形成して、インターポーザを多面付けで作製する工程と、能動素子内蔵モジュール用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に能動素子を内蔵させ、該能動素子の外側の領域に複数の微細貫通孔を形成し、該微細貫通孔に導電材料を配設して貫通電極とし、該貫通電極と前記能動素子とを接続するための配線を形成して、能動素子内蔵モジュールを多面付けで作製する工程と、インターポーザの一方の面の接合バンプと前記多軸モーションセンサーの外部配線とを接合し、インターポーザの他方の面の接合バンプと前記能動素子内蔵モジュールの貫通電極とを接合して、多面付けのセンサーユニットとする工程と、多面付けのセンサーユニットをダイシングする工程と、を有するような構成とした。

また、本発明のセンサーユニットの製造方法は、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩウエハと、２枚のガラスウエハとを多面付けに区画し、これらに対して各面付け毎に所望の加工を施して、ＳＯＩウエハに形成されたセンサー本体を、ガラスウエハに形成されたガラス基板で挟持した積層構造の多軸モーションセンサーを多面付けで作製する工程と、能動素子内蔵モジュール用のシリコンウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に能動素子を内蔵させ、該能動素子の外側の領域に複数の微細貫通孔を形成し、該微細貫通孔に導電材料を配設して貫通電極とし、該貫通電極と前記能動素子とを接続するための配線を形成して能動素子内蔵モジュールを多面付けで作製する工程と、前記多軸モーションセンサーの外部配線形成面側のガラスウエハと、前記能動素子内蔵モジュールの前記シリコンウエハとを陽極接合して、多面付けのセンサーユニットとする工程と、多面付けのセンサーユニットをダイシングする工程と、を有するような構成とした。

このような本発明のセンサーユニットは、多軸モーションセンサーとインターポーザと能動素子内蔵モジュールとが多段状態に接合された構造、あるいは、能動素子内蔵モジュールと多軸モーションセンサーを接合した構造であり、配線基板を備えていないので、面積、高さともに大幅な小型化が可能となる。

また、本発明の製造方法は、ウエハレベルで多軸モーションセンサーとインターポーザと能動素子内蔵モジュールとの接合を行う一括アッセンブリー、あるいは、ウエハレベルで多軸モーションセンサーと能動素子内蔵モジュールとの接合を行う一括アッセンブリーが可能であり、工程管理が容易で製造コストの低減が可能であり、また、接合が、接合バンプを用いた低温接合、あるいは、陽極接合であるため、多軸モーションセンサーへの熱の影響を阻止することができ、信頼性の高いセンサーユニットの製造が可能となる。

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。
［センサーユニット］
図１は、本発明のセンサーユニットの一実施形態を示す概略断面図である。図１において、本発明のセンサーユニット１は、多軸モーションセンサー２とインターポーザ３と能動素子内蔵モジュール４とがこの順に多段状態で接合されたものである。また、多軸モーションセンサー２とインターポーザ３との間隙部には封止樹脂層５が介在し、インターポーザ３と能動素子内蔵モジュール４との間隙部にも封止樹脂層６が介在している。
センサーユニット１を構成する多軸モーションセンサー２は、従来公知の多軸モーションセンサー、例えば、３軸加速度成分と２軸角速度成分を同時に検出できるＭＥＭＳ（Micro Electromechanical System）型の５軸モーションセンサー、圧力センサー、イメージセンサー等の光学センサー等であってよく、特に制限はない。図示例では、多軸モーションセンサー２は、センサー本体１１と、これを挟持するように配設された第１ガラス基板１２、第２ガラス基板１３を備えている。

図２は図１に示される多軸モーションセンサー２を構成するセンサー本体１１、第１ガラス基板１２、第２ガラス基板１３を離間させた状態を示す拡大図であり、センサー本体１１は、酸化シリコン層１７をシリコン層１６（活性層シリコン）とシリコン層１８（基板シリコン）で挟持した３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１５からなる。図３は、このセンサー本体１１のシリコン層１６（活性層シリコン）側からの平面図であり、図４は、シリコン層１８（基板シリコン）側からの平面図である。そして、図１、図２に示されるセンサー本体１１は、図３におけるＩ−Ｉ線での縦断面形状を示している。また、図５は、図３におけるII−II線での縦断面形状を示している。
図１〜図５に示されるように、センサー本体１１は、枠部材２１と、シリコン層１６（活性層シリコン）からなる十字型の梁２２と、４本の梁２２で支持された錘２３と、枠部材２１と各梁２２とで囲まれた４箇所の領域にそれぞれ独立して配設された複数（図示例では１２個）の柱部材２４とを備えている。４本の梁２２に支持されている錘２３は、例えば、０．０１〜１Ｐａ程度の減圧環境にある。

錘２３は、その厚みが枠部材２１および柱部材２４よりも薄いものであり、シリコン層１６（活性層シリコン）側に電極２５とコンタクト電極２６を有し、シリコン層１８（基板シリコン）側には電極２７を有している。図３、図４では、電極２５と電極２７に斜線を付して示している。この電極２５、２７は、基部２５ａ、２７ａと、この基部２５ａ、２７ａから十字型の梁２２の間に突出している４個の突出部２５ｂ、２７ｂとを有するパターン形状をなしている。また、コンタクト電極２６は、酸化シリコン層１７を貫通してシリコン層１８（基板シリコン）に接続しており、これによりシリコン層１６（活性層シリコン）とシリコン層１８（基板シリコン）との導通、したがって、コンタクト電極２６（電極２５）と電極２７との導通がとられている。

柱部材２４は、それぞれシリコン層１６（活性層シリコン）側にコンタクト電極２８ａを有し、シリコン層１８（基板シリコン）側にはコンタクト電極２８ｂを有している。そして、コンタクト電極２８ａは、酸化シリコン層１７を貫通してシリコン層１８（基板シリコン）に接続している。これにより、各柱部材２４では、シリコン層１６（活性層シリコン）とシリコン層１８（基板シリコン）との導通、したがって、コンタクト電極２８ａとコンタクト電極２８ｂとの導通がとられている。

多軸モーションセンサー２を構成する第１ガラス基板１２は、センサー本体１１に接合されている面に電極３１を有し、また、複数の外部電極３４を有している。図６は、このような第１ガラス基板１２の電極３１配設面側の平面図である。尚、図１、図２に示される第１ガラス基板１２は、図６におけるＩ−Ｉ線での縦断面形状を示している。図１、図２、図６に示されるように、電極３１は１個の十字型の中心電極３２と、これを囲むように配設された４個の周囲電極３３とからなっている。中心電極３２は、錘２３に形成された電極２７の基部２７ａに所望の間隙を介して対向しており、また、４個の周囲電極３３は、錘２３に形成された電極２７の４個の突出部２７ｂに所望の間隙を介して対向している。また、外部電極３４は、センサー本体１１の柱部材２４に対応した箇所に配設されており、各外部電極３４は、各柱部材２４のコンタクト電極２８ｂに接続されている。さらに、第１ガラス基板１２は、インターポーザ３と接合されている面に、外部配線３５を有し、この外部配線３５は外部電極３４の接続されている。

一方、多軸モーションセンサー２を構成する第２ガラス基板１３は、センサー本体１１に接合されている面に電極４１を有している。図７は、このような第２ガラス基板１３の電極４１配設面側の平面図である。そして、図１、図２に示される第２ガラス基板１３は、図７におけるＩ−Ｉ線での縦断面形状を示している。図１、図２、図７に示されるように、電極４１は１個の十字型の中心電極４２と、これを囲むように配設された４個の周囲電極４３とからなっている。中心電極４２は、錘２３に形成された電極２５の基部２５ａに所望の間隙を介して対向しており、また、４個の周囲電極４３は、錘２３に形成された電極２５の４個の突出部２５ｂに所望の間隙を介して対向している。

上述のような多軸モーションセンサー２は、４本の梁２２で支持された錘２３に、Ｘ軸、Ｙ軸、あるいは、Ｚ軸（図１参照）方向に加速度が作用すると、錘２３に変位が生じる。この変位により、第１ガラス基板１２の４個の周囲電極３３と錘２３の電極２７の４個の突出部２７ｂとの間の静電容量、および、第２ガラス基板１３の４個の周囲電極４３と錘２３の電極２５の４個の突出部２５ｂとの間の静電容量がそれぞれ変化し、この静電容量の変化量で３軸の加速度成分が求められる。また、多軸モーションセンサー２では、第１ガラス基板１２の中心電極３２と錘２３の電極２７の基部２７ａとの間、および、第２ガラス基板１３の中心電極４２と錘２３の電極２５の基部２５ａとの間に、位相が１８０°異なる交流信号を付加すると、４本の梁２２で支持された錘２３はクーロン力でＺ軸に単振動する。この状態で錘２３にＹ軸周りの角速度が作用すると、Ｘ軸方向にコリオリ力が発生し、また、錘２３にＸ軸周りの角速度が作用すると、Ｙ軸方向にコリオリ力が発生する。そして、２軸の角速度成分は、錘２３のＸ軸方向とＹ軸方向の変位を静電容量の変化で検出することができる。尚、静電容量の変化による加速度検出と角速度検出との弁別は、角速度検出を高周波数域、加速度検出を低周波数域とすることにより可能である。上述の多軸モーションセンサー２の動作原理は、例えば、電学論Ｅ．１２６巻６号、２００６年に詳しく記載されている。

センサーユニット１を構成するインターポーザ３は、基板５１と、この基板５１に設けられた複数の微細貫通孔５２と、これらの微細貫通孔５２内に配設された貫通電極５３とを備えている。基板５１の材質は、例えば、シリコン、ガラス等を挙げることができる。また、微細貫通孔５２は、開口径が１〜５０μｍ、好ましくは５〜３０μｍ程度である。この微細貫通孔５２の形状は、図示例では厚み方向で内径がほぼ一定のストレート形状であるが、これに限定されず、一方の開口径が広いテーパー形状をなすもの、厚み方向のほぼ中央で内径が狭くなっているような形状等であってもよい。
上記のような微細貫通孔５２内に配設された貫通電極５３は、微細貫通孔５２内に充填されたものであってもよく、また、微細貫通孔５２の内壁面に形成され、貫通孔が存在するようなものであってもよい。貫通電極５３の材質は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等の導電材料とすることができる。

インターポーザ３は、多軸モーションセンサー２と対向する面に、上記の貫通電極５３に接続された配線５４を有し、能動素子内蔵モジュール４と対向する面に、配線５５を有している。そして、多軸モーションセンサー２に対向する面に位置する配線５４は、接合バンプ５５を介して多軸モーションセンサー２の外部配線３５に接合されている。一方、インターポーザ３の配線５６は、接合バンプ５７を介して、後述する能動素子内蔵モジュール４の配線６４に接合されている。尚、インターポーザ３の配線５６が、接合バンプ５７を介して、後述する能動素子内蔵モジュール４の貫通電極６３に直接（配線６４ではなく）接合するものであってもよい。

図８は、接合バンプ５５を介した多軸モーションセンサー２の外部配線３５とインターポーザ３の配線５４との接合の一例を説明するための部分拡大断面図である。図８に示される例では、金属層３５ａ、金属層３５ｂとの積層である外部配線３５と、金属層５４ａ、金属層５４ｂとの積層である配線５４は、接合バンプ５５を介して接合されている。金属層３５ａ、金属層３５ｂとの積層である外部配線３５としては、例えば、Ａｌ／Ｃｒ積層、Ａｌ／Ｔｉ積層等とすることができる。また、金属層５４ａ、金属層５４ｂとの積層である配線５４としては、例えば、Ｃｕ／Ｃｒ積層、Ｃｕ／Ｔｉ積層等とすることができる。尚、外部配線３５、配線５４を所望の導電材料で形成し、接合バンプ５５による接合部位に上記のような金属層を形成してもよい。例えば、外部配線３５をＡｌで形成し、接合バンプ５５による接合部位にＣｒやＴｉ等の金属層を形成し、また、配線５４をＣｕで形成し、接合バンプ５５による接合部位にＣｒやＴｉ等の金属層を形成してもよい

接合バンプ５５の材質は、例えば、Ａｕ、Ｓｎ−Ａｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金等とすることができる。接合バンプ５５の形状は特に制限がなく、例えば、高さを５〜２０μｍ、太さを１０〜１００μｍの範囲で適宜設定することができる。このような接合バンプ５５を介した外部配線３５と配線５４の接合は、４００℃以下の温度で安定して行うことができる。
尚、封止樹脂層５は、上述のような接合バンプ５５を介した外部配線３５と配線５４の接合がなされた後に、多軸モーションセンサー２とインターポーザ３との間隙部に樹脂部材を注入して形成できる。

また、図９は、接合バンプ５５を介した多軸モーションセンサー２の外部配線３５とインターポーザ３の配線５４との接合の他の例を説明するための部分拡大断面図である。図９に示される例では、接合バンプ５５は導電性ペーストであり、絶縁性の樹脂材料あるいは異方性導電樹脂を封止樹脂層５として使用している。接合バンプ５５を形成する導電性ペーストは、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等のいずれかの導電性粉末、あるいは、これらの合金の導電性粉末と、樹脂成分とを有する導電性ペーストであってよい。尚、接合バンプ５５は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等のいずれかの導電材料であってもよい。一方、外部配線３５と配線５４の材質は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等の導電材料とすることができる。このような接合バンプ５５を介した外部配線３５と配線５４の接合は、２００℃以下の温度で安定して行うことができる。

センサーユニット１を構成する能動素子内蔵モジュール４は、基板６１と、この基板６１に内蔵された能動素子６５と、この能動素子６５の外側の領域の基板６１に形成された複数の微細貫通孔６２と、これらの微細貫通孔６２内に配設された貫通電極６３とを備えている。基板６１のインターポーザ３と対向する面には、貫通電極６３に接続している配線６４が配設されている。また、基板６１のインターポーザ３と対向する面の反対側の面には、能動素子６５の所望の端子（図示せず）と所望の貫通電極６３とを接続している配線（図示せず）が配設されている。そして、これらの配線の所望箇所には、外部端子としてのはんだバンプ６６が配設されている。
基板６１の材質は、例えば、シリコン、ガラス等を挙げることができる。また、微細貫通孔６２は、開口径が１〜５０μｍ、好ましくは５〜３０μｍ程度である。この微細貫通孔６２の形状は、図示例では厚み方向で内径がほぼ一定のストレート形状であるが、これに限定されず、一方の開口径が広いテーパー形状をなすもの、厚み方向のほぼ中央で内径が狭くなっているような形状等であってもよい。

上記のような微細貫通孔６２内に配設された貫通電極６３は、微細貫通孔６２内に充填されたものであってもよく、また、微細貫通孔６２の内壁面に形成され、貫通孔が存在するようなものであってもよい。貫通電極６３の材質は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等の導電材料とすることができる。
接合バンプ５７を介したインターポーザ３の配線５６と能動素子内蔵モジュール４の貫通電極６３、配線６４との接合は、上述の接合バンプ５５を介した多軸モーションセンサー２の外部配線３５とインターポーザ３の配線５４との接合と同様とすることができる。尚、接合バンプ５５、５７の形状、寸法は同一であってもよく、また、異なるものであってもよい。
上述のようなセンサーユニット１は、多軸モーションセンサーとインターポーザと能動素子内蔵モジュールとが多段状態に接合された構造であり、配線基板を備えていないので、面積、高さともに大幅な小型化が可能となる。また、インターポーザが介在するので、端子位置等が異なる種々の多軸モーションセンサーと能動素子との組み合わせ一体化が可能である。

図１０は、本発明のセンサーユニットの他の実施形態を示す概略断面図である。図１０において、本発明のセンサーユニット７１は、多軸モーションセンサー２と能動素子内蔵モジュール７４とが接合されたものである。
センサーユニット７１を構成する多軸モーションセンサー２は、上述のセンサーユニット１を構成する多軸モーションセンサー２と同じであり、従来公知の多軸モーションセンサー、例えば、３軸加速度成分と２軸角速度成分を同時に検出できるＭＥＭＳ型の５軸モーションセンサー、圧力センサー、イメージセンサー等の光学センサー等であってよく、特に制限はない。図示例では、センサーユニット７１を構成する多軸モーションセンサー２に、上述のセンサーユニット１を構成する多軸モーションセンサー２と同じ部材番号を付し、ここでの説明は省略する。

センサーユニット７１を構成する能動素子内蔵モジュール７４は、シリコン基板８１と、このシリコン基板８１に内蔵された能動素子８５と、この能動素子８５の外側の領域のシリコン基板８１に形成された複数の微細貫通孔８２と、これらの微細貫通孔８２内に配設された貫通電極８３とを備えている。シリコン基板８１の多軸モーションセンサー２と対向する面には、貫通電極８３に接続している配線８４が配設されている。また、シリコン基板８１の多軸モーションセンサー２と対向する面の反対側の面には、能動素子８５の所望の端子（図示せず）と所望の貫通電極８３とを接続する配線（図示せず）が配設されている。そして、これらの配線の所望箇所には、外部端子としてのはんだバンプ８６が配設されている。
微細貫通孔８２の形状、開口径、貫通電極８３の材質、形状は、上述の微細貫通孔６２、貫通電極６３と同様とすることができる。

このセンサーユニット７１では、多軸モーションセンサー２の第１ガラス基板１２と、能動素子内蔵モジュール７４を構成するシリコン基板８１とが陽極接合されている。図１１は、この接合状態の一例を説明するための部分拡大断面図である。図１１に示されるように、第１ガラス基板１２とシリコン基板８１とが陽極接合されているとともに、上記の貫通電極８３に接続された配線８４は、多軸モーションセンサー２の外部配線３５に圧着されて接続されている。この場合、外部配線３５と配線８４は、第１ガラス基板１２と基板８１との陽極接合と同時に圧着接続可能な材料が好ましく、例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｎｄ等を使用することが好ましい。また、外部配線３５と配線８４の厚みは、例えば、０．１〜３μｍ程度の範囲で設定することが好ましい。
上述のようなセンサーユニット７１は、多軸モーションセンサーと能動素子内蔵モジュールとが多段状態に接合された構造であり、配線基板を備えていないので、面積、高さともに大幅な小型化が可能となる。
上述のセンサーユニットの実施形態は例示であり、本発明のセンサーユニットはこれらに限定されるものではない。

［センサーユニットの製造方法］
次に、本発明のセンサーユニットの製造方法について、上述の図１に示すセンサーユニット１を例として説明する。
図１２および図１３は、本発明のセンサーユニットの製造方法の一実施形態を示す工程図である。本発明では、まず、多面付けで多軸モーションセンサー２を作製する。すなわち、シリコン層１６（活性層シリコン）、酸化シリコン層１７、シリコン層１８（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ１５′と、２枚のガラスウエハ１２′，１３′とを多面付け（各面付け部を１Ａで示す）に区画する（図１２（Ａ））。そして、これらに対して各面付け１Ａ毎に所望の加工を施して、ＳＯＩウエハ１５′に形成されたセンサー本体１１を、ガラスウエハ１２′，１３′に形成された第１ガラス基板１２、第２ガラス基板１３で挟持した積層構造の多軸モーションセンサー２を多面付けで作製する（図１２（Ｂ））。

ここで、多面付けの多軸モーションセンサー２の作製工程の一例について、図１４〜図１６を参照して説明する。
まず、シリコン層１６（活性層シリコン）、酸化シリコン層１７、シリコン層１８（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩウエハ１５′に酸化処理を施して、ＳＯＩウエハ１５′の両面に酸化層１６′，１８′を形成する（図１４（Ａ））。その後、ＳＯＩウエハ１５′の各面付け１Ａ毎に、パターンエッチングにより所望のパターンで凹部７ａ，７ｂ，８を形成する（図１４（Ｂ））。このパターンエッチングは、例えば、酸化層１６′，１８′上にマスクパターンを形成し、サンドブラスト法、ウエットエッチング法等により行うことができる。

次に、凹部７ａ，７ｂ，８を形成したＳＯＩウエハ１５′の両面に酸化層１６′，１８′を再度形成し、その後、シリコン層１６の所望部位にコンタクト穴９ａ，９ｂを形成する（図１４（Ｃ））。このコンタクト穴９ａ，９ｂの形成は、例えば、酸化層１６′上にマスクパターンを形成し、サンドブラスト法、ウエットエッチング法等により行うことができる。
次いで、枠部材２１と十字型の梁２２と複数の柱部材２４（図３参照）とを形成するための溝部１０をシリコン層１６に形成する（図１４（Ｄ））。この溝部１０の形成は、例えば、マスクパターンを介して、プラズマを利用したドライエッチング法であるＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma − Reactive Ion Etching：誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング）法により行うことができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法、フェムト秒レーザ法により溝部１０を形成することもできる。

次に、コンタクト穴９ａ，９ｂと溝部１０内とに露出する酸化シリコン層１７を除去し、また、酸化層１６′を除去し、コンタクト穴９ａ，９ｂにコンタクト電極２６，２８ａを形成し、溝部１０で囲まれた凹部７ａ（後工程で錘２３となる部位）に電極２５を形成する（図１４（Ｅ））。酸化シリコン層１７と酸化層１６′の除去は、例えば、反応性ガスによるドライエッチングにより行うことができる。また、電極２５は、図３に示されるように、基部２５ａと、この基部２５ａから梁２２を形成するための溝部（図１４（Ｅ）には示されていない）の間に突出している４個の突出部２５ｂからなっている。
一方、ガラスウエハ１３′の各面付け１Ａ毎に、１個の十字型の中心電極４２と、これを囲むように配設された４個の周囲電極４３とからなる電極４１を形成する（図１５（Ａ））。次いで、このガラスウエハ１３′とＳＯＩウエハ１５′のシリコン層１６（活性層シリコン）とを陽極接合する（図１５（Ｂ））。

次に、ＳＯＩウエハ１５′のシリコン層１８（基板シリコン）上の酸化層１８′を除去し、凹部８に電極２７を形成し、シリコン層１８（基板シリコン）上の所望の部位に電極２８ｂを形成する（図１５（Ｃ））。酸化層１８′の除去は、上述の酸化層１６′の除去と同様に行うことができる。また、電極２７は、図４に示されるように、基部２７ａと、この基部２７ａから十字型の梁２２を形成するための溝部（図１５（Ｃ）には示されていない）の間に突出している４個の突出部２７ｂからなっている。

次いで、枠部材２１と十字型の梁２２と複数の柱部材２４とを形成するための溝部１０に相当する部位のシリコン層１８（基板シリコン）をエッチングして、溝部１０まで貫通させる。これにより、図３および図４に示されるような枠部材２１と、十字型の梁２２と、この梁２２で支持された錘２３と、複数の柱部材２４とを形成する（図１５（Ｄ））。このように形成された十字型の梁２２は、シリコン層１６（活性層シリコン）からなり、また、柱部材２４は、シリコン層１６（活性層シリコン）、酸化シリコン層１７、シリコン層１８（基板シリコン）の３層構造を有する。上記のシリコン層１８（基板シリコン）のエッチングは、例えば、マスクパターンを介してＩＣＰ−ＲＩＥ法により行うことができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法、フェムト秒レーザ法により行うこともできる。

一方、ガラスウエハ１２′の各面付け１Ａ毎に、１個の十字型の中心電極３２と、これを囲むように配設された４個の周囲電極３３とからなる電極３１を形成し、また、コンタクト穴３４′を形成する（図１６（Ａ））。次いで、このガラスウエハ１２′とＳＯＩウエハ１５′のシリコン層１８（基板シリコン）とを減圧下において陽極接合する（図１６（Ｂ））。これにより、錘２３は減圧環境で４本の梁２２に支持された状態となる。上記の減圧状態は、例えば、０．０１〜１Ｐａの範囲で適宜設定することができる。
次に、ガラスウエハ１２′のコンタクト穴３４′に外部電極３４を形成するとともに、この外部電極３４に接続された外部配線３５を形成する（図１６（Ｃ））。これにより、ＳＯＩウエハ１５′に形成されたセンサー本体１１を、ガラスウエハ１２′，１３′に形成された第１ガラス基板１２、第２ガラス基板１３で挟持した積層構造の多軸モーションセンサー２が多面付けで作製される。

本発明のセンサーユニットの製造方法では、多軸モーションセンサー２と同様に、多面付けでインターポーザ３を作製する（図１２（Ｃ））。すなわち、インターポーザ用ウエハ３′を多面付け（各面付け部を１Ａで示す）に区画し、各面付け１Ａ毎に複数の微細貫通孔５２を形成し、この微細貫通孔５２に導電材料を配設して貫通電極５３とし、この貫通電極５３に接続した所望の配線５４，５６および接合バンプ５５，５７を表裏に形成して、インターポーザ３を多面付けで作製する。
微細貫通孔５２の形成は、例えば、マスクパターンを介してＩＣＰ−ＲＩＥ法により行うことができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法、フェムト秒レーザ法により微細貫通孔５２を形成することもできる。さらに、インターポーザ用ウエハ３′に、上述のいずれかの方法により、一方の面から所定の深さで微細孔を形成し、その後、インターポーザ用ウエハ３′の反対面を研磨して微細孔を露出させることにより、微細貫通孔５２を形成してもよい。この微細貫通孔５２の開口径は、１〜５０μｍ、好ましくは５〜３０μｍの範囲で設定することができる。

また、微細貫通孔５２内への貫通電極５３の形成は、例えば、プラズマＣＶＤ法等により下地導電薄膜を微細貫通孔５２内に形成し、その後、電解フィルドめっきにより、導電金属を析出させることにより行うことができる。これにより、ボイドのない貫通電極５３を得ることができる。また、導電性ペーストを微細貫通孔５２内に充填することにより貫通電極５３を形成することもできる。
上記の配線５４，５６や接合バンプ５５，５７は、例えば、貫通電極５３が露出するように一方の面にレジストパターンを形成し、その後、貫通電極５３を給電層として電解めっきにより形成する工程を表裏で行うことで形成することができる。また、スクリーン印刷法等により導電性ペーストを印刷して配線５４，５６や接合バンプ５５，５７を形成することもできる。このような接合バンプ５５，５７の形状は、円錐形状、円柱形状等であってよく、高さは５〜２０μｍ、太さは１０〜１００μｍ程度とすることができる。

次いで、接合バンプ５５を上記の多軸モーションセンサー２の外部配線３５に接合することにより、多面付けのインターポーザ３と多面付けの多軸モーションセンサー２とを接合する（図１３（Ａ））。この接合バンプ５５を介した多軸モーションセンサー２とインターポーザ３との接合、および、後述する接合バンプ５７を介したインターポーザ３と能動素子内蔵モジュール４との接合は、上述の図８、図９による説明のように行うことができる。このうち、図９で説明した接合では、接合バンプ５５，５７がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等のいずれかの導電材料からなる場合、ＳＡＢ（Surface Active Bonding）法により接合を行なうことができる。すなわち、まず、接合バンプ５５，５７が露出するように絶縁性の樹脂材料あるいは異方性導電樹脂を配設して封止樹脂層５，６とし、露出している接合バンプ５５，５７をアルゴンプラズマでクリーニング処理する。次いで、接合バンプ５５，５７が外部配線３５、配線６４上に位置するようにアライメントを行い、２００℃以下の温度で接合する。上述のように、ＳＡＢ法とは、金属表面に対してＡｒプラズマでクリーニングを行って表面を活性化し、接続を容易とする技術である。

また、本発明のセンサーユニットの製造方法では、多軸モーションセンサー２と同様に、多面付けで能動素子内蔵モジュール４を作製する（図１３（Ｂ））。すなわち、能動素子内蔵モジュール用ウエハ４′を多面付け（各面付け部を１Ａで示す）に区画し、各面付け１Ａ毎に、後工程にて能動素子６５を埋設する部位の外側の領域に複数の微細貫通孔６２を形成し、これらの微細貫通孔６２に導電材料を配設して貫通電極６３とする。また、能動素子６５を埋設する面の反対側の面に、貫通電極６３に接続した配線６４を形成する。微細貫通孔６２、貫通電極６３、配線６４の形成は、上述の微細貫通孔５２、貫通電極５３、配線５４，５６の形成と同様とすることができる。

次いで、各面付け１Ａ毎に、能動素子６５を埋設するための凹部を形成し、この凹部内に能動素子６５を埋設する。上記の凹部は、例えば、能動素子内蔵モジュール用ウエハ４′上にマスクパターンを形成し、露出している能動素子内蔵モジュール用ウエハ４′に対して、ＩＣＰ−ＲＩＥ法により形成することができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法等によっても形成することができる。凹部の形状、寸法は、埋設する能動素子の形状、寸法に応じて適宜設定することができる。また、能動素子６５の埋設は、例えば、接着剤を用いて固着する方法、凹部に能動素子を嵌合する方法等、特に制限はない。その後、能動素子６５を埋設した面に、配線（図示せず）と外部電極としてのはんだバンプ６６を形成する。尚、この配線とはんだバンプ６６は、後述する接合バンプ５７を介したインターポーザ３と能動素子内蔵モジュール４との接合が完了した後に形成してもよい。

次いで、接合バンプ５７を上記の能動素子内蔵モジュール４の配線６４に接合することにより、多面付けのインターポーザ３と多面付けの能動素子内蔵モジュール４とを接合する（図１３（Ｃ））。これにより、多面付けのセンサーユニット１が得られる。接合バンプ５７を介したインターポーザ３と能動素子内蔵モジュール４との接合は、上述の接合バンプ５５を介した多軸モーションセンサー２とインターポーザ３との接合と同様に行うことができる。
次いで、多面付けのセンサーユニット１をダイシングすることにより、図１に示されるようなセンサーユニット１が得られる。

次に、本発明のセンサーユニットの製造方法の他の実施形態について、上述の図１０に示すセンサーユニット７１を例として説明する。
図１７は、本発明のセンサーユニットの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。まず、多面付けで多軸モーションセンサー２を作製する（図１７（Ａ））。この多面付けでの多軸モーションセンサー２の作製は、上述の実施形態と同様に、シリコン層１６（活性層シリコン）、酸化シリコン層１７、シリコン層１８（基板シリコン）の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ１５′と、２枚のガラスウエハ１２′，１３′とを多面付け（各面付け部を７１Ａで示す）に区画し、上述の実施形態と同様に行うことができ、ここでの説明は省略する。但し、外部配線３５の材質は、後述する多軸モーションセンサー２と能動素子内蔵モジュール７４との接合工程において、能動素子内蔵モジュール７４の配線８４と圧着接合可能な材質、例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｎｄ等とする。

また、本発明では、多軸モーションセンサー２と同様に、多面付けで能動素子内蔵モジュール７４を作製する（図１７（Ｂ））。すなわち、シリコンウエハである能動素子内蔵モジュール用ウエハ７４′を多面付け（各面付け部を７１Ａで示す）に区画し、各面付け７１Ａ毎に、後工程にて能動素子８５を埋設する部位の外側の領域に複数の微細貫通孔８２を形成し、これらの微細貫通孔８２に導電材料を配設して貫通電極８３とする。また、能動素子８５を埋設する面の反対側の面に、貫通電極８３に接続した配線８４を形成する。微細貫通孔８２、貫通電極８３、配線８４の形成は、上述の実施形態における微細貫通孔５２、貫通電極５３、配線５４，５６の形成と同様とすることができる。但し、配線８４の材質は、上述のように、多軸モーションセンサー２の外部配線３５と圧着接合可能なものとする。また、能動素子８５の埋設は、上述の実施形態における能動素子６５の埋設と同様とすることができる。

次いで、多面付けの多軸モーションセンサー２のガラスウエハ１２′と、多面付けの能動素子内蔵モジュール７４を構成する能動素子内蔵モジュール用ウエハ７４′とを陽極接合する（図１７（Ｃ））。これにより、多面付けの能動素子内蔵モジュール７４の配線８４は、多軸モーションセンサー２の外部配線３５に圧着されて接続され、多面付けのセンサーユニット７１が得られる。
次いで、多面付けのセンサーユニット７１をダイシングすることにより、図１０に示されるようなセンサーユニット７１が得られる。
上述のような本発明のセンサーユニットの製造方法は、ウエハレベルで多軸モーションセンサーとインターポーザと能動素子内蔵モジュールとの接合を行う一括アッセンブリー、あるいは、ウエハレベルで多軸モーションセンサーと能動素子内蔵モジュールとの接合を行う一括アッセンブリーが可能であり、工程管理が容易で製造コストの低減が可能である。また、接合が、接合バンプを用いた低温接合、あるいは、陽極接合であるため、多軸モーションセンサーへの熱の影響を阻止することができ、信頼性の高いセンサーユニットの製造が可能となる。
尚、上述のセンサーユニットの製造方法は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

小型で高信頼性のセンサーユニットが要求される種々の分野において適用できる。

本発明のセンサーユニットの一実施形態を示す概略断面図である。 図１に示される多軸モーションセンサーを構成するセンサー本体、第１ガラス基板、第２ガラス基板を離間させた状態を示す拡大図である。 図２に示されるセンサー本体のシリコン層（活性層シリコン）側からの平面図である。 図２に示されるセンサー本体のシリコン層（基板シリコン）側からの平面図である。 図３に示されるセンサー本体おけるII−II線での縦断面図である。 第１ガラス基板の電極配設面側の平面図である。 第２ガラス基板の電極配設面側の平面図である。 接合バンプを介した多軸モーションセンサーの外部配線とインターポーザの配線との接合の一例を説明するための部分拡大断面図である。 接合バンプを介した多軸モーションセンサーの外部配線とインターポーザの配線との接合の他の例を説明するための部分拡大断面図である。 本発明のセンサーユニットの他の実施形態を示す概略断面図である。 図１０に示されるセンサーユニットの多軸モーションセンサーと能動素子内蔵モジュールとの接合の一例を説明するための部分拡大断面図である。 本発明のセンサーユニットの製造方法の一実施形態を示す工程図である。 本発明のセンサーユニットの製造方法の一実施形態を示す工程図である。 本発明のセンサーユニットの製造方法における多軸モーションセンサーの作製例を示す工程図である。 本発明のセンサーユニットの製造方法における多軸モーションセンサーの作製例を示す工程図である。 本発明のセンサーユニットの製造方法における多軸モーションセンサーの作製例を示す工程図である。 本発明のセンサーユニットの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。

符号の説明

１，７１…センサーユニット
２…多軸モーションセンサー
３…インターポーザ
４，７４…能動素子内蔵モジュール
１１…センサー本体
１２…第１ガラス基板
１３…第２ガラス基板
１５…ＳＯＩ基板
３４…外部配線
５２，６２，８２…微細貫通孔
５３，６３，８３…貫通電極
５４，５６…配線
５５，５７…接合バンプ
６４，８４…配線
６５，８５…能動素子
１２′，１３′…ガラスウエハ
１５′…ＳＯＩウエハ

Claims (6)

1. 多軸モーションセンサーと、貫通電極を有するインターポーザと、能動素子内蔵モジュールとをこの順に多段状態で備え、
   前記多軸モーションセンサーは、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ基板からなるセンサー本体と、該センサー本体を挟持するように配設されたガラス基板とを備え、前記インターポーザと対向する前記ガラス基板に外部配線を有し、
   前記インターポーザは、貫通電極に接続された配線を両面に有し、一方の面の前記配線は対向する前記多軸モーションセンサーの外部配線に接合され、
   前記能動素子内蔵モジュールは、基板と、該基板に内蔵された能動素子と、前記基板を貫通する複数の貫通電極を前記能動素子から外側の領域に有するとともに、前記貫通電極と前記能動素子を接続する配線を有し、前記貫通電極は前記インターポーザの前記配線に接合されており、
   前記インターポーザの配線と前記多軸モーションセンサーの外部配線との接合、および、前記能動素子内蔵モジュールの貫通電極と前記インターポーザの配線との接合は、接合バンプを介したものであり、該接合バンプは、Ａｕ、Ｓｎ−Ａｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金のいずれかであり、接合バンプを挟持するようにＣｕ／Ｃｒ積層、Ｃｕ／Ｔｉ積層、Ａｌ／Ｃｒ積層、Ａｌ／Ｔｉ積層のいずれかの金属層が配設されていることを特徴とするセンサーユニット。
2. 前記接合バンプは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎあるいはこれらの合金のいずれかの導電性粉末と樹脂成分とを有する導電性ペースト、または、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎのいずれかの導電材料であることを特徴とする請求項１に記載のセンサーユニット。
3. 能動素子内蔵モジュールと、該能動素子内蔵モジュール上に接合された多軸モーションセンサーを備え、
   前記多軸モーションセンサーは、シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ基板からなるセンサー本体と、該センサー本体を挟持するように配設されたガラス基板とを備え、前記能動素子内蔵モジュールと対向する前記ガラス基板に外部配線を有し、
   前記能動素子内蔵モジュールは、基板と、該基板に内蔵された能動素子と、前記基板を貫通する複数の貫通電極を前記能動素子から外側の領域に有するとともに、前記貫通電極と前記能動素子を接続する配線を有し、
   前記多軸モーションセンサーの前記外部配線を有する前記ガラス基板と前記能動素子内蔵モジュールの前記基板とが陽極接合されており、前記貫通電極は前記多軸モーションセンサーの外部配線に接続されていることを特徴とするセンサーユニット。
4. 前記多軸モーションセンサーの前記センサー本体は、中央に梁を介して支持された錘と、該錘の両面に配設された所望形状の電極とを有し、前記ガラス基板は、前記錘と間隙を介して対向する面に複数の電極を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセンサーユニット。
5. シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩウエハと、２枚のガラスウエハとを多面付けに区画し、これらに対して各面付け毎に所望の加工を施して、ＳＯＩウエハに形成されたセンサー本体を、ガラスウエハに形成されたガラス基板で挟持した積層構造の多軸モーションセンサーを多面付けで作製する工程と、
   インターポーザ用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に複数の微細貫通孔を形成し、該微細貫通孔に導電材料を配設して貫通電極とし、該貫通電極に接続した所望の配線および接合バンプを表裏に形成して、インターポーザを多面付けで作製する工程と、
   能動素子内蔵モジュール用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に能動素子を内蔵させ、該能動素子の外側の領域に複数の微細貫通孔を形成し、該微細貫通孔に導電材料を配設して貫通電極とし、該貫通電極と前記能動素子とを接続するための配線を形成して、能動素子内蔵モジュールを多面付けで作製する工程と、
   インターポーザの一方の面の接合バンプと前記多軸モーションセンサーの外部配線とを接合し、インターポーザの他方の面の接合バンプと前記能動素子内蔵モジュールの貫通電極とを接合して、多面付けのセンサーユニットとする工程と、
   多面付けのセンサーユニットをダイシングする工程と、を有することを特徴とするセンサーユニットの製造方法。
6. シリコン層／酸化シリコン層／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩウエハと、２枚のガラスウエハとを多面付けに区画し、これらに対して各面付け毎に所望の加工を施して、ＳＯＩウエハに形成されたセンサー本体を、ガラスウエハに形成されたガラス基板で挟持した積層構造の多軸モーションセンサーを多面付けで作製する工程と、
   能動素子内蔵モジュール用のシリコンウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に能動素子を内蔵させ、該能動素子の外側の領域に複数の微細貫通孔を形成し、該微細貫通孔に導電材料を配設して貫通電極とし、該貫通電極と前記能動素子とを接続するための配線を形成して能動素子内蔵モジュールを多面付けで作製する工程と、
   前記多軸モーションセンサーの外部配線形成面側のガラスウエハと、前記能動素子内蔵モジュールの前記シリコンウエハとを陽極接合して、多面付けのセンサーユニットとする工程と、
   多面付けのセンサーユニットをダイシングする工程と、を有することを特徴とするセンサーユニットの製造方法。

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