JP5328924B2 - Sensor device and method for manufacturing sensor device - Google Patents
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Description
本発明は、センサ装置およびセンサ装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a sensor device and a method for manufacturing the sensor device.
近年、ヒューマノイドロボットの開発が進んでいる。
ヒューマノイドロボットには、人と触れ合ったり、障害物を自律的に回避したり、対象物を把持して移動させるなどの高度な動作が要求される。
このような動作には触覚が必要であるので、ロボットのハンドあるいは表面全体に触覚センサを設ける研究が進んでいる(例えば特許文献1から特許文献6)。In recent years, humanoid robots have been developed.
Humanoid robots are required to perform advanced operations such as touching people, autonomously avoiding obstacles, and grasping and moving objects.
Since such an operation requires a tactile sensation, research has been progressing to provide a tactile sensor on the robot hand or the entire surface (for example,
従来の触覚センサシステムは、主としてメッシュ型構造を採用している。
例えば、二枚の電極シートのそれぞれに複数本の電極配線を形成する。
互いの電極配線が直交するように電極シートを対向配置することによりメッシュ状配線を形成する。
2枚の電極シートの間に感圧導電部材を挟んだり、あるいは、電極配線の各交点に触覚センサ素子を配置する。
各触覚センサ素子は、対象物との接触による圧力変化や温度変化をそれら変化量に応じた電気信号変化に変換する。Conventional tactile sensor systems mainly employ a mesh structure.
For example, a plurality of electrode wirings are formed on each of two electrode sheets.
The mesh-like wiring is formed by arranging the electrode sheets so that the electrode wirings are orthogonal to each other.
A pressure-sensitive conductive member is sandwiched between two electrode sheets, or a tactile sensor element is disposed at each intersection of electrode wiring.
Each tactile sensor element converts a pressure change or a temperature change due to contact with an object into an electric signal change corresponding to the change amount.
制御部は、各電極配線に繋がっており、複数の触覚センサ素子を集中管理する。すなわち、制御部は、順番に各触覚センサ素子を選択して各センサのセンサ値をサンプリングしていく。制御部において、触覚センサ素子からの電気信号を集積してデータ処理する。
このようなサンプリング動作を定期的に繰り返すことにより、ロボットが対象物に接触しているか、さらに、どのセンサが接触しているかを検知する。
これにより、ロボットがどの位置でどの程度の強さで対象物に接触しているかをセンシングすることができる。The control unit is connected to each electrode wiring and centrally manages a plurality of tactile sensor elements. That is, the control unit sequentially selects each tactile sensor element and samples the sensor value of each sensor. In the control unit, electrical signals from the tactile sensor elements are integrated and processed.
By periodically repeating such sampling operation, it is detected whether the robot is in contact with the object and which sensor is in contact.
Thereby, it is possible to sense at what position the robot is in contact with the object at what level.
従来の触覚センサシステムには次のような問題があった。
特許文献1から特許文献6に開示される技術では、制御部がホストとなって集中的に多数の触覚センサ素子を管理し、順番に各触覚センサ素子を選択して各センサのセンサ値をサンプリングしていく。
このような構成の場合、センサ数の増加に伴って制御部の処理負担が非常に大きくなるという問題がある。
また、センサ数の増加に伴ってサンプリング間隔が長くなる。すると、応答速度が低速になって反応が鈍くなることが避けられないが、これはロボットの触覚センサシステムとしては致命的な問題である。The conventional tactile sensor system has the following problems.
In the technologies disclosed in
In the case of such a configuration, there is a problem that the processing load on the control unit becomes very large as the number of sensors increases.
Also, the sampling interval becomes longer as the number of sensors increases. Then, it is inevitable that the response speed becomes low and the response becomes slow, but this is a fatal problem as a tactile sensor system for a robot.
また、ロボットの体表面全体に多数の触覚センサを配置することを考えると、触覚センサと制御部との間の配線が膨大な量になる。
したがって、実際的には多数の触覚センサを望ましい位置に実装することは相当困難になり、また、その保守や故障の修理が非常に難しくなる。
また、触覚センサと制御部との間の配線が長距離になるので、ノイズによってセンサ信号が劣化する危険性が高い。Further, considering the arrangement of a large number of tactile sensors on the entire body surface of the robot, the wiring between the tactile sensors and the control unit becomes enormous.
Therefore, in practice, it is considerably difficult to mount a large number of tactile sensors at desired positions, and it is very difficult to maintain or repair the failure.
In addition, since the wiring between the tactile sensor and the control unit becomes a long distance, there is a high risk that the sensor signal is deteriorated by noise.
ここで、一つ一つの触覚センサにセンサ構造部と信号処理部とを組み込んでしまうことが考えられる。
そして、センサ構造部からのセンサ信号を信号処理部によってセンスアンプするとともに、さらにはデジタル処理までしてしまえばよいとも考えられる。Here, it is conceivable to incorporate a sensor structure unit and a signal processing unit into each tactile sensor.
Then, it is considered that the sensor signal from the sensor structure unit may be sense-amplified by the signal processing unit, and further digital processing may be performed.
そのためにはセンサ構造部と信号処理部とを一体化する技術が必要になる。
例えば特許第03621093号公報(特許文献7)にはシェルケース(Shell Case)と称されるパッケージング技術が開示されている。
この特許第03621093号公報では、デバイスチップの上下がガラス板に挟まれ、側面は樹脂で囲まれている。
この構造であれば確かに複数のウェハの貼り合わせが可能になるとともに、デバイスチップがガラス板で堅固に保護されることになる。
しかしながら、特許第03621093号公報の技術では、デバイスチップの上下がガラスに接着されなければならない。すると、例えば、感圧センサや温度センサなどのように検出対象との接触が必要とされる触覚センサには適用できないという問題が生じる。For this purpose, a technique for integrating the sensor structure unit and the signal processing unit is required.
For example, Japanese Patent No. 03621093 (Patent Document 7) discloses a packaging technique called a shell case.
In this Japanese Patent No. 03621093, the upper and lower sides of the device chip are sandwiched between glass plates, and the side surfaces are surrounded by resin.
With this structure, a plurality of wafers can be bonded together, and the device chip is firmly protected by the glass plate.
However, in the technique of Japanese Patent No. 03621093, the upper and lower sides of the device chip must be bonded to glass. Then, for example, there arises a problem that it cannot be applied to a tactile sensor that requires contact with a detection target such as a pressure sensor or a temperature sensor.
このような事情から、接触センシング面を有するセンサ構造部とそのセンサ信号を処理する信号処理LSI部とをパッケージ化する技術が切望されている。 Under such circumstances, a technology for packaging a sensor structure portion having a contact sensing surface and a signal processing LSI portion for processing the sensor signal is desired.
本発明のセンサ装置は、
検出対象と直接に接触する接触センシング面を外部に露出する一面に有するとともに、前記接触センシング面の変化に感応してアナログセンサ信号を出力するセンサ電極を前記接触センシング面とは反対側である他面側に有するセンサ構造部と、
前記アナログセンサ信号を信号処理する信号処理用集積回路が作りこまれた半導体基板と、
前記センサ構造部の他面と前記半導体基板との間に配設され、前記センサ構造体と前記半導体基板とを貼り合わせる接着層と、を備え、
前記センサ電極と前記集積回路とが前記接着層を間にして対向した状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とが積層されてワンチップ化されたセンサ装置であって、
前記センサ電極と前記集積回路とはセンサ装置の内側に封止されており、
前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の少なくともいずれかの外部端子は前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出されている
ことを特徴とする。The sensor device of the present invention comprises:
In addition to having a contact sensing surface that directly contacts the detection target on one surface exposed to the outside, a sensor electrode that outputs an analog sensor signal in response to a change in the contact sensing surface is opposite to the contact sensing surface A sensor structure on the surface side;
A semiconductor substrate on which an integrated circuit for signal processing for processing the analog sensor signal is formed;
An adhesive layer disposed between the other surface of the sensor structure portion and the semiconductor substrate, and bonding the sensor structure and the semiconductor substrate;
A sensor device in which the sensor structure and the semiconductor substrate are laminated to form a one-chip with the sensor electrode and the integrated circuit facing each other with the adhesive layer in between,
The sensor electrode and the integrated circuit are sealed inside a sensor device,
The external terminal of at least one of the sensor electrode and the signal processing integrated circuit is drawn out to the back surface of the semiconductor substrate via a side surface of the semiconductor substrate.
本発明のセンサ装置の製造方法は、
センサ構造部となるウェハの裏面にセンサ電極を設け、
信号処理用の集積回路を組み込んだ半導体基板を作成し、
前記センサ電極と前記集積回路とが対向する状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とを接着層にて接合し、
前記半導体基板の裏面をエッチングし、さらに、前記半導体基板の裏面からのハーフダイシングによって前記センサ電極の配線取り出し部および前記集積回路の電極取り出し部を当該半導体基板の裏面側に露出させ、
前記エッチングおよび前記ハーフダイシングによって形成した半導体基板の斜面から半導体基板の裏面にかけて引き出し配線を設け、
前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の外部端子を前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出す
ことを特徴とする。The manufacturing method of the sensor device of the present invention includes:
A sensor electrode is provided on the back surface of the wafer to be the sensor structure,
Create a semiconductor substrate incorporating an integrated circuit for signal processing,
Bonding the sensor structure and the semiconductor substrate with an adhesive layer in a state where the sensor electrode and the integrated circuit face each other,
Etching the back surface of the semiconductor substrate, and further exposing the wiring extraction portion of the sensor electrode and the electrode extraction portion of the integrated circuit to the back side of the semiconductor substrate by half dicing from the back surface of the semiconductor substrate,
A lead wiring is provided from the slope of the semiconductor substrate formed by the etching and the half dicing to the back surface of the semiconductor substrate,
The external terminals of the sensor electrode and the signal processing integrated circuit are drawn out to the back surface of the semiconductor substrate through the side surface of the semiconductor substrate.
本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
(第1実施形態)
本発明のセンサ装置に係る第1実施形態について説明する。
図1は、多数のセンサ装置を配置した触覚センサシステムをロボットのハンドに適用した様子を示す図である。
図2は、バス110に複数のセンサ装置200を配置した様子を示す図である。Embodiments of the present invention will be illustrated and described with reference to reference numerals attached to respective elements in the drawings.
(First embodiment)
A first embodiment according to the sensor device of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a state in which a tactile sensor system in which a large number of sensor devices are arranged is applied to a robot hand.
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which a plurality of
本実施形態のセンサ装置は、図1に示すようにロボット10のハンド11あるいはロボットの体表面全体に配置され、全体として触覚センサシステム100を構成するためのものである。
各バス110には複数の触覚センサ装置200が設けられている。
本実施形態では、バス110の配線ラインとしては4本のライン112、112、113、113が設けられている。
4本のうち2本は電源ライン112、112であり、2本は差動シリアル伝送用の信号ライン113、113である。
そして、情報中継装置120および集線装置130を介して総てのバス110は情報統合装置140に接続されている。As shown in FIG. 1, the sensor device according to the present embodiment is arranged on the
Each
In the present embodiment, four
Two of the four are
All
例えばロボット10のハンド11が対象物(不図示)を掴むなどしてロボット10の表面が対象物に接触すると、各センサ装置200が接触圧を検知する。
さらに各センサ装置200は、センサ信号のデジタル信号処理を実行する。
そして、デジタル信号処理済みのセンサ信号が各センサ装置200から情報統合装置140に送信される。
情報統合装置140では、センサ装置200からの情報を統合して、どの位置にどの程度の力がかかっているかを検出する。For example, when the surface of the
Furthermore, each
Then, the sensor signal that has undergone the digital signal processing is transmitted from each
The
次に、センサ装置の構成を説明する。
図3は、センサ装置を表面側からみた斜視図である。
図4は、センサ装置を裏面側からみた斜視図である。
図5は、センサ装置の断面図である。Next, the configuration of the sensor device will be described.
FIG. 3 is a perspective view of the sensor device as viewed from the front side.
FIG. 4 is a perspective view of the sensor device as seen from the back side.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the sensor device.
図5に示すように、センサ装置200は、センサ構造部300と半導体基板400とが接着層500で貼り合わされた構造である。
センサ構造部300は、構造本体部310と、第1センサ電極320と、第2センサ電極330と、を有する。
構造本体部310は、Siで形成されている。As shown in FIG. 5, the
The
The structure
表側からみて、構造本体体310の中心部には対象物と接触する凸状の力伝達部311が設けられ、力伝達部311の周囲は凹状の薄肉部312となっている。
薄肉部312が弾性を有することにより、構造本体部310が作動膜として機能するようになる。すなわち、力伝達部311に力がかかると構造本体部310がたわむようになっている。When viewed from the front side, a convex
Since the thin-
ここに、力伝達部311により接触センシング面が構成されている。
Here, a contact sensing surface is configured by the
薄肉部312の周囲である周縁部は、作動膜を支持する支持枠部313となっている。
また、構造本体部310の裏面には、凹部314が形成されている。A peripheral portion around the
Further, a
第1センサ電極320は、構造本体部310の裏面に形成された凹部314に設けられている。
第1センサ電極320の少なくとも一端は、支持枠部313の裏面を経由して構造本体部310の側面316に達する位置まで延設されている。
第1センサ電極320は作動膜とともに変位する可動電極となる。The
At least one end of the
The
第2センサ電極330は、接着層500の直上に設けられている。
第1センサ電極320と第2センサ電極330との間隔は、凹部314の深さによって規定される。
第2センサ電極330が固定電極となっており、互いに対向配置された第1センサ電極320と第2センサ電極330とが静電容量素子を構成している。
第2センサ電極330は、接着層500に形成されたビア510を介して半導体基板400の再配線層410に接続されている。The
The distance between the
The
The
半導体基板400には信号処理用の集積回路420が作りこまれ、その表面がパッシベーション膜430で保護されている。
さらに、パッシベーション膜430の上に再配線層410が形成されている。
半導体基板400の直上に接着層500が設けられ、第2センサ電極330と集積回路420とが接着層500を間にして対向した状態となる。
また、第1、第2センサ電極320、330と集積回路420とはセンサ装置200の内側に封止された状態となる。An
Further, a
The
Further, the first and
接着層500は、集積回路420とセンサ電極330との間の寄生容量を減じるため、その厚さを10μm以上にすることが好ましい。
厚さの上限としては特に制限されるものではないが、半導体チップの製造上の都合等を勘案して、たとえば100μm程度を上限にすることが例として挙げられる。The
Although the upper limit of the thickness is not particularly limited, for example, an upper limit of, for example, about 100 μm is taken into account in consideration of the manufacturing convenience of the semiconductor chip.
センサ装置200を裏面側からみたとき、図4中の左右方向のそれぞれの側端面には、中央部に傾斜面211が形成されている。
そして、傾斜面211上にはメタルの引き出し配線212、213が形成されており、引き出し配線212、213は裏面240にまで引き出されている。
この引き出し配線の一方212は、第1センサ電極の一端に繋がっており、引き出し配線の他方213は、再配線層410を介して第2センサ電極330に繋がっている(図5参照)。When the
One of the
また、図4中の上下方向のそれぞれの側端面220、220は全体に傾斜面221、221として形成されており、各側端面220、220にはそれぞれ8本ずつの引き出し配線230が裏面240まで到達するように設けられている。
これら引き出し配線230は、再配線層410から引き出され、集積回路420の電源線または信号線となる。Further, the side end surfaces 220 and 220 in the vertical direction in FIG. 4 are formed as
These
図4に示すセンサ装置200の裏面240には、外部接続端子が設けられている。
本実施形態では、バス110の4本の配線ライン112、113に対応して、センサ装置200の裏面には4つの外部端子241−244が設けられている。
図4において、左から順に第1外部端子241、第2外部端子242、第3外部端子243、第4外部端子244とする。External connection terminals are provided on the
In the present embodiment, four
In FIG. 4, the first
第1外部端子241は、例えばバス110のGNDに繋がる外部端子であり、左側面210からの引き出し配線212と、下側面220の最も左の引き出し配線231と、がこの第1外部端子241に接続されている。
第2外部端子242には上側面220の最も左の引き出し配線232が接続され、第3外部端子243には下側面220の最も右の引き出し配線234が接続されている。
第4外部端子244には、右側面210からの引き出し配線213と、上側面220の最も右の引き出し配線234と、が接続されている。The first
The
The fourth
なお、外部端子241−244の数はバス110の信号線の数に応じて適宜変更されるものであり、引き出し配線と外部端子との接続はセンサ構造部300や集積回路420の構成によって適宜変更されうるものであることはもちろんである。
The number of
次に、センサ装置の製造方法について説明する。
図6から図21は、センサ装置の製造手順を示す図である。
まず、センサ構造部300の構造本体部310となるウェハ315を作成する。
すなわち、図6に示すように、Siからなるウェハ315を用意し、その裏面をTMAH (Tetramethyl ammonium hydroxide、水酸化テトラメチルアンモニウム)によってエッチングし、約10μmの深さを有する凹部314を形成する。そして、図7に示すように、凹部314に第1センサ電極320を形成する。さらに、Siウェハ315の表面には、力伝達部311と支持枠部313とを除いた領域を薄肉部312とするためのマスク317を形成する。
このマスク317は熱酸化膜によって形成できる。Next, a method for manufacturing the sensor device will be described.
6 to 21 are diagrams showing a manufacturing procedure of the sensor device.
First, a
That is, as shown in FIG. 6, a
This
また一方、図8に示すように、半導体基板400に信号処理用の集積回路420を組み込んだウェハを用意する。
そして、表面をパッシベーション膜430で保護し、さらに、パッシベーション膜430の上に再配線層410を設ける。
再配線層410は集積回路420の電極バッド421と接続されている。On the other hand, as shown in FIG. 8, a wafer in which an
Then, the surface is protected by a
The
次に、図9に示すように、半導体基板400の上面に接着層500としての有機絶縁膜を設け、さらに、接着層500の上に第2センサ電極330を設ける。
この工程を、図10(A)から(H)を参照して説明する。
前述のように集積回路420を組み込んだ半導体基板400を用意する。
その上にスピンコートにて約10μmの膜厚のBCB(ベンゾシクロブテン)樹脂膜を形成する(図10A)。
このBCB(ベンゾシクロブテン)樹脂膜は接着層500になる。
これを220℃の窒素パージした炉にて1時間のプリキュアを行う。Next, as shown in FIG. 9, an organic insulating film as an
This process will be described with reference to FIGS.
As described above, the
A BCB (benzocyclobutene) resin film having a thickness of about 10 μm is formed thereon by spin coating (FIG. 10A).
This BCB (benzocyclobutene) resin film becomes the
This is precured for 1 hour in a furnace purged with nitrogen at 220 ° C.
BCB膜の上にレジスト520を塗布し、露光する(図10B)。
レジスト520を露光後焼きしめで硬化させたあと(図10C)、エッチングする。
これにより、再配線層410の直上にビア(孔)510を形成する(図10D)。
次に、半導体基板400および接着層500をハードベイクする。A resist 520 is applied on the BCB film and exposed (FIG. 10B).
The resist 520 is cured by post-exposure baking (FIG. 10C), and then etched.
As a result, a via (hole) 510 is formed immediately above the rewiring layer 410 (FIG. 10D).
Next, the
続いて、パターン化された接着層500の上からアルミニウム(Al)をスパッタ法にて成膜する(図10E)。
このアルミニウム薄膜が第2センサ電極330となる。
アルミニウム薄膜のうえにレジスト520を塗布してパターニングする(図10F、図10G)。
そして、アルミニウムをエッチングする(図10H)。
これにより、周縁部を除いた中央部に第2センサ電極330が形成され、さらにビア510を介して第2センサ電極330は集積回路420の再配線層410に繋がる。Subsequently, aluminum (Al) is deposited on the patterned
This aluminum thin film becomes the
A resist 520 is applied on the aluminum thin film and patterned (FIGS. 10F and 10G).
Then, the aluminum is etched (FIG. 10H).
As a result, the
次に、図11に示すように、構造本体部310となるウェハ315(図7)と、半導体基板400となるウェハ(図9)と、を接合する。
接合にあたっては、250℃で1時間、1000Nの荷重を加えることが例として挙げられる。Next, as shown in FIG. 11, a wafer 315 (FIG. 7) to be the structure
In joining, for example, a load of 1000 N is applied at 250 ° C. for 1 hour.
半導体基板400の裏面にTMAHエッチング用の保護膜250を形成する(図12)。
ここで、保護膜250として、PECVDまたはスパッタ法で堆積させた低温酸化膜の上に感光性耐アルカリ有機保護膜(ProTEK PSB)を積層したものが望ましい。
Si基板の長時間エッチングに耐えるマスク材としては、一般的にはシリコン熱酸化膜やシリコン窒化膜が用いられるが、これらは高温(800℃以上)の高温処理を要する。
このような高温処理は、集積回路420を組み込み済みの半導体基板400には適用できない。
また、低温酸化膜だけではピンホールができてしまう問題があり、この点、感光性耐アルカリ有機保護膜だけだとサイドエッチングが生じる問題がある。A
Here, the
As a mask material that can withstand long-time etching of a Si substrate, a silicon thermal oxide film or a silicon nitride film is generally used, but these require high temperature processing (800 ° C. or higher).
Such a high temperature treatment cannot be applied to the
Further, there is a problem that pinholes are formed only by the low temperature oxide film, and there is a problem that side etching occurs when only the photosensitive alkali-resistant organic protective film is used.
保護膜250を形成したのち、接合ウェハの両面をエッチングする(図13)。
これにより、半導体基板400がエッチングされると同時にセンサ構造部300の薄肉部312が形成される。After forming the
Thereby, the
なお、保護膜250の開口パターンは図14Aに示すように、穴状251か、一本の溝状252にすることが好ましい。
例えば図14Bに示すように、溝252、252が交差するようになっていると、アルカリ液(TMAH)を使ったSiの結晶異方性エッチングのために角254の侵食が速く、内部の集積回路420が損傷を受ける恐れがある。Note that the opening pattern of the
For example, as shown in FIG. 14B, when the
電極パッドから10μm程度の厚みを残してエッチングを停止し、感光性耐アルカリ有機保護膜250を除去する(図15)。
その後、XeF2のガスエッチングによる等方性エッチングを行い、Si基板を完全に除去する(図16)。
次に、下地絶縁膜255としてBCB樹脂を成膜する(図17)。
絶縁膜を塗布後、V字ブレードを用いて半導体基板の裏面からハーフダイシングを行う(図18)。Etching is stopped leaving a thickness of about 10 μm from the electrode pad, and the photosensitive alkali-resistant organic
After that, isotropic etching by gas etching of XeF 2 is performed to completely remove the Si substrate (FIG. 16).
Next, a BCB resin is formed as the base insulating film 255 (FIG. 17).
After applying the insulating film, half dicing is performed from the back surface of the semiconductor substrate using a V-shaped blade (FIG. 18).
ここでは、図18では、図4のXVIII‐XVIII線断面を示しており、この方向ではセンサ装置200の側面からセンサ電極320、330を引き出す必要がある。
そこで、ハーフダイシングでは、第1センサ電極320にまで達するように接着層500の上面までは切り込む必要がある。
これにより、左右の側面から第1センサ電極320の一端と再配線層410とが裏面側240に露出する。Here, FIG. 18 shows a cross section taken along line XVIII-XVIII of FIG. 4, and in this direction, the
Therefore, in the half dicing, it is necessary to cut up to the upper surface of the
Thereby, one end of the
一方、図4のXIX−XIX線断面の方向では、集積回路420の電極パッド421だけを引き出せばよいので、図19に示すように電極パッド421または再配線層410にまで達する程度の浅いハーフダイシングでよい。
On the other hand, in the direction of the XIX-XIX line cross section of FIG. 4, only the
次に、シャドウマスク法によって配線を形成する(図20)。
金属材料としては、Ti/Cuを用いることが例として挙げられる。
Tiは絶縁膜との密着性を高めるための中間層として機能する。
その後、無電解Auメッキを配線上に施し、ワイヤーボンディング性を向上させる。
最後に、ウェハをダイシングによって分離し、個々のセンサ装置200を切り出す(図21)。Next, wiring is formed by a shadow mask method (FIG. 20).
As an example of the metal material, Ti / Cu is used.
Ti functions as an intermediate layer for improving adhesion to the insulating film.
Thereafter, electroless Au plating is applied on the wiring to improve wire bonding.
Finally, the wafer is separated by dicing, and the
このような第1実施形態によれば、次に効果を奏する。
(1)本実施形態の製造方法により、触覚センサ装置200をウェハレベルで集積化することができる。
すなわち、センサ構造部300と集積回路420を一体的に有するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)として触覚センサ装置200を構成することができる。
また、集積化によって触覚センサ装置200のサイズを非常に小型にすることができ、例えば、一つの触覚センサ装置を3mm角程度に小型化することができる。
このようにセンサ構造部300と集積回路420を一体的に有するMEMSとし、かつ、小型化を達成することにより、たとえばロボット10の体表面に実装するセンサシステムとして好適なものとできる。According to such a first embodiment, there are the following effects.
(1) By the manufacturing method of this embodiment, the
That is, the
Further, the size of the
Thus, by using MEMS that integrally includes the
(2)センサ電極320、330からは蓄積電荷量がアナログセンサ信号として集積回路420に取り出されるが、このようなアナログセンサ信号は入力インピーダンスが高く、ノイズが混入しやすいという問題がある。
この点、本実施形態では、センサ電極320、330と集積回路420とをセンサ内部に封止してこれらを完全に保護できる。
さらに、センサ内部において、接着層500を間にして第2センサ電極330と集積回路420とを極めて近接配置させているので、第2センサ電極330と集積回路420との間の配線長を極めて短くすることができる。したがって、センサ電極320、330からのアナログセンサ信号にノイズが入りにくくなり、検出精度を極めて向上させることできる。(2) The accumulated charge amount is taken out from the
In this regard, in this embodiment, the
Furthermore, since the
(3)本実施形態の製造方法では、センサ構造部300と半導体基板400とを接着層500で接合させるので、半導体基板400に組み込まれる集積回路420の構造は制限を受けない。
たとえば、既存のセンスアンプおよび信号処理回路を組み込んだ半導体基板400を本実施形態に適用することができる。(3) In the manufacturing method of the present embodiment, the
For example, a
(4)本実施形態では、センサ電極320、330と集積回路420とをセンサ内部に封止しているので、これらの電極を外部に取り出すことが必要になる。
ここで、パッケージ内部に封止したチップから外部に電極を取り出す場合にはシリコン貫通ビア(シリコン貫通配線)を形成することも考えられるが、必要な配線の数だけシリコン貫通ビアを設けることは工程数を非常に増加させ、また、加工も難しい。
この点、本実施形態では、半導体基板の裏面からエッチングおよびハーフダイシングによってセンサ電極および集積回路の電極を取り出す。
したがって、工程数が少なくかつ簡便に外部端子を設けることができる。(4) In this embodiment, since the
Here, in the case where an electrode is taken out from the chip sealed inside the package, it may be possible to form through silicon vias (silicon through wiring). However, it is a process to provide as many through silicon vias as necessary. The number is greatly increased and processing is also difficult.
In this regard, in this embodiment, the sensor electrode and the electrode of the integrated circuit are taken out from the back surface of the semiconductor substrate by etching and half dicing.
Therefore, the number of steps can be reduced and the external terminals can be provided easily.
(5)力伝達部311と薄肉部312とからなるダイヤフラム構造により、構造本体部310に印加された力が正確に構造本体部310の変形に反映される。
また、第1センサ電極320が構造本体部310の裏面に直接形成されているので、力伝達部311が受けた外部からの力による構造本体部310の変形を第1センサ電極320の変位とすることができ、第2センサ電極330とで形成された静電容量素子の容量変化として精度よく印加された力を検知できる。(5) Due to the diaphragm structure including the
In addition, since the
(6)第1電極320の少なくとも一端は、支持枠部313の裏面を経由して構造本体部310の側面316に達する位置まで延設されているので、外部電源あるいは回路と直接接続することができる。
例えば、第1電極320を外部電源のアース電極に接続して同じ電位とすれば、外部に一番近い電極がアースとなり、外部からのノイズを遮蔽し、測定精度を高める。
さらに、第1電極320と構造本体部310とが電気的に導通するように形成すれば、構造本体部310がアース電位となり、外部からのノイズに対する遮蔽能力は一段と向上し、S/N比が極めて向上することになる。(6) Since at least one end of the
For example, if the
Further, if the
(7)第1、第2センサ電極320、330と集積回路420とはセンサ装置200の内側に封止された状態となっているため、センサ電極320、330および集積回路420の電極や配線、pn接合を外部からの水分、酸、アルカリ、有機溶剤、油等の水溶液、ガスの侵入による腐食や酸化、変質や導電性の被覆の発生等を防ぎ、長期に渡り安定な動作を実現できる。
したがって、本装置に有機溶剤で溶かされた有機物の被覆を施したり、ロボットの手足に装着して泥水等の悪条件での動作が可能となる。 (7) Since the first and
Therefore, the apparatus can be coated with an organic substance dissolved in an organic solvent, or can be attached to a robot's limbs to operate under adverse conditions such as muddy water.
(8)半導体基板400に作りこまれた信号処理用の集積回路420の表面のパッシベーション膜430の上に接着層500を有し、その接着層500の上に第2センサ電極330が形成されているので、第1センサ電極320と第2センサ電極330とからなる静電容量素子と集積回路420との配線距離が短い。
したがって、センサの感度や精度を左右する重要な因子となる寄生容量を少なくでき、検出感度が向上する。
配線長が短いので、ノイズも混入しにくい。
接着層500の厚みを厚く設定することにより、集積回路420とセンサ電極330との間の寄生容量がさらに減らせるので、より高感度化が可能となる。(8) The
Therefore, parasitic capacitance, which is an important factor that affects the sensitivity and accuracy of the sensor, can be reduced, and detection sensitivity is improved.
Because the wiring length is short, it is difficult for noise to enter.
By setting the thickness of the
(9)左右方向のそれぞれの側端面の中央部に傾斜面211、そして、上下方向のそれぞれの側端面220の全体に傾斜面221があり、それぞれの斜面上にメタルの引き出し配線212、213、230が形成されている。配線212、213、230を斜面に配置することにより、製造が容易で、配線の膜厚を確保し、また、段切れ等の不安定を解消している。
これらの形状と構造により、温度に対する安定性や繰り返し温度変化に対する耐久性が増加し、デバイスを実装するときや使用中の配線の信頼性が格段に向上する。
左右方向のそれぞれの側端面にある傾斜面211は上下方向のそれぞれの側端面220にある傾斜面と異なり、左右方向のそれぞれの側端面の中央部に限られた形状の斜面となっている。
これは斜面の製造上の課題を解決するためであるが、傾斜面211より少し窪ませた構造の傾斜面211とすることにより配線の信頼性も向上させることができる。(9) An
These shapes and structures increase stability against temperature and durability against repeated temperature changes, and the reliability of wiring when mounting a device or in use is greatly improved.
Unlike the inclined surface on each
This is to solve the manufacturing problem of the inclined surface, but the reliability of the wiring can be improved by using the
(10)センサ電極320、330用の配線は左右方向のそれぞれの側端面にある傾斜面211に形成された引き出し配線212、213であり、集積回路420の電極用は上下方向のそれぞれの側端面220にある傾斜面221に形成された引出配線230、231、232、234である。
ここで、センサ電極用の配線を取り出すためのくさび状切れ込みの深さが集積回路用の配線を取り出す楔状切れ込みよりも深い。
これにより、2方向の異なる配線取り出しが安定に行える。(10) The wirings for the
Here, the depth of the wedge-shaped cut for taking out the wiring for the sensor electrode is deeper than the wedge-like cut-out for taking out the wiring for the integrated circuit.
As a result, it is possible to stably take out wirings in two different directions.
(11)本実施形態では、接着層500が絶縁膜と接着材とを兼ねている。
したがって、接着層500には、絶縁膜としての安定性と、接着材としての柔軟性、接着性と、が求められる。
この点、本実施形態では、接着層にBCB(ベンゾシクロブテン)樹脂膜を用い、220℃でプリキュアを行った後、センサ電極をパターニングする。
そして、センサ構造部300と半導体基板400との接着は250℃で行うこととしている。
このとき、プリキュア温度を下げると、柔軟性、接着性は増すが、安定性に問題が生じる。
また、プリキュア温度を上げると安定性は増すが、接着性、柔軟性を維持できなくなり、これを補うために接合時の温度を上げると、センサ電極が損傷する問題が生じる。
本実施形態にあってはこれらの問題を解消し、最適な安定性、柔軟性、接着性を実現できる。(11) In the present embodiment, the
Therefore, the
In this regard, in the present embodiment, a BCB (benzocyclobutene) resin film is used for the adhesive layer, and after pre-curing at 220 ° C., the sensor electrode is patterned.
The
At this time, when the pre-cure temperature is lowered, flexibility and adhesiveness are increased, but a problem arises in stability.
In addition, when the pre-cure temperature is raised, the stability increases, but the adhesiveness and flexibility cannot be maintained. If the temperature at the time of joining is increased to compensate for this, the problem of damaging the sensor electrode arises.
In this embodiment, these problems can be solved, and optimal stability, flexibility, and adhesiveness can be realized.
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。
上記第1実施形態では、半導体基板400上に形成した接着層500の直上に第2センサ電極330を形成した後で、構造本体部310と半導体基板400とを貼り合わせる場合を例示した。
これに対し、第2実施形態では、まず、第2電極320が形成されたガラス基板600を構造本体部310の裏面に貼り合わせて、センサ構造部300の電極320、330を封止した状態にする(図22)。
その後、半導体基板400とセンサ構造部300のウェハとを接着層500で接合させる。(Second embodiment)
A second embodiment will be described.
In the first embodiment, the case where the structure
In contrast, in the second embodiment, first, the
Thereafter, the
図23A−図23Iは、第2実施形態の製造手順を示す図である。
図23Aに示すように、構造本体部310となるウェハ(図7)とガラス基板600とを貼り合わせる。
このとき、ガラス基板600には第2センサ電極330を形成しておく。
これにより、第1センサ電極320と第2センサ電極330とが構造本体部310とガラス基板600との間に封止される。FIG. 23A to FIG. 23I are views showing a manufacturing procedure of the second embodiment.
As shown in FIG. 23A, the wafer (FIG. 7) to be the structure
At this time, the
Thereby, the
なお、図23Aにおいて、構造本体部となるウェハにおいて、第2センサ電極330の引き出し配線を設ける側のダイシング予定位置には溝318がエッチングによって形成されている。
これにより、ハーフダイシングの際にダイシングのブレードがSi構造本体部310まで切り込まないようにしている。In FIG. 23A, a
This prevents the dicing blade from cutting into the Si structure
そして、ガラス基板600の裏面に接着層500を形成して、ガラス基板600と半導体基板400とを接合する。
Then, an
図23Gにおいて、センサ電極320、330を露出させるためのハーフダイシングを行う。
このときはガラス基板600の上面まで切り込む必要がある。In FIG. 23G, half dicing for exposing the
At this time, it is necessary to cut to the upper surface of the
その他の工程は第1実施形態で説明したものと同じであり、最終的に図24に示すセンサ装置が得られる。 Other steps are the same as those described in the first embodiment, and the sensor device shown in FIG. 24 is finally obtained.
この構成において、構造本体部310となるウェハ(図7)とガラス基板600とが貼り合わされており、ガラス基板600には第2センサ電極330が形成されており、第1センサ電極320と第2センサ電極330とが構造本体部310とガラス基板600との間に封止されているので、第1センサ電極320と第2センサ電極330の形状、ギャップ、相対位置をより正確にセッティングすることができる。
これにより、より高精度なセンサ性能を実現することができる。In this configuration, the wafer (FIG. 7) to be the structure
Thereby, more accurate sensor performance can be realized.
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。
上記第2実施形態では、第2電極330が形成されたガラス基板600を構造本体部310の裏面に貼り合わせてセンサ構造部300の電極320、330を封止した状態にした後に、半導体基板400とセンサ構造部300のウェハとを接着層500で接合させる場合を例示した。
この点、第3実施形態では、ガラス基板600に代えて、LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics、低温同時焼成セラミックス)基板700を使用する点に特徴を有する。
図25において、LTCC基板700の上面には第2センサ電極330が形成されている。
さらに、配線層710をLTCC基板700に作り込んでおき、ビア720を介してこの配線層710と第2センサ電極330とを接続しておく。
したがって、第2センサ電極330の引き出し線は、LTCC基板700の配線層710から引き出せばよい。(Third embodiment)
A third embodiment will be described.
In the second embodiment, the
In this regard, the third embodiment is characterized in that instead of the
In FIG. 25, the
Further, the
Therefore, the lead line of the
図26は、第3実施形態の製造手順を示す図である。
図26Aに示すように、構造本体部310となるウェハ(図7)とLTCC基板700とを貼り合わせる。
このとき、LTCC基板700の内部には配線層710を作りこみ、LTCC基板700の上面に形成された第2センサ電極330と配線層710とを接続しておく。
図26Aの段階で、第1センサ電極320と第2センサ電極330とが構造本体部310とLTCC基板700との間に封止される。FIG. 26 is a diagram showing a manufacturing procedure according to the third embodiment.
As shown in FIG. 26A, the wafer (FIG. 7) to be the structure
At this time, the
26A, the
そして、LTCC基板700の裏面に接着層500を形成して、LTCC基板700と半導体基板400とを接合する。
Then, an
図26Gにおいて、センサ電極320、330を露出させるためのハーフダイシングを行う。
このときはLTCC基板700の上面まで切り込む必要がある。In FIG. 26G, half dicing for exposing the
At this time, it is necessary to cut the top surface of the
その他の工程は第1実施形態で説明したものと同じであり、最終的に図27に示すセンサ装置が得られる。 Other steps are the same as those described in the first embodiment, and the sensor device shown in FIG. 27 is finally obtained.
たとえば第2センサ電極330がLTCC基板のようなセラミック基板上に形成されているので、ガラス基板600と同じように第1センサ電極320、第2センサ電極330の形状、ギャップ、相対位置をより正確にセッティングすることができる。
さらに、セラミック基板700に多層配線や抵抗、コンデンサ、コイル、層間電極、層間誘電体膜を形成したり、層間に受動電子部品やダイオード、トランジスタなどの能動電子部品を組み込むことが可能になるので、デジタル化前にアナログ信号処理によってセンサの感度やS/N比をアナログ的に効果的に改善することができる。
これにより、センサの機能や種類、適用範囲が大幅に広がる。For example, since the
Furthermore, it becomes possible to form multilayer wiring, resistors, capacitors, coils, interlayer electrodes, interlayer dielectric films on the
As a result, the function, type, and application range of the sensor are greatly expanded.
(第4実施形態)
上記第1実施形態から第3実施形態においては、ハーフダイシングを行い、第1及び第2センサ電極320、330を露出させているが、第4実施形態においては、TMAHによるエッチング後に、パッシベーション膜(TEOS膜SiN膜など)430を高速原子線(Fast Atom Beam)や加速されたイオンによるエッチング、あるいはサンドブラスト等の機械的エッチングを行い、第1及び第2センサ電極320、330を露出させる。
図31は、第4実施形態に係るセンサ装置の断面図である。図31に示すように、接着層500には、第2センサ電極330と半導体基板400の再配線層410とを電気的に接続するビア510と、第1センサ電極320と裏面240とを電気的に接続するビア520と、が設けられている。
図32は、第4実施形態に係るセンサ装置を裏側から見た斜視図である。図32に示すように、構造本体部310の裏面の第1センサ電極320がビア520を介して露出しており、ビア520に接続された引出し配線212によって裏面240へ引き出されている。
図33A乃至図33Iは、第4実施形態の製造工程を示す図である。図32Aに示すように、まず、構造本体部310となるウェハと、ビア520が設けられた接着層500が形成された半導体基板400と、を接合し、薄化する(図32B)。
次に、TMAHによるウェットエッチングとXeF2によるドライエッチングとにより、パッシベーション膜430を露出させる(図33C)。その後、図33Dに示すように、エッチングを行い、パッシベーション膜430を除去する。これにより、ビア520の存在によって、第1及び第2センサ電極320、330が同時に露出する。
さらに、半導体基板の裏面420に、感光性BCBを成膜して絶縁膜を形成する(図33E)。この成膜したBCBに対して、RIE(Reactive Ion Etching)によるエッチングを行い、再度、第1及び第2センサ電極320、330を露出させる(図33F)。
なお、本第4実施形態の製造工程において、他の工程は、上記第1実施形態の製造工程と略同一であるため、詳細な説明は省略する。
また、第1実施形態から第4実施形態においては、センサ構造部と半導体基板とを一体化(ワンチップ化)させている。
このような構成によれば、半導体基板400に組み込んだ集積回路420により、センサ構造部300からのセンサ信号を信号処理できる。
このように、個々の触覚センサ装置200にて信号処理を実行できれば、情報統合装置140の信号処理負荷を少なくすることができる。
触覚センサシステム100に多数の触覚センサ装置200を配置したとしても情報統合装置140の処理負担の増加を小さくできるので、多数の触覚センサ装置200を有する大きなシステムでありながらも高速応答が可能になるという画期的な触覚センサシステムとすることができる。(Fourth embodiment)
In the first to third embodiments, half dicing is performed to expose the first and
FIG. 31 is a cross-sectional view of the sensor device according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 31, in the
FIG. 32 is a perspective view of the sensor device according to the fourth embodiment viewed from the back side. As shown in FIG. 32, the
33A to 33I are views showing manufacturing steps of the fourth embodiment. As shown in FIG. 32A, first, the wafer to be the structure
Next, the
Further, a photosensitive BCB is formed on the
In the manufacturing process of the fourth embodiment, other processes are substantially the same as the manufacturing process of the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
Further, in the first to fourth embodiments, the sensor structure and the semiconductor substrate are integrated (one-chip).
According to such a configuration, the sensor signal from the
Thus, if signal processing can be executed by each
Even if a large number of
ここで、センサ構造部からのセンサ信号をデジタル信号に変換する場合の一例を例示する。 Here, an example in the case of converting the sensor signal from the sensor structure portion into a digital signal will be exemplified.
この例では、ダイヤフラム型のセンサ構造部300と、信号処理部を集積したLSIと、が接着層500によって貼り合わされ、全体が一体的なワンパッケージとなっている。
In this example, the diaphragm type
センサ構造部300は、対向配置された二枚の電極板320、330を有する。
そして、センサ構造部300の上面が対象物と接触する力伝達部(センサ面)311となっており、力伝達部311が押圧されると、2枚の電極板320、330の間隔dが変化する。
電極板間隔dの変化による静電容量変化がアナログセンサ信号となる。The
The upper surface of the
The change in capacitance due to the change in the electrode plate interval d becomes an analog sensor signal.
例えば、図28に示すように、時刻T1から時刻T2に強い力が力伝達部311に印加され、時刻T3から時刻T4に弱い力が力伝達部311に印加されたとする。
すると、印加された力に応じて極板間距離dが変化する。
極板間距離dの変化に応じて、極板間に蓄積される電荷量Qが変化する。
印加される力に応じて変化する極板間電荷量Qがアナログセンサ信号として集積回路420に送られる。
具体的には、第2センサ電極330に蓄積された電荷が再配線層410、電極パッド421を介して集積回路420で検出される。For example, as shown in FIG. 28, it is assumed that a strong force is applied to the
Then, the distance d between the electrode plates changes according to the applied force.
The amount of charge Q accumulated between the plates changes according to the change in the distance d between the plates.
An inter-electrode charge amount Q that changes in accordance with the applied force is sent to the
Specifically, the electric charge accumulated in the
集積回路420は、センサ構造部300からのアナログセンサ信号をデジタル変換する。
静電容量変化を周波数変化にデジタル変換する様子を図29を用いて説明する。
集積回路420は、センサ構造部300からのセンサ信号を取り出すにあたって、選択信号Sctと、リセット信号Rstと、を一定周期で出す。
選択信号Sctは、電極板330と集積回路420との間に配置されたスイッチ(不図示)のON信号である。
リセット信号Rstは、電極板330の電荷を一旦GNDにしてリセットするための信号である。The
A manner of digitally converting the capacitance change into the frequency change will be described with reference to FIG.
The
The selection signal Sct is an ON signal of a switch (not shown) disposed between the
The reset signal Rst is a signal for resetting the charge of the
選択信号Sctにより、極板間電荷量Qが一定周期で取り出される。
このように取り出された極板間電荷量Qを所定の抵抗を介して電圧VQに変換する。
このVQを所定の参照電圧Vrefと対比する。
VQがVrefを超えている時間幅を有するパルス信号Voutを生成する。
このとき、電荷の取り出し速度が一定であれば、VQの高さとVoutのパルス幅は正の相関を持つ。
パルスジェネレータ(不図示)によってVoutを所定周波数のパルス信号に変換する。
単位時間あたりのパルス数をカウントすることにより、センサ構造部300にかかる力をデジタル量として計測することができる。
このように周波数変換によってデジタル化されたセンサ信号をデジタルセンサ信号とする。By the selection signal Sct, the inter-electrode charge amount Q is taken out at a constant period.
The inter-electrode charge amount Q thus taken out is converted into a voltage V Q via a predetermined resistance.
Contrasting this V Q with a predetermined reference voltage Vref.
A pulse signal Vout having a time width in which V Q exceeds Vref is generated.
At this time, if the withdrawal rate of the charge is constant, the pulse width of the high and Vout of V Q has a positive correlation.
Vout is converted into a pulse signal having a predetermined frequency by a pulse generator (not shown).
By counting the number of pulses per unit time, the force applied to the
The sensor signal digitized by frequency conversion in this manner is used as a digital sensor signal.
このようにして生成されたデジタルセンサ信号は、各触覚センサ装置200から情報統合装置140に送信される。
信号送信にあたっては、バスの二本の信号ライン113、113によって差動シリアル伝送で伝送してもよい。
このように、触覚センサ装置200から情報統合装置140へデジタル信号を送信することにより、触覚センサ装置200と情報統合装置140との配線長が長くてもノイズの影響を受けにくくなる。
例えばロボットの体表面全体に触覚センサ装置200を設けるとすると全体の配線長はかなりの長さになるのでノイズ耐性が重要になる。
アナログ信号のままで送信する場合に比べて、本実施形態の構成は多数の触覚センサ装置200を備えるセンサシステムに好適である。
(第5実施形態)
上記第1乃至第4実施形態においては、支持枠部313と力伝達部311の高さが同一となっているが、せん断力を効果的に検出するためには、力伝達部311を支持枠部313よりも高くするのが好ましい。
そこで、本第5実施形態においては、ウェハ状態からセンサ装置200を切り分ける段階で、支持枠部313をハーフダイシングによって切削することで、上述のように、力伝達部311を支持枠部313よりも高く設定する。
図34A乃至図34Dは、第5実施形態の製造工程を示す図である。なお、本第5実施形態の製造工程は、上記第1乃至4実施形態に適用可能である。
図34Aに示すように、電極パッド212、213を形成した後、半導体基板400側からハーフダイシングを行う。このとき、その切り込み深さは、構造本体部310に十分に到達する深さとする(図34B)。
次に、表面側から支持枠部313をハーフダイシングによって切削し(図34C)、自然に素子分離が行われる(図34D)。ここで、上記ハーフダイシングにおいて、ダイアフラム性能が変化しない程度の厚さに切削するのが好ましい。
以上により、素子分離と同時に、力伝達部311を支持枠部313よりも高くすることができ、せん断力の感度を高くして、せん断力を効果的に検出することができる。The digital sensor signal generated in this way is transmitted from each
In signal transmission, the signal may be transmitted by differential serial transmission through two
In this way, by transmitting a digital signal from the
For example, if the
Compared to the case where the analog signal is transmitted as it is, the configuration of the present embodiment is suitable for a sensor system including a large number of
(Fifth embodiment)
In the first to fourth embodiments, the heights of the
Therefore, in the fifth embodiment, at the stage of separating the
34A to 34D are views showing the manufacturing process of the fifth embodiment. Note that the manufacturing process of the fifth embodiment can be applied to the first to fourth embodiments.
As shown in FIG. 34A, after the
Next, the
As described above, simultaneously with the element separation, the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
上記では、凸状の力伝達部311と薄肉部312とからなるダイヤフラム構造により、構造本体部310への力印加が容易となり、正確に構造本体部310の変形をもたらし、内部に形成された第1センサ電極320と第2センサ電極330からなる静電容量部の容量変化として力を検知する構成を例示した。
圧力を凸状の力伝達部311と薄肉部312からなるダイヤフラム構造に印加し、構造本体部310の変形をもたらし、内部に形成された第1センサ電極320と第2センサ電極330からなる静電容量部の容量変化として圧力を検知する装置として使用してもよい。
ダイヤフラム中央に凸部があるので、ダイヤフラムの変形が中央に集中しない。これにより、比較的均等にダイヤフラムが変形し、大きな圧力変化を精度よく検出できる。In the above, the diaphragm structure composed of the convex
Pressure is applied to the diaphragm structure composed of the convex
Since there is a convex part in the center of the diaphragm, the deformation of the diaphragm is not concentrated in the center. Thereby, a diaphragm deform | transforms comparatively equally and a big pressure change can be detected accurately.
外部の熱、すなわち、温度差による熱の移動が凸状の熱伝達部と薄肉部312からなるダイヤフラム形状に伝達され、構造本体部310の熱膨張による形状変化が起こり、内部に形成された第1センサ電極320と第2センサ電極320からなる静電容量部の容量変化として熱あるいは温度変化を検知する装置として構成することができる。
ここでは、熱による容量変化として説明したが、温度による抵抗変化、pn接合の温度特性変化をセンサ内部の電極と信号処理回路によって検出するようにしてもよい。External heat, that is, the movement of heat due to the temperature difference is transmitted to the diaphragm shape composed of the convex heat transfer portion and the
Here, although it has been described as a change in capacitance due to heat, a change in resistance due to temperature and a change in temperature characteristics of the pn junction may be detected by an electrode inside the sensor and a signal processing circuit.
ここに、図30は、本発明の構成を最も簡潔に表す図である。
図30に示すように、センサ電極を有するセンサ構造部と半導体基板とが接着層で接合され、センサ電極および集積回路の外部端子は半導体基板の側面を経由して半導体基板の裏面に引き出されている。
センサ構造部としては、表面の接触センシング面に伝わった圧力または熱等の物理量を内部のセンサ電極で検出できればよい。
この場合、接触センシング面は、ダイヤフラム型でなくてもよいことはもちろんである。Here, FIG. 30 is a diagram that most simply represents the configuration of the present invention.
As shown in FIG. 30, the sensor structure having the sensor electrode and the semiconductor substrate are joined by an adhesive layer, and the external terminal of the sensor electrode and the integrated circuit is drawn out to the back surface of the semiconductor substrate via the side surface of the semiconductor substrate. Yes.
The sensor structure only needs to be able to detect a physical quantity such as pressure or heat transmitted to the contact sensing surface on the surface with an internal sensor electrode.
In this case, it is needless to say that the contact sensing surface does not have to be a diaphragm type.
また、接着層500、保護膜250などの材料は適宜変更してもよいことはもちろんである。
Of course, materials such as the
10…ロボット、11…ハンド、100…触覚センサシステム、110…バス、112…電源ライン、113…信号ライン、120…情報中継装置、130…集線装置、140…情報統合装置、200…センサ装置、211…傾斜面、212、213…引き出し配線、220…側端面、221…傾斜面、230、231、232、233、234…引き出し配線、240…裏面、241、242、243、244…外部端子、250…保護膜、251…穴、252…溝、254…角、255…下地絶縁膜、300…センサ構造部、310…構造本体部、311…力伝達部、312…薄肉部、313…支持枠部、314…凹部、315…ウェハ、316…側面、317…マスク、317…溝、320…センサ電極、330…センサ電極、400…半導体基板、410…再配線層、420…集積回路、421…電極バッド、430…パッシベーション膜、500…接着層、510…ビア、520…レジスト、600…ガラス基板、700…LTCC基板、710…配線層、720…ビア。
10 ... Robot, 11 ... Hand, 100 ... Tactile sensor system, 110 ... Bus, 112 ... Power line, 113 ... Signal line, 120 ... Information relay device, 130 ... Concentrator, 140 ... Information integration device, 200 ... Sensor device, 211: Inclined surface, 212, 213 ... Drawer wiring, 220 ... Side end surface, 221 ... Inclined surface, 230, 231, 232, 233, 234 ... Drawer wiring, 240 ... Back surface, 241, 242, 243, 244 ... External terminal, 250 ... Protective film, 251 ... Hole, 252 ... Groove, 254 ... Square, 255 ... Underlying insulating film, 300 ... Sensor structure, 310 ... Structure main body, 311 ... Force transmission part, 312 ... Thin part, 313 ...
Claims (22)
前記アナログセンサ信号を信号処理する信号処理用集積回路が作りこまれた半導体基板と、
前記センサ構造部の他面と前記半導体基板との間に配設され、前記センサ構造体と前記半導体基板とを貼り合わせる接着層と、を備え、
前記センサ電極と前記集積回路とが前記接着層を間にして対向した状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とが積層されてワンチップ化されたセンサ装置であって、
前記センサ電極と前記集積回路とはセンサ装置の内側に封止されており、
前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の少なくともいずれかの外部端子は、配線により前記半導体基板の側方斜面を経由して前記半導体基板の裏面に形成された前記センサ電極の配線取り出し部及び前記集積回路の電極取り出し部のうち少なくともいずれか一方に引き出されている
ことを特徴とするセンサ装置。In addition to having a contact sensing surface that directly contacts the detection target on one surface exposed to the outside, a sensor electrode that outputs an analog sensor signal in response to a change in the contact sensing surface is opposite to the contact sensing surface A sensor structure on the surface side;
A semiconductor substrate on which an integrated circuit for signal processing for processing the analog sensor signal is formed;
An adhesive layer disposed between the other surface of the sensor structure portion and the semiconductor substrate, and bonding the sensor structure and the semiconductor substrate;
A sensor device in which the sensor structure and the semiconductor substrate are laminated to form a one-chip with the sensor electrode and the integrated circuit facing each other with the adhesive layer in between,
The sensor electrode and the integrated circuit are sealed inside a sensor device,
At least one of the external terminals of the sensor electrode and the signal processing integrated circuit is connected to a wiring lead-out portion of the sensor electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate by way of a side slope of the semiconductor substrate and wiring. A sensor device, wherein the sensor device is pulled out to at least one of electrode extraction portions of the integrated circuit.
前記接着層は、BCB(ベンゾシクロブテン、Benzocyclobutene)である
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to claim 1,
The adhesive layer is BCB (benzocyclobutene, benzocyclobutene).
前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の外部端子が前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出されており、
前記センサ電極の配線を取り出すための切れ込みは、前記集積回路の電極を取り出すための切れ込みよりも切れ込み深さが深い
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to claim 1 or 2,
External terminals of the sensor electrode and the signal processing integrated circuit are drawn out to the back surface of the semiconductor substrate via the side surface of the semiconductor substrate,
The sensor device is characterized in that the notch for taking out the wiring of the sensor electrode has a greater depth of cut than the notch for taking out the electrode of the integrated circuit.
前記半導体基板の裏面において、前記センサ電極の配線を取り出す方向と、前記集積回路の電極を取り出す方向と、は直交している
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to claim 3,
In the back surface of the semiconductor substrate, the direction of taking out the wiring of the sensor electrode and the direction of taking out the electrode of the integrated circuit are orthogonal to each other.
前記センサ構造部の裏面に設けられた一方のセンサ電極と、
前記接着層の上に設けられた他方のセンサ電極と、を有し、
二枚のセンサ電極が対向する状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とが前記接着層で接合されている
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to any one of claims 1 to 4,
One sensor electrode provided on the back surface of the sensor structure,
The other sensor electrode provided on the adhesive layer,
The sensor device, wherein the sensor structure and the semiconductor substrate are bonded together by the adhesive layer in a state where two sensor electrodes face each other.
前記接着層にはビアが設けられており、
前記他方のセンサ電極は、前記ビアを介して前記集積回路の電極に接続されている
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to claim 5,
Vias are provided in the adhesive layer,
The other sensor electrode is connected to the electrode of the integrated circuit through the via.
前記センサ構造部の裏面に設けられた一方のセンサ電極と、
ガラス基板の一面に設けられた他方のセンサ電極と、を有し、
二枚のセンサ電極が対向する状態で前記センサ構造部と前記ガラス基板とが接合されており、
前記ガラス基板の他面に設けられた接着層によって前記ガラス基板と前記半導体基板とが接合されている
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to any one of claims 1 to 6,
One sensor electrode provided on the back surface of the sensor structure,
The other sensor electrode provided on one surface of the glass substrate,
The sensor structure portion and the glass substrate are bonded in a state where two sensor electrodes face each other,
The sensor device, wherein the glass substrate and the semiconductor substrate are bonded by an adhesive layer provided on the other surface of the glass substrate.
前記ガラス基板に代えて、セラミック基板を備える
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to claim 7,
A sensor device comprising a ceramic substrate instead of the glass substrate.
前記センサ電極の配線取り出し部および前記集積回路の電極取り出し部は、前記半導体基板を裏面から見たとき、前記半導体基板の側面において非連続に形成された穴、または、前記半導体基板の側面において形成された窪みに設けられている
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to any one of claims 1 to 8,
The sensor electrode wiring extraction portion and the integrated circuit electrode extraction portion are formed in holes formed discontinuously on the side surface of the semiconductor substrate or on the side surface of the semiconductor substrate when the semiconductor substrate is viewed from the back surface. A sensor device characterized in that the sensor device is provided in a hollow.
センサ電極と集積回路との接続は、前記半導体基板の側端面において取り出し配線または外部端子によって行われている
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to any one of claims 1 to 9,
The sensor device is characterized in that the connection between the sensor electrode and the integrated circuit is made by a lead-out wiring or an external terminal on the side end surface of the semiconductor substrate.
前記センサ電極と前記集積回路との間の寄生容量を減じる手段として、前記接着層の厚さを10μm以上とする
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to any one of claims 1 to 10,
As a means for reducing parasitic capacitance between the sensor electrode and the integrated circuit, the thickness of the adhesive layer is 10 μm or more.
前記接触センシング面は検出対象と接触して接触圧または熱を前記センサ電極に伝え、
前記センサ構造部は、力、接触力、接触圧または熱を検出する
ことを特徴とするセンサ装置。The sensor device according to any one of claims 1 to 11,
The contact sensing surface is in contact with a detection target and transmits contact pressure or heat to the sensor electrode,
The sensor structure unit detects force, contact force, contact pressure, or heat.
信号処理用の集積回路を組み込んだ半導体基板を作成し、
前記センサ電極と前記集積回路とが対向する状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とを接着層にて接合し、
前記半導体基板の裏面をエッチングし、さらに、前記半導体基板の裏面からのハーフダイシングによって前記センサ電極の配線取り出し部および前記集積回路の電極取り出し部を当該半導体基板の裏面側に露出させ、
前記エッチングおよび前記ハーフダイシングによって形成した半導体基板の斜面から半導体基板の裏面にかけて引き出し配線を設け、
前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の外部端子を前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出す
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。A sensor electrode is provided on the back surface of the wafer to be the sensor structure,
Create a semiconductor substrate incorporating an integrated circuit for signal processing,
Bonding the sensor structure and the semiconductor substrate with an adhesive layer in a state where the sensor electrode and the integrated circuit face each other,
Etching the back surface of the semiconductor substrate, and further exposing the wiring extraction portion of the sensor electrode and the electrode extraction portion of the integrated circuit to the back side of the semiconductor substrate by half dicing from the back surface of the semiconductor substrate,
A lead wiring is provided from the slope of the semiconductor substrate formed by the etching and the half dicing to the back surface of the semiconductor substrate,
A method of manufacturing a sensor device, wherein the external terminals of the sensor electrode and the signal processing integrated circuit are drawn out to a back surface of the semiconductor substrate through a side surface of the semiconductor substrate.
前記エッチングはアルカリウェットエッチングであり、
エッチングのマスクとして低温酸化膜上に感光耐性アルカリ有機保護膜を重ねたものを用いる
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。In the manufacturing method of the sensor apparatus according to claim 13,
The etching is alkali wet etching,
A method of manufacturing a sensor device, comprising using a low-temperature oxide film overlaid with a photosensitive resistant alkali organic protective film as an etching mask.
前記接着層はBCB(ベンゾシクロブテン、Benzocyclobutene)を用い、
BCBを塗布し、220℃でプリキュアを行ったあと、接合は250℃で行う
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。In the manufacturing method of the sensor apparatus according to claim 13 or 14,
For the adhesive layer, BCB (benzocyclobutene, benzocyclobutene) is used,
A method for manufacturing a sensor device, comprising: applying BCB, performing pre-cure at 220 ° C., and performing bonding at 250 ° C.
前記ハーフダイシングにあたって、
前記センサ電極の配線を取り出すためのハーフダイシングは、前記集積回路の電極を取り出すためのハーフダイシングよりも切れ込み深さが深い
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。In the manufacturing method of the sensor apparatus according to any one of claims 13 to 15,
In the half dicing,
The method for manufacturing a sensor device, wherein the half dicing for extracting the wiring of the sensor electrode has a greater depth of cut than the half dicing for extracting the electrode of the integrated circuit.
センサ装置は、二枚のセンサ電極を有し、
センサ電極の一方を前記センサ構造部の裏面に設け、
前記半導体基板の上に接着層を設け、
接着層の上にセンサ電極の他方を設け、
二枚のセンサ電極が対向するようにして前記センサ構造部と前記半導体基板とを前記接着層で接合する
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。A method of manufacturing a sensor device according to any one of claims 13 to 16,
The sensor device has two sensor electrodes,
One of the sensor electrodes is provided on the back surface of the sensor structure,
Providing an adhesive layer on the semiconductor substrate;
Provide the other of the sensor electrodes on the adhesive layer,
A sensor device manufacturing method, wherein the sensor structure and the semiconductor substrate are joined by the adhesive layer so that two sensor electrodes face each other.
前記半導体基板の上に接着層を設けたのち、前記接着層にビアをパターニングし、
前記センサ電極の他方を、接着層に設けられたビアを介して前記集積回路の電極に接続する
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。In the manufacturing method of the sensor apparatus according to claim 17,
After providing an adhesive layer on the semiconductor substrate, patterning vias in the adhesive layer,
The other of the sensor electrodes is connected to the electrode of the integrated circuit through a via provided in an adhesive layer.
センサ装置は、二枚のセンサ電極を有し、
センサ電極の一方を前記センサ構造部の裏面に設け、
ガラス基板の一面にセンサ電極の他方を設け、
二枚のセンサ電極が対向するようにして前記センサ構造部と前記ガラス基板とを貼り合わせ、
前記ガラス基板の他面に接着層を形成して前記ガラス基板と前記半導体基板とを接合させる
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。A method of manufacturing a sensor device according to any one of claims 13 to 16,
The sensor device has two sensor electrodes,
One of the sensor electrodes is provided on the back surface of the sensor structure,
The other side of the sensor electrode is provided on one surface of the glass substrate,
Bonding the sensor structure and the glass substrate so that the two sensor electrodes face each other,
An adhesive layer is formed on the other surface of the glass substrate to bond the glass substrate and the semiconductor substrate.
前記ガラス基板に代えてセラミック基板を用いる
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。In the manufacturing method of the sensor apparatus according to claim 19,
A method of manufacturing a sensor device, wherein a ceramic substrate is used instead of the glass substrate.
信号処理用の集積回路を組み込んだ半導体基板を作成し、
前記センサ電極と前記集積回路とが対向する状態で前記センサ構造部と前記半導体基板とを接着層にて接合し、
前記半導体基板の裏面をエッチングし、該裏面に絶縁膜を形成し、該絶縁膜をエッチングすることで、前記センサ電極の配線取り出し部および前記集積回路の電極取り出し部を当該半導体基板の裏面側に露出させ、
前記エッチングによって形成した半導体基板の斜面から半導体基板の裏面にかけて引き出し配線を設け、
前記センサ電極および前記信号処理用集積回路の外部端子を前記半導体基板の側面を経由して前記半導体基板の裏面に引き出す
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。A sensor electrode is provided on the back surface of the wafer to be the sensor structure,
Create a semiconductor substrate incorporating an integrated circuit for signal processing,
Bonding the sensor structure and the semiconductor substrate with an adhesive layer in a state where the sensor electrode and the integrated circuit face each other,
Etching the back surface of the semiconductor substrate, forming an insulating film on the back surface, and etching the insulating film so that the wiring extraction portion of the sensor electrode and the electrode extraction portion of the integrated circuit are on the back surface side of the semiconductor substrate. To expose
A lead wiring is provided from the slope of the semiconductor substrate formed by the etching to the back surface of the semiconductor substrate,
A method of manufacturing a sensor device, wherein the external terminals of the sensor electrode and the signal processing integrated circuit are drawn out to a back surface of the semiconductor substrate through a side surface of the semiconductor substrate.
前記センサ構造部側からハーフダイシングを行い、対象物と接触する前記センサ構造部の力伝達部より該力伝達部の外側にある支持枠部を低く切削し、素子分離を行う
ことを特徴とするセンサ装置の製造方法。In the manufacturing method of the sensor apparatus according to any one of claims 13 to 21,
Half-dicing is performed from the sensor structure part side, and the support frame part outside the force transmission part is cut lower than the force transmission part of the sensor structure part that comes into contact with the object, and element separation is performed. A method for manufacturing a sensor device.
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