JP5929645B2 - 物理量センサ - Google Patents

Description

本発明は、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンサ部を被搭載部材に接合してなる物理量センサに関するものである。

従来より、例えば、加速度に応じたセンサ信号を出力するセンシング部が形成されたセンサ部を被搭載部材としてのケースに接着剤を介して接合してなる物理量センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、このような物理量センサでは、センサ部が半導体基板等で構成され、被搭載部材が樹脂等で構成されており、センサ部の裏面の全面が接着剤と接合されている。

特開２００８−２４１４５６号公報

このような物理量センサでは、センサ部と被搭載部材とを構成する材料が異なり、センサ部と被搭載部材との熱膨張係数が異なるために熱応力等の応力が発生する。また、センサ部の裏面の全面が接着剤を介して被搭載部材と接合されている。このため、応力がセンサ部の裏面全面からセンシング部に伝達されてしまい、検出精度が低下してしまうという問題がある。

なお、このような問題は、圧力や角速度に応じたセンサ信号を出力するセンサ部を用いた場合にも同様に発生する。

本発明は上記点に鑑みて、応力がセンシング部に印加されることを抑制できる物理量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、センサ部は、被搭載部材と対向する支持基板（３１）と、支持基板上に配置された犠牲層（３３）と、犠牲層を挟んで支持基板と反対側に配置された半導体層（３２）と、を有する半導体基板（３４）を用いて構成され、センシング部が半導体層に形成されている。そして、支持基板は、犠牲層を介して半導体層を支持する支持部（３１ａ）と、被搭載部材に接合部材を介して接合される接合部（３１ｂ）と、支持部と接合部とを連結すると共に支持部を半導体基板の平面方向に変位させる梁部（３１ｃ）と、を有し、接合部のみが被搭載部材に対して接合されることで支持部および梁部は被搭載部材に対して浮遊状態とされていることを特徴としている。

これによれば、半導体層（センシング部）を支持する支持部が被搭載部材と接合されていないため、被搭載部材から支持部に直接応力が印加されることがない。また、接合部には被搭載部材から応力が印加されるが、支持基板は、支持部を半導体基板の平面方向に変位させる梁部を有している。つまり、支持基板は、接合部と支持部との間にバネ性（弾性）を有する梁部を有している。このため、被搭載部材から接合部に印加された応力はバネ性を有する梁部が変位することによって緩和される。したがって、接合部から支持部を介してセンシング部（半導体層）に印加される応力を低減することができ、検出精度が低下することを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における物理量センサの断面図である。 センサ部のうちキャップ部と接合される一面の平面図である。 センサ部のうちキャップ部と接合される一面と反対側の他面の平面図である。 ワイヤボンディングを行う際の断面図である。 本発明の他の実施形態におけるワイヤボンディングを行う際の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示されるように、本実施形態の物理量センサは、センサチップ１０が被搭載部材２０に搭載されてなるものである。まず、本実施形態のセンサチップ１０の構成について説明する。

センサチップ１０は、センサ部３０にキャップ部８０が接合されてなるものであり、本実施形態では、センサ部３０として加速度を検出するものが用いられる。

具体的には、センサ部３０は、支持基板３１と半導体層３２とにより犠牲層３３が挟み込まれたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板３４が用いられ、このＳＯＩ基板３４に周知のマイクロマシン加工が施されて構成されている。

なお、ＳＯＩ基板３４が本発明の半導体基板に相当しており、支持基板３１および半導体層３２としては、例えば、Ｎ型の単結晶シリコンが用いられ、犠牲層３３としては、例えば、ＳｉＯ_２が用いられる。また、ＳＯＩ基板３４のうちの犠牲層３３は、支持基板３１と半導体層３２との間に一定の間隔を形成するものである。

半導体層３２には、図２に示されるように、溝部３５にて可動部４０および固定部５０、６０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されており、この梁構造体によってセンシング部３６が形成されている。なお、図１に示すセンサ部３０は、図２および図３のＩ−Ｉ断面に沿った断面図である。

また、犠牲層３３のうち梁構造体の形成領域に対応した部位には、エッチング等によって矩形状に除去された開口部３７が形成されており、梁構造体が支持基板３１に対して浮遊状態とされている。

可動部４０は、開口部３７上を横断するように配置されており、矩形状の錘部４１における長手方向（図２中紙面左右方向）の両端が梁部４２を介してアンカー部４３ａ、４３ｂに一体に連結した構成とされている。

アンカー部４３ａ、４３ｂは、犠牲層３３における開口部３７の開口縁部に固定されて支持基板３１に支持されている。これにより、錘部４１および梁部４２は、開口部３７に臨んだ状態とされており、支持基板３１に対して浮遊状態とされている。

梁部４２は、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状とされており、２本の梁の長手方向（図２中紙面上下方向）と直交する方向（図２中紙面左右方向）に変位するバネ性を有する。具体的には、梁部４２は、錘部４１の長手方向（図２中紙面左右方向）の成分を含む加速度を受けたときに錘部４１を長手方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。

また、可動部４０は、錘部４１の長手方向と直交する方向（図２中紙面上下方向）に、錘部４１の両側面から互いに反対方向へ一体的に突出形成された複数個の可動電極４４を備えている。図２では、可動電極４４は、錘部４１の下側および上側に各々４個ずつ突出して形成されており、開口部３７に臨んだ状態となっている。このような各可動電極４４は、梁部４２および錘部４１と一体的に形成されており、梁部４２の変位に伴って錘部４１と一体的に変位可能とされている。

固定部５０、６０は、犠牲層３３における開口部３７の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部４３ａ、４３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部に支持されている。具体的には、固定部５０は、錘部４１に対して図２中の下側に配置されており、固定部６０は、錘部４１に対して図２中の上側に配置されている。つまり、固定部５０、６０は、錘部４１を挟むように配置されている。そして、これら各固定部５０、６０は互いに電気的に独立している。

また、各固定部５０、６０は、可動電極４４の側面と所定の検出間隔を有するように平行した状態で対向配置された複数個（図示例では４個ずつ）の固定電極５１、６１と、犠牲層３３における開口部３７の開口縁部に固定されて支持基板３１に支持された配線部５２、６２とを有している。

各固定電極５１、６１は、可動電極４４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列され、各配線部５２、６２に片持ち状に支持された状態となっており、開口部３７に臨んだ状態となっている。つまり、各固定電極５１、６１は、支持基板３１に対して浮遊状態とされている。

また、ＳＯＩ基板３４における半導体層３２のうち可動電極４４および固定電極５１、６１の溝部３５を介した外周部は、周辺部７０として構成されている。言い換えると、周辺部７０の内側に可動部４０および固定部５０、６０が形成されているとも言える。この周辺部７０は、犠牲層３３を介して支持基板３１に固定されて支持されている。

支持基板３１は、図３に示されるように、半導体層３２と同じ平面形状の基板における所定領域がエッチング等によって除去されてなるものであり、支持部３１ａと、接合部３１ｂと、梁部３１ｃとを有している。そして、図１に示されるように、犠牲層３３のうち接合部３１ｂおよび梁部３１ｃと半導体層３２との間に位置する部分はエッチング等によって除去されている。すなわち、接合部３１ｂおよび梁部３１ｃは、半導体層３２に対して浮遊状態とされている。

支持部３１ａは、犠牲層３３を介して半導体層３２を支持するものである。なお、本実施形態では、支持部３１ａは、錘部４１の長手方向と直交する方向（図３中紙面上下方向）の長さが半導体層３２と同じとされているが、この支持部３１ａは、半導体層３２を支持できる大きさであればよく、錘部４１の長手方向と直交する方向の長さが半導体層３２より短くされていてもよい。もちろん、支持部３１ａは、錘部４１の長手方向と直交する方向の長さが半導体層３２より長くされていてもよい。

接合部３１ｂは、図１に示されるように、被搭載部材２０に接合される部分であり、本実施形態では、支持部３１ａを挟むようにして対称に２つ配置されている。

梁部３１ｃは、支持部３１ａと各接合部３１ｂとを連結するものであり、梁部４２と同様に、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状とされており、２本の梁の長手方向（図３中紙面上下方向）と直交する方向（図３中紙面左右方向）に変位するバネ性（弾性）を有するものである。具体的には、梁部３１ｃは、主として２つの接合部３１ｂを結ぶ方向（図３中紙面左右方向）に支持部３１ａを変位させることができるようになっている。

なお、本実施形態では、２つの接合部３１ｂを結ぶ方向が本発明の半導体基板の平面方向に相当している。

以上が本実施形態におけるセンサ部３０の構成である。次に、キャップ部８０について説明する。

キャップ部８０は、上記センシング部３６への水や異物の混入等を防止するものであり、図１に示されるように、センサ部３０と接合されて気密室９０を構成する。本実施形態のキャップ部８０は、シリコン基板８１に第１、第２絶縁膜８２、８３が形成されて構成されている。

シリコン基板８１は、センサ部３０と対向する一面のうちセンサ部３０のセンシング部３６と対向する部分に窪み部８１ａが形成されている。この窪み部８１ａは、センシング部３６がキャップ部８０に接触しないようにするためのものである。

そして、シリコン基板８１のうちセンサ部３０と対向する一面全面に、センサ部３０とシリコン基板８１とを絶縁するための第１絶縁膜８２が形成されている。なお、この第１絶縁膜８２は、窪み部８１ａの表面にも形成されている。また、シリコン基板８１のうちセンサ部３０と対向する一面と反対側の他面には第２絶縁膜８３が形成されている。これら第１、第２絶縁膜８２、８３は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や熱酸化等によって形成される。

また、キャップ部８０は、該キャップ部８０をセンサ部３０とキャップ部８０との積層方向に貫通する４つの貫通電極部８４を有している。各貫通電極部８４は、第２絶縁膜８３、シリコン基板８１、第１絶縁膜８２を貫通する孔部８４ａと、この孔部８４ａの壁面に形成された絶縁膜８４ｂと、この絶縁膜８４ｂの上に埋め込まれ、一端部がセンサ部３０の所定領域と電気的に接続される貫通電極８４ｃと、キャップ部８０のうちセンサ部３０側と反対側に形成され、貫通電極８４ｃの他端部と電気的に接続されるパッド部８４ｄとにより構成されている。

そして、図２に示されるように、４つの貫通電極部８４のうちの１つは、アンカー部４３ｂに電気的に接続され、４つの貫通電極部８４のうちの２つは、配線部５２、６２にそれぞれ電気的に接続されている。また、４つの貫通電極部８４のうちの１つは、周辺部７０に電気的に接続されている。

なお、絶縁膜８４ｂとしては、例えば、ＴＥＯＳ等の絶縁材料が用いられ、貫通電極８４ｃとしては、例えば、Ａｌ等が用いられる。

そして、このようなキャップ部８０がセンサ部３０と接合されて本実施形態のセンサチップ１０が構成されている。具体的には、キャップ部８０の第１絶縁膜８２とセンサ部３０の半導体層３２とが真空下で直接接合により接合されることで気密室９０が構成され、この気密室９０にセンシング部３６が封止されている。

以上が本実施形態におけるセンサチップ１０の構成であり、このような構成のセンサチップ１０が被搭載部材２０に接合されている。

具体的には、図１に示されるように、樹脂等で構成され、一面２０ａに図示しない回路チップ等が搭載されている被搭載部材２０の一面２０ａに支持基板３１のうち接合部３１ｂのみが本発明の接合部材に相当する接着剤１００を介して接合されている。すなわち、センサ部３０は、支持基板３１のうち支持部３１ａおよび梁部３１ｃが被搭載部材２０に対して浮遊している状態で被搭載部材２０に接合されている。

そして、パッド部８４ｄが被搭載部材２０に搭載されている回路チップ等とボンディングワイヤ１１０を介して電気的に接続されている。

次に、このような物理量センサの製造方法について説明する。

まず、上記のようなセンシング部３６が形成されたＳＯＩ基板３４に、窪み部８１ａが形成されると共に第１、第２絶縁膜８２、８３が形成されたシリコン基板８１を直接接合により接合する。なお、本実施形態では、この工程の後では、未だ支持基板３１に接合部３１ｂおよび梁部３１ｃが構成されていない。

次に、支持基板３１の所定領域をエッチング等により除去することにより、図３に示されるように、支持部３１ａ、接合部３１ｂ、梁部３１ｃを形成する。その後、フッ酸等を用い、犠牲層３３のうち、接合部３１ｂおよび梁部３１ｃと、半導体層３２との間に位置する部分をエッチングして除去することにより、接合部３１ｂおよび梁部３１ｃを半導体層３２に対して浮遊状態にする。

なお、この工程は、ＳＯＩ基板３４とシリコン基板８１とを接合する前にＳＯＩ基板３４に対して行ってもよいが、ＳＯＩ基板３４とシリコン基板８１とを接合した後に行うことが好ましい。すなわち、センシング部３６が気密室９０に封止された後に行うことが好ましい。これにより、センシング部３６に、支持部３１ａ、接合部３１ｂ、梁部３１ｃを形成した際に生じる異物が付着することを抑制できる。

その後、キャップ部８０に対して貫通電極部８４を形成する工程を行う。具体的には、まず、アンカー部４３ｂ、配線部５２、６２、周辺部７０の所定箇所に対応する場所の第２絶縁膜８３、シリコン基板８１、第１絶縁膜８２をドライエッチング等により除去して４つの孔部８４ａを形成する。その後、ＴＥＯＳ等を成膜して孔部８４ａの壁面に絶縁膜８４ｂを形成する。次に、各孔部８４ａの底部に配置された絶縁膜８４ｂを除去し、アンカー部４３ｂ、配線部５２、６２、周辺部７０の所定箇所を露出させる。

その後、各孔部８４ａにスパッタ法や蒸着法等によりＡｌやＡｌ−Ｓｉ等の金属を埋め込み、貫通電極８４ｃを形成して、各貫通電極８４ｃとアンカー部４３ｂ、配線部５２、６２、周辺部７０の所定箇所とをそれぞれ電気的に接続する。また、第２絶縁膜８３上の金属をパターニングしてパッド部８４ｄを形成する。これにより、キャップ部８０に４つの貫通電極部８４が形成されてセンサチップ１０が用意される。

続いて、樹脂等で構成され、一面２０ａに回路チップ等が搭載された被搭載部材２０を用意する。そして、被搭載部材２０の一面２０ａに接着剤１００を介してセンサチップ１０を接合する。具体的には、支持基板３１のうち接合部３１ｂのみを接着剤１００を介して被搭載部材２０に接合する。つまり、支持基板３１のうち支持部３１ａおよび梁部３１ｃを被搭載部材２０に対して浮遊状態としつつ、センサチップ１０を被搭載部材２０に接合する。

なお、支持部３１ａおよび梁部３１ｃと被搭載部材２０との間隔は、センサチップ１０をキャップ部８０から被搭載部材２０側に押圧したときに支持部３１ａと被搭載部材２０とを当接させることができる間隔にすることが好ましく、例えば、１０μｍ以下になるようにすることが好ましい。

その後、パッド部８４ｄと回路チップとをワイヤボンディングして電気的に接続する。このとき、本実施形態では、支持基板３１のうち接合部３１ｂのみが被搭載部材２０に接合されているため、そのままワイヤボンディングを行うと、センサチップ１０がぐらついてしまい、ワイヤボンディングを行うことが困難となる。

このため、図４に示されるように、センサチップ１０をキャップ部８０側から被搭載部材２０側に押圧し、梁部３１ｃを変位させて支持部３１ａを被搭載部材２０に当接させつつ、ワイヤボンディングを行う。これにより、ワイヤボンディングを行う際にセンサチップ１０がぐらつくことを抑制できる。

以上説明したように、本実施形態では、センサチップ１０は支持基板３１のうち接合部３１ｂのみが被搭載部材２０に接合されており、支持部３１ａおよび梁部３１ｃは被搭載部材２０に対して浮遊状態とされている。このため、半導体層３２を支持する支持部３１ａに被搭載部材２０から直接応力が印加されることがない。

また、接合部３１ｂには被搭載部材２０から応力が印加されるが、支持基板３１は、接合部３１ｂと支持部３１ａとの間にＳＯＩ基板３４の平面方向に変位可能とされた梁部３１ｃを有している。つまり、支持基板３１は、接合部３１ｂと支持部３１ａとの間にバネ性（弾性）を有する梁部３１ｃを有している。このため、被搭載部材２０から接合部３１ｂに印加された応力はバネ性を有する梁部３１ｃが変位することによって緩和される。したがって、接合部３１ｂから支持部３１ａを介してセンシング部３６（半導体層３２）に印加される応力を低減することができ、検出精度が低下することを抑制できる。

また、本実施形態では、支持部３１ａを挟んで２つの接合部３１ｂが対称に形成されており、支持部３１ａには梁部３１ｃで緩和しきれなかった応力が梁部３１ｃとの連結部分から均等に印加される。このため、センサチップ１０が傾いたりすることを抑制することができ、検出精度が低下することを抑制できる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態において、センサチップ１０をセンサ部３０のみで構成するようにしてもよく、キャップ部８０を備えない構成とすることもできる。また、上記第１実施形態において、圧力や角速度等を検出するセンサ部３０を用いることもできる。

そして、上記第１実施形態において、半導体層３２の外縁部が支持基板３１から突出しているＳＯＩ基板３４としてもよい。これによれば、半導体層３２の外縁部に印加される応力が小さくなり、半導体層３２が反ることを抑制することができる。また、支持部３１ａ上のみに半導体層３２が位置するＳＯＩ基板３４であってもよい。つまり、支持基板３１および半導体層３２の大きさは適宜変更可能である。

また、上記第１実施形態では、支持基板３１に２つの梁部３１ｃが形成されたものを説明したが、さらに複数の梁部３１ｃを備えてもよい。例えば、支持部３１ａと各接合部３１ｂとの間に２つずつ梁部３１ｃを配置するようにしてもよい。また、上記のように支持部３１ａが矩形状とされている場合には、各辺の外側にそれぞれ接合部３１ｂを形成し、支持部３１ａと各接合部３１ｂとの間に梁部３１ｃを配置するようにしてもよい。

さらに、上記第１実施形態において、ワイヤボンディングを行う際、治具にてセンサチップ１０を保持するようにしてもよい。例えば、図５に示されるように、被搭載部材２０にセンサチップ１０を接合した後、被搭載部材２０のうちセンサチップ１０と対向する領域に貫通孔２０ｂを形成する。そして、この貫通孔２０ｂから治具１２０を挿入してセンサチップ１０を保持し、この状態でワイヤボンディングを行うようにしてもよい。なお、ワイヤボンディングを行った後は、特に図示しないが、蓋を配置して貫通孔２０ｂを閉塞するようにしてもよい。

また、上記第１実施形態において、支持基板３１の所定領域を除去することで支持部３１ａ、接合部３１ｂ、梁部３１ｃを形成する工程と、貫通電極部８４を形成する工程とはどちらを先に行ってもよい。

１０ センサチップ
２０ 被搭載部材
３０ センサ部
３１ 支持基板
３１ａ 支持部
３１ｂ 接合部
３１ｃ 梁部
３２ 犠牲層
３３ 半導体層
３４ ＳＯＩ基板（半導体基板）
８０ キャップ部

Claims (4)

1. 物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（３６）が形成されたセンサ部（３０）と、
   前記センサ部が接合部材（１００）を介して接合される被搭載部材（２０）と、を備え、
   前記センサ部は、支持基板（３１）と、前記支持基板上に配置された犠牲層（３３）と、前記犠牲層を挟んで前記支持基板と反対側に配置された半導体層（３２）と、を有する半導体基板（３４）を用いて構成され、前記センシング部が前記半導体層に形成されており、
   前記支持基板は、前記犠牲層を介して前記半導体層を支持する支持部（３１ａ）と、前記被搭載部材に前記接合部材を介して接合される接合部（３１ｂ）と、前記支持部と前記接合部とを連結すると共に前記支持部を前記半導体基板の平面方向に変位させる梁部（３１ｃ）とを有し、前記接合部のみが前記被搭載部材に対して接合されることで前記支持部および前記梁部は前記被搭載部材に対して浮遊状態とされていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記梁部は、前記支持部を挟んで対称に偶数個備えられていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記センサ部は、前記センシング部が覆われるキャップ部と接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の物理量センサ。
4. 前記センシング部は、加速度に応じた前記センサ信号を出力することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の物理量センサ。
   
   

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