JPH0551861B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気的な特性が、１部分による特定
の物質との選択的な相互作用に基ずいて決まる半
導体デバイスに係わり、さらに詳細には、そのよ
うなデバイスをさまざまな周囲の環境において使
用するためにカプセル封じする方法および装置に
係わるものである。

「選択的に化学的にセンシテイブなFETトラ
ンスデユーサー」と題するジヨンソン外に対する
1977年５月３日発行の合衆国特許第4020830号に
よつて例証される類のデバイスが存在する。これ
らのデバイスは、化学的に選択作用するシステム
が周囲物質と相互作用することによつて変調が行
なわれるという導電特性を特色とするものであ
る。上記ジヨンソン特許によると、絶縁層が配設
された領域すなわちチヤンネルと、所定の周囲物
質と特定の相互作用するための化学的に選択作用
するシステムとによつて分離されたドレイン領域
とソース領域とを基板層が担持している。この化
学的に選択作用するシステムは、通常、物質と相
互作用するメンブレインの形をとつており、特定
の周囲物質の濃度に基いてドレイン・ソース間電
流を変調するものである。

上記ジヨンソン外の特許は、ガス濃度、イオン
活性度、免疫化学物質濃度、酵素の濃度などを含
むさまざまな類の周囲条件を計測するための化学
的に選択作用するシステムを企図したものであ
る。そのようなシステムの用途は、実際にさまざ
まな分野に広範な利益を生じているであろう。当
該技術分野においては、これらの用途にそれぞれ
別個の専門用語、例えば化学的に選択作用するメ
ンブレインデバイスに対しては“CHEMFET”
（化学FET）、イオン反応するデバイスに対して
は“ISFET”（イオンFET）、免疫学的に反応す
るデバイスに対しては“IMMUNOFET”（免疫
FET）、などの用語を使用する傾向があつたが、
本願明細書においては、「化学FET」、あるいは
単に「デバイス」という用語を、利用される感知
あるいは反応の種類、使用されるメンブレインの
性質、あるいは監視されるべき周囲物質の種類な
どとは無関係にそのような装置の全てを網羅する
ように総称的に使用することにする。同様に、本
明細書において使用されている「化学FET」あ
るいは「デバイス」という用語は、トランジスタ
ー型デバイス、ダイオード型デバイス、あるいは
メンブレイン・物質間の相互作用に基ずく類似の
導電率変調を特色とする他の類似するデバイスを
包含するものである。

近年、信頼性の高い安定した良好な目盛が施こ
されたデバイスの大規模な製造を容易とする製造
工程におけるデバイスと配置の開発に大きな努力
が払われてきた。例えば、デバイスのカプセル封
じ、メンブレインの定式化、およびメンブレイン
の配置は手ごわい技術問題であることが判明して
いる。

本発明の本質の一般的な目的は、信頼性が高
く、仕様が良く定量化され、物理的なインテグリ
テイが改良され、かつ作動上の寿命が穏当な化学
的FETデバイスを製造するためのカプセル封じ
装置および兼用のアセンブリプロセスを提供する
ことである。

化学的FETに付随するパツケージングあるい
はカプセル封じの問題は、半導体製造分野におい
て必要性が高くかつやや独特のものである。デバ
イスは、それ自体、非常に小さいものであり、そ
の作動を、周囲の溶液環境と化学的に反応するさ
らに小さなゲート部を露出することに依存してい
るものである。しかしながら、この小さなゲート
部を除いた導線、チツプ端縁部、およびボンデイ
ングバツド接続部を含む半導体チツプおよびその
関連接続部の残余の部分は、溶接密閉されねばな
らない。デバイスのこれらの部分を密閉し損なう
と、腐蝕の問題、および場合によつてはデバイス
の退化および故障、およびさらに悪い場合にはデ
バイスのシステムにおける導線相互間に不測の電
気の通路が発生することになるものである。さら
に、特に生体臨床医学的な用途に関しては、シス
テムの化学的にセンシテイブなゲート領域以外の
部分の露出は、監視されている生物学的な物質に
よる不都合な汚染の危険を生ずるものである。

故に本発明の他の目的は、デバイスおよび特に
それらの化学的にセンシテイブなメンブレインシ
ステムの寸法およびこわれやすさと両立し得るカ
プセル封じシステムおよび技術とを提供すること
である。

化学FETデバイスのカプセル封じための一般
的なものだがあきあきするような技術は、中空の
カテーテル様の屈曲可能なチユーブの利用を包含
している。小さなゲージワイヤがこのカテーテル
中を貫通せしめられ、その１端部は監視回路にプ
ラグインするための商業的に入手可能な多種類の
コネクタのうちのいずれかにはんだ付けされる。
上記ワイヤの他端部は、チツプの接続のための素
線を裸の状態としたまま接着されカツトされる。
次いで、１個あるいはそれ以上の個数のデバイス
を担持する半導体チツプがカテーテルに接続さ
れ、小さな（例えば0.001インチ径）ワイヤがチ
ツプのボンデイングパツドとカテーテルから露出
したワイヤ端部の素線との間に超音波接合され
る。かくして正しい電気接触の検証が行なわれた
後、デバイスの化学的にセンシテイブなゲートメ
ンブレイン部のまわりの露出された小さな空いた
領域を除いてチツプおよびワイヤの全部をカバー
するように、擬液性のエポキシが人手による塗布
される。

前述の手順は、ワーキングデバイスの製造にお
いては大部分適度に成功しているが、それは明ら
かに組立者の側におけるかなりの時間、訓練、お
よび熟練を包含しているのである。加うるに、各
データバアスの基本的に「手作り」であるという
性質は、製造物に不均一性を与えるものである。
そしてこの不均一性は、さまざまなメンブレイン
がそれらユニツトに使用されるためにしばしば性
能に変動を生ずることになるのである。さらに、
超音波によるワイヤの接合工程は、偏平でないル
ープを必然的に生ずるが、このループもカプセル
封じがなされなければならないものである。しか
しながら、このループのカプセル封じは、さらに
そのカプセル封じプロセス中にデバイスに対して
構造的な危険を生ずるのである。最後に、このカ
プセル封じが偏平でないという性質は、さらにそ
のようにして製造されたデバイスの機能的な不均
一性の一因となつているのである。

本発明の本質のさらに他の重要な目的は、前述
の化学FETのカプセル封じ技術に本質的に付随
する困難、欠点、および不安定さ、ならびにこれ
らから必然的に生ずる機能的な不安定さおよび不
均一性を排除することである。

半導体チツプの封入のために好ましいことであ
ると最近半導体工業において見出された技術は、
いわゆる自動化テープボンデイングプロセスであ
る。例えば「ビームテープ担持体−−設計ガイ
ド」と題するケインによる1978年３月のソリツド
ステートテクノロジー中の記事、あるいは「ビー
ム−−テープ・テクノロジー」と題するパルスト
ーンによる1977年８月20日のEDNの中の記事を
参照されたい。一般に、従来の自動化テープボン
デイング技術は、しばしば写真石版プロセスによ
つて基板上に画成される平坦な鋼製リードパター
ンを使用しており、このパターンに半導体チツプ
がボンデイングされる。その際、チツプとビーム
リードとが分離されて使用されるか、あるいはア
センブリ全体が適宜に充分に封入されるかのいず
れかである。

本発明のさらに他の目的は、自動化テープボン
デイング技術を化学FET式のデバイスのカプセ
ル封じに適用することである。

本発明の本質によると、半導体工業における比
較的最近の発展である自動化テープポンデイング
技術は、化学FET式のデバイスに関連した独特
のカプセル封じ基準に適用される。本発明の本質
によると、平坦で、実質的に不活性のテープある
いはフイルムが平坦な鋼製のリードパターンを支
持している。好適な実施例においては、テープ
は、広範な環境の下において不活性であり、かつ
特にバイオコンパチブルであるとして知られたポ
リイミド材料製とされている。このポリイミドテ
ープは、デバイスを受止めるための開口あるいは
端末部を画成しているが、ビームリードパターン
は、この開口の上に延在するとともにデバイスの
ボンデイングパツドパターンと基本的に一致する
パターンをなす先端部を有している。化学FET
デバイスを担持している半導体チツプは、例えば
超音波ボンデイングによつてビームリードの先端
部にボンデイングされる。

チツプの上面および下面は、同様にポリイミド
製とするのが好ましい他のフイルムあるいはテー
プによつて被覆されているが、これらのテープは
化学FETデバイスの少なくともゲートメンブレ
イン領域の上に位置する窓孔を画成している。熱
硬化性シリコーン接着剤が、化学FETデバイス
のメンブレイン領域の充分な露出に備えている
が、これはデバイスの残余の部分に対する充分な
密閉および保護を形成するものである。上記に代
えて、ボンデイングパツドのためのバツキング層
および／あるいはオーバーレイ体をさらに別のテ
ープ層かあるいはポツテイグプロセスのいずれか
によつて設けてもよいものである。

次に、本発明の本質によると、自動化テープボ
ンデイングプロセスは、部分的に露出されて部分
的に封入されるとともにそれらの間の境界部を溶
接密閉したデバイスにおいて成功裏に利用されて
いることが理解されるであろう。化学FETのボ
ンデイングパツドの配置に関連した平坦な銅製の
リードパターンは、化学FETデバイスに対して
適切なボンデイングプロセスと両立可能であり、
かつ信号および電圧のレンジ内で作動する導電特
性と、通常化学FETデバイスによつて経験され
る、例えば生体臨床医学上の監視機能における周
囲の環境条件とを与えるものである。さらに重要
なことは、本発明のカプセル封じ装置および方法
が、確定可能で比較的均一なそして良く特徴付け
された品質および性能の仕様の均一なデバイスの
製造を可能とすることである。

以下には、本発明の本質による好まいし装置を
製造するための好ましい方法をまず第１図を参照
して説明する。第１図に図示された半導体チツプ
１０３は、Ｕ字形に配置された１連の電気的なボ
ンデイングパツド１０５を有するとともに、それ
らに対向して配置された一対のゲートメンブレイ
ン電極１０４を有している。図面に図示された半
導体チツプ１０３は、２個の別個の化学的FET
デバイスを担持しており、上記各ゲートメンブレ
イン電極１０４がそれら各FETデバイスの化学
的応答部を構成しており、かつそれら各デバイス
が適宜の個数のボンデイングパツド１０５を介し
て外部回路に接続されていることが理解されるで
あろう。特に、ボンデイングパツドは、当該技術
分野において既知のように、ドレインおよびソー
ス電極と、基板および基準電極と、関連するバイ
アスおよび温度補償回路とに対する接続を与える
ものである。前述したジヨンソン外の特許を考慮
すれば、デバイスの全体的な配置、電気的な動作
の特徴などは、容易に正しく理解されるであろ
う。同様に、所定のチツプ上におけるボンデイン
グパツド１０５のパターンはいろいろに変化する
が、どのような場合においても、そのようなボン
デイングパツドの位置とパターンの配置とは非常
に精密に知られており、これが故に本発明の本質
を実質上そのようないずれの配置に対しても容易
に適用可能としていることも理解されるであろ
う。同様に、ゲートメンブレイン電極１０４の位
置、寸法、および物理的物質は、デバイスの臨界
的な、そしてそれが故に極端に良く特徴化された
相を構成しており、かつそれに対応して、本発明
の本質の適用のために良く定量化されることにな
るものである。

第１図において、基板層１０１は、アセンブリ
のための支持機構を形成するとともに、半導体チ
ツプ１０３およびそれに関連する物理的および電
気的相互接続装置のためのバツキングおよび保護
用の層を形成している。そのような好ましい実施
例において、テープバツキング層１０１は、
“Kapton”という商品名でデユポン社から商業的
に入手可能なもののようなポリイミド製フイルム
とされており、その上側には適宜の接着剤１０２
が被覆されている。

本発明の好ましい形によると、他のフイルムす
なわちテープ層１０６は、１連のビームリード１
０７を担持している。これらのビームリード１０
７は既知の自動化されたテープボンデイグ手順に
よると、写真食刻法によつてテープ１０６上に画
成された銅、あるいは銅を主成分とする材料から
形成されている。本発明の本質によると、ビーム
リード１０７は、テープ層１０６の端縁を越え
て、それぞれデバイス１０３のボンデイングパツ
ド１０５の配置と実質的に一致する位置にまで延
設されている。事実、図面から注目されるよう
に、ビームリード１０７の端末点は化学的FET
デバイスのさまざまなボンデイングパツド１０５
と正確にオーバーレイし、かつそれと電気接続す
るように位置せしめられている。本発明の本質の
好ましい実施例においては、テープ１０６もまた
ポリイミド製のフイルムあるいはテープ、例えば
デユポンの“Kapton”印のフイルムあるいはテ
ープとされている。図面に図示されたビームリー
ド１０７は、テープ１０６の端末を越えて延在し
ているが、これに代わる例においては、半導体チ
ツプ１０３によつて占有されている図面に図示さ
れた範囲を、単にテープ１０６の連続した長さ内
における凹処あるいは開口とし、かつビームリー
ド１０７をその開口上にまで延在させるようにし
てもよいことも理解されるであろう。

第１図はまた、下側１０９に熱硬化性シリコー
ン接着剤を被覆された上方テープ層１０８を図示
している。この上方テープ層１０８は、現在入手
可能なポリイミドフイル、あるいはそれに類似す
るバイオコンパチブルで実質的に不活性のフイル
ム製品とするのが有利である。このテープ１０８
は、これにゲートメンプレイン領域１０４の上方
およびまわりに位置せしめるため、およびカプセ
ル封じされた使用に供される周囲の環境にそれら
の領域を露出するための１対の窓穴１１０を画成
している。ボンデイングパツド１０５とビームリ
ード１０７の延長端部とを露出するための他の開
口１１１が適宜に設けられる。ボンデンイングプ
ロセスが完了すると、後にエポキシ系などのカプ
セル封じ剤がこのボンデイングパツド用窓穴１１
１に対して与えられることになる。

デバイスをカプセル封じする好ましい方法にお
いては、半導体チツプ１０３のそれぞれの関連し
た領域の配置が決定された後、ビームリード１０
７のための適宜の鋼製リードパターンが形成さ
れ、それから例えば化学的エツチング、レーザー
カツテイング、機械的カツテイングまたはパンチ
ングによつて上方テープ層に窓穴１１０および１
１１が形成される。次いでデバイス１０３が基板
１０１に貼着されるとともに、中間テープ１０６
にビーム１０７が、それぞれ端末部をチツプ上の
ボンデイングパツド１０５と正確な所定の整列状
態にしてけ形成される。その際、上記リードが上
記パツドにボンデイングされる。そのようなボン
デイングの１方法によると、超音波ボンデイグ手
続を使用して各リードのボンデイングか各別に行
なわれる。また他の方法によると、図示のように
テープ１０６の貼着が行なわれる前にボンデイン
グパツド上に接続用材料の「こぶ」がメツキされ
る（すなわち、デバイスの製造工程中のことであ
る）。そしてリード１０７がボンデイングパツド
１０５と整列して載置されると、それらと一致す
る形状および配置とされた加熱用シールが加熱と
圧縮とを行ない、その結果デバイス上にメツキさ
れている「こぶ」の加熱、溶融、およびそれに引
続く冷却によつて全部のビームリード１０７がパ
ツド１０５に同時にボンデイングされる。

いずれの場合においても、デバイスに対するリ
ードの結合の後、上方テープ１０８がデバイス１
０３および中間テープあるいはフイルム１０６上
に載置される。この場合、メンブレインの窓穴１
１０をそれぞれのゲートメンブレイン領域１０４
に正確に整列させなければならない。事実、好ま
しい実施例においては、パツド１０５におけるビ
ームリードボンドに応力を生ずることなしにデバ
イス１０３に対する上方テープ１０８の整列およ
び／あるいは再整列を容易とするためにボンデイ
ングパツドの窓穴１１１が形成される。しかしな
がら、そのような再整列の必要性を排除するよう
に充分に正確とされる貼着および整列のいかなる
手順も、同様にボンデイングパツドの窓穴１１１
の必要性を排除するであろう。

正確な整列が達成されると、窓穴１１０を除く
デバイス上に付着された熱硬化性シリコーン接着
剤１０９がその熱硬化条件下に置かれる。そして
その際、半導体チツプ１０３は、ゲートメンブレ
イン領域１０４およびボンデイングパツドの窓穴
１１１を除いて周囲の状態から完全にシールされ
るものである。ボンデイングパツドは、ポツテイ
ングカプセル封じ剤１１２、例えばエポキシ、の
塗布によつて完全に溶接密閉される。

デバイスはこれによつて完全にカプセル封じさ
れて窓穴１１０内およびゲートメンブレイン領域
１０４上へのメンブレイン材料の塗布と、例えば
生物学上の溶液あるいは環境内に侵せきすること
による利用とに備えられるのである。

下方テープ１０１は、デバイスに対して適宜の
支持およびそれと兼用の密閉を与えるものである
が、それはデバイスの一部にはならない非接着性
の作動面によつて置換し得ることが理解されるで
あろう。そのような場合においては、上方テープ
１０８の貼着および硬化の後、適宜の材料、例え
ばエポキシ、液体のポリイミド、あるいは機械加
工あるいは成形による支持機構によつてデバイス
１０３の裏側および側面を閉鎖してもよいもので
ある。

第２図は、本発明の本質の他の実例例を図示し
ている。第２図において、単一個のテープ２０１
は、第１図のテープ層１０６および１０８の代り
をしているものである。それ故に、第２図におい
ては、ビームリード２０７はテープ２０１の下側
上にメキされ、またチツプ２０２（第１図におけ
るように、図示のチツプは２個のデバイスを担持
している）は、テープ２０１の下側に接着されて
いる。テープ２０１には、チツプボンデイングパ
ツドに一致するビームリード端末部のための開口
（すなわち開口２１１，２１２等）および化学的
FETのゲートプレインシステムに一致するゲー
トメンプレイン領域のための開口（すなわち開口
２１０）が開設されている。第１図の実施例の場
合におけるように、ビームリードの開口２１１，
２１２などは、リードがボンデイングパツドに装
着された後にポツテイングなどにより充填され
る。さらに、テープ２０１とチツプ２０２との下
面は、その後別個のテープ（第１図におけるテー
プ１０１と同一のもの）によつて密閉されるか、
あるいはボツテイングなどのような他の適宜な不
活性の兼用のシールによつて密閉されるものであ
る。

以上、本発明の説明をしてきたが、当業者なら
ば本発明の趣旨および範囲を逸脱することなしに
さまざまな実施態様を案出することが可能であろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の本質の好適な実施例を示す
分解図、第２図は、本発明の本質の他の実施例を
示す図である。 １０１……テープバツキング層、１０２……接
着剤、１０３……半導体チツプ、１０４……ゲー
トメンブレイン領域、１０５……ボンデイングパ
ツド、１０６……テープ、１０７……ビームリー
ド、１０８……テープ、１０９……熱硬化性シリ
コーン接着剤、１１０……窓穴、１１１……窓
穴、１１２……ポツテイングカプセル封じ剤、２
０１……テープ、２０２……チツプ、２０７……
ビームリード、２１０……開口、２１１……開
口、２１２……開口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 化学的に選択的なゲートメンブレイン電極を
   有して選択的に応答する電界効果型デバイスを備
   えた半導体センサであつて、 (a) 前記デバイスを少なくとも１個担持するとと
   もに所定のパターンで配列された外部接続用パ
   ツドを有する半導体チツプと、 (b) 一つの面に接着剤を有し、かつ前記パツドに
   まで延び出てこのパツドに電気的に接続された
   導電性のビームリードを配設された第１のテー
   プ層１０６と、 (c) 前記半導体チツプを位置させる領域と、この
   半導体チツプ上にある前記デバイスのゲートメ
   ンブレイン電極と実質的に一致する開口を有す
   る第２のテープ層１０８を備え、 前記第１のテープ層１０６と第２のテープ層１
   ０８は、前記接着剤を介してその互いに対向する
   面によつて前記半導体チツプを封止し、前記第２
   のテープ層１０８は前記開口を介して前記ゲート
   メンブレイン電極を周囲の環境に露出することを
   特徴とする半導体センサ。 ２ 前記第１のテープ層１０６と第２のテープ層
   １０８は互いに対向して位置し、かつ上記周囲物
   質には実質的に感応しない特許請求の範囲第１項
   記載の半導体センサ。 ３ 前記第２のテープ層１０８は、さらに前記ビ
   ームリードの半導体チツプ側終端部を露出するた
   めの穴を有する特許請求の範囲第２項記載の半導
   体センサ。 ４ 前記半導体センサはさらに、前記第２のテー
   プ層１０８の穴を封止するための封止手段を備え
   る特許請求の範囲第３項記載の半導体センサ。 ５ 露出された選択的に反応するゲートメンブレ
   イン電極によつて選択的に周囲の物質と相互に作
   用する少なくとも１個の化学的にセンシテイブな
   電界効果型デバイスを担持する半導体チツプを備
   えた半導体センサの製造方法において、 (a) 第１のテープ層１０６を用意する工程と (b) 前記半導体チツプ上のボンデイングバツドに
   一致する終端部を備えたビームリードパターン
   を前記第１のテープ層１０６の一つの面上に形
   成する工程と、 (c) 前記ビームリードパターンの終端部を前記ボ
   ンデイングパツドにボンデイングする工程と、 (d) 第２のテープ層１０８に前記半導体チツプ上
   のゲートメンブレイン電極に一致する開口を形
   成する工程と、 (e) 前記開口をゲートメンブレイン電極に一致さ
   せながら前記第２のテープ層１０８を、前記第
   １のテープ層１０６および前記半導体チツプに
   重ね合わせてこの半導体チツプを封止する工程
   を備える方法。