JPH1194506A - センサ - Google Patents

センサ

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JPH1194506A
JPH1194506A JP10169747A JP16974798A JPH1194506A JP H1194506 A JPH1194506 A JP H1194506A JP 10169747 A JP10169747 A JP 10169747A JP 16974798 A JP16974798 A JP 16974798A JP H1194506 A JPH1194506 A JP H1194506A
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JP
Japan
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sensor
chip
wafer
sensitive element
airtight structure
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JP10169747A
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English (en)
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Buruuno Murari
ブルーノ ムラリ
Benedetsuto Biiniya
ベネデット ヴィーニャ
Paoro Fueraari
パオロ フェラーリ
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STMicroelectronics SRL
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STMicroelectronics SRL
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00222—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C1/0023—Packaging together an electronic processing unit die and a micromechanical structure die
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/02—Housings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0802—Details

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 可動微小構体を有するセンサをコンパクト
で、構成が簡単で、しかも安価に構成する。 【解決手段】 可動微小構体を有するセンサ（１００）
は、半導体材料製の第１チップ（１１０）に形成した感
応素子（１０５）を具えている。この感応素子は第１チ
ップ（１１０）の表面に対する少なくとも１個の可動微
小構体の移動量に応じた電気信号を発生する。感応素子
（１０５）は中空気密構体（１１５）内に封入される。
センサ（１００）は半導体材料製の第２チップ（１２
５）に形成した前記電気信号処理用の回路（１３０）も
具えている。中空気密構体（１１５）に感応素子（１０
５）のまわりの第１チップ（１１０）の表面上に堆積さ
れる金属壁（１２０）を設け、この金属壁に第２チップ
（１２５）を固着する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は可動微小構体を有す
るセンサ、特に可動微小構体を有するセンサであって、
中空気密構体内に封入されるように半導体材料製の第１
チップに形成され、該第１チップの表面に対する少なく
とも１個の可動微小構体の移動量に応じた電気信号を発
生するための感応素子と、半導体材料製の第２チップに
形成した前記電気信号を処理する回路とを具えているセ
ンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば、可動微小構体の移動量に関連す
る物理量を測定し、且つその量に応じた出力信号を発生
し得る慣性センサの如き、可動微小構体を有するセンサ
は様々な用途、例えばエヤバッグ、滑り防止制動システ
ム（ＡＢＳ）及び能動サスペンション系の如き様々なデ
バイスをモニタする自動車分野、又はコンシューマ用の
電子機器、コンピュータ等の他の分野にも用いられる。
可動微小構体を有するセンサは半導体材料製のチップに
顕微鏡的スケールで形成され；斯種のセンサはチップの
表面に対して可動自在の微小構体の動きに関連する電気
信号を発生し得る感応素子を具えている。
【０００３】可動微小構体を有するセンサでは、感応素
子を気密構体内に封入することにより適当に保護して、
感応素子が被制御環境にて作動し得るようにする必要が
あり；このようにすることにより質量が極めて小さい感
応素子の微小構体が殆ど抵抗なく、しかも最小の減衰度
で動くようにして、センサの感度を良好にすることがで
きる。斯種のセンサは感応素子によって発生される電気
信号を処理する回路も具えており、センサは、外部環境
から処理回路を保護して、この回路が正しく作動し得る
ようにするために適当な容器（パッケージ）内にカプセ
ル封入しなければならない。
【０００４】可動微小構体を有するセンサを保護するた
めの既知の方法は、感応素子及び処理回路を、例えばセ
ラミック又は金属の気密パッケージ内にカプセル封入す
るやり方であり；従って、感応素子及び処理回路は同じ
半導体チップに組込むことができる。しかし、この方法
は極めて費用がかかり、最終生品コストが高くなる。
【０００５】別の既知の方法は顕微鏡的スケールで中空
構体（微小キャビティ）を形成し、これに感応素子を入
れるやり方である。この隔離法は、シリコン又はガラス
チップをマイクロマシンニング法により機械加工し、次
いでこのチップを、上に感応素子が形成される別のチッ
プに例えば陽極ボンディング法によって接続するやり方
であり；この方法では最終生品をカプセル封入するのに
安価な標準のプラスチックパッケージを使用することが
できる。しかし、上述した既知の方法は極めて複雑で、
しかも費用がかかる。さらに、斯かる方法では感応素子
と処理回路とを同じチップ内に組込むことができない。
その理由は、ボンディングするには接合すべき表面を完
全に平坦なものとする（ピークと谷の荒さが１００Å程
度）必要があるからであり；一般に、感応素子を収容す
るプレートと、処理回路を収容するプレートとを並べて
配置し、これらを適当な金属線によって電気的に接続し
ている。
【０００６】可動微小構体を有するセンサの感応素子
は、後に適当な切断作業によって分離する半導体材料製
ウェハに幾つかの同一面積で多数形成するのが普通であ
る。この場合の切断処理は一般に、高速水冷ダイヤモン
ド刃のこによって行われる。既知のセンサの他の欠点
は、刃の冷却用に用いる水の乾燥中に、半導体チップの
下側面への可動微小構体の永久粘着、即ち「スティクシ
ョン」（stiction) が生じると云うことにある。この物
理的な現象はセンサを使用不能にする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は上述し
た諸欠点をなくすことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、可動微小構体
を有するセンサであって、中空気密構体内に封入される
ように半導体材料製の第１チップに形成され、該第１チ
ップの表面に対する少なくとも１個の可動微小構体の移
動量に応じた電気信号を発生するための感応素子と、半
導体材料製の第２チップに形成した前記電気信号を処理
する回路とを具えているセンサにおいて、前記中空気密
構体が、前記感応素子のまわりの前記第１チップの表面
上に堆積した金属壁を含み、前記第２チップを前記金属
壁に固着したことを特徴とする。
【０００９】本発明による可動微小構体を有するセンサ
は特に、コンパクトで、構成が簡単で、しかも安価であ
る。このようなセンサには、最終生品をカプセルに封入
するのにプラスチック、従って極めて安価なパッケージ
を随意用いることができる。
【００１０】本発明のセンサを製造する方法は、他のシ
リコン又はガラスウェハをミクロ機械加工したり、それ
に感応素子が上に形成されるウェハに接続したりする必
要がない。さらに、本発明によるセンサに用いる双方の
半導体チップには能動素子（それぞれ、感応素子と処理
回路）を含めるため、材料の浪費がない。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は超小形の可動微小構体を有
するセンサ１００を示し、これは特に、１つ以上の可動
微小構体の慣性に関連する物理量を検出し得ると共に対
応する電気信号を発生し得る感応素子１０５を具えてい
る慣性センサによって構成する。感応素子１０５は、例
えば半導体材料、例えばシリコン製のチップ１１０の上
側表面上に形成する超小形の機械的構体（超小形の電気
−機械的構体、即ちＭＥＭＳ）を具えている。感応素子
１０５は一般にチップ１１０の予定した個所に据えつけ
られ、且つチップに対して可動自在の所謂サイズモ（震
動）質量部を有しており、その移動量が適当な電気信号
に変換される。例えば、サイズモ質量部はコンデンサの
第１電極を構成し、コンデンサの第２電極はチップ１１
０上に設けられ；サイズモ質量部の移動量によってコン
デンサの容量が変化し、この変化が適当な回路によって
測定される。センサ１００は、例えば加速度計、角速度
センサ（ジャイロスコープ）又は振動センサとし、この
ようなセンサでは、これを取り付けるシステム（例え
ば、自動車）の直線／角加速度又は角速度によって感応
素子１０５の微小構体が動き、この動きから所望な物理
量を測定することができるのであり；本発明の他の実施
例では、センサを共振センサとし、感応素子の可動微小
構体が、検出すべき量等に応じて変化する振動数で振動
するようにする。
【００１２】感応素子１０５は中空の気密構体１１５内
に封じ込め、この気密構体によって感応素子１０５を顕
微鏡的粒子から保護すると共に組立て作業により損傷さ
れないようにし、さらに感応素子１０５の可動微小構体
の減衰量を調整するための内部ガス（例えば、一般に大
気圧より低い圧力での空気又は窒素）が漏れないように
する。
【００１３】本発明のセンサ１００では、中空気密構体
１１５の横方向を、感応素子１０５のまわりのチップ１
１０の上側面上に配置する（例えば、アルミニウム、ニ
ッケル、銅等で形成される）金属壁１２０によって規定
する。この気密構体の形状（例えば円形又は長方形）は
感応素子１０５の形状に応じて変えることができる。中
空気密構体１１５の頂部は、金属壁１２０に固着する
（大きさが気密キャビティ１１５の寸法と少なくとも等
しい大きさの）半導体材料製の別のチップ１２５によっ
て閉成する。感応素子１０５によって発生される電気信
号を処理する回路１３０は半導体チップ１２５内に集積
化し、例えばこの回路によって信号を増幅、制御、補償
及び較正することができる。なお、（金属キャビティ内
に封入する）可動微小構体は、例えばチップ１２５を基
準端子又はアースに接続することによって電磁妨害から
遮蔽するのが有利である。
【００１４】絶縁層１３５（一般に、二酸化珪素）で覆
われるチップ１１０の上側面上に形成する接点電極は、
中空気密構体１１５の内側に配置する１個以上の導電パ
ッド１４０，１４２（図示の例では４個）と、中空気密
構体１１５の外側に配置する１個以上の導電パッド１４
５（図示の例では２個）とで構成する。
【００１５】同様に、１個以上のバッド１５５及び１５
６（図示の例では４個）によって構成する接点電極も絶
縁層１５０によって覆われるチップ１２５の下側面上に
形成する。チップ１２５上に形成する各パッド１５５及
び１５６は、チップ１１０上に形成する対応するパッド
１４０，１４２に対向して配置すると共にそれらに接続
する。パッド１４０は感応素子１０５に電気的に接続し
て、感応素子１０５が発生した電気信号を対応するパッ
ド１５５、従って処理回路１３０へ伝送するようにし；
感応素子１０５とパッド１４０との間の接続は、例えば
（エピタキシャル層の成長前か、後に）半導体チップ１
１０に低抵抗拡散するか、又は金属壁１２０を形成する
個所のレベルよりも低いレベルのチップ個所に金属接続
部を設けることによって達成する。回路１３０によって
処理される電気信号はパッド１５６により、これに対応
するパッド１４２へと転送される。パッド１４２も同様
な方法でパッド１４５に電気的に接続されるため、処理
された電気信号はパッド１４５から外部回路へと伝送さ
れる。
【００１６】本発明のセンサは、感応素子を設けるチッ
プと処理回路を設けるチップとの間の電気的な接続を別
の方法で行なうこともできる。例えば、感応素子に接続
する接点電極を気密キャビティの外側に配置し、処理回
路に接続する接点電極をそれぞれのチップ上側面上に配
置してから、これらの接点電極を金属線によって接続す
るようにすることもできる。
【００１７】上述したセンサ１００は第１半導体ウェハ
から出発し、その上側面上に既知のマイクロマニシング
技法によって多数の感応素子１０５を形成して製造す
る。金属のアルミニウム層（例えば、厚さ１μｍ）をウ
ェハの上側表面全体に堆積し、そこに既知のマスキング
及び選択エッチング法によってパッド１４０，１４２，
１４５及び金属壁１２０を形成するのに用いられる（後
に説明するような）下側フレーム１６０を規定し；次い
でウェハを絶縁層１３５で覆い、この絶縁層には前記パ
ッド１４０，１４２，１４５及び下側フレーム１６０の
個所に同様に開口又は窓を形成する。パッド１４０，１
４２，１４５及び下側フレーム１６０の上には、酸化し
ないように保護すると共に溶接の質を良くするために金
の薄層（フラッシュ）を堆積するのが好適である。
【００１８】感応素子１０５に対応する多数の処理回路
１３０を既知の集積化技法によって第２ウェハに形成す
る。次いで上述した方法にてパッド１５５，１５６及び
金属壁１２０を規定するのに用いられる（後に説明する
ような）上側フレーム１６５を形成する。しかし、本発
明は単一ウェハの上全体に金属壁１２０を形成して実現
することもできる。
【００１９】本発明の特定な実施例では、上側フレーム
１６５（又は下側フレーム１６０、或いは双方のフレー
ム１６０，１６５）を成長プロセスによりその厚さを厚
くする。これと同じことが中空気密構体内で互いに接続
しなければならないパッド１４０，１４２及び１５５，
１５６についても云える。この追加の工程は、上述した
プロセスによって形成される金属壁１２０の高さ（一般
に、２〜３μｍ）が感応素子１０５の微小構体が正しく
動くのに十分でない場合に有効である。特に、例えばニ
ッケル又は銅製の突起（バンプ）を上側フレーム１６５
（及びパッド１５５と１５６）の上に成長させる。この
バンプは非電界（無電極）成長法によって形成する。さ
らに詳しく云うと、例えば亜鉛のような貴金属層を堆積
して、アルミニウム層の上に酸化物及び水酸化物層が形
成されないようにする。次いで、ウェハを自触媒の化学
溶液中に浸してニッケル層を成長させ；最後に酸化しな
いようにすると共に溶接の質を向上させるために金の薄
層（フラッシュ）を堆積する。上述したプロセスは、バ
ッチでのウェハの整合がコンパチブルで、しかも何等追
加のマスクを必要としないから特に安価で、融通性に富
んだ方法である。電着（電気めっき）、蒸着又は分散法
等を用いることもできる。
【００２０】次に、処理回路１３０を収容しているウェ
ハを切断して、様々なチップ１２５を形成する。これら
のチップ１２５を感応素子１０５を収容している（まだ
切断してない）ウェハに固着する。特に、各チップ１２
５の上側フレーム１６５及びパッド１５５，１５６をそ
れぞれ対応する下側フレーム１６０及びパッド１４０，
１４２に固着する。この目的のためには、溶接法、例え
ば加熱部分を圧力により単に接着する熱圧着法、又は熱
と超音波を同時に与えるようにする熱−超音波法を用い
るのが好適である。この場合の固着は、例えば適当な接
着剤を用いるような種々の方法にて行なうこともでき
る。
【００２１】感応素子１０５を収容しているウェハ上の
作業（及びそれぞれのチェック作業）の完了時に、この
ウェハを切断して、様々なチップ１１０を形成する。こ
のようにして感応素子１０５は中空気密構体１１５内に
保護されるため、これらの感応素子はウェハの切断作業
中に傷つくことがなく、しかも「スティクション」の危
険に曝されることもない。これにより極めて高い生産性
を達成することができる。
【００２２】次いで、既知の慣例の作業によってセンサ
を完成させる。各チップ１１０は、例えば鉛−錫のよう
な低融点の合金でのハンダ付けによるか、又は適当な接
着剤での接着により適当なフレームに固定させる。パッ
ド１４５は細い金属、例えば金線により対応する電極に
接続する。例えば、このような金属の線は熱−超音波法
により、融点が低い合金で一方ではパッド１４５に、他
方では電極の内端にハンダ付けする。このようにして形
成したユニットは、これをハードディスクドライバのよ
うな被制御環境におけるシステムに取付ける場合に直接
用いることができる。ユニットは、プラスチック材料、
例えば熱硬化性のエポキシ樹脂を液体の状態で注入する
適当なダイに取付けることもできる。樹脂の重合後に、
上述した構成要素を含むと共に外部回路への接続用の電
極が突出している絶縁体を有するデバイスが形成され
る。しかし、本発明によるセンサは、例えばボール−グ
リッドアレイ（即ち、ＢＧＡ）デバイス等のような種々
のデバイスに用いることもできる。
【００２３】不慮の事態及び特殊な諸要求に適えるべ
く、可動微小構体を有する上述したセンサを種々変更し
得ることは当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可動微小構体を有するセンサの一
部を断面にて示す斜視図である。
【符号の説明】
１００ センサ １０５ 感応素子 １１０ 半導体チップ １１５ 中空気密構体 １２５ 半導体チップ １３０ 信号処理回路 １３５ 絶縁層 １４０，１４２，１４５，１５５，１５６ 導電パッド １５０ 絶縁層 １６０，１６５ フレーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フェラーリ パオロ イタリア国 ヴァレーゼ 21013 ガラー ラテ ヴィア キャヴァロッティ 14

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 可動微小構体を有するセンサ（１００）
    であって、中空気密構体（１１５）内に封入されるよう
    に半導体材料製の第１チップ（１１０）に形成され、該
    第１チップ（１１０）の表面に対する少なくとも１個の
    可動微小構体の移動量に応じた電気信号を発生するため
    の感応素子（１０５）と、半導体材料製の第２チップ
    （１２５）に形成した前記電気信号を処理する回路（１
    ３０）とを具えているセンサにおいて、前記中空気密構
    体（１１５）が、前記感応素子（１０５）のまわりの前
    記第１チップ（１１０）の表面上に堆積した金属壁（１
    ２０）を含み、前記第２チップ（１２５）を前記金属壁
    （１２０）に固着したことを特徴とするセンサ。
  2. 【請求項２】 前記金属壁（１２０）をニッケル製とし
    たことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 前記中空気密構体（１１５）内にて前記
    第１チップ（１１０）の表面上に形成されると共に前記
    感応素子（１０５）に電気的に接続される少なくとも１
    個の第１導電パッド（１４０）も具え、各第１導電パッ
    ド（１４０）が、これに対向して前記第２チップ（１２
    ５）の表面上に形成した第２導電パッド（１５５）に接
    続されて、前記電気信号を前記処理回路へ伝送するよう
    にしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のセン
    サ。
  4. 【請求項４】 前記中空気密構体（１１５）内にて前記
    第１チップ（１１０）の表面上に形成した少なくとも１
    個の第３導電パッド（１４２）も具え、各第３導電パッ
    ド（１４２）が、前記第２チップ（１２５）の表面上に
    対向して形成した第４導電パッド（１５６）に接続され
    て、前記処理回路（１３０）によって処理された電気信
    号を受信するようにしたことを特徴とする請求項３に記
    載のセンサ。
  5. 【請求項５】 前記中空気密構体（１１５）の外側にお
    ける前記第１チップ（１１０）の表面上に形成される少
    なくとも１個の第５導電パッド（１４５）も具え、各第
    ５パッド（１４５）が対応する前記第３パッド（１４
    ２）に電気的に接続されて、前記処理した電気信号を外
    部回路へと伝送するようにしたことを特徴とする請求項
    ４に記載のセンサ。
  6. 【請求項６】 前記センサ（１００）が慣性センサであ
    ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載
    のセンサ。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか一項に記載のセ
    ンサ（１００）と、該センサをカプセル封入するプラス
    チックのパッケージとを具えている電子デバイス。
  8. 【請求項８】 可動微小構体を有するセンサ（１００）
    を製造する方法において、該方法が： ａ） 半導体材料製の第１ウエハに、各々が前記第１ウ
    エハの表面に対して可動自在の少なくとも１個の微小構
    体の移動量に応じて電気信号を発生する複数個の感応素
    子（１０５）を形成する工程と； ｂ） 前記各感応素子（１０５）のまわりの前記第１ウ
    エハの表面上に第１金属フレーム（１６０）を形成する
    工程と； ｃ） 半導体材料製の第２ウエハに前記電気信号を処理
    するための複数個の回路（１３０）を形成する工程と； ｄ） 前記第２ウエハの表面上に、前記第１フレーム
    （１６０）の各々に対応する第２金属フレーム（１６
    ５）を形成する工程と； ｅ） 前記第２ウエハを、各々が前記処理回路（１３
    ０）の１つと、前記第２フレーム（１６５）の１つとを
    含むように複数個のチップ（１２５）に切断する工程
    と； ｆ） 前記感応素子（１０５）を中空気密構体（１１
    ５）内に封入するために、前記各チップ（１２５）の前
    記第２フレーム（１６５）を対応する前記第１フレーム
    （１６０）に固着する工程と；を具えていることを特徴
    とする可動微小構体を有するセンサの製造方法。
  9. 【請求項９】 前記ｆ）の工程を溶接法によって行なう
    ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記ｅ）の工程の前に、前記第２フレ
    ーム（１６５）上に金属バンプを成長させる工程も具え
    ていることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記金属バンプを成長させる工程を非
    電解成長法によって行なうことを特徴とする請求項１０
    に記載の方法。
JP10169747A 1997-06-19 1998-06-17 センサ Pending JPH1194506A (ja)

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EP97830290A EP0886144B1 (en) 1997-06-19 1997-06-19 A hermetically sealed sensor with a movable microstructure
IT97830290:9 1997-06-19

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JP10169747A Pending JPH1194506A (ja) 1997-06-19 1998-06-17 センサ

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US (1) US6405592B1 (ja)
EP (1) EP0886144B1 (ja)
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