KR101347768B1 - 센서 장치 및 센서 장치의 제조 방법 - Google Patents

센서 장치 및 센서 장치의 제조 방법 Download PDF

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마사요시 에사시
마사노리 무로야마
사카에 마츠자키
미츠토시 마키하타
유타카 노노무라
모토히로 후지요시
다카히로 나카야마
우이 야마구치
히토시 야마다
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

접속 센싱면을 가지는 센서 구조부(300)와 그 센서 신호를 처리하는 신호 처리 LSI부(420)를 패키지화하는 기술을 제공한다. 센서 구조부(300)는, 접촉 센싱면과 센서 전극(320, 330)을 가진다. 반도체 기판(400)에는, 신호 처리용 집적 회로(420)가 장착되어 있다. 접착층(500)에 의해 센서 구조부(300)와 반도체 기판(400)이 접합되고, 센서 장치(200)가 원 칩(one chip)화되어 있다. 센서 전극(320, 330)과 집적 회로(420)는 센서 장치(200)의 내측에 봉지되어 있고, 센서 전극(320, 330) 및 집적 회로(420)의 외부 전자는 반도체 기판(400)의 측면을 경유하여 반도체 기판(400)의 이면에 인출되어 있다.

Description

센서 장치 및 센서 장치의 제조 방법{SENSOR DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING SENSOR DEVICE}
본 발명은, 센서 장치 및 센서 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 휴머노이드 로봇의 개발이 진행되고 있다.
휴머노이드 로봇에는, 사람과 접촉하거나, 장해물을 자율적으로 회피하거나, 대상물을 파지(把持)하여 이동시키는 등의 고도의 동작이 요구된다.
이러한 동작에는 촉각이 필요하기 때문에, 로봇의 손 또는 표면 전체에 촉각 센서를 설치하는 연구가 진행되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 내지 특허문헌 6).
종래의 촉각 센서 시스템은, 주로 메시형 구조를 채용하고 있다.
예를 들면, 2매의 전극 시트의 각각에 복수 개의 전극 배선을 형성한다.
서로의 전극 배선이 직교하도록 전극 시트를 대향 배치함으로써 메시 형상 배선을 형성한다.
2매의 전극 시트의 사이에 감압 도전 부재를 끼우거나, 또는, 전극 배선의 각 교점에 촉각 센서 소자를 배치한다.
각 촉각 센서 소자는, 대상물과의 접촉에 의한 압력 변화나 온도 변화를 그들 변화량에 따른 전기 신호 변화로 변환한다.
제어부는, 각 전극 배선에 연결되어 있고, 복수의 촉각 센서 소자를 집중 관리 한다. 즉, 제어부는, 순서대로 각 촉각 센서 소자를 선택하여 각 센서의 센서 값을 샘플링해 나간다. 제어부에 있어서, 촉각 센서 소자로부터의 전기 신호를 집적하여 데이터를 처리한다.
이러한 샘플링 동작을 정기적으로 반복하는 것에 의해, 로봇이 대상물에 접촉하고 있는지, 또한 어느 센서가 접촉하고 있는지를 검지한다.
이에 따라, 로봇이 어느 위치에서 어느 정도의 강도로 대상물에 접촉하고 있는지를 센싱할 수 있다.
1. 일본 특허 공개 제2006-337315호 공보 2. 일본 특허 공개 제2007-10482호 공보 3. 일본 특허 공개 제2007-285784호 공보 4. 일본 특허 공개 제2007-78382호 공보 5. 일본 특허 공개 제2006-287520호 공보 6. 일본 특허 공개 제2006-281347호 공보 7. 일본 특허 제03621093호 공보
종래의 촉각 센서 시스템에는 다음과 같은 문제가 있었다.
특허문헌 1 내지 특허문헌 6에 개시되는 기술에서는, 제어부가 호스트가 되어 집중적으로 다수의 촉각 센서 소자를 관리하고, 순서대로 각 촉각 센서 소자를 선택하여 각 센서의 센서값을 샘플링해 나간다.
이러한 구성의 경우, 센서 수의 증가에 따라 제어부의 처리 부담이 매우 커지는 문제가 있다.
또, 센서 수의 증가에 따라 샘플링 간격이 길어진다. 그러면, 응답 속도가 느려져서 반응이 둔해지는 것을 피할 수 없는데, 이것은 로봇의 촉각 센서 시스템으로서는 치명적인 문제이다.
또, 로봇의 체표면(體表面) 전체에 다수의 촉각 센서를 배치하는 것을 생각하면, 촉각 센서와 제어부 사이의 배선이 방대한 양이 된다.
따라서, 실제적으로는 다수의 촉각 센서를 바람직한 위치에 실장하는 것은 메우 곤란해지고, 또한, 그 보수나 고장의 수리가 매우 어려워진다.
또, 촉각 센서와 제어부 사이의 배선이 장거리가 되기 때문에, 노이즈에 의해 센서 신호가 열화(劣化)할 위험성이 높다.
여기서, 하나하나의 촉각 센서에 센서 구조부와 신호 처리부를 장착하는 것을 생각할 수 있다.
그리고, 센서 구조부로부터의 센서 신호를 신호 처리부에 의해 감지 및 증폭함과 함께, 나아가서는 디지털 처리까지 하면 좋다고도 생각된다.
그것을 위해서는 센서 구조부와 신호 처리부를 일체화하는 기술이 필요하게 된다.
예를 들면, 일본 특허 제03621093호 공보(특허문헌 7)에는 쉘 케이스(Shell Case)라고 불리는 패키징 기술이 개시되어 있다.
이 일본 특허 제03621093호 공보에서는, 디바이스 칩의 상하가 유리판에 끼워지고, 측면은 수지로 둘러싸여 있다.
이 구조라면 확실히 복수의 웨이퍼의 맞붙임이 가능해짐과 함께, 디바이스 칩이 유리판으로 견고하게 보호되게 된다.
그러나, 일본 특허 제03621093호 공보의 기술에서는, 디바이스 칩의 상하가 유리에 접착되어야 한다. 그러면, 예를 들면, 감압 센서나 온도 센서 등과 같이 검출 대상과의 접촉이 필요해지는 촉각 센서에는 적용할 수 없다는 문제가 생긴다.
이러한 사정으로부터, 접촉 센싱면을 갖는 센서 구조부와 그 센서 신호를 처리하는 신호 처리 LSI부를 패키지화하는 기술이 요망되고 있다.
본 발명의 센서 장치는,
검출 대상과 직접적으로 접촉하는 접촉 센싱면을 외부에 노출하는 일면에 가짐과 함께, 상기 접촉 센싱면의 변화에 감응하여 아날로그 센서 신호를 출력하는 센서 전극을 상기 접촉 센싱면과는 반대측인 타면측에 가지는 센서 구조부와,
상기 아날로그 센서 신호를 신호 처리하는 신호 처리용 집적 회로가 장착된(embedded) 반도체 기판과,
상기 센서 구조부의 타면과 상기 반도체 기판의 사이에 배치하여 설치되고, 상기 센서 구조체와 상기 반도체 기판을 맞붙이는 접착층을 구비하고,
상기 센서 전극과 상기 집적 회로가 상기 접착층을 사이에 두고 대향한 상태로 상기 센서 구조부와 상기 반도체 기판이 적층되어 원 칩(one-chip)화된 센서 장치로서,
상기 센서 전극과 상기 집적 회로는 센서 장치의 내측에 봉지(封止)되어 있고,
상기 센서 전극 및 상기 신호 처리용 집적 회로 중 적어도 어느 하나의 외부단자는 상기 반도체 기판의 측면을 경유하여 상기 반도체 기판의 이면에 인출되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 센서 장치의 제조 방법은,
센서 구조부가 되는 웨이퍼의 이면에 센서 전극을 설치하고,
신호 처리용 집적 회로를 장착한(embed) 반도체 기판을 작성하고,
상기 센서 전극과 상기 집적 회로가 대향하는 상태로 상기 센서 구조부와 상기 반도체 기판을 접착층에 의해 접합하고,
상기 반도체 기판의 이면을 에칭하고, 또한, 상기 반도체 기판의 이면으로부터의 하프 다이싱에 의해 상기 센서 전극의 배선 취출부 및 상기 집적 회로의 전극 취출부를 당해 반도체 기판의 이면측에 노출시키고,
상기 에칭 및 상기 하프 다이싱에 의해 형성한 반도체 기판의 경사면으로부터 반도체 기판의 이면에 걸쳐서 인출 배선을 설치하고,
상기 센서 전극 및 상기 신호 처리용 집적 회로의 외부 단자를 상기 반도체기판의 측면을 경유하여 상기 반도체 기판의 이면에 인출하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 촉각 센서 시스템을 로봇의 손에 적용한 모습을 나타내는 도면.
도 2는 버스에 복수의 센서 장치를 배치한 모습을 나타내는 도면.
도 3은 센서 장치를 표면측으로부터 본 사시도.
도 4는 센서 장치를 이면측으로부터 본 사시도.
도 5는 센서 장치의 단면도.
도 6은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 7은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 8은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 9는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 10A는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 10B는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 10C는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 10D는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 10E는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 10F는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 10G는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 10H는, 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 11은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 12는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 13은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 14A는 보호막의 개구 패턴을 나타내는 도면.
도 14B는 홈을 교차시킨 경우의 결점을 설명하기 위한 도면.
도 15는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 16은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 17은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 18은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 19는 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 20은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 21은 제1 실시 형태에 있어서, 센서 장치의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 22는 제2 실시 형태의 구성을 분해한 상태로 나타내는 도면.
도 23A는 제2 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 23B는 제2 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 23C는 제2 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 23D는 제2 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 23E는 제2 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 23F는 제2 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 23G는 제2 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 23H는 제2 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 23I는 제2 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 24는 제2 실시 형태의 구성을 나타내는 도면.
도 25는 제3 실시 형태의 구성을 분해한 상태로 나타내는 도면.
도 26A는 제3 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 26B는 제3 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 26C는 제3 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 26D는 제3 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 26E는 제3 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 26F는 제3 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 26G는 제3 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 26H는 제3 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 26I는 제3 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 27은 제3 실시 형태의 구성을 나타내는 도면.
도 28은 센서 신호를 디지털 신호로 변환하는 순서를 설명하기 위한 도면.
도 29는 센서 신호를 디지털 신호로 변환하는 순서를 설명하기 위한 도면.
도 30은 본 발명의 구성을 가장 간결하게 나타내는 도면.
도 31은 제4 실시 형태와 관련되는 센서 장치의 단면도.
도 32는 제4 실시 형태와 관련되는 센서 장치를 이면측으로부터 본 사시도.
도 33A는 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 33B는 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 33C는 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 33D는 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 33E는 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 33F는 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 33G는 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 33H는 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 33I는 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 34A는 제5 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 34B는 제5 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 34C는 제5 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
도 34D는 제5 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면.
본 발명의 실시 형태를 도시함과 함께 도면 중의 각 요소에 붙인 부호를 참조하여 설명한다.
(제1 실시 형태)
본 발명의 센서 장치와 관련되는 제1 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1은, 다수의 센서 장치를 배치한 촉각 센서 시스템을 로봇의 손에 적용한 모습을 나타내는 도면이다.
도 2는, 버스(110)에 복수의 센서 장치(200)를 배치한 모습을 나타내는 도면이다.
본 실시 형태의 센서 장치는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 로봇(10)의 손(11) 또는 로봇의 체표면 전체에 배치되고, 전체적으로 촉각 센서 시스템(100)을 구성하기 위한 것이다.
각 버스(110)에는 복수의 촉각 센서 장치(200)가 설치되어 있다.
본 실시예에서는, 버스(110)의 배선 라인으로서는 4개의 라인(112, 112, 113, 113)이 설치되어 있다.
4개 중 2개는 전원 라인(112, 112)이며, 2개는 차동 시리얼 전송용 신호 라인(113, 113)이다.
그리고, 정보 중계 장치(120) 및 집선 장치(130)를 통하여 모든 버스(110)는 정보 통합 장치(140)에 접속되어 있다.
예를 들면, 로봇(10)의 손(11)이 대상물(도시 생략)을 잡는 등 하여 로봇(10)의 표면이 대상물에 접촉하면, 각 센서 장치(200)가 접촉압을 검지한다.
또한, 각 센서 장치(200)는, 센서 신호의 디지털 신호 처리를 실행한다.
그리고, 디지털 신호 처리가 완료된 센서 신호가 각 센서 장치(200)로부터 정보 통합 장치(140)에 송신된다.
정보 통합 장치(140)에서는, 센서 장치(200)로부터의 정보를 통합하여, 어느 위치에 어느 정도의 힘이 가하여지고 있는지를 검출한다.
다음으로, 센서 장치의 구성을 설명한다.
도 3은, 센서 장치를 표면측으로부터 본 사시도이다.
도 4는, 센서 장치를 이면측으로부터 본 사시도이다.
도 5는, 센서 장치의 단면도이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 센서 장치(200)는, 센서 구조부(300)와 반도체 기판(400)이 접착층(500)에 의해 접착된 구조이다.
센서 구조부(300)는, 구조 본체부(310)와, 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)을 가진다.
구조 본체부(310)는, Si로 형성되어 있다.
표면측으로부터 보아, 구조 본체체(310)의 중심부에는 대상물과 접촉하는 볼록 형상의 힘 전달부(311)가 설치되고, 힘 전달부(311)의 주위는 오목 형상의 박육부(薄肉部)(312)로 되어 있다.
박육부(312)가 탄성을 가짐으로써, 구조 본체부(310)가 작동막으로서 기능하게 된다. 즉, 힘 전달부(311)에 힘이 가하여지면 구조 본체부(310)가 휘도록 되어 있다.
여기에, 힘 전달부(311)에 의해 접촉 센싱면이 구성되어 있다.
박육부(312)의 주위인 주연부(周緣部)는, 작동막을 지지하는 지지 프레임부(313)로 되어 있다.
또, 구조 본체부(310)의 이면에는, 오목부(314)가 형성되어 있다.
제1 센서 전극(320)은, 구조 본체부(310)의 이면에 형성된 오목부(314)에 설치되어 있다.
제1 센서 전극(320)의 적어도 일단(一端)은, 지지 프레임부(313)의 이면을 경유하여 구조 본체부(310)의 측면(316)에 도달하는 위치까지 연장하여 설치되어 있다.
제1 센서 전극(320)은 작동막과 함께 변위하는 가동 전극이 된다.
제2 센서 전극(330)은, 접착층(500)의 바로 위에 설치되어 있다.
제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)의 간격은, 오목부(314)의 깊이에 의해 규정된다.
제2 센서 전극(330)이 고정 전극이 되어 있고, 서로 대향 배치된 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)이 정전 용량 소자를 구성하고 있다.
제2 센서 전극(330)은, 접착층(500)에 형성된 바이어(510)를 통하여 반도체 기판(400)의 재배선층(410)에 접속되어 있다.
반도체 기판(400)에는 신호 처리용 집적 회로(420)가 장착되고, 그 표면이 패시베이션 막(430)으로 보호되어 있다.
또한, 패시베이션 막(430) 상에 재배선층(410)이 형성되어 있다.
반도체 기판(400)의 바로 위에 접착층(500)이 설치되고, 제2 센서 전극(330)과 집적 회로(420)가 접착층(500)을 사이에 두고 대향한 상태가 된다.
또, 제1, 제2 센서 전극(320, 330)과 집적 회로(420)는 센서 장치(200)의 내측에 봉지된 상태가 된다.
접착층(500)은, 집적 회로(420)와 센서 전극(330) 사이의 기생 용량을 감소시키기 때문에, 그 두께를 10㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
두께의 상한으로서는 특별히 제한되는 것은 아니나, 반도체 칩의 제조상의 사정 등을 감안하여, 예를 들면, 100㎛ 정도를 상한으로 하는 것을 예로서 들 수 있다.
센서 장치(200)를 이면측으로부터 보았을 때, 도 4 중의 좌우 방향 각각의 측단면에는, 중앙부에 경사면(211)이 형성되어 있다.
그리고, 경사면(211) 상에는 메탈 인출 배선(212, 213)이 형성되어 있고, 인출 배선(212, 213)은 이면(240)에까지 인출되어 있다.
이 인출 배선의 일방(212)은, 제1 센서 전극의 일단에 연결되어 있고, 인출 배선의 타방(213)은, 재배선층(410)을 통하여 제2 센서 전극(330)에 연결되어 있다 (도 5 참조).
또, 도 4 중의 상하 방향의 각각의 측단면(220, 220)은 전체에 경사면(221, 221)으로서 형성되어 있고, 각 측단면(220, 220)에는 각각 8개씩의 인출 배선(230)이 이면(240)까지 도달하도록 설치되어 있다.
이들 인출 배선(230)은, 재배선층(410)으로부터 인출되고, 집적 회로(420)의 전원선 또는 신호선이 된다.
도 4에 나타내는 센서 장치(200)의 이면(240)에는, 외부 접속 단자가 설치되어 있다.
본 실시 형태에서는, 버스(110)의 4개의 배선 라인(112, 113)에 대응하여, 센서 장치(200)의 이면에는 4개의 외부 단자(241-244)가 설치되어 있다.
도 4에 있어서, 왼쪽부터 순서대로 제1 외부 단자(241), 제2 외부 단자(242), 제3 외부 단자(243), 제4 외부 단자(244)로 한다.
제1 외부 단자(241)는, 예를 들면 버스(110)의 GND에 연결되는 외부 단자이며, 좌측면(210)으로부터의 인출 배선(212)과, 하측면(220)의 가장 왼쪽의 인출 배선(231)이 이 제1 외부 단자(241)에 접속되어 있다.
제2 외부 단자(242)에는 상측면(220)의 가장 왼쪽의 인출 배선(232)이 접속되고, 제3 외부 단자(243)에는 하측면(220)의 가장 오른쪽의 인출 배선(234)이 접속되어 있다.
제4 외부 단자(244)에는, 우측면(210)으로부터의 인출 배선(213)과, 상측면(220)의 가장 오른쪽의 인출 배선(234)이 접속되어 있다.
또한, 외부 단자(241-244)의 수는 버스(110)의 신호선의 수에 따라 적절히 변경되는 것이며, 인출 배선과 외부 단자의 접속은 센서 구조부(300)나 집적 회로(420)의 구성에 의해 적절히 변경될 수 있는 것임은 물론이다.
다음으로, 센서 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 6 내지 도 21은, 센서 장치의 제조 순서를 나타내는 도면이다.
우선, 센서 구조부(300)의 구조 본체부(310)가 되는 웨이퍼(315)를 작성한다.
즉, 도 6에 나타내는 바와 같이, Si로 이루어지는 웨이퍼(315)를 준비하고, 그 이면을 TMAH（Tetramethyl ammonium hydroxide, 수산화 테트라메틸 암모늄)에 의해 에칭하여, 약 10㎛의 깊이를 가지는 오목부(314)를 형성한다. 그리고, 도 7에 나타내는 바와 같이, 오목부(314)에 제1 센서 전극(320)을 형성한다. 또한, Si웨이퍼(315)의 표면에는, 힘 전달부(311)와 지지 프레임부(313)를 제외한 영역을 박육부(312)로 하기 위한 마스크(317)를 형성한다.
이 마스크(317)는 열산화막에 의해 형성할 수 있다.
또 한편, 도 8에 나타내는 바와 같이, 반도체 기판(400)에 신호 처리용 집적 회로(420)를 장착한 웨이퍼를 준비한다.
그리고, 표면을 패시베이션 막(430)으로 보호하고, 또한, 패시베이션 막(430) 상에 재배선층(410)을 설치한다.
재배선층(410)은 집적 회로(420)의 전극 패드(421)와 접속되어 있다.
다음으로, 도 9에 나타내는 바와 같이, 반도체 기판(400)의 상면에 접착층(500)으로서의 유기 절연막을 설치하고, 또한, 접착층(500) 상에 제2 센서 전극(330)을 설치한다.
이 공정을, 도 10(A) 내지 도 10(H)를 참조하여 설명한다.
상기 서술한 바와 같이 집적 회로(420)를 장착한 반도체 기판(400)을 준비한다.
그 위에 스핀코팅으로 약 10㎛의 막 두께의 BCB(벤조시클로부텐) 수지막을 형성한다(도 10A).
이 BCB(벤조시클로부텐) 수지막은 접착층(500)이 된다.
이것을 220℃의 질소 퍼지한 노(爐)에서 1시간의 프리큐어를 행한다.
BCB막 상에 레지스트(520)를 도포하고, 노광한다(도 10B).
레지스트(520)를 노광 후 소성으로 경화시킨 후(도 10C), 에칭한다.
이것에 따라, 재배선층(410)의 바로 위에 바이어(구멍)(510)를 형성한다(도 10D).
다음으로, 반도체 기판(400) 및 접착층(500)을 하드 베이크한다.
계속하여, 패턴화된 접착층(500) 상으로부터 알루미늄(Al)을 스퍼터법으로 성막한다(도 10E).
이 알루미늄 박막이 제2 센서 전극(330)이 된다.
알루미늄 박막 상에 레지스트(520)를 도포하여 패터닝한다(도 10F, 도 10G).
그리고, 알루미늄을 에칭한다(도 10H).
이에 따라, 주연부를 제외한 중앙부에 제2 센서 전극(330)이 형성되고, 또한, 바이어(510)를 통하여 제2 센서 전극(330)은 집적 회로(420)의 재배선층(410)에 연결된다.
다음으로, 도 11에 나타내는 바와 같이, 구조 본체부(310)가 되는 웨이퍼(315)(도 7)와 반도체 기판(400)이 되는 웨이퍼(도 9)를 접합한다.
접합에 있어서는, 250℃에서 1시간, 1,000N의 하중을 가하는 것을 예로 들 수 있다.
반도체 기판(400)의 이면에 TMAH 에칭용 보호막(250)을 형성한다(도 12).
여기서, 보호막(250)으로서, PECVD 또는 스퍼터법으로 퇴적시킨 저온 산화막 상에 감광성 내알칼리 유기 보호막(ProTEK PSB)을 적층한 것이 바람직하다.
Si 기판의 장시간 에칭에 견디는 마스크재로서는, 일반적으로는 실리콘 열산화막이나 실리콘 질화막이 이용되지만, 이들은 고온(800℃ 이상)의 고온 처리를 요한다.
이러한 고온 처리는, 집적 회로(420)가 장착 완료된 반도체 기판(400)에는 적용할 수 없다.
또, 저온 산화막만으로는 핀 홀이 생기는 문제가 있고, 이 점에서, 감광성 내알칼리 유기 보호막만으로는 사이드 에칭이 생기는 문제가 있다.
보호막(250)을 형성한 후, 접합 웨이퍼의 양면을 에칭한다(도 13).
이에 따라, 반도체 기판(400)이 에칭됨과 동시에 센서 구조부(300)의 박육부(312)가 형성된다.
또한, 보호막(250)의 개구 패턴은 도 14A에 나타내는 바와 같이, 구멍 형상(251)이나 하나의 홈 형상(252)으로 하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 도 14B에 나타내는 바와 같이, 홈(252, 252)이 교차하도록 되어 있으면, 알칼리액(TMAH)을 사용한 Si의 결정 이방성 에칭 때문에 모서리(254)의 침식이 빨라, 내부의 집적 회로(420)가 손상을 받을 우려가 있다.
전극 패드로부터 10㎛ 정도의 두께를 남기고 에칭을 정지하고, 감광성 내알칼리 유기 보호막(250)을 제거한다(도 15).
그 후, XeF2의 가스 에칭에 의한 등방성 에칭을 수행하여, Si 기판을 완전히 제거한다(도 16).
다음으로, 하지 절연막(255)으로서 BCB 수지를 성막한다(도 17).
절연막을 도포한 후, V자 블레이드를 이용하여 반도체 기판의 이면으로부터 하프 다이싱을 행한다(도 18).
여기서는, 도 18에서는, 도 4의 XVIII-XVIII선 단면을 나타내고 있고, 이 방향에서는 센서 장치(200)의 측면으로부터 센서 전극(320, 330)을 인출할 필요가 있다.
그래서, 하프 다이싱에서는, 제1 센서 전극(320)에까지 도달하도록 접착층(500)의 상면까지는 잘라낼 필요가 있다.
이에 따라, 좌우의 측면으로부터 제1 센서 전극(320)의 일단과 재배선층(410)이 이면측(240)에 노출된다.
한편, 도 4의 XIX-XIX선 단면의 방향에서는, 집적 회로(420)의 전극 패드(421)만을 인출하면 되기 때문에, 도 19에 나타내는 바와 같이 전극 패드(421) 또는 재배선층(410)까지 도달할 정도의 얕은 하프 다이싱으로도 좋다.
다음으로, 셰도우 마스크법에 의해 배선을 형성한다(도 20).
금속 재료로서는, Ti/Cu를 이용하는 것을 예로서 들 수 있다.
Ti는 절연막과의 밀착성을 높이기 위한 중간층으로서 기능한다.
그 후, 무전해 Au 도금을 배선 상에 실시하여, 와이어 본딩성을 향상시킨다.
마지막으로, 웨이퍼를 다이싱에 의해 분리하고, 각각의 센서 장치(200)를 잘라낸다(도 21).
이러한 제1 실시 형태에 의하면, 다음의 효과를 갖는다.
(1) 본 실시 형태의 제조 방법에 의해, 촉각 센서 장치(200)를 웨이퍼 레벨로 집적화할 수 있다.
즉, 센서 구조부(300)와 집적 회로(420)를 일체적으로 가지는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)로서 촉각 센서 장치(200)를 구성할 수 있다.
또, 집적화에 의해 촉각 센서 장치(200)의 사이즈를 매우 소형으로 할 수 있고, 예를 들면, 하나의 촉각 센서 장치를 모서리당 3mm 정도로 소형화할 수 있다.
이와 같이, 센서 구조부(300)와 집적 회로(420)를 일체적으로 가지는 MEMS로 하고, 또한, 소형화를 달성함으로써, 예를 들면 로봇(10)의 체표면에 실장하는 센서 시스템으로서 적합한 것이 된다.
(2) 센서 전극(320, 330)으로부터는 축적 전하량이 아날로그 센서 신호로서 집적 회로(420)에 취출되나, 이러한 아날로그 센서 신호는 입력 임피던스가 높고, 노이즈가 혼입되기 쉽다는 문제가 있다.
이 점에 있어서, 본 실시 형태에서는, 센서 전극(320, 330)과 집적 회로(420)를 센서 내부에 봉지하여 이들을 완전하게 보호할 수 있다.
또한, 센서 내부에 있어서, 접착층(500)을 사이에 두고 제2 센서 전극(330)과 집적 회로(420)를 매우 근접 배치시키고 있기 때문에, 제2 센서 전극(330)과 집적 회로(420) 사이의 배선 길이를 매우 짧게 할 수 있다. 따라서, 센서 전극(320, 330)으로부터의 아날로그 센서 신호에 노이즈가 들어가기 어려워져, 검출 정밀도를 매우 향상시킬 수 있다.
(3) 본 실시 형태의 제조 방법에서는, 센서 구조부(300)와 반도체 기판(400)을 접착층(500)으로 접합시키기 때문에, 반도체 기판(400)에 장착되는 집적 회로(420)의 구조는 제한을 받지 않는다.
예를 들면, 기존의 센스 앰프 및 신호 처리 회로를 장착한 반도체 기판(400)을 본 실시 형태에 적용할 수 있다.
(4) 본 실시 형태에서는, 센서 전극(320, 330)과 집적 회로(420)를 센서 내부에 봉지하고 있기 때문에, 이들 전극을 외부로 취출하는 것이 필요해진다.
여기서, 패키지 내부에 봉지한 칩으로부터 외부에 전극을 취출할 경우에는 실리콘 관통 바이어(실리콘 관통 배선)를 형성하는 것도 생각할 수 있으나, 필요한 배선의 수만큼 실리콘 관통 바이어를 설치하는 것은 공정 수를 매우 증가시키고, 또한, 가공도 어렵다.
이 점에 있어서, 본 실시 형태에서는, 반도체 기판의 이면으로부터 에칭 및 하프 다이싱에 의해 센서 전극 및 집적 회로의 전극을 취출한다.
따라서, 공정 수가 적고 또한 간편하게 외부 단자를 설치할 수 있다.
(5) 힘 전달부(311)와 박육부(312)로 이루어지는 다이어프램 구조에 의해, 구조 본체부(310)에 인가된 힘이 정확하게 구조 본체부(310)의 변형에 반영된다.
또, 제1 센서 전극(320)이 구조 본체부(310)의 이면에 직접 형성되어 있기 때문에, 힘 전달부(311)가 받은 외부로부터의 힘에 의한 구조 본체부(310)의 변형을 제1 센서 전극(320)의 변위로 할 수 있고, 제2 센서 전극(330)으로 형성된 정전 용량 소자의 용량 변화로서 양호한 정밀도로 인가된 힘을 검지할 수 있다.
(6) 제1 전극(320)의 적어도 일단은, 지지 프레임부(313)의 이면을 경유하여 구조 본체부(310)의 측면(316)에 도달하는 위치까지 연장하여 설치되어 있기 때문에, 외부 전원 또는 회로와 직접 접속할 수 있다.
예를 들면, 제1 전극(320)을 외부 전원의 어스 전극에 접속하여 동일한 전위로 하면, 외부에 가장 가까운 전극이 어스가 되고, 외부로부터의 노이즈를 차폐하여, 측정 정밀도를 높인다.
또한, 제1 전극(320)과 구조 본체부(310)가 전기적으로 도통하도록 형성하면, 구조 본체부(310)가 어스 전위가 되고, 외부로부터의 노이즈에 대한 차폐 능력은 더욱 향상되며, S/N비가 매우 향상되게 된다.
(7) 제1, 제2 센서 전극(320, 330)과 집적 회로(420)는 센서 장치(200)의 내측에 봉지된 상태로 되어 있기 때문에, 센서 전극(320, 330) 및 집적 회로(420)의 전극이나 배선, pn 접합을 외부로부터의 수분, 산, 알칼리, 유기 용제, 오일 등의 수용액, 가스의 침입에 의한 부식이나 산화, 변질이나 도전성 피복의 발생 등을 방지하여, 장기에 걸쳐 안정적인 동작을 실현할 수 있다.
따라서, 본 장치에 유기용제로 녹여진 유기물의 피복을 실시하거나, 로봇의 손발에 장착하여 흙탕물 등의 악조건에서의 동작이 가능해진다.
(8) 반도체 기판(400)에 장착된 신호 처리용 집적 회로(420)의 표면의 패시베이션 막(430) 상에 접착층(500)을 가지고, 그 접착층(500) 상에 제2 센서 전극(330)이 형성되어 있기 때문에, 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)으로 이루어지는 정전 용량 소자와 집적 회로(420)의 배선 거리가 짧다.
따라서, 센서의 감도나 정밀도를 좌우하는 중요한 인자가 되는 기생 용량을 적게할 수 있어, 검출 감도가 향상된다.
배선 길이가 짧기 때문에, 노이즈도 혼입되기 어렵다.
접착층(500)의 두께를 두껍게 설정함으로써, 집적 회로(420)와 센서 전극(330) 사이의 기생 용량이 더욱 감소하기 때문에, 더욱 고감도화가 가능해진다.
(9) 좌우 방향의 각각의 측단면의 중앙부에 경사면(211), 그리고, 상하 방향의 각각의 측단면(220)의 전체에 경사면(221)이 있고, 각각의 경사면 상에 메탈 인출 배선(212, 213, 230)이 형성되어 있다. 배선(212, 213, 230)을 경사면에 배치함으로써, 제조가 용이하고, 배선의 막 두께를 확보하며, 또한, 단 단절(disconnection of step) 등의 불안정을 해소하고 있다.
이들의 형상과 구조에 의해, 온도에 대한 안정성이나 반복 온도 변화에 대한 내구성이 증가하고, 디바이스를 실장할 때나 사용 중의 배선의 신뢰성이 현격하게 향상된다.
좌우 방향의 각각의 측단면에 있는 경사면(211)은 상하 방향의 각각의 측단면(220)에 있는 경사면과 달리, 좌우 방향의 각각의 측단면의 중앙부에 한정된 형상의 경사면으로 되어 있다.
이는 경사면의 제조상의 과제를 해결하기 위해서이나, 경사면(211)보다 조금 패인 구조의 경사면(211)으로 함으로써 배선의 신뢰성도 향상시킬 수 있다.
(10) 센서 전극(320, 330)용 배선은 좌우 방향 각각의 측단면에 있는 경사면(211)에 형성된 인출 배선(212, 213)이며, 집적 회로(420)의 전극용은 상하 방향의 각각의 측단면(220)에 있는 경사면(221)에 형성된 인출 배선(230, 231, 232, 234)이다.
여기서, 센서 전극용 배선을 인출하기 위한 쐐기 형상 절삭의 깊이가 집적 회로용의 배선을 취출하는 쐐기 형상 절삭보다 깊다.
이에 따라, 2방향의 다른 배선 취출을 안정적으로 행할 수 있다.
(11) 본 실시 형태에서는, 접착층(500)이 절연막과 접착재를 겸하고 있다.
따라서, 접착층(500)에는, 절연막으로서의 안정성과, 접착재로서의 유연성, 접착성이 요구된다.
이 점에 있어서, 본 실시 형태에서는, 접착층에 BCB(벤조시클로부텐) 수지막을 이용하여, 220℃에서 프리큐어를 행한 후, 센서 전극을 패터닝한다.
그리고, 센서 구조부(300)와 반도체 기판(400)의 접착은 250℃에서 행하는 것으로 하고 있다.
이때, 프리큐어 온도를 낮추면, 유연성, 접착성은 증가하나, 안정성에 문제가 생긴다.
또, 프리큐어 온도를 높이면 안정성은 증가하나, 접착성, 유연성을 유지할 수 없게 되고, 이를 보충하기 위해서 접합시의 온도를 높이면, 센서 전극이 손상되는 문제가 생긴다.
본 실시 형태에 있어서는 이들 문제를 해소하고, 최적의 안정성, 유연성, 접착성을 실현할 수 있다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태에 대하여 설명한다.
상기 제1 실시 형태에서는, 반도체 기판(400) 상에 형성한 접착층(500)의 바로 위에 제2 센서 전극(330)을 형성한 후에, 구조 본체부(310)와 반도체 기판(400)을 맞붙이는 경우를 예시하였다.
이에 대하여, 제2 실시 형태에서는, 먼저, 제2 전극(320)이 형성된 유리 기판(600)을 구조 본체부(310)의 이면에 맞붙여서, 센서 구조부(300)의 전극(320, 330)을 봉지한 상태로 한다(도 22).
그 후, 반도체 기판(400)과 센서 구조부(300)의 웨이퍼를 접착층(500)에 의해 접합시킨다.
도 23A 내지 도 23I는, 제2 실시 형태의 제조 순서를 나타내는 도면이다.
도 23A에 나타내는 바와 같이, 구조 본체부(310)가 되는 웨이퍼(도 7)와 유리 기판(600)을 맞붙인다.
이때, 유리 기판(600)에는 제2 센서 전극(330)을 형성해 둔다.
이에 따라, 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)이 구조 본체부(310)와 유리 기판(600)의 사이에 봉지된다.
또한, 도 23A에 있어서, 구조 본체부가 되는 웨이퍼에 있어서, 제2 센서 전극(330)의 인출 배선을 설치하는 측의 다이싱 예정 위치에는 홈(318)이 에칭에 의해 형성되어 있다.
이에 따라, 하프 다이싱 시에 다이싱의 블레이드가 Si 구조 본체부(310)까지 절삭되지 않도록 하고 있다.
그리고, 유리 기판(600)의 이면에 접착층(500)을 형성하고, 유리 기판(600)과 반도체 기판(400)을 접합한다.
도 23G에 있어서, 센서 전극(320, 330)을 노출시키기 위한 하프 다이싱을 행한다.
이때는 유리 기판(600)의 상면까지 절삭할 필요가 있다.
그 외의 공정은 제1 실시 형태에서 설명한 것과 동일하고, 최종적으로 도 24에 나타내는 센서 장치가 얻어진다.
이 구성에 있어서, 구조 본체부(310)가 되는 웨이퍼(도 7)와 유리 기판(600)이 맞붙어 있고, 유리 기판(600)에는 제2 센서 전극(330)이 형성되어 있으며, 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)이 구조 본체부(310)와 유리 기판(600)의 사이에 봉지되어 있기 때문에, 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)의 형상, 갭, 상대 위치를 더욱 정확하게 세팅할 수 있다.
이에 따라, 보다 고정밀도의 센서 성능을 실현할 수 있다.
(제3 실시 형태)
제3 실시 형태에 대하여 설명한다.
상기 제2 실시 형태에서는, 제2 전극(330)이 형성된 유리 기판(600)을 구조 본체부(310)의 이면에 접착하여 센서 구조부(300)의 전극(320, 330)을 봉지한 상태로 한 후에, 반도체 기판(400)과 센서 구조부(300)의 웨이퍼를 접착층(500)에 의해 접합시키는 경우를 예시하였다.
이 점에 있어서, 제3 실시 형태에서는, 유리 기판(600) 대신, LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics, 저온 동시 소성 세라믹) 기판(700)을 사용하는 점에 특징을 가진다.
도 25에 있어서, LTCC 기판(700)의 상면에는 제2 센서 전극(330)이 형성되어 있다.
또한, 배선층(710)을 LTCC 기판(700)에 장착해 두고, 바이어(720)를 통하여 이 배선층(710)과 제2 센서 전극(330)을 접속해 둔다.
따라서, 제2 센서 전극(330)의 인출선은, LTCC 기판(700)의 배선층(710)으로부터 인출하면 된다.
도 26은, 제3 실시 형태의 제조 순서를 나타내는 도면이다.
도 26A에 나타내는 바와 같이, 구조 본체부(310)가 되는 웨이퍼(도 7)와 LTCC 기판(700)을 맞붙인다.
이때, LTCC 기판(700)의 내부에는 배선층(710)을 장착하고, LTCC 기판(700)의 상면에 형성된 제2 센서 전극(330)과 배선층(710)을 접속해 둔다.
도 26A의 단계에서, 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)이 구조 본체부(310)와 LTCC 기판(700)의 사이에 봉지된다.
그리고, LTCC 기판(700)의 이면에 접착층(500)을 형성하여, LTCC 기판(700)과 반도체 기판(400)을 접합한다.
도 26G에 있어서, 센서 전극(320, 330)을 노출시키기 위한 하프 다이싱을 행한다.
이때는, LTCC 기판(700)의 상면까지 절삭할 필요가 있다.
그 외의 공정은 제1 실시 형태에서 설명한 것과 동일하고, 최종적으로 도 27에 도시하는 센서 장치가 얻어진다.
예를 들면, 제2 센서 전극(330)이 LTCC 기판과 같은 세라믹 기판 상에 형성되어 있기 때문에, 유리 기판(600)과 동일하게 제1 센서 전극(320), 제2 센서 전극(330)의 형상, 갭, 상대 위치를 더욱 정확하게 세팅할 수 있다.
또한, 세라믹 기판(700)에 다층 배선이나 저항, 콘덴서, 코일, 층간 전극, 층간 유전체막을 형성하거나, 층간에 수동 전자 부품이나 다이오드, 트랜지스터 등의 능동 전자 부품을 장착하는 것이 가능해지기 때문에, 디지탈화 전에 아날로그 신호 처리에 의해 센서의 감도나 S/N비를 아날로그적으로 효과적으로 개선할 수 있다.
이에 따라, 센서의 기능이나 종류, 적용 범위가 대폭 넓어진다.
(제4 실시 형태)
상기 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태에 있어서는, 하프 다이싱을 행하여, 제1 및 제2 센서 전극(320, 330)을 노출시키고 있으나, 제4 실시 형태에 있어서는, TMAH에 의한 에칭 후에, 패시베이션 막(TEOS막 SiN막 등)(430)을 고속 원자선(Fast Atom Beam)이나 가속된 이온에 의한 에칭, 또는 샌드 블라스트 등의 기계적 에칭을 행하여, 제1 및 제2 센서 전극(320, 330)을 노출시킨다.
도 31은, 제4 실시 형태에 관련되는 센서 장치의 단면도이다. 도 31에 나타내는 바와 같이, 접착층(500)에는, 제2 센서 전극(330)과 반도체 기판(400)의 재배선층(410)을 전기적으로 접속하는 바이어(510)와, 제1 센서 전극(320)과 이면(240)을 전기적으로 접속하는 바이어(520)가 설치되어 있다.
도 32는, 제4 실시 형태에 관련되는 센서 장치를 이면측으로부터 본 사시도이다. 도 32에 나타내는 바와 같이, 구조 본체부(310)의 이면의 제1 센서 전극(320)이 바이어(520)를 통하여 노출되어 있고, 바이어(520)에 접속된 인출 배선(212)에 의해 이면(240)으로 인출되어 있다.
도 33A 내지 도 33I는, 제4 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면이다. 도 32A에 나타내는 바와 같이, 먼저, 구조 본체부(310)가 되는 웨이퍼와, 바이어(520)가 설치된 접착층(500)이 형성된 반도체 기판(400)을 접합하고, 박화(薄化)한다(도 32B).
다음으로, TMAH에 의한 습식 에칭과 XeF2에 의한 드라이 에칭에 의하여, 패시베이션 막(430)을 노출시킨다(도 33C). 그 후, 도 33D에 나타내는 바와 같이, 에칭을 행하여, 패시베이션 막(430)을 제거한다. 이에 따라, 비아(520)의 존재에 의해, 제1 및 제2 센서 전극(320, 330)이 동시에 노출된다.
또한, 반도체 기판의 이면(420)에, 감광성 BCB를 성막하여 절연막을 형성한다(도 33E). 이 성막한 BCB에 대하여, RIE(Reactive Ion Etching)에 의한 에칭을 행하고, 다시, 제1 및 제2 센서 전극(320, 330)을 노출시킨다(도 33F).
또한, 본 제4 실시 형태의 제조 공정에 있어서, 다른 공정은, 상기 제1 실시 형태의 제조 공정과 대략 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
또, 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태에 있어서는, 센서 구조부와 반도체기판을 일체화(원칩화)시키고 있다.
이러한 구성에 의하면, 반도체 기판(400)에 장착한 집적 회로(420)에 의해, 센서 구조부(300)로부터의 센서 신호를 신호 처리할 수 있다.
이와 같이, 각각의 촉각 센서 장치(200)에서 신호 처리를 실행할 수 있으면, 정보 통합 장치(140)의 신호 처리 부하를 적게 할 수 있다.
촉각 센서 시스템(100)에 다수의 촉각 센서 장치(200)를 배치했다고 하여도, 정보 통합 장치(140)의 처리 부담의 증가를 작게 할 수 있기 때문에, 다수의 촉각 센서 장치(200)를 가지는 큰 시스템이면서도 고속 응답이 가능해진다는 획기적인 촉각 센서 시스템으로 할 수 있다.
여기서, 센서 구조부로부터의 센서 신호를 디지털 신호로 변환하는 경우의 일례를 예시한다.
이 예에서는, 다이어프램형의 센서 구조부(300)와, 신호 처리부를 집적한 LSI가 접착층(500)에 의해 맞붙어, 전체가 일체적인 원 패키지로 되어 있다.
센서 구조부(300)는, 대향 배치된 2매의 전극판(320, 330)을 가진다.
그리고, 센서 구조부(300)의 상면이 대상물과 접촉하는 힘 전달부(센서면)(311)로 되어 있고, 힘 전달부(311)가 가압되면, 2매의 전극판(320, 330)의 간격(d)이 변화한다.
전극판 간격(d)의 변화에 의한 정전 용량 변화가 아날로그 센서 신호가 된다.
예를 들면, 도 28에 나타내는 바와 같이, 시각 T1으로부터 시각 T2에 강한 힘이 힘 전달부(311)에 인가되고, 시각 T3으로부터 시각 T4에 약한 힘이 힘 전달부(311)에 인가되었다고 한다.
그러면, 인가된 힘에 따라 극판 간 거리(d)가 변화된다.
극판 간 거리(d)의 변화에 따라, 극판 사이에 축적되는 전하량(Q)이 변화된다.
인가되는 힘에 따라 변화하는 극판간 전하량(Q)이 아날로그 센서 신호로서 집적 회로(420)에 보내진다.
구체적으로는, 제2 센서 전극(330)에 축적된 전하가 재배선층(410), 전극 패드(421)를 통하여 집적 회로(420)로 검출된다.
집적 회로(420)는, 센서 구조부(300)로부터의 아날로그 센서 신호를 디지털 변환한다.
정전 용량 변화를 주파수 변화로 디지털 변환하는 모습을 도 29를 이용하여 설명한다.
집적 회로(420)는, 센서 구조부(300)로부터의 센서 신호를 취출함에 있어서시, 선택 신호(Sct)와 리셋 신호(Rst)를 일정 주기로 내보낸다.
선택 신호(Sct)는, 전극판(330)과 집적 회로(420)의 사이에 배치된 스위치(도시 생략)의 ON 신호이다.
리셋 신호(Rst)는, 전극판(330)의 전하를 일단 GND로 하여 리셋하기 위한 신호이다.
선택 신호(Sct)에 의해, 극판 간 전하량(Q)이 일정 주기로 취출된다.
이와 같이 취출된 극판 간 전하량(Q)을 소정의 저항을 통하여 전압(VQ)으로 변환한다.
이 VQ를 소정의 참조 전압(Vref)과 대비한다.
VQ가 Vref를 넘은 시간 폭을 가지는 펄스 신호(Vout)를 생성한다.
이때, 전하의 취출 속도가 일정하면, VQ의 높이와 Vout의 펄스 폭은 정(正)의 상관을 가진다.
펄스 제너레이터(도시 생략)에 의해 Vout를 소정 주파수의 펄스 신호로 변환한다.
단위 시간당 펄스 수를 카운트함으로써, 센서 구조부(300)에 가하여지는 힘을 디지털량으로서 계측할 수 있다.
이와 같이 주파수 변환에 의해 디지탈화된 센서 신호를 디지털 센서 신호라고 한다.
이렇게 하여 생성된 디지털 센서 신호는, 각 촉각 센서 장치(200)로부터 정보 통합 장치(140)에 송신된다.
신호 송신에 있어서는, 버스의 2개의 신호 라인(113, 113)에 의해 차동 시리얼 전송으로 전송해도 된다.
이와 같이, 촉각 센서 장치(200)로부터 정보 통합 장치(140)에 디지털 신호를 송신함으로써, 촉각 센서 장치(200)와 정보 통합 장치(140)의 배선 길이가 길어도 노이즈의 영향을 받기 어려워진다.
예를 들면, 로봇의 체표면 전체에 촉각 센서 장치(200)를 설치한다고 하면, 전체의 배선 길이는 상당한 길이가 되기 때문에 노이즈 내성이 중요해진다.
아날로그 신호인 채로 송신하는 경우에 비하여, 본 실시 형태의 구성은 다수의 촉각 센서 장치(200)를 구비하는 센서 시스템에 적합하다.
(제5 실시 형태)
상기 제1 내지 제4 실시 형태에 있어서는, 지지 프레임부(313)와 힘전달부(311)의 높이가 동일하게 되어 있지만, 전단력을 효과적으로 검출하기 위해서는, 힘 전달부(311)를 지지 프레임부(313)보다 높게 하는 것이 바람직하다.
그래서, 본 제5 실시 형태에 있어서는, 웨이퍼 상태로부터 센서 장치(200)를 분리하는 단계에서, 지지 프레임부(313)를 하프 다이싱에 의해 절삭함으로써, 상기 서술한 바와 같이, 힘 전달부(311)를 지지 프레임부(313)보다 높게 설정한다.
도 34A 내지 도 34D는, 제5 실시 형태의 제조 공정을 나타내는 도면이다. 또한, 본 제5 실시 형태의 제조 공정은, 상기 제1 내지 제4 실시 형태에 적용 가능하다.
도 34A에 나타내는 바와 같이, 전극 패드(212, 213)를 형성한 후, 반도체 기판(400) 측으로부터 하프 다이싱을 행한다. 이때, 그 절삭 깊이는, 구조 본체부(310)에 충분히 도달하는 깊이로 한다(도 34B).
다음으로, 표면측으로부터 지지 프레임부(313)를 하프 다이싱에 의해 절삭 하고(도 34C), 자연히 소자 분리가 행하여진다(도 34D). 여기서, 상기 하프 다이싱에 있어서, 다이어프램 성능이 변화되지 않는 정도의 두께로 절삭하는 것이 바람직하다.
이상으로부터, 소자 분리와 동시에, 힘 전달부(311)를 지지 프레임부(313) 보다 높게 할 수 있고, 전단력의 감도를 높게 하여, 전단력을 효과적으로 검출 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정된 것이 아니라, 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경하는 것이 가능하다.
상기에서는, 볼록 형상의 힘 전달부(311)와 박육부(312)로 이루어지는 다이어프램 구조에 의해, 구조 본체부(310)로의 힘의 인가가 용이해지고, 정확하게 구조 본체부(310)의 변형을 가져오며, 내부에 형성된 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)으로 이루어지는 정전 용량부의 용량 변화로서 힘을 검지하는 구성을 예시하였다.
압력을 볼록 형상의 힘 전달부(311)와 박육부(312)로 이루어지는 다이어프램 구조에 인가하여, 구조 본체부(310)의 변형을 가져오고, 내부에 형성된 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(330)으로 이루어지는 정전 용량부의 용량 변화로서 압력을 검지하는 장치로서 사용해도 된다.
다이어프램 중앙에 볼록부가 있기 때문에, 다이어프램의 변형이 중앙에 집중되지 않는다. 이에 따라, 비교적 균등하게 다이어프램이 변형되고, 큰 압력 변화를 양호한 정밀도로 검출할 수 있다.
외부의 열, 즉, 온도 차이에 의한 열의 이동이 볼록 형상의 열 전달부와 박육부(312)로 이루어지는 다이어프램 형상에 전달되어, 구조 본체부(310)의 열팽창에 의한 형상 변화가 일어나고, 내부에 형성된 제1 센서 전극(320)과 제2 센서 전극(320)으로 이루어지는 정전 용량부의 용량 변화로서 열 또는 온도 변화를 검지하는 장치로서 구성할 수 있다.
여기서는, 열에 의한 용량 변화로서 설명하였으나, 온도에 의한 저항 변화, pn 접합의 온도 특성 변화를 센서 내부의 전극과 신호 처리 회로에 의해 검출하도록 해도 된다.
여기에, 도 30은, 본 발명의 구성을 가장 간결히 나타내는 도면이다.
도 30에 나타내는 바와 같이, 센서 전극을 가지는 센서 구조부와 반도체 기판이 접착층에 의해 접합되고, 센서 전극 및 집적 회로의 외부 단자는 반도체 기판의 측면을 경유하여 반도체 기판의 이면에 인출되어 있다.
센서 구조부로서는, 표면의 접촉 센싱면에 전해진 압력 또는 열 등의 물리량을 내부의 센서 전극으로 검출할 수 있으면 된다.
이 경우, 접촉 센싱면은, 다이어프램형이 아니어도 되는 것은 물론이다.
또, 접착층(500), 보호막(250) 등의 재료는 적절히 변경해도 되는 것은 물론이다.
10…로봇 11…손
100…촉각 센서 시스템 110…버스
112…전원 라인 113…신호 라인
120…정보 중계 장치 130…집선 장치
140…정보 통합 장치 200…센서 장치
211…경사면 212, 213…인출 배선
220…측단면 221…경사면
230, 231, 232, 233, 234…인출 배선 240…이면
241, 242, 243, 244…외부 단자 250…보호막
251…구멍 252…홈
254…모서리 255…하지 절연막
300…센서 구조부 310…구조 본체부
311…힘 전달부 312…박육부
313…지지 프레임부 314…오목부
315…웨이퍼 316…측면
317…마스크 317…홈
320…센서 전극 330…센서 전극
400…반도체 기판 410…재배선층
420…집적 회로 421…전극 패드
430…패시베이션 막 500…접착층
510…바이어 520…레지스트
600…유리 기판 700…LTCC 기판
710…배선층 720…바이어

Claims (22)

  1. 검출 대상과 직접적으로 접촉하는 접촉 센싱면을 외부에 노출하는 일면(一面)에 가짐과 함께, 상기 접촉 센싱면의 변화에 감응하여 아날로그 센서 신호를 출력하는 센서 전극을 상기 접촉 센싱면과는 반대측인 타면측(他面側)에 가지는 센서 구조부와,
    상기 아날로그 센서 신호를 신호 처리하는 신호 처리용 집적 회로가 장착된 반도체 기판과,
    상기 센서 구조부의 타면과 상기 반도체 기판의 사이에 배치하여 설치되고, 상기 센서 구조부와 상기 반도체 기판을 맞붙이는 접착층을 구비하고,
    상기 센서 전극과 상기 집적 회로가 상기 접착층을 사이에 두고 대향한 상태로 상기 센서 구조부와 상기 반도체 기판이 적층되어 원칩(one chip)화된 센서 장치로서,
    상기 센서 전극과 상기 집적 회로는 센서 장치의 내측에 봉지(封止)되어 있고,
    상기 센서 전극 및 상기 신호 처리용 집적 회로 중 적어도 어느 하나의 외부단자는, 배선에 의해 상기 반도체 기판의 측방 경사면을 경유하여 상기 반도체 기판의 이면에 형성된 상기 센서 전극의 배선 취출부 및 상기 집적 회로의 전극 취출부 중 적어도 어느 일방에 인출되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접착층은, BCB(벤조시클로부텐, Benzocyclobutene)인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 전극 및 상기 신호 처리용 집적 회로의 외부 단자가 상기 반도체기판의 측면을 경유하여 상기 반도체 기판의 이면에 인출되어 있고,
    상기 센서 전극의 배선을 취출(取出)하기 위한 절삭은, 상기 집적 회로의 전극을 취출하기 위한 절삭보다 절삭 깊이가 깊은 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 이면에 있어서, 상기 센서 전극의 배선을 취출하는 방향과, 상기 집적 회로의 전극을 취출하는 방향은 직교하고 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 구조부의 이면에 설치된 일방의 센서 전극과,
    상기 접착층 상에 설치된 타방의 센서 전극을 가지고,
    2매의 센서 전극이 대향하는 상태로 상기 센서 구조부와 상기 반도체 기판이 상기 접착층에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 접착층에는 바이어가 설치되어 있고,
    상기 타방의 센서 전극은, 상기 바이어를 통하여 상기 집적 회로의 전극에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 구조부의 이면에 설치된 일방의 센서 전극과,
    유리 기판의 일면에 설치된 타방의 센서 전극을 가지고,
    2매의 센서 전극이 대향하는 상태로 상기 센서 구조부와 상기 유리 기판이 접합되어 있고,
    상기 유리 기판의 타면에 설치된 접착층에 의해 상기 유리 기판과 상기 반도체 기판이 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 구조부의 이면에 설치된 일방의 센서 전극과,
    세라믹 기판의 일면에 설치된 타방의 센서 전극을 가지고,
    2매의 센서 전극이 대향하는 상태로 상기 센서 구조부와 상기 세라믹 기판이 접합되어 있고,
    상기 세라믹 기판의 타면에 설치된 접착층에 의해 상기 세라믹 기판과 상기 반도체 기판이 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 전극의 배선 취출부 및 상기 집적 회로의 전극 취출부는, 상기 반도체 기판을 이면으로부터 보았을 때, 상기 반도체 기판의 측면에 있어서 비연속적으로 형성된 구멍, 또는, 상기 반도체 기판의 측면에 형성된 홈에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    센서 전극과 집적 회로의 접속은, 상기 반도체 기판의 측단면(側端面)에서 취출 배선 또는 외부 단자에 의해 행하여지고 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 전극과 상기 집적 회로 사이의 기생 용량을 감소시키는 수단으로서, 상기 접착층의 두께를 10㎛ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 접촉 센싱면은 검출 대상과 접촉하여 접촉압 또는 열을 상기 센서 전극에 전달하고,
    상기 센서 구조부는 힘, 접촉력, 접촉압 또는 열을 검출하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  13. 센서 구조부가 되는 웨이퍼의 이면에 센서 전극을 설치하고,
    신호 처리용 집적 회로를 장착한 반도체 기판을 작성하고,
    상기 센서 전극과 상기 집적 회로가 대향하는 상태로 상기 센서 구조부와 상기 반도체 기판을 접착층에 의해 접합하고,
    상기 반도체 기판의 이면을 에칭하고, 또한, 상기 반도체 기판의 이면으로부터의 하프 다이싱에 의해 상기 센서 전극의 배선 취출부 및 상기 집적 회로의 전극 취출부를 당해 반도체 기판의 이면측에 노출시키고,
    상기 에칭 및 상기 하프 다이싱에 의해 형성한 반도체 기판의 경사면으로부터 반도체 기판의 이면에 걸쳐서 인출 배선을 설치하고,
    상기 센서 전극 및 상기 신호 처리용 집적 회로의 외부 단자를 상기 반도체기판의 측면을 경유하여 상기 반도체 기판의 이면에 인출하는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 에칭은 알칼리 습식 에칭이고,
    에칭의 마스크로서 저온 산화막 상에 감광성 내알칼리 유기 보호막을 중첩한 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 접착층은 BCB(벤조시클로부텐, Benzocyclobutene)를 이용하고,
    BCB를 도포하고, 220℃에서 프리큐어를 행한 후, 접합은 250℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 하프 다이싱에 있어서,
    상기 센서 전극의 배선을 취출하기 위한 하프 다이싱은, 상기 집적 회로의 전극을 취출하기 위한 하프 다이싱보다 절삭 깊이가 깊은 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    센서 장치는, 2매의 센서 전극을 가지고,
    센서 전극의 일방을 상기 센서 구조부의 이면에 설치하고,
    상기 반도체 기판 상에 접착층을 설치하고,
    접착층 상에 센서 전극의 타방을 설치하고,
    2매의 센서 전극이 대향하도록 하여 상기 센서 구조부와 상기 반도체 기판을 상기 접착층에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 반도체 기판 상에 접착층을 설치한 후, 상기 접착층에 바이어를 패터닝 하고,
    상기 센서 전극의 타방을, 접착층에 설치된 바이어를 통하여 상기 집적 회로의 전극에 접속하는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
  19. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    센서 장치는, 2매의 센서 전극을 가지고,
    센서 전극의 일방을 상기 센서 구조부의 이면에 설치하고,
    유리 기판의 일면에 센서 전극의 타방을 설치하고,
    2매의 센서 전극이 대향하도록 하여 상기 센서 구조부와 상기 유리 기판을 맞붙이고,
    상기 유리 기판의 타면에 접착층을 형성하여 상기 유리 기판과 상기 반도체기판을 접합시키는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
  20. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    센서 장치는, 2매의 센서 전극을 가지고,
    센서 전극의 일방을 상기 센서 구조부의 이면에 설치하고,
    세라믹 기판의 일면에 센서 전극의 타방을 설치하고,
    2매의 센서 전극이 대향하도록 하여 상기 센서 구조부와 상기 세라믹 기판을 맞붙이고,
    상기 세라믹 기판의 타면에 접착층을 형성하여 상기 세라믹 기판과 상기 반도체기판을 접합시키는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
  21. 센서 구조부가 되는 웨이퍼의 이면에 센서 전극을 설치하고,
    신호 처리용 집적 회로를 장착한 반도체 기판을 작성하고,
    상기 센서 전극과 상기 집적 회로가 대향하는 상태로 상기 센서 구조부와 상기 반도체 기판을 접착층에 의해 접합하고,
    상기 반도체 기판의 이면을 에칭하고, 당해 이면에 절연막을 형성하고, 당해 절연막을 에칭함으로써, 상기 센서 전극의 배선 취출부 및 상기 집적 회로의 전극 취출부를 당해 반도체 기판의 이면측에 노출시키고,
    상기 에칭에 의해 형성한 반도체 기판의 경사면으로부터 반도체 기판의 이면에 걸쳐서 인출 배선을 설치하고,
    상기 센서 전극 및 상기 신호 처리용 집적 회로의 외부 단자를 상기 반도체기판의 측면을 경유하여 상기 반도체 기판의 이면에 인출하는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
  22. 제13항, 제14항 또는 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 구조부측으로부터 하프 다이싱을 행하여, 대상물과 접촉하는 상기 센서 구조부의 힘 전달부보다 당해 힘 전달부의 외측에 있는 지지 프레임부를 낮게 절삭하고, 소자 분리를 행하는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 제조 방법.
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