KR20080105097A - 반도체 센서 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20080105097A
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Abstract

반도체 기술에 기계 가공 기술 및/또는 재료 기술을 조합한 MEMS 기술로 제작한, 여러 가지 물리량을 검출 측정하기 위한 반도체 센서 장치로, 캡칩과 몰드 수지에 생기는 균열을 막을 수 있고, 반도체 센서 칩과 캡칩간의 기밀을 확보할 수 있는 것을 개시하고 있다. 캡칩의 주위 측면을 웨트 에칭한 면으로 함으로써, 절단 시에 가해지는 진동에 의한 균열을 막을 수 있다. 또한, 캡칩 측면에 절연성 보호막을 피복함으로써, 절연성을 확보할 수 있다.
Figure 112008066246680-PCT00001
캡칩, 센서 칩, 사변형 베이스, 센서 조립체, 웨트 에칭

Description

반도체 센서 장치 및 그 제조 방법{Semiconductor sensor device and method for manufacturing same}
본 발명은, MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 칩을 갖는 반도체 센서 장치 및 그 제조기술에 관한 것으로, 특히, 가동부를 갖는 MEMS 칩을 구비한 반도체 센서 장치 및 그 제조에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스 기술에 기계 가공 기술 및/또는 재료 기술을 조합하여 반도체 기판상에 3차원적인 미세 구조를 갖는 시스템을 실현하는 MEMS 기술은 극히 광범위한 분야에 응용할 수 있다. 특히, MEMS 기술로 제작한 반도체 센서 장치는 자동차, 항공기, 휴대단말 기기, 완구 등의 분야에서 가속도, 각속도, 압력 등 물리량 검출에 대한 적용이 주목되고 있다.
이러한 반도체 센서 장치는, MEMS 기술로 형성된 가동부를 갖고 있는 것이 특징이다. 가동부의 움직임량을 피에조 저항 소자의 저항 변화 또는 정전 용량 변화로 검지하고, 데이터 처리하여, 가속도, 각속도, 압력 등을 측정한다. 특허문헌 1 내지 3에 가속도 센서 장치, 특허문헌 4 내지 6에 각속도 센서 장치, 특허문헌 7 내지 8에 압력 센서 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 1의 가속도 센서의 구조를 도 14에 도시하고, 도 14를 참조하여 간 단히 설명한다. 반도체 센서 장치를 특별히 단서가 없는 한 가속도 센서 장치를 사용하여 설명한다. 또한, 반도체 센서 장치에 사용하는 반도체 센서 칩의 구조, 구성 등은, 특허문헌 1 내지 8에 준한 것이므로 상세한 설명을 생략하는 경우가 있다. 도 14a에 MEMS 기술로 제작된 가동부를 가진 반도체 3축 가속도 센서의 분해 사시도를 도시한다. 반도체 3축 가속도 센서(10h)는, 케이스(71h)내에 가속도 센서 칩(20h)과 IC 규제판(30h)이 소정 간격을 갖고 수지 등의 접착제로 고정되어 있다. 가속도 센서 칩(20h)의 칩단자(24h)가 와이어(51h)로 IC 규제판 단자(34h)에 접속되고, IC 규제판 단자(34h)가 와이어(51h)로 케이스 단자(74h)에 접속되고, 센서신호를 외부단자(75h)로부터 빼낸다. 케이스(71h) 상부에 케이스 뚜껑(72h)이 접착제로 고정되어 있다. 도 14b는, 가속도 센서 칩(20h)을 센서 상면으로부터 본 평면도이다. 가속도 센서 칩(20h)에는, 반도체 3축 가속도 센서소자(20h')와 칩단자(24h)가 형성되어 있다. 반도체 3축 가속도 센서소자(20h')가 프레임(27h)과 방추(錘; 26h)와 쌍을 이루는 빔(25h)으로 구성되고, 방추(26h)가 2쌍의 빔(25h)으로 프레임(27h)의 중앙에 보유되어 있다. 빔(25h)에는 피에조 저항 소자가 형성되어 있다. 한 쌍의 빔에 X축 피에조 저항 소자(21h)와 Z축 피에조 저항 소자(21h')가, 다른 한 쌍의 빔에 Y축 피에조 저항 소자(21h")가 형성되어 있다.
도 14에 도시한 반도체 3축 가속도 센서(10h)에서는, 케이스(71h)와 케이스 뚜껑(72h)이 알루미나 등의 세라믹으로 형성되어 있다. 세라믹으로 인해, 케이스(71h)와 케이스 뚜껑(72h)의 두께를 얇게 하기 위해서는 한도가 있고, 소형화가 어려울 뿐만 아니라 경량화도 어려웠다. 세라믹제 케이스(71h)에 금속의 케이스 단자(74h)와 외부단자(75h)를 형성하고, 이들을 세라믹을 통하여 접속하기 때문에, 세라믹제 케이스는 원가가 높아지고, 세라믹제 케이스를 사용하는 한 저렴한 가속도 센서의 실현은 어려웠다. 케이스(71h)와 케이스 뚜껑(72h)을 접착수지로 접착하여 밀봉하고 있다. 수지를 사용하기 때문에 주위 환경 변화로 기밀이 저하되는 경우가 있었다.
기밀성을 높인 구조가, 특허문헌 9에 기재되어 있다. 도 15a에 도시하는 바와 같이, MEMS 기술로 제작된 반도체 센서 칩(20i)이 다수 형성된 반도체 센서 기판(2i)의 상하에 캡칩(30i, 30i')이 다수 형성된 캡 기판(3i, 3i')을 접합하고, 반도체 센서 칩(20i)의 가동부를 상하의 캡칩(30i, 30i')으로 밀봉한 반도체 센서 조립 기판(4i)으로 하고 있다. 반도체 센서 조립 기판(4i)에 일점 쇄선으로 나타낸 커팅 라인(90i, 90i')의 부분을 다이아몬드 숫돌로 절단하고, 도 15b에 도시하는 반도체 센서 조립체(40i)로 하고 있다. 밀봉하는 부분을 반도체 센서 칩(20i)의 가동부에 한정하여 기밀을 확보하기 쉽게 하고 있다. 도 15c에 도시하는 바와 같이, 반도체 센서 조립체(40i)를 케이스(71i)의 내측 바닥부에 접착하고, 케이스(71i)의 겉에 케이스 뚜껑(72i)을 접착하여 반도체 센서 장치(10i)로 하고 있다. 그러나, 이렇게 반도체 센서 조립체를 케이스에 수납하는 것으로는, 소형화나 저가격화를 도모하는 것이 어려웠다.
특허문헌 10에 개시된 바와 같은, 반도체의 수지 밀봉 기술을 응용하여, 반도체 센서 조립체를 수지로 덮은 반도체 센서 장치가 실용화되기 시작하고 있다. 도 15d에 반도체 센서 조립체(40j)를 수지 밀봉한 반도체 센서 장치(10j)의 예를 제시한다. 반도체 센서 조립체(40j)와 배선(51j)이 외기에 직접 닿지 않을 정도로, 몰드 수지(70j)를 얇게 하여, 반도체 센서 장치의 소형화와 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 도 15c에 도시하는 반도체 센서 장치(10i)에서는 필요로 한 케이스의 접착 작업 등이 도 15d에 도시하는 수지 밀봉한 반도체 센서 장치(10j)에서는 불필요해지기 때문에, 제조 비용을 저감할 수 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2006-133123호
특허문헌 2: 일본 공개특허공보 제(평)8-233851호
특허문헌 3: 일본 공개특허공보 제(평)11-160348호
특허문헌 4: 일본 공개특허공보 2006-175554호
특허문헌 5: 일본 공개특허공보 2003-194545호
특허문헌 6: 일본 국제공개특허공보 제2005-524077호
특허문헌 7: 일본 공개특허공보 2004-132947호
특허문헌 8: 일본 공개특허공보 제(평)10-98201호
특허문헌 9: 일본 공개특허공보 제(평)3-2535호
특허문헌 10: 일본 공개특허공보 제(평)10-170380호
수많은 반도체 센서 조립체(40i)를 제조하는 과정에서, 반도체 센서 칩(20i)과 캡칩(30i, 30i')에 기밀성의 문제가 있는 것이 분명해졌다. 도 16a에 기밀을 손상한 개소를 파선으로 나타내었다. 캡칩(30i)에 생긴 캡칩 균열(81i)과, 반도체 센서 칩(20i)과 캡칩(30i, 30i')의 접합 영역 또는 접합 영역 근처에 생긴 접합 영역 균열(82i)이다. 상기 균열의 발생의 모양과 원인을 상세하게 조사한 바, 캡칩 균열(81i)은, (a)캡 기판과 반도체 센서 기판을 접합할 때의 가압력에 대하여, 캡 기판의 두께가 너무 얇았을 때, (b)두꺼운 캡 기판을 사용하여 접합 후에 연삭(그라인딩)하여 캡을 얇게 가공하였을 때, (c)캡 기판을 다이아몬드 숫돌에 의해 개개의 칩으로 다이싱하였을 때에 발생하고 있었다. 접합 영역 균열(82i)은 주로, (d)캡 기판의 커팅 라인을 다이아몬드 숫돌로 다이싱하여 개개의 칩으로 분할하였을 때에 발생하고 있었다.
또한, 반도체 센서 조립체(40j)나 배선(51j)이 외기에 직접 닿지 않을 정도까지 몰드 수지를 얇게 하여 수지 밀봉한 반도체 센서 장치(10j)에서, 도 16b에 도시하는 바와 같이, 몰드 수지(70j)에 파선으로 나타내는 바와 같은 균열(83j)이 생기는 경우가 있었다. 균열(83j)은 캡칩(30j)의 측면에 있는 몰드 수지(70j)에 생겼다. 반도체를 수지 몰드한 것으로는, 반도체 기판과 몰드 수지의 열팽창 계수의 차이로 인해 응력이 발생하고, 응력에 의해 반도체 기판으로부터 몰드 수지가 박리하고, 박리한 부분으로부터 균열이 발생하는 경우가 있었다. 그 균열 발생을 막기 위해서 반도체 기판과 몰드 수지간에 폴리이미드퀴논 등의 수지층을 형성하여 응력을 완화하고, 반도체 기판과 열팽창 계수가 가까운 고가의 용융 실리카 등의 충전제를 몰드 수지에 혼련하고, 몰드 수지의 열팽창 계수를 반도체 기판의 열팽창 계수에 근접하여, 열팽창 계수의 차에 의한 발생하는 응력을 작게 하고 있다. 그러나, 반도체 센서 조립체에서는 반도체 기판에 비하여 표면의 요철이 매우 크고, 반도체 센서 조립체 표면에 폴리이미드퀴논 등의 수지층을 형성하는 것이 어렵다. 또한, 몰드 수지에 충전제를 혼련하는 것은, 전기절연이 곤란하거나 비용 상승의 면에서 채용하는 것은 어려웠다.
또한, 반도체 센서 조립체(40j)를 수지(70j)로 덮은 수많은 반도체 센서 장치(10j) 중에는, 도 17에 도시하는 바와 같이, 반도체 센서 조립체의 센서단자(24j) 이외의 부위에 와이어(51j)가 접촉하고, 노이즈의 발생, 와이어의 선간 단락 등의 불량이 낮은 비율이지만 발생하는 경우가 있었다. 와이어(51j)의 접촉은 모두 캡칩(30j)과의 사이에서 발생하고, 반도체 센서 칩(20j)과의 접촉은 일어나지 않았다. 센서단자(24j)에 용접한 와이어(51j)는 세워지고, 어떤 곡률을 갖고 세워져서 기판 단자(66j)에 접속되어 있다. 상기 와이어(51j)의 세워진 부분이 수지 몰드시에, 수지의 유동에 의해서 변형하여 캡칩단(38j)과 접촉하고 있었다. 반도체 센서 칩 측면은 단순한 형상을 하고 있기 때문에, 수지 몰드시의 수지의 움직임이 단순화되어 와이어(51j)를 변형시키는 일이 없다고 생각된다.
캡칩단(38j)과 센서단자(24j)의 간격을 크게 하면 캡칩단과 와이어의 접촉을 막을 수 있지만, 반도체 센서 장치가 커져 소형화의 요구에 어긋나게 된다. 반대로 캡칩단과 와이어가 접촉해도, 노이즈나 선간 단락이 발생하지 않도록, 전기절연성의 캡칩을 채용하거나, 도전성의 캡칩단을 절연함으로써 대응할 수 있다. 또는, 절연 피복된 와이어를 사용하는 것이 생각된다. 그러나, 초음파 와이어 본딩, 볼 본드에는 절연 피복 와이어를 사용할 수 없다. 또한, 절연 피복 와이어를 사용하면 와이어의 곡률 반경이 커져, 소형화의 요구에 어긋난다. 또한, 배어 와이어(bare wire)에 비하여 절연 피복 와이어는 고가이기 때문에 제조 비용의 상승으로 연결된다.
전기절연성의 재료로 캡칩을 제작하는 것이 가능하지만, 반도체 센서 칩은 실리콘으로 제작되어 있고, 반도체 센서 칩과 캡칩의 열팽창율이 다르다. 실리콘과 열팽창율이 일치한 절연재를 선택하여 채용하는 것은 어렵고, 열팽창율의 차에 의한 균열 등의 발생의 문제가 있다. 절연재로서 실리콘의 열팽창율과 거의 같은 유리를 사용한 경우라도, 유리의 가공 정밀도나 접합한 후의 박육화, 전극 패드의 노출 가공이 곤란하고, 제조 비용이 높아지는 것은 피할 수 없다.
실리콘제의 캡칩을 사용하여 반도체 센서 조립체를 제작한 후, 캡칩 측면을 전기절연성 재료로 피복하기 위해서는, 전극단자의 위를 포토레지스트 등으로 마스킹할 필요가 있다. 마스킹하는 부위가 캡칩으로부터 수십 내지 수백㎛ 정도 오목하게 들어가는 부분에 있기 때문에, 포토리소그래피를 사용하여 레지스트 마스크를 제작하는 것이 매우 어렵다. 포토리소그래피 대신에 테이프 등으로 마스킹하는 것은 마스킹의 위치 정밀도나 작업 공정수의 면에서 채용하는 것은 어렵다. 또한, 피복의 유연성이 높은 수지재료를 사용하는 것도 생각된다. 그러나, 반도체 센서 칩을 배선기판 또는 회로기판에 실장할 때에 리플로 등의 가열 공정이 있고, 가열 시에 수지가 열화될 위험성이 있다.
본 발명의 목적은, MEMS 기술로 제작된 반도체 센서 칩과 캡칩간의 기밀을 확보할 수 있고, 또한, 캡칩에 생기는 균열을 막는 동시에 몰드 수지에 발생하는 수지 균열을 없앤, 소형 경량의 반도체 센서 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 노이즈 발생과 선간 단락의 원인인 캡칩과 와이어 사이의 전기절연을 확보할 수 있는 소형 경량의 반도체 센서 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 반도체 센서 장치는,
가동부와 그 가동부의 주위에 형성된 접합 영역을 가진 반도체 센서 칩과, 반도체 센서 칩의 상하면의 적어도 일면에 적층되어 있고, 사변형 베이스와, 베이스 주변을 따라서 뱅크형으로 형성되어 반도체 센서 칩의 접합 영역과 접합되어 있는 접합 영역을 갖고 반도체 센서 칩의 가동부를 밀봉(seal)하고 있는 캡칩으로 이루어지는 반도체 센서 조립체와,
반도체 센서 조립체를 그 위에 고정 보유하고 있는 기판과,
반도체 센서 칩과 기판 사이를 접속하고 있는 배선과,
기판상에서 반도체 센서 조립체를 몰드하고 있는 수지로 이루어지고,
캡칩의 주위 측면이 웨트 에칭된 면이다.
상기 반도체 센서 칩과 캡칩이 평판형인 것이 바람직하다.
반도체 센서 칩은, 가속도, 각속도, 압력 등의 물리량을 검출하는 가속도 센서, 자이로 센서, 압력 센서 등이다. 반도체 센서 칩에 외부로부터 가속도, 각속도, 압력 등이 가해지면, 반도체 센서 칩의 가동부 상에 형성된 저항 소자, 용량 소자 등이 전류, 전압, 정전 용량 등의 물리량으로 변환하여 출력한다.
분위기 또는 압력이 출력에 영향을 미치는 것을 피하기 위해서 반도체 센서 칩의 가동부가 캡칩으로 기밀 밀봉되어 있다. 예를 들면, 정전 용량을 검출하는 정전 용량 소자로, 정전 용량 C가 C=ε0εS/d로 나타난다. 여기에서, ε0은 진공의 유전율이고, ε는 반도체 센서 조립체 내의 기체의 유전율이고, S는 전극면적이고, d는 전극간격이다. 반도체 센서 조립체 내의 유전율 즉 분위기(가스)나 압력(진공도)에 의해 정전 용량이 변화하기 때문에, 반도체 센서 조립체 내를 기밀 밀봉하는 것이 바람직하다. 또한, 전류 또는 전압으로서 출력하는 저항 소자에서는, 저항 소자의 저항이 대기중의 수분이나 온도의 영향을 받는 경우가 있다. 그래서, 반도체 센서 조립체 내에 수분 등이 침입하여 측정치에 주는 영향을 작게 하기 위해서 기밀 밀봉하는 것이 바람직하다.
캡칩이 실리콘으로 만들어져 있다. 그것은 미세 가공하기 쉬운 단결정 실리콘이 바람직하다. 반도체 센서 칩은, 단결정 실리콘에 제막, 에칭, 패터닝 등의 반도체 기술을 적용하여 제작되어 있다. 반도체 센서 칩과 동일한 재질로 캡칩을 제작하고, 이들의 선열팽창 계수를 합칠 수 있다. 그렇게 함으로써, 반도체 센서 기판과 캡 기판의 접합시 및 다른 제조 공정에서 가해지는 온도 변화에 대해서도 깨어지기 어렵다. 캡칩이 평판과 같은 단순한 형상이면, 반도체 센서 칩의 재료와 거의 같은 선열팽창 계수의 유리, 다결정 실리콘, 세라믹 등을 캡칩에 사용할 수 있다. 평판이 아닌 요철을 갖는 캡칩의 경우는, 반도체 센서 칩 제작시에 사용하는 웨트 에칭액을 사용할 수 있는 재료를 캡칩재로서 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 재질을 캡칩에 사용함으로써, 사용하는 웨트 에칭액의 종류를 늘리지 않고 공정의 간략화를 도모할 수 있다. 반도체 센서 기판을 상하로부터 끼워 설치되는 캡 기판으로, 상하의 캡 기판의 재질을 바꿀 수도 있다. 예를 들면, 상측의 캡 기판은 단결정 실리콘이며, 하측의 캡 기판은 세라믹으로 할 수 있다.
캡칩의 반도체 센서 칩과 대향하는 면에, 반도체 센서 칩에 고정하는 접합 영역, 가동부의 구동을 억제하는 오목부, 전극 패드 개구 홈이 형성된다. 전극 패드 개구 홈의 깊이를 가동부의 구동을 억제하는 오목부보다도 깊게 형성하면, 캡칩의 개편화가 용이해진다. 반도체 센서 기판과 캡 기판이 접합된 반도체 센서 조립 기판으로, 캡 기판을 에칭으로 분리하여 개편화하여 캡칩으로 할 때에, 전극 패드 개구 홈을 깊게 해 두면, 단시간의 에칭으로 캡칩으로의 개편화를 할 수 있다. 접합 영역, 오목부, 개구 홈을 포토리소그래피, 웨트 에칭, 드라이 에칭 기술을 사용하여 형성할 수 있다.
캡칩의 접합 영역에는, 저융점 금속이나 수지 등의 접합 재료층을 형성한다. 접합 재료로 반도체 센서 기판과 캡 기판을 밀봉 접합한다. 접합 재료가 리프트 오프, 이온 밀링, 에칭, 도금 등으로 접합 영역에 형성된다. 접합 재료로서 저융점 금속이나 수지 등과 같이 가열시에 흐르기 쉬운 재료를 사용하는 경우, 접합 영역에 접합 재료의 흐름을 막는 홈 등을 형성해 두는 것이 바람직하다.
반도체 센서 칩상의 검출 소자, 배선, 전극 패드 등이 내고온 특성이 아니기 때문에, 반도체 센서 칩과 캡칩의 접합으로서, 양극접합, 저융점 재료접합(저융점 금속접합, 공정(共晶) 접합, 저융점 유리접합, 수지접합 등을 포함함), 확산 접합, 표면 활성화 접합의 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 반도체 센서 기판과 캡 기판을 저융점 재료로 접합하는 것이 바람직하다. 반도체 센서 기판과 캡 기판을 위치 맞춤한 후, 가압과 가열에 의해 접합한다. 반도체 센서 기판과 캡 기판의 기복 등에 의해 발생하는 빈틈을, 저융점 재료가 흐름으로써 빈틈을 메워 기밀을 높일 수 있다. 따라서, 큰 압력을 가하여 기판의 기복을 교정할 필요가 없기 때문에, 캡 기판 등을 파손할 위험이 낮아진다. 반도체 센서 조립체 내의 공간을 진공(감압하)으로 유지하거나, 또는 건조 질소나 불활성 가스 등을 충전하여 기밀하기 위해서, 진공(감압) 분위기하, 건조 질소 또는 불활성 가스 분위기 중에서 접합하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 센서 장치에서, 반도체 센서 칩의 주위 측면이 웨트 에칭된 면인 것이 바람직하다.
반도체 센서 기판을 웨트 에칭에 의해서 개편화한다. 두께가 두꺼운 반도체 센서 기판을 개편화하기 위해서는, 장시간 에칭할 필요가 있을 뿐만 아니라, 사이드 에칭량을 제어할 필요가 있다. 그 때문에, 적은 에칭량으로 개편화할 수 있도록, 미리 반도체 센서 기판의 분리부에 홈을 형성해 두는 것이 바람직하다. 홈은 다이아몬드 숫돌을 사용하여 형성할 수 있다. 또는, 반도체 센서 기판 형성시에 드라이 에칭으로 형성할 수 있다. 반도체 센서 기판 형성시에서 분리부의 홈을 동시에 드라이 에칭으로 형성하는 것이, 공정 수나 사용 장치를 늘리지 않는 점에서 비용적으로 유리하다.
반도체 센서 칩과 캡칩으로 이루어지는 반도체 센서 조립체는 기판상에 유지 고정되어 있다. 기판으로서 배선기판 또는 회로기판을 사용할 수 있다. 기판으로서 배선기판상에 수지접착제나 금속 페이스트 등으로 접착된 회로기판을 사용하는 것이 바람직하다. 회로기판상에 반도체 센서 조립체가 수지접착제 등으로 접착되어 있을 수 있다. 반도체 센서 조립체와 회로기판, 배선기판의 전극 패드를 금속의 극세선(와이어) 등으로 접속한다. 전극 패드와 금속의 극세선의 접속을 초음파 용접 또는 땜납 용접으로 할 수 있다. 금속의 극세선에 의한 접속 대신에, 땜납 볼이나 볼 본딩에 의한 접속을 할 수 있다.
본 발명의 반도체 센서 장치에서는, 반도체 센서 조립체가 기판상에서 수지 몰드되어 있다. 수지 몰드에는, 에폭시수지, 실리콘수지, 페놀수지 등의 열경화성수지를 사용할 수 있다. 수지 몰드는, 액상수지를 사용한 포팅(potting)법 또는 분체수지를 사용한 트랜스퍼 몰드법을 사용할 수 있다. 트랜스퍼 몰드법에서는, 반도체 센서 조립체와 기판과 와이어가 일체화된 것을 금형내에 넣고, 몰드기의 포드(pod)에 타블렛형으로 성형된 수지를 장전하여 포드의 압출부를 가열하여 수지를 연화시켜, 플런저(가압기구)로 포드내의 연화한 수지를 금형내에 가압한다. 금형내에서 수지를 경화시킨 후, 금형으로부터 수지 몰드품을 꺼내어 반도체 센서 장치를 얻는다. 포팅법은, 반도체 센서 조립체와 기판과 와이어가 일체화된 것을 금형내에 설치하고, 액상수지를 금형내에 따라 넣어 수지를 경화시킨 후, 금형으로부터 수지 몰드품을 꺼내어 반도체 센서 장치를 얻는다.
캡 기판의 박육화나 개편화를 수산화칼륨 수용액, 하이드라진, 에틸렌디아민, 수산화암모늄계 수용액 등의 알칼리성 수용액을 사용한 웨트 에칭으로 한다. 반도체 센서 조립 기판을 알칼리성 수용액에 침지시켜 웨트 에칭을 한다. 웨트 에칭량은, 알칼리성 수용액의 농도, 온도, 침지시간을 바꾸어 조정할 수 있다. 또한, 알칼리성 수용액 중에 알콜 등의 유기용제를 섞음으로써, 결정 방위의 에칭 레이트를 조정할 수 있다. 캡 기판에 격자형의 홈을 형성해 두면, 캡 기판의 박육화와 개편화를 동시에 할 수 있다. 캡 기판을 개편화하여 캡칩으로 하면, 반도체 센서 기판의 분리부가 나타난다. 분리부를 웨트 에칭하면, 반도체 센서 기판도 개편화되어 반도체 센서 조립체로 할 수 있다. 반도체 센서 기판의 분리부에는 미리 홈을 형성해 두면, 단시간에 개편화할 수 있고, 반도체 센서 칩의 측면으로부터의 에칭량을 작게 할 수 있다. 또한, 알칼리성 수용액 중에 유기용제를 섞음으로써, 결정 방위의 에칭 레이트를 조정하고, 측면으로부터의 에칭량을 억제하여, 반도체 센서 칩의 가로방향의 치수 변화를 작게 할 수 있다. 반도체 센서 기판을 웨트 에칭으로 개편화할 때, 이미 개편화되어 있는 캡칩의 모서리부는 오버 에칭되고, 캡칩의 주위 측면이 두께 방향에 이웃한 적어도 2면의 웨트 에칭된 면이 된다. 두께 방향으로 이웃한 2면 간의 각도가 90° 또는 그것보다도 큰, 즉 둔각인 것이 바람직하다.
접합한 웨이퍼를 알칼리성 수용액에 침지하기 때문에, 웨트 에칭에 의해서 반도체 센서 기판의 상하 각각 접합한 캡 기판을 동시에 동일한 두께만큼 박육화할 수 있다. 대략 같은 두께의 캡 기판을 접합하여 웨트 에칭하였을 때에 상하의 캡 기판을 대략 같은 두께로 가공할 수 있다. 상하의 캡 기판의 두께를 같게 하여 반도체 센서 기판에 생기는 응력 등의 균형을 잡는 것이 가능해져, 응력으로 인해 발생하는 균열을 저감할 수 있다. 웨트 에칭이라는 화학반응을 사용하여, 캡 기판의 절단과 박육화를 하는 것은, 물리적인 다이아몬드 숫돌에 의한 절단이나 연삭과 비교하면, 가공시에 가해지는 힘이나 진동이 극단적으로 적은 것이 분명하다. 웨트 에칭은, 캡 기판의 절단과 박육화를 함에 있어서, 균열 등이 발생하기 어려운 소프트한 가공방법이다.
캡칩의 측면에 캡칩의 상면에 대하여, 역방향 경사를 가진 실리콘의 결정면{111}이 나타나고, 2면 이상의 결정면으로 구성된 측면으로 할 수 있다. 캡칩의 측면이 실리콘의 결정면{111}이며, 모서리부가 고차의 결정면으로 구성되어, 측면의 표면 거칠기를 Ra≤100nm로 할 수 있다.
종래의 캡 기판의 개편화는 하프 다이싱으로 행하고 있고, 상하면의 캡 기판을 따로따로 가공하고 있었기 때문에, 절단에 시간이 걸렸다. 또한, 박육의 캡 기판을 사용한 경우, 절단 시에 캡 기판에 균열이 생기기 쉬웠다. 본 발명과 같이, 캡 기판을 웨트 에칭으로 개편화하면, 반도체 센서 기판의 상하면에 접합한 캡 기판을 동시에 개편화할 수 있다. 상하 2장의 캡 기판의 박육화를 동시에 할 수 있다.
본 발명의 반도체 센서 장치는, 반도체 센서 칩의 측면 전체 둘레에 걸쳐 대략 연속한 1개의 대략 삼각 이랑 모양의 돌기가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
반도체 센서 기판의 커팅 라인에 형성한 홈의 나머지 부분(연결부)을 웨트 에칭하고, 반도체 센서 칩으로 개편화하면, 연결부의 두께 방향으로 실리콘 결정면{111}이 나타난다. 반도체 센서 기판의 상하의 양면으로부터 에칭하기 때문에, 반도체 센서 칩 측면 전체 둘레에 걸쳐서 단면이 대략 삼각형인 돌기를 형성할 수 있다. 단면이 대략 삼각형인 돌기가 반도체 센서 칩 측면 전체 둘레에 걸쳐 형성되기 때문에, 대략 삼각 이랑이 뻗은 모양이 된다. 대략 삼각 이랑의 단면 형상은, 대략 이등변 삼각형상에 한정되지 않고, 경사변은 곡면으로 할 수 있다. 또한, 대략 삼각 이랑은 오버에칭함으로써, 거의 소실된 상태로 할 수도 있다.
대략 삼각 이랑 모양의 돌기를 형성해 둠으로써, 후의 공정에서, 수지 밀봉하였을 때에 수지재료와 반도체 센서 칩의 어긋남이나 박리를 방지할 수 있다. 또한, 대략 삼각 이랑의 위치나 형상은, 반도체 센서 기판의 커팅 라인에 형성한 연결부의 위치와 연결부의 두께로 조정할 수 있다. 대략 삼각 이랑의 위치나 형상을, 반도체 센서 칩의 롯트(lot)나 사양 등을 나타내는 식별 마커로서 사용할 수 있다. 반도체 센서 칩 측면에 형성된 대략 삼각 이랑은, 육안이나 실체 현미경으로 용이하게 인식할 수 있기 때문에, 식별 마커로서 사용할 수 있다.
본 발명의 반도체 센서 장치에서, 캡칩의 주위 측면이 캡칩의 두께 방향에 이웃한 적어도 2면으로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 그리고, 두께 방향에 이웃한 2면간의 각도가 90°나 또는 그것보다도 큰 것이 더욱 바람직하다.
캡 기판의 박육화와 개편화는, 수산화칼륨 수용액, 하이드라진, 에틸렌디아민, 수산화암모늄계 수용액 등의 알칼리성 수용액을 사용한 웨트 에칭으로 행한다. 캡 기판 측면에 실리콘 결정면{111}을 사용한 경우, 캡 기판의 개편화가 종료한 시점에서, 캡칩의 측면 모서리부는 실리콘 결정면{100}과 측면의 결정면{111}이 교차하는 둔각이 된다. 다음에, 웨트 에칭으로 반도체 센서 기판을 개편화할 때에, 캡칩의 측면에 있는 캡칩 두께 방향에 이웃한 2면간의 모서리에서 모서리가 떨어져 나가는 것이 발생하여, 결정면{111}과 결정면{111}이 두께 방향에 이웃하고, 이들 사이의 각도를 90°나 또는 그것보다도 크게 할 수 있다.
캡 기판의 분리부를, 알칼리 수용액으로 웨트 에칭함으로써, 캡칩의 측면 모서리부는 실리콘 결정면{100}과 결정면{111} 또는 결정면{111}과 결정면{111}이 교차한 형상을 할 수 있고, 모서리부가 둔각이 된다. 또한, 반도체 센서 기판의 개편화시에도 캡칩의 측면이 웨트 에칭되기 때문에, 캡칩 측면을 적어도 2면으로 할 수 있다. 다이아몬드 숫돌로 절단하였을 때의 모서리부가 직각으로 된 캡칩 측면과 비교하여, 캡칩 측면 모서리부를 둔각으로 함으로써, 수지 밀봉하였을 때에 모서리부에 걸리는 응력을 완화시킬 수 있기 때문에, 몰드 수지에 균열이 생기기 어렵게 할 수 있다.
캡 기판 측면에 실리콘 결정면{100}을 사용할 수도 있다. 캡 기판면과 캡 기판의 측면에 결정면{100}을 사용하면, 결정면{111}을 사용한 경우와 비교하여, 역방향 경사를 가진 측벽 개소가 없어지기 때문에, 몰드 수지가 들어가기 어려운 데드 스페이스(dead space)를 감소시킬 수 있다. 반도체 센서 기판의 방추와 대향하는 구동 억제홈의 모서리부는, 캡 기판의 결정면{100}과 캡 측면의 결정면{100}이 교차하는 부위가 되고, 모서리가 떨어져 나가 결정면{100}과 결정면{111}으로 둘러싸인 팔각형으로 할 수 있다. 캡 기판의 박육화와 개편화를 수산화칼륨 수용액, 하이드라진, 에틸렌디아민, 수산화암모늄계 수용액 등의 알칼리성 수용액을 사용한 웨트 에칭으로 행한다. 캡 기판의 개편화가 종료한 시점의 캡 기판의 결정면{100}과 캡칩 측면의 결정면{100}이 교차하는 각도를 직각으로 할 수 있다. 또한, 웨트 에칭을 하고, 캡칩 측면 모서리부에 모서리가 떨어져 나가는 것을 발생시킴으로써 캡 기판의 결정면{100}과 캡 측면의 결정면{100}과의 모서리부를, 고차 결정면을 끼워 교차하는 둔각으로 할 수 있다.
본 발명의 반도체 센서 장치에서 캡칩의 주위 측면이 웨트 에칭된 면의 위에 절연성 보호막으로 피복되어 있는 것이 바람직하다. 또한 그 절연성 보호막이 내알칼리성인 것이 바람직하고, O.1㎛ 또는 그것보다도 두꺼운 것이 더욱 바람직하다.
와이어와 접촉할 우려가 있는 캡칩 측면에 절연성 보호막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 캡칩 측면 이외의 면, 즉 반도체 센서 칩과의 대향면 및 그 대향면의 배면으로의 절연성 보호막의 형성은 임의이다. 캡칩의 배면에 와이어가 접촉하는 일이 없기 때문에, 웨트 에칭으로 박육화와 개편화를 한 채로 하여, 절연성 보호막의 형성은 필요 없다. 캡칩의 반도체 센서 칩과의 대향면에 절연성 보호막을 형성함으로써, 그 배면 이외의 부위를 웨트 에칭액으로부터 보호할 수 있고, 캡칩의 형상과 치수의 안정화를 도모할 수 있다. 캡칩의 반도체 센서 칩과의 대향면과 측면에 형성된 절연성 보호막은 연속된 막인 것이 바람직하다. 반도체 센서 칩과의 접합 영역에 절연성 보호막이 형성되어 있어도 접합이나 기밀에 문제는 없다. 캡 기판의 반도체 센서 기판에 대향하는 면의 전체면에 절연성 보호막을 형성함으로써, 레지스트 패턴의 제작 등을 할 필요가 없고, 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.
본 발명의 캡칩의 반도체 센서 칩과 대향하는 면은, 반도체 센서 칩과 접합하는 접합 영역, 가동부의 구동을 억제하는 오목부, 캡칩 측면 및 전극 패드 개구 홈으로 구성된다. 웨트에칭으로 캡칩의 박육화와 개편화를 할 때, 캡 측면의 일부와 전극 패드 개구 홈은 에칭으로 제거된다. 전극 패드 개구 홈의 깊이를, 가동부의 구동을 억제하는 오목부보다도 깊게 함으로써, 캡칩의 개편화가 용이하게 된다. 반도체 센서 기판과 캡 기판을 접합하여 제작된 반도체 센서 조립 기판으로, 캡 기판을 에칭으로 박육화하고, 전극 패드 개구 홈의 부분에서 완전히 분리한다. 캡 측면의 일부와 전극 패드 개구 홈의 절연성 보호막만이 남은 부위에 있는 절연성 보호막을 기계적으로 제거하고, 캡칩을 개편화할 수 있다. 박육화로 에칭 제거하는 양은, 전극 패드 개구 홈 부분의 실리콘 두께보다도 큰 것이 필요하다. 또, 실리콘은 예각이 되지만 기계적으로 제거된 절연성 보호막단과 합쳐져 둔각이 된다.
본 발명의 반도체 센서 장치에서 캡칩의 주위 측면에 형성된 절연성 보호막이 전기저항율 1010(Ω. cm) 이상이며, 내알칼리성을 갖는 것이 바람직하다.
캡칩에 와이어가 접촉하여도 노이즈의 발생이나 선간 단락을 발생시키지 않기 때문에, 절연성 보호막의 전기저항율은 클수록 바람직하다. 또한, 캡칩의 박육화와 개편화를 할 때에, 절연성 보호막이 알칼리성의 에칭액으로 에칭되지 않는 것이 필요하다. 또한, 절연성 보호막을 통하여 에칭액이 침입하지 않도록, 치밀하고 결함이 없는 막일 필요가 있다. 스퍼터나 CVD로 제막되는 절연성 보호막으로서, 산화실리콘(＞1014Ω·cm), 질화실리콘(＞1014Ω·cm), 알루미나(＞1014Ω·cm), 지르코니아(1013Ω·cm) 등의 재질을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 재료를 적층한 막을 사용할 수 있다. 캡 기판에 단결정 실리콘을 사용하기 때문에, 가동부의 구동을 억제하는 오목부와 전극 개구홈을 형성한 후, 열산화에 의해 산화실리콘막을 형성할 수 있다.
절연성 보호막의 두께를 0.1㎛ 또는 그 이상으로 함으로써 치밀한 막이 되고, 절연성의 확보와 에칭액의 침입을 방지할 수 있다. 캡칩 측면의 일부와 전극 패드 개구 홈의 절연성 보호막만이 남은 부위에 있는 절연성 보호막은 기계적으로 용이하게 제거할 수 있고, 캡칩 측면의 절연성 보호막이 벗겨지지 않는 막 강도와 막 부착 강도인 것이 요망된다. 절연성 보호막의 재질에 따라서 약간이지만 상한의 막두께는 달라지지만, 대략 3㎛를 상한으로 할 수 있다.
캡 기판을 웨트 에칭으로 박육화와 개편화를 하면, 캡 측면의 일부와 전극 패드 개구 홈에 절연성 보호막만이 남은 부위가 된다. 이 절연성 보호막은 얇기 때문에, 에칭액내 또는 세정액내에서의 요동이나 초음파 인가로 용이하게 제거할 수 있다. 또한, 브러쉬로 가볍게 문질러도 제거할 수 있다. 절연성 보호막이 제거된 시점에서, 캡칩의 실질적인 개편화가 이루어진 것으로 된다. 캡 측면의 절연성 보호막은 웨트 에칭면상에 형성되어 있기 때문에 막의 밀착력은 강하고, 초음파나 브러쉬로 제거해야 할 부위의 절연성 보호막을 제거하여도, 캡 측면의 남겨 두어야 할 절연성 보호막이 제거되는 일은 없다.
절연성 보호막의 두께의 차이로 절연성 보호막의 제거방법을 바꿀 수 있다. 막 재질에 따라서도 다르지만 기준으로서, 절연성 보호막의 두께 0.1 내지 0.5㎛에서는 에칭액 또는 세정액내에서의 요동, 0.3 내지 1.0㎛에서는 세정액내에서 초음파 인가, 1.O㎛ 이상에서는 브러쉬에 의한 기계적 제거방법이 적합하다. 절연성 보호막의 두께가 두꺼워짐에 따라서, 제거가 어렵게 되며 제거에 사용하는 기계 설비의 비용이 비싸진다. 따라서, 절연성 보호막을 가능한 한 얇게 하는 것이, 제조 비용적으로도 바람직하다.
본 발명의 반도체 센서 장치에서, 반도체 센서 칩의 측면 이외의 표면이 내알칼리성 수용액재로 피복되어 있는 것이 바람직하다.
반도체 센서 기판과 캡 기판을 알칼리성 수용액으로 웨트 에칭하여 박육화와 개편화를 한다. 웨트 에칭시, 반도체 센서 칩의 가동부는 캡칩으로 밀봉 고착되어 있기 때문에, 웨트 에칭액에 노출되지 않지만, 반도체 센서 칩의 가동부 이외의 부위는, 웨트 에칭액에 노출되기 때문에, 웨트 에칭되지 않도록 내알칼리성 수용액재로 피복하는 것이 바람직하다. 내알칼리성 수용액재로서는, 전극 패드상에는 귀금속 재료를 피복해 두고, 그 이외의 개소에는 산화실리콘 또는 질화실리콘 등을 0.05㎛ 이상 피복해 둔다. 반도체 센서 칩 가동부상도 내알칼리성 수용액재로 피복하여 둘 수 있다. CVD(Chemical Vapor Deposition), 스퍼터 등으로 산화실리콘 또는 질화실리콘을 제막 피복한다. 귀금속 재료는, 스퍼터, 진공 증착 등으로 제막 피복할 수 있다. 제막한 산화실리콘, 질화실리콘 및 귀금속 재료는, 포토리소그래피, 드라이 에칭 등으로 패턴을 형성할 수 있다. 캡 기판과 반도체 센서 기판을 접합하는 접합 재료와, 내알칼리성 수용액 재료에 사용하는 귀금속 재료가 같은 경우는, 동시에 제막되어 제작 공정수의 저감이 된다. 웨트 에칭 작업의 종료 후, 내알칼리성 수용액 재료를 제거할 필요가 없다.
본 발명의 반도체 센서 장치로 반도체 센서 칩의 주위 측면이 기계가공 절단면 또는 레이저 절단면일 수 있다.
반도체 센서 칩의 측면은 숫돌 절단면(다이싱면)으로, 상하의 캡칩 측면이 웨트 에칭한 면에서 형성되어 있을 수 있다. 캡 기판을 웨트 에칭으로 박육화와 개편화한 후, 반도체 센서 기판을 다이아몬드 숫돌로 절단하여 반도체 센서 조립체를 얻을 수 있다. 또는 반도체 센서 칩 측면은 레이저 절단면으로, 상하 캡칩 측면이 웨트 에칭면으로 형성되어 있을 수 있다. 반도체 센서 기판의 개편화에 사용하는 레이저는, 엑시머 레이저, YAG 레이저, 펨토초 레이저 또는 탄산가스 레이저를 사용할 수 있다. 레이저 파워가 큰 탄산가스 레이저를 사용하면 단시간에 반도체 센서 기판을 절단할 수 있기 때문에, 공정수 저감을 도모할 수 있다. 또한, 레이저를 사용함으로써, 연삭액을 분사할 필요가 없기 때문에 접합 영역에서 균열의 발생을 막을 수 있다. 또한, 반도체 센서 기판을 레이저로 절단함으로써, 칩핑(chipping)의 발생도 방지할 수 있다.
본 발명의 반도체 센서 장치의 제조 방법은, 가동부와 그 가동부의 주위에 형성된 접합 영역을 가진 복수의 반도체 센서 칩을 갖는 반도체 센서 기판과, 사변형 베이스와 베이스 주변을 따라서 뱅크형으로 형성된 접합 영역을 가지는 복수의 캡칩을 갖는 캡 기판을 사용하고,
캡 기판을 반도체 센서 기판의 상하면의 적어도 일면에 적층하고, 캡칩의 접합 영역을 반도체 센서 칩의 접합 영역에 접합하여 캡칩으로 반도체 센서 칩의 가동부를 밀봉한 반도체 센서 조립 기판으로 하고,
반도체 센서 조립 기판을 웨트 에칭액에 침지하고, 캡 기판을 그 두께 방향으로 웨트 에칭하여 박육화하고, 캡 기판을 캡칩으로 분할하고, 캡 기판의 박육화와 동시에 또는 그 후, 반도체 센서 기판을 반도체 센서 칩으로 분할하고, 반도체 센서 칩에 캡칩이 장착된 반도체 센서 조립체로 하여,
기판상에 반도체 센서 조립체를 접착 고정하여 반도체 센서 칩과 기판 사이를 배선으로 접속하고, 기판상의 반도체 센서 조립체를 수지로 몰드한다. 반도체 센서 칩은, 접합 영역외의 상하면에 알칼리성 수용액에 견딜 수 있는 피복이 실시되는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 센서 장치의 제조 방법으로, 반도체 센서 조립 기판을 웨트 에칭액에 침지하고 있는 동안에 반도체 센서 기판의 복수의 반도체 센서 칩 주변을 상면과 하면에서 웨트 에칭하여 반도체 센서 기판을 반도체 센서 칩으로 분할하고, 반도체 센서 칩에 캡칩이 장착된 반도체 센서 조립체로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 센서 장치의 제조 방법으로, 반도체 센서 조립 기판을 웨트 에칭액에 침지하여 캡 기판을 그 두께 방향으로 웨트 에칭하여 박육화한 후, 반도체 센서 기판을 기계 가공 또는 레이저 가공하여 반도체 센서 칩으로 분할하고, 반도체 센서 칩에 캡칩이 설치된 반도체 센서 조립체로 할 수 있다.
본 발명의 반도체 센서 장치의 제조 방법으로, 캡 기판이 접합 영역 이외의 표면에 절연성 보호막을 가지는 복수의 캡칩을 가질 수 있다.
본 발명의 반도체 센서 장치는, 캡칩으로의 개편화 시의 절단을 웨트 에칭으로 행하고 있기 때문에, 캡칩 및 몰드 수지에 생기는 균열을 막을 수 있고, 반도체 센서 칩과 캡칩 간의 기밀을 확보할 수 있다. 또한, 캡칩의 측면에 절연성 보호막을 피복하고 있기 때문에, 캡 칩 측면에 와이어가 접촉하더라도 절연 불량이 되는 일이 없다.
도 1은, 본 발명의 실시예 1의 반도체 센서 장치에 사용하고 있는 반도체 센서 칩을 도시하고, 도 1a는 반도체 센서 칩을 위에서 본 사시도이고, 도 1b는 그 저면 사시도.
도 2는, 도 1에 도시하는 복수의 반도체 센서 칩을 갖는 반도체 센서 기판을 도시하고, 도 2a는 그 평면도이고, 도 2b는 그 단면도.
도 3은, 실시예 1의 반도체 센서 장치에 사용하는 복수의 캡칩을 갖는 캡 기판을 도시하고, 도 3a는 그 평면도이고, 도 3b는 그 단면도.
도 4a 내지 도 4g는 실시예 1의 반도체 센서 장치의 제조 프로세스를 설명하는 도면.
도 5는 실시예 2의 반도체 센서 장치에 사용하는 복수의 반도체 센서 칩을 갖는 반도체 센서 기판을 도시하고, 도 5a는 그 평면도이고, 도 5b는 그 단면도.
도 6a 내지 도 6g는 실시예 2의 반도체 센서 장치의 제조 프로세스를 설명하는 도면.
도 7a는 실시예 3의 반도체 센서 장치에 사용하는 캡 기판의 평면도이고, 도 7b는 그 단면도이고, 도 7c 내지 도 7f는 실시예 3의 반도체 센서 장치의 제조 프로세스를 설명하는 도면.
도 8은 실시예 8의 자이로 센서 장치의 단면도.
도 9는 실시예 9에서 사용하는 캡 기판을 단면도.
도 10a 내지 도 10g는 실시예 10의 반도체 센서 장치의 제조 프로세스를 설명하는 도면.
도 11은 실시예 10에서 사용하는 캡 기판을 도시하고, 도 11a는 그 평면도이고, 도 11b는 그 단면도.
도 12는 실시예 11의 반도체 센서 장치의 분해 사시도.
도 13a 내지 도 13f는 실시예 11의 반도체 센서 장치의 제조 프로세스를 설명하는 도면.
도 14는 문헌에 기재되어 있는 가속도 센서의 구조를 도시하고, 도 14a는 그 분해 사시도이고, 도 14b는 그것에 사용하고 있는 가속도 센서 칩의 평면도.
도 15a는 문헌에 기재되어 있는 반도체 센서 조립 기판을 도시하는 단면도이고, 도 15b는 그 반도체 센서 조립체의 단면도이고, 도 15c는 그 조립체를 사용한 반도체 센서 장치의 단면도이고, 그리고 도 15d는 그 조립체를 수지 몰드한 반도체 센서 장치의 단면도.
도 16a와 도 16b는, 종래의 반도체 센서 장치에 생긴 균열의 상황을 설명하는 도면.
도 17은 종래의 반도체 센서 장치에 있어서의 와이어와 반도체 센서 칩과의 접촉을 설명하는 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
2a, 2b, 2c, 2e, 2g: 반도체 센서 기판
3a, 3a', 3b, 3b', 3c, 3c', 3e, 3e', 3f, 3g: 캡 기판
4a, 4b, 4c, 4e, 4g: 반도체 센서 조립 기판
10a, 10b, 10e, 10g: 반도체 센서 장치
10d: 자이로 센서 장치
20a, 20b, 20g: 반도체 센서 칩
20d: 자이로 센서 칩
23a, 23a',23e, 23e',23g, 33a, 33b, 33e, 33f, 33g: 접합 영역
30a, 30a', 30b, 30b', 30c, 30c', 30d, 30d', 30e, 30g: 캡칩
35b, 35c: 측면
37e, 37f, 37g: 절연성 보호막
40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40g: 반도체 센서 조립체
51a, 51b, 51g: 와이어
이하 도면을 참조하면서, 실시예를 이용하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 동일 부품, 부위에는 동일 부호를 사용하는 경우도 있다.
실시예 1
본 발명의 실시예 1에 관해서, 도 1 내지 도 4를 사용하고, 반도체 센서 장치의 구조와 제조 프로세스를 가속도 센서 장치의 예로 설명한다. 이하의 설명에 서는, MEMS 기술로 제작한 반도체 센서 기판을 가속도 센서 기판과, MEMS 기술로 제작한 반도체 센서 칩을 가속도 센서 칩과 같은 의미로 사용한다. 도 1a와 도 1b 각각은 반도체 센서 칩을 위에서 본 사시도와 밑에서 본 사시도이다. 도 2a와 도 2b 각각은 반도체 센서 기판의 평면도 및 단면도이고, 도 3a와 도 3b 각각은 캡 기판의 평면도 및 단면도이고, 도 4a 내지 도 4g는 반도체 센서 장치의 제조 프로세스를 설명하는 도면이다.
도 1a와 도 1b에 도시하는 바와 같이, 반도체 센서 칩(가속도 센서 칩; 20a)은 피에조 저항 소자(21a), 배선(22a), 전극 패드(24a), 2점 쇄선으로 나타낸 접합 영역(23a, 23'), 빔(25a), 방추(26a) 및 프레임(27a)으로 구성되어 있다. 반도체 센서 칩(20a)의 제작에는, 약 400㎛ 두께의 실리콘판상에 수㎛ 두께의 실리콘 산화층과 약 6㎛ 두께의 실리콘층을 적층한 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼를 사용하였다. 다수의 반도체 센서 칩(20a)이 제작된 웨이퍼로 이루어지는 반도체 센서 기판(가속도 센서 기판; 2a)의 일부분을 도 2a에 평면도로 도 2b에 그 단면도로 도시한다. 반도체 센서 기판(2a)에서, 복수의 반도체 센서 칩(20a)이 연결부(29a)에서 접합되어 있다. 일점 쇄선으로 나타낸 커팅 라인(90a)으로 분리하여 개편화하였다. 반도체 센서 기판(2a)의 상하면에 캡 기판과 접합하는 접합 영역(23a, 23a')을 형성하였다. 접합 영역에 Cr과 Ni와 Au의 순으로 적층되어 있고 표면에 Au 층이 형성되어 있다. 반도체 센서 칩(20a)의 주변에 있는 분할홈(28a)을 빔(25a)과 방추(26a)를 형성할 때에 동시에 형성하였다.
이하에 반도체 센서 기판(2a)의 제작 프로세스를 상세하게 기술한다. SOI 웨이퍼의 실리콘층 상면에 피에조 저항 소자(21a)의 형상으로 포토레지스트의 패턴을 형성하고, 실리콘층에 붕소를 1 내지 3x1O18원자/cm3 주입하여 피에조 저항 소자(21a)를 형성하였다. 피에조 저항 소자(21a)에 접속하는 배선(22a)을, 금속 스퍼터링과 드라이 에칭으로 형성하였다.
반도체 센서(가속도 센서)의 피에조 저항 소자(21a), 배선(22a) 및 전극 패드(24a)를 형성한 후, 이들의 위에 질화실리콘을 CVD로 0.1㎛ 적층하고, 그리고 전극 패드상의 질화실리콘을 포토리소그래피, 에칭으로 제거하였다. 다음에 포토레지스트막을 전체면에 붙이고, 전극 패드(24a) 및 접합 영역(23a, 23a')의 포토레지스트막을 개구한 후, 금속 스퍼터로, 0.1㎛ 두께 Cr과 0.2㎛ 두께 Ni와 0.5㎛ 두께 Au를 이들의 순서로 적층하여 적층막을 형성하였다. 다음에 포토레지스트막을 제거하여 전극 패드(24a)와 접합 영역(23a, 23a') 이외의 금속막을 제거하고, 전극 패드(24a)와 접합 영역(23a, 23a')에 금속 적층막을 남겼다. 웨트 에칭액에 노출되는 부위에 질화실리콘막을 남겨 보호하였다.
SOI 웨이퍼의 실리콘층을 포토리소그래피와 드라이 에칭으로 가공하여 빔과 프레임의 사이의 홈과 프레임과 방추 사이의 홈을 형성하고, 실리콘층에 빔(25a), 방추(26a) 및 프레임(27a)을 남겨 홈을 형성함과 동시에, 분할홈(28a)을 형성하였다. 드라이 에칭은 SF6, 산소 혼합 가스와 C4F8 가스를 교대로 도입하는 플라즈마 내에서 행하였다. 실리콘 산화층은 실리콘의 드라이 에칭시에 에칭 스토퍼로서 기능한다. 드라이 에칭되는 것은 실리콘뿐이며 실리콘 산화층은 남아 있다.
다음에, SOI 웨이퍼를 반전시켜 실리콘판의 이면에 방추와 프레임의 사이가 벌어진 레지스트 패턴을 형성하고, 실리콘판의 이면으로부터 방추(26a)와 프레임(27a)의 사이의 홈, 빔과 프레임 사이의 홈 및 빔의 부분을 100㎛ 드라이 에칭한 후, 분할홈(28a) 형상으로 광내식막을 패터닝하였다. 그리고 드라이 에칭에 의해 방추(26a), 프레임(27a), 빔(25a)과 분할홈(28a)을 형성하였다. 이로써, 분할홈(28a)이 방추(26a)와 프레임(27a)의 사이와 빔(25a)과 프레임(27a)의 사이의 홈보다도 100㎛ 얕아지고, 분할홈(28a)에 연결부(29a)를 남겼다. 연결부(29a)는 100㎛ 두께로 80㎛ 길이로 되었다. 드라이 에칭 후, 불산, 불화암모늄 수용액에 담그고 실리콘 산화층을 웨트 에칭으로 제거하였다.
도 3에 캡 기판(3a)의 일부분을 도시한다. 도 3a는 캡 기판(3a)을 접합 영역(33a)의 측에서 본 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 단면도이다. 캡 기판(3a)에서는 400㎛ 두께의 실리콘 평판의 한 면에 사변형 베이스로 된 구동 억제홈(31a)과 분리홈(32a)을 오목형으로, 구동 억제홈(31a)의 주변을 따라 뱅크형으로 형성된 접합 영역(33a)을 볼록형으로 형성하였다. 실리콘 평판의 한 면에, 0.5㎛ 두께의 산화실리콘을 적층한 후에, 방추에 대향하는 구동 억제홈(31a)의 레지스트 패턴을 형성하고 그 부분에 있는 산화실리콘을 에칭하여 제거하였다. 그 후, CVD로 캡 기판 전체면에 질화실리콘막을 0.1㎛ 두께로 적층하고, 그 위에 레지스트 패턴을 형성하여 캡 기판의 분리홈(32a)에 대응하는 부분의 질화실리콘막을 제거하였다. 다음에 67℃의 온도에서, 수산화칼륨 수용액(40wt.%)으로 웨트 에칭하여 분리홈(32a)을 85㎛ 깊이로 형성하였다. 다음에, 캡 기판의 전체면의 질화실리콘막을 제거한 후, 구동 억제홈(31a)을 깊이 15㎛로, 분리홈(32a)을 15㎛ 추가 웨트 에칭하고, 분리홈(32a)의 깊이를 100㎛로 하였다. 분리홈(32a)과 구동 억제홈(31a)의 사이에 형성된 뱅크형의 접합 영역(33a)에 Au-Sn 합금막을 3㎛ 두께로 진공 증착으로 형성하였다.
접합 영역(23a, 23a', 33a)을 기밀 밀봉할 수 있도록 60㎛ 폭으로 하였다. 캡 기판(3a)은 두께가 400㎛이었기 때문에, 캡 기판(3a)과 가속도 센서 기판(2a)을 가압 접합할 때의 압력 약 10kN에 대하여 충분한 강도를 갖고 있고, 가압 접합시에 깨어지거나 균열이 생기는 문제는 일어나지 않았다.
도 4를 사용하여, 본 실시예의 반도체 센서 장치(가속도 센서 장치)의 제조 프로세스를 설명한다. 반도체 센서 기판(2a)의 상하면에 캡 기판(3a, 3a')을 접합하고, 반도체 센서 조립 기판(가속도 센서 조립 기판; 4a)으로 하였다(도 4a). 67℃로 가열한 수산화칼륨 수용액(40wt.%)에 반도체 센서 조립 기판(4a)을 침지하고, 캡 기판(3a, 3a')을 두께 방향으로 300㎛ 에칭하였다. 캡 기판(3a, 3a')을 얇게 하여 커팅 라인(90a') 부분에서 분리홈(32a)을 제거하고, 캡 기판의 박육화에 의해서 분리된 캡칩(30a, 30a')을 얻었다(도 4b). 수산화칼륨 수용액(40wt.%)에 이소프로필알콜을 포화시킨 수용액을 사용하여, 반도체 센서 기판(2a)의 개편화와, 캡칩(30a, 30a')의 더욱 박육화와 그 측면 모서리부를 에칭하여, 반도체 센서 조립체(가속도 센서 조립체; 40a)를 얻었다(도 4c). 반도체 센서 기판의 연결부(29a)는 100㎛ 두께이기 때문에, 위와 아래의 양측으로부터 50㎛ 웨트 에칭하여 반도체 센서 칩(20a)으로 분리하였다. 이 때, 캡칩(30a, 30a')도 50㎛ 추가 에칭되어, 캡 칩의 구동 억제홈(31a) 부분의 두께가 50㎛가 되었다. 이소프로필알콜을 포화시킨 웨트 에칭액을 사용하였기 때문에, 반도체 센서 칩의 측면에 약 30㎛ 높이의 대략 삼각 이랑 모양의 돌기(46a)를 발생하였다. 대략 삼각 이랑 모양의 돌기(46a)는 육안이나 실체 현미경으로 용이하게 시인할 수 있기 때문에, 반도체 센서 조립체(40a)의 롯트나 사양 등을 구별하는 식별 마커로서 사용할 수 있다.
두께 200㎛의 배선기판(60a) 상에 반도체 센서소자로부터의 신호의 증폭이나 온도 보정 등을 하는 회로기판(65a)을 에폭시 접착제로 접착 고정하였다(도 4d). 회로기판(65a)의 위에 반도체 센서 조립체(40a)를 에폭시계 수지로 접착 고정하였다(도 4e). 반도체 센서 조립체(40a)의 전극 패드(24a)와 회로기판(65a)의 전극 패드(66a), 회로기판(65a)의 전극 패드(67a)와 배선기판(60a)의 전극 패드(61a)를 직경 25㎛의 금(金) 배어 와이어(51a)로 접속하였다(도 4f).
반도체 센서 조립체(40a)와 회로기판(65a)과 배선기판(60a)이 조립된 구조체를 트랜스퍼 몰드법에 의해서 에폭시수지(70a)로 몰드하였다. 트랜스퍼 몰드 작업은 다음의 순서, 조건으로 행하였다. 반도체 센서 조립체(40a)와 회로기판(65a)과 배선기판(60a)이 조립된 구조체를 성형용 금형내에 보유하였다. 몰드 기의 포드에 타블렛형으로 성형된 수지를 장전하고, 포드의 압출부를 가열하여 수지를 연화시켜, 플런저(가압기구)로 포드내의 연화한 175℃의 수지를 금형내에 5 MPa의 압력으로 가압하였다. 성형시간은 2분이었다. 금형내에서 수지를 경화시킨 후, 금형으로부터 수지 몰드품을 꺼내어 반도체 센서 장치(10a)를 얻었다(도 4g). 한번의 트랜스퍼 몰드 작업으로, 50개의 반도체 센서 장치(10a)를 얻을 수 있는 금형을 사용 하였다.
실시예 2
본 발명의 실시예 2의 반도체 센서 장치(가속도 센서 장치)에 관해서 도 5, 도 6을 참조하여 설명한다. 도 5에 반도체 센서 기판(가속도 센서 기판; 2b)의 일부를 도시한다. 도 5a는 반도체 센서 기판(2b)의 피에조 저항 소자(21b) 측의 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 단면도이다. 도 6a 내지 도 6g는, 본 실시예의 반도체 센서 장치(10b)의 제조 프로세스를 설명하는 도면이다. 도 5의 반도체 센서 기판(2b)은 실시예 1의 반도체 센서 기판에 형성되어 있는 분할홈(28a)과 연결부(29a)가 형성되어 있지 않은 것 이외는, 실시예 1의 반도체 센서 기판과 같은 구조와 구성이며, 제법도 같기 때문에 상세한 설명을 생략한다. 또한, 캡 기판(3b, 3b')의 형상과 재질은 실시예 1의 캡 기판(3a)과 같다.
도 6을 참조하면서, 본 실시예의 반도체 센서 장치(10b)의 제조 프로세스를 설명한다. 구동 억제홈(31b)과 분리홈(32b)이 오목형으로 형성되고, 접합 영역(33b)이 볼록형으로 형성된 400㎛ 두께의 실리콘 평판으로 이루어지는 캡 기판(3b, 3b')을, 반도체 센서 기판(2b)의 상하에 접합하여 반도체 센서 조립 기판(가속도 센서 조립 기판; 4b)으로 하였다(도 6a). 67℃로 가열한 수산화칼륨 수용액(40wt.%)에 반도체 센서 조립 기판(4b)을 침지하고, 캡 기판(3b, 3b')을 웨트 에칭하여 박육화하여 캡칩(30b, 30b')으로 분할하였다. 실시예 1에서는 반도체 센서 기판(2a)의 개편화를 웨트 에칭으로 행하고 있었기 때문에, 반도체 센서 기판(2a)의 개편화시에 캡 기판(3a, 3a')에 추가의 박육화를 할 수 있었다. 그러나 이 실 시예에서는, 반도체 센서 기판(2b)의 개편화를 다이아몬드 숫돌 절단으로 하기 때문에, 웨트 에칭에 의한 캡 기판의 박육화를 실시예 1보다 많게 행하였다. 캡 기판(3b, 3b')을 두께 방향으로 340㎛ 웨트 에칭하여 구동 억제홈(31b) 부분에서의 실리콘 두께를 60㎛로 하였다. 캡 기판(3b, 3b')의 분리홈(32b)에 있는 실리콘이 제거되고, 개개의 캡칩(30b, 30b')으로 분할하였다. 그 후, 수산화칼륨 수용액(40wt.%)에 이소프로필알콜을 포화시킨 수용액으로, 캡칩(30b, 30b')을 10㎛ 웨트 에칭하여 구동 억제홈(31b)의 배면의 실리콘 두께를 50㎛로 하였다. 이 10㎛의 추가 웨트 에칭으로, 캡칩(30b, 30b')의 측면(35b)이 2면 이상이 되고, 2면간의 각도가 90° 또는 그것보다도 커진다(도 6b).
캡 기판(3b, 3b')이 개개의 캡칩(30b, 30b')으로 분할된 후, 반도체 센서 기판(2b)을 커팅 라인(90b)의 부분에서 2000번의 다이아몬드 숫돌을 사용하여 반도체 센서 칩(가속도 센서 칩; 20b)으로 절단하였다. 절단을 숫돌회전수 20000 rpm으로 행하였다. 절단 시, 다이아몬드 숫돌과 반도체 센서 조립 기판(4b)에 3 내지 5리터/분의 연삭액을 가하였다. 반도체 센서 측면의 표면 거칠기가 Ra≤200 nm이 되었다. 표면 거칠기 Ra의 측정을 JISB0601에 따라서 하였다. 반도체 센서 기판(2b)을 분할하고, 반도체 센서 조립체(40b)를 얻었다(도 6c).
배선기판(60b) 상에 회로기판(65b)을 접착 고정(도 6d)하고, 배선기판(60b)과 회로기판(65b)의 조립체로서 그 위에 반도체 센서 조립체(40b)를 접착(도 6e)한 후, 배선기판(60b)과 회로기판(65b), 반도체 센서 조립체(40b)의 사이를 와이어(51b)로 전기적으로 접속(도 6f)하고, 반도체 센서 조립체(40b)와 회로기판(65b) 과 배선기판(60b)이 조립된 구조체를 포팅법으로 에폭시수지(70b) 중에 완전히 몰드하고, 반도체 센서 장치(10b)를 얻었다(도 6g). 도 6d 내지 도 6f의 공정을 실시예 1과 동일한 제조 조건으로 실시하였기 때문에 설명을 생략한다. 도 6g의 공정에서 반도체 센서 조립체(40b)와 회로기판(65b)과 배선기판(60b)이 조립된 구조체를 성형용 금형내에 배치하고, 약 180℃로 가열 용융한 에폭시수지를 금형내에 따라 넣어 경화시켰다. 경화시에 에폭시수지의 형상이 얻어질 정도의 압력을 가하였다.
실시예 3
실시예 3은, 캡칩의 결정 방위를 실시예 1 및 2로부터 바꾼 것으로, 캡칩을 웨트 에칭으로 박육화와 분할을 하고, 숫돌로 절단하여 반도체 센서 칩으로 분할하였다. 도 7을 참조하여, 본 실시예의 반도체 센서 장치(가속도 센서 장치)의 제조 프로세스를 설명한다. 도 7a는 캡 기판(3c, 3c')을 반도체 센서 기판(가속도 센서 기판; 2c)에 접합하는 측에서 본 평면도이며, 도 7b는 도 7a의 단면도이다. 캡 기판(3c, 3c')의 측면을 실리콘 결정면{100}으로 하였다. 반도체 센서 기판의 방추와 대향하는 부위에 있는 구동 억제홈(31c)은, 면{100}과 면{111}으로 둘러싸인 팔각 형상으로, 오버에칭함으로써 모서리부(311c)가 둥글게 되어, 둔각형으로 되어 있다. 또한, 모서리부(311c)와 대응하는 외측의 모서리부(312c)도 면{100}과 면{100}이 교차하는 부위에서 모서리부가 떨어져 나가는 것이 생긴다(도 7a). 반도체 센서 기판(2c)의 상하에 캡 기판(3c, 3c')을 접합하고, 반도체 센서 조립 기판(가속도 센서 조립 기판; 4c)을 얻었다(도 7c). 67℃로 가열한 수산화칼륨 수용 액(40wt%)에 반도체 센서 조립 기판(4c)을 침지하고, 캡 기판(3c, 3c')을 300㎛ 에칭하고, 캡 기판(3c, 3c')을 얇게 하여 분리홈(32c)으로 캡칩(30c)으로 분리하였다. 캡칩의 측면(35c)의 모서리부(351c)에서 면{100}과 면{100}이 교차하고 있다(도 7d). 웨트 에칭을 더욱 행하고, 측면(35c)의 모서리부(351c)를 떨어져 나가게 하여 고차 결정면을 형성하고, 면{100}-고차 결정면-면{100}으로 구성된 측면(35c)에 모서리부(352c)를 얻었다(도 7e). 이렇게 하여 캡 기판(3c, 3c')을 캡칩(30c, 30c')으로 분할한 후, 반도체 센서 기판(2c)을 커팅 라인(90c)의 부분에서 2000번의 다이아몬드 숫돌로 절단하여 반도체 센서 칩으로 분리하고, 반도체 센서 조립체(40c)로 하였다(도 7f). 절단 조건은 실시예 2와 같았다. 반도체 센서 조립체(40c)에 수지 몰드를 실시예 1과 동일한 제조 조건의 트랜스퍼 몰드법으로 실시하여 반도체 센서 장치로 하였다.
실시예 4
실시예 4에서는, 도 6에서 설명한 실시예 2의 반도체 센서 장치의 제조 프로세스에 있어서, 반도체 센서 기판의 분리공정(도 6c)으로 레이저를 사용하여 절단하였다. 레이저로서 정격 출력 800W의 탄산가스 레이저를 사용하였다. 가공 이송 속도를 1 내지 2m/분으로 하였다. 절단 공정 이외에는, 실시예 2와 같고, 수지 몰드를 트랜스퍼 몰드법으로 실시예 1과 같은 조건으로 실시하였다.
실시예 5
실시예 1 내지 4에서 제작한 반도체 센서 조립체(기판에 장착되어 있지 않는 조립체로, 수지 몰드를 하고 있지 않음) 각각 1000개와 캡칩을 숫돌로 절단하여 제 작한 비교용 반도체 센서 조립체 1000개의 기밀 시험을 하였다. 공시 수는 각 1000개이지만, 반도체 센서 조립체에는 캡칩이 2개 있기 때문에, 실질적으로 기밀 시험 개수가 2000개가 되어, 합격률 계산으로 모수(母數)를 2000으로 하였다. 기밀 시험을 스니퍼 타입의 He 리크 디텍터를 사용하여 실시하였다. 기밀 시험 결과를 이하에 기술한다. 캡 기판과 반도체 센서 기판을 웨트 에칭으로 개편화한 실시예 1의 반도체 센서 조립체에서는, 불량 발생수가 제로이며 합격률 100%이었다. 캡 기판을 웨트 에칭으로 반도체 센서 기판을 다이아몬드 숫돌 절단으로 개편화한 실시예 2의 반도체 센서 조립체에서는, 불량 발생수가 8개로 합격률이 99.6% 이었다. 방위를 바꾼 캡 기판을 웨트 에칭으로, 반도체 센서 기판을 다이아몬드 숫돌 절단으로 개편화한 실시예 3의 반도체 센서 조립체에서는, 불량 발생수가 제로로 합격률이 100% 이었다. 캡 기판을 웨트 에칭으로 반도체 센서 기판을 레이저 절단으로 개편화한 실시예 4의 반도체 센서 조립체에서는, 불량이 제로로 합격률이 100% 이었다. 비교용 반도체 센서 조립체에서는, 불량 발생수가 618개로 합격률이 69.1% 이었다. 상하 캡칩 모두 불량이 있는 반도체 센서 조립체도 있었기 때문에, 반도체 센서 조립체(모수 1000개)로 보았을 때의 합격률이 78.8% 이었다. 본 발명의 반도체 센서 조립체의 기밀 시험 합격률이 99.6 내지 100%로, 비교용 반도체 센서 조립체의 기밀 시험 합격률의 69.1%에 비하여, 대폭 개선된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2의 반도체 센서 조립체에서 발생한 8개의 불량품을 조사하였다. 기밀 누설의 원인은, 8개 모두 캡칩과 반도체 센서 칩의 접합부에 생긴 접합부 균열 이고, 실리콘과 접합재간, 접합부 근방의 실리콘 부분에 균열이 생겼다. 실리콘 두께가 50㎛인 구동 억제홈에는 균열이 보이지 않았다. 비교용 반도체 센서 조립체의 불량품 중 약 20%가 접합부 균열, 약 80%가 구동 억제홈에 생긴 캡칩 균열이었다. 이러한 결과로부터, 구동 억제홈의 캡칩 균열을 방지하기 위해서는, 캡 기판을 웨트 에칭으로 박육화와 개편화하는 것이 유효한 것을 확인할 수 있었다. 실시예 2와 비교용의 시료에서 발생한 접합부 균열은, 반도체 센서 기판을 다이아몬드 숫돌로 절단할 때의 진동 또는 연삭액이 캡칩을 벗기는 힘을 주었기 때문에 생겼다고 생각된다. 반도체 센서 기판을 다이아몬드 숫돌로 연삭액을 가하면서 절단하는 개편화에서는, 균열 발생의 위험성을 제로로 하는 것은 어렵다고 생각된다.
실시예 6
트랜스퍼 몰드한 수지 부분의 균열에 관해서 평가하였다. 실시예 1, 3 및 4에 따라서 제작한 반도체 센서 장치 각각 1000개와 캡칩과 가속도 센서 칩을 모두 숫돌로 절단하여 제작한 비교용 반도체 센서 장치 1000개에 관해서 평가하였다. 각 시료의 수지 부분의 균열의 유무를 실체 현미경으로 미리 검사하여, 균열이 없는 것을 사용하였다. 각 시료를 -80℃부터 80℃까지 온도를 변화시키고, 이것을 1열 사이클로 하였다. 100열 사이클 시험 후, 실체 현미경으로 관찰하여 수지 부분의 균열 유무를 검사하였다. 실시예 1, 3 및 4의 시료에서는, 균열의 발생은 확인되지 않고 합격률이 100%이었다. 비교용 반도체 센서 장치에서는 42개의 시료에 균열이 발생하고 합격률은 95.8%이었다. 균열이 발생한 반도체 센서 장치를 분해 조사하였더니, 균열의 발생 기점은 캡칩 측면 모서리부였다. 이러한 사실로부터, 캡칩 측면을 2면 이상으로 하여 측면 모서리부를 둔각으로 한 것의 효과를 확인할 수 있었다.
실시예 7
포팅 몰드한 수지 부분의 균열에 관해서 평가하였다. 실시예 2에 따라서 제작한 반도체 센서 장치 1000개에 대하여, 실시예 6의 시험과 마찬가지로 열 사이클을 가한 후, 실체 현미경으로 관찰하여 수지 부분의 균열의 유무를 검사하였지만, 실시예 2의 시료에는 균열의 발생은 확인되지 않고 합격률 100%이었다. 실시예 6의 결과와 아울러 고찰하면, 몰드 수지에 발생하는 수지 균열은, 수지 몰드법에 관계없이, 캡칩 측면 모서리부 형상에 의해서 발생하는 것으로 생각된다. 지금부터, 캡칩 측면을 2면 이상으로 하여 측면 모서리부를 둔각으로 하는 것은, 수지 균열의 발생 방지에 다대한 효과가 있다.
실시예 8
도 8에, 자이로 센서 장치의 단면도를 도시한다. 실시예 1에서 사용한 가속도 센서 기판 대신에 자이로 센서 기판을 사용하고 있다. 캡 기판의 구조와 그 제조 프로세스는 실시예 1에서 사용한 것과 같았다. 자이로 센서 장치(10d)에서, 자이로 센서 칩(20d)의 가동부가 캡칩(30d, 30d')으로 밀봉되고, 반도체 센서 조립체(자이로 센서 조립체; 40d)로 되어 있다. 배선기판(60d)의 위에 회로기판(65d)과 반도체 센서 조립체(40d)를 접착제로 고정하고, 반도체 센서 조립체(40d)의 단자(24d)와 회로기판(65d)의 전극 패드(66d)의 사이 및 회로기판(65d)의 전극 패드(67d)와 배선기판(60d)의 전극 패드(61d)의 사이를 와이어(51d)로 접속하였다. 반도체 센서 조립체(40d)와 회로기판(65d)과 배선기판(60d)이 조립된 구조체를 에폭시수지(70d) 중에 완전히 밀봉하고, 자이로 센서 장치(10d)로 하였다. 자이로 센서 칩은 방추, 검출부 및 접합 영역으로 구성되어 있다. 자이로 센서 칩에 각속도가 가해지면 방추가 움직여, 검출부에서 방추가 움직인 양을 정전 용량의 변화로서 검출한다. 도 8에서, 방추, 검출부, 접합 영역 등의 상세를 생략하였다. 포토리소그래피, 에칭기술, 제막기술 등의 마이크로 매칭으로 형성한 방추, 검출부, 접합 영역, 분할홈을 가진 자이로 센서 기판을 얻었다. 자이로 센서 기판과 캡 기판을 진공 중에서 접합하여 반도체 센서 조립 기판(자이로 센서 조립 기판)을 얻었다. 반도체 센서 조립 기판을 수산화암모늄계 수용액의 1종의 테트라메틸암모늄 수용액 중에 침지하여 웨트 에칭을 하고, 캡 기판의 박육화와 개편화, 또한 자이로 센서 기판 연결부를 웨트 에칭하여 개편화하여 반도체 센서 조립체(40d)를 얻었다. 수지 몰드하기 전의 반도체 센서 조립체(40d)를 기밀 시험하였다. 기밀 시험을 스니퍼 타입의 He 리크 디텍터를 사용하여 실시하였다. 1000개 공시(供試)한 바, 불량 발생수는 제로로 합격률 100% 이었다. 또한, 트랜스퍼 몰드한 수지 부분의 균열에 관해서 1000개 검사하였지만, 균열이 발생한 것은 제로이었다.
실시예 9
이 실시예에 있어서는, 실시예 1에서 제작한 것과 동일한 구성의 캡 기판을 사용하여 그 반도체 센서 기판과 대향하는 면에 질화실리콘의 절연성 보호막(37e)을 0.3㎛ 두께로 CVD로 형성하였다. 여기에서 제작한 캡 기판(3e)을 도 9에 단면도로 도시한다. 캡 기판(3e)의 구동 억제홈(31e)과 분리홈(32e)의 사이에 있는 접 합 영역(33e)에 Au-Sn 합금막을 4㎛ 두께로 진공증착으로 형성하였다.
실시예 2에서 사용한 것과 동일한 구성을 한 반도체 센서 기판(가속도 센서 기판; 2e)을 사용하여, 그 상하에 캡 기판(3e, 3e')을 접합하고, 도 10a에 도시하는 반도체 센서 조립 기판(가속도 센서 조립 기판; 4e)으로 하였다. 또, 캡 기판(3e, 3e')의 접합 영역(33e)에 증착한 Au-Sn 합금막(4㎛ 두께)을 반도체 센서 기판(2e)의 접합 영역(23e, 23e')에 있는 Au 층에 접촉 가압하면서 약 320℃로 가열하고, 반도체 센서 기판(2e)의 양면에 캡 기판(3e, 3e')을 접합하였다. 67℃로 가열한 수산화칼륨 수용액(40wt.%)에 반도체 센서 조립 기판(4e)을 침지하고, 2점 쇄선으로 나타내는 에칭 라인(90e")까지 캡 기판(3e, 3e')을 두께 방향으로 300㎛ 에칭하였다. 상기 캡 기판의 박육화로 분리홈(32e)의 실리콘은 완전히 제거되고, 절연성 보호막(37e)만으로 되었다(도 10b). 에칭액내에서 반도체 센서 조립 기판(4e)을 10회 정도 상하 좌우로 요동시켜, 캡칩(30e) 간의 절연성 보호막(37e)을 제거하였다(도 4c). 반도체 센서 기판(2e)의 커팅 라인(90e)을 따라서 2000번의 다이아몬드 숫돌을 사용하여, 숫돌 회전수 20000rpm으로 절단하고, 반도체 센서 조립체(가속도 센서 조립체; 40e)를 얻었다(도 4d). 상기 조립체(40e)를 회로기판(65e)과 배선기판(60e)의 위에 고정하고, 배선 접속을 한 후, 수지 몰드하여 반도체 센서 장치(가속도 센서 장치; 10e)로 하였다. 반도체 센서 조립체(40e)의 회로기판(65e)과 배선기판(60e)의 위로의 고정 이후의 공정에 대해서는, 실시예 1과 동일하기 때문에, 여기에서는 설명을 생략한다. 또, 캡칩단은 에칭으로 예각이 되지만, 기계적으로 제거함으로써 생긴 절연성 보호막단과 합쳐져 둔각이 된다. 둔 각이 되기 때문에, 몰드 수지 균열을 막을 수 있다.
실시예 10
이 실시예에서는, 도 11에 도시하는 캡 기판(3f)을 사용하였다. 도 11a는 캡 기판(3f)의 평면도이고, 도 11b는 그 단면도이다. 캡 기판(3f)은 400㎛ 두께의 실리콘 평판의 한 면에 구동 억제홈(31f)과 분리홈(32f)을 오목형으로, 접합 영역(33f)을 볼록형으로 형성하였다. 실리콘 평판의 한 면에 열산화로 1.O㎛ 두께의 산화실리콘을 형성한 후에, 구동 억제홈(31f)의 레지스트 패턴을 형성하여 그 부분에 있는 실리콘을 에칭하여 제거하였다. 또한, 열산화로 0.7㎛ 두께로 산화실리콘을 형성하고, 또한 레지스트 패턴을 형성하여 캡 기판의 분리홈(32f)에 대응하는 부분의 산화실리콘을 제거하였다. 다음에, 67℃로 가열한 수산화칼륨 수용액(40wt.%)으로 웨트 에칭하여 분리홈(32f)을 90㎛ 깊이로 형성하였다. 다음에 캡 기판의 전체면의 산화실리콘을 제거한 후, 구동 억제홈(31f)을 깊이 10㎛로, 분리홈(32f)을 10㎛ 추가 에칭하고, 분리홈(32f)의 깊이를 100㎛로 하였다. 구동 억제홈(31f)과 분리홈(32f)을 형성한 면의 전체면에 열산화로 0.6㎛ 두께의 산화실리콘을 절연성 보호막(37f)으로서 형성하였다. 접합 영역 상이 개방한 레지스트 프레임을 만들어, 거기에 4㎛ 두께의 Au-Sn 합금막을 형성하였다.
실시예 2에서 사용한 것과 동일한 반도체 센서 기판을 사용하여, 그 상하에 도 11에 도시하는 캡 기판(3f)을 접합하고, 반도체 센서 조립 기판으로 하였다. 여기에서, 캡 기판의 접합 영역에 증착한 Au-Sn 합금막을 반도체 센서 기판의 접합 영역에 있는 Au 층에 접촉 가압하면서 약 320℃로 가열하고, 반도체 센서 기판의 양면에 캡 기판을 접합하였다. 그 후, 67℃로 가열한 수산화칼륨 수용액(40wt.%)에 반도체 센서 조립 기판을 침지하여 캡 기판의 박육화로 분리홈에 있던 실리콘을 완전히 제거하였다. 캡칩간에 남은 산화실리콘으로 이루어지는 절연성 보호막은, 이소프로필알콜과 물의 혼합액 중에 침지시켜 초음파를 가함으로써 완전히 제거할 수 있었다. 이소프로필알콜과 물의 혼합액을 사용함으로써, 제거한 산화실리콘이 재부착되는 일이 없었다. 반도체 센서 기판을 2000번의 다이아몬드 숫돌을 사용하여 절단하여 반도체 센서 조립체로 하였다. 이러한 조립체를 회로기판과 배선기판 위에 고정하고, 배선 접속을 한 후, 수지 몰드하여 반도체 센서 장치로 하였다.
또, 이 실시예에서는, 분리홈(32f)의 측벽이 실리콘의 결정면{100}이 되도록 하였으므로, 측벽이 캡 기판에 대하여 수직으로 되고, 전극과 캡칩 측면과의 거리를 크게 할 수 있고, 와이어와 측면의 접촉을 막을 수 있었다. 또한, 구동 억제홈(31f)의 측면을 결정면{111}과 결정면{100}으로 하였다.
실시예 11
실시예 11을 도 12와 도 13을 사용하여 설명한다. 이 실시예의 반도체 센서 장치는, 정전 용량형의 자이로 센서이다. 정전 용량형의 자이로 센서의 검지부는 실리콘 기판의 한 면에 형성되어 있기 때문에, 캡칩은 1개이다. 도 12는 자이로 센서의 분해 사시도이고, 도 13a에서 도 13f는 자이로 센서에 적용한 반도체 센서 장치의 제조 프로세스를 설명하는 도면이다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 반도체 센서 칩(자이로 센서 칩; 20g)은, 정전 용량 검출부(21g), 회로 소자(28g), 배선(22g), 전극 패드(24g), 접합 영역(23g)으 로 구성되어 있다. 반도체 센서 칩(20g)의 제작에는, 약 500㎛ 두께의 실리콘판 상에 수㎛의 실리콘 산화층과 수10㎛의 실리콘층을 적층한 SOI 웨이퍼를 사용하였다. 실리콘층측의 면에 반도체 프로세스 기술과 포토리소그래피, 제막기술을 사용하여, 신호의 증폭 등을 하는 회로 소자(28g), 정전 용량 검출부(21g), 접합 영역(23g) 및 전극 패드(24g)를 형성하였다. 캡칩(30g)은 실시예 1에서 설명한 것과 동일한 구성으로, 그 반도체 센서 기판과 대향하는 면에 열산화로 1.O㎛ 두께로 산화실리콘의 절연성 보호막(37g)이 형성되어 있다. 캡칩(30g)의 반도체 센서 칩(20g)과 대향하는 면에 사변형 베이스형이 된 구동 억제홈(31g)과 그 주변에 뱅크형으로 형성된 접합 영역(33g)이 있다. 접합 영역(33g)에 Au-Sn 합금막이 4㎛ 두께로 진공 증착으로 형성되어 있다.
상기 실시예의 반도체 센서 장치(자이로 센서 장치; 10g)의 제조 프로세스를, 도 13a 내지 도 13f를 참조하여 설명한다. 반도체 센서 기판(자이로 센서 기판; 2g)의 회로 소자(28g)와 정전 용량 검출부(21g)를 형성한 면에 캡 기판(3g)을 접합하고, 반도체 센서 조립 기판(자이로 센서 조립 기판; 4g)을 얻는다(도 13a). 70℃로 가열한 테트라메틸암모늄 수용액(25wt.%)에 반도체 센서 조립 기판(4g)을 침지하고, 2점 쇄선으로 나타내는 에칭 라인(90g〃)까지 캡 기판(3g)과 반도체 센서 기판(2g)을 에칭하여 박육화하였다. 에칭으로 제거한 두께는 300㎛ 이다. 상기 캡 기판 박육화로 분리홈(32g)의 실리콘은 완전히 제거되고, 절연성 보호막(37g)만으로 되어 있다(도 13b). 에칭액내와 세정액내에서 반도체 센서 조립 기판(4g)을 요동시켜, 캡칩 간의 절연성 보호막(37g)을 거의 제거할 수 있지만, 잔사 분을 수회 브러싱함으로써 완전히 제거하였다.(도 13c). 반도체 센서 기판(2g)의 커팅 라인(90g)을 따라서 레이저를 조사하여 절단하였다. 레이저로는 정격 출력 800W의 탄산가스 레이저를 사용하였다. 1 내지 2m/분의 이송 속도로 절단 가공을 하여, 반도체 센서 조립체(자이로 센서 조립체; 40g)를 얻었다(도 13d).
두께 200㎛의 배선기판(60g)상에, 반도체 센서 조립체(40g)를 에폭시계 수지로 접착하고, 반도체 센서 조립체(40g)의 전극 패드(24g)와 배선기판(60g)의 전극 패드(61g) 사이를 직경 25㎛의 금 배어 와이어(51g)로 접속하였다(도 13e). 반도체 센서 조립체(40g)와 배선기판(60g)이 조립된 구조체를, 트랜스퍼 몰드법을 사용하여 에폭시수지(70g)로 몰드 성형하여, 반도체 센서 장치(10g)를 얻었다(도 13f). 실시예 12
실시예 9 내지 11의 절연성 보호막(37e, 37f, 37g)을 갖는 실리콘 캡을 사용한 반도체 센서 장치와, 절연성 보호막이 없는 실리콘 캡을 사용한 비교용 반도체 센서 장치를 사용하여, 노이즈의 발생 및 선간 단락의 유무를 평가하였다. 비교용 반도체 센서 장치 2000개 중 불량수는 8개이며, 불량률은 0.4%이었다. 캡칩 측면에 절연성 보호막을 형성한 실시예 9 내지 11의 반도체 센서 장치에서는, 각각 2000개중 불량수는 0개, 불량률 0%이었다. 캡칩 측면에 절연성 보호막을 형성함으로써, 노이즈의 발생이나 선간 단락의 불량을 해결할 수 있었다.
MEMS 기술로 제작한 본 발명의 반도체 센서 장치는, 캡칩의 주위 측면을 웨트 에칭한 면으로 하고 있기 때문에, 캡칩 및 몰드 수지에 절단 시에 생기는 균열 을 막을 수 있고, 반도체 센서 칩과 캡칩간의 기밀을 확보할 수 있다. 또한, 캡칩 측면에 절연성 보호막을 피복하여 절연성을 확보하고 있다. 따라서, 가속도, 각속도, 압력 등의 물리량을 검출 측정하는 데에 사용하는 본 발명의 반도체 센서 장치에서, 불량 발생이 적은 신뢰성이 높은 것으로 된다.

Claims (13)

  1. 가동부와 그 가동부의 주위에 형성된 접합 영역을 가진 반도체 센서 칩과, 반도체 센서 칩의 상하면의 적어도 일면에 적층되어 있고, 사변형 베이스와, 베이스 주변을 따라서 뱅크형으로 형성되고 반도체 센서 칩의 접합 영역과 접합되어 있는 접합 영역을 갖고 반도체 센서 칩의 가동부를 밀봉하고 있는 캡칩으로 이루어지는 반도체 센서 조립체와,
    반도체 센서 조립체를 그 위에 고정 보유하고 있는 기판과,
    반도체 센서 칩과 기판 사이를 접속하고 있는 배선과,
    기판상에서 반도체 센서 조립체를 몰드하고 있는 수지로 이루어지고,
    캡칩의 주위 측면이 웨트 에칭된 면인 반도체 센서 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    캡칩의 주위 측면이 캡칩의 두께 방향에 이웃한 적어도 2면으로 이루어져 있는 반도체 센서 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    캡칩의 주위 측면이 캡칩의 두께 방향에 이웃한 2면의 사이의 각도가 90° 또는 그것보다도 큰 반도체 센서 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    캡칩의 주위 측면이 웨트 에칭된 면의 위에 절연성 보호막으로 피복되어 있는 반도체 센서 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연성 보호막이 내알칼리성인 반도체 센서 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연성 보호막이 0.1㎛ 또는 그것보다도 두꺼운 반도체 센서 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    반도체 센서 칩의 주위 측면이 웨트 에칭된 면인 반도체 센서 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    반도체 센서 칩의 주위 측면이 기계 가공 절단면 또는 레이저 절단면인 반도체 센서 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    반도체 센서 칩의 측면 이외의 표면이 내알칼리성의 피복으로 덮여 있는 반도체 센서 장치.
  10. 가동부와 그 가동부의 주위에 형성된 접합 영역을 가진 복수의 반도체 센서 칩을 갖는 반도체 센서 기판과, 사변형 베이스와 베이스 주변을 따라서 뱅크형으로 형성된 접합 영역을 가지는 복수의 캡칩을 갖는 캡 기판을 사용하고,
    캡 기판을 반도체 센서 기판의 상하면의 적어도 일면에 적층하고, 캡칩의 접합 영역을 반도체 센서 칩의 접합 영역에 접합하여 캡칩으로 반도체 센서 칩의 가동부를 밀봉한 반도체 센서 조립 기판으로 하고,
    반도체 센서 조립 기판을 웨트 에칭액에 침지하고, 캡 기판을 그 두께 방향으로 웨트 에칭하여 박육화하고, 캡 기판을 캡칩으로 분할하고, 캡 기판의 박육화와 동시에 또는 그 후, 반도체 센서 기판을 반도체 센서 칩으로 분할하여, 반도체 센서 칩에 캡칩이 장착된 반도체 센서 조립체로 하여,
    기판상에 반도체 센서 조립체를 접착 고정하여 반도체 센서 칩과 기판 사이를 배선으로 접속하고, 기판상의 반도체 센서 조립체를 수지로 몰드하는 반도체 센서 장치의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    반도체 센서 조립 기판을 웨트 에칭액에 침지하고 있는 동안에 반도체 센서 기판의 복수의 반도체 센서 칩 주변을 상면과 하면으로부터 웨트 에칭하여 반도체 센서 기판을 반도체 센서 칩으로 분할하고, 반도체 센서 칩에 캡칩이 장착된 반도체 센서 조립체로 하는 반도체 센서 장치의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    반도체 센서 조립 기판을 웨트 에칭액에 침지하여 캡 기판을 그 두께 방향으로 웨트 에칭하여 박육화한 후, 반도체 센서 기판을 기계가공 또는 레이저 가공하여 반도체 센서 칩으로 분할하고, 반도체 센서 칩에 캡칩이 장착된 반도체 센서 조립체로 하는 반도체 센서 장치의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    캡 기판이 접합 영역 이외의 표면에 절연성 보호막을 가지는 복수의 캡칩을 갖는 반도체 센서 장치의 제조 방법.
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