KR20120057507A - 센서 디바이스, 모션 센서 및, 전자 기기 - Google Patents

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KR20120057507A
KR20120057507A KR1020110097086A KR20110097086A KR20120057507A KR 20120057507 A KR20120057507 A KR 20120057507A KR 1020110097086 A KR1020110097086 A KR 1020110097086A KR 20110097086 A KR20110097086 A KR 20110097086A KR 20120057507 A KR20120057507 A KR 20120057507A
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sensor
sensor device
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stress relaxation
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KR1020110097086A
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세이이치 치바
슈지 고지마
토시유키 엔타
아키노리 신도
테루나오 하나오카
야스오 야마사키
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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 센서 소자의 튜닝시에 이용하는 레이저광에 의한 응력 완화층의 용융를 방지하고, 전기적 특성이 안정된 센서 디바이스를 제공한다.
(해결 수단) 센서 디바이스(1)는, 실리콘 기판(10)의 능동면(10a)측에 설치된 제1 전극(11)과, 제1 전극에 전기적으로 접속된 외부 접속 단자(12)와, 실리콘 기판과 외부 접속 단자와의 사이에 형성된 응력 완화층(15)과, 실리콘 기판의 능동면측에 설치된 접속용 단자(13)와, 질량 조정부로서의 추부(錘部; 26a, 26b, 27a, 27b, 28a, 28b)를 구비한 진동 자이로 소자(20)를 갖고, 진동 자이로 소자는, 접속 전극과 외부 접속 단자와의 접속에 의해 실리콘 기판에 보지(保持)되어 있고, 응력 완화층과 질량 조정부가 평면에서 보았을 때 겹치는 사이에 형성된 용융 보호층(42)을 갖고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

센서 디바이스, 모션 센서 및, 전자 기기{SENSOR DEVICE, MOTION SENSOR, AND ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은 센서 디바이스, 센서 디바이스를 이용한 모션 센서 및, 이들을 이용한 전자 기기에 관한 것이다.
종래, 가속도나 각(角)속도 등을 센싱하는 센서 디바이스에 있어서는, 센서소자와 당해 센서 소자를 구동하는 기능을 갖는 회로 소자를 구비한 센서 디바이스가 알려져 있다.
이 센서 디바이스로서는, 센서 소자로서의 자이로(gyro) 진동편과 회로 소자로서의 반도체 장치(이하, 반도체 기판이라고 함)를 구비한 센서 디바이스가 패키지에 수납된 각속도 센서(자이로 센서)가 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
이 구성에서는, 반도체 기판이 지지 기판에 고착되며, 지지 기판에 형성된 리드 배선부와 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 센서 소자(자이로 센서 소자)는, 센서 소자와 반도체 기판과의 사이에 배치된 폴리이미드 필름에 고착된 이너 리드부에 접속됨으로써, 반도체 기판과 공극(空隙)을 유지하여 당해 반도체 기판과 평면에서 보았을 때 겹치도록 배치되어 있다. 또한, 이너 리드부는, 폴리이미드 필름에 고착됨과 함께 지지 기판에 고착되어 있다.
그리고, 센서 소자는, 레이저광 등을 이용하여 센서 소자의 주면(主面)(표리면)에 형성된 추층(錘層)을 제거하는 튜닝(주파수 조정：F조(調)라고도 함)이 행해져, 고정밀도의 기능을 갖게 된다(예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2 참조).
일본공개특허공보 2007-281341호(도 1) 일본공개특허공보 2008-151633호(도 10)
그러나, 전술한 센서 디바이스의 구성에서는, 센서 소자의 튜닝시에 이용하는 레이저광이, 추층의 제거와 함께 센서 소자를 투과하고, 센서 소자에 대향하는 폴리이미드 필름에 도달하는 경우가 있었다. 레이저광이 폴리이미드 필름에 도달하면, 레이저광이 조사된 부분의 폴리이미드 필름이 용융되고, 용융된 폴리이미드 필름의 일부가 돌비(突沸)하여 센서 소자의 주면에 부착되어 버린다는 과제를 갖고 있었다. 또한, 부착한 폴리이미드 필름의 용융 알갱이는, 튜닝의 불균일 등 센서 소자의 전기적 특성을 열화시킬 우려를 갖고 있다.
본 발명은, 전술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.
[적용예 1] 본 적용예에 따른 센서 디바이스는, 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 능동면측에 설치된 제1 전극과, 상기 제1 전극에 전기적으로 접속되어 상기 능동면측에 설치된 외부 접속 단자와, 상기 반도체 기판과 상기 외부 접속 단자와의 사이에 형성된 응력 완화층과, 상기 반도체 기판의 상기 능동면측에 설치된 접속용 단자와, 기부(基部;base)와 당해 기부로부터 연신된 진동부 및 접속부와 상기 진동부에 형성된 질량 조정부를 구비한 센서 소자를 갖고, 상기 센서 소자는, 상기 접속부와 상기 외부 접속 단자와의 접속에 의해 상기 반도체 기판에 보지(保持;holding)되어 있고, 상기 응력 완화층과 상기 질량 조정부가 평면에서 보았을 때 겹쳐지는 사이에 형성된 용융 보호층을 갖고 있는 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 의하면, 응력 완화층과 질량 조정부가 평면에서 보았을 때 겹치는 사이에 용융 보호층이 형성되어 있기 때문에, 센서 소자의 질량 조정부를 조정할 때에, 센서 소자를 투과한 레이저광이 용융 보호층에 의해 차폐되어 응력 완화층에 도달하지 않는다. 따라서, 응력 완화층의 용융이 발생하지 않아, 응력 완화층의 용융물이 센서 소자의 주면에 부착하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 부착한 폴리이미드 필름의 용융 알갱이에 의한 튜닝의 불균일 등 센서 소자의 전기적 특성의 열화를 방지하는 것이 가능해져, 전기적 특성이 안정된 센서 디바이스를 제공할 수 있다.
또한, 용융 보호층을 형성함으로써, 센서 소자와 응력 완화층과의 간격을 작게 하는 것이 가능해져, 박형(薄型)의 센서 디바이스를 제공하는 것이 가능해진다.
[적용예 2] 상기 적용예에 기재된 센서 디바이스에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 외부 접속 단자와의 전기적 접속이, 상기 능동면측에 설치된 재배치 배선에 의해 이루어지고 있는 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 의하면, 센서 디바이스는, 재배치 배선에 의해 외부 접속 단자의 위치나 그 배열을 자유롭게(임의로) 설계할 수 있다.
[적용예 3] 상기 적용예에 기재된 센서 디바이스에 있어서, 상기 외부 접속 단자는, 돌기 전극인 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 의하면, 센서 디바이스는, 외부 접속 단자가 돌기 전극인 점에서, 센서 소자와 반도체 기판과의 사이에 틈을 형성하는 것이 가능해져, 센서 소자와 반도체 기판과의 접촉을 회피하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 센서 디바이스는, 센서 소자의 안정적인 구동을 행하는 것이 가능해진다.
[적용예 4] 상기 적용예에 기재된 센서 디바이스에 있어서, 상기 용융 보호층은, 상기 응력 완화층의 상기 센서 소자측의 외면에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 의하면, 용융 보호층의 형성을 재배치 배선의 형성과 동시에 행하는 것이 가능하고, 형성 공정을 늘리는 일 없이 용이하게 형성하는 것이 가능해진다.
[적용예 5] 상기 적용예에 기재된 센서 디바이스에 있어서, 상기 용융 보호층은 금속층으로, 그라운드(GND) 전위에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 의하면, 전원에 전반(傳搬)하는 노이즈를 그라운드(GND) 전위에 접속된 용융 보호층에 의해 차폐할 수 있기 때문에, 안정된 전원 전위의 공급을 행하는 것이 가능해진다.
[적용예 6] 상기 적용예에 기재된 센서 디바이스에 있어서, 상기 반도체 기판의 능동면이 상기 용융 보호층에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 의하면, 반도체 기판의 능동 영역에 형성되어 있는 배선 등에 대하여 전반하는 노이즈를, 그라운드(GND) 전위에 접속된 용융 보호층에 의해 차폐할 수 있기 때문에, 노이즈에 의한 반도체 기판의 전기적 특성에의 영향을 방지하는 것이 가능해진다. 또한, 센서 소자를 투과한 레이저광이 용융 보호층에 의해 차폐되어 능동면에 도달하지 않기 때문에, 능동 영역에 형성되어 있는 배선 등이, 레이저광에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
[적용예 7] 상기 적용예에 기재된 센서 디바이스에 있어서, 상기 응력 완화층 및 상기 재배치 배선이 복수 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 의하면, 응력 완화층 및 재배치 배선을 복수(다층 구조)로 함으로써, 재배치 배선의 배선 인회(wiring routing)의 자유도가 높아져, 용융 보호층을 형성하는 것이 가능한 영역을 확대하는 것이 가능해진다. 환언하면, 용융 보호층의 형성 패턴의 자유도를 높이는 것이 가능해진다.
[적용예 8] 본 적용예에 기재된 모션 센서는, 상기 적용예의 어느 것에 기재된 센서 디바이스와, 상기 센서 디바이스를 수납하는 패키지를 갖고, 상기 센서 디바이스가 상기 패키지에 수납되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 기재된 모션 센서에 의하면, 상기 적용예에 기재된 효과를 나타내는 센서 디바이스를 구비한 모션 센서를 제공할 수 있다. 덧붙여, 모션 센서는, 박형화된 센서 디바이스를 이용하는 점에서, 박형화를 실현하는 것이 가능해진다.
[적용예 9] 본 적용예에 기재된 모션 센서는, 상기 적용예의 어느 것에 기재된 복수의 센서 디바이스와, 상기 복수의 센서 디바이스를 수납하는 패키지를 갖고, 상기 복수의 센서 디바이스는, 상기 각 센서 소자의 주면끼리가 이루는 각도가 대략 직각이 되도록 상기 패키지 내에 배치되고, 수납되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 기재의 모션 센서에 의하면, 상기 적용예에 기재된 효과를 나타내는 복수의 센서 디바이스를 구비한 모션 센서를 제공할 수 있다.
또한, 모션 센서는, 각 센서 디바이스가 각 센서 소자의 주면끼리가 이루는 각도가 대략 직각이 되도록 패키지 내에 배치되고, 수납되어 있는 점에서, 1개로, 복수축에 대응한 센싱이 가능해진다.
[적용예 10] 상기 적용예에 기재된 모션 센서에 있어서, 적어도 1개의 상기 센서 소자의 주면은, 상기 패키지의 외부 부재에 접속되는 피(被)접속면과 대략 평행인 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 기재된 모션 센서에 의하면, 1개의 모션 센서로, 패키지의 피접속면과 대략 직교하는 축을 포함하는 복수축에 대응한 센싱이 가능해진다.
[적용예 11] 본 적용예에 기재된 전자 기기는, 상기 적용예의 어느 것에 기재된 센서 디바이스, 또는 상기 적용예의 어느 것에 기재된 모션 센서를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 적용예에 기재된 전자 기기에 의하면, 전기적 특성이 안정된, 게다가 소형, 박형의 전자 기기를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태의 센서 디바이스의 개략 구성을 나타내는 모식도(schematic view)로, 센서 소자측으로부터 내려다 본 평면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 센서 디바이스의 개략 구성을 나타내는 정단면도이다.
도 3은 진동 자이로 소자의 동작을 설명하는 모식 평면도이다.
도 4는 진동 자이로 소자의 동작을 설명하는 모식 평면도이다.
도 5는 제1 실시 형태의 센서 디바이스의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.
도 6은 제1 실시 형태의 센서 디바이스의 제조 공정을 설명하는 모식도로, (a)∼(c)는, 개략 구성을 공정순으로 설명하는 단면도이다.　　
도 7은 제1 실시 형태의 센서 디바이스의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 8은 제1 실시 형태의 센서 디바이스의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 9는 제2 실시 형태의 센서 디바이스의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 정단면도이다.
도 10은 제2 실시 형태의 센서 디바이스의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.
도 11은 제3 실시 형태의 모션 센서의 개략 구성을 모식적으로 나타내며, (a)는 평면도, (b)는 정단면도이다.
도 12의 (a)∼(c)는, 센서 디바이스 및, 모션 센서를 탑재한 전자 기기의 개략을 나타내는 사시도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명을 구체화한 실시 형태에 대해서 도면에 따라 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태에 따른 센서 디바이스의 개략 구성을 나타내는 모식도로, 센서 소자측으로부터 내려다 본 평면도이다. 도 2는 도 1에 나타내는 센서 디바이스의 정단면도이다.
도 1 및, 도 2에 나타내는 바와 같이, 센서 디바이스(1)는, 반도체 기판으로서의 실리콘 기판(10)과, 센서 소자로서의 진동 자이로 소자(자이로 진동편)(20)와, 베이스 기판(30)과, 와이어(40)를 구비하고 있다.
실리콘 기판(10)에는, 능동면(10a)측에 트랜지스터나 메모리 소자 등의 반도체 소자를 포함하여 구성되는 집적 회로(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 이 집적 회로에는, 진동 자이로 소자(20)를 구동 진동시키기 위한 구동 회로와, 각속도가 가해졌을 때에 진동 자이로 소자(20)에 발생하는 검출 진동을 검출하는 검출 회로가 구비되어 있다.
실리콘 기판(10)은, 능동면(10a)측에 설치된 제1 전극(11)과, 제1 전극(11)에 전기적으로 접속되어 능동면(10a)측에 설치된 외부 접속 단자(12)와, 능동면(10a)과 외부 접속 단자(12)와의 사이에 형성된 응력 완화층(15)과, 능동면(10a)측에 설치된 접속용 단자(13)를 구비하고 있다.
제1 전극(11)은, 실리콘 기판(10)의 집적 회로에 직접 도통하여 형성된 것이다. 또한, 능동면(10a) 상에는, 패시베이션막이 되는 제1 절연층(14)이 형성되어 있고, 이 제1 절연층(14)에는, 제1 전극(11) 상에 개구부(14a)가 형성되어 있다.
이러한 구성에 의해 제1 전극(11)은, 개구부(14a) 내에서 외측으로 노출된 상태가 되어 있다.
제1 절연층(14) 상에는, 제1 전극(11)이나 다른 전극을 피한 위치에, 절연 수지로 이루어지는 응력 완화층(15)이 형성되어 있다.
또한, 응력 완화층(15) 상에는, 재배치 배선으로서의 배선(16)이 형성되어 있다. 배선(16)은, 응력 완화층(15)을 관통하여 형성된 비아 홀(via hole;14b)에 의해, 제1 절연층(14)의 개구부(14a) 내에서 제1 전극(11)과 접속되어 있다. 이 배선(16)은, 집적 회로의 전극의 재배치를 행하기 위한 것으로, 실리콘 기판(10)의 소정부(所定部)에 배치된 제1 전극(11)으로부터 비아 홀(14b)을 통하여 중앙부측으로 연장되어 형성되어 있다.
이 배선(16)은, 실리콘 기판(10)의 제1 전극(11)과 외부 접속 단자(12)와의 사이를 배선하는 점에서, 일반적으로는 재배치 배선이라고 불리며, 미세 설계에 의해 위치의 제약이 큰 제1의 전극(11)에 대하여, 외부 접속 단자(12)의 위치를 임의로 옮겨 배치하여, 실리콘 기판(10)에 있어서의 진동 자이로 소자(20)와의 접속 위치의 자유도를 높이기 위한 중요한 구성 요소이다.
또한, 응력 완화층(15) 상에는, 용융 보호층(42)이 형성되어 있다. 용융 보호층(42)은, 후술하는 바와 같이 실리콘 기판(10)에 진동 자이로 소자(20)가 접속되었을 때에, 진동 자이로 소자(20)의 질량 조정부로서의 추부(27a, 27b, 28a, 28b)와 대향하는 위치를 포함하는 응력 완화층(15) 상에 형성되어 있다. 용융 보호층(42)은, 배선(16)과 동일하게 재배치 배선으로서 형성되며, 도시하지 않은 비아 홀 등을 통하여 그라운드(GND) 전위에 접속되어 있다.
또한, 용융 보호층(42)은, 질량 조정부로서의 추부(27a, 27b, 28a, 28b)와 대향하는 위치를 적어도 포함하고, 다른 실리콘 기판(10)의 능동면(10a)에 대향하는 위치의 응력 완화층(15) 상에 형성하는 것도 가능하다.
용융 보호층(42)은, 전술한 바와 같은 위치에 형성됨으로써, 응력 완화층(15)에 대한 레이저광의 차폐 효과를 발생하게 된다.
또한, 형성된 용융 보호층(42)은, 전원, 혹은 도체 기판의 능동 영역에 형성되어 있는 배선 등에 대하여 전반하는 노이즈를 그라운드(GND) 전위에 접속된 용융 보호층에 의해 차폐할 수 있기 때문에, 안정된 전원 전위의 공급을 행하는 것, 혹은 노이즈에 의한 반도체 기판의 전기적 특성에 영향을 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 실리콘 기판(10)의 능동면(10a)측에는, 배선(16)이나 응력 완화층(15) 상에 수지로 이루어지는 내열성의 제2 절연층(17)이 형성되어 있다. 또한, 제2 절연층(17)은, 솔더 레지스트라도 좋다.
이 제2 절연층(17)에는, 응력 완화층(15) 상에서 배선(16) 상에 개구부(17a)가 형성되어 있다. 이러한 구성에 의해 배선(16)은, 개구부(17a) 내에서 외측으로 노출된 상태가 되어 있다.
그리고, 이 개구부(17a) 내에 노출된 배선(16) 상에, 외부 접속 단자(12)가 배설되어 있다. 이 외부 접속 단자(12)는, 예를 들면, Au 스터드 범프(stud bump)로 형성된 돌기 전극으로 되어 있다. 또한, 외부 접속 단자(12)는, Au 스터드 범프 외에 구리, 알루미늄이나 땜납 볼 등 다른 도전성 재료로 형성할 수도 있다.
이러한 구성하에, 실리콘 기판(10)에 형성된 집적 회로는, 제1 전극(11), 배선(16), 외부 접속 단자(12)를 통하여 진동 자이로 소자(20)와 전기적으로 접속되도록 되어 있다.
이때, 센서 디바이스(1)는, 외부 접속 단자(12)가 돌기 전극으로 되어 있는 점에서, 진동 자이로 소자(20)와 실리콘 기판(10)과의 사이에 틈이 형성된다.
또한, 실리콘 기판(10)에 형성된 집적 회로에는, 제1 전극(11) 이외에 도시하지 않은 다른 전극이 형성되어 있다. 이 외의 전극은, 제1 전극(11)의 경우와 동일하게, 재배치 배선이 접속되고, 제2 절연층(17)의 개구부(17b) 내에서 외부로 노출되는 접속용 단자(13)와 접속되어 있다.
접속용 단자(13)는, 전기적, 혹은 기계적인 접속을 이루기 위한 패드 형상인 것으로, 금(Au), 알루미늄(Al) 등의 금속이 이용된 와이어(40)에 의해, 베이스 기판(30)과 접속되어 있다.
또한, 본 예에서는, 접속용 단자(13)와 베이스 기판(30)과의 접속에 와이어(40)를 이용하는 구성으로 설명했지만, 와이어(40)를 대신하여 플렉시블 배선 기판(FPC : Flexible　Printed　Circuits)을 이용하여 접속할 수도 있다.
제1 전극(11), 다른 전극, 접속용 단자(13)는, 티탄(Ti), 질화 티탄(TiN), 알루미늄(Al), 동(Cu), 또는, 이들을 포함하는 합금 등으로 형성되어 있다. 특히 접속용 단자(13)에 대해서는, 와이어 본딩시의 접합성을 높이기 위해, 그 표면에 니켈(Ni), 금(Au)의 도금을 시행하여 두는 것이 바람직하다.
이와 같이 함으로써, 특히 녹에 의한 접촉성, 접합성의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 땜납 도금, 땜납 프리코팅 등의 최표면 처리를 시행한 것으로 해도 좋다.
또한, 배선(16), 용융 보호층(42) 등의 재배치 배선은, 금(Au), 동(Cu), 은(Ag), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 티탄 텅스텐(TiW), 질화 티탄(TiN), 니켈(Ni), 니켈 바나듐(NiV), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd) 등으로 형성되어 있다.
또한, 후단에 기재하는 제2 실시 형태에서 상술하지만, 이들 배선(16) 등의 재배치 배선으로서는, 상기 재료에 의한 단층 구조뿐만 아니라, 복수 종류의 상기 재료를 조합한 적층 구조로 해도 좋다. 또한, 이들 배선(16) 등의 재배치 배선에 대해서는, 통상은 동일 공정으로 형성하기 때문에, 서로 동일한 재료가 된다.
또한, 제1 절연층(14), 제2 절연층(17)을 형성하기 위한 수지로서는, 예를 들면 폴리이미드 수지, 실리콘 변성 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 실리콘 변성 에폭시 수지, 아크릴 수지, 페놀 수지, BCB(benzocyclobutene) 및 PBO(polybenzoxazole) 등이 이용된다.
또한, 제1 절연층(14)에 대해서는, 산화 규소(SiO2), 질화 규소(Si3N4) 등의 무기 절연 재료로 형성할 수도 있다.
또한 응력 완화층(15)은, 접속용 단자(13)가 형성되는 실리콘 기판(10)의 외주부에도 형성되어 있어도 좋다.
실리콘 기판(10)의 능동면(10a)과 대향하는 면측(비(非)능동면(10b)측)에는, 베이스 기판(30)이 접착제(50)에 의해 접합(접속)되어 있다.
베이스 기판(30)은, 예를 들면 세라믹 기판과 같은 절연성 재료로 형성되어 있고, 실리콘 기판(10)과 접합되는 접속면(31)에는 접속부(32)가 형성되고, 이 접속부(32)에는, 금(Au), 은(Ag) 등의 금속 피막이 형성되어 있다.
그리고, 접속부(32)와 실리콘 기판(10)에 형성된 접속용 단자(13)가 와이어(40)에 의해 접속되어 있다.
또한, 베이스 기판(30)은, 판 형상의 기판, 주위에 측벽을 가지며 중앙부가 오목 형상의 패키지(수납 용기)를 예시할 수 있다.
베이스 기판(30)이 판 형상의 기판인 경우는, 베이스 기판(30) 상에 접속된 실리콘 기판(10)이나 진동 자이로 소자(20) 등은, 베이스 기판(30)에 접속되는 도시하지 않은 금속제 캡 등에 의해 기밀적으로 밀봉된다.
또한, 베이스 기판(30)이, 주위에 측벽을 가지며 중앙부가 오목 형상의 패키지(수납 용기)인 경우는, 패키지 내에 수납된 실리콘 기판(10)이나 진동 자이로 소자(20) 등은, 패키지의 외벽에 개구면에 접합되는 도시하지 않은 금속제 리드 등을 이용하여 기밀적으로 밀봉된다.
진동 자이로 소자(20)는, 압전 재료인 수정을 기재(주요 부분을 구성하는 재료)로 하여 형성되어 있다. 수정은, 전기축이라고 불리는 X축, 기계축이라고 불리는 Y축 및 광학축이라고 불리는 Z축을 갖고 있다.
그리고, 진동 자이로 소자(20)는, 수정 결정축에 있어서 직교하는 X축 및 Y축으로 규정되는 평면을 따라서 잘라 내져 평판 형상으로 가공되고, 평면과 직교하는 Z축 방향에 소정의 두께를 갖고 있다. 또한 소정의 두께는, 발진 주파수(공진 주파수), 외형 사이즈, 가공성 등에 의해 적절히 설정된다.
또한, 진동 자이로 소자(20)를 이루는 평판은, 수정으로부터의 잘라낸 각도의 오차를, X축, Y축 및 Z축의 각각에 대해 다소의 범위에서 허용할 수 있다. 예를 들면, X축을 중심으로 0도에서 2도의 범위에서 회전하여 잘라낸 것을 사용할 수 있다. Y축 및 Z축에 대해서도 동일하다.
진동 자이로 소자(20)는, 포토리소그래피 기술을 이용한 에칭(웨트 에칭 또는 드라이 에칭)에 의해 형성되어 있다. 또한, 진동 자이로 소자(20)는, 1매의 수정 웨이퍼로부터 복수개 취하는 것이 가능하다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 진동 자이로 소자(20)는, 더블 T형이라고 불리는 구성으로 되어 있다.
진동 자이로 소자(20)는, 중심 부분에 위치하는 기부(21)와, 기부(21)로부터 Y축을 따라서 연신된 진동부로서의 한 쌍의 검출용 진동 아암(22a, 22b)과, 검출용 진동 아암(22a, 22b)과 직교하도록, 기부(21)로부터 X축을 따라서 연신된 한 쌍의 연결 아암(23a, 23b)과, 검출용 진동 아암(22a, 22b)과 평행이 되도록, 각 연결 아암(23a, 23b)의 선단측으로부터 Y축을 따라서 연신된 진동부로서의 각 한 쌍의 구동용 진동 아암(24a, 24b, 25a, 25b)을 구비하고 있다.
또한, 진동 자이로 소자(20)는, 기부(21)로부터 Y축을 따라서 연신된 복수(본 예에서는 4개)의 보지 아암(47)과, 보지 아암(47)으로부터 연이어 설치된 2개의 소자 접속부(48a, 48b)를 구비하고 있다.
또한, 진동 자이로 소자(20)는, 검출용 진동 아암(22a, 22b)에, 도시하지 않은 검출 전극이 형성되고, 구동용 진동 아암(24a, 24b, 25a, 25b)에, 도시하지 않은 구동 전극이 형성되어 있다.
진동 자이로 소자(20)는, 검출용 진동 아암(22a, 22b)에서, 각속도를 검출하는 검출 진동계를 구성하고, 연결 아암(23a, 23b)과 구동용 진동 아암(24a, 24b, 25a, 25b)에서, 진동 자이로 소자(20)를 구동하는 구동 진동계를 구성하고 있다.
또한, 검출용 진동 아암(22a, 22b)의 각각의 선단부에는, 질량 조정부로서 추부(26a, 26b)가 형성되고, 구동용 진동 아암(24a, 24b, 25a, 25b)의 각각의 선단부에는, 질량 조정부로서의 추부(27a, 27b, 28a, 28b)가 형성되어 있다.
그리고, 폭이 넓은 형상을 이루는 추부(26a, 26b, 27a, 27b, 28a, 28b)의 각각의 면 상에는, 튜닝용의 추전극(41)이 형성되어 있다.
이들 구성을 이용함으로써, 진동 자이로 소자(20)는, 소형화 및 각속도의 검출 감도의 향상이 도모되고 있다.
진동 자이로 소자(20)는, 평면에서 볼 때에 있어서, 실리콘 기판(10)과 겹치도록 실리콘 기판(10)의 능동면(10a)측에 배치되어 있다.
또한, 진동 자이로 소자(20)는, 기부(21) 및 각 진동 아암의 표리면을 주면으로 한다. 여기에서는, 기부(21)에 있어서 외부와 전기적으로 접속하는 면을 한쪽의 주면(20a)이라고 하고, 한쪽의 주면(20a)과 대향하는 면을 다른 한쪽의 주면(20b)이라고 한다.
진동 자이로 소자(20)의 소자 접속부(48a, 48b)의 한쪽의 주면(20a)에는, 상기 각 검출 전극, 각 구동 전극으로부터 인출된, 접속 전극으로서의 인출 전극(29)이 형성되어 있고, 각 인출 전극(29)과 실리콘 기판(10)의 외부 접속 단자(12)가, 도전성 접착제(48)에 의해 전기적 및 기계적으로 접속되어 있다.
이에 따라, 진동 자이로 소자(20)는, 실리콘 기판(10)에 보지되어 있다.
여기에서, 센서 디바이스(1)의 진동 자이로 소자(20)의 동작에 대해서 설명한다.
도 3 및 도 4는, 진동 자이로 소자의 동작을 설명하는 모식 평면도이다. 도 3은 구동 진동 상태를 나타내고, 도 4(a), 도 4(b)는, 각속도가 가해진 상태에 있어서의 검출 진동 상태를 나타내고 있다.
또한, 도 3 및 도 4에 있어서, 진동 상태를 간단하게 표현하기 위해, 각 진동 아암은 선으로 나타내고 있고, 보지 아암(47) 및 접속부는 생략하고 있다.
도 3에 있어서, 진동 자이로 소자(20)의 구동 진동 상태를 설명한다.
우선, 실리콘 기판(10)의 집적 회로(구동 회로)로부터 구동 신호가 인가됨으로써, 진동 자이로 소자(20)는 각속도가 가해지지 않은 상태에 있어서, 구동용 진동 아암(24a, 24b, 25a, 25b)이 화살표 E로 나타내는 방향으로 굴곡 진동을 행한다. 이 굴곡 진동은, 실선으로 나타내는 진동 자태와 이점쇄선으로 나타내는 진동 자태를 소정의 주파수로 반복하고 있다.
다음으로, 이 구동 진동을 행하고 있는 상태에서, 진동 자이로 소자(20)에 Z축 주위의 각속도(ω)가 가해지면, 진동 자이로 소자(20)는, 도 4에 나타내는 바와 같은 진동을 행한다.
우선, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 구동 진동계를 구성하는 구동용 진동 아암(24a, 24b, 25a, 25b) 및 연결 아암(23a, 23b)에는, 화살표 B방향의 코리올리력(Coriolis force)이 작용한다. 또한 동시에, 검출용 진동 아암(22a, 22b)은, 화살표 B방향의 코리올리력에 호응하여, 화살표 C방향으로 변형된다.
그 후, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 구동용 진동 아암(24a, 24b, 25a, 25b) 및 연결 아암(23a, 23b)에는, 화살표 B＇방향으로 돌아오는 힘이 작용한다. 또한 동시에, 검출용 진동 아암(22a, 22b)은, 화살표 B＇방향의 힘에 호응하여, 화살표 C＇방향으로 변형된다.
진동 자이로 소자(20)는, 이 일련의 동작을 교대로 반복하여 새로운 진동이 여기된다.
또한, 화살표 B, B＇방향의 진동은, 중심(重心; G)에 대하여 둘레 방향의 진동이다. 그리고, 진동 자이로 소자(20)는, 검출용 진동 아암(22a, 22b)에 형성된 검출 전극이, 진동에 의해 발생한 수정의 변형을 검출함으로써 각속도가 구해진다.
여기에서, 제1 실시 형태의 센서 디바이스(1)의 제조 방법에 대해서 설명한다.
도 5는 센서 디바이스의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이고, 도 6∼도 8은, 각 제조 공정을 설명하는 모식도이다.
도 6(a)∼(c)는 실리콘 기판 부분의 제조 공정을 공정순으로 설명하는 단면도이다.
도 7은 실리콘 기판측과 베이스 기판과의 접속 부분을 나타내는 정단면도이다.
도 8은 진동 자이로 소자가 접속된 상태의 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 센서 디바이스(1)의 제조 방법은, 제1 전극 형성 공정(S1)과, 응력 완화층 형성 공정(S2)과, 접속용 배선 형성 공정(S3)과, 외부 접속 단자 형성 공정(S4)과, 베이스 기판 준비 공정(S5)과, 베이스 기판 접속 공정(S6)과, 접속용 단자 접속 공정(S7)과, 진동 자이로 소자 준비 공정(S8)과, 진동 자이로 소자 접속 공정(S9)과, 진동 자이로 소자 튜닝 공정(S10)을 포함하고 있다.
[제1 전극 형성 공정(S1)]
우선, 실리콘 기판(10)을 준비한다.
이어서, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 능동면(10a) 상의, 집적 회로의 도전부가 되는 위치에, 제1 전극(11) 및 도시하지 않은 다른 전극을 형성한다.
[응력 완화층 형성 공정(S2)]
이어서, 제1 전극(11) 및 다른 전극을 덮어 실리콘 기판(10) 상에 제1 절연층(14)을 형성하고, 또한, 이 제1 절연층(14)을 덮어 응력 완화층(15)의 베이스가 되는 수지층(도시하지 않음)을 형성한다.
이어서, 주지의 포토리소그래피법 및 에칭법에 의해 수지층을 패터닝하여, 소정의 형상, 즉 제1 전극(11)의 바로 위 위치(비아 홀(14b))나 다른 전극의 바로 위 위치를 제외한 실리콘 기판(10)의 중앙부에, 응력 완화층(15)을 형성한다.
또한 응력 완화층(15)은, 접속용 단자(13)가 형성되는 실리콘 기판(10)의 외주부에도 형성해도 좋다.
또한, 주지의 포토리소그래피법 및 에칭법에 의해 제1 전극(11) 및 다른 전극을 덮는 제1 절연층(14)의 일부를 제거하여, 개구부(14a)를 형성한다. 이에 따라, 이들 개구부(14a) 내에 제1 전극(11) 및 다른 전극을 노출시킨다.
[접속용 배선 형성 공정(S3)]
이어서, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 제1 전극(11)에 비아 홀(14b)을 개재하여 접속하는 배선(16)을 형성함과 함께, 다른 전극에 접속하는 용융 보호층(42) 등의 재배치 배선(도시하지 않음)을 형성한다. 이들 배선(16), 용융 보호층(42) 등의 재배치 배선의 형성에 대해서는, 개구부(14a) 내에서 제1 전극(11), 혹은 도시하지 않은 다른 개구부에 설치된 다른 전극에 도통하도록 하여 도전 재료, 예를 들면 티탄 텅스텐(TiW), 구리(Cu)를 이 순으로 스퍼터법으로 성막하고, 배선 형상으로 패터닝한 후, 얻어진 패턴 상에 구리(Cu)를 도금법으로 적층하는 것 등에 의해 행한다.
또한, 특히 재배치 배선의 선단측, 즉 접속용 단자(13)측은, 패드 형상으로 패터닝해 둠으로써, 이 부분을 접속용 단자(13)로 한다.
그리고, 특히 이 접속용 단자(13)에 대해서는, 그 표면에 니켈(Ni), 금(Au)의 도금을 행함으로써, 와이어 본딩시의 접합성을 높여 둔다. 또한, 땜납 도금, 땜납 프리코팅 등의 최표면 처리를 행한 것으로 해도 좋다.
[외부 접속 단자 형성 공정(S4)]
이어서, 배선(16), 재배치 배선 및, 접속용 단자(13)를 덮어 제2 절연층(17)을 형성하고, 또한, 주지의 포토리소그래피법 및 에칭법에 의해 배선(16)의, 제1 전극(11)측과는 반대의 측을 덮는 제2 절연층(17)의 일부를 제거하여, 개구부(17a)를 형성한다.
이에 따라, 당해 개구부(17a) 내에 배선(16)을 노출시킨다. 또한, 이와 함께, 접속용 단자(13)를 덮는 제2 절연층(17)의 일부도 제거하여, 개구부(17b)를 형성함으로써, 당해 개구부(17b) 내에 접속용 단자(13)를 노출시킨다.
그 후, 도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 개구부(17a) 내에 노출되는 배선(16) 상에, Au 스터드 범프로 형성된 외부 접속 단자(12)를 형성한다. 또한 외부 접속 단자(12)는, Au 스터드 범프 외에 구리, 알루미늄이나 땜납 볼, 땜납 페이스트의 인쇄 등 다른 도전성 재료로 형성할 수도 있다.
또한, 실리콘 기판(10)은, 통상, 실리콘 웨이퍼에 복수개 취해지기 때문에, 다이싱 장치 등에 의해 다이싱(절단)하여, 개편화(個片化)함으로써 얻어진다.
[베이스 기판 준비 공정(S5)]
이어서, 세라믹 기판 등으로 형성된 베이스 기판(30)(도 7 참조)을 준비한다. 베이스 기판(30)의 일면에는, 실리콘 기판(10)과의 전기적 접속을 행하기 위한 접속부(32)가 형성되어 있다.
[베이스 기판 접속 공정(S6)]
이어서, 실리콘 기판(10)의 비능동면(10b)측을, 베이스 기판(30)의 접속부(32)의 형성되어 있는 일면인 접속면(31)에 접착제(50)(도 7 참조)에 의해 접속(접합)한다.
[접속용 단자 접속 공정(S7)]
이어서, 도 7에 나타내는 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 접속용 단자(13)와 베이스 기판(30)의 접속부(32)를, 와이어 본딩법에 의해 와이어(40)를 이용하여 접속한다.
[진동 자이로 소자 준비 공정(S8)]
이어서, 전술한 구성으로 수정 웨이퍼로부터 개편화한 진동 자이로 소자(20)를 준비한다.
[진동 자이로 소자 접속 공정(S9)]
이어서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 진동 자이로 소자(20)를 실리콘 기판(10)에 올려놓고, 실리콘 기판(10)의 외부 접속 단자(12)와, 진동 자이로 소자(20)의 소자 접속부(48a, 48b)의 한쪽의 주면(20a)에 형성된 인출 전극(29)을 접속한다.
[진동 자이로 소자 튜닝 공정(S10)]
이어서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 레이저광(49)을 이용하여 진동 자이로 소자(20)의 튜닝을 행한다.
튜닝은, 진동 자이로 소자(20)의 추부(26a, 26b, 27a, 27b, 28a, 28b)의 각각에 형성된 추전극(41)에, 집광된 레이저광(49)을 조사하여 행한다. 레이저광(49)이 조사된 추전극(41)은, 레이저광(49)의 에너지에 의해 용융, 증발된다. 이 추전극(41)의 용융, 증발에 의해, 검출용 진동 아암(22a, 22b), 구동용 진동 아암(24a, 24b, 25a, 25b)의 질량이 변화한다. 이에 따라, 검출용 진동 아암(22a, 22b), 구동용 진동 아암(24a, 24b, 25a, 25b)의 공진 주파수가 변화하여, 각 진동 아암의 밸런스 조정(튜닝)을 행할 수 있다.
이때, 추전극(41)을 용융, 증발시킨 레이저광(49)이, 진동 자이로 소자(20)를 투과하는 경우가 있지만, 본 예의 구성에서는, 추부(26a, 26b, 27a, 27b, 28a, 28b)의 각각에 대향하는 위치에는 용융 보호층(42)이 형성되어 있기 때문에, 레이저광(49)은, 응력 완화층(15)에 도달하는 일은 없다. 이에 따라, 진동 자이로 소자(20)를 투과한 레이저광(49)에 의해 응력 완화층(15)이 용융되는 일이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 실시 형태의 센서 디바이스(1)는, 실리콘 기판(10)의 능동면(10a)측에 설치된 접속용 단자(13)를 갖고, 응력 완화층(15)을 개재하여 제1 전극(11)과 전기적으로 접속된 외부 접속 단자(12)와, 진동 자이로 소자(20)의 기부(21)의 인출 전극(29)이 접속되어 있다.
이들에 의해, 센서 디바이스(1)는, 접속용 단자(13)에 의한 실리콘 기판(10)의 베이스 기판(30)과의 접속이 가능함과 함께, 실리콘 기판(10)과 외부 접속 단자(12)와의 사이에 형성되어 있는 응력 완화층(15)에 의해, 외부로부터 가해지는 충격 등이 흡수되어 완화된다.
이 결과, 센서 디바이스(1)는, 외부로부터 가해지는 충격 등이 진동 자이로 소자(20)에 전달되기 어려워지는 점에서, 실리콘 기판(10)의 외부 접속 단자(12)와 진동 자이로 소자(20)가, 종래와 같은 리드선 등을 개재하지 않고 직접적으로 접속하는 것이 가능해진다.
따라서, 센서 디바이스(1)는, 리드선의 휨량을 고려한 공극이 불필요해지는 점에서, 종래의 구성과 비교하여, 두께를 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 센서 디바이스(1)는, 제1 전극(11)과 외부 접속 단자(12)와의 전기적 접속이, 실리콘 기판(10)의 능동면(10a)측에 설치된 재배치 배선(배선(16) 등)에 의해 이루어지고 있는 점에서, 재배치 배선에 의해 외부 접속 단자(12)의 위치나 그 배열을 자유롭게(임의로) 설계할 수 있다.
또한, 센서 디바이스(1)는, 외부 접속 단자(12)가 돌기 전극인 점에서, 진동 자이로 소자(20)와 실리콘 기판(10)과의 사이에 극간을 형성하는 것이 가능해져, 진동 자이로 소자(20)와 실리콘 기판(10)과의 접촉을 회피하는 것이 가능해진다.
이에 따라, 센서 디바이스(1)는, 진동 자이로 소자(20)의 안정적인 구동을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 센서 디바이스(1)는, 응력 완화층(15) 면에 형성된 용융 보호층(42)에 의해, 진동 자이로 소자(20)와 응력 완화층(15)과의 간격이 좁아짐으로써 발생하기 쉬웠던, 진동 자이로 소자(20)를 투과한 레이저광(49)에 의한 응력 완화층(15)의 용융을 막을 수 있다. 이에 따라, 응력 완화층(15)이 용융할 때에 발생하는 용융 알갱이가 진동 자이로 소자(20)의 주면(20a)에 부착하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 부착한 응력 완화층(15)의 용융 알갱이의 부착, 탈락 등에 의한 튜닝의 불균일 등 진동 자이로 소자(20)의 전기적 특성의 열화를 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 진동 자이로 소자(20)를 투과한 레이저광(49)이, 응력 완화층(15)을 투과하고, 실리콘 기판(10)의 능동면(10a) 상에 도달하여, 능동면(10a) 상의 집적 회로 등을 파손하는 것도 방지할 수 있다. 상기 구성은, 더욱더 박형이 요구되는 센서 디바이스에 있어서, 특히 적합하다.
또한, 센서 디바이스(1)의 제조 방법은, 상기의 효과를 나타내는 센서 디바이스(1)를 제조하여, 제공할 수 있다.
또한, 접속 전극으로서의 인출 전극(29)은, 소자 접속부(48a, 48b) 이외의 부분, 예를 들면 기부(21)의 주면(20a)에 형성되어 있어도 좋다.
또한, 이 형태는, 이후의 실시 형태에도 적용된다.
(제2 실시 형태)
도 9, 도 10을 이용하여 제2 실시 형태의 센서 디바이스에 대해서 설명한다. 도 9는, 제2 실시 형태에 따른 센서 디바이스의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 정단면도이고, 도 10은, 제2 실시 형태의 센서 디바이스의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.
또한, 본 제2 실시 형태에 따른 센서 디바이스는, 상기 제1 실시 형태의 구성과 응력 완화층 및 재배치 배선의 구성이 상이한 것이다. 상기 제1 실시 형태와의 공통 부분에 대해서는, 동일 부호를 붙여 설명을 생략하고, 상기 제1 실시 형태와 상이한 부분을 중심으로 설명한다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 제2 실시 형태의 센서 디바이스(60)는, 제1 응력 완화층으로서의 응력 완화층(15)과 제1 접속용 배선으로서의 배선(16)을 포함하는 재배치 배선과, 제2 응력 완화층으로서의 응력 완화층(45)과 제2 접속용 배선으로서의 배선(44)을 포함하는 재배치 배선이 적층된 구성이다.
실리콘 기판(10) 및, 진동 자이로 소자(20)의 구성은 제1 실시 형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
제1 절연층(14) 상에는, 제1 전극(11)이나 다른 전극을 피한 위치에, 절연 수지로 이루어지는 응력 완화층(15)이 형성되어 있다.
또한, 응력 완화층(15) 상에는, 재배치 배선으로서의 배선(16)이 형성되어 있다. 배선(16)은, 응력 완화층(15)을 관통하여 형성된 비아 홀(14b)에 의해, 제1 절연층(14)의 개구부(14a) 내에서 제1 전극(11)과 접속되어 있다. 이 배선(16)은, 집적 회로의 전극의 재배치를 행하기 위한 것으로, 실리콘 기판(10)의 소정부에 배치된 제1 전극(11)으로부터 비아 홀(14b)을 통하여 중앙부측으로 연장되어 형성되어 있다.
또한, 응력 완화층(15), 배선(16) 등의 위에는, 다른 1층의 응력 완화층(45), 배선(44), 용융 보호층(42)이 형성되어 있다. 배선(44)은, 응력 완화층(45)에 형성된 비아 홀(43) 등에 의해 배선(16)과 접속되어 있다. 또한 배선(44)의 접속은, 도시하지 않은 다른 배선이나 단자와 접속되어도 좋다.
용융 보호층(42)은, 후술하는 바와 같이 실리콘 기판(10)에 진동 자이로 소자(20)가 접속되었을 때에, 진동 자이로 소자(20)의 질량 조정부로서의 추부(27a, 27b, 28a, 28b)와 대향하는 위치에 적어도 형성되어 있다. 용융 보호층(42)은, 배선(44)과 동일하게 재배치 배선으로서 형성되며, 도시하지 않은 비아 홀, 혹은 배선 등을 통하여 그라운드(GND) 전위에 접속되어 있다.
또한, 용융 보호층(42)은, 질량 조정부로서의 추부(27a, 27b, 28a, 28b)와 대향하는 위치를 포함하는 실리콘 기판(10)의 능동면(10a)에 대향하여 형성할 수도 있다.
형성된 용융 보호층(42)은, 전원, 혹은 도체 기판의 능동 영역에 형성되어 있는 배선 등에 대하여 전반하는 노이즈를 그라운드(GND) 전위에 접속된 용융 보호층에 의해 차폐할 수 있기 때문에, 안정된 전원 전위의 공급을 행하는 것, 혹은 노이즈에 의한 반도체 기판의 전기적 특성에 영향을 방지하는 것이 가능해진다.
그리고, 배선(44) 상에, 외부 접속 단자(12)가 배설되어 있다. 이 외부 접속 단자(12)는, 제1 실시 형태와 동일하게 범프 형상으로 형성된 돌기 전극으로 되어 있다.
이러한 구성하에, 실리콘 기판(10)에 형성된 집적 회로는, 제1 전극(11), 배선(16), 배선(44), 외부 접속 단자(12) 등을 개재하여 진동 자이로 소자(20)와 전기적으로 접속되어 있다.
여기에서, 제2 실시 형태의 센서 디바이스(60)의 제조 방법에 대해서 설명한다.
도 10은, 센서 디바이스의 제조 공정을 나타내는 플로우 차트이다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 센서 디바이스(60)의 제조 방법은, 제1 전극 형성 공정(S101)과, 제1 응력 완화층 형성 공정(S102)과, 제1 접속용 배선 형성 공정(S103)과, 제2 응력 완화층 형성 공정(S104)과, 제2 접속용 배선 형성 공정(S105)과, 외부 접속 단자 형성 공정(S106)과, 베이스 기판 준비 공정(S107)과, 베이스 기판 접속 공정(S108)과, 접속용 단자 접속 공정(S109)과, 진동 자이로 소자 준비 공정(S110)과, 진동 자이로 소자 접속 공정(S111)과, 진동 자이로 소자 튜닝 공정(S112)을 포함하고 있다.
이하의 설명에서는, 제1 실시 형태에서 설명한 제조 공정과 상이한 제1 응력 완화층 형성 공정(S102)과, 제1 접속용 배선 형성 공정(S103)과, 제2 응력 완화층 형성 공정(S104)과, 제2 접속용 배선 형성 공정(S105)에 대해서 설명하고, 제1 실시 형태와 동일한 다른 공정의 설명은 생략한다.
[제1 응력 완화층 형성 공정(S102)]
제1 전극 형성 공정(S101)에 이어서, 제1 전극(11) 및 다른 전극을 덮어 실리콘 기판(10) 상에 제1 절연층(14)을 형성하고, 또한, 이 제1 절연층(14)을 덮어 제1 응력 완화층으로서의 응력 완화층(15)의 베이스가 되는 수지층(도시하지 않음)을 형성한다.
이어서, 주지의 포토리소그래피법 및 에칭법에 의해 수지층을 패터닝하여, 소정의 형상, 즉 제1 전극(11)의 바로 위 위치(비아 홀(14b))나 다른 전극의 바로 위 위치를 제외한 실리콘 기판(10)의 중앙부에, 응력 완화층(15)을 형성한다.
또한, 응력 완화층(15)은, 접속용 단자(13)가 형성되는 실리콘 기판(10)의 외주부에도 형성해도 좋다.
또한, 주지의 포토리소그래피법 및 에칭법에 의해 제1 전극(11) 및 다른 전극을 덮는 제1 절연층(14)의 일부를 제거하여, 개구부(14a)를 형성한다. 이에 따라, 이들 개구부(14a) 내에 제1 전극(11) 및 다른 전극을 노출시킨다.
[제1 접속용 배선 형성 공정(S103)]
이어서, 제1 전극(11)에 비아 홀(14b)을 통하여 접속하는 배선(16)을 형성함과 함께, 다른 전극에 접속하는 재배치 배선(도시하지 않음)을 형성한다. 이들 배선(16), 재배치 배선의 형성에 대해서는, 개구부(14a) 내에서 제1 전극(11), 혹은, 도시하지 않은 다른 개구부에 설치된 다른 전극에 도통하도록 하여 도전 재료, 예를 들면 티탄 텅스텐(TiW), 구리(Cu)를 이 순으로 스퍼터법으로 성막하고, 배선 형상으로 패터닝한 후, 얻어진 패턴 상에 구리(Cu)를 도금법으로 적층하는 것 등에 의해 행한다.
또한, 특히 재배치 배선의 선단측, 즉 접속용 단자(13)측은, 패드 형상으로 패터닝해 둠으로써, 이 부분을 접속용 단자(13)로 한다.
그리고, 특히 이 접속용 단자(13)에 대해서는, 그 표면에 니켈(Ni), 금(Au)의 도금을 시행함으로써, 와이어 본딩시의 접합성을 높여 둔다. 또한, 땜납 도금, 땜납 프리코팅 등의 최표면 처리를 행한 것으로 해도 좋다.
[제2 응력 완화층 형성 공정(S104)]
이어서, 응력 완화층(15) 상에 제2 응력 완화층으로서의 응력 완화층(45)의 베이스가 되는 수지층(도시하지 않음)을 형성한다.
이어서, 주지의 포토리소그래피법 및 에칭법에 의해 수지층을 패터닝하여, 소정의 형상, 즉, 배선(16)과 후술하는 배선(44)을 접속하기 위한 비아 홀(43)이나 다른 전극의 바로 위 위치를 제외한 실리콘 기판(10)의 중앙부에 응력 완화층(45)을 형성한다.
또한, 응력 완화층(45)은, 접속용 단자(13)가 형성되는 실리콘 기판(10)의 외주부에도 형성해도 좋다.
[제2 접속용 배선 형성 공정(S105)]
이어서, 응력 완화층(45) 상에 제2 접속용 배선으로서의 배선(44)을 형성함과 함께, 다른 전극에 접속하는 용융 보호층(42) 등의 재배치 배선(도시하지 않음)을 형성한다. 이들 배선(44), 용융 보호층(42) 등의 재배치 배선의 형성에 대해서는, 비아 홀(43), 혹은, 도시하지 않은 다른 개구부에 설치된 다른 전극에 도통하도록 하여 도전 재료, 예를 들면 티탄 텅스텐(TiW), 구리(Cu)를 이 순으로 스퍼터법으로 성막하고, 배선 형상으로 패터닝한 후, 얻어진 패턴 상에 구리(Cu)를 도금법으로 적층하는 것 등에 의해 행한다.
이어서, 외부 접속 단자 형성 공정(S106)이 되지만, 이 외부 접속 단자 형성 공정(S106) 이후의 공정은 전술의 제1 실시 형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
상기 구성의 제2 실시 형태의 센서 디바이스(60)에 의하면, 제1 실시 형태의 효과에 더하여, 응력 완화층, 배선, 재배치 배선 등을 다층 구조로 함으로써, 재배치 배선의 배선 인회의 자유도가 높아져, 용융 보호층(42)의 형성 영역을 확대하는 것이 가능해진다. 환언하면, 용융 보호층(42)의 형성 패턴의 자유도를 높이는 것이 가능해져, 센서 디바이스(60)의 더욱더 소형화에 기여하는 것이 가능해진다.
상기 제 2 실시 형태에서는, 제2 응력 완화층으로서의 응력 완화층(45) 상에 용융 보호층(42)을 형성하는 예로 설명했지만, 용융 보호층(42)은, 제1 응력 완화층으로서의 응력 완화층(15)의 상면, 환언하면 제1 응력 완화층으로서의 응력 완화층(15)과 제2 응력 완화층으로서의 응력 완화층(45)과의 사이에 형성되어 있어도 좋다. 이러한 구성을 이용해도, 진동 자이로 소자(20)를 투과한 레이저광(49)이, 응력 완화층(15, 45)을 투과하고, 실리콘 기판(10)의 능동면(10a) 상에 도달하여, 능동면(10a) 상의 집적 회로 등을 파손하는 것을 방지할 수 있다.
(제3 실시 형태)
도 11은, 제3 실시 형태의 모션 센서로서의 자이로 센서의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 도 11(a)는, 자이로 센서를 패키지 상면으로부터 내려다 본 평면도이고, 도 11(b)는, (a)의 정단면도이다.
또한, 도 11(a)에서는, 리드를 편의상 생략하고 있다. 또한, 상기 제1, 제2 실시 형태와의 공통 부분에 대해서는, 설명을 생략한다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 모션 센서로서의 자이로 센서(100)는, 3개의 센서 디바이스(이하, 센서 디바이스(1a), 센서 디바이스(1b), 센서 디바이스(1c)로 칭하지만, 상기 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에서 설명한 센서 디바이스(1, 60)와 동일함)와, 각 센서 디바이스를 내부에 수납하는 대략 직방체 형상의 패키지(80)를 갖고, 센서 디바이스(1a), 센서 디바이스(1b), 센서 디바이스(1c)가 패키지(80)의 내부에 배치되고 수납되어 있다.
패키지(80)는, 저면(底面)(83)과 벽면(81, 82)을 포함하는 내면을 갖는 오목부가 형성되어 있다. 이 오목부는, 센서 디바이스(1a), 센서 디바이스(1b), 센서 디바이스(1c)의 수납 후, 리드(덮개체)(84)에 의해 덮인다.
패키지(80)는, 세라믹 그린 시트를 성형하여 적층하고, 소성한 산화 알루미늄질 소결체 등이 이용되고 있다. 또한, 리드(84)에는, 코바 등의 금속, 유리, 세라믹 등이 이용되고 있다.
센서 디바이스(1a)는, 진동 자이로 소자(201)의 한쪽의 주면(20a)(도 2 참조, 이하 참조의 기재는 생략함) 또는 다른 한쪽의 주면(20b)(도 2 참조, 이하 참조의 기재는 생략함)과, 패키지(80)의 오목부의 저면(83)이, 대략 평행이 되도록 패키지(80)의 저면(83)에 고정, 접속되어 있다. 그리고, 센서 디바이스(1a)는, 도시하지 않은 패키지 내부 전극과 전기적으로 접속되어 있다.
다른 2개의 센서 디바이스(1b, 1c)는, 각각의 진동 자이로 소자(201, 202, 203)의 한쪽의 주면(20a) 또는 다른 한쪽의 주면(20b)끼리가 이루는 각도가 대략 직각이 되도록, 패키지(80)의 내부에 배치되고 수납되어 있다.
센서 디바이스(1b)는, 패키지(80)의 벽면(81)에 고정, 접속되고, 센서 디바이스(1c)는, 패키지(80)의 벽면(82)에 고정, 접속되어 있다. 2개의 센서 디바이스(1b, 1c)도, 도시하지 않은 패키지 내부 전극과 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 패키지 내부 전극은, 패키지(80)의 외부에 설치된 외부 전극(도시하지 않음)과 전기적으로 접속되어 있다. 외부 전극, 내부 전극은, 텅스텐(W) 등의 메탈라이징 층에, 니켈(Ni), 금(Au) 등의 각 피막을 도금 등에 의해 적층한 금속 피막으로 이루어진다.
자이로 센서(100)는, 각 센서 디바이스(1a, 1b, 1c)가, 패키지(80)의 내부에 상기와 같이 배치되고 수납된 상태에서, 리드(84)가 시임 링, 저(低)융점 유리 등의 접합 부재에 의해 패키지(80)의 상면에 접합된다.
이에 따라, 패키지(80)의 내부는, 기밀하게 밀봉된다. 또한 패키지(80) 내부는, 각 센서 디바이스의 진동 자이로 소자(201, 202, 203)의 진동이 저해되지 않도록, 진공 상태(진공도가 높은 상태)로 보지되어 있는 것이 바람직하다.
여기에서, 자이로 센서(100)의 동작에 대해서 개략을 설명한다.
여기에서는, 패키지(80)의 저면(83)이, 서로 직교하는 3축인 X＇축, Y＇축, Z＇축으로 대하여, X＇축 및 Y＇축과 평행이며, Z＇축과 직교하고 있는 것으로 한다.
이에 따라, 외력 등에 의해 자이로 센서(100)의 자세가 변화하여, 각속도가 가해진 경우, 진동 자이로 소자(201)의 한쪽의 주면(20a) 또는 다른 한쪽의 주면(20b)과 패키지(80)의 저면(83)이, 대략 평행이 되도록 패키지(80)의 내부에 수납되어 있는 센서 디바이스(1a)는, 진동 자이로 소자(201)의 한쪽의 주면(20a) 또는 다른 한쪽의 주면(20b)과 Z＇축이 대략 직교하고 있는 점에서, Z＇축 주위에 대한 각속도를 검출한다.
한편, 진동 자이로 소자(202, 203)의 한쪽의 주면(20a) 또는 다른 한쪽의 주면(20b)끼리가 이루는 각도가 대략 직각이 됨과 함께, 각 진동 자이로 소자(202, 203)의 한쪽의 주면(20a) 또는 다른 한쪽의 주면(20b)과 센서 디바이스(1a)의 진동 자이로 소자(201)의 한쪽의 주면(20a) 또는 다른 한쪽의 주면(20b)이 이루는 각도가 대략 직각이 되도록, 패키지(80)의 내부에 수납되어 있는 2개의 센서 디바이스(1b, 1c)는, 한쪽이, 진동 자이로 소자(202)의 한쪽의 주면(20a) 또는 다른 한쪽의 주면(20b)과 X＇축이 대략 직교하고 있는 점에서, X＇축 주위에 대한 각속도를 검출하고, 다른 한쪽이, 진동 자이로 소자(203)의 한쪽의 주면(20a) 또는 다른 한쪽의 주면(20b)과 Y＇축이 대략 직교하고 있는 점에서, Y＇축 주위에 대한 각속도를 검출한다.
이에 따라, 자이로 센서(100)는, 서로 직교하는 3축인 X＇축, Y＇축, Z＇축 주위에 대한 각속도를, 1개의 자이로 센서(100)로 검출할 수 있다.
이 점에서, 자이로 센서(100)는, 촬상 기기의 손떨림 보정이나, GPS(Global　Positioning　System) 위성 신호를 이용한 이동체 내비게이션 시스템에 있어서의 차량 등의 자세 검출, 자세 제어 등에 적합하게 이용된다.
또한, 자이로 센서(100)는, 상기 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에 기재된 센서 디바이스를 이용하고 있기 때문에, 상기 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에 기재된 센서 디바이스와 동등한 효과를 갖고 있다. 즉, 자이로 센서(100)는, 전기적 특성이 안정된 소형, 박형화를 실현하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 제 3 실시 형태의 모션 센서로서의 자이로 센서(100)에서는, 3개의 센서 디바이스(1a, 1b, 1c)를 이용한 예로 설명했지만, 센서 디바이스의 수는 이에 한정되지 않고, 1개 이상이면 좋다. 예를 들면, 센서 디바이스를, 1개 이용하면, 1축 방향의 각속도의 검출이 가능하며, 예를 들면, 2개의 센서 디바이스를 이용하면, 상이한 2축 방향의 각속도의 검출이 가능해진다.
(전자 기기)
이하, 상기 센서 디바이스 및, 모션 센서를 탑재한 전자 기기에 대해서, 도 12를 참조하여 설명한다. 도 12(a)∼(c)는, 센서 디바이스 및, 모션 센서를 탑재한 전자 기기에 대해서 설명하기 위한 개략도이다.
도 12(a)는, 휴대 전화에 적용예이다. 휴대 전화(230)는, 안테나부(231),음성 출력부(232), 음성 입력부(233), 조작부(234) 및, 표시부(200)를 구비하고 있고, 도시하지 않은 제어 회로부에 상기 센서 디바이스 및, 모션 센서가 탑재되어 있다.
도 12(b)는, 비디오 카메라에 적용예이다. 비디오 카메라(240)는, 수상부(241), 조작부(242), 음성 입력부(243) 및, 표시부(200)를 구비하고 있고, 도시하지 않은 제어 회로부에 상기 센서 디바이스 및, 모션 센서가 탑재되어 있다.
도 12(c)는, 정보 휴대 단말(PDA：Personal　Digital　Assistants)에 적용예이다. 정보 휴대 단말(400)은, 복수의 조작 버튼(401) 및 전원 스위치(402) 및, 표시부(200)를 구비하고 있고, 도시하지 않은 제어 회로부에 상기 센서 디바이스 및, 모션 센서가 탑재되어 있다.
이와 같이 탑재되어 있는 센서 디바이스 및, 모션 센서는, 소형임과 함께 안정된 전기 특성을 갖고 있어, 전자 기기의 소형화, 특성의 안정화에 기여할 수 있다.
또한 상기 센서 디바이스 및, 모션 센서가 탑재되는 전자 기기로서는, 도 12에 나타내는 것 외에, 게임기, 게임기 단말, 디지털 스틸 카메라, 카 내비게이션 장치, 워크스테이션, 화상 전화 등을 들 수 있다. 그리고, 이들 각종 전자 기기의 모션 센싱 기능을 수행하는 부재로서 적합하다.
1, 60, 1a, 1b, 1c : 센서 디바이스
100 : 모션 센서로서의 자이로 센서
10 : 반도체 기판으로서의 실리콘 기판
10a : 능동면
10b : 비능동면
11 : 제1 전극
12 : 외부 접속 단자
13 : 접속용 단자
14 : 제1 절연층
14a : 개구부
14b : 비아 홀
15, 45 : 응력 완화층
16 : 재배치 배선으로서의 배선
17 : 제2 절연층
17a : 개구부
20, 201, 202, 203 : 센서 소자로서의 진동 자이로 소자
20a : 한쪽의 주면
20b : 다른 한쪽의 주면
21 : 기부
22a, 22b : 진동부로서의 검출용 진동 아암
23a, 23b : 연결 아암
24a, 24b, 25a, 25b : 진동부로서의 구동용 진동 아암
26a, 26b, 27a, 27b, 28a, 28b : 추부
29 : 접속 전극으로서의 인출 전극
30 : 베이스 기판
31 : 접속면
32 : 접속부
40 : 와이어
41 : 추전극
42 : 용융 보호층
43 : 비아 홀
44 : 배선
47 : 보지 아암
48 : 도전성 접착제
48a, 48b : 소자 접속부
49 : 레이저광
50 : 접착제
80 : 패키지
81, 82 : 벽면
83 : 저면
84 : 리드
200 : 표시부
230 : 휴대 전화
231 : 안테나부
232 : 음성 출력부
233 : 음성 입력부
234 : 조작부
240 : 비디오 카메라
241 : 수상부
242 : 조작부
243 : 음성 입력부
400 : 정보 휴대 단말
401 : 복수의 조작 버튼
402 : 전원 스위치

Claims (11)

  1. 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 능동면측에 설치된 제1 전극과,
    상기 제1 전극에 전기적으로 접속되어 상기 능동면측에 설치된 외부 접속 단자와,
    상기 반도체 기판과 상기 외부 접속 단자와의 사이에 형성된 응력 완화층과,
    상기 반도체 기판의 상기 능동면측에 설치된 접속용 단자와,
    기부(base)와 당해 기부로부터 연신된 진동부 및 접속부와 상기 진동부에 형성된 질량 조정부를 구비한 센서 소자를 갖고,
    상기 센서 소자는, 상기 접속부와 상기 외부 접속 단자와의 접속에 의해 상기 반도체 기판에 보지(holding)되어 있고,
    상기 응력 완화층과 상기 질량 조정부가 평면에서 보았을 때 겹쳐지는 사이에 형성된 용융 보호층을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 센서 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 외부 접속 단자와의 전기적 접속이, 상기 능동면측에 설치된 재배치 배선에 의해 이루어지고 있는 것을 특징으로 하는 센서 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외부 접속 단자는, 돌기 전극인 것을 특징으로 하는 센서 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융 보호층은, 상기 응력 완화층의 상기 센서 소자측의 외면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융 보호층은 금속층으로, 그라운드(GND) 전위에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 능동면이 상기 용융 보호층에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 센서 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응력 완화층 및 상기 재배치 배선이 복수 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 센서 디바이스와,
    상기 센서 디바이스를 수납하는 패키지를 갖고,
    상기 센서 디바이스가 상기 패키지에 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 모션 센서.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 센서 디바이스와,
    상기 복수의 센서 디바이스를 수납하는 패키지를 갖고,
    상기 복수의 센서 디바이스는, 상기 각 센서 소자의 주면(主面)끼리가 이루는 각도가 대략 직각이 되도록 상기 패키지 내에 배치되고, 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 모션 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    적어도 1개의 상기 센서 소자의 주면은, 상기 패키지의 외부 부재에 접속되는 피(被)접속면과 대략 평행인 것을 특징으로 하는 모션 센서.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 센서 디바이스, 또는 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 모션 센서를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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