JP2008060135A - センサーユニットおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】センサーユニット1は、センサー2と、能動素子内蔵モジュール5とを備えたものであり、センサー2はSOI基板11からなり、枠部材21と、この枠部材を貫通する複数の貫通電極27と、枠部材21から内側方向に突出する複数の梁22と、梁により支持される錘23と、梁に配設されたピエゾ抵抗素子16と、このピエゾ抵抗素子に接続された配線18とを有し、錘23との間に所定の間隙を形成するように能動素子内蔵モジュール5がセンサー2の枠部材21に接合され、能動素子内蔵モジュール5は、能動素子45を内蔵して能動素子よりも外側の領域に複数の貫通電極33を有する基板31と、貫通電極と接続するように基板に配設された配線34とを有し、この配線34はセンサー2の貫通電極27に接合されたものとする。
【選択図】 図1
Description
一方、物体に作用する圧力、あるいは加速度を検出するセンサーとして種々のセンサーが開発されている(特許文献2、3)。
また、配線基板上にセンサー内蔵モジュールと能動素子内蔵モジュールを個々に実装するため、個々のモジュールを配線基板の所定の位置に実装するための位置合せを正確に行なう必要があり、工程管理が煩雑であるとともに、実装位置のズレを生じた場合、センサーユニットの信頼性が低下するという問題があった。
さらに、実装時にセンサーが高温に曝されることがあり、センサーの特性の低下や、センサーユニットの信頼性低下を引き起こすことがあった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、小型で信頼性の高いセンサーユニットと、このようなセンサーユニットを簡便に製造するための製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の態様として、前記センサーの配線と前記能動素子内蔵モジュールの配線との接合は、接合バンプを介したものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記接合バンプは、Au、Sn−Au合金、Sn−Ag合金のいずれかであり、接合バンプを挟持するようにCu/Cr積層、Cu/Ti積層、Al/Cr積層、Al/Ti積層のいずれかの金属層が配設されているような構成とした。
また、本発明の製造方法は、ウエハレベルでセンサーと能動素子内蔵モジュールとの接合を行う一括アッセンブリーが可能であり、工程管理が容易で製造コストの低減が可能であり、また、接合が、接合バンプを用いたものであり、低温での接合が可能であるため、ピエゾ抵抗素子への熱の影響を阻止することができ、信頼性の高いセンサーユニットの製造が可能となる。
[センサーユニット]
図1は、本発明のセンサーユニットの一実施形態を示す概略断面図である。図1において、本発明のセンサーユニット1は、センサー2と能動素子内蔵モジュール5とが接合バンプ6を介して接合されたものである。
センサーユニット1を構成するセンサー2は、ピエゾ抵抗素子を用いたセンサーであり、例えば、MEMS(Micro Electromechanical System)型の圧力センサー、加速度センサー等の従来公知のセンサーであってよく、特に制限はない。図示例では、センサー2は酸化シリコン層13をシリコン層12(活性層シリコン)とシリコン層14(基板シリコン)で挟持した3層構造を有するSOI(Silicon On Insulator)基板11からなる。
図2は、図1に示されるセンサーユニット1を構成するセンサー2のシリコン層14(基板シリコン)側からの平面図であり、図3は、シリコン層12(活性層シリコン)側からの平面図である。そして、図1に示されるセンサー2は、図2および図3におけるI−I線での縦断面形状を示している。
枠部材21は、4本の梁22介して錘23を変位可能に支持するものであり、また、能動素子内蔵モジュール5を接合するための部材である。図示例では、枠部材21は回廊形状であるが、これに限定されるものではなく、例えば、円形状等であってもよい。この枠部材21は、複数(図示例では4個)の微細貫通孔26と、これらの微細貫通孔26内に配設された貫通電極27を備えている。また、貫通電極27の能動素子内蔵モジュール5側の端部には端子28が設けられている。
錘23は、シリコン層12(活性層シリコン)、酸化シリコン層13、シリコン層14(基板シリコン)の3層構造であるが、シリコン層14(基板シリコン)の厚みが枠部材21を構成するシリコン層14(基板シリコン)よりも薄いものとなっている。これにより、枠部材21に接合されている能動素子内蔵モジュール5と錘23との間に所定の間隙が存在する。この間隙の大きさは、例えば、3〜20μm程度の範囲で適宜設定することができる。
センサーユニット1を構成する能動素子内蔵モジュール5は、基板31と、この基板31に内蔵された能動素子45と、この能動素子45の外側の領域の基板31に形成された複数の微細貫通孔32と、これらの微細貫通孔32内に配設された貫通電極33とを備えている。
基板31のセンサー2と対向する面には、配線34が配設され、この配線34を被覆するように絶縁層37が配設されている。配線34は、所定の貫通電極33に接続されており、また、能動素子45の図示していない端子に接続されている。上記の絶縁層37は、配線34の所望部位を露出するための開口部37aを有し、この開口部37aに露出している配線34には接合バンプ6が接合されている。
基板31の材質は、例えば、シリコン、ガラス等を挙げることができる。また、微細貫通孔32は、開口径が1〜50μm、好ましくは5〜30μm程度である。この微細貫通孔32の形状は、図示例では厚み方向で内径がほぼ一定のストレート形状であるが、これに限定されず、一方の開口径が広いテーパー形状をなすもの、厚み方向のほぼ中央で内径が狭くなっているような形状等であってもよい。
このような能動素子内蔵モジュール5の配線34は、接合バンプ6を介してセンサー2の枠部材21の貫通電極27(端子28)に接合されている。
尚、本発明では、端子28を介在させず貫通電極27に接合バンプ6を接合してもよい。この場合、例えば、微細貫通孔26に形成した貫通電極27の先端部にAl/Cr積層、Al/Ti積層等の金属層を形成して、この金属層を貫通電極27の露出面(枠部材21に露出する面)とすることができる。また、貫通電極27をAlで形成し、先端部にCrやTi等の金属層を形成して、この金属層が貫通電極27の露出面(枠部材21に露出する面)となるようにしてもよい。
センサーユニット1′を構成するセンサー2は、配線18を被覆する保護層19に開口部19aが形成され、この開口部19aには配線18の所望部位が露出しており、この配線18の部位に接合バンプ6が接合されている点を除いて、上述の実施形態のセンサー2と同様であり、同じ部材には同じ部材番号を付している。したがって、センサーユニット1′では、センサー2に対する能動素子内蔵モジュール5′の接合方向が、上述のセンサーユニット1におけるセンサー2に対する能動素子内蔵モジュール5の接合方向と反対となっている。尚、図示例では、センサー2の枠部材21に配設された端子28には、外部端子としてのはんだバンプ29が配設されている。
このような能動素子内蔵モジュール5′の配線34は、接合バンプ6を介してセンサー2の配線18に接合されている。
接合バンプ6の材質は、例えば、Au、Sn−Au合金、Sn−Ag合金等とすることができる。接合バンプ6の形状は特に制限がなく、例えば、高さを5〜20μm、太さを10〜100μmの範囲で適宜設定することができる。このような接合バンプ6を介したセンサー2の配線18と能動素子内蔵モジュール5′の配線34との接合は、400℃以下の温度で安定して行うことができる。
図7〜図9に示されるセンサー2′は、枠部材21と各梁22、錘23とで区画された空間領域24(4箇所の領域24A,24B,24C,24D)内に、シリコン層12(活性層シリコン)からなる規制部材25(4個の規制部材25A,25B,25C,25D)が存在する点、および、錘23が、4本の梁22で支持された中央部23Aと、4個の突出部23Bからなる点を除いて、上述の実施形態のセンサー2と同様であり、同じ部材には同じ部材番号を付している。
図10に示されるセンサー2″は、4本の梁22に配設されているピエゾ抵抗素子16が12個である点を除いて、上述の実施形態のセンサー2と同様であり、同じ部材には同じ部材番号を付している。このセンサー2″では、X軸方向の外力を検出する4個のピエゾ抵抗素子16xと、Y軸方向の外力を検出する4個のピエゾ抵抗素子16yと、Z軸方向の外力を検出する4個のピエゾ抵抗素子16zとを備えている。
上述のセンサーユニットの実施形態は例示であり、本発明のセンサーユニットはこれらに限定されるものではない。例えば、能動素子内蔵モジュール5に内蔵される能動素子45の位置が、基板31のセンサー2と対向する面の反対側の面であってもよい。
次に、本発明のセンサーユニットの製造方法について説明する。
図11および図12は、図1に示されるセンサーユニット1を例とした本発明のセンサーユニットの製造方法の一実施形態を示す工程図である。
本発明では、まず、多面付けでセンサー2を作製する。すなわち、シリコン層12(活性層シリコン)、酸化シリコン層13、シリコン層14(基板シリコン)の3層構造を有するSOI(Silicon On Insulator)ウエハ11Aを多面付け(各面付け部を1Aで示す)に区画する(図11(A))。そして、各面付け1A毎に所望の加工を施して、センサー2を多面付けで作製する(図11(B))。センサー2は、枠部材21と、枠部材21を貫通する複数の貫通電極27と、この貫通電極27に接続された端子28と、枠部材21から内側方向に突出する複数の梁22と、梁22により支持される錘23と、梁22に配設されたピエゾ抵抗素子16と、このピエゾ抵抗素子16と貫通電極27とを接続する配線18と、この配線18を被覆する保護層19とを有している。この多面付けのセンサー2の作製工程については、後述する。
微細貫通孔32の形成は、例えば、マスクパターンを介してICP−RIE法により行うことができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法、フェムト秒レーザ法により微細貫通孔32を形成することもできる。さらに、能動素子内蔵モジュール用ウエハ5Aに、上述のいずれかの方法により、一方の面から所定の深さで微細孔を形成し、その後、能動素子内蔵モジュール用ウエハ5Aの反対面を研磨して微細孔を露出させることにより、微細貫通孔32を形成してもよい。この微細貫通孔32の開口径は、1〜50μm、好ましくは5〜30μmの範囲で設定することができる。
次いで、各面付け1A毎に、能動素子45を埋設するための凹部を形成し、この凹部内に能動素子45を埋設する。上記の凹部は、例えば、能動素子内蔵モジュール用ウエハ5A上にマスクパターンを形成し、露出している能動素子内蔵モジュール用ウエハ5Aに対して、ICP−RIE法により形成することができる。また、サンドブラスト法、ウエットエッチング法等によっても形成することができる。凹部の形状、寸法は、埋設する能動素子の形状、寸法に応じて適宜設定することができる。また、能動素子45の埋設は、例えば、接着剤を用いて固着する方法、凹部に能動素子を嵌合する方法等、特に制限はない。
次いで、接合バンプ6を上記のセンサー2の端子28に接合することにより、多面付けの能動素子内蔵モジュール5と多面付けのセンサー2とを接合する。これにより、多面付けのセンサーユニット1が得られる(図12)。この接合バンプ6を介したセンサー2と能動素子内蔵モジュール5との接合は、上述の図4による説明のように行うことができる。
次いで、多面付けのセンサーユニット1をダイシングすることにより、図1に示されるようなセンサーユニット1が得られる。
本発明では、まず、多面付けでセンサー2を作製する。すなわち、シリコン層12(活性層シリコン)、酸化シリコン層13、シリコン層14(基板シリコン)の3層構造を有するSOI(Silicon On Insulator)ウエハ11Aを多面付け(各面付け部を1Aで示す)に区画し、各面付け1A毎に所望の加工を施して、センサー2を多面付けで作製する(図13(A))。このセンサー2は、枠部材21と、枠部材21を貫通する複数の貫通電極27と、この貫通電極27に接続された端子28と、枠部材21から内側方向に突出する複数の梁22と、梁22により支持される錘23と、梁22に配設されたピエゾ抵抗素子16と、このピエゾ抵抗素子16と貫通電極27とを接続する配線18と、この配線18を被覆する保護層19とを有している。この保護層19には、配線18の所望部位が露出するように開口部19aを形成する。また、端子28には、外部端子としてのはんだバンプ29を形成する。この多面付けのセンサー2の作製工程については、後述する。
次いで、多面付けのセンサーユニット1′をダイシングすることにより、図1に示されるようなセンサーユニット1′が得られる。
まず、シリコン層12(活性層シリコン)、酸化シリコン層13、シリコン層14(基板シリコン)の3層構造を有するSOIウエハ11Aに酸化処理を施して、SOIウエハ11Aの両面に酸化珪素層12a,14aを形成し、その後、プラズマCVD法等により窒化珪素層12b、14bを積層する(図14(A))。
次に、シリコン層12(活性層シリコン)上の酸化珪素層12aと窒化珪素層12bの所望部位に抵抗素子形成用の開口部15を形成する(図14(B))。この開口部15の形成は、例えば、窒化珪素層12b上にマスクパターンを形成し、サンドブラスト法、ウエットエッチング法等により行うことができる。
次いで、ピエゾ抵抗素子16を被覆するように酸化珪素層12a上に更に酸化珪素層を形成して絶縁層17とし、その後、各ピエゾ抵抗素子16が露出するようにコンタクト孔部17aを絶縁層17に穿設する(図14(D))。このコンタクト孔部17aの形成は、例えば、絶縁層17上にマスクパターンを形成し、サンドブラスト法、ウエットエッチング法等により行うことができる。
また、微細貫通孔26内への貫通電極27の形成は、例えば、プラズマCVD法等により下地導電薄膜を微細貫通孔26内に形成し、その後、電解フィルドめっきにより、導電金属を析出させることにより行うことができる。これにより、ボイドのない貫通電極27を得ることができる。また、導電性ペーストを微細貫通孔26内に充填することにより貫通電極26を形成することもできる。
尚、上述のセンサーユニットの製造方法は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
2,2′,2″…センサー
5,5′…能動素子内蔵モジュール
6…接合バンプ
11…SOI基板
16…ピエゾ抵抗素子
18…配線
21…枠部材
22…梁
23…錘
27…貫通電極
28…端子
34…配線
45…能動素子
5A…能動素子内蔵モジュール用ウエハ
11A…SOIウエハ
Claims (7)
- ピエゾ抵抗素子を用いたセンサーと、該センサーに接合された能動素子内蔵モジュールとを備え、
前記センサーは、シリコン層/酸化シリコン層/シリコン層の3層構造を有するSOI基板からなり、枠部材と、該枠部材を貫通する複数の貫通電極と、前記枠部材から内側方向に突出する複数の梁と、該梁により支持される錘と、前記梁に配設されたピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子と前記貫通電極とを接続する配線と、を有し、前記錘との間に所定の間隙を形成するように前記能動素子内蔵モジュールが前記枠部材に接合され、
前記能動素子内蔵モジュールは、能動素子を内蔵し該能動素子よりも外側の領域に複数の貫通電極を有する基板と、該貫通電極と接続するように前記基板に配設された配線と、を有し、該配線は前記センサーの貫通電極と接合されていることを特徴とするセンサーユニット。 - ピエゾ抵抗素子を用いたセンサーと、該センサーに接合された能動素子内蔵モジュールとを備え、
前記センサーは、シリコン層/酸化シリコン層/シリコン層の3層構造を有するSOI基板からなり、枠部材と、該枠部材を貫通する複数の貫通電極と、前記枠部材から内側方向に突出する複数の梁と、該梁により支持される錘と、前記梁に配設されたピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子と前記貫通電極とを接続する配線と、を有し、
前記能動素子内蔵モジュールは、能動素子を内蔵する基板と、該基板に配設された配線と、を有し、該配線は前記センサーの配線と接合されていることを特徴とするセンサーユニット。 - 前記センサーの貫通電極と前記能動素子内蔵モジュールの配線との接合は、接合バンプを介したものであることを特徴とする請求項1に記載のセンサーユニット。
- 前記センサーの配線と前記能動素子内蔵モジュールの配線との接合は、接合バンプを介したものであることを特徴とする請求項2に記載のセンサーユニット。
- 前記接合バンプは、Au、Sn−Au合金、Sn−Ag合金のいずれかであり、接合バンプを挟持するようにCu/Cr積層、Cu/Ti積層、Al/Cr積層、Al/Ti積層のいずれかの金属層が配設されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のセンサーユニット。
- シリコン層/酸化シリコン層/シリコン層の3層構造を有するSOIウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に所望の加工を施して、枠部材と、該枠部材を貫通する複数の貫通電極と、前記枠部材から内側方向に突出する複数の梁と、該梁により支持される錘と、前記梁に配設されたピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子と前記貫通電極とを接続する配線と、を有するセンサーを多面付けで作製する工程と、
能動素子内蔵モジュール用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に能動素子を内蔵させ、該能動素子の外側の領域に複数の微細貫通孔を形成し、該微細貫通孔に導電材料を配設して貫通電極とし、該貫通電極に接続した配線を形成して、能動素子内蔵モジュールを多面付けで作製する工程と、
前記センサーの前記錘と前記能動素子内蔵モジュールとの間に所定の間隙が形成されるように、前記能動素子内蔵モジュールの配線と前記センサーの貫通電極とを接合バンプにより接合して、多面付けのセンサーユニットとする工程と、
多面付けのセンサーユニットをダイシングする工程と、を有することを特徴とするセンサーユニットの製造方法。 - シリコン層/酸化シリコン層/シリコン層の3層構造を有するSOIウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に所望の加工を施して、枠部材と、該枠部材を貫通する複数の貫通電極と、前記枠部材から内側方向に突出する複数の梁と、該梁により支持される錘と、前記梁に配設されたピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子と前記貫通電極とを接続する配線と、を有するセンサーを多面付けで作製する工程と、
能動素子内蔵モジュール用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に能動素子を内蔵させるとともに配線を形成して、能動素子内蔵モジュールを多面付けで作製する工程と、
前記能動素子内蔵モジュールの配線と前記センサーの配線とを接合バンプにより接合して、多面付けのセンサーユニットとする工程と、
多面付けのセンサーユニットをダイシングする工程と、を有することを特徴とするセンサーユニットの製造方法。
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