JP2009186378A - 支持基板及びそれを用いた静電容量型力学量検出センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】支持基板1の上下を貫通する貫通孔10を複数備えた静電容量型力学量検出センサ用支持基板1であって、前記複数の貫通孔10は、開口幅が前記支持基板1の一方の面から他方の面に向かって狭くなっている順テーパー孔と、開口幅が前記支持基板1の一方の面から他方の面に向かって広くなっている逆テーパー孔と、を含む。つまり、支持基板1は異なる向きのテーパーの貫通孔10を有している。
【選択図】図1
Description
撓みをもったガラス基板を用いて静電容量型力学量検出センサ、とりわけ多軸成分を検出可能な静電容量型力学量検出センサを製造すると、ガラス基板の撓みがセンサに影響を及ぼす。静電容量素子のギャップが軸ごとにばらつくため、他軸感度(検出信号に所望の信号検出軸以外の検出信号が混じる現象)や出力ゼロ点のズレといったセンサ特性の低下がみられることが判った。
以下、本発明に係る支持基板に係る実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。図1は本発明に係る支持基板の斜視図、図2は支持基板の断面図(図1におけるA−A断面)である。
貫通孔10の開口は30〜200μmの範囲であり、またテーパー角度(図2における90度未満の角度θを指す)がが90°であると貫通孔への導電部材の配設が困難となる。また、テーパー角度が小さい場合には開口の広がりが大きくなり、端子として用いたときに狭ピッチ化が困難となる。上記の点から貫通孔のテーパー孔の角度としては80度以上90度未満の角度の間であることが好ましい。ただし貫通孔10に導電部材11を形成する場合には、ある程度テーパー角度が小さいことが導電部材の付きまわりの点で有利である。
図では支持基板1の上下面それぞれに対してスパッタ法や蒸着法により貫通孔の内壁に導電膜(シード層)を形成した後、電解めっきにより銅、銀、金、ニッケル等の導電材料を充填した場合を示している(図3(d))。支持基板1の上面および下面から突出した導電部材11は研磨により除去して、支持基板1を平坦化してもよい。
順テーパー孔の数と逆テーパー孔の数の比が、2:3〜3:2である場合を略同数程度とするものとする。支持基板1全体で略同数でもよいし、支持基板1においてウエハ中心を通る2直線によって囲まれる領域において略同数程度あればよい。
上記の支持基板は、別体の半導体基板に形成したMEMS(例えば、静電容量型力学量検出センサ)とウエハレベルで接合され、その後個片化することで各チップとして構成されるものである。
次に上述の支持基板を用いた静電容量型力学量検出センサについて、図5〜図8を参照しながら説明する。図5は本発明に係る静電容量型力学量検出センサの分解斜視図である。静電容量型力学量検出センサ100は、半導体基板Wを上方支持基板140と下方支持基板150とで挟持して構成されている。半導体基板Wは、後述するように開口を有するフレーム部(図5ではフレーム上部111が見えている)と、この開口内に配置された重錘体(図5では重錘体上部112が見えている)と、フレーム部と重錘体とを接続し、可撓性をもった接続部113より構成されたセンサ構造体を備える。静電容量型力学量検出センサ100の外形は3〜5mmの略正方形である。
なお、図5では半導体基板の面内に互いに直行する2軸(X軸、Y軸)を設定し、この2軸に垂直な方向をZ軸として定めている。静電容量型力学量検出センサ100は3軸(XYZ)の加速度と2軸(XY)まわりの角速度をそれぞれ検出するものであり、5軸モーションセンサと呼ばれるタイプのセンサである。
上方支持基板140の下面(活性層110と対向する側)には駆動電極141aと固定電極141b〜eが配置されている。駆動電極141aは内部配線L1を通じて貫通配線部T1と電気的に接続されている。固定電極141b〜eは内部配線L3〜L6を通じて貫通配線部T3〜T6と電気的に接続されている。このように、駆動電極141aと固定電極141b〜eからの電気信号を外部に取り出すことが可能である。なお、駆動電極、固定電極については後述する。
加速度は、重錘体上部112および重錘体下部132と、駆動電極および固定電極とで形成した10個の容量素子の静電容量変化により、重錘体(重錘体上部112と重錘体下部132の接合体)の変位を検出する。X、Y軸方向の加速度は重錘体の傾き、Z軸方向の加速度はZ軸方向に沿った重錘体の変位を検出することで検出可能である。
角速度は、駆動電極141a、151aに逆相の交流電圧を印加することで、重錘体(重錘体上部112と重錘体下部132の接合体)をZ軸方向へ振動させ、その振動運動している重錘体にコリオリ力を生じることによってX、Y軸まわりに加わる角速度を検出する。交流電圧の周波数は、重錘体の共振周波数に同じか、あるいは略近接しており、一般には数kHz程度である。
一般に加速度成分と角速度成分は信号の周波数が2桁程度異なるため、外部フィルター回路を用いてそれぞれ独立に検出することが可能である。なお、電気信号は図示しない外部回路におけるC/V変換回路などを用いて電気的に検出される。
上述のように、駆動電極は接続部113によって可動支持された重錘体を上下に駆動変位されるための電極であり、駆動電極と重錘体の間に外部から交流電圧を印加し、静電力により重錘体を振動させる。固定電極は重錘体の変位を、固定電極と重錘体の面とで形成した容量素子の静電容量変化として検出するための電極である。
活性層110、BOX層120、支持層130を積層してなる半導体基板W(いわゆるSOI基板)を用意する。上述したように、活性層110はフレーム上部111、重錘体上部112、接続部113、配線用支柱上部114を構成する層である。BOX層120は、活性層110と支持層130とを接合する層であり、かつエッチングストッパ層として機能する層である。支持層130はフレーム下部131、重錘体下部132、配線用支柱下部134を構成する層である。半導体基板Wは、SIMOXないし、貼り合せ法等により作成される。SOI基板は、活性層110、BOX層120、支持層130の厚みがそれぞれ、10μm、2μm、600μmである。なお、静電容量型力学量検出センサ100が直径150mm〜200mmのウエハ内に複数個多面付けで配置されている。
活性層110の表面に所定形状のマスクを形成して、該マスクをエッチングとしてRIE法により活性層110の上面より5μm下がったギャップ170を作成する。マスクとしてはフォトレジスト、シリコン酸化膜(SiO2)、シリコン窒化膜(Si3N4)などシリコンとのエッチング選択比に優れたものを用いることができる。なお、ギャップ170は後に形成する重錘体(重錘体上部112と重錘体下部132の接合体)がZ軸正方向に変位するのに必要な間隔である。
活性層に対して、フレーム上部111、重錘体112、接続部113、配線用支柱上部114を画定するためのマスクパターンを形成する。このマスクをエッチングマスクとしてBOX層120の上面が露出するまでRIEなどにより、BOX層120の上面が露出するまでエッチングする。このとき、導通部160に対応する溝を重錘体上部112、配線用支柱上部114にRIEにより形成してもよいが、別のエッチングとして20%TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)を用いて形成してもよい。
なお、導通部160に対応する溝はBOX層120の上面が露出するまでエッチングすることで形成する。
その後、導通部160に対応する溝に対して蒸着法やスパッタ法により導電膜を形成する。導通部160により、活性層110と支持層130とは、電気的に接続されたことになる。
接続部113は活性層110のシリコン材料からなる薄肉部のみからなり、可撓性を持った部材として構成される。
上方支持基板140として、前述した支持基板1を用いる。上方支持基板140はNaイオンなどの可動イオンを含むガラス(パイレックス(登録商標)ガラス)、その厚みが500μmであり、既に所定位置に貫通配線部T1〜T10、T11が形成されている。上方支持基板140の下面(重錘体上部112と対向する面)に駆動電極141a、固定電極141b〜e、これらの電極と接続して配線用支柱上部114a〜jと接触する領域まで延びる内部配線L1、L3〜L6を形成する。電極と配線はAlなどの金属材料からなり、蒸着法やスパッタ法により金属を成膜したのち、パターニングして形成する。電極および配線の厚みは0.5μmであった。なお貫通孔の小さい方の開口径がおよそ60μmであり、大きい方の開口径がおよそ100μmであった。基板の大口径化するに従い、基板の撓みが顕著に見られるため、本発明に係る支持基板1を用いると、その撓みを効果的に抑制できる。
支持層130の表面に所定形状のマスクを形成して、該マスクをエッチングとしてRIE法により支持層130の下面より5μm上がったギャップ170を作成する(図8(e))。その後、フレーム下部131、重錘体下部132、配線用支柱下部134に画定するためのパターンのレジストマスクを支持層130下面に設け、支持層130を厚み方向にBOX層120の下面が露出するまでエッチングすることにより、フレーム下部131、重錘体下部132、配線用支柱下部134を形成する。ギャップは重錘体(重錘体上部112と重錘体下部132の接合体)がZ軸負方向に変位するのに必要な間隔である。
下方支持基板150は、例えばNaイオンなどの可動イオンを含むガラス(パイレックス(登録商標)ガラス)で、その厚みは500μmである。上方支持基板140の上面(重錘体下部132と対向する面)に接合前に駆動電極151a、固定電極151b〜e、これらの電極と接続して配線用支柱下部134a〜iと接触する領域まで延びる内部配線L2、L7〜L10を形成する。電極と配線はAlなどの金属材料からなり、蒸着法やスパッタ法により金属を成膜したのち、パターニングして形成する。電極および配線の厚みは0.5μmであった。
下方支持基板150との陽極接合時に、既に接合された上方支持基板140に設けられた貫通配線部T1〜T10と配線用支柱下部、貫通配線部T11とフレーム部とが電気的に接続されているため、支持層150の接合面の電位が均一の保持されて良好な接合を得ることができる。
以上、貫通配線部Tが形成される側の支持基板(上方支持基板140)に異なる向きのテーパー形状の貫通配線部を形成したことで支持基板の撓みが抑制され、支持基板と接合されるセンサ構造体の歪みを抑制できる。これにより、X軸成分に干渉するZ軸成分信号を減少することができ、他軸感度を抑制することでセンサの信頼性を向上できる。特に、大口径のウエハを用いてウエハレベルで多数のデバイスを製造する際に生じる基板の撓みを効果的に抑制することができる。
本発明に係る静電容量型力学量検出センサ100は、例えば、IC等の素子を搭載した回路基板上に実装され、ワイヤボンディング接続等の方法によって電極パッドPと電子回路基板もしくはIC等の素子とを接続し、1つの電子部品として機能する。該電子部品は、例えば、ビデオカメラの手ぶれ補正装置や、車載用エアバック装置、ゲーム機、携帯電話等のモバイル端末機に搭載されて市場に流通する。
10:貫通孔
10a:順テーパー孔
10b:逆テーパー孔
11:導電部材
20:チップ領域
20a:第1のチップ領域
20b:第2のチップ領域
100:静電容量型力学量検出センサ
110:活性層
111:フレーム上部
112:重錘体上部
113:接続部
114a〜114j:配線用支柱上部
120:BOX(埋め込み酸化膜)層
130:支持層
131:フレーム下部
132:重錘体下部
134a〜134j:配線用支柱下部
140:上方支持基板
141a:駆動電極
141b〜141e:固定電極
150:下方支持基板
151a:駆動電極
151b〜151e:固定電極
160:導通部
170:ギャップ
T1〜T10、T11:外部配線端子
L1〜L10:内部配線
P1〜P10、P11:電極パッド
W:半導体(SOI)基板
Claims (6)
- 支持基板の表裏を貫通する複数の貫通孔を備えた支持基板であって、
前記複数の貫通孔は、開口幅が支持基板の一方の面から他方の面に向かって狭くなっている順テーパー孔と、開口幅が支持基板の一方の面から他方の面に向かって広くなっている逆テーパー孔と、を含むことを特徴とする支持基板。 - 前記順テーパー孔と前記逆テーパー孔とを略同数ずつ有することを特徴とする請求項1記載の支持基板。
- 請求項1または2に記載の支持基板は、別体の半導体基板に多面付けで配置された静電容量型力学量検出センサチップを支持するための支持基板であって、
静電容量型力学量検出センサチップ領域内に配設された貫通孔は、前記順テーパー孔と前記逆テーパー孔とを少なくとも1つずつ含んでいることを特徴とする支持基板。 - 請求項1または2に記載の封止用支持基板は、別体の半導体基板に多面付けで配置された静電容量型力学量検出センサチップを支持するための支持基板であって、
多面付けで配置された静電容量型力学量検出センサチップ領域のうち、第1のチップ領域に配置された貫通孔は全て順テーパー孔で、第2のチップ領域に配置された貫通孔は全て逆テーパー孔で構成されていることを特徴とする支持基板。 - 前記貫通孔内に導電性を有する導電部材を備えたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の支持基板。
- 開口を有するフレーム部と、その開口内に配置された重錘体と、前記重錘体と前記フレーム部とを接続する接続部と、により構成されるセンサ構造体を備えた半導体基板と、
前記半導体基板の上端と接合された上方支持基板と、
前記半導体基板の下端と接合された下方支持基板と、
前記上方支持基板の、前記半導体基板と接合される側に配設された上方電極と、
前記下方支持基板の、前記半導体基板と接合される側に配設された下方電極と、
を有し、
前記上方支持基板、前記下方支持基板の少なくとも一方が、請求項1乃至5のいずれか1項記載の支持基板であることを特徴とする静電容量型力学量検出センサ。
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