JP5112659B2 - 加速度センサならびにセンサチップおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
図4は、従来の加速度センサの構成を模式的に示す断面図である。
セラミックスパッケージ102は、たとえば、6枚のセラミックス基板102A〜102Fを積層した6層構造を有している。下3枚のセラミックス基板102A,102B,102Cは、平面視で同じサイズの矩形状に形成されている。上3枚のセラミックス基板102D,102E,102Fは、平面視において、セラミックス基板102A,102B,102Cと同じ外形を有し、それぞれ中央部に矩形状の開口が形成されている。セラミックス基板102C上に積層されるセラミックス基板102Dの開口は、そのセラミックス基板102D上に積層されるセラミックス基板102Eの開口よりも小さい。また、セラミックス基板102Eの開口は、そのセラミックス基板102E上に積層されるセラミックス基板102Fの開口よりも小さい。
回路チップ104は、シリコンチップからなる。この回路チップ105は、そのデバイス形成領域側の表面を上方に向けた状態で、セラミックス基板102Cの上面に銀ペーストを介して接合されている。
錘106は、錘保持分114の下面に接着剤により固定され、回路チップ104とセンサチップ105との間において、回路チップ104およびチップ間スペーサ115と非接触状態に配置されている。
そこで、この発明の目的は、低コスト化および小型化を図ることができる、加速度センサならびにセンサチップおよびその製造方法を提供することである。
そのため、加速度センサに加速度が作用し、錘部が振れると、メンブレンが変形し、メンブレンに設けられたピエゾ抵抗素子に応力が作用する。ピエゾ抵抗素子に応力が作用すると、その応力に比例して抵抗率が変化し、この抵抗率の変化に応じた信号がセンサチップから回路チップに入力される。そして、回路チップに作り込まれた回路(所定の回路)により、ピエゾ抵抗素子の抵抗率の変化量に応じた信号が生成され、この信号が、回路チップから出力される。したがって、回路チップから出力される信号に基づいて、加速度センサに作用した加速度を求めることができる。
また、回路チップおよびセンサチップは、樹脂パッケージにより封止されている。そのため、従来の加速度センサに用いられているセラミックスパッケージを不要とすることができる。その結果、加速度センサのコストを低減することができる。
この構成によれば、回路チップとセンサチップとの間にバンプが介在されることにより、回路チップとセンサチップとの間隔を所定間隔に精度よく保持することができる。そのため、回路チップとセンサチップとの対向方向における錘部の振れ幅を確保することができる。その結果、加速度を良好に検出することができる。
この構成によれば、蓋体により、支持部と錘部との間の空間がメンブレンと反対側から閉鎖されている。そのため、樹脂パッケージによる封止時に、樹脂パッケージの材料が支持部と錘部との間の空間に進入することを防止することができる。
この構成によれば、回路チップの表面に、回路チップとセンサチップとの対向方向における錘部の振れ量を規制するための表面膜が設けられている。そのため、錘部が大きく振れすぎることによるメンブレンの破壊などを防止することができる。
この構成によれば、錘部は、回路チップとセンサチップとの対向方向と直交する平面で切断したときの断面積の最も小さな面がメンブレンに接続されている。そして、錘部は、そのメンブレンとの接続面から離れるにつれて、回路チップとセンサチップとの対向方向と直交する平面で切断したときの断面積が大きくなっている。そのため、回路チップとセンサチップとの対向方向と直交する方向の微小な加速度によっても、錘部が確実に振れ、メンブレンに変形を生じさせる。したがって、回路チップとセンサチップとの対向方向と直交する方向の微小な加速度を良好に検出することができる。
請求項8に記載の発明は、回路チップの所定の回路が作り込まれている表面に接合され、前記回路チップとともにMEMSセンサを構成するセンサチップを製造する方法であって、シリコン基板の表面にエッチング液に対する耐性を有する非エッチング膜を形成する非エッチング膜形成工程と、前記非エッチング膜上にピエゾ抵抗素子を形成する抵抗素子形成工程と、前記非エッチング膜の周縁部と中央部との間の環状領域に、前記シリコン基板を露出させる複数の開口を形成する開口形成工程と、前記複数の開口から前記シリコン基板にエッチング液を供給して、各側面が前記シリコン基板の前記表面に対して所定の傾斜角度を保持する凹部を前記シリコン基板の厚さ方向および前記表面に平行な方向に進行させて、前記シリコン基板の前記環状領域に対向する部分を除去することにより、前記環状領域の下方に、前記シリコン基板の前記表面に対して前記所定の傾斜角度で傾斜する側面を有する溝部を形成するエッチング工程とを含むことを特徴とする、センサチップの製造方法である。
請求項9に記載の発明は、前記エッチング工程と並行して、前記シリコン基板の前記表面と反対側の裏面にエッチング液を供給して、前記シリコン基板を前記裏面側からエッチングする裏面エッチング工程をさらに含むことを特徴とする、請求項8に記載のセンサチップの製造方法である。
請求項10に記載の発明は、前記エッチング工程に先立ち、前記シリコン基板の前記裏面を研削する裏面研削工程をさらに含むことを特徴とする、請求項9に記載のセンサチップの製造方法である。
請求項11に記載の発明は、回路チップの所定の回路が作り込まれている表面に接合され、前記回路チップとともに加速度センサを構成するセンサチップを製造する方法であって、シリコン基板の表面にエッチング液に対する耐性を有する非エッチング膜を形成する非エッチング膜形成工程と、前記非エッチング膜上にピエゾ抵抗素子を形成する抵抗素子形成工程と、前記非エッチング膜の周縁部と中央部との間の環状領域に、前記シリコン基板を露出させる複数の開口を形成する開口形成工程と、前記複数の開口から前記シリコン基板にエッチング液を供給して、前記シリコン基板の前記環状領域に対向する部分を除去することにより、前記非エッチング膜の前記環状領域の下方に、前記シリコン基板を前記非エッチング膜の前記周縁部を支持する支持部と、前記非エッチング膜の前記中央部に保持された錘部とに分断する溝部を形成するエッチング工程とを含むことを特徴とする、センサチップの製造方法である。
この製造方法により、請求項1ないし7に記載のセンサチップを製造することができる。
請求項12に記載の発明は、前記エッチング工程と並行して、前記シリコン基板の前記表面と反対側の裏面にエッチング液を供給して、前記シリコン基板を前記裏面側からエッチングする裏面エッチング工程をさらに含むことを特徴とする、請求項11に記載のセンサチップの製造方法である。
請求項13に記載の発明は、前記エッチング工程に先立ち、前記シリコン基板の前記裏面を研削する裏面研削工程をさらに含むことを特徴とする、請求項12に記載のセンサチップの製造方法である。
図1は、この発明の一実施形態に係る加速度センサの構成を示す図解的な断面図である。
加速度センサ1は、ピエゾ抵抗型の加速度センサである。この加速度センサ1は、回路チップ2とセンサチップ3とを重ね合わせて接合した、チップ・オン・チップ構造を有している。
回路チップ2の表面4を含む表層部には、後述するピエゾ抵抗素子16の抵抗率の変化量に応じた信号を生成する回路(図示せず)などが作り込まれている。
センサチップ3は、平面視において回路チップ2よりも小さな略矩形状の外形を有している。このセンサチップ3は、その表面12を下方に向けたフェイスダウン姿勢で、回路チップ2の表面4のチップ接合領域に接合されている。
メンブレン13の回路チップ2との対向面は、センサチップ3の表面12をなしている。メンブレン13は、たとえば、SiO2(酸化シリコン)からなり、厚さ1〜10μmに形成されている。メンブレン13の回路チップ2との対向面には、図2に示すように、その周縁部と中央部との間の環状領域に、複数個(たとえば、16個)のピエゾ抵抗素子16が形成されている。また、その環状領域には、多数の矩形状の開口17が形成されている。これにより、メンブレン13の周縁部と中央部との間の環状領域は、メッシュ状に形成されている。
回路チップ2とセンサチップ3との接合前の状態において、回路チップ2の各回路チップ側バンプ7の頂面には、接続金属部22の材料であるSn材料が塗布されている。そして、回路チップ2とセンサチップ3とが接合されて、回路チップ2の各回路チップ側バンプ7とセンサチップ3の各パッド21とが突き合わされた状態で、熱処理が行われると、各回路チップ側バンプ7の頂面のSn材料が溶融する。これにより、各回路チップ側バンプ7と各パッド21との間に接続金属部22が形成され、この接続金属部22により各回路チップ側バンプ7と各パッド21とを確実に接続することができる。
支持部14および錘部15は、Si(シリコン)からなり、断面形状が上方に向けて狭まる等脚台形状である矩形環状の溝部23によって互いに分離して形成されている。
錘部15は、メンブレン13から離れるにつれて、メンブレン13との接続面と平行な平面で切断したときの断面積が単調に大きくなる断面等脚台形状に形成されている。この錘部15の側面は、メンブレン13との接続面に対して54.7度の角度で傾斜している。
センサチップ3の製造には、たとえば、厚さ625μmのシリコン基板31が用いられる。まず、図3Aに示すように、プラズマ処理によって、シリコン基板31の表面に、非エッチング膜としてのシリコン酸化膜32が形成される(非エッチング膜形成工程)。
つづいて、図3Cに示すように、各ピエゾ抵抗素子16を被覆するように、SiO2からなる抵抗保護膜33が形成される。そして、各抵抗保護膜33が部分的に除去されることにより、各抵抗保護膜33に、ピエゾ抵抗素子16の一部を露出させるための接続開口34が形成される。
次いで、図3Eに示すように、各配線18を被覆するように、SiNからなる配線保護膜19が形成される。そして、各配線保護膜19に、配線18を部分的に露出させるためのパッド開口20が形成される。
つづいて、シリコン基板31の裏面が、たとえば、厚さ50μmだけ研削される(裏面研削工程)。その後、シリコン基板31の表面および裏面の両面に、シリコン基板31をエッチングする能力を有するエッチング液が供給される。このようなエッチング液としては、たとえば、TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide:テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)の濃度50%の水溶液を80℃に加熱したものを用いることができる。
以上のように、回路チップ2の表面にフェイス・ツー・フェイス状態で接合されるセンサチップ3は、メンブレン13と、メンブレン13の周縁部を支持する支持部14と、メンブレン13の中央部に保持された錘部15とを備えている。そして、メンブレン13と錘部15とは、一体的に形成されている。これにより、回路チップおよびセンサチップと別体の錘を備える構成と比較して、加速度センサ1を小型に形成することができる。
支持部14と錘部15との間の溝部23は、蓋体24により、メンブレン13と反対側から閉鎖されている。そのため、樹脂パッケージ25による封止時に、樹脂パッケージ25の材料が支持部14と錘部15との間の空間に進入することを防止することができる。
また、錘部15は、回路チップ2とセンサチップ3との対向方向と直交する平面で切断したときの断面積の最も小さな面がメンブレン13に接続されている。そして、錘部15は、そのメンブレン13との接続面から離れるにつれて、回路チップ2とセンサチップ3との対向方向と直交する平面で切断したときの断面積が大きくなっている。そのため、回路チップ2とセンサチップ3との対向方向と直交する方向の微小な加速度によっても、錘部15が確実に振れ、メンブレン13に変形を生じる。したがって、回路チップ2とセンサチップ3との対向方向と直交する方向の微小な加速度を良好に検出することができる。
さらに、シリコン基板31のエッチング工程に先立ち、シリコン基板31の裏面が研削される。そのため、シリコン基板31をエッチング液によってエッチングする量を減らすことができ、そのエッチングに要する時間をさらに短縮することができる。
さらに、メンブレン13の材質は、SiO2に限らず、SiNであってもよい。
また、前述の実施形態で説明したセンサチップ3の製造方法は、加速度センサに用いられるセンサチップ3に限らず、気体の圧力などを検出するためのピエゾ抵抗型の半導体圧力センサに用いられるセンサチップの製造方法に適用することもできる。
2 回路チップ
3 センサチップ
4 (回路チップの)表面
7 回路チップ側バンプ
8 表面膜
13 メンブレン
14 支持部
15 錘部
16 ピエゾ抵抗素子
17 開口
21 パッド
22 接続金属部
24 蓋体
25 樹脂パッケージ
31 シリコン基板
32 シリコン酸化膜
Claims (13)
- 表面に所定の回路が作り込まれた回路チップと、
前記回路チップの前記表面に接合されるセンサチップと、
前記回路チップおよび前記センサチップを封止する樹脂パッケージとを含み、
前記センサチップは、
前記回路チップの前記表面に対向して配置され、複数の開口を有するメンブレンと、
前記メンブレンの前記回路チップとの対向面に形成されたピエゾ抵抗素子と、
前記メンブレンに対して前記回路チップと反対側に設けられ、前記メンブレンの周縁部を支持する支持部と、
前記メンブレンに対して前記回路チップと反対側に設けられ、溝部によって前記支持部から分離されており、前記メンブレンの中央部に一体的に保持された錘部とを備え、
前記複数の開口は、前記メンブレンにおける前記周縁部と前記中央部との間の前記溝部と対向する環状領域において前記錘部と重ならないように、かつ、前記環状領域がメッシュ状となるように形成されていることを特徴とする、加速度センサ。 - 前記回路チップと前記センサチップとの間に介在され、前記回路チップおよび前記センサチップを所定間隔を隔てた状態で互いに結合するバンプをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の加速度センサ。
- 前記バンプは、
Au(金)材料を用いて、前記回路チップの表面に突出して形成された回路チップ側バンプと、
Au材料を用いて、前記メンブレンの前記回路チップとの対向面に形成されたセンサチップ側パッドと、
Sn(錫)材料を用いて形成され、前記回路チップ側バンプと前記センサチップ側パッドとを接続するための接続金属部とを含むことを特徴とする、請求項2に記載の加速度センサ。 - 前記支持部と前記錘部との間の空間を前記メンブレンと反対側から閉鎖するように設けられた蓋体をさらに含むことを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載の加速度センサ。
- 前記回路チップの前記表面に設けられ、前記回路チップと前記センサチップとの対向方向における前記錘部の振れ量を規制するための表面膜をさらに含むことを特徴とする、請求項1ないし4のいずれかに記載の加速度センサ。
- 前記錘部は、前記メンブレンから離れるにつれて、前記回路チップと前記センサチップとの対向方向と直交する平面で切断したときの断面積が大きくなる形状に形成されていることを特徴とする、請求項1ないし5のいずれかに記載の加速度センサ。
- 回路チップの所定の回路が作り込まれている表面に接合され、前記回路チップとともに加速度センサを構成するセンサチップであって、
前記回路チップの前記表面に対向して配置され、複数の開口を有するメンブレンと、
前記メンブレンの前記回路チップとの対向面に形成されたピエゾ抵抗素子と、
前記メンブレンに対して前記回路チップと反対側に設けられ、前記メンブレンの周縁部を支持する支持部と、
前記メンブレンに対して前記回路チップと反対側に設けられ、溝部によって前記支持部から分離されており、前記メンブレンの中央部に保持された錘部とを備え、
前記複数の開口は、前記メンブレンにおける前記周縁部と前記中央部との間の前記溝部と対向する環状領域において前記錘部と重ならないように、かつ、前記環状領域がメッシュ状となるように形成されていることを特徴とする、センサチップ。 - 回路チップの所定の回路が作り込まれている表面に接合され、前記回路チップとともにMEMSセンサを構成するセンサチップを製造する方法であって、
シリコン基板の表面にエッチング液に対する耐性を有する非エッチング膜を形成する非エッチング膜形成工程と、
前記非エッチング膜上にピエゾ抵抗素子を形成する抵抗素子形成工程と、
前記非エッチング膜の周縁部と中央部との間の環状領域に、前記シリコン基板を露出させる複数の開口を形成する開口形成工程と、
前記複数の開口から前記シリコン基板にエッチング液を供給して、各側面が前記シリコン基板の前記表面に対して所定の傾斜角度を保持する凹部を前記シリコン基板の厚さ方向および前記表面に平行な方向に進行させて、前記シリコン基板の前記環状領域に対向する部分を除去することにより、前記環状領域の下方に、前記シリコン基板の前記表面に対して前記所定の傾斜角度で傾斜する側面を有する溝部を形成するエッチング工程とを含むことを特徴とする、センサチップの製造方法。 - 前記エッチング工程と並行して、前記シリコン基板の前記表面と反対側の裏面にエッチング液を供給して、前記シリコン基板を前記裏面側からエッチングする裏面エッチング工程をさらに含むことを特徴とする、請求項8に記載のセンサチップの製造方法。
- 前記エッチング工程に先立ち、前記シリコン基板の前記裏面を研削する裏面研削工程をさらに含むことを特徴とする、請求項9に記載のセンサチップの製造方法。
- 回路チップの所定の回路が作り込まれている表面に接合され、前記回路チップとともに加速度センサを構成するセンサチップを製造する方法であって、
シリコン基板の表面にエッチング液に対する耐性を有する非エッチング膜を形成する非エッチング膜形成工程と、
前記非エッチング膜上にピエゾ抵抗素子を形成する抵抗素子形成工程と、
前記非エッチング膜の周縁部と中央部との間の環状領域に、前記シリコン基板を露出させる複数の開口を形成する開口形成工程と、
前記複数の開口から前記シリコン基板にエッチング液を供給して、前記シリコン基板の前記環状領域に対向する部分を除去することにより、前記非エッチング膜の前記環状領域の下方に、前記シリコン基板を前記非エッチング膜の前記周縁部を支持する支持部と、前記非エッチング膜の前記中央部に保持された錘部とに分断する溝部を形成するエッチング工程とを含むことを特徴とする、センサチップの製造方法。 - 前記エッチング工程と並行して、前記シリコン基板の前記表面と反対側の裏面にエッチング液を供給して、前記シリコン基板を前記裏面側からエッチングする裏面エッチング工程をさらに含むことを特徴とする、請求項11に記載のセンサチップの製造方法。
- 前記エッチング工程に先立ち、前記シリコン基板の前記裏面を研削する裏面研削工程をさらに含むことを特徴とする、請求項12に記載のセンサチップの製造方法。
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