JP5325535B2 - センサ装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、角速度センサと加速度センサとを備えた複合センサ装置およびその製造方法に関する。

この種の従来の複合物理量センサとして、例えば特許第３４３５６６５号公報（特許文献１）に示された複合センサ素子がある。この複合センサ素子の代表的な実施例構造を図１０に示す。本複合センサ素子は、半導体製造プロセス技術を応用したマイクロマシニング技術によって作製され、ガラス基板とシリコン基板とを接合封止した構造体である。このガラス基板の上面と下面にはそれぞれ固定電極，電極パッドが形成されており、両者を導通する導電性配線がガラス基板の上下面を貫通するように埋め込まれている。前記シリコン基板は上下両面に窪みが形成された単結晶のシリコン基板で構成され、ガラス基板とシリコン基板とが減圧雰囲気中で陽極接合されることによってその内側に形成された圧力容器が減圧封止され、その内部に振動構造を有するセンサが設けられている。ガラス基板の一部には外気と気密封止部に連通する通気経路が設けられており、この溝の中に配置されている封着部材によって圧力容器内部が略大気圧に保たれるようになっている。

特許第３４３５６６５号公報

上述した特許文献１では、略大気圧容器に配置された物理量センサにセンサ使用環境の劣悪な外気が接触しないようにして、長期信頼性を確保するために、センサ素子全体を外気から守る厳重な実装構造をセンサ素子の外側に設置する必要があり、その結果として、実装全体構造が大型になり、かつコストが増加する恐れがあった。公知の当該実装構造としては、センサエレメントを金属容器内に設置し、金属蓋で溶接して封止する構造やセラミック製容器内にはんだ材を用いて封止する構造が考えられるが、いずれもコスト増加につながり、センサ素子実装構造をウェハ接合実装する利点を十分に発揮できないという課題があった。

さらに、ガラス基板の一部に設けられた外気と気密封止部との連通する溝を封着部材で封止する際に、封止部材に含まれる不純物ガスが略大気圧容器内に混入し、センサ素子自体の信頼性を低下させるという課題があった。

本発明の第１の目的は、上記課題を解決し、小型・安価で、長期信頼性を確保できるセンサ実装構造を提供することにある。

本発明の第２の目的は、小型・安価で、長期信頼性を確保したセンサ実装構造を実現するウェハ接合実装方法を提供することにある。

上記目的は、角速度センサおよび加速度センサの其々が異なるガス圧力で圧力容器に封止され、一方のセンサ基板側の封止キャップとの接合界面に、圧力容器内部から外部につながる溝があり、その溝が封止キャップ材の変形及び流動により前記センサ基板と前記封止キャップとを接合する接合部材を用いずに埋め込まれたことを特徴とするセンサ装置により達成される。

第１から第３態様の本発明のセンサ実装構造によれば、小型・安価で、長期信頼性を確保したセンサを実現することができる。

また、第４及び第５態様の本発明のウェハ接合実装方法によれば、小型・安価で、長期信頼性を確保したセンサ実装構造を実現することができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。なお、本発明は、それぞれの実施形態を適宜に組み合わせることにより、さらに効果的なものとすることを含む。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態のセンサ実装構造を、図１から図３を用いて説明する。図１は本実施形態のセンサ実装構造全体の断面図である。図２は図１のセンサ実装構造から外装パッケージ５を省略したセンサ素子１の実装構造を示す平面図である。図３は図１のセンサ実装構造から外装パッケージ５を省略した別形態のセンサ素子１の実装構造を示す平面図である。

図１に示す本実施形態のセンサ実装構造は、角速度センサと加速度センサとの複合センサの実装構造である。このセンサ実装構造は、センサ素子１と、当該センサ素子の駆動・センシングを制御する集積回路２と、センサ素子１と集積回路２を電気的に接続する中間配線３１と、外部接続端子４と、当該外部接続端子４と集積回路を電気的に接続する中間配線３２と、上記構成要素全体を包含する外装パッケージ５とを備えて構成されている。本実施形態において、集積回路２，中間配線３１及び３２外部接続端子４，外装パッケージ５は、公知の構造を有し、また、本図に開示した構造・方式に限定されるものではない。

次に、本実施形態の中心部であるセンサ素子１の詳細構成について説明する。センサ素子１は、当該センサ１１を支持するセンサ基板１２と、当該センサを減圧清浄雰囲気に封じ込める封止キャップ１３と、センサ基板１２と封止キャップ１３が貼り合わされる接合枠１４とを備えて構成される。さらに、接合枠１４の一部には、本発明の心臓部である溝１５が形成されている。

次に、本実施形態のセンサ素子１の平面構造を図２を用いて説明する。角速度センサ１１ａと加速度センサ１１ｂが接合枠１４で封止された圧力容器１６ａ及び１６ｂの中に配置されている。ここでの加速度センサ１１ｂは一方向の加速度とそれに直交する方向の加速度を２個のセンサで其々検出する構成であるが、これ以外にも種々の構成が考えられる。

圧力容器１６ａ及び１６ｂは、高真空に排気されたあと封止されるか、あるいは、アルゴンなどの高純度不活性ガスで置換・封入される。その内部圧力の例としては、角速度センサ１１ａが配置された圧力容器１６ａの内部圧力として数１００Ｐａが設定され、加速度センサ１１ｂが配置された圧力容器１６ｂの内部圧力として数１００ｈＰａが設定される。これらの設定値は、設計した各センサに適した動作圧力によって決定されることが望ましい。

本発明の心臓部である溝１５は、たとえば加速度センサ１１ｂからセンサ素子１の外側につながるように、接合枠１４の一部に形成されている。当該溝の平面形状は、図２に示したような実施形態に限定されないが、その寸法は後述するウェハ実装方法での封止キャップ１３の材料特性によって、適宜決定される。

図１及び図２に示す本実施形態では、各センサが高真空や高純度不活性ガスで置換された圧力容器に封入されるため、各センサに適した動作状態を設定することができ、高度でかつ安定したセンシング性能が得られる。また、溝１５は封止キャップ１３の材料で外部と完全に封止されているので、図１に示した外装パッケージ５として、センサ素子１，集積回路２，中間配線３１及び３２が、外部と接触しないように実装する機能だけで十分な、簡易でかつ低コストの構造、たとえば樹脂封止を用いることができるようになる。

図３にセンサ素子１の別形態の実装構造を示す。この実施形態では、角速度センサ１１ａが当該素子の最内部に配置され、外周に向かって、接合枠１４ａ，加速度センサ１１ｂ，接合枠１４ｂの順で配置され、最外周の接合枠１４ｂの一部に溝１５が配置されている。

本実施形態において、図２に示した実施形態と同様に、角速度センサ１１ａが配置された圧力容器１６ａの内部圧力として数１００Ｐａ，加速度センサ１１ｂが配置された圧力容器１６ｂの内部圧力として数１００ｈＰａが設定される。

本実施形態では、角速度センサ１１ａが、加速度センサ１１ｂの内側に完全に含まれるので、角速度センサ１１ａと加速度センサ１１ｂを仕切る接合枠１４ａにかかる圧力差は数１００ｈＰａとなる。一方、図２に示した実施形態では、角速度センサ１１ａと外部を仕切る接合枠１４にかかる圧力差は約１０００ｈＰａであるので、図３に示す本実施形態のほうが、外部から角速度センサ１１ａの圧力容器１６ａへの外気の漏れ込みが少なくなり、角速度センサ１１ａの長期信頼性がより優れたセンサ実装構造を実現することができる。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態のセンサ実装構造を、図４を用いて説明する。図４は図１のセンサ実装構造から外装パッケージ５及び封止キャップ１３を省略したセンサ素子１の実装構造における裏面引出し実装構造の断面図である。本実施形態では、センサ素子１に形成されたセンサ基板１２の裏面への配線引出し電極１９と封止キャップ１３との配置関係を説明する。

センサ素子１は、センサ１１を支持するセンサ基板１２と、当該センサを減圧清浄雰囲気に封じ込める封止キャップ１３と、センサ基板１２と封止キャップ１３が貼り合わされる接合枠１４とを備えて構成される。さらに、接合枠１４の一部には、溝１５が形成されている。

センサ１１は島電極部１１１と振動部１１２を含み、島電極部１１１及び接合枠１４の表面には多結晶シリコン薄膜１１３ａが形成され、その表面と封止キャップ１３とが接合されている。島電極部１１１及びセンサ基板１２には連続した貫通孔が形成され、島電極部１１１の表面から貫通孔の内壁を経由してセンサ基板１２の裏側にある配線引出し電極１９まで電気的に導通するように、多結晶シリコン薄膜１１３ｂが形成されている。以上の構成により、センサ基板１２の裏面の配線引出し電極１９からセンサ１１の島電極部１１１に電力が供給され、振動部１１２が駆動されて物理量の検出が行われる。

本実施形態において、封止キャップ１３が接合枠１４と島電極部１１１表面に形成された多結晶シリコン薄膜１１３ａと接合される際に、接合枠１４に形成された溝１５が封止キャップ１３材料であるガラスの変形により埋め込まれて完全に封止され、圧力容器１６が形成される。また、それと同時に、本実施形態においては、島電極部１１１と多結晶シリコン薄膜１１３ａの封止キャップ１３との対向面に研摩痕（スクラッチ），結晶粒界や塵埃などが残っていても、それらによる凹凸が埋め込まれるように封止されるので、島電極部１１１及び多結晶シリコン薄膜１１３ａの表面性状を平滑・清浄に管理する必要がなく、プロセスの低コスト化に効果的である。

なお、センサ実装構造において、本形態の発明が実施されているかどうかは、封止キャップ１３が圧力容器に対応する位置で変形して凹面が形成されるので、容易に確認することができる。

（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態のセンサ実装構造を、図５を用いて説明する。図５は図１のセンサ実装構造から外装パッケージ及び封止キャップを省略したセンサ素子１の実装構造における表面引出し接合実装構造の断面図である。

センサ素子１は、センサ１１を支持するセンサ基板１２と、当該センサを減圧清浄雰囲気に封じ込める封止キャップ１３と、センサ基板１２と封止キャップ１３が貼り合わされる接合枠１４とを備えて構成される。さらに、接合枠１４の一部には、溝１５が形成されている。

センサ１１は島電極部１１１と振動部１１２を含み、島電極部１１１及び接合枠１４の表面と封止キャップ１３とが貼り合わされて接合されている。本実施形態では、封止キャップ１３の島電極部１１１と接する面の一部に貫通孔が形成され、封止キャップ１３の表面から貫通孔の内壁を経由して島電極部１１１まで電気的に導通するように、配線引出し電極１９が形成されている。以上の構成により、封止キャップ１３の表面の配線引出し電極１９からセンサ１１の島電極部１１１に電力が供給され、振動部１１２が駆動されて物理量の検出が行われる。

本実施形態において、封止キャップ１３が接合枠１４及び島電極部１１１表面と接合される際に、接合枠１４に形成された溝１５が封止キャップ１３材料であるガラスの変形により埋め込まれて完全に封止され、圧力容器１６が形成される。また、それと同時に、本実施形態においては、島電極部１１１と封止キャップ１３の両対向面に研摩痕（スクラッチ）や塵埃などが残っていても、それらの凹凸が埋め込まれるように封止されるので、島電極部１１１及び封止キャップ１３の表面性状を平滑・清浄に管理する必要がなく、プロセスの低コスト化に効果的である。

本実施形態においては、封止キャップ１３に貫通孔が形成されるため、封止キャップ１３の表面に研摩痕（スクラッチ）や塵埃が残りやすい。図６は封止キャップウェハ表面に残るスクラッチ欠陥構造の実例を示す光学顕微鏡拡大像である。接合面にこのような凹凸があっても、それらが埋め込まれるように接合され、完全な封止構造が実現できる。

なお、本センサ実装構造においても、本形態の発明が実施されているかどうかは、封止キャップ１３が圧力容器に対応する位置で変形して凹面が形成されるので、容易に確認することができる。

（第４実施形態）
次に本発明の第４実施形態のセンサ実装構造を、図７を用いて説明する。図７は接合部材によるセンサ素子実装構造の断面図である。

本実施形態は図４に示した第２実施形態のセンサ実装構造に対して、封止キャップ１３と接合枠１４及び島電極部１１１の表面に形成された多結晶シリコン薄膜１１３との間に接合部材１７を配置し、当該接合部材を溶融させて接合する点が異なる。当該接合部材の具体例としては、低融点ガラス，共晶はんだが公知である。

本実施形態においては、接合部材は溶融状態にあり流動性が高いので、溝への埋め込みが容易になる。したがって接合荷重を低くすることができ、ウェハの歪が抑えられるという利点がある。

（第５実施形態）
次に本発明の第５実施形態のウェハ接合実装方法を、図１と図２を用いて説明する。図１中に示されているセンサ素子１がウェハ接合実装方法を用いて作製される。当該方法において、センサ１１がＳＯＩ（Si on Insulator）ウェハの中にマイクロマシニング技術を用いて形成されたセンサ基板１２と、軟化温度近傍の温度下でかつ電界印加条件下で、ある一定の移動能力を持ったイオン化分子を含むガラス基板からなる封止キャップ１３とを、適宜位置合せしたのちに、基板ごと陽極接合され、最後にダイシングにより個々のセンサ素子１に切り出される。

次に本発明の重要点である接合プロセスを、図２を用いて説明する。図１に示されている封止キャップ１３と密着する、図２に示された接合枠１４の加速度センサ１１ｂと外気を仕切る位置に溝１５を形成したうえで、角速度センサ１１ａ及び加速度センサ１１ｂを接合により圧力容器１６ａ及び１６ｂに其々封止する際に、少なくとも２段階の接合レシピが実行される。

まず第１段階として、公知の陽極接合条件によりウェハ接合が実施される。当該接合条件の例として、化学的に不活性なアルゴンガスでガス圧力の例として数１００Ｐａに置換された清浄な減圧雰囲気下で、接合温度４００℃程度以下，接合電圧数１００〜１０００Ｖ，接合荷重は積極的には印加せずに行われる。

本プロセスにより、接合枠１４のうち、溝１５以外の場所が完全に接合されるので、まず角速度センサ１１ａのみが数１００Ｐａ以下の減圧状態に封止される。

第１段階の接合が終了後、引き続いて第２段階の本発明による特殊な陽極接合条件によりウェハの接合が継続される。第２の接合条件としては、アルゴンガスで第１段階とは異なるガス圧力、たとえば数１００ｈＰａ雰囲気下で、接合温度４５０℃程度以上の封止キャップの軟化温度近傍で、接合荷重１０ｋＮ程度以上を印加することにより、高温・高荷重で陽極接合される。

本プロセスにより、接合枠１４の溝１５が変形した封止キャップ材で埋め込まれながら陽極接合が進行し、加速度センサ１１ｂが数１００ｈＰａ以下の大気圧に近い減圧状態に封止される。

本発明の第５実施形態のウェハ接合実装方法によれば、一連の多段階接合プロセスのなかで、異なる内部ガス圧力の圧力容器が形成され、其々適正な動作条件で各センサが機能することができるようになり、高機能な複合センサ素子を得ることができる。

次に本実施形態の効果の実例を、図８及び図９を用いて説明する。図８は高温・高荷重で陽極接合封止された高真空容器へのリークレート（外気の漏れ込み速度）の接合温度依存性を示すグラフである。接合温度４５０℃以上、接合荷重１５ｋＮでの条件範囲では、接合枠の幅が１００〜５００μｍのいずれであってもリークレートはほぼ同じになり、強固な接合封止が実現される。

図９は高温・高荷重で陽極接合封止された高真空容器へのリークレート（外気の漏れ込み速度）の接合荷重依存性を示すグラフである。接合荷重１０ｋＮ以上、接合温度５００℃での条件範囲では、接合枠の幅が１００〜５００μｍのいずれであってもリークレートはほぼ同じになり、強固な接合封止が実現される。

以上のような、公知の接合条件と高温・高荷重接合条件との２段階接合方法と接合枠の一部に溝を設けることにより、複数の異なる減圧内部圧力を有する不活性ガス圧力容器に封止された信頼性に優れる複合センサを、低コストに実現することができるようになる。

さらに、本発明によれば、島電極部での接合幅を狭く取ることができるようになるので、島電極自体の寸法を小さくすることができ、したがって、センサ素子全体の寸法を小さくすることができる。その結果として、ウェハあたりのセンサ素子数を増やすことができるので、製造コストを効果的に低減することができるという効果も得られる。

本発明は、圧力センサ，角速度センサ，加速度センサ，加・加速度センサ、及びそれらの複合センサなど、ＭＥＭＳ技術を応用した車載用センサ及びセンサモジュール製造業、あるいは携帯用情報処理機器用センサ製造業に幅広く利用することができる。

センサ実装構造全体断面図。 第１のセンサ素子実装構造平面図。 第２のセンサ素子実装構造平面図。 裏面引出し実装構造断面図。 表面引出し実装構造断面図。 ウェハ表面の欠陥構造例。 接合用部材によるセンサ素子実装構造。 高温・高荷重多段階接合の第１の効果。 高温・高荷重多段階接合の第２の効果。

符号の説明

１ センサ素子
２ 集積回路
３ 中間配線
４ 外部接続端子
５ 外装パッケージ
１１ センサ
１１ａ 角速度センサ
１１ｂ 加速度センサ
１２ センサ基板
１３ 封止キャップ
１４ 接合枠
１５ 溝
１６ 圧力容器
１９ 配線引出し電極
１１１ 島電極部
１１２ 振動部
１１３ 多結晶シリコン薄膜

Claims (3)

1. 角速度センサおよび加速度センサの其々が異なるガス圧力で圧力容器に封止され、一方のセンサ基板側の封止キャップとの接合界面に、圧力容器内部から外部につながる溝があり、その溝が封止キャップ材の変形及び流動により前記センサ基板と前記封止キャップとを接合する接合部材を用いずに埋め込まれたことを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１において、
   前記封止キャップ材は、その軟化温度近傍の温度下で、かつ電界印加条件下で、ある一定の移動能力を持ったイオン化分子を含むガラスであり、当該封止キャップ材の変形及び流動により前記溝が埋め込まれたことを特徴とするセンサ装置。
3. 角速度センサおよび加速度センサの其々が異なるガス圧力で圧力容器に封止され、一方のセンサ基板側の封止キャップとの接合界面に、封止キャップ材で埋め込まれた溝を有するセンサ装置の製造方法であって、
   前記溝を埋め込まないで他方のセンサ圧力容器を封止接合する工程と、
   その後、溝を埋め込みつつ前記一方のセンサ圧力容器を封止接合する工程と、
   からなり、
   前記溝を埋め込みつつ前記一方のセンサ圧力容器を封止接合する工程は、
   前記封止キャップ材の軟化温度近傍で、当該封止キャップ材が変形及び流動する程度の荷重でセンサ基板に押し付けながら、電界を印加して陽極接合する工程を含む多段階の工程で接合することを特徴とするセンサ装置の製造方法。

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