(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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基板とピエゾ抵抗素子を用いたセンサーと、該センサーに接合した能動素子モジュールとを備えたセンサーユニットにおいて、
前記センサーは、可動機能領域内に位置するピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子に電気的に接続し前記可動機能領域の外側に位置する複数のバンプを有し、
前記能動素子モジュールは、前記センサーとの対向面に複数のコンタクト電極を有し、該コンタクト電極は対応する前記バンプと接続しており、
前記センサーと前記能動素子モジュールとの間隙には、前記可動機能領域を囲むように枠形状の堰部材が位置し、該堰部材の外側の前記間隙には弾性率が１〜１０ＧＰａの範囲内にある封止樹脂が存在し、
前記堰部材は樹脂材料あるいは金属材料で形成されて前記能動素子モジュールに固着され、前記センサーには固着されておらず、前記堰部材の高さＨ（μｍ）と前記間隙の大きさＧ（μｍ）との間には、０≦Ｇ−Ｈ≦５の関係が成立することを特徴とするセンサーユニット。
【請求項２】
前記堰部材は、前記可動機能領域からみて前記コンタクト電極の内側および／または外側に位置す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。
【請求項３】
前記能動素子モジュールは、貫通電極と、該貫通電極と前記コンタクト電極を接続する配線とを有し、該配線と該貫通電極が前記堰部材よりも外側に位置している部位を前記封止樹脂が被覆していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサーユニット。
【請求項４】
前記能動素子モジュールは、貫通電極と、該貫通電極と能動素子の電極を接続するボンディングワイヤとを有し、前記封止樹脂は前記ボンディングワイヤと前記貫通電極と前記電極を被覆していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサーユニット。
【請求項５】
前記堰部材は、ポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセンサーユニット。
【請求項６】
前記センサーの前記バンプは、スタッドバンプであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセンサーユニット。
【請求項７】
前記センサーは、前記ＳＯＩ基板からなるセンサー本体であって、枠部と、該枠部から内側方向に突出する複数の梁部と、該梁部により支持される錘部と、前記梁部に位置するピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子に電気的に接続し前記枠部に位置する複数の前記バンプと、を有するセンサー本体と、前記錘部との間に所定の間隙を形成するように前記センサー本体の枠部の前記バンプが位置する面と反対側の面に接合している保護用蓋部材と、を有し、前記梁部と前記錘部が前記可動機能領域にあることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のセンサーユニット。
【請求項８】
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、面付け毎に所望の加工を施して、可動機能領域内にピエゾ抵抗素子を備え、該ピエゾ抵抗素子に電気的に接続された複数のバンプを前記可動機能領域の外側に有するセンサー本体を、前記ＳＯＩウエハの各面付けに作製し、その後、ダイシングする工程と、
能動素子モジュール用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に、能動素子を作製し、複数のコンタクト電極を前記センサー本体の前記バンプに対応するように形成するとともに、前記センサー本体の前記可動機能領域を囲めるように樹脂材料あるいは金属材料を用いて枠形状で堰部材を前記コンタクト電極が形成された同じ面に配設して、能動素子モジュールを多面付けで作製する工程と、
多面付けの各能動素子モジュールに、能動素子モジュールのコンタクト電極にバンプが接続するように前記センサー本体を搭載し、センサー本体の周囲に溶融樹脂を供給してセンサー本体と能動素子モジュールとが対向する間隙に溶融樹脂を侵入させて封止樹脂とすることによりセンサー本体と能動素子モジュールとを接合するとともに、前記間隙を密封して、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、を有し、前記堰部材の高さＨ（μｍ）を前記間隙の大きさＧ（μｍ）との間に０≦Ｇ−Ｈ≦５の関係が成立するように設定することを特徴とするセンサーユニットの製造方法。
【請求項９】
前記堰部材は、感光性のポリイミド樹脂を露光、現像し、３００〜３５０℃の範囲内で加熱硬化して形成することを特徴とする請求項８に記載のセンサーユニットの製造方法。
【請求項１０】
前記バンプの先端に導電性ペーストを付着させ、該導電性ペーストを介して前記能動素子モジュールのコンタクト電極に接続し、接続時の前記導電性ペーストの加熱温度は２５０〜３００℃の範囲内とすることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のセンサーユニットの製造方法。
【請求項１１】
前記センサー本体を前記ＳＯＩウエハの各面付けに作製する工程では、枠部と、該枠部から内側方向に突出する複数の梁部と、該梁部により支持される錘部と、前記梁部に配設されたピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子に電気的に接続され前記枠部に位置する前記バンプと、を有するセンサー本体を作製することを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載のセンサーユニットの製造方法。
【請求項１２】
多面付けの前記センサー本体をダイシングする前に、ガラスウエハを多面付けに区画し、面付け毎に所望の加工を施して、保護用蓋部材を、前記ガラスウエハの各面付けに作製する工程と、前記ＳＯＩウエハに作製された前記センサー本体の枠部に、前記ガラスウエハに作製された保護用蓋部材を接合する工程と、を有することを特徴とする請求項１１に記載のセンサーユニットの製造方法。
【請求項１３】
前記能動素子の作製は、別途作製した能動素子を前記能動素子モジュール用ウエハに埋設することを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載のセンサーユニットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサーユニットに係り、特にセンサーと能動素子とを内蔵したセンサーユニットと、このセンサーユニットを簡便に製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサー、加速度センサー等のセンサーと、このセンサーを制御する能動素子とを備えたセンサーユニットが種々の用途に用いられている。このようなセンサーユニットとしては、例えば、ワイヤボンディング、金属バンプ等の接続手段を用いて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実装し、これらを樹脂封止して保護したものが知られている（特許文献１）。
また、センサー内蔵モジュールと能動素子内蔵モジュールとを重ね合わせて接合し、樹脂で封止したセンサーユニットが開発されている（特許文献２）。
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３、４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５９１６９号公報
【特許文献２】特開２００９−７０８９４号公報
【特許文献３】特開２００２−２２１４６３号公報
【特許文献４】特開２００４−０６９４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような配線基板上に実装された従来のセンサーユニットでは、センサー内蔵モジュールが能動素子内蔵モジュールの実装部位とは別の部位に位置するため、配線基板の面方向の広がりが必要であった。このため、センサーユニットの小型化には限界があった。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。
【０００５】
一方、センサー内蔵モジュールと能動素子内蔵モジュールとを重ね合わせて接合した従来のセンサーユニットでは、センサーの機能を損なわないように所望の間隙を設けるようにしてセンサー内蔵モジュールと能動素子内蔵モジュールとを重ね合わせているが、接合に使用する接着剤等が間隙に侵入してセンサーの作動に支障を来すという問題があった。また、封止樹脂は、センサー内蔵モジュールと能動素子内蔵モジュールの全体を被覆しているので量が多く、封止樹脂とは熱による挙動が異なるセンサーに与える応力が大きくなり、センサーの作動に支障を来すという問題もあった。
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するために、本発明のセンサーユニットは、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基板とピエゾ抵抗素子を用いたセンサーと、該センサーに接合した能動素子モジュールとを備えたセンサーユニットにおいて、前記センサーは、可動機能領域内に位置するピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子に電気的に接続し前記可動機能領域の外側に位置する複数のバンプを有し、前記能動素子モジュールは、前記センサーとの対向面に複数のコンタクト電極を有し、該コンタクト電極は対応する前記バンプと接続しており、前記センサーと前記能動素子モジュールとの間隙には、前記可動機能領域を囲むように枠形状の堰部材が位置し、該堰部材の外側の前記間隙には弾性率が１〜１０ＧＰａの範囲内にある封止樹脂が存在し、前記堰部材は樹脂材料あるいは金属材料で形成されて前記能動素子モジュールに固着され、前記センサーには固着されておらず、前記堰部材の高さＨ（μｍ）と前記間隙の大きさＧ（μｍ）との間には、０≦Ｇ−Ｈ≦５の関係が成立するような構成とした。
【０００７】
本発明の他の態様として、前記堰部材は、前記可動機能領域からみて前記コンタクト電極の内側および／または外側に位置するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記能動素子モジュールは、貫通電極と、該貫通電極と前記コンタクト電極を接続する配線とを有し、該配線と該貫通電極が前記堰部材よりも外側に位置している部位を前記封止樹脂が被覆しているような構成、あるいは、前記能動素子モジュールは、貫通電極と、該貫通電極と能動素子の電極を接続するボンディングワイヤとを有し、前記封止樹脂は前記ボンディングワイヤと前記貫通電極と前記電極を被覆しているような構成とした。
【０００８】
本発明の他の態様として、前記堰部材は、ポリイミド樹脂であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記センサーの前記バンプは、スタッドバンプであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記センサーは、前記ＳＯＩ基板からなるセンサー本体であって、枠部と、該枠部から内側方向に突出する複数の梁部と、該梁部により支持される錘部と、前記梁部に位置するピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子に電気的に接続し前記枠部に位置する複数の前記バンプと、を有するセンサー本体と、前記錘部との間に所定の間隙を形成するように前記センサー本体の枠部の前記バンプが位置する面と反対側の面に接合している保護用蓋部材と、を有し、前記梁部と前記錘部が前記可動機能領域にあるような構成とした。
【０００９】
本発明のセンサーユニットの製造方法は、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ウエハを多面付けに区画し、面付け毎に所望の加工を施して、可動機能領域内にピエゾ抵抗素子を備え、該ピエゾ抵抗素子に電気的に接続された複数のバンプを前記可動機能領域の外側に有するセンサー本体を、前記ＳＯＩウエハの各面付けに作製し、その後、ダイシングする工程と、能動素子モジュール用ウエハを多面付けに区画し、各面付け毎に、能動素子を作製し、複数のコンタクト電極を前記センサー本体の前記バンプに対応するように形成するとともに、前記センサー本体の前記可動機能領域を囲めるように樹脂材料あるいは金属材料を用いて枠形状で堰部材を前記コンタクト電極が形成された同じ面に配設して、能動素子モジュールを多面付けで作製する工程と、多面付けの各能動素子モジュールに、能動素子モジュールのコンタクト電極にバンプが接続するように前記センサー本体を搭載し、センサー本体の周囲に溶融樹脂を供給してセンサー本体と能動素子モジュールとが対向する間隙に溶融樹脂を侵入させて封止樹脂とすることによりセンサー本体と能動素子モジュールとを接合するとともに、前記間隙を密封して、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、を有し、前記堰部材の高さＨ（μｍ）を前記間隙の大きさＧ（μｍ）との間に０≦Ｇ−Ｈ≦５の関係が成立するように設定するような構成とした。
【００１０】
本発明の他の態様として、前記堰部材は、感光性のポリイミド樹脂を露光、現像し、３００〜３５０℃の範囲内で加熱硬化して形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記バンプの先端に導電性ペーストを付着させ、該導電性ペーストを介して前記能動素子モジュールのコンタクト電極に接続し、接続時の前記導電性ペーストの加熱温度は２５０〜３００℃の範囲内とするような構成とした。
本発明の他の態様として、前記センサー本体を前記ＳＯＩウエハの各面付けに作製する工程では、枠部と、該枠部から内側方向に突出する複数の梁部と、該梁部により支持される錘部と、前記梁部に配設されたピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子に電気的に接続され前記枠部に位置する前記バンプと、を有するセンサー本体を作製するような構成とし、また、多面付けの前記センサー本体をダイシングする前に、ガラスウエハを多面付けに区画し、面付け毎に所望の加工を施して、保護用蓋部材を、前記ガラスウエハの各面付けに作製する工程と、前記ＳＯＩウエハに作製された前記センサー本体の枠部に、前記ガラスウエハに作製された保護用蓋部材を接合する工程と、を有するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記能動素子の作製は、別途作製した能動素子を前記能動素子モジュール用ウエハに埋設するような構成とした。
【発明の効果】
【００１１】
このような本発明のセンサーユニットは、センサー本体のバンプに能動素子モジュールのコンタクト電極が接続した状態で、封止樹脂によりセンサーと能動素子モジュールとを接合した構造であり、配線基板を備えていないので、面積、高さともに大幅な小型化が可能となる。また、センサー本体と能動素子モジュールとが対向する間隙に、センサーの可動機能領域を囲むように堰部材が位置しているので、封止樹脂がセンサーの可動機能領域まで侵入してセンサーの機能を損なうことが防止される。そして、封止樹脂は堰部材の外側の間隙に存在し、センサーと能動素子モジュールの全体を被覆するものではないので、センサーの機能を損なうような応力を生じることはなく、逆に、センサーと能動素子モジュールとの熱挙動の違いによる応力が生じた場合、弾性率が１〜１０ＧＰａの範囲内にある封止樹脂が応力を緩和する作用をなすので、センサーユニットの安定した機能が確保される。また、センサー本体と能動素子モジュールとが対向する間隙が封止樹脂により密封されるので、センサーユニットの実装時においてピエゾ抵抗素子が熱等の悪影響を受け難くいものとなる。
【００１２】
また、本発明の製造方法は、能動素子モジュールのコンタクト電極をセンサー本体のバンプに接続させた状態で、センサー本体の周囲に溶融樹脂を供給してセンサー本体と能動素子モジュールとが対向する間隙に溶融樹脂を侵入させて封止樹脂とすることによりセンサー本体と能動素子モジュールとを接合し、このとき、溶融樹脂がセンサー本体の可動機能領域まで侵入することを堰部材が阻止するので、センサーの機能が損なわれることがなく、また、接合における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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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２】本発明のセンサーユニットを構成するセンサーの能動素子モジュールとの対向面を示す図である。
【図３】本発明のセンサーユニットを構成する能動素子モジュールのセンサーとの対向面を示す図である。
【図４】図１に示されるセンサーユニットの鎖線で囲まれた部位の拡大図である。
【図５】本発明のセンサーユニットを構成する堰部材の他の配置例を示す図である。
【図６】本発明のセンサーユニットを構成する堰部材の他の配置例を示す図である。
【図７】図１に示されるセンサーユニットを構成するセンサーの一例を示す図であり、能動素子モジュールとの対向面を示す平面図である。
【図８】図７に示されるセンサーのIII−III線での縦断面図である。
【図９】図７に示されるセンサーのIV−IV線での縦断面図である。
【図１０】本発明のセンサーユニットを構成する能動素子モジュールの他の態様を示す図である。
【図１１】本発明のセンサーユニットを構成するバンプとコンタクト電極との接続の他の形態を示す図である。
【図１２】本発明のセンサーユニットの製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【図１３】本発明のセンサーユニットの製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【図１４】本発明のセンサーユニットの製造方法におけるセンサーの作製例を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［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と能動素子モジュール５とが封止樹脂８を介して接合されたものである。図２は、センサーユニット１を構成するセンサー２の能動素子モジュール５との対向面を示す図であり、図３は、センサーユニット１を構成する能動素子モジュール５のセンサー２との対向面を示す図である。そして、図１は、図２のＩ−Ｉ線、図３のII−II線における断面を示している。また、図４は、図１に示されるセンサーユニット１の鎖線で囲まれた部位の拡大図である。
【００１５】
本発明のセンサーユニット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。このセンサー２は、可動機能領域２Ａ内に位置するピエゾ抵抗素子（図示せず）と、可動機能領域２Ａの外側に位置する複数のバンプ６を有している。各バンプ６は、ピエゾ抵抗素子に電気的に接続している端子３０上に配設されており、したがってバンプ６もピエゾ抵抗素子に電気的に接続されたものとなっている。図示例では、バンプ６はスタッドバンプとなっているが、これに限定されるものではなく、半球形状等、他の形状であってもよい。また、バンプ６は、例えば、金、銅、導電性ペースト、はんだ等、あるいは、これらの複合材料等で構成することができる。尚、可動機能領域２Ａは、センサー２の機能を発現するうえで可動を確保する必要がある領域であり、図１には矢印で範囲を示し、また、図２では鎖線で囲み、図３では二点鎖線で囲んで範囲を表している。
【００１６】
本発明のセンサーユニット１を構成する能動素子モジュール５は、能動素子５１と、能動素子５１に穿設された複数の微細貫通孔５２と、これらの微細貫通孔５２内に配設された貫通電極５３とを備えている。この能動素子モジュール５のセンサー２との対向面には、配線５６を介して所定の貫通電極５３に接続されている複数のコンタクト電極５４が配設されており、このコンタクト電極５４は、対応するバンプ６と導電性ペースト５５を介して接続している。そして、この能動素子モジュール５とセンサー２との間には、間隙９が存在し、センサー２の可動機能領域２Ａは他の部材と接触あるいは固着することなく可動を確保されている。このような間隙９の大きさＧは、例えば、２０〜４０μｍ程度とすることができ、２０μｍ未満であると、バンプ６を配置することが難しくなり、４０μｍを超えると、バンプ６の高さのばらつきにより、センサー２と能動素子モジュール５との電気的接続ができない場合が生じ好ましくない。
【００１７】
また、センサー２と能動素子モジュール５との間隙９には、可動機能領域２Ａの外側を囲むように堰部材７が位置し、この堰材７の外側の間隙９には封止樹脂８が存在する。図示例では、堰部材７は、能動素子モジュール５のコンタクト電極５４の外側と内側に配設された２組の枠形状の堰部材７ａ，７ｂからなっている。図３では、枠形状の堰部材７ａ，７ｂに斜線を付して示しており、貫通電極５３、配線５６は省略している。この堰部材７（７ａ，７ｂ）の高さＨ（μｍ）と間隙９の大きさＧ（μｍ）との間には、０≦Ｇ−Ｈ≦５の関係が成立することが好ましい。Ｇ−Ｈ（μｍ）が５μｍを超えると、封止樹脂８による接合、封止時に、溶融樹脂が堰部材７（７ａ，７ｂ）とセンサー２との隙間を通過して可動機能領域２Ａまで侵入することがあり好ましくない。また、堰部材７（７ａ，７ｂ）の幅は、センサー２の可動機能領域２Ａの外側の領域の広さ、コンタクト電極５４の位置、材質等を考慮して設定することができ、例えば、２０〜１００μｍ程度の範囲内で適宜設定することができる。このような堰部材７（７ａ，７ｂ）は、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂材料、めっき形成が可能な金属材料等の材料で形成することができる。特に、配線５６等の短絡防止の点から電気絶縁性の材料が好ましく、例えば、感光性のポリイミド樹脂を露光、現像し、その後、加熱硬化（例えば、３００〜３５０℃の範囲）して形成することができる。尚、本発明では、図５に示すように、堰部材７を可動機能領域２Ａの外側であって、コンタクト電極５４の内側のみに配設してもよく、また、図６に示すように、堰部材７をコンタクト電極５４の外側のみに配設してもよい。
【００１８】
センサー２と能動素子モジュール５との間隙９に位置する封止樹脂８は、その弾性率が１〜１０ＧＰａ、好ましくは３〜７ＧＰａの範囲内とする。封止樹脂８の弾性率が１ＧＰａ未満であると、機械的強度が不十分であり、また、１０ＧＰａを超えると、硬すぎてセンサー２に歪み応力を及ぼし、例えば、センサーのゼロ点等が変化することがあり好ましくない。このような封止樹脂８の樹脂材料としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等を挙げることができる。このような封止樹脂８は、センサー２と能動素子モジュール５との間隙９に位置して両者を接合するとともに、配線５６が堰部材７（７ａ）よりも外側に位置している部位と貫通電極５３とを被覆している。
尚、上記の弾性率は、動的粘弾性測定装置（レオメトリックサイエンスエフイー社製  ＲＤＡIII）を用いて測定した曲げ弾性率であり、封止樹脂８に用いる樹脂材料を短冊状（５０ｍｍ×５ｍｍ、厚み０．５ｍｍ）に硬化状態としてサンプルとし、このサンプルに対してトーション治具を用い、温度２５℃、角速度１０ｒａｄ／ｓで測定する。
【００１９】
次に、センサーユニット１を構成するセンサー２について説明する。
図７は、図１に示されるセンサー２の一例を示す図であり、能動素子モジュール５との対向面を示す平面図である。また、図８は、図７に示されるセンサー２のIII−III線での縦断面図であり、図９は、図７に示されるセンサー２のIV−IV線での縦断面図である。図７〜図９に示されるように、センサー２は、センサー本体３と、これに接合された保護用蓋部材４を備えており、センサー本体３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。
【００２０】
センサー本体３を構成するシリコン層１２（活性層シリコン）は、錘部２１を構成する錘接合部２４と、この錘接合部２４を支持するための４本の梁部２２と、枠部２３と、各梁部２２と枠部２３で囲まれた４箇所の窓部２５とを備えている。そして、錘部２１と４本の梁部２２は可動機能領域２Ａ内にあり、４本の梁部２２には、Ｘ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子２９Ｘ、Ｙ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子２９Ｙと、Ｚ軸方向の外力を検出する４個のピエゾ抵抗素子２９Ｚが配設されている。また、各ピエゾ抵抗素子は、配線（図示せず）を介して対応する端子３０に電気的に接続されている。尚、可動機能領域２Ａは、図７では鎖線で囲んで範囲を示し、図８、図９には矢印で範囲を示している。また、図７ではバンプ６は省略しており、図８、図９ではバンプ６を鎖線で示している。
【００２１】
センサー本体３を構成するシリコン層１４（基板シリコン）は、錘部２１を構成する錘２６と、この錘２６の周囲に開口部を介して位置する枠部２７とを備えている。錘２６は、その厚みが枠部２７よりも薄いものであり、基部２６Ａと、この基部２６Ａから十字型の梁部２２の間（窓部２５）方向に突出している４個の突出部２６Ｂからなる。そして、錘２６の基部２６Ａは、酸化シリコン層１３を介してシリコン層１２（活性層シリコン）の錘接合部２４に接合され、錘部２１が構成されている。
センサー２を構成する保護用蓋部材４は、例えば、ガラス、シリコン、ＳＵＳ板、インバー（Ｆｅ−３６％Ｎｉ合金）等の金属板、絶縁性樹脂板等を用いることができ、厚みは５０〜１０００μｍ程度の範囲で適宜設定することができる。尚、本発明においてセンサー２は、センサー本体３からなり、保護用蓋部材４を備えていないものであってもよい。
【００２２】
このセンサー２では、４本の梁部２２で支持された錘部２１に、Ｘ軸、Ｙ軸、あるいは、Ｚ軸（図７参照）方向に外力が作用すると、可動機能領域２Ａ内にある錘部２１に変位が生じる。この変位により、梁部２２に撓みが生じて、錘部２１に作用した外力がピエゾ抵抗素子により検出される。
ピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚは、例えば、梁部２２（シリコン層１２（活性層シリコン））に、ボロン、リン等の不純物をイオン注入あるいは熱拡散して形成したＰ型拡散層あるいはＮ型拡散層であり、長さ、幅は適宜設定することができる。また、ピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚの形状は、図示のようなストライプ形状に限定されるものではなく、例えば、折り返し部を有するような形状であってもよい。
【００２３】
また、絶縁層２８は、ピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚを被覆するように、センサー本体３を構成するシリコン層１２（活性層シリコン）上に形成されている。このような絶縁層２８は、例えば、二酸化珪素膜であり、厚みは５０〜５００ｎｍ程度の範囲で適宜設定することができる。
尚、ピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚと端子３０とを電気的に接続する配線は、例えば、アルミニウム、アルミニウムを主とした合金、銅、チタン、窒化チタン、および、これらの積層膜等の金属材料を用いて形成することができる。また、このような配線は、例えば、端子３０とピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚとがブリッジ回路を構成するように形成することができる。
【００２４】
次に、センサーユニット１を構成する能動素子モジュール５について説明する。
センサーユニット１を構成する能動素子モジュール５は、上述のように、能動素子５１と、能動素子５１に穿設された複数の微細貫通孔５２と、これらの微細貫通孔５２内に配設された貫通電極５３とを備えている。微細貫通孔５２は、開口径が１〜１００μｍ、好ましくは５〜６０μｍ程度であり、開口径が１μｍ未満であると、細貫通孔５２への貫通電極５３の形成が難しく断線が生じ易く、また、１００μｍを超えると、細貫通孔５２への材料充填が難しくなり好ましくない。また、微細貫通孔５２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。
【００２５】
上記のような微細貫通孔５２内に配設された貫通電極５３は、微細貫通孔５２内に充填されたものであってもよく、また、微細貫通孔５２の内壁面に形成され、貫通電極５３の中心に貫通孔が存在するようなものであってもよい。貫通電極５３の材質は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等の導電材料とすることができる。また、コンタクト電極５４は、例えば、Ｃｕ／Ｃｒ積層、Ｃｕ／Ｔｉ積層等とすることができる。
能動素子モジュール５のセンサー２との対向面には、上述のように、配線５６を介して所定の貫通電極５３に接続されている複数のコンタクト電極５４が配設されている。また、コンタクト電極５４が形成されている面と反対側の能動素子５１の面には、能動素子５１の端子や貫通電極５３にバンプが形成されていてもよい。
【００２６】
このような本発明のセンサーユニット１は、センサー本体３に形成されているバンプ６に能動素子モジュール５のコンタクト電極５４が接続した状態で、封止樹脂８によりセンサー２と能動素子モジュール５とを接合した構造であり、配線基板を備えていないので、面積、高さともに大幅な小型化が可能となる。また、センサー本体３と能動素子モジュール５とが対向する間隙９に、センサー２の可動機能領域２Ａの外側を囲むように堰部材７が位置しているので、封止樹脂８がセンサー２の可動機能領域２Ａまで侵入してセンサー２の機能を損なうことが防止される。そして、封止樹脂８は堰部材７の外側の間隙９に存在し、センサー２と能動素子モジュール５の全体を被覆するものではないので、センサー２の機能を損なうような応力を生じることはなく、逆に、センサー２と能動素子モジュール５との熱挙動の違いによる応力が生じた場合、弾性率が１〜１０ＧＰａの範囲内にある封止樹脂８が応力を緩和する作用をなすので、センサーユニット１の安定した機能が確保される。また、センサー本体３と能動素子モジュール５とが対向する間隙９が封止樹脂８により密封されるのでセンサーユニットの実装時においてピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚが熱等の悪影響を受け難くいものとなる。
【００２７】
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。したがって、センサー本体３に配設された端子３０、バンプ６の位置、個数、能動素子モジュール５に配設されたコンタクト電極５４の位置、個数等は、上述の実施形態に限定されるものではない。また、例えば、センサーユニットを構成する能動素子モジュール５が、図１０に示されるように、基板５０と、この基板５０に内蔵された能動素子５１と、この能動素子５１の外側の領域の基板５０に形成された複数の微細貫通孔５２と、これらの微細貫通孔５２内に配設された貫通電極５３とを備えるものであってもよい。この例では、貫通電極５３の一方の端面には端子５８が位置し、この端子５８はボンディングワイヤ６０を介して能動素子５１の電極５７に接続している。また、貫通電極５３の他方の端面には配線５９が接続されている。そして、この場合も、封止樹脂８は、センサー２と能動素子モジュール５との間隙９に位置して両者を接合するとともに、貫通電極５３、端子５８、電極５７、ボンディングワイヤ６０を被覆している。このような態様における基板５０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、このような能動素子モジュール５は、基板５０のセンサー２と対向する面と反対側の面に能動素子５１を内蔵するものであってもよい。
また、上述の実施形態では、バンプ６とコンタクト電極５４との接続は、導電性ペースト５５を介しているが、図１１に示されるように、バンプ６とコンタクト電極５４とが当接し、導電性ペースト５５がバンプ６の周囲に存在するものであってもよい。また、この場合、導電性ペースト５５の代わりに絶縁性ペーストを使用してもよい。
【００２８】
［センサーユニットの製造方法］
次に、本発明のセンサーユニットの製造方法について、上述の図１に示すセンサーユニット１、図７〜図９に示すセンサー２を例として説明する。
図１２および図１３は、本発明のセンサーユニットの製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。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１１′と、１枚のガラスウエハ４′とを多面付け（各面付け部を１Ａで示す）に区画する（図１２（Ａ））。
【００２９】
次に、ＳＯＩウエハ１１′の面付け１Ａ毎に所望の加工を施して、枠部２３と、この枠部２３から内側方向に突出する複数の梁部２２と、梁部２２により支持される錘部２１と、梁部２２に配設されたピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚと、ピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚに電気的に接続され枠部２３に位置する端子３０と、この端子３０上に位置するバンプ６を有するセンサー本体３を、ＳＯＩウエハ１１′の各面付け１Ａに作製する。また、ガラスウエハ４′の面付け１Ａ毎に所望の加工を施して、保護用蓋部材４をガラスウエハ４′の各面付け１Ａに作製する（図１２（Ｂ））。尚、多面付けのセンサー２の錘部２１、梁部２２、枠部２３，２７の作製工程については、後述する。
そして、ＳＯＩウエハ１１′に形成されたセンサー本体３の枠部２７に、ガラスウエハ４′に形成された保護用蓋部材４を接合して、センサー２を多面付けで作製する（図１２（Ｃ））。その後、ダイシングすることにより、図１に示すセンサー２が得られる（図１３（Ａ））。
【００３０】
また、本発明のセンサーユニットの製造方法では、センサー２と同様に、多面付けで能動素子モジュール５を作製する（図１３（Ｂ））。すなわち、能動素子モジュール用ウエハ５′を多面付け（各面付け部を１Ａで示す）に区画し、面付け１Ａ毎に能動素子５１を作製し、所定の部位に複数の微細貫通孔５２を形成し、これらの微細貫通孔５２に導電材料を配設して貫通電極５３とする。その後、これらの貫通電極５３に接続する配線５６と、この配線５６により貫通電極５３に接続されるコンタクト電極５４を形成する。また、センサー２の可動機能領域２Ａを囲めるように堰部材７（７ａ，７ｂ）をコンタクト電極５４が形成された同じ面に配設する。これにより、能動素子モジュール５が多面付けで作製される。
上記の微細貫通孔５２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５２を形成することもできる。さらに、能動素子モジュール用ウエハ５′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、能動素子モジュール用ウエハ５′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５２を形成してもよい。この微細貫通孔５２の開口径は、１〜１００μｍ、好ましくは５〜６０μｍの範囲で設定することができる。
【００３１】
また、微細貫通孔５２内への貫通電極５３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５２内に形成し、その後、電気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５３を得ることができる。また、導電性ペーストを微細貫通孔５２内に充填することにより貫通電極５３を形成することもできる。
また、コンタクト電極５４、配線５６の形成は、例えば、マスクパターンを介して真空成膜法により、Ｃｕ／Ｃｒ積層、Ｃｕ／Ｔｉ積層等のいずれかからなるパターンを形成することにより行うことができる。
また、堰部材７（７ａ，７ｂ）は、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂材料、めっき形成が可能な金属材料等の材料を用いて形成することができる。例えば、感光性のポリイミド樹脂を塗布し、露光、現像し、その後、加熱硬化（例えば、３００〜３５０℃の範囲）して形成することができる。このような堰部材７（７ａ，７ｂ）の形成時の加熱温度が３５０℃を超えると、能動素子５１に悪影響が及ぶことがあり好ましくない。
【００３２】
形成する堰部材７（７ａ，７ｂ）の高さＨ（μｍ）は、センサー２の端子３０の厚み、バンプ６の高さ、コンタクト電極５４の厚み等を考慮し、センサー２と能動素子モジュール５との接合によりセンサーユニット１に出現する間隙９の大きさＧ（μｍ）との間に０≦Ｇ−Ｈ≦５の関係が成立するように設定する。Ｇ−Ｈ（μｍ）が５μｍを超えると、後工程において溶融樹脂を供給したときに、溶融樹脂が堰部材７（７ａ，７ｂ）とセンサー２との隙間を通過して可動機能領域２Ａまで侵入することがあり好ましくない。また、堰部材７（７ａ，７ｂ）の幅は、センサー２の可動機能領域２Ａの外側の領域の広さ、コンタクト電極５４の位置、堰部材の材質等を考慮して設定することができ、例えば、２０〜１００μｍ程度の範囲内で適宜設定することができる。
【００３３】
尚、上述の図１０で説明したように、基板５０に能動素子５１を内蔵する能動素子モジュールを作製する場合には、面付け１Ａ毎に、能動素子５１を埋設するための凹部を形成し、この凹部内に能動素子５１を埋設する。上記の凹部は、例えば、能動素子モジュール用ウエハ５′上にマスクパターンを形成し、露出している能動素子モジュール用ウエハ５′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５１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５１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。
【００３４】
次いで、多面付けの各能動素子モジュール５に、バンプ６がコンタクト電極５４に接続するようにセンサー２を搭載する（図１３（Ｃ））。そして、センサー２の周囲に溶融樹脂を供給してセンサー２と能動素子モジュール５とが対向する間隙９に溶融樹脂を侵入させて封止樹脂８とすることによりセンサー２と能動素子モジュール５とを接合するとともに、間隙９を密封する。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１３（Ｄ））。各能動素子モジュール５へのセンサー２の搭載は、例えば、バンプ６の先端に導電性ペースト５５を付着させ、この導電性ペーストをコンタクト電極５４に固着することにより行うことができる。このような導電性ペーストを介した接続は、例えば、導電性ペーストを２５０〜３００℃の温度で加熱した状態で行うことができる。
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。
【００３５】
ここで、多面付けのセンサー２の錘部２１、梁部２２、枠部２３，２７の作製工程の一例を、図１４を参照しながら説明する。図１４は、センサーの製造例を示す工程図であり、図９に示した断面形状に相当する部位を示している。
図１４において、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１１′に多面付けで加工が行われる。まず、各面付け１Ａに、梁部２２、枠部２３、錘接合部２４を形成する部位を設定し、梁部２２となるシリコン層１２（活性層シリコン）の所定箇所に熱拡散法あるいはイオン注入法を用いてピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚ（図示せず）を形成する。そして、ピエゾ抵抗素子を被覆するように絶縁層２８を形成し、この絶縁層２８上に配線（図示せず）でピエゾ抵抗素子２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚ（図示せず）に電気的に接続された端子３０を形成する（図１４（Ａ））。
【００３６】
次に、梁部２２、枠部２３、錘接合部２４を形成するための溝部１６をシリコン層１２（活性層シリコン）に形成し、また、錘２６の厚みを設定するための凹部１７をシリコン層１４（基板シリコン）に形成する（図１４（Ｂ））。この溝部１６、凹部１７の形成は、例えば、マスクパターンを介して、プラズマを利用したドライエッチング法であるＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）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溝部１６、凹部１７を形成することもできる。
【００３７】
次に、面付け１Ａ毎に、ＳＯＩウエハ１１′のシリコン層１４（基板シリコン）側（凹部１７側）からマスクパターン１９を介して酸化シリコン層１３が露出するまで開口部１８を穿設して錘２６（基部２６Ａ、突出部２６Ｂ）と枠部２７を形成する（図１４（Ｃ））。その後、開口部１８と溝部１６とに露出する酸化シリコン層１３を除去し、端子３０にバンプ６を形成する（図１４（Ｄ））。これによりセンサー本体３が得られる。開口部１８の形成は、マスクパターン１９を介してＤＲＩＥ法により行うことができる。また、酸化シリコン層１３の除去は、例えば、反応性ガスによるドライエッチングにより行うことができる。マスクパターン１９の形成方法には特に制限はなく、例えば、感光性レジストを用いてフォトリソグラフィーにより形成する方法、樹脂層や金属層を配設し、これにレーザ描画により直接パターニングする方法等を用いることができる。
このようなセンサーを構成する枠部、梁部、錘部の形成と、上述のようなピエゾ抵抗素子、配線、端子の形成、バンプの形成の工程順序は特に制限はない。
そして、ピエゾ抵抗素子が形成されたセンサー本体３に保護用蓋部材４を接合することにより上述のセンサー２が得られる。センサー本体３と保護用蓋部材４との接合は、例えば、陽極接合、直接接合、共晶接合、接着剤を用いた接合等により行うことができる。
【００３８】
上述のような本発明のセンサーユニットの製造方法は、センサー２の周囲に溶融樹脂を供給してセンサー２と能動素子モジュール５とが対向する間隙に溶融樹脂を侵入させて封止樹脂８とすることによりセンサー２と能動素子モジュール５とを接合する際に、溶融樹脂がセンサー２の可動機能領域２Ａまで侵入することを堰部材７（７ａ，７ｂ）が阻止するので、センサー２の機能が損なわれることがない。また、接合における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。
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。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
小型で高信頼性のセンサーユニットが要求される種々の分野において適用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１…センサーユニット
２…センサー
２Ａ…可動機能領域
３…センサー本体
４…保護用蓋部材
５…能動素子モジュール
６…バンプ
７，７ａ，７ｂ…堰部材
８…封止樹脂
９…間隙
１１…ＳＯＩ基板
２１…錘部
２２…梁部
２３…枠部
２４…錘接合部
２６…錘
２７…枠部
２９Ｘ，２９Ｙ，２９Ｚ…ピエゾ抵抗素子
３０…端子
５３…貫通電極
５４…コンタクト電極
４′…ガラスウエハ
５′…能動素子モジュール用ウエハ
１１′…ＳＯＩウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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