(57)【要約】【課題】種々の物理量を検出する半導体センサにおいて、良好な温度特性を確保できる技術を提供する。【解決手段】半導体センサ１００は、素子側基板２と封止側基板８を備えている。素子側基板２の表面の一部にはセンシング機能を有するＭＥＭＳ構造体２２が形成されている。封止側基板８の裏面には、ＭＥＭＳ構造体２２を収容する凹所１３が形成されている。素子側基板２の表面には封止側基板８の裏面が接合されており、素子側基板２と封止側基板８の間に凹所１３に対応する封止空間１１が形成されている。封止空間１９１内にはＭＥＭＳ構造体２２が封止されている。封止側基板８には、凹所１３の開口面８ｂと凹所１３の底面８ａとの間に応力吸収部１４が形成されている。封止側基板８と素子側基板２との間に熱応力が発生すると、応力吸収部１４に熱応力が吸収され、素子側基板２に加わる応力が低減される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子側基板と封止側基板を備えており、
素子側基板の表面にはセンシング部が形成されており、
封止側基板の裏面には凹所が形成されており、
素子側基板の表面に封止側基板の裏面が接合され、素子側基板と封止側基板の間に前記凹所に対応する封止空間が形成され、その封止空間内に前記センシング部が封止されており、
封止側基板には、前記凹所の開口面と前記凹所の底面との間の少なくとも一箇所において応力吸収部が形成されていることを特徴とする半導体センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子側基板の表面に封止側基板を接合して素子側基板と封止側基板の間に封止空間を形成し、その封止空間内にセンシング部を封止している半導体センサに関する。
【０００２】
加速度センサや圧力センサなど、種々の物理量を検出する半導体センサが知られている（例えば、特許文献１、２）。図１５に、従来の一般的な半導体センサ８００の断面図を示す。半導体センサ８００では、素子側基板２１２の表面にセンシング部２３２が形成される。素子側基板２１２の表面には封止側基板２１８が接合され、素子側基板２１２と封止側基板２１８の間に形成される封止空間２２１内にセンシング部２３２が封止されている。センシング部２３２に加速度や圧力が作用するとセンシング部２３２が変形し、そのセンシング部２３２の変形に応じて半導体センサ８００から出力される信号が変化する。これによって、加速度や圧力等の物理量が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０９８６４４号公報
【特許文献２】特開２００１−３３７１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような半導体センサでは、温度変化によって封止側基板と素子側基板との間に熱応力が発生することがある。素子側基板に熱応力が発生すると、素子側基板の表面に形成されているセンシング部に応力が印加され、半導体センサのセンシング特性が変化する。このため、良好な温度特性を確保することができない。
【０００５】
本明細書で開示される技術は、上記の課題を解決するために創作されたものである。本明細書で開示される技術は、種々の物理量を検出する半導体センサにおいて、良好な温度特性を確保できる技術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】
本明細書で開示される技術は、素子側基板と封止側基板を備えている半導体センサに関する。素子側基板の表面にはセンシング部が形成されている。封止側基板の裏面には凹所が形成されている。素子側基板の表面には封止側基板の裏面が接合されており、素子側基板と封止側基板の間に上記の凹所に対応する封止空間が形成されている。封止空間内にはセンシング部が封止されている。封止側基板には、上記の凹所の開口面と上記の凹所の底面との間の少なくとも一箇所において応力吸収部が形成されている。上記の凹所の開口面とは、素子側基板と封止側基板との接合面をいう。
【０００７】
封止側基板に応力吸収部が形成されていると、封止側基板と素子側基板との間に熱応力が発生した場合に、この熱応力が応力吸収部に吸収される。これによって、素子側基板に加わる熱応力が低減される。素子側基板に加わる熱応力が低減されると、素子側基板に形成されているセンシング部に加わる応力が低減される。このため、良好な温度特性を確保することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本明細書で開示される技術によると、種々の物理量を検出する半導体センサにおいて、良好な温度特性を確保することができる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施例の半導体センサ１００の断面図を示す。
【図２】半導体センサ１００を製造する方法の工程（１）を示す。
【図３】半導体センサ１００を製造する方法の工程（２）を示す。
【図４】半導体センサ１００を製造する方法の工程（３）を示す。
【図５】半導体センサ１００を製造する方法の工程（４）を示す。
【図６】半導体センサ１００を製造する方法の工程（５）を示す。
【図７】半導体センサ１００を製造する方法の工程（６）を示す。
【図８】半導体センサ１００を製造する方法の工程（７）を示す。
【図９】第２実施例の半導体センサ２００の断面図を示す。
【図１０】第３実施例の半導体センサ３００の断面図を示す。
【図１１】第４実施例の半導体センサ４００の断面図を示す。
【図１２】第５実施例の半導体センサ５００の断面図を示す。
【図１３】第６実施例の半導体センサ６００の断面図を示す。
【図１４】第７実施例の半導体センサ７００の断面図を示す。
【図１５】従来の半導体センサ８００の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
下記に説明する実施例に記載されている技術の一部を列記する。
（形態１）応力吸収部において封止空間を素子側基板の表面と平行な平面で切断したときの断面の開口面積が、凹所の開口面の面積よりも大きく、かつ、凹所の底面の面積よりも大きい。
（形態２）素子側基板と封止側基板は、ともにシリコン基板によって形成されている。
（形態３）封止側基板に形成されている凹所は、エッチングによって形成されている。
（形態４）封止側基板は複数枚のシリコン基板によって形成されており、各シリコン基板は常温接合で接合されている。
（形態５）半導体センサの製造工程において、シリコン基板上に複数の半導体センサを形成し、各半導体センサの間に分断用溝を形成する。ダイシング時には、分断用溝に沿ってダイシングし、個々の半導体センサに個片化する。
（形態６）封止側基板が一枚のシリコン基板から形成されている。
（形態７）封止側基板の上面には、封止側基板の剛性を低下するための溝が形成されている。
【００１１】
（第１実施例）
図１に、第１実施例の半導体センサ１００の断面図を示す。半導体センサ１００は、加速度センサである。半導体センサ１００は、素子側基板２と、封止側基板８を備えている。素子側基板２はシリコン基板によって形成されている。封止側基板８は、２枚のシリコン基板６ａ、６ｂが接合されて形成されている。素子側基板２の表面の一部には、センシング機能を有するＭＥＭＳ構造体２２が形成されている。ＭＥＭＳ構造体２２は、シリコン酸化膜２１と、電極１８と、電極１８と対向する可動部１６を備えている。可動部１６の図面奥側の端部は、図面奥側に形成されている図示しない固定部によって、シリコン酸化膜２１とシリコン基板２に固定されている。なお、ＭＥＭＳ構造体２２は、図示されたもの以外に、図示しない複数のシリコン酸化膜と複数の電極と複数の可動部を備えている。電極１８と対向する部分では、可動部１６が図面の左右方向に変位可能となっている。半導体センサ１００に加速度が作用すると、可動部１６が図面の左右方向に変位し、それに追従して電極１８の電位が変化する。電極１８の電位の変化から、半導体センサ１００に作用した加速度の大きさを検出することができる。
【００１２】
封止側基板８の内面には、ＭＥＭＳ構造体２２を収容する凹所１３が形成されている。素子側基板２の表面には、封止側基板８が接合されている。素子側基板２と封止側基板８の間には、凹所１３に対応する封止空間１１が形成されている。封止空間１１内には、ＭＥＭＳ構造体２２が封止されている。封止側基板８には、凹所１３の開口面８ｂと凹所１３の底面８ａとの間の一箇所に応力吸収部１４が形成されている。応力吸収部１４において封止空間１１を素子側基板２の表面と平行な平面で切断したときの断面の開口面積Ｗ３は、凹所１３の開口面８ｂの面積Ｗ２よりも大きく、かつ、凹所１３の底面８ａの面積Ｗ１よりも大きい（なお、図中のＷは幅ではなく、奥行のある面積を示している）。
【００１３】
ＭＥＭＳ構造体２２の電極１８には図示しない配線が接続されており、その配線の一部は封止空間１１外に露出している。半導体センサ１００では、封止空間１１外に露出している配線によって電極１８の電位を検出することができ、半導体センサ１００に作用した加速度の大きさを検出することができる。
【００１４】
半導体センサ１００では、封止側基板８と素子側基板２との間に熱応力が発生した場合に、応力吸収部１４に熱応力が吸収される。その結果、素子側基板２に加わる熱応力が低減され、ＭＥＭＳ構造体２２に加わる応力が低減される。このため、良好な温度特性を確保することができる。また、応力吸収部１４が位置する断面の断面積Ｗ３は、凹所１３の開口面８ｂの面積Ｗ２よりも大きく、かつ、凹所１３の底面８ａの面積Ｗ１よりも大きい。凹所１３がこのような形状で形成されていると、応力吸収部１４における熱応力の吸収効果を高めることができる。また、素子側基板２と封止側基板８がともにシリコン基板によって形成されているため、素子側基板２と封止側基板８の線膨張係数が等しい。このことによっても、封止側基板８と素子側基板２との間に発生する熱応力を低減することができる。
【００１５】
図２〜図８に半導体センサ１００を製造する方法を示す。なお、本方法では、シリコン基板上に複数の半導体センサ１００を形成するが、以下では、そのうちの１つの半導体センサ１００を拡大した図を示す。まず、図２に示すように、２枚のシリコン基板６ａ、６ｂを用意する。次いで、図３に示すように、各シリコン基板６ａ、６ｂをエッチングすることによって、各シリコン基板６ａ、６ｂに、側面に傾斜を有する凹所１２、２４を形成する。このように側面に傾斜を有する凹所１２、２４は、シリコン基板６ａ、６ｂの結晶方位に沿って異方性エッチングすることにより形成することができる。エッチングに用いる溶液としては、例えば、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を用いることができる。
【００１６】
次いで、図４に示すように、各シリコン基板６ａ、６ｂの凹所１２、２４の開口面を互いに対向させて常温接合する。接合方法は、常温接合の他に、熱酸化による接合であってもよいし、ガラスフリットによる接合であってもよいし、金属共晶接合であってもよい。本方法では、２枚のシリコン基板６ａ、６ｂを上下に接合することによって、封止側基板８が形成される。以下では、封止側基板８を形成する２枚のシリコン基板６ａ、６ｂのうち、素子側基板２に接続される側のシリコン基板６ａを下側のシリコン基板６ａといい、他方のシリコン基板６ｂを上側のシリコン基板６ｂという。即ち、上側のシリコン基板６ｂの表面が封止側基板８の表面となり、下側のシリコン基板６ａの裏面が封止側基板８の裏面となる。次いで、図５に示すように、下側のシリコン基板６ａの下面を、凹所２４に達するまで研磨する。これにより、凹所１２、２４によって形成される封止空間１１の一方の面が開口する。なお、図３の工程で、下側のシリコン基板６ａをエッチングして凹所２４を形成するときに、シリコン基板６ａを貫通するまでエッチングしてもよい。この場合、本工程における研磨は不要である。
【００１７】
次いで、表面の一部にＭＥＭＳ構造体２２が形成されている素子側基板２を用意する。次いで、図６に示すように、この素子側基板２に対して凹所１３内にＭＥＭＳ構造体２２が封止されるように、素子側基板２の表面に封止側基板８の裏面を金属共晶接合する。接合材料としては、例えばアルミニウムを用いる。なお、他の接合方法を用いてもよい。図７は、図６の工程の終了時において、シリコン基板上に形成されている複数の半導体センサ１００を示したものである。図７に示すように、素子側基板２と封止側基板８の間に、平面方向に沿って複数の封止空間１１、１１、１１が形成されている。
【００１８】
図８に、図７において平面方向に隣接する封止空間１１、１１の間を拡大した断面図を示す。図８に示すように、封止空間１１、１１の間には、下側のシリコン基板６ｂの一部に、幅Ｗ４のダイシング溝２６が形成されている。このダイシング溝２６に沿ってダイシング幅Ｗ４でダイシングすることにより、複数個の半導体センサ１００に個片化する。これにより、図１に示す半導体センサ１００が完成する。なお、ダイシングは、ダイシング幅Ｗ４でダイシングしてもよい。
【００１９】
上記の製造方法では、ＭＥＭＳ構造体２２を収容する封止空間１１をエッチングによって形成する。このため、封止側基板８の製造工程を既存の半導体製造工程に組み込むことができる。また、封止側基板８を形成する２枚のシリコン基板６ａ、６ｂを常温接合で接合するため、接合時に新たな接合材料を用いる必要がない。このため、温度変化によって２枚のシリコン基板６ａ、６ｂの間に発生する熱応力を抑制することができる。さらに、封止樹脂等を用いることなく封止空間１１を形成することができるため、金型等を必要とすることがない。また、仮に素子側基板２に応力吸収部を形成しようとすると、同一の基板内にセンシング部と応力吸収部を形成しなければならないため、これらの設計が困難となる。本方法では、封止側基板８に応力吸収部１４を形成するため、簡単な設計で半導体センサ１００を製造することができる。
【００２０】
（第２実施例）
図９に、第２実施例の半導体センサ２００の断面図を示す。半導体センサ２００と半導体センサ１００は同一構造であり、凹所４３の底面３８ａの面積Ｗ５および封止側基板３８の上面の両端の形状のみが異なる。このため、図９において、図１の参照符号に数字３０を加えた部位は、図１で説明した部位と同一であり、その詳細な説明を省略する。半導体センサ２００では、凹所４３の底面３８ａの面積Ｗ５が、凹所４３の開口面３８ｂの面積Ｗ６よりも小さい。また、応力吸収部４４が位置する断面の断面積Ｗ７は、凹所４３の底面３８ａの面積Ｗ５よりも大きく、凹所４３の開口面３８ｂの面積Ｗ６よりも大きい。さらに、封止側基板３８の上面の両端がカットされている。半導体センサ２００では、凹所４３の底面３８ａの面積Ｗ５と凹所４３の開口面３８ｂの面積Ｗ６が異なっても、応力吸収部４４によって熱応力が吸収される。また、封止側基板３８の上面のカットされている部位では封止側基板３８の幅が薄くなっているため、撓みやすい。このため、第１実施例に比して、熱応力をより低減することができる。なお、封止側基板３８の製造工程において、封止側基板３８の上面をカットすることができる。例えば、実施例１の図３に相当する工程において、シリコン基板３６ａ、３６ｂを表面と裏面の両側からエッチングすることにより、凹所４２ととともに上記のカットされている部位を形成することができる。
【００２１】
（第３実施例）
図１０に、第３実施例の半導体センサ３００の断面図を示す。半導体センサ３００と半導体センサ１００は同一構造であり、封止側基板６８の形状のみが異なる。このため、図１０において、図１の参照符号に数字６０を加えた部位は、図１で説明した部位と同一であり、その詳細な説明を省略する。図１０において、封止側基板６８の側面は、半導体センサ３００の外側に向かって尖った形状となっている。半導体センサ３００では、実施例１、２の半導体センサ１００、２００に比して、封止側基板６８を形成する２枚のシリコン基板６６ａ、６６ｂの接合部の幅が大きいため、接合部の信頼性が高い。
【００２２】
ここで、下記の表１に、従来の半導体センサ８００（図１５参照）と第１、第２、第３実施例の半導体センサ１００、２００、３００において、半導体センサの温度を変化させたときに、素子側基板の表面中央部に加わる熱応力をシミュレーションした結果を示す。なお、表１に示す計算結果は、４５０℃から４４０℃への温度変化と、４５０℃から２７℃への温度変化の２つの条件で計算したものである。
【表１】
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【００２３】
表１に示すように、いずれの温度変化条件の場合でも、従来の半導体センサに比して、第１、第２、第３実施例の半導体センサの方が素子側基板の表面中央部に加わる応力が小さい。また、第３実施例の半導体センサ３００は、第１、第２実施例の半導体センサ１００、２００に比して、素子側基板の表面中央部に加わる応力が小さい。
【００２４】
（第４実施例）
図１１に、第４実施例の半導体センサ４００の断面図を示す。半導体センサ４００と半導体センサ１００は同一構造であり、封止側基板９８の形状のみが異なる。このため、図１１において、図１の参照符号に数字９０を加えた部材は、図１で説明した部材と同一であり、その詳細な説明を省略する。半導体センサ４００では、封止側基板９８が４枚のシリコン基板９６ａ〜９６ｄから形成されている。また、応力吸収部１０４ａ、１０４ｂが２箇所に形成されている。即ち、応力吸収部１０４ａ、１０４ｂが位置する断面の断面積Ｗ１１、Ｗ１４が、凹所７３の底面の面積Ｗ５よりも大きく、かつ、凹所７３の開口面の面積Ｗ６よりも大きい。応力吸収部１０４ａ、１０４ｂが２箇所に形成されていることにより、封止側基板９８の応力吸収効果を高めることができる。
【００２５】
（第５実施例）
図１２に、第５実施例の半導体センサ５００の断面図を示す。半導体センサ５００と半導体センサ１００は同一構造であり、凹所１３３の側面の形状のみが異なる。このため、図１２において、図１の参照符号に数字１２０を加えた部材は、図１で説明した部材と同一であり、その詳細な説明を省略する。半導体センサ５００では、凹所１３３の側面が封止空間１３１の外側に向かって曲線状になっている。このような形状の凹所１３３は、実施例１の図３に相当する工程において、封止側基板１２８を形成する各シリコン基板１２６ａ、１２６ｂを等方性エッチングすることによって形成することができる。凹所１３３の側面が曲線状になっている場合であっても、応力吸収部１３４によって熱応力が吸収される。
【００２６】
（第６実施例）
図１３に、第６実施例の半導体センサ６００の断面図を示す。半導体センサ６００と半導体センサ１００は同一構造であり、凹所１６３の形状及び封止側基板１５６の製造方法のみが異なる。このため、図１３において、図１の参照符号に数字１５０を加えた部材は、図１で説明した部材と同一であり、その詳細な説明を省略する。半導体センサ６００では、封止側基板１５８が１枚のシリコン基板１５６から形成されている。また、素子側基板１５２と封止側基板１５８が接合されると、凹所１６３の開口面１６８ｂにおいて凹所１６３の側面と素子側基板１５２の表面とがなす角度が略垂直となり、応力吸収部１６４の近傍では凹所１６３の側面が封止空間１６１の外側に向かって曲線状となっている。このような形状の凹所１６３は、実施例１の図３に相当する工程において、封止側基板１５８の一方の面を一定の深さまで異方性エッチングし、続けて等方性エッチングすることにより形成することができる。半導体センサ６００では、封止側基板１５８が１枚のシリコン基板１５６から形成されているため、封止側基板１５８を複数枚のシリコン基板から形成する場合に比して封止空間１６１の気密性を高めることができる。
【００２７】
（第７実施例）
図１４に、第７実施例の半導体センサ７００の断面図を示す。半導体センサ７００と半導体センサ１００は同一構造であり、封止側基板１８８の上面に溝２０４が形成されている点のみが異なる。このため、図１４において、図１の参照符号に数字１８０を加えた部材は、図１で説明した部材と同一であり、その詳細な説明を省略する。半導体センサ４００では、封止側基板１８８の上面に溝２０４が形成されていることにより、溝２０４が形成されている部分において封止側基板１８８の幅が薄くなっている。このため、溝２０４が形成されている部位では封止側基板が撓みやすい。これによって、素子側基板１８２に作用する応力をより低減できる。なお、封止側基板１８８に形成する溝２０４の幅、深さ等は、製造後に要求される封止側基板１８８の剛性に応じて適宜調整することができる。
【００２８】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。なお、実施例では加速度センサを記載したが、角速度センサであってもよいし、他の半導体センサであってもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２９】
２、３２、６２、９２、１２２、１５２、１８２：素子側基板
４、３４、６４、９４、１２４、１５４、１８４：接合面
６ａ、６ｂ、３６ａ、３６ｂ、６６ａ、６６ｂ、９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ、１２６ａ、１２６ｂ、１５６、１８６：シリコン基板
８、３８、６８、９８、１２８、１５８、１８８：封止側基板
８ａ、３８ａ、６８ａ、９８ａ、１２８ａ、１５８ａ、１８８ａ：凹所の底面
８ｂ、３８ｂ、６８ｂ、９８ｂ、１２８ｂ、１５８ｂ、１８８ｂ：凹所の開口面
１１、４１、７１、１０１、１３１、１６１、１９１：封止空間
１２、１３、２４、４３、７３、１０３、１３３、１６３、１９３：凹所
１４、４４、７４、１０４、１３４、１６４、１９４：応力吸収部
１６、４６、７６、１０６、１３６、１６６、１９６：可動部
１８、４８、７８、１０８、１３８、１６８、１９８：電極
２１、５１、８１、１１１、１４１、１７１、２０１：シリコン酸化膜
２２、５２、８２、１１２、１４２、１７２、２０２：ＭＥＭＳ構造体
２６：ダイシング溝
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００：半導体センサ
【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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【図１５】
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