(57)【要約】【課題】センシング部の厚み程度の寸法で回路部も設けることにより小型かつ低背化することを可能にしたセンサ装置を提供する。【解決手段】センサ基板１は、支持部１１に対して相対的に可動である可動部１２を備える。可動部１２は変位方向の一面側において撓み部１３を介して支持部１１と連結され、センサ基板１には可動部１２の変位を電気量に変換するセンシング部Ｄｓが設けられる。また、可動部１２の変位方向の他面側にはセンシング部Ｄｓと協働する回路部Ｄｃが集積回路として形成される。可動部１２には変位方向の両面間で貫通する貫通孔配線１５が形成され、貫通孔配線１５の一部が回路部Ｄｃに電気的に接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板で形成され少なくとも厚み方向への変位が許容された可動部を有し可動部の変位を電気量に変換するセンシング部を備えたセンサ基板と、センサ基板に対して厚み方向の両面に積層されセンサ基板との対向面において可動部が変位する空間を形成するケース基板と、半導体基板に集積回路として形成されセンシング部と協働する回路部とを備え、回路部の少なくとも一部は可動部の変位方向の一面に形成され、可動部は前記一面と他面との間で貫通する貫通孔配線を有し、貫通孔配線の一端が可動部の前記一面に設けた回路部に電気的に接続されていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記可動部の前記他面に前記回路部の一部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記ケース基板における前記可動部との対向面のうち可動部に形成した前記回路部との非対向部位に、可動部の変位を規制するストッパが形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記可動部は、前記支持部に連結された主錘部と、主錘部と一体であって主錘部の周囲に配列された複数個の補助錘部とからなり、前記貫通孔配線は補助錘部と併せた質量が主錘部において平衡するように各補助錘部に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記可動部は、前記支持部に連結された主錘部と、主錘部と一体であって主錘部の周囲に配列された複数個の補助錘部とからなり、前記貫通孔配線は主錘部に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記ケース基板と前記センサ基板とがウェハレベルパッケージを形成することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動部を有したセンシング部が形成されているセンシング部と、外部回路との接続部を有した支持部とを半導体基板に形成したセンサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のセンサ装置には、たとえばセンシング部として加速度センサを備える構成がある。加速度センサは、一般に、半導体基板に形成され外部回路との接続部を有する支持部と、支持部に対して相対的に可動である可動部と、可撓性を有し支持部と可動部とを繋ぐ撓み部とを備えている。また、可動部に作用する加速度（外力）を電気量に変換する技術としては、可動部の変位に伴って撓み部に生じる応力を検出するピエゾ抵抗からなる歪みゲージを設けて加速度の変化を電気抵抗の変化として検出する構成や、可動部に設けた可動電極と支持部に対して相対的に固定された固定電極とが対向するように配置して加速度の変化を静電容量の変化として検出する構成が知られている。
【０００３】
支持部としては、可動部に並設する構成のもののほか、可動部の周囲を全周に囲繞する構成が採用されている。また、可動部から一方向に延出した撓み部を用いて可動部を支持部に対して片持ち梁の形式で繋ぐ構造、可動部から一直線上で二方向に延出した撓み部を用いて可動部を囲繞する支持部と可動部とを両持ち梁の形式で繋ぐ構造が主として採用されており、また、可動部から四方に延出した撓み部を用いて可動部を囲繞する支持部と可動部とを４箇所で繋ぐ構造も知られている。支持部と可動部とを４箇所で繋ぐ構造では、平面視（支持部が可動部を囲繞する平面）において４回回転対称となるように撓み部を配置したものが一般的である。
【０００４】
ところで、この種のセンサ装置として、センシング部と協働する回路部をパッケージ内に設けることが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたセンサ装置では、図１３に示すように、可動部１２を備えたセンシング部Ｄｓを有し、センシング部Ｄｓの主面に回路部Ｄｃを配置した構成を有している。回路部Ｄｃはセンシング部Ｄｓに重ねて結合され、ボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。
【特許文献１】特開２００５−１６９５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された構成では、センシング部Ｄｓに回路部Ｄｃを積み重ねているから、実装面積は小さくなるが、センシング部Ｄｓとは別体で回路部Ｄｃを設けていることにより、センシング部Ｄｓと回路部Ｄｃとの間でワイヤボンディングやフリップチップによる接続が必要になり、結果的に嵩高になるという問題が生じる。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、センシング部の厚み程度の寸法で回路部も設けることにより小型かつ低背化することを可能にしたセンサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、半導体基板で形成され少なくとも厚み方向への変位が許容された可動部を有し可動部の変位を電気量に変換するセンシング部を備えたセンサ基板と、センサ基板に対して厚み方向の両面に積層されセンサ基板との対向面において可動部が変位する空間を形成するケース基板と、半導体基板に集積回路として形成されセンシング部と協働する回路部とを備え、回路部の少なくとも一部は可動部の変位方向の一面に形成され、可動部は前記一面と他面との間で貫通する貫通孔配線を有し、貫通孔配線の一端が可動部の前記一面に設けた回路部に電気的に接続されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記可動部の前記他面に前記回路部の一部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明では、請求項１ないし請求項２の発明において、前記ケース基板における前記可動部との対向面のうち可動部に形成した前記回路部との非対向部位に、可動部の変位を規制するストッパが形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記可動部は、前記支持部に連結された主錘部と、主錘部と一体であって主錘部の周囲に配列された複数個の補助錘部とからなり、前記貫通孔配線は補助錘部と併せた質量が主錘部において平衡するように各補助錘部に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記可動部は、前記支持部に連結された主錘部と、主錘部と一体であって主錘部の周囲に配列された複数個の補助錘部とからなり、前記貫通孔配線は主錘部に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明において、前記ケース基板と前記センサ基板とがウェハレベルパッケージを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明の構成によれば、回路部の少なくとも一部を可動部の変位方向の一面に形成しているから、可動部の寸法内に回路部を設けることができ、従来構成のようにセンシング部とは別に回路部を設ける場合に比較すると、実装面積を変化させることなく可動部の変位方向における寸法を小さくすることができる。また、可動部に貫通孔配線を設けて回路部の電気的接続を行うから、ワイヤボンディングやフリップチップ実装のように半導体製造工程とは別工程で配線を行う必要がなく、半導体製造工程において配線が可能になる。しかも、貫通孔配線の一端を回路部に接続しているから、センシング部において可動部の変位を検出するセンサと、センサと協働する回路部とを可動部の変位方向において互いに反対側に配置することが可能になり、回路部を設ける部位として可動部を有効利用することができる。
【００１４】
請求項２の発明の構成によれば、可動部の変位方向の両面に回路部が形成されるから、比較的規模の大きい回路部を可動部に設けることが可能になる。
【００１５】
請求項３の発明の構成によれば、ケース基板における回路部との非対向部位に可動部の移動規制をするストッパを形成しているから、衝撃力が作用し可動部がストッパに当接することによって変位が規制されたとしても、回路部はストッパに当接しないから、回路部に不要なストレスが作用せず、回路部の破損を防止することができる。
【００１６】
請求項４の発明の構成によれば、補助錘部に貫通孔配線を形成していることにより、複数本の貫通孔配線を設ける場合に貫通孔配線同士の距離を比較的大きくとることができるから、貫通孔配線の作製が容易になる。また、貫通孔配線と補助錘部とを併せた質量が主錘部において平衡するから、貫通孔配線を補助錘部に設けながらも可動部の質量バランスを保つことができる。
【００１７】
請求項５の発明の構成によれば、主錘部に貫通孔配線を形成していることにより、可動部に貫通孔配線を設けながらも可動部の質量バランスを保ちやすい。
【００１８】
請求項６の発明の構成によれば、ケース基板とセンサ基板とがウェハレベルパッケージを形成しているから、半導体基板によりパッケージを形成することができ、別途のパッケージを必要とせず薄型化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に説明する実施形態では、支持部が可動部を囲繞するとともに、可動部から四方に延出させた可撓性を有する撓み部を介して支持部と可動部とを繋ぎ、各撓み部にピエゾ抵抗体からなる歪みゲージを設けることにより、可動部の変位に伴って撓み部に生じる応力を歪みゲージにより検出し、歪みゲージの抵抗変化を用いて加速度を検出する構成を例示する。つまり、センシング部が加速度センサを構成している例を示す。また、各可動部から四方に延出している撓み部にそれぞれ歪みゲージが配置されることにより、４本の撓み部を含む平面内で互いに直交する方向の２軸と、これらの２軸に直交する方向の１軸との合計３軸における加速度を個別に検出することが可能になっている。ただし、可動部を備えるセンサ装置であれば、加速度センサではなくジャイロセンサにおいても本発明の技術思想を適用することができ、可動部の変位の検出はピエゾ抵抗に限らず、静電容量の変化として検出する構成を採用してもよい。また、撓み部は可動部から四方に延出する構成に限定されない。
【００２０】
（実施形態１）
本実施形態のセンサ装置は、図１、図２に示すように、センシング部Ｄｓおよび回路部Ｄｃを形成した半導体基板からなるセンサ基板１と、センサ基板１の厚み方向の両面に積層して接合されることによりウェハレベルパッケージを形成するケース基板とを備える。ケース基板は、外部回路を接続するパッド電極２５を厚み方向の一表面（図２の上面）に備えセンサ基板１の厚み方向の一表面（図２の上面）に封着される半導体基板からなる電極形成基板２と、センサ基板１の厚み方向の他表面（図１の下面）に封着される半導体基板からなるカバー基板３とにより形成される。すなわち、センサ装置は３枚の半導体基板の積層体からなる。センサ基板１と電極形成基板２とカバー基板３との外周形状は矩形状（図示例では正方形）であり、電極形成基板２とカバー基板３とはセンサ基板１と外形寸法が一致する。
【００２１】
センサ基板１はＳＯＩウェハを加工することにより形成される。ここで用いるＳＯＩウェハは、シリコン基板からなる支持基板１０ａを有し、支持基板１０ａの厚み方向の一表面にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜としての絶縁層１０ｂを介してｎ形のシリコン層からなる活性層１０ｃが形成されている。さらに、センサ基板１において、活性層１０ｃの表面にはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる絶縁膜１６が形成される。したがって、活性層１０ｃは絶縁膜１６により表面が覆われる。また、電極形成基板２とカバー基板３とは、それぞれ異なるシリコンウェハを加工することにより形成してある。すなわち、センサ基板１の半導体基板としてＳＯＩウェハを用い、電極形成基板２とカバー基板３との半導体基板としてはシリコンウェハを用いている。
【００２２】
本実施形態における寸法例を例示すると、ＳＯＩウェハにおける支持基板１０ａの厚み寸法は３００〜５００μｍ、絶縁層１０ｂの厚み寸法は０．３〜１．５μｍ、シリコン層１０ｃの厚み寸法は４〜１０μｍとする。また、電極形成基板２を形成するシリコンウェハの厚み寸法は２００〜３００μｍ、カバー基板３を形成するシリコンウェハの厚み寸法は１００〜３００μｍとする。もっとも、これらの数値は限定する趣旨ではなく目安を示す値である。また、ＳＯＩウェハの一表面であるシリコン層１０ｃの表面は（１００）面としてある。
【００２３】
センサ基板１は、図１、図３、図４、図５に示すように、平面視において（厚み方向に直交する方向から見たときに）枠状（本実施形態では矩形枠状）の支持部１１の中央部に可動部１２を備える形状に形成されている。つまり、可動部１２は支持部１１に囲繞されている。また、本実施形態では平面視において支持部１１の中心と可動部１２の中心とはほぼ一致している。支持部１１と可動部１２とは可動部１２から四方に延出する４本の撓み部１３により繋がれている。
【００２４】
各撓み部１３は、短冊状に形成された可撓性を有している。各撓み部１３は平面視において可動部１２の中心を通り互いに直交する２本の直線の上に配置される。つまり、各２本の撓み部１３がそれぞれ互いに直交する各直線上に配置される。この構成により、可動部１２は支持部１１に対して変位可能になる。支持部１１および可動部１２は、ＳＯＩウェハの支持基板１０ａと絶縁層１０ｂと活性層１０ｃとの全体を用い、撓み部１３はＳＯＩウェハにおける支持基板１０ａと絶縁層１０ｂとを除去し活性層１０ｃのみを用いる。したがって、撓み部１３は支持部１１および可動部１２に比較して十分に薄肉に形成される。
【００２５】
可動部１２は、４本の撓み部１３を介して支持部１１に結合されている主錘部１２ａと、主錘部１２ａに連続一体に連結された４個の補助錘部１２ｂとを備える。平面視においては、可動部１２は、５個の正方形のうちの１個の正方形を中心として他の正方形を周囲に４回回転対称となるように配列し、中心の正方形の各角部に他の各正方形の１つの角部をそれぞれ重複させた形状に形成される。本実施形態では、中心に配置した正方形に対応する部分が主錘部１２ａに相当し、他の正方形のうち主錘部１２ａと重複する部位を除いた部分が補助錘部１２ｂに相当する。言い換えると、主錘部１２ａは平面視において正方形状であり、補助錘部１２ｂは正方形の一つの角部が切欠された形状になる。撓み部１３は、主錘部１２ａの各辺の中央部に一体に連続し、各撓み部１３の幅方向（平面視において撓み部１３の延長方向とは直交する方向）の両側に補助錘部１２ｂが配置される。
【００２６】
各補助錘部１２ｂは、平面視において互いに直交する２本の撓み部１３と支持部１１とに囲まれる空間に配置されており、各補助錘部１２ｂと支持部１１との間にはそれぞれセンサ基板１の厚み方向に貫通するスリット１４が形成される。また、撓み部１３と各補助錘部１２ｂとは離間しており、撓み部１３を挟んで配置された各一対の補助錘部１２ｂの間隔は、各撓み部１３の幅寸法よりも大きくなっている。
【００２７】
なお、センサ基板１における支持部１１と可動部１２と撓み部１３とは、半導体装置の製造技術として知られているリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成することができる。
【００２８】
ところで、図示例は３軸の加速度センサであるから、加速度を検出する方向を定義しておく。センサ基板１の厚み方向に直交する方向をｚ軸方向とし、支持基板１０ａから活性層１０ｃに向かう向きを正の向きとする。また、活性層１０ｃの表面をｘｙ平面とし、ｘｙ平面において可動部１２の中心位置を原点とする。ｘ軸方向およびｙ軸方向は、それぞれ主錘部１２ａから撓み部１３が延出されている方向とし、右手系で正の向きを定義する。たとえば図３の右向きをｘ軸方向の正の向き、上向きをｙ軸方向の正の向きとする。したがって、可動部１２は、主錘部１２ａを挟んで配置されたｘ軸方向の２本の撓み部１３と、主錘部１２ａを挟んで配置されたｙ軸方向の２本の撓み部１３とにより支持部１１に繋がれていることになる。
【００２９】
可動部１２の主錘部１２ａからｘ軸方向の正向き（図３において主錘部１２ａから右向き）に延出する撓み部１３には、主錘部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ２が形成される。同様にして、主錘部１２ａからｘ軸方向の負向き（図３において主錘部１２ａから左向き）に延出する撓み部１３には、主錘部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ３が形成される。
【００３０】
可動部１２の主錘部１２ａからｙ軸方向の正向き（図３において主錘部１２ａから上向き）に延長された撓み部１３には、主錘部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ３が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ１が形成される。同様にして、主錘部１２ａからｙ軸方向の負向き（図３において主錘部１２ａから下向き）に延長された撓み部１３には、主錘部１２ａ側の一端部に２個１組のピエゾ抵抗Ｒｙ２，Ｒｙ４が形成され、支持部１１側の一端部に１個のピエゾ抵抗Ｒｚ４が形成される。
【００３１】
ｘ軸方向に延長された２本の撓み部１３において、主錘部１２ａ側の一端部に形成された４個のピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、ｘ軸方向の加速度を検出するために形成され、ｘ軸方向の加速度が可動部１２に作用したときに撓み部１３に生じる応力が集中する領域に形成されている。ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、平面視においてｘ軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。これらのピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、図７における左端のブリッジ回路Ｂｘを構成するように接続される。
【００３２】
また、ｙ軸方向に延長された２本の撓み部１３において、主錘部１２ａ側の一端部に形成された４個のピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、ｙ軸方向の加速度を検出するために形成され、ｙ軸方向の加速度が可動部１２に作用したときに撓み部１３に生じる応力が集中する領域に形成されている。ピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、平面視においてｙ軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。これらのピエゾ抵抗Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、図７における中央のブリッジ回路Ｂｙを構成するように接続される。
【００３３】
４本の撓み部１３において、それぞれ支持部１１側の一端部に形成された４個のピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、ｚ軸方向の加速度を検出するために形成されている。ピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、いずれもｙ軸方向が長手方向となる長方形状に形成されている。すなわち、ｙ軸方向に延長された２本の撓み部１３に形成されたピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ４の長手方向は撓み部１３の延長方向に一致し、ｘ軸方向に延長された２本の撓み部１３に形成されたピエゾ抵抗Ｒｚ２，Ｒｚ３の長手方向は撓み部１３の延長方向に直交する。これらのピエゾ抵抗Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、図７における右端のブリッジ回路Ｂｚを構成するように接続されている。
【００３４】
上述した各ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４の接続には、センサ基板１に形成されている拡散層配線や金属配線を用いる。
【００３５】
図７に示した回路構成では、３個のブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚに電圧を印加する入力端子Ｔ１，Ｔ２を共通に接続し、各ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚには個別の出力端子Ｘ１，Ｘ２、Ｙ１，Ｙ２、Ｚ１，Ｚ２を設けている。本実施形態では、入力端子Ｔ１，Ｔ２に印加する電圧は直流電圧であって、入力端子Ｔ１に電圧ＶＤＤを印加し、入力端子Ｔ２を回路グランドＧＮＤに接続する。したがって、可動部１２の変位に伴って撓み部１３に生じる応力が、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４により電気量（抵抗値）に変換され、さらに、ブリッジＢｘ，Ｂｙ，Ｂｚにより電気量（電圧）に変換されて出力されるのである。
【００３６】
以下にセンサ基板１の動作例を説明する。いま、センサ基板１に加速度が作用していない状態からセンサ基板１に対してｘ軸方向の正向きに加速度が作用したとすると、ｘ軸方向の負向きに作用する可動部１２の慣性力によって支持部１１に対して可動部１２が変位し、主錘部１２ａからｘ軸方向に延長された２本の撓み部１３が撓んで当該撓み部１３に形成されているピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４の抵抗値が変化する。このとき、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３は引張応力を受け、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４は圧縮応力を受ける。一般に、ピエゾ抵抗は引張応力を受けると抵抗値（抵抗率）が増加し、圧縮応力を受けると抵抗値（抵抗率）が減少する。したがって、ｘ軸方向の正向きに加速度が作用したときには、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ３の抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗Ｒｘ２，Ｒｘ４の抵抗値が減少する。この動作によって、図７の左端のブリッジ回路Ｂｘの出力端子Ｘ１，Ｘ２間の電位差がｘ軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。
【００３７】
同様にして、ｙ軸方向の加速度が作用すれば図７の中央のブリッジ回路Ｂｙの出力端子Ｙ１，Ｙ２間の電位差がｙ軸方向の加速度の大きさに応じて変化し、ｚ軸方向の加速度が作用すれば図７の右端のブリッジ回路Ｂｚの出力端子Ｚ１，Ｚ２間の電位差がｚ軸方向の加速度の大きさに応じて変化する。
【００３８】
したがって、各ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力電圧の変化をそれぞれ検出することにより、センサ基板１に作用したｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれの加速度を検出することができる。本実施形態では、可動部１２と４本の撓み部１３とピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４とによりセンシング部Ｄｓが構成される。
【００３９】
本実施形態は３軸の加速度センサであるから、センシング部Ｄｓと協働する回路部Ｄｃとしては、ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの入力端子Ｔ１，Ｔ２に電圧を印加する電源回路、ブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力端子Ｘ１，Ｘ２、Ｙ２，Ｙ２、Ｚ１，Ｚ２に接続されブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力電圧を増幅する増幅回路などが必要であり、回路部Ｄｃは集積回路として形成される。
【００４０】
本実施形態では、センサ基板１において、可動部１２の変位方向の各面のうちカバー基板３との対向部位に回路部Ｄｃを形成している。ところで、回路部Ｄｃが可動部１２のうちカバー基板３との対向部位に形成されているから、電極形成基板２との対向部位に形成されているブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚと回路部Ｄｃとを電気的に接続するには、可動部１２の変位方向において可動部１２を貫通する電路が必要になる。この電路として、可動部１２に貫通孔配線１５を設けている。図示例では、４本の貫通孔配線１５を示しているが、貫通孔配線１５の本数は配置可能な本数であればにとくに制限はない。
【００４１】
貫通孔配線１５は図示例では主錘部１２ａに設けている。主錘部１２ａに貫通孔配線１５を設けると、貫通孔配線１５を設けることができる最大本数は少なくなるが、可動部１２の重量バランスの変化が少なく、センシング部Ｄｓの検出精度に影響を与えることなく貫通孔配線１５を設けることができる。
【００４２】
貫通孔配線１５は、補助錘部１２ｂに設けることも可能である。補助錘部１２ｂに貫通孔配線１５を設ける場合には、各補助錘部１２ｂにそれぞれ貫通孔配線１５を設け、補助錘部１２ｂと貫通孔配線１５とを併せた質量が主錘部１２ａにおいて平衡するように貫通孔配線１５を配置する。このような配置であれば、貫通孔配線１５を補助錘部１２ｂに設ける場合でも可動部１２の質量バランスの変化がなく、センシング部Ｄｓの検出精度への影響を抑制することができる。また、補助錘部１２ｂに貫通孔配線１５を設けることにより、貫通孔配線１５の本数を多くしたり貫通孔配線１５の間隔を大きくとることが可能になる。貫通孔配線１５の本数を多くすれば多機能化に対応でき、貫通孔配線１５の間隔を大きくとれば加工精度に余裕ができるから作製が容易になる。
【００４３】
センサ基板１の一表面（図２の上面）には、封止用金属層１８と接続用金属層１９とが形成される。接続用金属層１９は金属配線の一部であり、センシング部Ｄｓおよび回路部Ｄｃを外部回路と接続するための接続部として機能する。図６に金属配線のうち接続用金属層１９の近傍部位を示す。なお、拡散層配線の図示は省略してある。
【００４４】
封止用金属層１８は、センサ基板１の外周縁の全周に沿う形で形成されており、センシング部Ｄｓおよび回路部Ｄｃを囲繞している。また、接続用金属層１９も支持部１１において封止用金属層１８の内側に配置される。接続用金属層１９を含む金属配線および封止用金属層１８は活性層１０ｃの表面を覆う絶縁膜１６の上に形成される。また、封止用金属層１８と接続用金属層１９とは同一の金属材料により形成されており、封止用金属層１８と接続用金属層１９とを同一平面上に同時かつ略同じ厚み寸法に形成することができる。
【００４５】
センサ基板１において、ピエゾ抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４、Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４、Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４および拡散層配線は、活性層１０ｃにおけるそれぞれの形成部位に適宜濃度のｐ形不純物をドーピングすることにより形成される。また、接続用金属層１９を除いた金属配線は、絶縁膜１６上にスパッタ法や蒸着法などにより成膜した金属膜（たとえば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより形成されており、金属配線は絶縁膜１６に設けたコンタクトホールを通して拡散層配線と電気的に接続されている。
【００４６】
封止用金属層１８および接続用金属層１９は、接合用のＡｕ膜を表面に備え、Ａｕ膜と絶縁膜１６との間には密着性改善用のＴｉ膜を介在させてある。つまり、封止用金属層１８および接続用金属層１９は、絶縁膜１６上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により形成されている。
【００４７】
なお、封止用金属層１８および接続用金属層１９は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあり（なお、接合の信頼性を確保するためには、５００ｎｍ以下とすることが望ましい）、接続用金属層１９を除く金属配線の膜厚は１μｍに設定してある。ただし、これらの数値は一例であって限定する趣旨ではない。
【００４８】
電極形成基板２は、図２に示すように、センサ基板１との対向面（図１における下面）の中央部に、センサ基板１の厚み方向における可動部１２および撓み部１３の変位空間を確保する（可動部１２の変位量を規制する）ための変位用凹所２１を備える。また、電極形成基板２におけるセンサ基板１との対向面の周部には電極形成基板２の外周縁の全周に沿うように封止用金属層２８が形成される。電極形成基板２の封止用金属層２８は、センサ基板１に電極形成基板２を重ね合わせたときに、センサ基板１の封止用金属層１８に重なる部位に形成してあり、封止用金属層１８，２８が互いに接合されることによって、センサ基板１と電極形成基板２との間が封止されるようにしてある。
【００４９】
電極形成基板２におけるセンサ基板１との対向面の適所には、電極形成基板２の厚み方向に貫通する複数の貫通孔２２が形成される。図６には貫通孔２２を封止用金属層２８と変位用凹所２１との間の領域に形成した例を示している。電極形成基板２の厚み方向の両面および貫通孔２２の内周面には熱酸化により形成したシリコン酸化膜である絶縁膜２３が連続して形成される。また、貫通孔２２には電極形成基板２の厚み方向の表裏に貫通する貫通孔配線２４が形成される。したがって、貫通孔配線２４と貫通孔２２の内周面との間に絶縁膜２３の一部が介在する。電極形成基板２に設けられる複数の貫通孔配線２４は互いに離間して配置される。貫通孔配線２４の材料としてはＣｕを採用するのが望ましいが、Ｃｕに限らず、たとえば、Ｎｉなどを採用してもよい。
【００５０】
電極形成基板２におけるセンサ基板１との対向面のうち変位用凹所２１を囲む部位には、各貫通孔配線２４とそれぞれ電気的に接続された複数の接続用金属層２９が形成される。接続用金属層２９は、封止用金属層２８の内側に配置されている。接続用金属層２９は、一部が貫通孔配線２４の一端部に電気的に接合されており、他部位がセンサ基板１の接続用金属層１９と接合されるように配置してある。つまり、センサ基板１に電極形成基板２を重ね合わせたときに、貫通孔配線２４と当該貫通孔配線２４に対応する接続用金属層１９との位置がずれるように配置してある。接続用金属層２９と封止用金属層２８とは同一の金属材料により形成されており、接続用金属層２９と封止用金属層２８とを同時かつ略同じ厚み寸法に形成することができる。
【００５１】
また、センサ基板１において接続用金属層１９は、他の金属配線に対して積層してあり、積層部位の厚み寸法が接続用金属層１９のみの部位よりも大きくなっている。そこで、センサ基板１において接続用金属層１９と他の金属配線との積層部位は、電極形成基板２と重ね合わせたときに電極形成基板２に設けた変位用凹所２１に位置するように位置が決められている。
【００５２】
封止用金属層２８と接続用金属層２９とは、接合用のＡｕ膜を表面に備え、Ａｕ膜と絶縁膜２３との間には密着性改善用のＴｉ膜を介在させてある。つまり、封止用金属層２８と接続用金属層２９とは、絶縁膜２３上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により形成されている。
【００５３】
なお、封止用金属層２８と接続用金属層２９とは、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してある（なお、接合の信頼性を確保するためには、５００ｎｍ以下とすることが望ましい）。ただし、これらの数値は一例であって限定する趣旨ではない。
【００５４】
電極形成基板２の厚み方向の各面のうちセンサ基板１の対向面とは反対側の表面には、外部回路との接続用電極となる半田リフロー用のパッド電極２５が形成されている。各パッド電極２５は、各貫通孔配線２４の他端部にそれぞれ電気的に接続される。各パッド電極２５は、外周形状が矩形状（たとえば、正方形状）であり、電極形成基板２の表面に略等間隔で離間して配置されている。各パッド電極２５の大きさ、および隣り合うパッド電極２５の間の距離は、それぞれ半田リフローに適した大きさを下回らないように設計してある。
【００５５】
各パッド電極２５は、厚み方向に積層されたＴｉ膜とＣｕ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、最上層がＡｕ膜となっている。各パッド電極２５は、厚み方向に積層された少なくとも二層の金属膜により構成され、かつ最上層の金属膜がＡｕにより形成されるとともに最上層直下の金属膜がＮｉにより形成されていれば、最上層の金属膜がＡｕで形成されていることにより酸化を防止することができ、また、最上層直下の金属膜がＮｉで形成されていることにより、Ｃｕにより形成されている場合に比べて半田に溶食されにくくなり、膜厚を薄くすることが可能になる。また、各パッド電極２５の厚み方向の最下層の金属膜がＴｉにより形成されていることにより、各パッド電極２５と絶縁膜２３との密着性を高めることができる。
【００５６】
カバー基板３は、センサ基板１の厚み方向において電極形成基板２とは反対側の面に封着される。カバー基板３におけるセンサ基板１との対向面の中央部には、回路部Ｄｃとの対向部位において回路部Ｄｃとの接触を回避するための凹所３１が形成される。凹所３１の深さは、たとえば、１０〜１５μｍに設定される。凹所３１は、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成する。
【００５７】
凹所３１の周部には可動部１２の変位量を規制するストッパ３２が形成される。ストッパ３２はカバー基板３の上面から５〜１０μｍの深さに形成される。また、可動部１２が変位してストッパ３２に当接したときに回路部Ｄｃがストッパ３２に当接しないように、回路部Ｄｃとストッパ３２との位置関係が設定されている。この構成により、衝撃力が作用したときでも回路部Ｄｃがカバー基板３に衝突することによる回路部Ｄｃの破損が防止される。
【００５８】
センサ基板１の製造工程について簡単に説明する。まず、図８（ａ）に示すように、シリコンのＳＯＩウェハ４０において活性層１０ｃを設けていない裏面側に回路部Ｄｃを形成する。次に、図８（ｂ）のように、シリコン深彫り用のＤ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）により貫通孔４１を形成する。この貫通孔４１に、図８（ｃ）のようにメッキ等によりＣｕなどの導電材料を充填し、貫通孔配線１５を形成する。さらに、貫通孔配線１５と回路部Ｄｃとを接続する配線２７をＡｌ−Ｓｉなどの導電材料により形成する。
【００５９】
その後、図８（ｄ）のように、シリコン深彫り用のＤ−ＲＩＥによりＳＯＩウェハ４０における活性層１０ｃに可動部１２および撓み部１３となる溝部４２を形成する。このとき、ＳＯＩウェハ４０の埋込酸化膜としての絶縁層１０ｂがエッチングのストッパとして機能する。
【００６０】
さらに、図８（ｅ）のように、溝部４２の形成後にフッ酸を用いて絶縁層１０ｂをエッチングすることにより可動部１２を分離し、センサ基板１を形成する。センサ基板１の表面（図８における上面）には、電極形成基板２との接合のための接合材料および貫通孔配線１５との電気的接続を行うための導電材料によりパターンを形成する。また、センサ基板１の裏面（図８における下面）においてカバー基板３と接合する部位はシリコンを露出させた平坦面にしておく。
【００６１】
また、電極形成基板２においてセンサ基板１と対向する面の中央部には、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）を用いた異方性エッチングにより変位用凹所２１を形成する。さらに、シリコン深彫り用のＤ−ＲＩＥを用いて貫通孔を形成した後に、貫通孔にメッキ等によりＣｕなどの導電材料を充填し、貫通孔配線２４を形成する。その後、電極形成基板２においてセンサ基板１との非対向面にパッド電極２５を形成するとともに、センサ基板１との対向面にセンサ基板１との接合材料とセンサ基板との電気的接続を行うための導電材料とによるパターンを形成する。
【００６２】
カバー基板３には、センサ基板１と対向する面の中央部において、ＴＭＡＨを用いた異方性エッチングによりストッパ３２の深さまでの窪みを形成し、さらに窪みの中央部に凹所３１の深さまでＴＭＡＨを用いた異方性エッチングを施す。カバー基板３には導電材料や接合材料は適用せず、シリコンを露出させておく。また、センサ基板１との対向部位は平坦面に形成しておく。
【００６３】
上述のように形成した電極形成基板２およびカバー基板３を、図８（ｆ）のように、センサ基板１の表裏にそれぞれ接合することにより、センサ装置が形成される。つまり、センサ基板１と電極形成基板２とは接合材料からなる封止用金属層１８，２８により接合され、センサ基板１とカバー基板３とはシリコン同士で接合する。
【００６４】
上述した工程によって、ウェハレベルパッケージのセンサ装置を形成することができ、しかもワイヤボンディングやフリップチップ実装を行う必要がなく、可動部１２の厚み内で回路部Ｄｃを設けるから低背のセンサ装置を形成することができる。また、センサ装置の内部において回路部Ｄｃを形成するスペースを別途に設けるのではなく、可動部１２の一部を回路部Ｄｃの形成スペースとして利用しているから、回路部Ｄｃを内蔵しながらも実装面積が増大することがなく、センサ単体の実装スペースで回路部Ｄｃを備えたセンサ装置の実装が可能になる。
【００６５】
また、上述した加速度センサを製造するにあたっては、実際には、個々のセンサ装置を上述の工程で製造するのではなく、多数個のセンサ基板１を形成したＳＯＩウェハと、多数個の電極形成基板２を形成したシリコンウェハと、多数個のカバー基板３を形成したシリコンウェハとをウェハレベルで互いに接合した後に、ダイシング工程により個別に切断分離する。ウェハレベルでの接合時には、センサ基板１に形成された封止用金属層１８および接続用金属層１９と、電極形成基板２に形成された封止用金属層２８および接続用金属層２９とが互いに接合されることによりセンサ基板１に電極形成基板２が接合される。また、センサ基板１とカバー基板３とは互いの対向面の周部同士が接合される。このような製造工程を採用することにより、電極形成基板２とカバー基板３とがセンサ基板１と同じ外形寸法になり、小型のチップサイズパッケージを容易に製造することができる。
【００６６】
ところで、センサ基板１と電極形成基板２およびカバー基板３との接合方法としては、接合後におけるセンサ基板１の残留応力を少なくすることが望ましい。したがって、低温での接合が可能な接合方法を採用することが望ましい。そこで、本実施形態では、常温接合法を採用している。
【００６７】
常温接合法では、接合前に互いの接合面へアルゴンのプラズマもしくはイオンビームもしくは原子ビームを真空中で照射することにより、各接合面の清浄化および活性化を行い、次に接合面同士を接触させ、常温下で適宜の荷重を印加する。このとき、封止用金属層１８と封止用金属層２８とが接合されると同時に、接続用金属層１９と接続用金属層２９とが接合され、また常温下でセンサ基板１の支持部１１とカバー基板３の周部とが接合される。
【００６８】
本実施形態のセンサ装置では、センサ基板１と電極形成基板２との間の接合がＡｕ−Ａｕ接合になり、センサ基板１とカバー基板３との接合がＳｉ−Ｓｉ接合になる。また、本実施形態では、センサ基板１と電極形成基板２とカバー基板３とが同じ半導体材料であるＳｉにより形成されているので、センサ基板１と電極形成基板２とカバー基板３との線膨張率差に起因した応力（センサ基板１における残留応力）がブリッジ回路Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚの出力に与える影響を低減できる。つまり、電極形成基板２とカバー基板３とがセンサ基板１とは異なる材料により形成されている場合に比較すると、製品毎のセンサ特性のばらつきを低減することができる。
【００６９】
ここに、互いに接合される接続用金属層１９，２９と封止用金属層１８，２８とにそれぞれ同じ金属材料を用いているので、接続用金属層１９と接続用金属層２９との接合と封止用金属層１８と封止用金属層２８との接合とを同時に行うことが可能であり、接合箇所ごとに半田を供給する工程およびリフロー工程を伴う製造方法に比較すると、製造工程の大幅な簡素化が図れるとともに、センサ基板１の厚み方向における電極形成基板２の位置精度を高めることができる。なお、上述した構成例では、センサ基板１の形成にＳＯＩウェハを用いているが、この構成は必須ではなく、ＳＯＩウェハに代えて、たとえばシリコンウェハを採用してもよい。
【００７０】
上述した加速度センサでは、電極形成基板２においてセンサ基板１との対向面とは反対側の表面にパッド電極２５が形成されているので、インターポーザを用いることなく半田リフローにより実装基板に実装することが可能である。
【００７１】
（実施形態２）
実施形態１では、可動部１２においてカバー基板３との対向部位に回路部Ｄｃを形成していたが、本実施形態では、図９および図１０に示すように、可動部１２における活性層１０ｃにも回路部Ｄｃを形成しているものである。この構成を採用すれば、大規模な回路部Ｄｃであってもセンサ装置に内蔵することができる。また、回路部Ｄｃにおいて一部構成を分離して配置する場合（たとえば、電源回路と増幅回路とを分離するような場合）には、可動部１２の変位方向の両面に回路部Ｄｃを分離して配置することにより、特性の向上が期待できる。
【００７２】
図１０に示すように、回路部Ｄｃはカバー基板３だけではなく、電極形成基板２とも対向しているから、電極形成基板２に形成した変位用凹所２１の中央部において可動部１２が変位したときに回路部Ｄｃが電極形成基板２に接触するのを避けるための待避凹所２６を形成している。したがって、衝撃力などが作用して可動部１２が電極形成基板２に接触しても、可動部１２の周部が待避凹所２６の周囲において変位用凹所２１の内底面に当接し、変位用凹所２１のこの部位が可動部１２のストッパとして機能するから、回路部Ｄｃが電極形成基板２に衝突することによる回路部Ｄｃの破損を防止することができる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００７３】
（実施形態３）
本実施形態は、実施形態２よりもさらに回路部Ｄｃを形成する部位を拡張したものである。すなわち、実施形態１および実施形態２は可動部１２にのみ回路部Ｄｃを形成する構成を示しているが、本実施形態では図１１および図１２に示すように、支持部１１において電極形成基板２と対向する部位にも回路部Ｄｃを形成する領域を設けている。回路部Ｄｃは支持部１１における活性層１０ｃに形成される。
【００７４】
この構成を採用することにより、回路部Ｄｃが大規模であっても対応可能になり、高機能化が期待できる。回路部Ｄｃを支持部１１に設けること以外は実施形態２と同様であるから説明を省略する。
【００７５】
上述した各実施形態では、いずれも主錘部１２ａに回路部Ｄｃを設けているから、実施形態３のように支持部１１に回路部Ｄｃを設ける場合であってさえも、回路部Ｄｃを支持部１１にのみ設ける場合に比較すると、同規模の回路部Ｄｃを設ける場合において、支持部１１の面積を小さくすることが可能である。したがって、センサ基板１の体積のうち主錘部１２ａが占める割合を大きくすることが可能になり、センサ基板１の面積が等しいとすれば、主錘部１２ａの質量を大きくして感度を高めることが可能になる。また、主錘部１２ａの質量を変えなければ、センサ基板１の面積を小さくして小型のセンサ装置を構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】実施形態１の断面図である。
【図２】同上に用いるセンサ基板を示す平面図である。
【図３】同上に用いるセンサ基板のセンシング部を示す要部平面図である。
【図４】図３のＢ−Ａ′線断面における縦断面図である。
【図５】図３のＡ−Ａ′線断面における縦断面図である。
【図６】図２のＡ−Ａ′線断面に相当する縦断面図である。
【図７】同上におけるセンシング部の回路図である。
【図８】同上の製造工程を示す工程図である。
【図９】実施形態２に用いるセンサ基板の平面図である。
【図１０】同上の図９におけるＡ−Ａ′線断面に相当する階段断面図である。
【図１１】実施形態３に用いるセンサ基板の平面図である。
【図１２】同上の図１１におけるＡ−Ａ′線断面に相当する階段断面図である。
【図１３】従来構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  センサ基板
２  電極形成基板（ケース基板）
３  カバー基板（ケース基板）
１１  支持部
１２  可動部
１２ａ  主錘部
１２ｂ  補助錘部
１３  撓み部
１５  貫通孔配線
２１  変位用凹所
２６  待避凹所
３２  ストッパ
Ｄｃ  回路部
Ｄｓ  センシング部
【図１】
2008157825.tif 000003
【図２】
2008157825.tif 000004
【図３】
2008157825.tif 000005
【図４】
2008157825.tif 000006
【図５】
2008157825.tif 000007
【図６】
2008157825.tif 000008
【図７】
2008157825.tif 000009
【図８】
2008157825.tif 000010
【図９】
2008157825.tif 000011
【図１０】
2008157825.tif 000012
【図１１】
2008157825.tif 000013
【図１２】
2008157825.tif 000014
【図１３】
2008157825.tif 000015