(57)【要約】【課題】従来技術の欠点を解消し、センサをコスト的に有利に製造でき、構造を省スペースかつ小型にし、かつ、個々のチップを高い拡張コスト無しに別のチップと置き換えられるモジュラー式構造を可能とするマイクロメカニカルセンサ装置を提供すること。【解決手段】表側（Ｖ；Ｖ１；Ｖ１’）と裏側（Ｒ；Ｒ１；Ｒ１’）とを有する基板（Ｓ；Ｓ１；Ｓ１’）を備えるマイクロメカニカルセンサ装置において、  前記表側（Ｖ；Ｖ１；Ｖ１’）に、第１マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ１；Ｍ１１；Ｍ１１’）が集積されており、  前記裏側（Ｒ；Ｒ１；Ｒ１’）に、第２マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ２；Ｍ１２；Ｍ１２’）が集積されている、ことを特徴とするマイクロメカニカルセンサ装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表側（Ｖ；Ｖ１；Ｖ１’）と裏側（Ｒ；Ｒ１；Ｒ１’）とを有する基板（Ｓ；Ｓ１；Ｓ１’）を備えるマイクロメカニカルセンサ装置において、
前記表側（Ｖ；Ｖ１；Ｖ１’）に、第１マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ１；Ｍ１１；Ｍ１１’）が集積されており、
前記裏側（Ｒ；Ｒ１；Ｒ１’）に、第２マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ２；Ｍ１２；Ｍ１２’）が集積されている、
ことを特徴とするマイクロメカニカルセンサ装置。
【請求項２】
前記第１マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ１）から前記基板（Ｓ）を通って前記第２マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ２）へと、少なくとも１つのスルーコンタクト（Ｄ）が延在している、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロメカニカルセンサ装置。
【請求項３】
前記第１マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ１１）は慣性センサを含み、
前記第２マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ１２）は磁界センサを含む、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロメカニカルセンサ装置。
【請求項４】
前記表側（Ｖ；Ｖ１；Ｖ１’）及び／又は前記裏側（Ｒ；Ｒ１；Ｒ１’）に、少なくとも１つの別の基板（Ｓ２；Ｓ２’）がボンディングされている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のマイクロメカニカルセンサ装置。
【請求項５】
前記別の基板（Ｓ２；Ｓ２’）はキャップウェハである、
ことを特徴とする請求項４記載のマイクロメカニカルセンサ装置。
【請求項６】
マイクロメカニカルセンサ装置の製造方法において、
基板（Ｓ１；Ｓ１’）の表側（Ｖ；Ｖ１；Ｖ１’）に第１マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ１；Ｍ１１；Ｍ１１’）を集積する第１ステップ（ＳＳ１）と、
前記基板（Ｓ）の反転を実施する第２ステップ（ＳＳ２）と、
前記基板（Ｓ；Ｓ１；Ｓ１’）の裏側（Ｒ；Ｒ１；Ｒ１’）に第２マイクロメカニカルセンサデバイス（Ｍ２；Ｍ１２；Ｍ１２’）を集積する第３ステップ（ＳＳ３）と
を有することを特徴とする製造方法。
【請求項７】
前記表側（Ｖ；Ｖ１；Ｖ１’）及び／又は前記裏側（Ｒ；Ｒ１；Ｒ１’）に、少なくとも１つの別の基板（Ｓ２；Ｓ２’）をボンディングする第４ステップ（ＳＳ４）、
を有することを特徴とする請求項６記載の製造方法。
【請求項８】
前記第１ステップ（ＳＳ１）の間、前記裏側（Ｒ；Ｒ１；Ｒ１’）はパッシベートされている、
ことを特徴とする請求項６記載の製造方法。
【請求項９】
前記第３ステップ（ＳＳ３）の間、前記表側（Ｖ；Ｖ１；Ｖ１’）はパッシベートされている、
ことを特徴とする請求項６記載の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から５のいずれか一項記載のマイクロメカニカルセンサ装置を、ナビゲーション用の素子に使用する、
ことを特徴とするマイクロメカニカルセンサ装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメカニカルセンサ装置、マイクロメカニカルセンサ装置の製造方法、並びに、マイクロメカニカル装置の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日のマイクロメカニカルセンサ装置は、独自のチップ上の離散型センサとして、又は、評価回路が付属された集積型センサとして製造される。集積型センサの場合には、センサが評価回路の上側に配置されている垂直型集積か、又は、センサが評価回路の隣に配置されている水平型集積がある。
【０００３】
水平型集積の場合には、センサチップ及びＡＳＩＣ評価回路チップの実装のために、隣同士に水平の大きいスペースが必要となり、チップ同士の電気接続は高コストとなってしまう。逆に、センサチップ及びＡＳＩＣ評価回路チップを垂直型に集積する場合には、設計自由度が制限されてしまい、構造全体の高さも相当なものとなる。
【０００４】
評価回路のために設けられるチップ面積部分は、複数のステップからなる複雑な半導体プロセスを経た後、さらにセンサプロセスを経なければならない。基本的に回路面は、センサプロセスの複数のステップを経なければならず、また逆にセンサ面は、半導体プロセスの複数のステップを経なければならないので、このことにより全体歩留まりは低減し、より多くのコストがかかってしまう。
【０００５】
上記のアプローチは、例えばプロセス同士の高い相乗効果を利用できる場合であって、かつ、各プロセスの歩留まりが非常に高い場合にしか、コスト的に有利ではない。ＡＳＩＣ回路チップのモジュラー式交換は、容易にはできない。
【０００６】
米国特許第７２１３４６５号明細書から、センサ素子をＡＳＩＣ回路チップの裏側に集積することが公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７２１３４６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、上に説明した従来技術の欠点を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、
表側と裏側とを有する基板を備えるマイクロメカニカルセンサ装置において、前記表側に、第１マイクロメカニカルセンサデバイスが集積されており、前記裏側に、第２マイクロメカニカルセンサデバイスが集積されている、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロメカニカルセンサ装置と、
マイクロメカニカルセンサ装置の製造方法において、基板の表側に第１マイクロメカニカルセンサデバイスを集積する第１ステップと、前記基板の反転を実施する第２ステップと、前記基板の裏側に第２マイクロメカニカルセンサデバイスを集積する第３ステップと
を有することを特徴とする請求項６に記載の製造方法と、
マイクロメカニカルセンサ装置をナビゲーション用の素子に使用する、請求項１０に記載のマイクロメカニカルセンサ装置の使用方法によって解決される。
【００１０】
有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１１】
本発明のマイクロメカニカルセンサ装置、及び、マイクロメカニカルセンサ装置の製造方法によれば、センサをコスト的に有利に製造できるようになり、センサ及び／又はアクチュエータのための構造を特に省スペースかつ小型にすることができるようになる。それと同時に、本発明の装置によれば、個々のチップを高い拡張コスト無しに別のチップと置き換えられるモジュラー式構造が可能となる。
【００１２】
本発明の基礎となる着想は、単一の基板の上に少なくとも２つのＭＥＭＳ機能領域をモノリシックに集積し、この際に、これらのＭＥＭＳ機能領域を、基板の背中合わせに位置する２つの面の上に集積することにある。ＭＥＭＳ機能領域には、それぞれセンサ及び／又はアクチュエータが実現され、このセンサ及び／又はアクチュエータは、有利には互いに独立した異なる外部刺激に対して感知ないし反応する。
【００１３】
オプションとして、少なくとも１つの別の構造化された基板を、ＭＥＭＳ機能領域と接続させることができるか、又は、保護として、２つの面のうち少なくとも片方の面において、ボンディング技術によって基板と接続させることができる。
【００１４】
有利な１つの実施形態においては、１つ又は複数の慣性センサ領域と、１つの磁気センサ領域とが、同一の１つの基板における背中合わせに位置する面に設けられている。
【００１５】
別の有利な１つの実施形態においては、１つ又は複数の慣性センサ領域と、圧力センサ領域とが、同一の１つの基板における背中合わせに位置する面に設けられている。
【００１６】
オプションとして、１つの基板における背中合わせに位置する２つの面同士を、１つ又は複数のスルーコンタクトによって互いに接続させることができる。
【００１７】
本発明のマイクロメカニカルセンサ装置の特に有利な１つの使用例は、モバイル端末におけるナビゲーション用に使用することである。
【００１８】
したがって本発明によれば、コスト的に有利な垂直型集積アプローチに関連して、複数のＭＥＭＳ機能を１つの基板に集積することが可能となり、シリコン面は、比較的簡単な２つのセンサプロセスを経るだけでよくなる。構造及び接続技術も簡単になる。
【００１９】
基本的に、種々のＭＥＭＳ機能を１つの基板上にモノリシックに集積することによってペア密度が高まり、ひいては構造素子をより小型にすることが可能となる。しかしながら、種々の作用原理及び種々の機能層（磁気的／容量的）を有するＭＥＭＳ機能を集積する際には、種々異なる機能層が必要となることが多い。これらの種々のＭＥＭＳ機能を、従来技術によって単一の基板表面上に形成する場合には、基本的に、プロセス同士の相乗効果が非常に低くなると同時に、ＭＥＭＳ機能の設計に対する幾何形状の制限が生じてしまう。多くの場合、望まれないプロセス同士の相互作用を回避するための特別な措置、例えば一時的な保護層の被着等を講じなければならない。複数の異なるＭＥＭＳ機能に対するＭＥＭＳプロセスの歩留まりは互いに掛け合わされ、これによって、プロセスコストは本来あるべきコストよりも高くなってしまう。
【００２０】
本発明によれば、特に、異なる作用原理及び機能層を有する複数のＭＥＭＳ機能を、１つの基板の複数の異なる側に集積することができ、これによってＭＥＭＳ機能のデザインにおける幾何形状の制限は実質的に完全になくなる。２つのＭＥＭＳプロセスを高い歩留まりで実行することができるので、離散型、水平型、及び垂直型の集積方法に比べてコスト的な利点が生じる。
【００２１】
基板の背中合わせに位置する２つの面を、スルーコンタクトによって互いに接続する場合には、センサ信号を外部へと導くために、電気接続は片方の面に対して設けるだけでよい。パッケージングプロセスはこれによってより有利になる。スルーコンタクトを形成するためのプロセスステップは、基板上に設けられている全ての素子に対して同時に行われる。したがってこれらのプロセスステップは、−特にスルーコンタクトが多数の場合には−両面にて電気接続をパッケージングする場合における連続的なコンタクトプロセスステップよりも、全体としてより有利になる。
【００２２】
以下、本発明を、概略図に示した実施例に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の概略断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の概略断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の概略断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の概略断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の製造方法のフローチャートである。
【実施例】
【００２４】
図１は、本発明の第１実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の概略断面図である。
【００２５】
図１において、参照符号Ｓは、表側Ｖと裏側Ｒとを有する基板、例えばシリコン基板を表している。表側Ｖには、第１ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１が集積されており、裏側Ｒには、第２ＭＥＭＳ機能領域Ｍ２が集積されている。ＭＥＭＳ機能領域という用語は、当該領域の中に少なくとも１つのセンサ及び／又はアクチュエータが形成されていると理解すべきである。Ｋ１は、表側Ｖにある電気コンタクト面を表し、Ｋ２は、裏側Ｒにある電気コンタクト面を表す。
【００２６】
このように基板Ｓの互いに背中合わせの２つの側Ｖ，Ｒに、ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１，Ｍ２を配置することによって、効果的な集積、構造高さの低減、及び、コスト的に有利なプロセス管理を実現することができる。
【００２７】
図２は、本発明の第２実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の概略断面図である。
【００２８】
図２の第２実施形態では、図１による第１実施形態と比較して、電気コンタクトが変化している。
【００２９】
特にこの第２実施形態においては、電気コンタクト面Ｋ１’が表側Ｖに設けられており、基板Ｓの中に、絶縁層Ｉによって取り囲まれた例えばタングステン製の電気スルーコンタクトＤが設けられており、この電気スルーコンタクトＤは、第２ＭＥＭＳ機能領域Ｍ２から第１ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１へと延びている。
【００３０】
この形式及び方法によれば、実装時に端子乃至配線を表側Ｖ上に設けるだけで良くなる。
【００３１】
もちろん基板Ｓは、複数のスルーコンタクトＤを含むことも可能であり、複数のスルーコンタクトは、ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１，Ｍ２の複数の端子に応じて接続する。
【００３２】
図３は、本発明の第３実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の概略断面図である。
【００３３】
図３において、参照符号Ｓ１は第１基板を表しており、第１基板Ｓ１は、表側Ｖ１にて第１ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１１を有し、裏側Ｒ１にて第２ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１２を有している。
【００３４】
第１ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１１は、犠牲層Ｏ１，Ｏ２と、ポリシリコン機能層Ｆ１，Ｆ２とを有しており、これらの層は、例えば図示したコア構造を有しており、これによって慣性センサを実現することができる。
【００３５】
第２ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１２は、磁石積層体ＭＳ、例えばＮｉＦｅ積層体ＭＳと、コンタクト孔ＫＬによって外部と接続可能な導体路ＬＢとを有する。
【００３６】
このような装置は、例えば磁気センサとして構成することができる。第１基板Ｓ１は、ボンディングフレームＢＲを介して第２基板Ｓ２によってキャップされている。第２基板Ｓ２は、表側Ｖ２と裏側Ｒ２とを有しており、裏側Ｒ２には空洞部ＫＡが設けられている。
【００３７】
このような実施形態に基づくマイクロメカニカルセンサ装置は、例えばナビゲーション用の素子に使用することができる。
【００３８】
図４は、本発明の第４実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の概略断面図である。
【００３９】
図４による第４実施形態においては、第１基板に参照符号Ｓ１’が付されており、第１基板は、表側Ｖ１’にて、第３実施形態のＭＥＭＳ機能領域Ｍ１１に相当する第１ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１１’を有する。
【００４０】
第１基板Ｓ１’の裏側Ｒ１’には、別のＭＥＭＳ機能領域Ｍ１２’が設けられている。この別のＭＥＭＳ機能領域Ｍ１２’は任意に構成することができ、例えばピエゾセンサの形態で構成することができる。
【００４１】
第１基板Ｓ１’は、ボンディングフレームＢＲを介して第２基板Ｓ２’と接続されており、この実施形態においては、さらなる別のＭＥＭＳ機能領域Ｍ２’が、第２基板Ｓ２’の表側Ｖ２’に設けられている。第２基板Ｓ２’の裏側Ｒ２’は、第３実施形態と同様に空洞部ＫＡを有する。
【００４２】
第２基板Ｓ２’のＭＥＭＳ機能領域Ｍ２’は、第３実施形態のＭＥＭＳ機能領域Ｍ１２と同一の機能、つまり磁気センサの機能を有する。
【００４３】
２つの基板に３つのＭＥＭＳ機能領域Ｍ１１’，Ｍ１２’，Ｍ２’を設け、この際に一方の基板を、他方の基板をキャップするために用いることによって、集積密度を格段に高めることができる。
【００４４】
図５は、本発明の第５実施形態によるマイクロメカニカルセンサ装置の製造方法のフローチャートである。
【００４５】
図５に図示されているように、図１のマイクロメカニカルセンサ装置の製造方法は、ステップＳＳ１において開始し、このステップＳＳ１では、図１の第１ＭＥＭＳ機能領域Ｍ１のプロセスが行われる。この際、基板Ｓの裏側Ｒは治具装置の上に位置するか、又は、パッシベートされている。
【００４６】
第２ステップＳＳ２では、基板２の反転が実施される。
【００４７】
その後第３ステップＳＳ３では、裏側の第２ＭＥＭＳ機能領域Ｍ２のためのプロセスステップが実施される。この時間中は、表側Ｖは基板の上に位置するか、又はパッシベートされている。
【００４８】
これに続いて、図１によるマイクロメカニカルセンサ装置が完成される。
【００４９】
オプションとしてステップＳＳ４を実施することができ、ステップＳＳ４では、基板Ｓが、第３実施形態又は第４実施形態にて記載したように、別の基板と接続される。
【００５０】
以上、本発明を全て有利な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に制限されているわけではなく、種々の形式及び方法で変更可能である。
【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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