半導体センサ及び半導体センサの製造方法
【課題】支持部に対する錘部の移動に伴ってこれらの間の可撓部が変形する半導体センサにおいて、その応答時間を短く設定でき、かつ、検出可能な物理量の周波数帯域を拡大できるようにする。
【解決手段】一部が可撓性を有する可撓部Ｆとして構成される薄肉部１２と、薄肉部１２の一方の主面１２ｄから突出して薄肉部１２と共に錘部Ｍを構成する錘用突出部１１Ｂと、これとの間に間隙を空けるように薄肉部１２の一方の主面１２ｄから突出し、薄肉部１２と共に支持部Ｓを構成する支持用突出部１３とを備え、その突出方向の先端面１３ｄが外方に露出するように、薄肉部１２の両方の主面１２ｃ，１２ｄ側が可撓部Ｆよりも弾性率の小さい粘弾性体１５，１６によって埋設され、支持用突出部１３の先端面１３ｄをなす延長部１４の弾性率が、粘弾性体１５，１６よりも大きく、かつ、延長部１４を除く支持部Ｓの他の構成部分よりも小さい半導体センサ１を提供する。
【解決手段】一部が可撓性を有する可撓部Ｆとして構成される薄肉部１２と、薄肉部１２の一方の主面１２ｄから突出して薄肉部１２と共に錘部Ｍを構成する錘用突出部１１Ｂと、これとの間に間隙を空けるように薄肉部１２の一方の主面１２ｄから突出し、薄肉部１２と共に支持部Ｓを構成する支持用突出部１３とを備え、その突出方向の先端面１３ｄが外方に露出するように、薄肉部１２の両方の主面１２ｃ，１２ｄ側が可撓部Ｆよりも弾性率の小さい粘弾性体１５，１６によって埋設され、支持用突出部１３の先端面１３ｄをなす延長部１４の弾性率が、粘弾性体１５，１６よりも大きく、かつ、延長部１４を除く支持部Ｓの他の構成部分よりも小さい半導体センサ１を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度、角速度等の物理量を検出する半導体センサ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される加速度センサやジャイロセンサ等の半導体センサは、ビームやダイヤフラム等の可撓部を備えており、可撓部の変形や変位を電気信号に変換する半導体センサでは、例えば特許文献１のように、可撓部に錘部（作用部、重錘体）を結合することによってその感度を高めている。すなわち、この種の半導体センサでは、外力が小さくても錘部の重さの分だけ大きな慣性力が作用するため、この錘部の移動に伴って可撓部が変形又は変位することで小さな加速度や角速度等の物理量でも検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９４４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、外力によって移動した錘部は可撓部の弾性力によって振動するが、上記従来の半導体センサにおいて、錘部は動粘度が非常に小さい気体雰囲気中に配されているため、錘部のＱ値（振動の状態を表す無次元数）が高く、その結果として、錘部の振動が減衰して停止するまでの時間（以下、減衰時間と呼ぶ）が長くなってしまう。
そして、錘部を備えた半導体センサは、一度加速度や角速度等の物理量を検出した後に錘部の振動を停止させることで、再度物理量を検出できるように構成されている。このため、前述した振動の減衰時間が長くなってしまうと、一度物理量を検出した後に再度物理量を検出できるまでに要する時間（以下、応答時間と呼ぶ。）が長くなる、という問題がある。
また、錘部のＱ値が高いと、検出可能な物理量の周波数帯域が狭くなるため、半導体センサの汎用性が低くなる、という問題もある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、応答時間を短く設定でき、かつ、検出可能な物理量の周波数帯域を拡大できる半導体センサ、及び、そ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】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の半導体センサは、一部が可撓性を有する可撓部として構成される薄肉部と、前記薄肉部の一方の主面から突出して前記薄肉部と共に錘部を構成する厚肉の錘用突出部と、前記錘用突出部との間に間隙を空けるように前記薄肉部の一方の主面から突出して、前記薄肉部と共に前記可撓部を介して前記錘部に連結される支持部を構成する支持用突出部と、前記支持部に対する前記錘部の移動に伴う前記可撓部の変形又は変位を検出する検出手段とを備え、前記支持用突出部の突出方向の先端面が外方に露出するように、前記可撓部及び前記錘部のうち前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方が、前記可撓部よりも弾性率の小さい粘弾性体によって埋設され、前記支持用突出部の少なくとも一部が、前記先端面をなす延長部によって構成され、当該延長部の弾性率が、前記粘弾性体の弾性率よりも大きく、かつ、前記延長部を除く前記支持部の他の構成部分の弾性率よりも小さいことを特徴とする。
【０００７】
なお、前記粘弾性体としては、エラストマーのほか、例えばシリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲルや、スポンジのような発泡樹脂等のように気体と比較して高い動粘度の樹脂が挙げられる。
また、前記粘弾性体が前記薄肉部の一方の主面側に形成される場合には、前記錘用突出部と前記支持用突出部との間隙を埋めるように形成されればよい。
そして、上記半導体センサを使用する際には、錘部から離間した可撓部の一部が、支持部を介して、例えば半導体センサを収容するケースや半導体センサに電気接続される回路基板等のベース材に固定されていればよい。具体的には、例えば薄肉部の一方の主面側をベース材に対向させた状態で、支持用突出部の先端面がベース材に固定されていればよい。
【０００８】
この固定状態において半導体センサに外力が作用すると、ベース材に対して錘部が慣性力によって移動すると共に可撓部が支持用突出部を介する等してベース材に固定された一部を支点として弾性変形し、さらに、可撓部及び錘部を薄肉部の一方の主面側や他方の主面側から包む粘弾性体も変形する。このため、慣性力に基づいて移動した後の錘部は可撓部の弾性力によって振動するが、錘部の振動は、これに伴う粘弾性体の変形によって吸収され、短時間で減衰・停止することになる。すなわち、この半導体センサでは、気体よりも動粘度の高い粘弾性体によって可撓部及び錘部の少なくとも一部が包まれるため、錘部全体が従来のように気体雰囲気中に配されている場合と比較して、錘部のＱ値を低く設定することができる。なお、錘部の振動を粘弾性体の変形によって吸収しきれない場合には、粘弾性体よりも大きい弾性率の延長部が変形することで錘部の振動を吸収することも可能であり、その結果、錘部のＱ値をさらに低く設定することができる。
また、検出手段により加速度や角速度等の物理量を検出した後から再度物理量の検出が可能となるまでの応答時間の短縮を図ることもできる。
さらに、錘部のＱ値を低く設定できることから、検出可能な加速度や角速度等の物理量の周波数帯域が拡大され、結果として、汎用性の高い半導体センサを提供することが可能となる。
【０００９】
また、支持用突出部の先端面をベース材に固定した場合、半導体センサ及びベース材の熱膨張係数が相互に異なっていると、半導体センサ及びベース部材が加熱若しくは冷却された際に、前述した熱膨張係数の差に基づいて支持部とベース材との間に応力が発生するが、ベース材と前記支持部の他の構成部分との間に介在する延長部が変形することで、この応力を緩和することができる。したがって、半導体センサ及びベース材が加熱若しくは冷却されても、半導体センサの特性が変化することを抑制できる。
さらに、支持用突出部の先端面をベース材に固定した場合、粘弾性体では吸収しきれない強い衝撃がベース材に加えられても、この衝撃を延長部において吸収することができる。このため、前記衝撃によって可撓部及び錘部が過度に振動して錘部がベース材に衝突してしまうことを防止できる。すなわち、この構成の半導体センサは、支持部の他の構成部分が直接ベース材に固定される場合と比較して、耐衝撃性に有利である。
【００１０】
そして、前記半導体センサは、前記錘部と共に前記粘弾性体を挟み込むように当該粘弾性体に接合される保護プレートを備えていてもよい。
上記半導体センサによれば、錘部が保護プレートに対して振動した際に、錘部と制御チップとの間の粘弾性体が伸縮するように変形するため、錘部の振動を効率よく減衰させることができる。すなわち、錘部のＱ値をさらに低く抑えることができる。
【００１１】
また、前記半導体センサは、当該半導体センサを駆動制御する板状の制御チップと共に半導体センサユニットを構成し、当該制御チップが、前記錘部と共に前記粘弾性体を挟み込むように当該粘弾性体に接合されていてもよい。
上記半導体センサユニットによれば、錘部が制御チップに対して振動した際に、錘部と制御チップとの間の粘弾性体が伸縮するように変形するため、錘部の振動を効率よく減衰させることができる。すなわち、錘部のＱ値をさらに低く抑えることができる。また、錘部と制御チップとの間に粘弾性体を介在させることで、錘部が制御チップに衝突することも容易に防止できる。
また、この半導体センサユニットによれば、半導体センサと制御チップとを個別にベース材の搭載面に固定する場合よりも搭載面積を縮小することができる。
【００１２】
さらに、前記半導体センサは、これを固定する搭載面を有するベース材と共に半導体パッケージを構成し、当該ベース材の搭載面が、前記錘部と共に前記粘弾性体を挟み込むように前記粘弾性体に接合されていてもよい。
なお、ベース材としては、前述したように、例えば半導体センサを収容するケースや半導体センサに電気接続される回路基板等が挙げられる。
上記半導体パッケージによれば、錘部がベース材に対して振動した際に、錘部とベース材との間の粘弾性体が伸縮するように変形するため、錘部の振動を効率よく減衰させることができる。すなわち、錘部のＱ値をさらに低く抑えることができる。また、錘部とベース材の表面との間に粘弾性体を介在させることで、錘部がベース材に衝突することも容易に防止できる。
【００１３】
また、本発明の半導体センサの製造方法は、シリコンバルクの異方性エッチングにより、薄肉部の一方の主面から突出する厚肉の錘用突出部を形成して、前記薄肉部及びこれに積層された前記錘用突出部により錘部を構成すると共に、前記錘用突出部に隣り合う前記薄肉部により可撓性を有する可撓部を構成するセンサ形成工程と、前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方に粘弾性材料を塗布することで前記可撓部よりも弾性率の小さい粘弾性体を形成して、当該粘弾性体により前記可撓部及び前記錘部のうち前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方を埋設する錘部埋設形成工程と、前記錘用突出部との間に間隙を空けるように前記一方の主面上に延びる延長部を形成する延長部形成工程とを備え、少なくともこれらセンサ形成工程、錘部埋設形成工程及び延長部形成工程の実施後に、前記延長部が、前記一方の主面から突出して、前記薄肉部と共に前記可撓部を介して前記錘部に連結される支持部を構成する支持用突出部のうち、少なくとも外方に露出する前記支持用突出部の突出方向の先端面を含む一部を構成し、前記延長部の弾性率が、前記粘弾性体の弾性率よりも大きく、かつ、前記延長部を除く前記支持部の他の構成部分の弾性率よりも小さいことを特徴とする。
この製造方法を実施することで前記半導体センサを製造することができる。
【００１４】
なお、前記半導体センサの製造方法では、前記錘部埋設形成工程において、感光性ゴムからなる前記粘弾性材料が前記薄肉部の一方の主面側に塗布された後に、前記延長部形成工程において、前記感光性ゴムからなる前記粘弾性体の一部を硬化させることで前記延長部を形成してもよい。
【００１５】
また、半導体センサの製造方法では、前記センサ形成工程において多数の前記錘用突出部を形成すると共に、前記延長部形成工程において多数の前記延長部を形成し、前記センサ形成工程、前記錘部埋設形成工程及び前記延長部形成工程の実施後において前記多数の前記支持用突出部が形成された後に、少なくとも一つの前記錘部、前記可撓部及び前記支持部を備える個々の半導体センサに個片化するダイシング工程を実施してもよい。
この場合には、錘部埋設工程における粘弾性材料の塗布により、多数の可撓部及び錘部のうち一方の主面側や他方の主面側を一括して埋設できるため、半導体センサの製造効率向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、可撓部及び錘部を備えた半導体センサの応答時間を短く設定でき、かつ、検出可能な物理量の周波数帯域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体センサに制御チップを設けた半導体センサユニットを示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体センサの製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体センサの製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体センサの製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る半導体センサを示す概略断面図である。
【図６】図１の半導体センサユニットを備える半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図７】図１の半導体センサユニットを備える半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る半導体センサを備える半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る半導体センサに制御チップを設けた半導体センサユニットを示す概略断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る半導体センサに制御チップを設けた半導体センサユニットを示す概略断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る半導体センサに制御チップを設けた半導体センサユニットを示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１〜７を参照して本発明の一実施形態に係る半導体センサについて説明する。図１に示すように、この実施形態に係る半導体センサ１は、平面視環状に形成された支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に間隔をあけて配された平面視略矩形の錘部Ｍと、可撓性を有して支持部Ｓと錘部Ｍとを一体に連結する可撓部Ｆと、検出手段としてのピエゾ抵抗部１２１とを備えている。すなわち、この半導体センサ１は、慣性力に応じた可撓部Ｆの変形又は変位をピエゾ抵抗部１２１によって電気信号に変換することで加速度を検出する加速度センサとして構成されており、また、ＭＥＭＳ技術を用いてＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハ（シリコンバルク）１０によって主に製造されている。
【００１９】
支持部Ｓ及び錘部Ｍは、ベースウエハ１１上に半導体層（ＳＯＩ層）１２を積層したＳＯＩウエハ１０によって主に構成されている。なお、ベースウエハ１１は、単結晶シリコン層１１１上に二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる酸化層１１２を積層して構成されるものであり、半導体層１２は酸化層１１２上に積層されている。また、酸化層１１２は、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなるベースウエハ１１の熱酸化された表層である。
そして、錘部Ｍの厚さ寸法は、ＳＯＩウエハ１０の厚さ寸法に等しいが、支持部Ｓの厚さ寸法よりも小さくなるように設定されている。すなわち、支持部Ｓは、半導体層（薄肉部）１２、及び、その下面（一方の主面）１２ｄの周縁から突出する平面視環状の支持用突出部１３によって構成されている。そして、支持用突出部１３は、平面視環状の枠体部１１Ａをなすベースウエハ１１と、枠体部１１Ａのうちその突出方向に面するベースウエハ１１の下面１１ｄに積み重ねられた延長部１４とによって構成されている。なお、延長部１４は、枠体部１１Ａと同様に平面視環状に形成されていてもよいが、例えば枠体部１１Ａの周方向の一部に１つだけ配されてもよいし、枠体部１１Ａの周方向に間隔をあけて複数配列されてもよい。
【００２０】
一方、錘部Ｍは、半導体層１２、及び、枠体部１１Ａの内側に間隔を空けるように半導体層１２の下面１２ｄの中央部分から突出する凸部（錘用突出部）１１Ｂによって構成されており、凸部１１Ｂはベースウエハ１１によって構成されている。ここで、ベースウエハ１１からなる凸部１１Ｂの厚さ寸法は、同じくベースウエハ１１からなる枠体部１１Ａの厚さ寸法に等しく、延長部１４の厚さ寸法分だけ支持用突出部１３よりも小さく設定されている。
【００２１】
可撓部Ｆは、ＳＯＩウエハ１０の半導体層１２の一部によって構成されている。この可撓部Ｆは、少なくとも支持部Ｓに対する錘部Ｍの移動に伴って変形又は変位すれば、例えば支持部Ｓの内縁全体に連結されるダイヤフラム状に形成されていてもよいし、支持部Ｓの周方向に複数に分割して形成されていてもよい。また、可撓部Ｆは、例えば支持部Ｓと錘部Ｍとの間に１つだけ形成される片持ち梁状に形成されてもよい。
ピエゾ抵抗部１２１は、可撓部Ｆをなす半導体層１２の上面（他方の主面）１２ｃ側に複数形成されており、半導体層１２上にはピエゾ抵抗部１２１の図示しない配線等が形成されている。
また、この半導体センサ１においては、半導体層１２の上面１２ｃの周縁に複数の電極パッド１２２が形成されている。これら複数の電極パッド１２２は、ピエゾ抵抗部１２１からの電気信号を外部に取り出したり、半導体センサ１を接地させる役割を果たしている。なお、図示例において、電極パッド１２２は支持部Ｓをなす半導体層１２の上面１２ｃに配されている。
【００２２】
さらに、本実施形態の半導体センサ１においては、可撓部Ｆ及び錘部Ｍのうち半導体層１２の上面１２ｃ側及び下面１２ｄ側が可撓部Ｆ及び支持部Ｓよりも弾性率の小さい粘弾性体１５，１６によって埋設されている。なお、粘弾性体のヤング率は１００ＭＰａ以下であることが望ましいが、これに限らなくてもよい。
そして、半導体層１２の上面１２ｃ側の粘弾性体１６は、可撓部Ｆ、錘部Ｍ及び支持部Ｓを構成する半導体層１２の上面１２ｃにわたって厚膜状に形成されており、その上面１６ｃは平坦に形成されている。この粘弾性体１６には、複数の電極パッドを個別に、あるいは、複数まとめて露出させる開口部１６ａが形成されている。
上面１２ｃ側の粘弾性体１６としては、例えば感光性ゴム等のエラストマーや、シリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲル、スポンジのような発泡樹脂等の各種樹脂材料が挙げられる。
【００２３】
一方、半導体層１２の下面１２ｄ側の粘弾性体１５は、半導体層１２の下面１２ｄ上に堆積され、平面視環状の支持用突出部１３と凸部１１Ｂとの間隙を埋めるように、かつ、凸部１１Ｂの下面１１ｄを覆うように設けられている。すなわち、下面１２ｄ側の粘弾性体１５は、凸部１１Ｂ全体及びこれに対向する支持用突出部１３の内側全体を埋設している。また、下面１２ｄ側の粘弾性体１５は、下面１２ｄからの厚さ寸法が支持用突出部１３の厚さ寸法と等しくなるように設定されている。さらに、この粘弾性体１５の下面１５ｄは延長部１４からなる支持用突出部１３の先端面１３ｄと共に同一平面をなすように形成されている。
下面１２ｄ側の粘弾性体１５は、エラストマーの一種である環化ブタジエンゴムや環化イソプレンゴム等の感光性ゴムによって構成されている。なお、支持部Ｓを構成する延長部１４は、粘弾性体１５を構成する感光性ゴムが露光によって硬化したものである。また、延長部１４の弾性率は、粘弾性体１５，１６の弾性率よりも大きく、かつ、枠体部１１Ａ及び半導体層１２（延長部１４を除く支持部Ｓの他の構成部分）の弾性率よりも小さくなるように設定されている。
【００２４】
ところで、上記構成の半導体センサ１は、これに積層して固定されたＩＣやＬＳＩ等の制御チップ６と共に半導体センサユニット２０１を構成している。
制御チップ６は、半導体センサ１を駆動制御する役割を果たすものであり、例えば半導体センサ１からの電気信号を増幅するための増幅回路や、前記電気信号をデジタル信号として処理するためのＡ／Ｄ変換器、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の電気回路を含んで構成される。
制御チップ６は板状に形成されており、制御チップ６の上面６ｃには、半導体センサ１の電極パッド１２２と電気接続される端子パッド６１、及び、制御チップ６の電気回路を外部に接続する複数の外部端子パッド６２が形成されている。なお、図示例においては、端子パッド６１が制御チップ６の上面６ｃの周縁に配されると共に外部端子パッド６２が端子パッド６１よりも制御チップ６の上面６ｃの内側に配されているが、端子パッド６１及び外部端子パッド６２は制御チップ６の上面６ｃの任意の位置に配することが可能である。例えば、端子パッド６１及び外部端子パッド６２の両方が制御チップ６の上面６ｃの周縁に並べて配されていてもよい。
【００２５】
この制御チップ６は、その下面６ｄを半導体センサ１に対向させた状態で半導体層１２の上面１２ｃ側に形成された粘弾性体１６の上面１６ｃに固定されている。この制御チップ６の固定は、接着剤によって実施されてもよいが、例えば粘弾性体１６自体の粘着力によって実施されてもよい。
なお、図１に示す半導体センサユニット２０１では、電極パッド１２２と端子パッド６１とが電気接続されていないが、例えばボンディングワイヤ１９（図６，７参照）によって予め電気接続されていてもよい。
【００２６】
次に、上記構成の半導体センサ１の製造方法について説明する。
半導体センサ１を製造する場合には、はじめに、ＳＯＩウエハ１０の半導体層１２に不純物を注入してピエゾ抵抗部１２１を形成する工程や、半導体層１２を可撓部Ｆの平面視形状に合わせてエッチングする工程や、半導体層１２上にピエゾ抵抗部１２１の配線や電極パッド１２２を形成する工程を実施しておく。これらの工程は、特開平８−２７４３４９号公報等に開示されているように公知であるため、その説明を省略する。
【００２７】
次いで、ベースウエハ１１をＤｅｅｐ−ＲＩＥ等により異方性エッチングすることで、図２に示すように、ベースウエハ１１を枠体部１１Ａと凸部１１Ｂとに区画する環状の区画凹部Ｈ１を形成するセンサ形成工程を実施する。これにより、半導体層１２及びこれに積層された平面視環状の枠体部１１Ａによって支持部Ｓが構成され、半導体層１２及びこれに積層された凸部１１Ｂによって錘部Ｍが構成される。また、区画凹部Ｈ１の深さ寸法はベースウエハ１１の厚さ寸法と同等に設定されているため、枠体部１１Ａ及び凸部１１Ｂの間に位置する半導体層１２の下面１２ｄが露出する。この下面１２ｄが露出した半導体層１２の部分は可撓部Ｆを構成している。
なお、このセンサ形成工程あるいはその前後においては、例えば錘部Ｍを構成する凸部１１Ｂの下面１１ｄに研削及び研磨の一方、あるいは、両方を実施して錘部Ｍの重量や寸法を調整してもよい。
【００２８】
そして、図３に示すように、半導体層１２の下面１２ｄ側に粘弾性材料を塗布することで可撓部Ｆよりも弾性率の小さい粘弾性体１５を形成して、粘弾性体１５により可撓部及び錘部のうち半導体層１２の下面１２ｄ側を埋設する第一錘部埋設工程を実施する。
この工程においては、半導体層１２の下面１２ｄを上向きに配置した状態で、枠体部１１Ａ及び凸部１１Ｂ全体が粘弾性体１５によって埋設されるように、粘弾性材料を塗布する。この実施形態においては、粘弾性材料としてエラストマーの一種であるＵＶ硬化樹脂等の感光性樹脂材料を使用する。
また、この粘弾性材料の具体的な塗布方法としては、例えばスピンコート法、ディップコート法、スプレーによる塗布等のようにベースウエハ１１の下面１１ｄ及び半導体層１２の下面１２ｄ全体にわたって粘弾性材料を塗布する方法が挙げられる。また、粘弾性材料の塗布は、インジェクションやラミネート等によって実施されてもよい。
【００２９】
なお、第一錘部埋設工程においては、粘弾性材料の塗布後に、例えば真空脱泡等により粘弾性材料中に含まれる気泡を除去してもよいが、特に実施しなくてもよい。
さらに、第一錘部埋設工程においては、粘弾性材料の塗布後や気泡の除去後に、粘弾性材料を強制的に乾燥させて粘弾性体１５とする乾燥工程や、ベースウエハ１１の下面１１ｄ上に位置する粘弾性体１５の下面１５ｄを平坦化する平坦化工程を適宜実施してもよい。ここで、平坦化工程を例えばスクイーズにより実施する場合には、平坦化工程後に乾燥工程を実施すればよい。また、平坦化工程を例えば研磨や研削により実施する場合には、乾燥工程後に平坦化工程を実施すればよい。
【００３０】
第一錘部埋設工程後には、図４に示すように、支持部Ｓの枠体部１１Ａをなすベースウエハ１１の下面１１ｄに支持部Ｓの延長部１４を形成する延長部形成工程を実施する。この工程においては、枠体部１１Ａの下面１１ｄ上に位置する粘弾性体１５のみにレーザ光等を照射する露光により、枠体部１１Ａの下面１１ｄ上に位置する粘弾性体１５を硬化させる。これにより、硬化した粘弾性体１５が、粘弾性体１５の弾性率よりも大きく、かつ、枠体部１１Ａ及び半導体層１２の弾性率よりも小さい延長部１４として形成されることになる。なお、粘弾性体１５をなす感光性ゴムがＵＶ硬化ゴムである場合には、前述のレーザ光として、例えばＵＶ帯域のエキシマレーザを使用すればよい。
この延長部形成工程を実施することにより、枠体部１１Ａ及び延長部１４からなる支持用突出部１３が構成されることになる。
【００３１】
その後、図５に示すように、半導体層１２の上面１２ｃ側に粘弾性材料を塗布することで可撓部Ｆよりも弾性率の小さい粘弾性体１６を形成して、粘弾性体１６により可撓部Ｆ及び錘部Ｍのうち半導体層１２の上面１２ｃ側を埋設する第二錘部埋設工程を実施することで、半導体センサ１の製造が完了する。
この第二錘部埋設工程においては、半導体層１２の上面１２ｃを上向きに配置した状態で、はじめに、半導体層１２の上面１２ｃ全体にわたって粘弾性材料を塗布する。なお、粘弾性材料の塗布方法は、第一錘部埋設工程の際と同様に、例えばスピンコート法、ディップコート法、スプレーによる塗布等が挙げられる。そして、粘弾性材料としては、感光性樹脂材料に限らず、様々な種類のエラストマーや、シリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲル、スポンジのような発泡樹脂等の各種樹脂材料が挙げられる。
なお、第二錘部埋設工程においては、この粘弾性材料の塗布後に、例えば真空脱泡等により粘弾性材料中に含まれる気泡を除去してもよいが、特に実施しなくてもよい。
【００３２】
さらに、第二錘部埋設工程においては、粘弾性材料の塗布後や気泡の除去後に、第一錘部埋設工程と同様の乾燥工程や平坦化工程を適宜実施してもよい。
また、第二錘部埋設工程においては、粘弾性材料の塗布後や気泡の除去後から乾燥工程や平坦化工程の後までの間に、複数の電極パッド１２２を個別に、あるいは、複数まとめて露出させる開口部１６ａを形成する。開口部１６ａの具体的な形成方法としては、例えばレーザにより電極パッド１２２上の粘弾性体１６を除去したり、開口部１６ａの形成予定領域を除く上面１６ｃをカプトンテープ等でマスキングした上でエッチングにより電極パッド１２２上の粘弾性体１６を除去することが挙げられる。また、粘弾性体１６がポジ型のレジストである場合には、露光現像により電極パッド１２２上の粘弾性体１６を除去してもよい。
なお、この第二錘部埋設工程は、第一錘部埋設工程の後に限らず、例えばセンサ形成工程と第一錘部埋設工程との間に実施してもよい。
【００３３】
そして、半導体センサユニット２０１を製造する場合には、上述した第二錘部埋設工程の後に、制御チップ６を半導体層１２の上面１２ｃ側に形成された粘弾性体１６の上面１６ｃに固定すればよい。ここで、制御チップ６は、別途接着剤を介して接合されてもよいが、粘弾性体１６の粘着力によって直接接合されてもよい。また、制御チップ６を粘弾性体１６に直接接合する際には、粘弾性体１６を加熱すればよい。
なお、半導体センサ１と制御チップ６とをより強固に固定するためには、制御チップ６の固定前に、上面１２ｃ側の粘弾性体１６の上面１６ｃに対して平坦化工程を実施しておくことが好ましい。また、半導体センサユニット２０１の製造においては、制御チップ６の固定後に、電極パッド１２２と端子パッド６１とをボンディングワイヤ１９（図６，７参照）によって電気接続してもよい。
【００３４】
なお、図５に示す半導体センサ１や図１に示す半導体センサユニット２０１は、上述した製造方法により、ＳＯＩウエハ１０において１つだけ製造されてもよいが、例えば同一のＳＯＩウエハ１０において多数連ねた状態で製造することもできる。すなわち、上記半導体センサ１や半導体センサユニット２０１の製造方法は、ウエハレベルで実施することも可能である。
この場合には、センサ形成工程において、例えば多数の枠体部１１Ａを連ねて形成すると共に、互いに間隔を空けて配列されるように多数の凸部１１Ｂを形成しておけばよい。また、延長部形成工程において、多数の延長部１４を形成しておけばよい。そして、第二錘部埋設工程あるいは制御チップ６の固定後に、少なくとも一つの錘部Ｍ、可撓部Ｆ及び支持部Ｓを備える個々の半導体センサ１あるいは半導体センサユニット２０１に個片化するダイシング工程を実施すればよい。なお、ダイシング工程においては、その切断箇所を適宜選択することで、例えば２つ以上の錘部Ｍ、可撓部Ｆ及び支持部Ｓを備える半導体センサ１あるいは半導体センサユニット２０１を製造することも可能である。
【００３５】
このように、ウエハレベルで半導体センサ１や半導体センサユニット２０１を製造する場合には、センサ形成工程において異方性エッチングにより多数の枠体部１１Ａ及び凸部１１Ｂを一括して形成できるだけでなく、第一錘部埋設工程や第二錘部埋設工程において、多数の可撓部Ｆ及び錘部Ｍのうち半導体層１２の上面１２ｃ側や下面１２ｄ側を一括して埋設できるため、半導体センサ１や半導体センサユニット２０１の製造コスト削減や製造効率向上を図ることができる。
【００３６】
そして、以上のように製造される半導体センサユニット２０１は、例えば図６，７に示す各種半導体パッケージ３０１，３０２として構成することができる。
図６，７に示す半導体パッケージ３０１，３０２は、いずれも半導体センサユニット２０１とこれを固定する搭載面２１ｃ，３１ｃを有する回路基板（ベース材）２１，３１とを備えて構成されている。ここで、半導体センサユニット２０１は、半導体層１２の下面１２ｄ側の粘弾性体１５の下面１５ｄ及び支持用突出部１３の先端面１３ｄを接着剤により搭載面２１ｃ，３１ｃに接合することで、回路基板２１，３１に固定されている。この状態においては、回路基板２１，３１の搭載面２１ｃ，３１ｃが、錘部Ｍと共に粘弾性体１５を挟み込むように粘弾性体１５に接合されている。なお、粘弾性体１５と回路基板２１，３１との接合は、例えば粘弾性体１５自体の粘着力によって実施されてもよい。
【００３７】
また、これら半導体パッケージ３０１，３０２を構成する回路基板２１，３１は、例えばセラミック多層配線基板等の所謂多層配線基板であり、制御チップ６から出力される電気信号を外部に中継するための中継端子部２２，３２を備えている。中継端子部２２，３２は、搭載面２１ｃ，３１ｃ側に形成されてボンディングワイヤ２９，３９により制御チップ６の外部端子パッド６２に電気接続される内部端子２２ａ，３２ａと、搭載面２１ｃ，３１ｃと反対側に位置する回路基板２１，３１の裏面２１ｄ，３１ｄに形成された外部端子２２ｂ，３２ｂとを回路基板２１，３１内の内部配線２２ｃ，３２ｃにより電気接続して構成されている。
なお、半導体センサ１と制御チップ６とを電気接続するボンディングワイヤ１９は、制御チップ６と回路基板２１，３１とを電気接続するボンディングワイヤ２９，３９と同じ工程において配線することで、半導体パッケージ３０１，３０２の製造効率向上を図ることができる。
【００３８】
なお、図６に示す半導体パッケージ３０１は、搭載面２１ｃの上方を覆って回路基板２１と共に半導体センサユニット２０１を含む中空の空洞部Ｖ１を形成する蓋体２６を備えている。
この回路基板２１は、搭載面２１ｃを有する板状の底壁部２３と、半導体センサユニットを囲繞するように搭載面から突出する平面視矩形環状の周壁部２４とを備え、半導体センサユニット２０１を収容するケースとして構成されている。なお、図６においては、中継端子部２２の内部端子２２ａが、搭載面２１ｃよりも高くかつ周壁部２４の上端面２４ｃよりも低い位置に面を有する段差部２５に配されているが、例えば搭載面２１ｃに配されていてもよい。
蓋体２６は、周壁部２４の上端面２４ｃに接着剤等を介して固定されることで回路基板２１上方の開口を塞ぎ、回路基板２１と共に中空の空洞部Ｖ１を形成している。
【００３９】
一方、図７に示す半導体パッケージ３０２は、平板状に形成された回路基板３１の搭載面３１ｃ、及び、搭載面３１ｃに固定された半導体センサユニット２０１、及び、ボンディングワイヤ１９，３９を一括して封止する樹脂モールド部３７を備えている。この半導体パッケージ３０２においては、樹脂モールド部３７が半導体センサユニット２０１の外面をなす支持部Ｓに密着しているため、支持部Ｓは、接着剤及び樹脂モールド部３７によって回路基板３１に固定されている。また、錘部Ｍや可撓部Ｆと樹脂モールド部３７との間には粘弾性体１５，１６が介在しているため、錘部Ｍの移動や可撓部Ｆの変形又は変位が完全に阻害されることはない。
【００４０】
以上のように、半導体センサ１が回路基板２１，３１に固定された状態においては、錘部Ｍを振動させる支点となる可撓部Ｆの一部が支持部Ｓを介して回路基板２１，３１に固定されることになる。
この固定状態において半導体センサ１に外力が作用すると、回路基板２１，３１に対して錘部Ｍが慣性力によって移動すると共に可撓部Ｆがその一部を支点として弾性変形し、さらに、可撓部Ｆ及び錘部Ｍを半導体層１２の上下から包む粘弾性体１５，１６も変形する。このため、慣性力に基づいて移動した後の錘部Ｍは可撓部Ｆの弾性力によって振動するが、錘部Ｍの振動は、これに伴う粘弾性体１５，１６の変形によって吸収され、短時間で減衰・停止することになる。すなわち、この半導体センサ１では、気体よりも動粘度の高い粘弾性体が可撓部Ｆ及び錘部Ｍ全体を包むため、錘部Ｍ全体が従来のように気体雰囲気中に配されている場合と比較して、錘部ＭのＱ値を低く設定することができる。なお、錘部Ｍの振動を粘弾性体１５，１６の変形によって吸収しきれない場合には、粘弾性体１５，１６よりも大きい弾性率の延長部１４が変形することで錘部Ｍの振動を吸収することも可能であり、その結果、錘部ＭのＱ値をさらに低く設定することができる。
また、ピエゾ抵抗部１２１により加速度を検出した後から再度加速度の検出が可能となるまでの応答時間の短縮を図ることもできる。
さらに、錘部ＭのＱ値を低く設定できることから、検出可能な加速度の周波数帯域が拡大され、結果として、汎用性の高い半導体センサ１を提供することが可能となる。
【００４１】
また、半導体センサ１を回路基板２１，３１に固定した場合、半導体センサ１と回路基板２１，３１とで熱膨張係数が相互に異なっていると、半導体センサ１及び回路基板２１，３１が加熱若しくは冷却された際に、前述した熱膨張係数の差に基づいて支持部Ｓと回路基板２１，３１との間に応力が発生する。ここで、回路基板２１，３１と枠体部１１Ａとの間には枠体部１１Ａよりも弾性率の小さい延長部１４が介在するため、延長部１４が変形することで、前述の応力を緩和することができる。したがって、半導体センサ１及び回路基板２１，３１が加熱若しくは冷却されても、半導体センサ１の特性が変化することを抑制できる。
さらに、半導体センサ１によれば、回路基板２１，３１と枠体部１１Ａとの間に延長部１４が介在することで、粘弾性体１５，１６では吸収しきれない強い衝撃が回路基板２１，３１に加えられても、この衝撃を延長部１４において吸収することができる。このため、前記衝撃によって可撓部Ｆ及び錘部Ｍが過度に振動して錘部Ｍが回路基板２１，３１に衝突してしまうことを防止できる。すなわち、この構成の半導体センサ１は、例えば枠体部１１を直接回路基板２１，３１に固定する場合と比較して、耐衝撃性に有利である。
【００４２】
また、上記実施形態の半導体センサユニット２０１や半導体パッケージ３０１，３０２によれば、錘部Ｍが制御チップ６や回路基板２１，３１に対して振動した際に、錘部Ｍと制御チップ６や回路基板２１，３１との間の粘弾性体１５，１６が伸縮するように変形するため、錘部Ｍの振動を効率よく減衰させることができる。すなわち、錘部ＭのＱ値をさらに低く抑えることができる。また、錘部Ｍと制御チップ６や回路基板２１，３１との間に粘弾性体１５，１６を介在させることで、錘部Ｍが制御チップ６や回路基板２１，３１に衝突することも容易に防止できる。
さらに、半導体センサユニット２０１によれば、半導体センサ１と制御チップ６とを個別に回路基板２１，３１の搭載面２１ｃ，３１ｃに固定する場合よりも搭載面積を縮小できるため、半導体パッケージ３０１，３０２の小型化を図ることができる。
【００４３】
なお、上記実施形態の半導体センサユニット２０１においては、半導体センサ１と制御チップ６とが、ボンディングワイヤ１９によって電気接続されるとしたが、例えば図８に示すように、半導体層１２の上面１２ｃから粘弾性体１６を貫通するように突出して粘弾性体１６の上面１６ｃに露出する半導体センサ２のバンプ１２３、及び、制御チップ７の厚さ方向に貫通する制御チップ７の貫通電極６３によって電気接続されてもよい。ここで、バンプ１２３は上記実施形態の電極パッド１２２の代わりに形成されるものであり、また、貫通電極６３は、上記実施形態の端子パッド６１の代わりに形成されるものである。この半導体センサユニット２０２によれば、半導体センサ２を製造する際に第二錘部埋設工程において開口部１６ａを形成する必要がなくなり、製造効率の向上を図ることができる。
【００４４】
また、上記構成の半導体センサユニット２０２を用いれば、図６，７と同様の半導体パッケージ３０１，３０２を構成することもできるが、例えば図８に示すように、所謂ＷＬＣＳＰ（ウエハレベルチップサイズパッケージ）タイプの半導体パッケージ３０３を構成することも可能である。すなわち、この半導体パッケージ３０３では、制御チップ７の上面７ｃがモールド樹脂層４１によって封止されると共に、制御チップ７がモールド樹脂層の厚さ方向に貫通する半田バンプ等の再配線部４２に電気接続されている。この再配線部４２は、モールド樹脂層４１上に突出している。
なお、図８に示す半導体パッケージ３０３においては、支持用突出部１３の先端面１３ｄ及び半導体層１２の下面１２ｄ側に位置する粘弾性体１５の下面１５ｄにわたって板状の保護プレート４８を接合している。保護プレート４８は、下面１２ｄ側の粘弾性体１５を保護する役割、また、上記実施形態の回路基板２１，３１と同様に錘部Ｍと共に粘弾性体１５を挟み込むことで錘部ＭのＱ値を低く抑える役割を果たしているが、特に設けなくても構わない。上記構成の半導体パッケージ３０３では、その小型化を図ることができる。
そして、図６〜８に示す半導体パッケージ３０１〜３０３においては、いずれも半導体センサユニット２０１，２０２の代わりに半導体センサ１，２を設けてもよい、すなわち、制御チップ６，７を備えていなくてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態の制御チップ６は、半導体層１２の上面１２ｃ側に形成された粘弾性体１６に固定されるとしたが、例えば図９に示すように、制御チップ８は半導体層１２の下面１２ｄ側に形成された粘弾性体１５に固定されてもよい。この場合、制御チップ８は、支持用突出部１３の先端面１３ｄ及び粘弾性体１５の下面１５ｄにわたって接合されていることが好ましい。さらに、端子パッド８１や外部端子パッド８２が配された制御チップ８の上面８ｃを、支持用突出部１３や粘弾性体１５に接合する場合には、制御チップ８の上面８ｃのうち端子パッド８１や外部端子パッド８２の形成領域が半導体センサ１の側部に張り出して露出するように接合することが好ましい。このように構成される半導体センサユニット２０３では、上記実施形態のように半導体センサ１を回路基板２１，３２に固定した場合と同様の効果を奏する。
なお、この半導体センサユニット２０３においては、図９に示すように、半導体層１２の上面１２ｃ側に形成された粘弾性体１６の上面１６ｃに、図８と同様の保護プレート５８を固定してもよいが、特に設けなくても構わない。
【００４６】
さらに、支持部Ｓは、半導体層１２の下面１２ｄの周縁から突出する平面視環状の枠体部１１Ａによって構成されるとしたが、例えば図１０に示すように、半導体層１２の下面１２ｄの中央部分から突出する凸部１１Ｂによって構成されてもよい。すなわち、凸部１１Ｂ及びその下面１１ｄに積み重ねられた延長部１４によって支持部Ｓの支持用突出部１８を構成してもよい。この場合、錘部Ｍは、錘用突出部としての枠体部１１Ａによって構成されればよい。
上記構成の半導体センサ３は、上記実施形態の半導体センサ１と比較して延長部１４の形成位置のみが異なるため、これら２種類の半導体センサ１，３を同一のＳＯＩウエハ１０において同時に製造することができる。
【００４７】
また、延長部１４は、感光性ゴムからなる粘弾性体の一部を硬化させることで構成されるとしたが、少なくとも粘弾性体１５よりも高弾性率であれば、粘弾性体１５と別個に設けられてもよい。この場合、延長部１４は、例えば上記実施形態と同様の感光性ゴムでもよいが、その他の種類のエラストマーや、シリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲル、スポンジのような発泡樹脂等の各種樹脂材料によって構成されてもよいし、銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）等の金属材料によって構成されてもよい。
【００４８】
このように延長部１４を粘弾性体１５と別個に設ける場合には、延長部形成工程を実施するタイミング及びその内容についてのみ、上記実施形態の半導体センサ１の製造方法と異なる。すなわち、上記構成の半導体センサを製造する場合には、上記実施形態と同様のセンサ形成工程の前、あるいは、センサ形成工程と第一錘部埋設工程との間に、支持用突出部１３，１８をなすベースウエハ１１の下面１１ｄ上に支持部Ｓの延長部１４を形成する延長部形成工程を実施すればよい。
【００４９】
そして、この延長部１４が樹脂材料である場合には、延長部形成工程において、例えばベースウエハ１１の下面１１ｄ全体に樹脂材料を塗布した後、レジストを用いてリソグラフィー技術により支持用突出部１３，１８を構成するベースウエハ１１の下面１１ｄのみに樹脂材料を残存させればよい。また、延長部１４が金属材料である場合には、延長部形成工程において、樹脂材料の場合と同様にリソグラフィー技術を利用して形成してもよいが、例えばメッキやスパッタにより延長部１４を形成してもよい。
なお、このように延長部１４を粘弾性体１５と別個に設ける場合には、上記実施形態と同様の平坦化工程を実施して、例えば粘弾性体１５の下面１５ｄと支持用突出部１３，１８の先端面１３ｄ，１８ｄとを同一平面とすることがより好ましい。
さらに、延長部１４が粘弾性体１５と別個に構成される場合、粘弾性体１５は、少なくとも気体よりも動粘度が高く、かつ、可撓部Ｆよりも弾性率の小さい樹脂であればよく、例えば感光性ゴムに限らない様々な種類のエラストマーの他、例えばシリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲルや、スポンジのような発泡樹脂等の各種樹脂材料によって構成されてもよい。
【００５０】
また、支持用突出部は、ベースウエハ１１の下面１１ｄに延長部１４を積層して構成されることに限らず、例えば図１１に示すように延長部１４のみによって構成されてもよい。なお、支持用突出部を延長部１４のみによって構成する半導体センサ４を製造する場合には、例えば上記実施形態のセンサ形成工程において錘用突出部のみを形成しておけばよい。
【００５１】
さらに、粘弾性体１５，１６は、半導体層１２の上面１２ｃ側及び下面１２ｄ側の両方に形成されるとしたが、少なくとも半導体層１２の上面１２ｃ側及び下面１２ｄ側のいずれか一方に形成されていればよい。したがって、半導体センサを製造する際には、少なくとも第一錘部埋設工程及び第二錘部埋設工程のいずれか一方を実施すればよい。
このような構成の半導体センサでも、可撓部Ｆ及び錘部Ｍの少なくとも一部が気体よりも動粘度の高い粘弾性体によって包まれるため、上記実施形態と同様に、錘部Ｍ全体が従来のように気体雰囲気中に配されている場合と比較して、錘部のＱ値を低く設定できる効果を奏する。
【００５２】
そして、本発明は、加速度センサに限らず、角速度センサ、圧力センサ、振動センサ、マイクロフォン等の半導体センサにも広く適用することができる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１，２，３，４…半導体センサ、６，７，８…制御チップ、１０…ＳＯＩウエハ（シリコンバルク）、１１Ａ…枠体部（錘用突出部）、１１Ｂ…凸部（錘用突出部）、１２…半導体層（薄肉部）、１２ｃ…上面（他方の主面）、１２ｄ…下面（一方の主面）、１３，１８…支持用突出部、１３ｄ，１８ｄ…先端面、１４…延長部、１５，１６…粘弾性体、２１，３１…回路基板（ベース材）、２１ｃ，３１ｃ…搭載面、４８，５８…保護プレート、１２１…ピエゾ抵抗部（検出手段）、２０１，２０２…半導体センサユニット、３０１，３０２，３０３…半導体パッケージ、Ｆ…可撓部、Ｍ…錘部、Ｓ…支持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度、角速度等の物理量を検出する半導体センサ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される加速度センサやジャイロセンサ等の半導体センサは、ビームやダイヤフラム等の可撓部を備えており、可撓部の変形や変位を電気信号に変換する半導体センサでは、例えば特許文献１のように、可撓部に錘部（作用部、重錘体）を結合することによってその感度を高めている。すなわち、この種の半導体センサでは、外力が小さくても錘部の重さの分だけ大きな慣性力が作用するため、この錘部の移動に伴って可撓部が変形又は変位することで小さな加速度や角速度等の物理量でも検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９４４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、外力によって移動した錘部は可撓部の弾性力によって振動するが、上記従来の半導体センサにおいて、錘部は動粘度が非常に小さい気体雰囲気中に配されているため、錘部のＱ値（振動の状態を表す無次元数）が高く、その結果として、錘部の振動が減衰して停止するまでの時間（以下、減衰時間と呼ぶ）が長くなってしまう。
そして、錘部を備えた半導体センサは、一度加速度や角速度等の物理量を検出した後に錘部の振動を停止させることで、再度物理量を検出できるように構成されている。このため、前述した振動の減衰時間が長くなってしまうと、一度物理量を検出した後に再度物理量を検出できるまでに要する時間（以下、応答時間と呼ぶ。）が長くなる、という問題がある。
また、錘部のＱ値が高いと、検出可能な物理量の周波数帯域が狭くなるため、半導体センサの汎用性が低くなる、という問題もある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、応答時間を短く設定でき、かつ、検出可能な物理量の周波数帯域を拡大できる半導体センサ、及び、そ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】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の半導体センサは、一部が可撓性を有する可撓部として構成される薄肉部と、前記薄肉部の一方の主面から突出して前記薄肉部と共に錘部を構成する厚肉の錘用突出部と、前記錘用突出部との間に間隙を空けるように前記薄肉部の一方の主面から突出して、前記薄肉部と共に前記可撓部を介して前記錘部に連結される支持部を構成する支持用突出部と、前記支持部に対する前記錘部の移動に伴う前記可撓部の変形又は変位を検出する検出手段とを備え、前記支持用突出部の突出方向の先端面が外方に露出するように、前記可撓部及び前記錘部のうち前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方が、前記可撓部よりも弾性率の小さい粘弾性体によって埋設され、前記支持用突出部の少なくとも一部が、前記先端面をなす延長部によって構成され、当該延長部の弾性率が、前記粘弾性体の弾性率よりも大きく、かつ、前記延長部を除く前記支持部の他の構成部分の弾性率よりも小さいことを特徴とする。
【０００７】
なお、前記粘弾性体としては、エラストマーのほか、例えばシリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲルや、スポンジのような発泡樹脂等のように気体と比較して高い動粘度の樹脂が挙げられる。
また、前記粘弾性体が前記薄肉部の一方の主面側に形成される場合には、前記錘用突出部と前記支持用突出部との間隙を埋めるように形成されればよい。
そして、上記半導体センサを使用する際には、錘部から離間した可撓部の一部が、支持部を介して、例えば半導体センサを収容するケースや半導体センサに電気接続される回路基板等のベース材に固定されていればよい。具体的には、例えば薄肉部の一方の主面側をベース材に対向させた状態で、支持用突出部の先端面がベース材に固定されていればよい。
【０００８】
この固定状態において半導体センサに外力が作用すると、ベース材に対して錘部が慣性力によって移動すると共に可撓部が支持用突出部を介する等してベース材に固定された一部を支点として弾性変形し、さらに、可撓部及び錘部を薄肉部の一方の主面側や他方の主面側から包む粘弾性体も変形する。このため、慣性力に基づいて移動した後の錘部は可撓部の弾性力によって振動するが、錘部の振動は、これに伴う粘弾性体の変形によって吸収され、短時間で減衰・停止することになる。すなわち、この半導体センサでは、気体よりも動粘度の高い粘弾性体によって可撓部及び錘部の少なくとも一部が包まれるため、錘部全体が従来のように気体雰囲気中に配されている場合と比較して、錘部のＱ値を低く設定することができる。なお、錘部の振動を粘弾性体の変形によって吸収しきれない場合には、粘弾性体よりも大きい弾性率の延長部が変形することで錘部の振動を吸収することも可能であり、その結果、錘部のＱ値をさらに低く設定することができる。
また、検出手段により加速度や角速度等の物理量を検出した後から再度物理量の検出が可能となるまでの応答時間の短縮を図ることもできる。
さらに、錘部のＱ値を低く設定できることから、検出可能な加速度や角速度等の物理量の周波数帯域が拡大され、結果として、汎用性の高い半導体センサを提供することが可能となる。
【０００９】
また、支持用突出部の先端面をベース材に固定した場合、半導体センサ及びベース材の熱膨張係数が相互に異なっていると、半導体センサ及びベース部材が加熱若しくは冷却された際に、前述した熱膨張係数の差に基づいて支持部とベース材との間に応力が発生するが、ベース材と前記支持部の他の構成部分との間に介在する延長部が変形することで、この応力を緩和することができる。したがって、半導体センサ及びベース材が加熱若しくは冷却されても、半導体センサの特性が変化することを抑制できる。
さらに、支持用突出部の先端面をベース材に固定した場合、粘弾性体では吸収しきれない強い衝撃がベース材に加えられても、この衝撃を延長部において吸収することができる。このため、前記衝撃によって可撓部及び錘部が過度に振動して錘部がベース材に衝突してしまうことを防止できる。すなわち、この構成の半導体センサは、支持部の他の構成部分が直接ベース材に固定される場合と比較して、耐衝撃性に有利である。
【００１０】
そして、前記半導体センサは、前記錘部と共に前記粘弾性体を挟み込むように当該粘弾性体に接合される保護プレートを備えていてもよい。
上記半導体センサによれば、錘部が保護プレートに対して振動した際に、錘部と制御チップとの間の粘弾性体が伸縮するように変形するため、錘部の振動を効率よく減衰させることができる。すなわち、錘部のＱ値をさらに低く抑えることができる。
【００１１】
また、前記半導体センサは、当該半導体センサを駆動制御する板状の制御チップと共に半導体センサユニットを構成し、当該制御チップが、前記錘部と共に前記粘弾性体を挟み込むように当該粘弾性体に接合されていてもよい。
上記半導体センサユニットによれば、錘部が制御チップに対して振動した際に、錘部と制御チップとの間の粘弾性体が伸縮するように変形するため、錘部の振動を効率よく減衰させることができる。すなわち、錘部のＱ値をさらに低く抑えることができる。また、錘部と制御チップとの間に粘弾性体を介在させることで、錘部が制御チップに衝突することも容易に防止できる。
また、この半導体センサユニットによれば、半導体センサと制御チップとを個別にベース材の搭載面に固定する場合よりも搭載面積を縮小することができる。
【００１２】
さらに、前記半導体センサは、これを固定する搭載面を有するベース材と共に半導体パッケージを構成し、当該ベース材の搭載面が、前記錘部と共に前記粘弾性体を挟み込むように前記粘弾性体に接合されていてもよい。
なお、ベース材としては、前述したように、例えば半導体センサを収容するケースや半導体センサに電気接続される回路基板等が挙げられる。
上記半導体パッケージによれば、錘部がベース材に対して振動した際に、錘部とベース材との間の粘弾性体が伸縮するように変形するため、錘部の振動を効率よく減衰させることができる。すなわち、錘部のＱ値をさらに低く抑えることができる。また、錘部とベース材の表面との間に粘弾性体を介在させることで、錘部がベース材に衝突することも容易に防止できる。
【００１３】
また、本発明の半導体センサの製造方法は、シリコンバルクの異方性エッチングにより、薄肉部の一方の主面から突出する厚肉の錘用突出部を形成して、前記薄肉部及びこれに積層された前記錘用突出部により錘部を構成すると共に、前記錘用突出部に隣り合う前記薄肉部により可撓性を有する可撓部を構成するセンサ形成工程と、前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方に粘弾性材料を塗布することで前記可撓部よりも弾性率の小さい粘弾性体を形成して、当該粘弾性体により前記可撓部及び前記錘部のうち前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方を埋設する錘部埋設形成工程と、前記錘用突出部との間に間隙を空けるように前記一方の主面上に延びる延長部を形成する延長部形成工程とを備え、少なくともこれらセンサ形成工程、錘部埋設形成工程及び延長部形成工程の実施後に、前記延長部が、前記一方の主面から突出して、前記薄肉部と共に前記可撓部を介して前記錘部に連結される支持部を構成する支持用突出部のうち、少なくとも外方に露出する前記支持用突出部の突出方向の先端面を含む一部を構成し、前記延長部の弾性率が、前記粘弾性体の弾性率よりも大きく、かつ、前記延長部を除く前記支持部の他の構成部分の弾性率よりも小さいことを特徴とする。
この製造方法を実施することで前記半導体センサを製造することができる。
【００１４】
なお、前記半導体センサの製造方法では、前記錘部埋設形成工程において、感光性ゴムからなる前記粘弾性材料が前記薄肉部の一方の主面側に塗布された後に、前記延長部形成工程において、前記感光性ゴムからなる前記粘弾性体の一部を硬化させることで前記延長部を形成してもよい。
【００１５】
また、半導体センサの製造方法では、前記センサ形成工程において多数の前記錘用突出部を形成すると共に、前記延長部形成工程において多数の前記延長部を形成し、前記センサ形成工程、前記錘部埋設形成工程及び前記延長部形成工程の実施後において前記多数の前記支持用突出部が形成された後に、少なくとも一つの前記錘部、前記可撓部及び前記支持部を備える個々の半導体センサに個片化するダイシング工程を実施してもよい。
この場合には、錘部埋設工程における粘弾性材料の塗布により、多数の可撓部及び錘部のうち一方の主面側や他方の主面側を一括して埋設できるため、半導体センサの製造効率向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、可撓部及び錘部を備えた半導体センサの応答時間を短く設定でき、かつ、検出可能な物理量の周波数帯域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体センサに制御チップを設けた半導体センサユニットを示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体センサの製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体センサの製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体センサの製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る半導体センサを示す概略断面図である。
【図６】図１の半導体センサユニットを備える半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図７】図１の半導体センサユニットを備える半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る半導体センサを備える半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る半導体センサに制御チップを設けた半導体センサユニットを示す概略断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る半導体センサに制御チップを設けた半導体センサユニットを示す概略断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る半導体センサに制御チップを設けた半導体センサユニットを示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１〜７を参照して本発明の一実施形態に係る半導体センサについて説明する。図１に示すように、この実施形態に係る半導体センサ１は、平面視環状に形成された支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に間隔をあけて配された平面視略矩形の錘部Ｍと、可撓性を有して支持部Ｓと錘部Ｍとを一体に連結する可撓部Ｆと、検出手段としてのピエゾ抵抗部１２１とを備えている。すなわち、この半導体センサ１は、慣性力に応じた可撓部Ｆの変形又は変位をピエゾ抵抗部１２１によって電気信号に変換することで加速度を検出する加速度センサとして構成されており、また、ＭＥＭＳ技術を用いてＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハ（シリコンバルク）１０によって主に製造されている。
【００１９】
支持部Ｓ及び錘部Ｍは、ベースウエハ１１上に半導体層（ＳＯＩ層）１２を積層したＳＯＩウエハ１０によって主に構成されている。なお、ベースウエハ１１は、単結晶シリコン層１１１上に二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる酸化層１１２を積層して構成されるものであり、半導体層１２は酸化層１１２上に積層されている。また、酸化層１１２は、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなるベースウエハ１１の熱酸化された表層である。
そして、錘部Ｍの厚さ寸法は、ＳＯＩウエハ１０の厚さ寸法に等しいが、支持部Ｓの厚さ寸法よりも小さくなるように設定されている。すなわち、支持部Ｓは、半導体層（薄肉部）１２、及び、その下面（一方の主面）１２ｄの周縁から突出する平面視環状の支持用突出部１３によって構成されている。そして、支持用突出部１３は、平面視環状の枠体部１１Ａをなすベースウエハ１１と、枠体部１１Ａのうちその突出方向に面するベースウエハ１１の下面１１ｄに積み重ねられた延長部１４とによって構成されている。なお、延長部１４は、枠体部１１Ａと同様に平面視環状に形成されていてもよいが、例えば枠体部１１Ａの周方向の一部に１つだけ配されてもよいし、枠体部１１Ａの周方向に間隔をあけて複数配列されてもよい。
【００２０】
一方、錘部Ｍは、半導体層１２、及び、枠体部１１Ａの内側に間隔を空けるように半導体層１２の下面１２ｄの中央部分から突出する凸部（錘用突出部）１１Ｂによって構成されており、凸部１１Ｂはベースウエハ１１によって構成されている。ここで、ベースウエハ１１からなる凸部１１Ｂの厚さ寸法は、同じくベースウエハ１１からなる枠体部１１Ａの厚さ寸法に等しく、延長部１４の厚さ寸法分だけ支持用突出部１３よりも小さく設定されている。
【００２１】
可撓部Ｆは、ＳＯＩウエハ１０の半導体層１２の一部によって構成されている。この可撓部Ｆは、少なくとも支持部Ｓに対する錘部Ｍの移動に伴って変形又は変位すれば、例えば支持部Ｓの内縁全体に連結されるダイヤフラム状に形成されていてもよいし、支持部Ｓの周方向に複数に分割して形成されていてもよい。また、可撓部Ｆは、例えば支持部Ｓと錘部Ｍとの間に１つだけ形成される片持ち梁状に形成されてもよい。
ピエゾ抵抗部１２１は、可撓部Ｆをなす半導体層１２の上面（他方の主面）１２ｃ側に複数形成されており、半導体層１２上にはピエゾ抵抗部１２１の図示しない配線等が形成されている。
また、この半導体センサ１においては、半導体層１２の上面１２ｃの周縁に複数の電極パッド１２２が形成されている。これら複数の電極パッド１２２は、ピエゾ抵抗部１２１からの電気信号を外部に取り出したり、半導体センサ１を接地させる役割を果たしている。なお、図示例において、電極パッド１２２は支持部Ｓをなす半導体層１２の上面１２ｃに配されている。
【００２２】
さらに、本実施形態の半導体センサ１においては、可撓部Ｆ及び錘部Ｍのうち半導体層１２の上面１２ｃ側及び下面１２ｄ側が可撓部Ｆ及び支持部Ｓよりも弾性率の小さい粘弾性体１５，１６によって埋設されている。なお、粘弾性体のヤング率は１００ＭＰａ以下であることが望ましいが、これに限らなくてもよい。
そして、半導体層１２の上面１２ｃ側の粘弾性体１６は、可撓部Ｆ、錘部Ｍ及び支持部Ｓを構成する半導体層１２の上面１２ｃにわたって厚膜状に形成されており、その上面１６ｃは平坦に形成されている。この粘弾性体１６には、複数の電極パッドを個別に、あるいは、複数まとめて露出させる開口部１６ａが形成されている。
上面１２ｃ側の粘弾性体１６としては、例えば感光性ゴム等のエラストマーや、シリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲル、スポンジのような発泡樹脂等の各種樹脂材料が挙げられる。
【００２３】
一方、半導体層１２の下面１２ｄ側の粘弾性体１５は、半導体層１２の下面１２ｄ上に堆積され、平面視環状の支持用突出部１３と凸部１１Ｂとの間隙を埋めるように、かつ、凸部１１Ｂの下面１１ｄを覆うように設けられている。すなわち、下面１２ｄ側の粘弾性体１５は、凸部１１Ｂ全体及びこれに対向する支持用突出部１３の内側全体を埋設している。また、下面１２ｄ側の粘弾性体１５は、下面１２ｄからの厚さ寸法が支持用突出部１３の厚さ寸法と等しくなるように設定されている。さらに、この粘弾性体１５の下面１５ｄは延長部１４からなる支持用突出部１３の先端面１３ｄと共に同一平面をなすように形成されている。
下面１２ｄ側の粘弾性体１５は、エラストマーの一種である環化ブタジエンゴムや環化イソプレンゴム等の感光性ゴムによって構成されている。なお、支持部Ｓを構成する延長部１４は、粘弾性体１５を構成する感光性ゴムが露光によって硬化したものである。また、延長部１４の弾性率は、粘弾性体１５，１６の弾性率よりも大きく、かつ、枠体部１１Ａ及び半導体層１２（延長部１４を除く支持部Ｓの他の構成部分）の弾性率よりも小さくなるように設定されている。
【００２４】
ところで、上記構成の半導体センサ１は、これに積層して固定されたＩＣやＬＳＩ等の制御チップ６と共に半導体センサユニット２０１を構成している。
制御チップ６は、半導体センサ１を駆動制御する役割を果たすものであり、例えば半導体センサ１からの電気信号を増幅するための増幅回路や、前記電気信号をデジタル信号として処理するためのＡ／Ｄ変換器、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の電気回路を含んで構成される。
制御チップ６は板状に形成されており、制御チップ６の上面６ｃには、半導体センサ１の電極パッド１２２と電気接続される端子パッド６１、及び、制御チップ６の電気回路を外部に接続する複数の外部端子パッド６２が形成されている。なお、図示例においては、端子パッド６１が制御チップ６の上面６ｃの周縁に配されると共に外部端子パッド６２が端子パッド６１よりも制御チップ６の上面６ｃの内側に配されているが、端子パッド６１及び外部端子パッド６２は制御チップ６の上面６ｃの任意の位置に配することが可能である。例えば、端子パッド６１及び外部端子パッド６２の両方が制御チップ６の上面６ｃの周縁に並べて配されていてもよい。
【００２５】
この制御チップ６は、その下面６ｄを半導体センサ１に対向させた状態で半導体層１２の上面１２ｃ側に形成された粘弾性体１６の上面１６ｃに固定されている。この制御チップ６の固定は、接着剤によって実施されてもよいが、例えば粘弾性体１６自体の粘着力によって実施されてもよい。
なお、図１に示す半導体センサユニット２０１では、電極パッド１２２と端子パッド６１とが電気接続されていないが、例えばボンディングワイヤ１９（図６，７参照）によって予め電気接続されていてもよい。
【００２６】
次に、上記構成の半導体センサ１の製造方法について説明する。
半導体センサ１を製造する場合には、はじめに、ＳＯＩウエハ１０の半導体層１２に不純物を注入してピエゾ抵抗部１２１を形成する工程や、半導体層１２を可撓部Ｆの平面視形状に合わせてエッチングする工程や、半導体層１２上にピエゾ抵抗部１２１の配線や電極パッド１２２を形成する工程を実施しておく。これらの工程は、特開平８−２７４３４９号公報等に開示されているように公知であるため、その説明を省略する。
【００２７】
次いで、ベースウエハ１１をＤｅｅｐ−ＲＩＥ等により異方性エッチングすることで、図２に示すように、ベースウエハ１１を枠体部１１Ａと凸部１１Ｂとに区画する環状の区画凹部Ｈ１を形成するセンサ形成工程を実施する。これにより、半導体層１２及びこれに積層された平面視環状の枠体部１１Ａによって支持部Ｓが構成され、半導体層１２及びこれに積層された凸部１１Ｂによって錘部Ｍが構成される。また、区画凹部Ｈ１の深さ寸法はベースウエハ１１の厚さ寸法と同等に設定されているため、枠体部１１Ａ及び凸部１１Ｂの間に位置する半導体層１２の下面１２ｄが露出する。この下面１２ｄが露出した半導体層１２の部分は可撓部Ｆを構成している。
なお、このセンサ形成工程あるいはその前後においては、例えば錘部Ｍを構成する凸部１１Ｂの下面１１ｄに研削及び研磨の一方、あるいは、両方を実施して錘部Ｍの重量や寸法を調整してもよい。
【００２８】
そして、図３に示すように、半導体層１２の下面１２ｄ側に粘弾性材料を塗布することで可撓部Ｆよりも弾性率の小さい粘弾性体１５を形成して、粘弾性体１５により可撓部及び錘部のうち半導体層１２の下面１２ｄ側を埋設する第一錘部埋設工程を実施する。
この工程においては、半導体層１２の下面１２ｄを上向きに配置した状態で、枠体部１１Ａ及び凸部１１Ｂ全体が粘弾性体１５によって埋設されるように、粘弾性材料を塗布する。この実施形態においては、粘弾性材料としてエラストマーの一種であるＵＶ硬化樹脂等の感光性樹脂材料を使用する。
また、この粘弾性材料の具体的な塗布方法としては、例えばスピンコート法、ディップコート法、スプレーによる塗布等のようにベースウエハ１１の下面１１ｄ及び半導体層１２の下面１２ｄ全体にわたって粘弾性材料を塗布する方法が挙げられる。また、粘弾性材料の塗布は、インジェクションやラミネート等によって実施されてもよい。
【００２９】
なお、第一錘部埋設工程においては、粘弾性材料の塗布後に、例えば真空脱泡等により粘弾性材料中に含まれる気泡を除去してもよいが、特に実施しなくてもよい。
さらに、第一錘部埋設工程においては、粘弾性材料の塗布後や気泡の除去後に、粘弾性材料を強制的に乾燥させて粘弾性体１５とする乾燥工程や、ベースウエハ１１の下面１１ｄ上に位置する粘弾性体１５の下面１５ｄを平坦化する平坦化工程を適宜実施してもよい。ここで、平坦化工程を例えばスクイーズにより実施する場合には、平坦化工程後に乾燥工程を実施すればよい。また、平坦化工程を例えば研磨や研削により実施する場合には、乾燥工程後に平坦化工程を実施すればよい。
【００３０】
第一錘部埋設工程後には、図４に示すように、支持部Ｓの枠体部１１Ａをなすベースウエハ１１の下面１１ｄに支持部Ｓの延長部１４を形成する延長部形成工程を実施する。この工程においては、枠体部１１Ａの下面１１ｄ上に位置する粘弾性体１５のみにレーザ光等を照射する露光により、枠体部１１Ａの下面１１ｄ上に位置する粘弾性体１５を硬化させる。これにより、硬化した粘弾性体１５が、粘弾性体１５の弾性率よりも大きく、かつ、枠体部１１Ａ及び半導体層１２の弾性率よりも小さい延長部１４として形成されることになる。なお、粘弾性体１５をなす感光性ゴムがＵＶ硬化ゴムである場合には、前述のレーザ光として、例えばＵＶ帯域のエキシマレーザを使用すればよい。
この延長部形成工程を実施することにより、枠体部１１Ａ及び延長部１４からなる支持用突出部１３が構成されることになる。
【００３１】
その後、図５に示すように、半導体層１２の上面１２ｃ側に粘弾性材料を塗布することで可撓部Ｆよりも弾性率の小さい粘弾性体１６を形成して、粘弾性体１６により可撓部Ｆ及び錘部Ｍのうち半導体層１２の上面１２ｃ側を埋設する第二錘部埋設工程を実施することで、半導体センサ１の製造が完了する。
この第二錘部埋設工程においては、半導体層１２の上面１２ｃを上向きに配置した状態で、はじめに、半導体層１２の上面１２ｃ全体にわたって粘弾性材料を塗布する。なお、粘弾性材料の塗布方法は、第一錘部埋設工程の際と同様に、例えばスピンコート法、ディップコート法、スプレーによる塗布等が挙げられる。そして、粘弾性材料としては、感光性樹脂材料に限らず、様々な種類のエラストマーや、シリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲル、スポンジのような発泡樹脂等の各種樹脂材料が挙げられる。
なお、第二錘部埋設工程においては、この粘弾性材料の塗布後に、例えば真空脱泡等により粘弾性材料中に含まれる気泡を除去してもよいが、特に実施しなくてもよい。
【００３２】
さらに、第二錘部埋設工程においては、粘弾性材料の塗布後や気泡の除去後に、第一錘部埋設工程と同様の乾燥工程や平坦化工程を適宜実施してもよい。
また、第二錘部埋設工程においては、粘弾性材料の塗布後や気泡の除去後から乾燥工程や平坦化工程の後までの間に、複数の電極パッド１２２を個別に、あるいは、複数まとめて露出させる開口部１６ａを形成する。開口部１６ａの具体的な形成方法としては、例えばレーザにより電極パッド１２２上の粘弾性体１６を除去したり、開口部１６ａの形成予定領域を除く上面１６ｃをカプトンテープ等でマスキングした上でエッチングにより電極パッド１２２上の粘弾性体１６を除去することが挙げられる。また、粘弾性体１６がポジ型のレジストである場合には、露光現像により電極パッド１２２上の粘弾性体１６を除去してもよい。
なお、この第二錘部埋設工程は、第一錘部埋設工程の後に限らず、例えばセンサ形成工程と第一錘部埋設工程との間に実施してもよい。
【００３３】
そして、半導体センサユニット２０１を製造する場合には、上述した第二錘部埋設工程の後に、制御チップ６を半導体層１２の上面１２ｃ側に形成された粘弾性体１６の上面１６ｃに固定すればよい。ここで、制御チップ６は、別途接着剤を介して接合されてもよいが、粘弾性体１６の粘着力によって直接接合されてもよい。また、制御チップ６を粘弾性体１６に直接接合する際には、粘弾性体１６を加熱すればよい。
なお、半導体センサ１と制御チップ６とをより強固に固定するためには、制御チップ６の固定前に、上面１２ｃ側の粘弾性体１６の上面１６ｃに対して平坦化工程を実施しておくことが好ましい。また、半導体センサユニット２０１の製造においては、制御チップ６の固定後に、電極パッド１２２と端子パッド６１とをボンディングワイヤ１９（図６，７参照）によって電気接続してもよい。
【００３４】
なお、図５に示す半導体センサ１や図１に示す半導体センサユニット２０１は、上述した製造方法により、ＳＯＩウエハ１０において１つだけ製造されてもよいが、例えば同一のＳＯＩウエハ１０において多数連ねた状態で製造することもできる。すなわち、上記半導体センサ１や半導体センサユニット２０１の製造方法は、ウエハレベルで実施することも可能である。
この場合には、センサ形成工程において、例えば多数の枠体部１１Ａを連ねて形成すると共に、互いに間隔を空けて配列されるように多数の凸部１１Ｂを形成しておけばよい。また、延長部形成工程において、多数の延長部１４を形成しておけばよい。そして、第二錘部埋設工程あるいは制御チップ６の固定後に、少なくとも一つの錘部Ｍ、可撓部Ｆ及び支持部Ｓを備える個々の半導体センサ１あるいは半導体センサユニット２０１に個片化するダイシング工程を実施すればよい。なお、ダイシング工程においては、その切断箇所を適宜選択することで、例えば２つ以上の錘部Ｍ、可撓部Ｆ及び支持部Ｓを備える半導体センサ１あるいは半導体センサユニット２０１を製造することも可能である。
【００３５】
このように、ウエハレベルで半導体センサ１や半導体センサユニット２０１を製造する場合には、センサ形成工程において異方性エッチングにより多数の枠体部１１Ａ及び凸部１１Ｂを一括して形成できるだけでなく、第一錘部埋設工程や第二錘部埋設工程において、多数の可撓部Ｆ及び錘部Ｍのうち半導体層１２の上面１２ｃ側や下面１２ｄ側を一括して埋設できるため、半導体センサ１や半導体センサユニット２０１の製造コスト削減や製造効率向上を図ることができる。
【００３６】
そして、以上のように製造される半導体センサユニット２０１は、例えば図６，７に示す各種半導体パッケージ３０１，３０２として構成することができる。
図６，７に示す半導体パッケージ３０１，３０２は、いずれも半導体センサユニット２０１とこれを固定する搭載面２１ｃ，３１ｃを有する回路基板（ベース材）２１，３１とを備えて構成されている。ここで、半導体センサユニット２０１は、半導体層１２の下面１２ｄ側の粘弾性体１５の下面１５ｄ及び支持用突出部１３の先端面１３ｄを接着剤により搭載面２１ｃ，３１ｃに接合することで、回路基板２１，３１に固定されている。この状態においては、回路基板２１，３１の搭載面２１ｃ，３１ｃが、錘部Ｍと共に粘弾性体１５を挟み込むように粘弾性体１５に接合されている。なお、粘弾性体１５と回路基板２１，３１との接合は、例えば粘弾性体１５自体の粘着力によって実施されてもよい。
【００３７】
また、これら半導体パッケージ３０１，３０２を構成する回路基板２１，３１は、例えばセラミック多層配線基板等の所謂多層配線基板であり、制御チップ６から出力される電気信号を外部に中継するための中継端子部２２，３２を備えている。中継端子部２２，３２は、搭載面２１ｃ，３１ｃ側に形成されてボンディングワイヤ２９，３９により制御チップ６の外部端子パッド６２に電気接続される内部端子２２ａ，３２ａと、搭載面２１ｃ，３１ｃと反対側に位置する回路基板２１，３１の裏面２１ｄ，３１ｄに形成された外部端子２２ｂ，３２ｂとを回路基板２１，３１内の内部配線２２ｃ，３２ｃにより電気接続して構成されている。
なお、半導体センサ１と制御チップ６とを電気接続するボンディングワイヤ１９は、制御チップ６と回路基板２１，３１とを電気接続するボンディングワイヤ２９，３９と同じ工程において配線することで、半導体パッケージ３０１，３０２の製造効率向上を図ることができる。
【００３８】
なお、図６に示す半導体パッケージ３０１は、搭載面２１ｃの上方を覆って回路基板２１と共に半導体センサユニット２０１を含む中空の空洞部Ｖ１を形成する蓋体２６を備えている。
この回路基板２１は、搭載面２１ｃを有する板状の底壁部２３と、半導体センサユニットを囲繞するように搭載面から突出する平面視矩形環状の周壁部２４とを備え、半導体センサユニット２０１を収容するケースとして構成されている。なお、図６においては、中継端子部２２の内部端子２２ａが、搭載面２１ｃよりも高くかつ周壁部２４の上端面２４ｃよりも低い位置に面を有する段差部２５に配されているが、例えば搭載面２１ｃに配されていてもよい。
蓋体２６は、周壁部２４の上端面２４ｃに接着剤等を介して固定されることで回路基板２１上方の開口を塞ぎ、回路基板２１と共に中空の空洞部Ｖ１を形成している。
【００３９】
一方、図７に示す半導体パッケージ３０２は、平板状に形成された回路基板３１の搭載面３１ｃ、及び、搭載面３１ｃに固定された半導体センサユニット２０１、及び、ボンディングワイヤ１９，３９を一括して封止する樹脂モールド部３７を備えている。この半導体パッケージ３０２においては、樹脂モールド部３７が半導体センサユニット２０１の外面をなす支持部Ｓに密着しているため、支持部Ｓは、接着剤及び樹脂モールド部３７によって回路基板３１に固定されている。また、錘部Ｍや可撓部Ｆと樹脂モールド部３７との間には粘弾性体１５，１６が介在しているため、錘部Ｍの移動や可撓部Ｆの変形又は変位が完全に阻害されることはない。
【００４０】
以上のように、半導体センサ１が回路基板２１，３１に固定された状態においては、錘部Ｍを振動させる支点となる可撓部Ｆの一部が支持部Ｓを介して回路基板２１，３１に固定されることになる。
この固定状態において半導体センサ１に外力が作用すると、回路基板２１，３１に対して錘部Ｍが慣性力によって移動すると共に可撓部Ｆがその一部を支点として弾性変形し、さらに、可撓部Ｆ及び錘部Ｍを半導体層１２の上下から包む粘弾性体１５，１６も変形する。このため、慣性力に基づいて移動した後の錘部Ｍは可撓部Ｆの弾性力によって振動するが、錘部Ｍの振動は、これに伴う粘弾性体１５，１６の変形によって吸収され、短時間で減衰・停止することになる。すなわち、この半導体センサ１では、気体よりも動粘度の高い粘弾性体が可撓部Ｆ及び錘部Ｍ全体を包むため、錘部Ｍ全体が従来のように気体雰囲気中に配されている場合と比較して、錘部ＭのＱ値を低く設定することができる。なお、錘部Ｍの振動を粘弾性体１５，１６の変形によって吸収しきれない場合には、粘弾性体１５，１６よりも大きい弾性率の延長部１４が変形することで錘部Ｍの振動を吸収することも可能であり、その結果、錘部ＭのＱ値をさらに低く設定することができる。
また、ピエゾ抵抗部１２１により加速度を検出した後から再度加速度の検出が可能となるまでの応答時間の短縮を図ることもできる。
さらに、錘部ＭのＱ値を低く設定できることから、検出可能な加速度の周波数帯域が拡大され、結果として、汎用性の高い半導体センサ１を提供することが可能となる。
【００４１】
また、半導体センサ１を回路基板２１，３１に固定した場合、半導体センサ１と回路基板２１，３１とで熱膨張係数が相互に異なっていると、半導体センサ１及び回路基板２１，３１が加熱若しくは冷却された際に、前述した熱膨張係数の差に基づいて支持部Ｓと回路基板２１，３１との間に応力が発生する。ここで、回路基板２１，３１と枠体部１１Ａとの間には枠体部１１Ａよりも弾性率の小さい延長部１４が介在するため、延長部１４が変形することで、前述の応力を緩和することができる。したがって、半導体センサ１及び回路基板２１，３１が加熱若しくは冷却されても、半導体センサ１の特性が変化することを抑制できる。
さらに、半導体センサ１によれば、回路基板２１，３１と枠体部１１Ａとの間に延長部１４が介在することで、粘弾性体１５，１６では吸収しきれない強い衝撃が回路基板２１，３１に加えられても、この衝撃を延長部１４において吸収することができる。このため、前記衝撃によって可撓部Ｆ及び錘部Ｍが過度に振動して錘部Ｍが回路基板２１，３１に衝突してしまうことを防止できる。すなわち、この構成の半導体センサ１は、例えば枠体部１１を直接回路基板２１，３１に固定する場合と比較して、耐衝撃性に有利である。
【００４２】
また、上記実施形態の半導体センサユニット２０１や半導体パッケージ３０１，３０２によれば、錘部Ｍが制御チップ６や回路基板２１，３１に対して振動した際に、錘部Ｍと制御チップ６や回路基板２１，３１との間の粘弾性体１５，１６が伸縮するように変形するため、錘部Ｍの振動を効率よく減衰させることができる。すなわち、錘部ＭのＱ値をさらに低く抑えることができる。また、錘部Ｍと制御チップ６や回路基板２１，３１との間に粘弾性体１５，１６を介在させることで、錘部Ｍが制御チップ６や回路基板２１，３１に衝突することも容易に防止できる。
さらに、半導体センサユニット２０１によれば、半導体センサ１と制御チップ６とを個別に回路基板２１，３１の搭載面２１ｃ，３１ｃに固定する場合よりも搭載面積を縮小できるため、半導体パッケージ３０１，３０２の小型化を図ることができる。
【００４３】
なお、上記実施形態の半導体センサユニット２０１においては、半導体センサ１と制御チップ６とが、ボンディングワイヤ１９によって電気接続されるとしたが、例えば図８に示すように、半導体層１２の上面１２ｃから粘弾性体１６を貫通するように突出して粘弾性体１６の上面１６ｃに露出する半導体センサ２のバンプ１２３、及び、制御チップ７の厚さ方向に貫通する制御チップ７の貫通電極６３によって電気接続されてもよい。ここで、バンプ１２３は上記実施形態の電極パッド１２２の代わりに形成されるものであり、また、貫通電極６３は、上記実施形態の端子パッド６１の代わりに形成されるものである。この半導体センサユニット２０２によれば、半導体センサ２を製造する際に第二錘部埋設工程において開口部１６ａを形成する必要がなくなり、製造効率の向上を図ることができる。
【００４４】
また、上記構成の半導体センサユニット２０２を用いれば、図６，７と同様の半導体パッケージ３０１，３０２を構成することもできるが、例えば図８に示すように、所謂ＷＬＣＳＰ（ウエハレベルチップサイズパッケージ）タイプの半導体パッケージ３０３を構成することも可能である。すなわち、この半導体パッケージ３０３では、制御チップ７の上面７ｃがモールド樹脂層４１によって封止されると共に、制御チップ７がモールド樹脂層の厚さ方向に貫通する半田バンプ等の再配線部４２に電気接続されている。この再配線部４２は、モールド樹脂層４１上に突出している。
なお、図８に示す半導体パッケージ３０３においては、支持用突出部１３の先端面１３ｄ及び半導体層１２の下面１２ｄ側に位置する粘弾性体１５の下面１５ｄにわたって板状の保護プレート４８を接合している。保護プレート４８は、下面１２ｄ側の粘弾性体１５を保護する役割、また、上記実施形態の回路基板２１，３１と同様に錘部Ｍと共に粘弾性体１５を挟み込むことで錘部ＭのＱ値を低く抑える役割を果たしているが、特に設けなくても構わない。上記構成の半導体パッケージ３０３では、その小型化を図ることができる。
そして、図６〜８に示す半導体パッケージ３０１〜３０３においては、いずれも半導体センサユニット２０１，２０２の代わりに半導体センサ１，２を設けてもよい、すなわち、制御チップ６，７を備えていなくてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態の制御チップ６は、半導体層１２の上面１２ｃ側に形成された粘弾性体１６に固定されるとしたが、例えば図９に示すように、制御チップ８は半導体層１２の下面１２ｄ側に形成された粘弾性体１５に固定されてもよい。この場合、制御チップ８は、支持用突出部１３の先端面１３ｄ及び粘弾性体１５の下面１５ｄにわたって接合されていることが好ましい。さらに、端子パッド８１や外部端子パッド８２が配された制御チップ８の上面８ｃを、支持用突出部１３や粘弾性体１５に接合する場合には、制御チップ８の上面８ｃのうち端子パッド８１や外部端子パッド８２の形成領域が半導体センサ１の側部に張り出して露出するように接合することが好ましい。このように構成される半導体センサユニット２０３では、上記実施形態のように半導体センサ１を回路基板２１，３２に固定した場合と同様の効果を奏する。
なお、この半導体センサユニット２０３においては、図９に示すように、半導体層１２の上面１２ｃ側に形成された粘弾性体１６の上面１６ｃに、図８と同様の保護プレート５８を固定してもよいが、特に設けなくても構わない。
【００４６】
さらに、支持部Ｓは、半導体層１２の下面１２ｄの周縁から突出する平面視環状の枠体部１１Ａによって構成されるとしたが、例えば図１０に示すように、半導体層１２の下面１２ｄの中央部分から突出する凸部１１Ｂによって構成されてもよい。すなわち、凸部１１Ｂ及びその下面１１ｄに積み重ねられた延長部１４によって支持部Ｓの支持用突出部１８を構成してもよい。この場合、錘部Ｍは、錘用突出部としての枠体部１１Ａによって構成されればよい。
上記構成の半導体センサ３は、上記実施形態の半導体センサ１と比較して延長部１４の形成位置のみが異なるため、これら２種類の半導体センサ１，３を同一のＳＯＩウエハ１０において同時に製造することができる。
【００４７】
また、延長部１４は、感光性ゴムからなる粘弾性体の一部を硬化させることで構成されるとしたが、少なくとも粘弾性体１５よりも高弾性率であれば、粘弾性体１５と別個に設けられてもよい。この場合、延長部１４は、例えば上記実施形態と同様の感光性ゴムでもよいが、その他の種類のエラストマーや、シリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲル、スポンジのような発泡樹脂等の各種樹脂材料によって構成されてもよいし、銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）等の金属材料によって構成されてもよい。
【００４８】
このように延長部１４を粘弾性体１５と別個に設ける場合には、延長部形成工程を実施するタイミング及びその内容についてのみ、上記実施形態の半導体センサ１の製造方法と異なる。すなわち、上記構成の半導体センサを製造する場合には、上記実施形態と同様のセンサ形成工程の前、あるいは、センサ形成工程と第一錘部埋設工程との間に、支持用突出部１３，１８をなすベースウエハ１１の下面１１ｄ上に支持部Ｓの延長部１４を形成する延長部形成工程を実施すればよい。
【００４９】
そして、この延長部１４が樹脂材料である場合には、延長部形成工程において、例えばベースウエハ１１の下面１１ｄ全体に樹脂材料を塗布した後、レジストを用いてリソグラフィー技術により支持用突出部１３，１８を構成するベースウエハ１１の下面１１ｄのみに樹脂材料を残存させればよい。また、延長部１４が金属材料である場合には、延長部形成工程において、樹脂材料の場合と同様にリソグラフィー技術を利用して形成してもよいが、例えばメッキやスパッタにより延長部１４を形成してもよい。
なお、このように延長部１４を粘弾性体１５と別個に設ける場合には、上記実施形態と同様の平坦化工程を実施して、例えば粘弾性体１５の下面１５ｄと支持用突出部１３，１８の先端面１３ｄ，１８ｄとを同一平面とすることがより好ましい。
さらに、延長部１４が粘弾性体１５と別個に構成される場合、粘弾性体１５は、少なくとも気体よりも動粘度が高く、かつ、可撓部Ｆよりも弾性率の小さい樹脂であればよく、例えば感光性ゴムに限らない様々な種類のエラストマーの他、例えばシリコーン、ウレタン、アクリル等の高分子ゲルや、スポンジのような発泡樹脂等の各種樹脂材料によって構成されてもよい。
【００５０】
また、支持用突出部は、ベースウエハ１１の下面１１ｄに延長部１４を積層して構成されることに限らず、例えば図１１に示すように延長部１４のみによって構成されてもよい。なお、支持用突出部を延長部１４のみによって構成する半導体センサ４を製造する場合には、例えば上記実施形態のセンサ形成工程において錘用突出部のみを形成しておけばよい。
【００５１】
さらに、粘弾性体１５，１６は、半導体層１２の上面１２ｃ側及び下面１２ｄ側の両方に形成されるとしたが、少なくとも半導体層１２の上面１２ｃ側及び下面１２ｄ側のいずれか一方に形成されていればよい。したがって、半導体センサを製造する際には、少なくとも第一錘部埋設工程及び第二錘部埋設工程のいずれか一方を実施すればよい。
このような構成の半導体センサでも、可撓部Ｆ及び錘部Ｍの少なくとも一部が気体よりも動粘度の高い粘弾性体によって包まれるため、上記実施形態と同様に、錘部Ｍ全体が従来のように気体雰囲気中に配されている場合と比較して、錘部のＱ値を低く設定できる効果を奏する。
【００５２】
そして、本発明は、加速度センサに限らず、角速度センサ、圧力センサ、振動センサ、マイクロフォン等の半導体センサにも広く適用することができる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１，２，３，４…半導体センサ、６，７，８…制御チップ、１０…ＳＯＩウエハ（シリコンバルク）、１１Ａ…枠体部（錘用突出部）、１１Ｂ…凸部（錘用突出部）、１２…半導体層（薄肉部）、１２ｃ…上面（他方の主面）、１２ｄ…下面（一方の主面）、１３，１８…支持用突出部、１３ｄ，１８ｄ…先端面、１４…延長部、１５，１６…粘弾性体、２１，３１…回路基板（ベース材）、２１ｃ，３１ｃ…搭載面、４８，５８…保護プレート、１２１…ピエゾ抵抗部（検出手段）、２０１，２０２…半導体センサユニット、３０１，３０２，３０３…半導体パッケージ、Ｆ…可撓部、Ｍ…錘部、Ｓ…支持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部が可撓性を有する可撓部として構成される薄肉部と、前記薄肉部の一方の主面から突出して前記薄肉部と共に錘部を構成する厚肉の錘用突出部と、前記錘用突出部との間に間隙を空けるように前記薄肉部の一方の主面から突出して、前記薄肉部と共に前記可撓部を介して前記錘部に連結される支持部を構成する支持用突出部と、前記支持部に対する前記錘部の移動に伴う前記可撓部の変形又は変位を検出する検出手段とを備え、
前記支持用突出部の突出方向の先端面が外方に露出するように、前記可撓部及び前記錘部のうち前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方が、前記可撓部よりも弾性率の小さい粘弾性体によって埋設され、
前記支持用突出部の少なくとも一部が、前記先端面をなす延長部によって構成され、
当該延長部の弾性率が、前記粘弾性体の弾性率よりも大きく、かつ、前記延長部を除く前記支持部の他の構成部分の弾性率よりも小さいことを特徴とする半導体センサ。
【請求項２】
シリコンバルクの異方性エッチングにより、薄肉部の一方の主面から突出する厚肉の錘用突出部を形成して、前記薄肉部及びこれに積層された前記錘用突出部により錘部を構成すると共に、前記錘用突出部に隣り合う前記薄肉部により可撓性を有する可撓部を構成するセンサ形成工程と、
前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方に粘弾性材料を塗布することで前記可撓部よりも弾性率の小さい粘弾性体を形成して、当該粘弾性体により前記可撓部及び前記錘部のうち前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方を埋設する錘部埋設形成工程と、
前記錘用突出部との間に間隙を空けるように前記一方の主面上に延びる延長部を形成する延長部形成工程とを備え、
少なくともこれらセンサ形成工程、錘部埋設形成工程及び延長部形成工程の実施後に、前記延長部が、前記一方の主面から突出して、前記薄肉部と共に前記可撓部を介して前記錘部に連結される支持部を構成する支持用突出部のうち、少なくとも外方に露出する前記支持用突出部の突出方向の先端面を含む一部を構成し、
前記延長部の弾性率が、前記粘弾性体の弾性率よりも大きく、かつ、前記延長部を除く前記支持部の他の構成部分の弾性率よりも小さいことを特徴とする半導体センサの製造方法。
【請求項１】
一部が可撓性を有する可撓部として構成される薄肉部と、前記薄肉部の一方の主面から突出して前記薄肉部と共に錘部を構成する厚肉の錘用突出部と、前記錘用突出部との間に間隙を空けるように前記薄肉部の一方の主面から突出して、前記薄肉部と共に前記可撓部を介して前記錘部に連結される支持部を構成する支持用突出部と、前記支持部に対する前記錘部の移動に伴う前記可撓部の変形又は変位を検出する検出手段とを備え、
前記支持用突出部の突出方向の先端面が外方に露出するように、前記可撓部及び前記錘部のうち前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方が、前記可撓部よりも弾性率の小さい粘弾性体によって埋設され、
前記支持用突出部の少なくとも一部が、前記先端面をなす延長部によって構成され、
当該延長部の弾性率が、前記粘弾性体の弾性率よりも大きく、かつ、前記延長部を除く前記支持部の他の構成部分の弾性率よりも小さいことを特徴とする半導体センサ。
【請求項２】
シリコンバルクの異方性エッチングにより、薄肉部の一方の主面から突出する厚肉の錘用突出部を形成して、前記薄肉部及びこれに積層された前記錘用突出部により錘部を構成すると共に、前記錘用突出部に隣り合う前記薄肉部により可撓性を有する可撓部を構成するセンサ形成工程と、
前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方に粘弾性材料を塗布することで前記可撓部よりも弾性率の小さい粘弾性体を形成して、当該粘弾性体により前記可撓部及び前記錘部のうち前記薄肉部の一方の主面側及び他方の主面側の少なくとも一方を埋設する錘部埋設形成工程と、
前記錘用突出部との間に間隙を空けるように前記一方の主面上に延びる延長部を形成する延長部形成工程とを備え、
少なくともこれらセンサ形成工程、錘部埋設形成工程及び延長部形成工程の実施後に、前記延長部が、前記一方の主面から突出して、前記薄肉部と共に前記可撓部を介して前記錘部に連結される支持部を構成する支持用突出部のうち、少なくとも外方に露出する前記支持用突出部の突出方向の先端面を含む一部を構成し、
前記延長部の弾性率が、前記粘弾性体の弾性率よりも大きく、かつ、前記延長部を除く前記支持部の他の構成部分の弾性率よりも小さいことを特徴とする半導体センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２８１７３１（Ｐ２０１０−２８１７３１Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３６１７７（Ｐ２００９−１３６１７７）
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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