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JP5325535B2 - Sensor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、角速度センサと加速度センサとを備えた複合センサ装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a composite sensor device including an angular velocity sensor and an acceleration sensor, and a manufacturing method thereof.

この種の従来の複合物理量センサとして、例えば特許第3435665号公報(特許文献1)に示された複合センサ素子がある。この複合センサ素子の代表的な実施例構造を図10に示す。本複合センサ素子は、半導体製造プロセス技術を応用したマイクロマシニング技術によって作製され、ガラス基板とシリコン基板とを接合封止した構造体である。このガラス基板の上面と下面にはそれぞれ固定電極,電極パッドが形成されており、両者を導通する導電性配線がガラス基板の上下面を貫通するように埋め込まれている。前記シリコン基板は上下両面に窪みが形成された単結晶のシリコン基板で構成され、ガラス基板とシリコン基板とが減圧雰囲気中で陽極接合されることによってその内側に形成された圧力容器が減圧封止され、その内部に振動構造を有するセンサが設けられている。ガラス基板の一部には外気と気密封止部に連通する通気経路が設けられており、この溝の中に配置されている封着部材によって圧力容器内部が略大気圧に保たれるようになっている。   As this type of conventional composite physical quantity sensor, for example, there is a composite sensor element disclosed in Japanese Patent No. 3435665 (Patent Document 1). A typical embodiment structure of this composite sensor element is shown in FIG. This composite sensor element is a structure in which a glass substrate and a silicon substrate are bonded and sealed by micromachining technology applying semiconductor manufacturing process technology. A fixed electrode and an electrode pad are formed on the upper and lower surfaces of the glass substrate, respectively, and conductive wiring for conducting both is embedded so as to penetrate the upper and lower surfaces of the glass substrate. The silicon substrate is composed of a single-crystal silicon substrate with depressions formed on both upper and lower surfaces, and a glass substrate and a silicon substrate are anodically bonded in a reduced-pressure atmosphere so that a pressure vessel formed on the inner side is sealed under reduced pressure. In addition, a sensor having a vibration structure is provided therein. A part of the glass substrate is provided with a ventilation path communicating with the outside air and the hermetic sealing portion, and the pressure vessel interior is maintained at substantially atmospheric pressure by the sealing member disposed in the groove. It has become.

特許第3435665号公報Japanese Patent No. 3435665

上述した特許文献1では、略大気圧容器に配置された物理量センサにセンサ使用環境の劣悪な外気が接触しないようにして、長期信頼性を確保するために、センサ素子全体を外気から守る厳重な実装構造をセンサ素子の外側に設置する必要があり、その結果として、実装全体構造が大型になり、かつコストが増加する恐れがあった。公知の当該実装構造としては、センサエレメントを金属容器内に設置し、金属蓋で溶接して封止する構造やセラミック製容器内にはんだ材を用いて封止する構造が考えられるが、いずれもコスト増加につながり、センサ素子実装構造をウェハ接合実装する利点を十分に発揮できないという課題があった。   In Patent Document 1 described above, the entire sensor element is strictly protected from the outside air in order to ensure that long-term reliability is ensured so that the physical quantity sensor disposed in the substantially atmospheric pressure container does not come into contact with the outside air having a poor sensor use environment. The mounting structure needs to be installed outside the sensor element. As a result, the entire mounting structure becomes large and the cost may increase. Known mounting structures include a structure in which a sensor element is installed in a metal container and sealed by welding with a metal lid, and a structure in which a solder material is sealed in a ceramic container. This leads to an increase in cost, and there is a problem in that the advantage of mounting the sensor element mounting structure on the wafer cannot be fully exhibited.

さらに、ガラス基板の一部に設けられた外気と気密封止部との連通する溝を封着部材で封止する際に、封止部材に含まれる不純物ガスが略大気圧容器内に混入し、センサ素子自体の信頼性を低下させるという課題があった。   Furthermore, when sealing the groove communicating with the outside air provided in a part of the glass substrate and the hermetic sealing portion with the sealing member, the impurity gas contained in the sealing member is mixed into the substantially atmospheric pressure container. There has been a problem of reducing the reliability of the sensor element itself.

本発明の第1の目的は、上記課題を解決し、小型・安価で、長期信頼性を確保できるセンサ実装構造を提供することにある。   A first object of the present invention is to provide a sensor mounting structure that solves the above-described problems, is small and inexpensive, and can ensure long-term reliability.

本発明の第2の目的は、小型・安価で、長期信頼性を確保したセンサ実装構造を実現するウェハ接合実装方法を提供することにある。   A second object of the present invention is to provide a wafer bonding mounting method that realizes a sensor mounting structure that is small and inexpensive and ensures long-term reliability.

上記目的は、角速度センサおよび加速度センサの其々が異なるガス圧力で圧力容器に封止され、一方のセンサ基板側の封止キャップとの接合界面に、圧力容器内部から外部につながる溝があり、その溝が封止キャップ材の変形及び流動により前記センサ基板と前記封止キャップとを接合する接合部材を用いずに埋め込まれたことを特徴とするセンサ装置により達成される。 The above-mentioned purpose is that the angular velocity sensor and the acceleration sensor are sealed in the pressure vessel with different gas pressures, and there is a groove connected from the inside of the pressure vessel to the outside at the bonding interface with the sealing cap on the one sensor substrate side, The groove is buried without using a joining member for joining the sensor substrate and the sealing cap by deformation and flow of the sealing cap material.

第1から第3態様の本発明のセンサ実装構造によれば、小型・安価で、長期信頼性を確保したセンサを実現することができる。   According to the sensor mounting structure of the first to third aspects of the present invention, it is possible to realize a sensor that is small and inexpensive and ensures long-term reliability.

また、第4及び第5態様の本発明のウェハ接合実装方法によれば、小型・安価で、長期信頼性を確保したセンサ実装構造を実現することができる。   Further, according to the wafer bonding and mounting method of the fourth and fifth aspects of the present invention, it is possible to realize a sensor mounting structure that is small and inexpensive and ensures long-term reliability.

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。なお、本発明は、それぞれの実施形態を適宜に組み合わせることにより、さらに効果的なものとすることを含む。   Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals in the drawings of the respective embodiments indicate the same or equivalent. In addition, this invention includes making it more effective by combining each embodiment suitably.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態のセンサ実装構造を、図1から図3を用いて説明する。図1は本実施形態のセンサ実装構造全体の断面図である。図2は図1のセンサ実装構造から外装パッケージ5を省略したセンサ素子1の実装構造を示す平面図である。図3は図1のセンサ実装構造から外装パッケージ5を省略した別形態のセンサ素子1の実装構造を示す平面図である。
(First embodiment)
A sensor mounting structure according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of the entire sensor mounting structure of this embodiment. 2 is a plan view showing a mounting structure of the sensor element 1 in which the exterior package 5 is omitted from the sensor mounting structure of FIG. FIG. 3 is a plan view showing a mounting structure of the sensor element 1 of another form in which the exterior package 5 is omitted from the sensor mounting structure of FIG.

図1に示す本実施形態のセンサ実装構造は、角速度センサと加速度センサとの複合センサの実装構造である。このセンサ実装構造は、センサ素子1と、当該センサ素子の駆動・センシングを制御する集積回路2と、センサ素子1と集積回路2を電気的に接続する中間配線31と、外部接続端子4と、当該外部接続端子4と集積回路を電気的に接続する中間配線32と、上記構成要素全体を包含する外装パッケージ5とを備えて構成されている。本実施形態において、集積回路2,中間配線31及び32外部接続端子4,外装パッケージ5は、公知の構造を有し、また、本図に開示した構造・方式に限定されるものではない。   The sensor mounting structure of this embodiment shown in FIG. 1 is a mounting structure of a composite sensor of an angular velocity sensor and an acceleration sensor. This sensor mounting structure includes a sensor element 1, an integrated circuit 2 that controls driving and sensing of the sensor element, an intermediate wiring 31 that electrically connects the sensor element 1 and the integrated circuit 2, an external connection terminal 4, It is configured to include an intermediate wiring 32 that electrically connects the external connection terminal 4 and the integrated circuit, and an exterior package 5 that includes the entire components. In the present embodiment, the integrated circuit 2, the intermediate wirings 31 and 32, the external connection terminals 4, and the exterior package 5 have a known structure, and are not limited to the structure and method disclosed in this figure.

次に、本実施形態の中心部であるセンサ素子1の詳細構成について説明する。センサ素子1は、当該センサ11を支持するセンサ基板12と、当該センサを減圧清浄雰囲気に封じ込める封止キャップ13と、センサ基板12と封止キャップ13が貼り合わされる接合枠14とを備えて構成される。さらに、接合枠14の一部には、本発明の心臓部である溝15が形成されている。   Next, a detailed configuration of the sensor element 1 that is the central portion of the present embodiment will be described. The sensor element 1 includes a sensor substrate 12 that supports the sensor 11, a sealing cap 13 that encloses the sensor in a vacuum-cleaned atmosphere, and a bonding frame 14 on which the sensor substrate 12 and the sealing cap 13 are bonded. Is done. Further, a groove 15 which is the heart of the present invention is formed in a part of the joining frame 14.

次に、本実施形態のセンサ素子1の平面構造を図2を用いて説明する。角速度センサ11aと加速度センサ11bが接合枠14で封止された圧力容器16a及び16bの中に配置されている。ここでの加速度センサ11bは一方向の加速度とそれに直交する方向の加速度を2個のセンサで其々検出する構成であるが、これ以外にも種々の構成が考えられる。   Next, the planar structure of the sensor element 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. An angular velocity sensor 11a and an acceleration sensor 11b are arranged in pressure vessels 16a and 16b sealed with a joint frame 14. Here, the acceleration sensor 11b is configured to detect acceleration in one direction and acceleration in a direction orthogonal thereto by two sensors, but various other configurations are conceivable.

圧力容器16a及び16bは、高真空に排気されたあと封止されるか、あるいは、アルゴンなどの高純度不活性ガスで置換・封入される。その内部圧力の例としては、角速度センサ11aが配置された圧力容器16aの内部圧力として数100Paが設定され、加速度センサ11bが配置された圧力容器16bの内部圧力として数100hPaが設定される。これらの設定値は、設計した各センサに適した動作圧力によって決定されることが望ましい。   The pressure vessels 16a and 16b are sealed after being evacuated to high vacuum, or are replaced and sealed with a high purity inert gas such as argon. As an example of the internal pressure, several hundred Pa is set as the internal pressure of the pressure vessel 16a in which the angular velocity sensor 11a is arranged, and several hundred hPa is set as the internal pressure in the pressure vessel 16b in which the acceleration sensor 11b is arranged. These setpoints are preferably determined by the operating pressure suitable for each designed sensor.

本発明の心臓部である溝15は、たとえば加速度センサ11bからセンサ素子1の外側につながるように、接合枠14の一部に形成されている。当該溝の平面形状は、図2に示したような実施形態に限定されないが、その寸法は後述するウェハ実装方法での封止キャップ13の材料特性によって、適宜決定される。   The groove 15 which is the heart of the present invention is formed in a part of the joint frame 14 so as to be connected to the outside of the sensor element 1 from the acceleration sensor 11b, for example. The planar shape of the groove is not limited to the embodiment shown in FIG. 2, but the dimension is appropriately determined depending on the material characteristics of the sealing cap 13 in the wafer mounting method described later.

図1及び図2に示す本実施形態では、各センサが高真空や高純度不活性ガスで置換された圧力容器に封入されるため、各センサに適した動作状態を設定することができ、高度でかつ安定したセンシング性能が得られる。また、溝15は封止キャップ13の材料で外部と完全に封止されているので、図1に示した外装パッケージ5として、センサ素子1,集積回路2,中間配線31及び32が、外部と接触しないように実装する機能だけで十分な、簡易でかつ低コストの構造、たとえば樹脂封止を用いることができるようになる。   In the present embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 2, each sensor is sealed in a pressure vessel replaced with high vacuum or high purity inert gas, so that an operation state suitable for each sensor can be set. And stable sensing performance. Since the groove 15 is completely sealed from the outside by the material of the sealing cap 13, the sensor element 1, the integrated circuit 2, and the intermediate wirings 31 and 32 are connected to the outside as the exterior package 5 shown in FIG. It is possible to use a simple and low-cost structure, for example, resin sealing, which is sufficient only for the function of mounting without contact.

図3にセンサ素子1の別形態の実装構造を示す。この実施形態では、角速度センサ11aが当該素子の最内部に配置され、外周に向かって、接合枠14a,加速度センサ11b,接合枠14bの順で配置され、最外周の接合枠14bの一部に溝15が配置されている。   FIG. 3 shows another mounting structure of the sensor element 1. In this embodiment, the angular velocity sensor 11a is disposed in the innermost part of the element, and is disposed in the order of the joint frame 14a, the acceleration sensor 11b, and the joint frame 14b toward the outer periphery, and a part of the outermost joint frame 14b. A groove 15 is disposed.

本実施形態において、図2に示した実施形態と同様に、角速度センサ11aが配置された圧力容器16aの内部圧力として数100Pa,加速度センサ11bが配置された圧力容器16bの内部圧力として数100hPaが設定される。   In this embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 2, several hundred Pa is used as the internal pressure of the pressure vessel 16a in which the angular velocity sensor 11a is arranged, and several hundred hPa is used as the internal pressure in the pressure vessel 16b in which the acceleration sensor 11b is arranged. Is set.

本実施形態では、角速度センサ11aが、加速度センサ11bの内側に完全に含まれるので、角速度センサ11aと加速度センサ11bを仕切る接合枠14aにかかる圧力差は数100hPaとなる。一方、図2に示した実施形態では、角速度センサ11aと外部を仕切る接合枠14にかかる圧力差は約1000hPaであるので、図3に示す本実施形態のほうが、外部から角速度センサ11aの圧力容器16aへの外気の漏れ込みが少なくなり、角速度センサ11aの長期信頼性がより優れたセンサ実装構造を実現することができる。   In this embodiment, since the angular velocity sensor 11a is completely included inside the acceleration sensor 11b, the pressure difference applied to the joint frame 14a that partitions the angular velocity sensor 11a and the acceleration sensor 11b is several hundreds hPa. On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 2, the pressure difference applied to the joint frame 14 that partitions the angular velocity sensor 11a and the outside is about 1000 hPa. Therefore, the present embodiment shown in FIG. It is possible to realize a sensor mounting structure in which the outside air leaks into 16a and the long-term reliability of the angular velocity sensor 11a is more excellent.

(第2実施形態)
次に本発明の第2実施形態のセンサ実装構造を、図4を用いて説明する。図4は図1のセンサ実装構造から外装パッケージ5及び封止キャップ13を省略したセンサ素子1の実装構造における裏面引出し実装構造の断面図である。本実施形態では、センサ素子1に形成されたセンサ基板12の裏面への配線引出し電極19と封止キャップ13との配置関係を説明する。
(Second Embodiment)
Next, a sensor mounting structure according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the back-side drawer mounting structure in the mounting structure of the sensor element 1 in which the exterior package 5 and the sealing cap 13 are omitted from the sensor mounting structure of FIG. In the present embodiment, the positional relationship between the wiring lead electrode 19 and the sealing cap 13 on the back surface of the sensor substrate 12 formed in the sensor element 1 will be described.

センサ素子1は、センサ11を支持するセンサ基板12と、当該センサを減圧清浄雰囲気に封じ込める封止キャップ13と、センサ基板12と封止キャップ13が貼り合わされる接合枠14とを備えて構成される。さらに、接合枠14の一部には、溝15が形成されている。   The sensor element 1 is configured to include a sensor substrate 12 that supports the sensor 11, a sealing cap 13 that encloses the sensor in a vacuum-cleaned atmosphere, and a bonding frame 14 to which the sensor substrate 12 and the sealing cap 13 are bonded. The Further, a groove 15 is formed in a part of the joining frame 14.

センサ11は島電極部111と振動部112を含み、島電極部111及び接合枠14の表面には多結晶シリコン薄膜113aが形成され、その表面と封止キャップ13とが接合されている。島電極部111及びセンサ基板12には連続した貫通孔が形成され、島電極部111の表面から貫通孔の内壁を経由してセンサ基板12の裏側にある配線引出し電極19まで電気的に導通するように、多結晶シリコン薄膜113bが形成されている。以上の構成により、センサ基板12の裏面の配線引出し電極19からセンサ11の島電極部111に電力が供給され、振動部112が駆動されて物理量の検出が行われる。   The sensor 11 includes an island electrode portion 111 and a vibrating portion 112. A polycrystalline silicon thin film 113a is formed on the surface of the island electrode portion 111 and the bonding frame 14, and the surface and the sealing cap 13 are bonded to each other. A continuous through hole is formed in the island electrode part 111 and the sensor substrate 12 and is electrically connected from the surface of the island electrode part 111 to the wiring extraction electrode 19 on the back side of the sensor substrate 12 through the inner wall of the through hole. Thus, the polycrystalline silicon thin film 113b is formed. With the above configuration, electric power is supplied from the wiring extraction electrode 19 on the back surface of the sensor substrate 12 to the island electrode unit 111 of the sensor 11, and the vibration unit 112 is driven to detect a physical quantity.

本実施形態において、封止キャップ13が接合枠14と島電極部111表面に形成された多結晶シリコン薄膜113aと接合される際に、接合枠14に形成された溝15が封止キャップ13材料であるガラスの変形により埋め込まれて完全に封止され、圧力容器16が形成される。また、それと同時に、本実施形態においては、島電極部111と多結晶シリコン薄膜113aの封止キャップ13との対向面に研摩痕(スクラッチ),結晶粒界や塵埃などが残っていても、それらによる凹凸が埋め込まれるように封止されるので、島電極部111及び多結晶シリコン薄膜113aの表面性状を平滑・清浄に管理する必要がなく、プロセスの低コスト化に効果的である。   In the present embodiment, when the sealing cap 13 is bonded to the bonding frame 14 and the polycrystalline silicon thin film 113a formed on the surface of the island electrode portion 111, the groove 15 formed in the bonding frame 14 is formed of the sealing cap 13 material. The pressure vessel 16 is formed by being embedded and completely sealed by deformation of the glass. At the same time, in the present embodiment, even if polishing marks (scratches), crystal grain boundaries, dust, or the like remain on the facing surfaces of the island electrode portion 111 and the sealing cap 13 of the polycrystalline silicon thin film 113a, Therefore, it is not necessary to manage the surface properties of the island electrode portion 111 and the polycrystalline silicon thin film 113a smoothly and cleanly, which is effective in reducing the cost of the process.

なお、センサ実装構造において、本形態の発明が実施されているかどうかは、封止キャップ13が圧力容器に対応する位置で変形して凹面が形成されるので、容易に確認することができる。   In the sensor mounting structure, whether or not the invention of the present embodiment is implemented can be easily confirmed because the sealing cap 13 is deformed at a position corresponding to the pressure vessel to form a concave surface.

(第3実施形態)
次に本発明の第3実施形態のセンサ実装構造を、図5を用いて説明する。図5は図1のセンサ実装構造から外装パッケージ及び封止キャップを省略したセンサ素子1の実装構造における表面引出し接合実装構造の断面図である。
(Third embodiment)
Next, a sensor mounting structure according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of the surface drawer bonding mounting structure in the mounting structure of the sensor element 1 in which the exterior package and the sealing cap are omitted from the sensor mounting structure of FIG.

センサ素子1は、センサ11を支持するセンサ基板12と、当該センサを減圧清浄雰囲気に封じ込める封止キャップ13と、センサ基板12と封止キャップ13が貼り合わされる接合枠14とを備えて構成される。さらに、接合枠14の一部には、溝15が形成されている。   The sensor element 1 is configured to include a sensor substrate 12 that supports the sensor 11, a sealing cap 13 that encloses the sensor in a vacuum-cleaned atmosphere, and a bonding frame 14 to which the sensor substrate 12 and the sealing cap 13 are bonded. The Further, a groove 15 is formed in a part of the joining frame 14.

センサ11は島電極部111と振動部112を含み、島電極部111及び接合枠14の表面と封止キャップ13とが貼り合わされて接合されている。本実施形態では、封止キャップ13の島電極部111と接する面の一部に貫通孔が形成され、封止キャップ13の表面から貫通孔の内壁を経由して島電極部111まで電気的に導通するように、配線引出し電極19が形成されている。以上の構成により、封止キャップ13の表面の配線引出し電極19からセンサ11の島電極部111に電力が供給され、振動部112が駆動されて物理量の検出が行われる。   The sensor 11 includes an island electrode portion 111 and a vibrating portion 112, and the surface of the island electrode portion 111 and the joining frame 14 and the sealing cap 13 are bonded and joined. In the present embodiment, a through hole is formed in a part of the surface of the sealing cap 13 that is in contact with the island electrode portion 111, and electrically from the surface of the sealing cap 13 to the island electrode portion 111 via the inner wall of the through hole. A wiring lead electrode 19 is formed so as to be conductive. With the above configuration, electric power is supplied from the wiring extraction electrode 19 on the surface of the sealing cap 13 to the island electrode part 111 of the sensor 11, and the vibration part 112 is driven to detect the physical quantity.

本実施形態において、封止キャップ13が接合枠14及び島電極部111表面と接合される際に、接合枠14に形成された溝15が封止キャップ13材料であるガラスの変形により埋め込まれて完全に封止され、圧力容器16が形成される。また、それと同時に、本実施形態においては、島電極部111と封止キャップ13の両対向面に研摩痕(スクラッチ)や塵埃などが残っていても、それらの凹凸が埋め込まれるように封止されるので、島電極部111及び封止キャップ13の表面性状を平滑・清浄に管理する必要がなく、プロセスの低コスト化に効果的である。   In this embodiment, when the sealing cap 13 is bonded to the bonding frame 14 and the surface of the island electrode portion 111, the groove 15 formed in the bonding frame 14 is embedded by deformation of the glass that is the material of the sealing cap 13. Completely sealed, the pressure vessel 16 is formed. At the same time, in the present embodiment, even if polishing marks or dust remain on both opposing surfaces of the island electrode portion 111 and the sealing cap 13, the surface is sealed so that the unevenness thereof is embedded. Therefore, it is not necessary to manage the surface properties of the island electrode part 111 and the sealing cap 13 smoothly and cleanly, which is effective in reducing the cost of the process.

本実施形態においては、封止キャップ13に貫通孔が形成されるため、封止キャップ13の表面に研摩痕(スクラッチ)や塵埃が残りやすい。図6は封止キャップウェハ表面に残るスクラッチ欠陥構造の実例を示す光学顕微鏡拡大像である。接合面にこのような凹凸があっても、それらが埋め込まれるように接合され、完全な封止構造が実現できる。   In the present embodiment, since a through hole is formed in the sealing cap 13, polishing marks (scratches) and dust are likely to remain on the surface of the sealing cap 13. FIG. 6 is an optical microscope magnified image showing an example of a scratch defect structure remaining on the surface of the sealing cap wafer. Even if there are such irregularities on the joint surface, they are joined so that they are embedded, and a complete sealing structure can be realized.

なお、本センサ実装構造においても、本形態の発明が実施されているかどうかは、封止キャップ13が圧力容器に対応する位置で変形して凹面が形成されるので、容易に確認することができる。   Also in this sensor mounting structure, whether or not the invention of the present embodiment is implemented can be easily confirmed because the sealing cap 13 is deformed at a position corresponding to the pressure vessel to form a concave surface. .

(第4実施形態)
次に本発明の第4実施形態のセンサ実装構造を、図7を用いて説明する。図7は接合部材によるセンサ素子実装構造の断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a sensor mounting structure according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of a sensor element mounting structure using a joining member.

本実施形態は図4に示した第2実施形態のセンサ実装構造に対して、封止キャップ13と接合枠14及び島電極部111の表面に形成された多結晶シリコン薄膜113との間に接合部材17を配置し、当該接合部材を溶融させて接合する点が異なる。当該接合部材の具体例としては、低融点ガラス,共晶はんだが公知である。   In the present embodiment, the sensor mounting structure of the second embodiment shown in FIG. 4 is bonded between the sealing cap 13 and the polycrystalline silicon thin film 113 formed on the surface of the bonding frame 14 and the island electrode portion 111. The point which arrange | positions the member 17 and fuses the said joining member differs. As specific examples of the joining member, low melting point glass and eutectic solder are known.

本実施形態においては、接合部材は溶融状態にあり流動性が高いので、溝への埋め込みが容易になる。したがって接合荷重を低くすることができ、ウェハの歪が抑えられるという利点がある。   In the present embodiment, since the joining member is in a molten state and has high fluidity, it is easy to be embedded in the groove. Therefore, there is an advantage that the bonding load can be reduced and the distortion of the wafer can be suppressed.

(第5実施形態)
次に本発明の第5実施形態のウェハ接合実装方法を、図1と図2を用いて説明する。図1中に示されているセンサ素子1がウェハ接合実装方法を用いて作製される。当該方法において、センサ11がSOI(Si on Insulator)ウェハの中にマイクロマシニング技術を用いて形成されたセンサ基板12と、軟化温度近傍の温度下でかつ電界印加条件下で、ある一定の移動能力を持ったイオン化分子を含むガラス基板からなる封止キャップ13とを、適宜位置合せしたのちに、基板ごと陽極接合され、最後にダイシングにより個々のセンサ素子1に切り出される。
(Fifth embodiment)
Next, a wafer bonding / mounting method according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The sensor element 1 shown in FIG. 1 is manufactured using a wafer bonding mounting method. In this method, the sensor 11 is formed on a SOI (Si on Insulator) wafer using a micromachining technique, and a certain movement capability under a temperature near a softening temperature and under an electric field application condition. The sealing cap 13 made of a glass substrate containing ionized molecules having a position is properly aligned, then the substrate is anodically bonded, and finally cut into individual sensor elements 1 by dicing.

次に本発明の重要点である接合プロセスを、図2を用いて説明する。図1に示されている封止キャップ13と密着する、図2に示された接合枠14の加速度センサ11bと外気を仕切る位置に溝15を形成したうえで、角速度センサ11a及び加速度センサ11bを接合により圧力容器16a及び16bに其々封止する際に、少なくとも2段階の接合レシピが実行される。   Next, the joining process which is an important point of the present invention will be described with reference to FIG. A groove 15 is formed at a position that is in close contact with the sealing cap 13 shown in FIG. 1 and separates the outside air from the acceleration sensor 11b of the joint frame 14 shown in FIG. 2, and then the angular velocity sensor 11a and the acceleration sensor 11b are connected. When sealing the pressure vessels 16a and 16b by bonding, at least two stages of bonding recipes are executed.

まず第1段階として、公知の陽極接合条件によりウェハ接合が実施される。当該接合条件の例として、化学的に不活性なアルゴンガスでガス圧力の例として数100Paに置換された清浄な減圧雰囲気下で、接合温度400℃程度以下,接合電圧数100〜1000V,接合荷重は積極的には印加せずに行われる。   First, as a first step, wafer bonding is performed under known anodic bonding conditions. As an example of the bonding conditions, a bonding temperature of about 400 ° C. or less, a bonding voltage of 100 to 1000 V, a bonding load under a clean reduced-pressure atmosphere in which the gas pressure is replaced with several hundred Pa as an example of a chemically inert argon gas Is performed without positive application.

本プロセスにより、接合枠14のうち、溝15以外の場所が完全に接合されるので、まず角速度センサ11aのみが数100Pa以下の減圧状態に封止される。   By this process, the part other than the groove 15 in the joining frame 14 is completely joined, so that only the angular velocity sensor 11a is sealed in a reduced pressure state of several hundred Pa or less.

第1段階の接合が終了後、引き続いて第2段階の本発明による特殊な陽極接合条件によりウェハの接合が継続される。第2の接合条件としては、アルゴンガスで第1段階とは異なるガス圧力、たとえば数100hPa雰囲気下で、接合温度450℃程度以上の封止キャップの軟化温度近傍で、接合荷重10kN程度以上を印加することにより、高温・高荷重で陽極接合される。   After the first stage bonding is completed, the wafer bonding is continued under the special anodic bonding conditions according to the present invention in the second stage. As a second bonding condition, a bonding pressure of about 10 kN or more is applied in the vicinity of the softening temperature of the sealing cap at a bonding temperature of about 450 ° C. or more in an atmosphere of several hundred hPa with argon gas, for example, in an atmosphere of argon gas. By doing so, anodic bonding is performed at high temperature and high load.

本プロセスにより、接合枠14の溝15が変形した封止キャップ材で埋め込まれながら陽極接合が進行し、加速度センサ11bが数100hPa以下の大気圧に近い減圧状態に封止される。   By this process, anodic bonding proceeds while the groove 15 of the bonding frame 14 is filled with the deformed sealing cap material, and the acceleration sensor 11b is sealed in a reduced pressure state close to atmospheric pressure of several hundred hPa or less.

本発明の第5実施形態のウェハ接合実装方法によれば、一連の多段階接合プロセスのなかで、異なる内部ガス圧力の圧力容器が形成され、其々適正な動作条件で各センサが機能することができるようになり、高機能な複合センサ素子を得ることができる。   According to the wafer bonding and mounting method of the fifth embodiment of the present invention, pressure vessels having different internal gas pressures are formed in a series of multistage bonding processes, and each sensor functions under appropriate operating conditions. Thus, a highly functional composite sensor element can be obtained.

次に本実施形態の効果の実例を、図8及び図9を用いて説明する。図8は高温・高荷重で陽極接合封止された高真空容器へのリークレート(外気の漏れ込み速度)の接合温度依存性を示すグラフである。接合温度450℃以上、接合荷重15kNでの条件範囲では、接合枠の幅が100〜500μmのいずれであってもリークレートはほぼ同じになり、強固な接合封止が実現される。   Next, an example of the effect of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a graph showing the junction temperature dependence of the leak rate (external air leakage rate) to a high vacuum vessel sealed with an anodic bond at high temperature and high load. In the condition range where the bonding temperature is 450 ° C. or more and the bonding load is 15 kN, the leak rate is almost the same regardless of the width of the bonding frame of 100 to 500 μm, and a strong bonding sealing is realized.

図9は高温・高荷重で陽極接合封止された高真空容器へのリークレート(外気の漏れ込み速度)の接合荷重依存性を示すグラフである。接合荷重10kN以上、接合温度500℃での条件範囲では、接合枠の幅が100〜500μmのいずれであってもリークレートはほぼ同じになり、強固な接合封止が実現される。   FIG. 9 is a graph showing the junction load dependence of the leak rate (external air leakage rate) to a high vacuum vessel sealed with an anodic bond at high temperature and high load. In the condition range where the bonding load is 10 kN or more and the bonding temperature is 500 ° C., the leak rate is almost the same regardless of the width of the bonding frame of 100 to 500 μm, and a strong bonding sealing is realized.

以上のような、公知の接合条件と高温・高荷重接合条件との2段階接合方法と接合枠の一部に溝を設けることにより、複数の異なる減圧内部圧力を有する不活性ガス圧力容器に封止された信頼性に優れる複合センサを、低コストに実現することができるようになる。   By providing a groove in a part of the joining frame and the two-step joining method of the known joining conditions and the high temperature / high load joining conditions as described above, a plurality of inert gas pressure vessels having different reduced pressures are sealed. It becomes possible to realize a stopped composite sensor having excellent reliability at low cost.

さらに、本発明によれば、島電極部での接合幅を狭く取ることができるようになるので、島電極自体の寸法を小さくすることができ、したがって、センサ素子全体の寸法を小さくすることができる。その結果として、ウェハあたりのセンサ素子数を増やすことができるので、製造コストを効果的に低減することができるという効果も得られる。   Furthermore, according to the present invention, since the junction width at the island electrode portion can be reduced, the size of the island electrode itself can be reduced, and therefore the overall size of the sensor element can be reduced. it can. As a result, since the number of sensor elements per wafer can be increased, an effect that the manufacturing cost can be effectively reduced is also obtained.

本発明は、圧力センサ,角速度センサ,加速度センサ,加・加速度センサ、及びそれらの複合センサなど、MEMS技術を応用した車載用センサ及びセンサモジュール製造業、あるいは携帯用情報処理機器用センサ製造業に幅広く利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention relates to a vehicle sensor and sensor module manufacturing industry that applies MEMS technology, such as a pressure sensor, an angular velocity sensor, an acceleration sensor, an acceleration / acceleration sensor, and a composite sensor thereof, or a sensor manufacturing industry for portable information processing equipment. Can be used widely.

センサ実装構造全体断面図。The whole sensor mounting structure sectional view. 第1のセンサ素子実装構造平面図。The 1st sensor element mounting structure top view. 第2のセンサ素子実装構造平面図。The 2nd sensor element mounting structure top view. 裏面引出し実装構造断面図。FIG. 表面引出し実装構造断面図。Surface drawer mounting structure sectional drawing. ウェハ表面の欠陥構造例。An example of a defect structure on the wafer surface. 接合用部材によるセンサ素子実装構造。Sensor element mounting structure with bonding members. 高温・高荷重多段階接合の第1の効果。First effect of high-temperature, high-load multi-stage joining. 高温・高荷重多段階接合の第2の効果。Second effect of high-temperature, high-load multi-stage joining.

符号の説明Explanation of symbols

1 センサ素子
2 集積回路
3 中間配線
4 外部接続端子
5 外装パッケージ
11 センサ
11a 角速度センサ
11b 加速度センサ
12 センサ基板
13 封止キャップ
14 接合枠
15 溝
16 圧力容器
19 配線引出し電極
111 島電極部
112 振動部
113 多結晶シリコン薄膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor element 2 Integrated circuit 3 Intermediate wiring 4 External connection terminal 5 Exterior package 11 Sensor 11a Angular velocity sensor 11b Acceleration sensor 12 Sensor board 13 Sealing cap 14 Joining frame 15 Groove 16 Pressure vessel 19 Wire extraction electrode 111 Island electrode part 112 Vibration part 113 Polycrystalline silicon thin film

Claims (3)

角速度センサおよび加速度センサの其々が異なるガス圧力で圧力容器に封止され、一方のセンサ基板側の封止キャップとの接合界面に、圧力容器内部から外部につながる溝があり、その溝が封止キャップ材の変形及び流動により前記センサ基板と前記封止キャップとを接合する接合部材を用いずに埋め込まれたことを特徴とするセンサ装置。 Each of the angular velocity sensor and the acceleration sensor is sealed in the pressure vessel with different gas pressures, and there is a groove connecting from the inside of the pressure vessel to the outside at the joint interface with the sealing cap on the one sensor substrate side. A sensor device embedded without using a joining member for joining the sensor substrate and the sealing cap by deformation and flow of a stop cap material. 請求項1において、
前記封止キャップ材は、その軟化温度近傍の温度下で、かつ電界印加条件下で、ある一定の移動能力を持ったイオン化分子を含むガラスであり、当該封止キャップ材の変形及び流動により前記溝が埋め込まれたことを特徴とするセンサ装置。
In claim 1,
The sealing cap material is a glass containing ionized molecules having a certain movement ability under a temperature near the softening temperature and under an electric field application condition, and the sealing cap material is deformed and flowed by the deformation and flow. A sensor device in which a groove is embedded.
角速度センサおよび加速度センサの其々が異なるガス圧力で圧力容器に封止され、一方のセンサ基板側の封止キャップとの接合界面に、封止キャップ材で埋め込まれた溝を有するセンサ装置の製造方法であって、
前記溝を埋め込まないで他方のセンサ圧力容器を封止接合する工程と、
その後、溝を埋め込みつつ前記一方のセンサ圧力容器を封止接合する工程と、
からなり、
前記溝を埋め込みつつ前記一方のセンサ圧力容器を封止接合する工程は、
前記封止キャップ材の軟化温度近傍で、当該封止キャップ材が変形及び流動する程度の荷重でセンサ基板に押し付けながら、電界を印加して陽極接合する工程を含む多段階の工程で接合することを特徴とするセンサ装置の製造方法。
Manufacture of a sensor device in which an angular velocity sensor and an acceleration sensor are sealed in a pressure vessel with different gas pressures, and have a groove embedded with a sealing cap material at a bonding interface with a sealing cap on one sensor substrate side A method,
Sealing and bonding the other sensor pressure vessel without embedding the groove;
Thereafter, sealing and joining the one sensor pressure vessel while embedding the groove;
Tona is,
The step of sealing and joining the one sensor pressure vessel while embedding the groove,
Joining in a multi-step process including the step of applying an electric field and anodic bonding while pressing against the sensor substrate with a load sufficient to deform and flow the sealing cap material near the softening temperature of the sealing cap material. A method for manufacturing a sensor device.
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