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平成27年度 機械知能・航空工学科 7セメスター開講
微小機械加工学
接合・複合プロセス
接合
加工(エッチングなど)後のウェハ同士を界面で接合することにより,立体的な構造だけでなくパッケージングして封止された構造を作ることができる.
接合
・ ・ ・ ・その他の接合
低融点ガラスを用いる接合 ポリマ,フィルム,接着剤 はんだ,共晶接合(金属同士), TLP接合(金属同士)
陽極接合(アノーディックボンディング)
ガラスとSiの研磨面を重ねて400℃ぐらいに加熱し,ガラスに500V程度のマイナスの電圧をかけると,( ).
(Na+など)
Si
ガラス
Si
( )により接合
ガラス
Si Si
ガラス
Si
陽極接合
←Na+
←Na+
←Na+
― ―
― ―
― ―
ガラス SiO-
+ + + + + +
Si
( )することにより,SiO-とSi側の静電荷との間で静電気力が発生 Si-O-Siの( )
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
陽極接合( )
Siと陽極接合するガラスには,Siとの( )が求められる. → ・ (コーニング社) ・ (ショット社) ・熱膨張がパイレックスガラスに近い( )(コバール10) → 機械加工や溶接が可能なので,外部との接続がやりやすい
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
直接接合(Fusion bonding)
研磨したSi基板やその上にSiO2膜を形成したものを重ねて( )で張り合わせる接合方法
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/WORD/20090421/169086/
Si
O
H
洗浄・活性化後
OH基
張り合わせ後 熱処理 ステップ1 熱処理 ステップ2
室温 <200℃ <200~1000℃ <1000℃
直接接合の原理
( ) ( )
プラズマ支援接合
Si基板表面をプラズマ処理後,重ね合わせて( )して接合 → ( )が得られる. メリット:( )に接合できる. ( )でも接合可能.
プラズマ処理により,表面にOH基が高密度で作られる
→ ( )
Si-水晶-Si接合によるAFMプローブ
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
プラズマ支援接合によるSi基板上半導体レーザー
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
その他の接合
( )を用いる方法
( )
金属同士を接合する方法
• ( ): 熱圧着によるAu-Au, Cu-Cu, Ti-Tiの接合
• はんだ付け
• ( ): Au-Si, Au-Sn, Au-Ge, Al-Geなどの組み合わせで熱的 に溶融させ接合
• ( ): 金属同士の接合界面で片側の低融点金属が一時的に溶融 し,反対側の金属と金属間化合物を形成
その他の接合
( )
( )
Si表面にAuをつけて重ねて加温.
Si表面の(自然)酸化膜が
あると共晶できないため,( )
して酸化膜を除去したあとAuをスパッタ.
ばねで( )しながら,400℃の温度で接合.
高融点の被接合金属(Ni)間の( )を接触させ,低融点金属を融解させる
低融点金属の液相が徐々に被接合金属に吸収され,高融点の合金へと変化する。
接合温度より接合部の( )できる.
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
複合プロセス
パターニングやエッチング,および堆積や接合の技術を組み合わせて,チップ上にある程度立体的な構造を形成する方法.
• ( ): Siウェハ自体をエッチングなどで加工する方法 → 製作工程中に破壊しやすい・・・
• ( ): ウェハ上に( )を堆積し,( )を エッチングで除去する方法 → 犠牲層エッチングの後に構造体が下地に張り付 きやすい・・・
バルクマイクロマシーニング
SCREAM(Single Crystal Reactive Etch and Metal)プロセス: ( )と( )の組み合わせ →機械的に動く構造を単結晶Siで作成可能!
SiO2
マスク形成
SiO2 PECVD
SiO2
金属膜堆積
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
表面マイクロマシーニング
( )
Si Si
Si Si
( )を形成 → ( )により犠牲層を除去 → 機械的に動く構造体(Digital Mirror Device (DMD), 蝶番構造など)などを製作できる.
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
表面マイクロマシニングによるpoly-Si一方向弁
poly-Si
Si
SiO2( ) PSG( )
poly-Si
poly-Si
Si Si基板をエッチング
犠牲層をエッチング
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
貼りつきとその対策
構造層 犠牲層 エッチング方法
Poly-Si PSG(リン酸
ガラス),SiO2
HF液
Poly-Si SiO2 HFガス
Si3N4 Poly-Si TMAH他
SiO2 Poly-Si XeF2ガス
Poly-Si他 Ge H2O2液
SiO2他 Al HCL+H2O2+H2
O液
SiO2,Al他 レジスト O2プラズマ
犠牲層のウェットエッチングにおける貼りつき
乾燥時に( )により,構造層が基板に付着し,貼りつき(スティッキング)が生じる.
構造層 水
( )
対策
1) 2)
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
集積化
集積化のメリット ・容量型センサ(電気量への変換原理が静電容量の変化を利用したもの.圧力,加速度,角速度センサなど)
→ 容量検出回路を集積化することにより,寄生容量(あらゆる部品に 付随する微小な容量)を減らし,( ) ・一体化による( ) → 無線機能付きの“ ”診断チップの実現
( ) インクジェットプリンタのプリントヘッド:1,000個ほどの ノズルが回路とともに直線上に配置 ( ) DMD(digital mirror device):CMOS集積回路チップ上に2次元的に動作する鏡
が200万個ほど配置 赤外線イメージャ:熱型センサが集積回路上に2次元的に配置
http://web.canon.jp/technology/canon_tech/explanation/ij.html
集積化MEMS
Pre CMOS Post CMOS
同じSiチップ上に( )
Pre CMOS:MEMS→回路 Post COMO: 回路→MEMS
MEMSと回路は( ),電気的に接合される. →開発期間やコストの点で有利
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
Pre CMOS
基板内にMEMSによるマイクロ機械共振子を形成した例
江刺 正喜: はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.
• はじめにMEMSを作製するため,CMOS回路への温度影響がない. • 発振回路と一体化することにより,寄生容量が小さくなり位相雑音を少なくできる.
Post CMOS
表面マイクロマシーニングによる集積化容量型加速度センサ
構造
COMS回路を製作したウェハ上にMEMSを形成する.
加速度センサの原理
SiP MEMS
陽極接合
DEEP RIE
MEMSウェハのGeとCMOSウェハのAlを( )により接合→封止と電気的な接合を同時に行うことが可能
パッケージングと組立
シリコンウェハ
( )
分割 分割(ダイシング)
MSMSの( )
・MEMSでは,チップ内に動く構造や壊れや
すい構造を有しているため,そのままでは樹脂封止できない.
→ ( )工程前に封止が 必要!
コスト,信頼性,小型化の点からも( ) は非常に重要!
パッケージングと組立
MEMSパッケージングの各種形態
蓋をしてから配線(金属)を取り出す方法
あらかじめ配線付きの蓋を接合
金属同士の界面で接合:封止と配線取出しを同時に行う
低融点ガラスによる接合
はんだによる接合
チップ上に段差があってもOK
材料を堆積させることにより封止(犠牲層を用いた空孔を封止)
本日のまとめ
【接合・複合プロセス】 接合:陽極接合,直接接合,プラズマ支援接合,その
ほかの接合(低融点ガラス,ポリマフィルム,接着剤はんだを用いる方法,共晶接合(金属同士),TLP接合(金属同士))
複合プロセス:バルクマイクロマシーニング,表面マイクロマシーニング
集積化:寄生容量の低減による微小容量の検出,一体化によるコスト削減
集積化技術:SoC MEMS (Pre CMOS, Post CMOS), SiP MEMS
パッケージング:ウェハレベルパッケージングが重要