JP2008229840A - プリント・メムス用複合ポリマーの方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】材料がインクジェット・プリンタから液状で噴出される必要があるプリント・メムスにおいては、構造材料はポリマーとなる可能性が高いが、これは普通は導電性ではない。導電性ポリマーは可能であるが、これらの材料は大きな抵抗を有し易い。
【解決手段】マイクロ電子機械システム用の複合材料を作成する方法であって、マイクロ電子機械システム・デバイスのレイアウトを決定し、少なくとも１滴のポリマーと少なくとも１滴の導電体とを交互に堆積させて、レイアウトに基づいて混交マトリックス(interwoven matrix)を作成し、レイアウトに基づいて前記マイクロ電子機械システム・デバイスを形成する、ステップを含むことを特徴とする方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、プリント・メムス用複合ポリマーの方法及びシステムに関する。

プリントされた有機電子機器は比較的新しい分野である。プリントされた又はプラスチックの電子機器は、有機半導体（即ち、シリコン又はゲルマニウム砒化物などの伝統的な無機半導体に対峙する導電性プラスチック）、それらの独特な物理的性質、並びに電子及び光電子デバイスの製造のために必要な新しい方法、の利用に関する。インク及び標準的なプリント技術を用いて有機半導体をベースとする電子及び光電子機器を作成することは、世界中に大規模な商業的関心と莫大な技術的努力を引き起している。

プリントされた電子機器の用途は、液晶ディスプレイ、有機発光ダイオード、無線周波数識別タグ、遍在する標識、スマート・ペーパー、光電池及び巻上げ式ディスプレイを含む。同じ技術は、プリントされたメムス（ＭＥＭＳ）に用いることができて、様々な基材上の安価で大面積のセンサを可能にし、これがプリントされたドライブ又は信号処理電子機器に統合される可能性がある。

プリント・メムス技術について行われたある研究は、この技術に大きな興味を集めた。しかし、プリント・メムス・デバイスはプリント電子機器にはない独特の問題に直面する可能性がある。例えば、メムスは動く機械的デバイスであるので、それらは導電体、絶縁体、構造層及び犠牲層を必要とし、ここで犠牲層は通常のメムスにおける空隙の代役となる。殆どの場合、構造層は導電性で、これらの役割の２つを果たす。幾つかの標準的なポリシリコン・ベースの表面微小機械加工ＭＥＭＳプロセスにおいては、ポリシリコンは構造材料及び導電体であり、二酸化シリコンが犠牲層であり、窒化シリコンが絶縁体である。高い導電率が必要な場合には金属も用いられる。材料がインクジェット・プリンタから液状で噴出される必要があるプリント・メムスにおいては、構造材料はポリマーとなる可能性が高いが、これは普通は導電性ではない。導電性ポリマーは可能であるが、これらの材料は大きな抵抗を有し易い。さらに、ポリマーの選択を導電性のものだけに限定すると、犠牲層剥離のエッチングが他の材料を攻撃しないように材料の適切な組合せを見出すことが非常に困難になる。

一実施形態は、一般にマイクロ電子機械システム用の複合材料を作成する方法に関する。この方法は、マイクロ電子機械システム・デバイスのレイアウトを決定し、少なくとも１滴のポリマーと少なくとも１滴の導電体とを交互に堆積させてレイアウトに基づいて混交マトリックスを作成するステップを含む。この方法はまた、レイアウトに基づいてマイクロ電子機械システム・デバイスを形成するステップを含む。

別の実施形態は、一般にマイクロ電子機械システム・デバイス用の導電性ポリマーを形成する方法に関係する。この方法は、マイクロ電子機械システム・デバイスのレイアウトを決定し、少なくとも１つの導電体層と少なくとも１つのポリマー層とを交互に堆積させて所定の厚さの導電性ポリマーとするステップを含む。この方法はまた、レイアウトによって導電性ポリマーを貫通するビアを形成してマイクロ電子機械システム・デバイスを形成するステップを含む。

さらに別の実施形態は、一般に導電性ポリマーを形成するためのシステムに関する。そのシステムは、レイアウトによってマイクロ電子機械システムをプリントアウトするように構成された材料プリンタ、及び材料プリンタから液滴状で噴出されるように構成されたポリマー材料を含む。システムはまた、材料プリンタから液滴状で噴出されるように構成された導電性材料を含む。材料プリンタは、少なくとも１滴のポリマーと少なくとも１滴の導電体とを交互に堆積させてレイアウトに基づいて混交マトリックスを作成し、レイアウトに基づいてマイクロ電子機械システム・デバイスを形成するように構成される。

実施形態の種々の特徴は、実施形態に関する以下の詳細な説明を添付の図面とともに考察するときより良く理解されるので、さらに十分に理解することができる。

実施形態は、一般にプリント・メムス・デバイスの方法及びシステムに関する。より具体的には、特定のメムス用途のための適当な機械的、熱的及び／又は化学的特性を有する新規の新種の材料を開発する代りに、種々の方式で標準的な材料を組み合せてポリマーと導電体の複合層を形成し、適切な特性を有する材料を実現する。

１つの実施形態において、混交マトリックスはポリマーと導電体の１滴ずつの堆積を用いて作成することができる。次の層が堆積されるにつれて、ウィーブは３次元に広がり導電体の多数の連続した経路を形成することができる。導電体に対するポリマーの比及び液滴の相対位置を変化させて、種々異なる導電率及び／又は機械的特性を有する複合膜を作成することができる。導電体液滴が加えられない領域において選択されたポリマーが十分に絶縁性である場合には、絶縁領域を形成して垂直方向を含んだ所望の如何なる方向にも信号経路を定めることができ、短絡させずに線が重なることを可能にする。

第２の実施形態においては、導電体とポリマーの交互の層を、複合材料の目標の厚さが達成されるまで堆積させる。次に、ビアのアレイを層間に作成して複合材料を垂直方向に通した導電性を可能にする。要するに、第１の実施形態に類似した混交マトリックスが、１滴ずつのプロセスによらずに作成される。接合の違いのため、この配列は、第１の実施形態により作成される複合膜と比べて、複合膜の機械的特性の違いを生じる可能性がある。種々の実施形態により、層及びビアは形成された積層複合材料の厚さ全体にわたって存在することができるか、或いは層及びビアは選択されたスポットに存在することができて、複合材料内の導電性領域及び絶縁性領域を可能にする。
図１は一実施形態による例示的なシステム１００を示す。

図１に示されるように、システム１００は圧盤１０５、材料プリンタ１１０、及びコントローラ１２０を含む。図示されていないが、システム１００は、幾つかの実施形態においては温度制御システムとともにクリーン・ルーム環境内にあるように構成することができる。

圧盤１０５は、その上に形成されるプリント・メムス・デバイスの支持表面を提供するように構成することができる。材料プリンタ１１０は、選択されたデバイスを形成するプリントヘッド１１５Ａ−Ｃから材料を噴射するように構成されたＤｉｍａｔｒｉｘ ＤＭＰ−２８００ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｉｎｔｅｒのような材料インクジェット・プリンタとすることができる。プリントヘッド１１５Ａ−Ｃは、材料で充填されるように、又は予め充填されたパケットであるように構成されたキャビティ又はカートリッジを有するように構成することができる。材料プリンタは３個のプリントヘッドを有するように示されているが、プリントヘッドの個数は、材料プリンタの選択されたモデル、及び噴射される材料の数に依存することは明白であると理解されたい。

材料プリンタ１１０は、コントローラ１２０とインタフェースで連結するように構成することができる。コントローラ１２０は、材料プリンタに指示し、それを管理するように構成することができる。より具体的には、コントローラ１２０は、選択されたデバイスのレイアウトに従って適切な位置及び時間に正しい材料を噴出するように、材料プリンタに指示するソフトウェアを実行することができる。コントローラ１２０はまた、デバイスのレイアウト又は図面を受け取るためのインタフェース（図示せず）を有するように構成することができる。インタフェースは、ディスク・ドライブ、ユニバーサル・シリアル・バス・インタフェース、ネットワーク・インタフェース（例えば、イーサネット（登録商標））又は当業者に既知の他の類似の情報交換インタフェースとすることができる。幾つかの実施形態において、コントローラ１２０は、ワークステーション、パーソナル・コンピュータ、クライアント・コンピュータ、制御システム又は他の類似のコンピューティング・プラットフォームとして実施することができる。

システム１００は、標準的な材料の複合膜によりプリント・メムス・デバイスを形成するように構成することができる。より具体的には、新種の材料、特定の電気的、機械的、熱的、及び化学的特性を開発する代りに、本発明の実施形態は、ポリマーと導電体の複合膜を作成するように構成することができる。「標準的な」材料は、以下に説明される種々の方式で組み合せて所望の特性を実現することができる。

留意事項として、ポリマーは、正しい構造的特性（硬さ、可塑性など）を有するように、そして導電性を考慮することなく環境及び剥離エッチングに対して化学的耐性であるように選択することができる。ポリマーの例には、ポリイミド、ポリアリーレンエーテル（ＰＡＥ）、ＳＵ８、ベンゾシクロブタン・ベースのポリマー（ＢＣＢ）、及び液晶ポリマー（ＬＣＰ）がある。ポリマーは選択的に堆積させられるので、光画像形成可能である必要はないことにより、適切なポリマーのリストは伝統的なポリマー・メムスにおけるよりも遥かに大きなものとなり得る。導電体は殆ど任意のものとすることができ、適度に用いる場合に複合膜の全体的な機械的特性にあまり寄与しないようにすることができる。導電体の例には、銀、金、アルミニウム、銅、及びニッケルがある。従ってポリマーは、導電体との組合せ方に応じて、構造層、導電層、又は絶縁層として機能することができ、従来プロセスよりも単純になる。

幾つかの実施形態において、システム１００は、ポリマーと導電体の１滴ずつの堆積を用いて混交マトリックスを作成するように構成することができる。次の層が堆積されるにつれて、ウィーブは３次元に広がり導電体の多数の連続した経路を有する構造体を作成することができる。導電体に対するポリマーの比及び液滴の相対位置を変化させて、種々異なる導電率及び／又は機械的特性を有する複合膜を作成することができる。導電体液滴が加えられない領域において選択されたポリマーが十分に絶縁性である場合には、絶縁領域を形成して垂直方向を含んだ所望の如何なる方向にも信号経路を定めることができ、短絡させずに線が重なることを可能にする。この方法によって作成された膜の層の一例を図２に示す。

図２は、１滴ずつの方法による複合膜２００の一層の一実施例を示す。示されるように、ポリマー・ドット２０５は概ね導電体ドット２１０で間を占められている。区域２１５はポリマー・ドット２０５の増加により非導電性領域として構成することができる。膜２００の層の特性に応じて、膜の次の層は示された層とは異なることになる。例えば、導電性ドットは、複合膜２００の現在の層の内の導電性ドットの間の接続を完成するように配置することができる。

示された実施形態においては、実質的に３分の１のドットが導電性ドット２１０である。しかし、導電性ドット２１０は、複合膜の機械的特性に対する導電性ドットの影響を最小限にするように、よりまばらに引き離すことができる。

代替的に、第２の方法により、標準的な材料を用いて複合膜を作成することができる。システム１００を用いて、基材の上に導電体とポリマーの交互の層を、目標の厚さが達成されるまで堆積させることができる。次に、ビアのアレイを層間に作成して複合膜を垂直に通した導電性を可能にする。要するに、第１の実施形態に類似した混交マトリックスが、１滴ずつのプロセスによらずに作成される。接合の違いのため、この配列は、１滴ずつの方法で作成される複合膜と比べて、複合膜の機械的特性の違いを生じる可能性がある。１層ずつの方法により作成された複合膜の一実施例を図３に示す。

図３は、複合膜３００内の層状混交の断面図を示す。図３に示されるように、区域３１０は導電体層３２０ＡＢの間に挟まれたポリマー３１５の幾つかの層を示す。ビア３２５は、２つの層３２０Ａと３２０Ｂを接続するように形成することができる。幾つかの実施形態において、層及びビアは複合膜３００の全体の深さにわたって存在することができ、或いはそれらは選択的なスポットに存在することができて、複合膜３００内の導電性領域及び絶縁性領域を可能にする。

従って、用いる材料の性質に依存して、２つの方法のうちの１つが他の１つに対して有利な点をもたらす可能性がある。幾つかの実施形態においては、２つの方法の組合せを用いることができる。例えば、導電体が、犠牲層を除去するのに用いられるエッチング剤から損傷を受け易い場合には、組合せが道理にかなうことになる。その場合、外側の層は導電体を包んで保護するポリマーとする必要があるが、内側のコアは依然として導電体及びポリマーの液滴状のマトリックスから形成することができる。別の例は、ポリマーと犠牲材料の間の化学的選択性が低いときであり、剥離エッチング中に構造体が損傷を受ける危険性がある。導電体が剥離エッチングに冒されない場合（導電体とポリマーが化学的に異なる場合にありそうな）には、ポリマー又は導電体／ポリマーのマトリックスを導電体の固体層で包むことにより、プロセスが働くようになる。
図４は、さらに別の実施形態によるシステム１００によって実施されるプロセスのフロー図４００を示す。

図４に示されるように、ステップ４０５において、所望のデバイスのレイアウトがコントローラ１２０にロードされる。より具体的には、ユーザはディスク又はサムドライブ（ｔｈｕｍｂ ｄｒｉｖｅ）をコントローラ１２０の適切なインタフェース内に挿入し、作成されたレイアウトをシステム１００に移す。幾つかの実施形態においては、コントローラ１２０はまた、ユーザにレイアウト作成機能を提供するソフトウェアを実行するシステムの部分とすることができる。従って、ユーザはレイアウトをコントローラ１２０の内部にセーブすることができる。

ステップ４１０において、基材をシステム１００の圧盤１０５に挿入するか又はその上に置くことができる。より具体的には、複数層にする及び／又は複数プリントヘッドを用いる場合には、プリントヘッド１１５Ａ−Ｃを基材上の位置合せマークに位置合せすることができる。

ステップ４１５において、それぞれの材料をプリントヘッド１１５Ａ−Ｃ内に充填することができる。材料の選択は、所望のデバイスの要件の機能とすることができる。ステップ４２０においては、システム１００は堆積のために準備することができる。より具体的には、プリントヘッド１１５Ａ−Ｃ及び／又は基材を加熱して、指定された噴射／濡れ特性、即ち、適切に形成された液滴、目標の液滴サイズ、基材／前の層に対する十分な粘着力などを達成するのに適当な条件を実現する。

ステップ４２５において、材料プリンタ１１０は適切なプリントヘッド１１５を活性化して、１滴ずつ又は１層ずつの方法により混合される材料の堆積を開始する。より具体的には、材料プリンタ１１０は、材料プリンタ１１０が単一のプリントヘッドを有する場合には、第１材料のプリントを開始することができる。複数プリントヘッドの材料プリンタに対しては、第２材料が第１材料と一緒に流れることにならない限り、第１及び第２プリントヘッドからの同時の噴出を実現することができる。その場合、これは堆積した第１材料が第２材料の塗布の前に乾燥することを必要とすることになる。

プロセスの留意事項として、単一の液滴が必要な厚さを与えない場合には、追加の液滴を第１液滴のヒットの直後、又は第１液滴の乾燥可能な時間の後に噴出することができる。

ステップ４３０において、必要ならば金属の焼結及び／又はポリマーの硬化のために、１層毎に又は完成したデバイスにベークを施すことができる。１層毎に行う場合には、ステップ４２０−４３０をデバイスが完成するまで繰り返す。

本発明の実施形態を用いることにより、プリント・メムスは着想を迅速に安価に試験する機構をもたらすことができる。より具体的には、ひとたびデバイスが設計されると、プリント・プロセスは数分から数時間かかるが、一方典型的な製造プロセスは１ヶ月から３ヶ月を要する。典型的にはメムス・プロセスの運転には＄１０Ｋ−＄２０Ｋのフォトマスクのコストと＄５０Ｋ−＄１００Ｋの製造コストがかかる。これとは対照的に、プリント・メムスは、マスクを必要とせず、製造コストは基材及び堆積材料のコストであるが、堆積材料は必要な場所にだけ配置するので倹約して用いられる。さらに、プリント・メムスは全幅アレイ型インクジェット・プリントヘッド、分散型大面積センサ及びアクチュエータ、及び新型材料プリンタを可能にする。

一実施形態による例示的なシステムを示す。 別の実施形態による複合膜を示す。 さらに別の実施形態による複合膜を示す。 さらに別の実施形態による別の例示的なフロー図を示す。

符号の説明

１００：システム
１０５：圧盤
１１０：材料プリンタ
１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ：プリントヘッド
１２０：コントローラ
２００、３００：複合膜
２０５：ポリマー・ドット
２１０、３１０：導電体ドット
２１５：区域
３１５：ポリマー層
３２０Ａ、３２０Ｂ：導電体層
３２５：ビア
４００：プロセスのフロー図

Claims (6)

1. マイクロ電子機械システム用の複合材料を作成する方法であって、
   マイクロ電子機械システム・デバイスのレイアウトを決定し、
   少なくとも１滴のポリマーと少なくとも１滴の導電体とを交互に堆積させて、前記レイアウトに基づいて混交マトリックス(interwoven matrix)を作成し、
   前記レイアウトに基づいて前記マイクロ電子機械システム・デバイスを形成する、
   ステップを含むことを特徴とする方法。
2. 第２の機械的特性を必要とする前記レイアウトに応じて、第２のポリマーを選択するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 別の型の導電特性を必要とする前記レイアウトに応じて、第２の導電体を選択するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 絶縁領域を必要とする前記レイアウト応じて、前記導電体の液滴を停止させるステッ
   プをさらに含むことを特徴とする、請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の方法。
5. ポリマーの液滴と導電体の液滴を前記交互に堆積させるステップは材料プリンタから始まることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、又は請求項４に記載の方法。
6. 前記ポリマーは、ポリイミド、ポリアリーレンエーテル（ＰＡＥ）、ＳＵ８、ベンゾシクロブタン・ベースのポリマー（ＢＣＢ）、及び液晶ポリマー（ＬＣＰ）の内の１つであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、又は請求項５に記載の方法。

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