JP2009502531A

JP2009502531A - 微小電気機械システムのパッケージング及び配線

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Publication number: JP2009502531A
Application number: JP2008523919A
Authority: JP
Inventors: チェン―ヒュアチェン，; ジョンジー．バンベル，; ヘンリーカン，
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2026-07-07
Also published as: CN101233073B; CN101233073A; US20070128828A1; EP1919821A1; JP4885956B2; WO2007018955A1; US8217473B2

Abstract

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、電気的なウェーハと、機械的なウェーハと、電気的なウェーハを機械的なウェーハに接着する、プラズマ処理された酸化物シールと、電気的なウェーハと機械的なウェーハとの間の電気配線とを備える。

Description

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、超小型電子回路と一体的に構成される微小機械基板を備える。そのようなＭＥＭＳデバイスは、たとえば、電磁効果、電歪効果、熱電効果、圧電効果又は圧抵抗効果に基づいて動作する、たとえばマイクロセンサ又はマイクロアクチュエータを形成することができる。ＭＥＭＳデバイスは、フォトリソグラフィ、蒸着及びエッチングのようなマイクロエレクトロニクス技術を用いて、絶縁体又は他の基板上に製造される。

典型的には、ＭＥＭＳデバイスの電気的な部分及びＭＥＭＳデバイスの機械的な部分は、別個のウェーハ上に形成され、その後、互いに接着されて、ＭＥＭＳデバイスが形成される。電気的な部分及び機械的な部分の接着は、ウェーハレベルの処理において実行されるか、ダイレベルの処理において実行されるかのいずれかである。ウェーハレベル又はダイレベルのいずれの処理においても、典型的にははんだを用いて、電気的な部分が機械的な部分に接着され、且つ電気的な部分と機械的な部分との間に電気配線が設けられ、ＭＥＭＳデバイスが形成される。はんだ付け工程において、熱的及び／又は機械的なシフトに起因して位置合わせ不良が生じることがある。この位置合わせ不良の結果として、歩留まりが減少することがある。

これらの理由及び他の理由から、本発明が必要とされている。

本発明の一態様は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを提供する。ＭＥＭＳデバイスは、電気的なウェーハと、機械的なウェーハと、電気的なウェーハを機械的なウェーハに接着する、プラズマ処理された酸化物シールと、電気的なウェーハと機械的なウェーハとの間の電気配線とを備える。

以下の詳細な説明では、本明細書の一部を構成し、本発明を実施することができる具体的な実施形態を例示する添付の図面が参照される。この関連で、説明される図面（複数可）の向きを参照しながら、「上側」、「下側」、「正面」、「背面」、「前方」、「後方」等の方向に関する用語が用いられる。本発明の実施形態の構成要素は多数の異なる向きに配置することができるので、方向に関する用語は、例示の目的で用いられており、決して限定するものではない。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、構造的又は論理的変更を行うことができることは理解されたい。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定する意味に解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

図１は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス１００の一実施形態の断面図を示す。ＭＥＭＳデバイス１００は、機械的なウェーハ（Ｍウェーハ）１０２と、電気的なウェーハ（Ｅウェーハ）１０４とを備える。Ｍウェーハ１０２は、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６及びはんだ配線１０８を利用して、Ｅウェーハ１０４に接着される。

一実施形態では、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６は、はんだ配線１０８と、Ｍウェーハ１０２及びＥウェーハ１０４の一部とを封入する。

Ｍウェーハ１０２とＥウェーハ１０４との接着は、ウェーハレベル又はダイレベルの処理において実施される。一実施形態では、２つのウェーハが位置合わせされ、所定の位置に固定されるように、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６が室温においてＭウェーハ１０２をＥウェーハ１０４に接着する。一実施形態では、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６が、接触すると自然にＭウェーハ１０２をＥウェーハ１０４に接着する。一実施形態では、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６は、Ｍウェーハ１０２とＥウェーハ１０４との間の間隙１１０も所望の値に正確に設定する。

一実施形態では、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６がＭウェーハ１０２をＥウェーハ１０４に接着し、ウェーハ間の間隙１１０を設定した後に、はんだ配線１０８が、Ｍウェーハ１０２とＥウェーハ１０４との間に形成される。一実施形態では、接着されたＭウェーハ１０２及びＥウェーハ１０４をアニールし、Ｍウェーハ１０２及び／又はＥウェーハ１０４上に堆積されたはんだ材料をリフローし、Ｍウェーハ１０２とＥウェーハ１０４との間に電気的な３Ｄ配線１０８を形成する。

一実施形態では、Ｍウェーハ１０２は、超小型可動子又は他の適当な微小機械デバイスを含む。一実施形態では、Ｅウェーハ１０４は、超小型可動子と相互接続し、ＭＥＭＳデバイス１００のようなＭＥＭＳデバイスを形成するための相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）回路又は他の適当な回路を含む。

プラズマ処理された酸化物シールリング１０６は、はんだ接着技術に比べて、Ｍウェーハ１０２とＥウェーハ１０４との間の位置合わせを大幅に改善できるようにする。さらに、はんだ接着技術よりも、全体的な接着強度を大幅に高めることができる。位置合わせを改善し、接着強度を高めることによって、製造中の工程マージンを大きくすることができ、歩留まりを高めることができることができる。また、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６は、ウェーハ又はダイ集積及びパッケージングにおいて、正確に位置合わせされた３Ｄアーキテクチャも可能にする。さらに、一実施形態では、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６によって、配線と共に気密パッケージングが達成される。

図２は、Ｍウェーハ１０２の一実施形態の断面図を示す。一実施形態では、ＳｉＯ₂又は別の適当な材料のようなシールリング材料が、フォトリソグラフィ工程を用いてＭウェーハ１０２上でパターニングされ、所望の接着点及び間隙１１０が得られる。一実施形態では、電気配線を形成するために、Ｍウェーハ１０２上にはんだバンプ１０８ａも設けられる。一実施形態では、シールリング材料及び／又ははんだバンプは、Ｍウェーハ１０２上ではなく、Ｅウェーハ１０４上に設けられる。別の実施形態では、封止材料は、Ｍウェーハ１０２及びＥウェーハ１０４の両方の上でパターニングされる。

一実施形態では、シールリング１０６は、酸素プラズマ又は窒素プラズマのようなプラズマで処理される。このプラズマ処理は、シールリング１０６が別のＳｉＯ₂表面又は別の適当な表面と接触して直ちに接着できるようにする。

図３は、Ｍウェーハ１０２及びＥウェーハ１０４を接着するために位置合わせすることに関する一実施形態の断面図を示す。この実施形態では、Ｍウェーハ１０２が、Ｅウェーハ１０４と位置合わせされる。その後、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６が、Ｅウェーハ１０４のＳｉＯ₂表面と接触する。一実施形態では、プラズマ処理された酸化物シールリング１０６がＥウェーハ１０４のＳｉＯ₂表面と接触すると、Ｍウェーハ１０２が室温において自然にＥウェーハ１０４に接着する。

その後、Ｍウェーハ１０２及びＥウェーハ１０４をアニールして、はんだ１０８ａをリフローする。リフローされたはんだ１０８ａは、Ｍウェーハ１０２と、Ｅウェーハ１０４の電気的コンタクト１０８ｂとの間に電気的な３Ｄ配線１０８を設ける。プラズマ処理された酸化物シールリング１０６と、電気的な３Ｄ配線１０８とを組み合わせることによって、位置合わせされたＭウェーハ１０２及びＥウェーハ１０４が接着され、図１に示されるＭＥＭＳデバイス１００が形成される。

図４は、デバイス１５０を形成するために向かい合うように接着される２つのチップの一実施形態の断面図を示す。デバイス１５０は、パッケージ１５３内のチップ１５２と、パッケージ１５５内のチップ１５４と、電気配線１５６と、プラズマ処理された酸化物シールリング１５８とを備える。

酸化物シールリング１５８が、パッケージ１５３上、パッケージ１５５上、又はパッケージ１５３及び１５５の両方の上においてパターニングされ、所望の接着点及び所望の間隙１６０が得られる。一実施形態では、その後、酸化物シールリング１５８は、プラズマ処理される。チップ１５２の正面がチップ１５４の正面と位置合わせされ、接触時に、プラズマ処理された酸化物シールリング１５８が接着される。一実施形態では、その後、デバイス１５０はアニールされ、はんだがリフローされて、チップ１５２とチップ１５４との間に電気配線１５６が形成される。

図５は、デバイス１７０を形成するために向き合う構成になるように、背面で接着される２つのチップの一実施形態の断面図を示す。デバイス１７０は、パッケージ１５３内のチップ１５２と、パッケージング１５５内のチップ１５４と、電気配線１５６と、プラズマ処理された酸化物シールリング１５８とを備える。

酸化物シールリング１５８が、パッケージ１５３上、パッケージ１５５上、又はパッケージ１５３及び１５５の両方の上においてパターニングされ、所望の接着点及び所望の間隙１６０が得られる。一実施形態では、その後、酸化物シールリング１５８は、プラズマ処理される。チップ１５２の背面がチップ１５４の正面と位置合わせされ、接触時にプラズマ処理された酸化物シールリング１５８が接着される。一実施形態では、その後、デバイス１７０はアニールされ、はんだがリフローされて、チップ１５２とチップ１５４との間に電気配線１５６が形成される。

本発明の実施形態は、電気配線を形成するために高温でのはんだリフローを実施する前に、ウェーハ又はダイを所定の位置に仮止めするための低温プラズマボンドを提供する。プラズマ処理された酸化物シールリングの実施形態は、位置合わせ精度を改善し、材料の膨張、熱効果、機械的なシフト等に起因する任意の位置合わせ不良を概ねなくす。

本明細書において具体的な実施形態が図示及び説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、図示及び説明される具体的な実施形態の代わりに、種々の代替及び／又は同等の実施態様を用いることができることは、当業者には理解されよう。本出願は、本明細書において説明される具体的な実施形態の任意の改変又は変形を包含することを意図している。それゆえ、本発明が特許請求の範囲及びその均等物によってのみ制限されることが意図されている。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの一実施形態の断面図である。機械的なウェーハの一実施形態の断面図である。機械的なウェーハと電気的なウェーハとを接着するために位置合わせすることに関する一実施形態の断面図である。向かい合うように接着される２つのチップの一実施形態の断面図である。向き合う構成になるように、背面で接着される２つのチップの一実施形態の断面図である。

Claims

電気的なウェーハと、
機械的なウェーハと、
前記電気的なウェーハを前記機械的なウェーハに接着する、プラズマ処理された酸化物シールと、
前記電気的なウェーハと前記機械的なウェーハとの間の電気配線とを備えることを特徴とする微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。
前記電気配線ははんだを含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記電気的なウェーハは、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）回路を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記機械的なウェーハは超小型可動子を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記プラズマ処理された酸化物シールは、プラズマ処理されたＳｉＯ₂を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記プラズマ処理された酸化物シールは、気密封止を提供することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記プラズマ処理された酸化物シールは、プラズマ処理された酸化物シールリングを含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
第１のパッケージ内の第１のチップと、
第２のパッケージ内の第２のチップと、
前記第１のパッケージを前記第２のパッケージに接着する、プラズマ処理された酸化物シールと、
前記第１のチップと前記第２のチップとの間の電気配線とを備えることを特徴とする微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。
前記電気配線は、前記第１のチップの正面を前記第２のチップの正面に接着することを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記電気配線は、前記第１のチップの正面を前記第２のチップの背面に接着することを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記電気配線ははんだを含むことを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記プラズマ処理された酸化物シールは、プラズマ処理されたＳｉＯ₂を含むことを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記プラズマ処理された酸化物シールは、気密封止を提供することを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記プラズマ処理された酸化物シールは、プラズマ処理された酸化物シールリングを含むことを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳデバイスシステム。
電気的なダイと、
機械的なダイと、
前記電気的なダイを前記機械的なダイに接着する、プラズマ処理された酸化物シールリングと、
前記電気的なダイと前記機械的なダイとの間の電気配線とを備えることを特徴とする微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。
前記電気配線ははんだを含むことを特徴とする請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記電気的なダイは、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）回路を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記機械的なダイは超小型可動子を含むことを特徴とする請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記プラズマ処理された酸化物シールリングは、プラズマ処理されたＳｉＯ₂を含むことを特徴とする請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記プラズマ処理された酸化物シールリングは、気密封止を提供することを特徴とする請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
ウェーハを電気的に相互接続する方法であって、
電気配線用のはんだボールを有する第１のウェーハを配設することと、
前記電気配線用のコンタクトを有する第２のウェーハを配設することと、
前記電気配線用の前記はんだボール及び前記コンタクトを位置合わせするように、プラズマ処理された酸化物シールによって、室温において前記第１のウェーハを前記第２のウェーハに接着することと、
前記はんだをリフローして、前記電気配線を形成することとを含むことを特徴とするウェーハを電気的に相互接続する方法。
前記第１のウェーハと前記第２のウェーハとの間に間隙を設定することをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載のウェーハを電気的に相互接続する方法。
前記第１のウェーハを配設することは、機械的なウェーハを配設することを含み、前記第２のウェーハを配設することは、電気的なウェーハを配設することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
第１のウェーハ上に第１の酸化物シール材料を堆積することと、
第１の酸化物シールリングを形成するために、前記第１の酸化物シール材料をパターニングすることと、
前記第１の酸化物シールリングをプラズマ処理することと、
前記第１のウェーハを前記第２のウェーハに接着するために、前記プラズマ処理された第１の酸化物シールリングを第２のウェーハと接触させることと、
はんだをリフローして、前記第１のウェーハと前記第２のウェーハとの間に電気配線を形成するために、前記第１のウェーハ及び前記第２のウェーハをアニールすることとを含むことを特徴とする微小電気機械システムをパッケージングする方法。
前記第１の酸化物シールリングをプラズマ処理することは、前記第１の酸化物シールリングを酸素プラズマで処理することを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
前記第１のウェーハ上に第１の酸化物シール材料を堆積することは、機械的なウェーハ上に第１の酸化物シール材料を堆積することを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
前記プラズマ処理された第１の酸化物シールリングを前記第２のウェーハと接触させることは、前記プラズマ処理された第１の酸化物シールリングを電気的なウェーハと接触させることを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
前記第２のウェーハ上に第２の酸化物シール材料を堆積することと、
第２の酸化物シールリングを形成するために、前記第２の酸化物シール材料をパターニングすることと、
前記第２の酸化物シールリングをプラズマ処理することとをさらに含み、
前記プラズマ処理された第１の酸化物シールリングを前記第２のウェーハに接触させることは、前記プラズマ処理された第１の酸化物シールリングを前記プラズマ処理された第２の酸化物シールリングに接触させることを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。