JP2010509087A - 局所化した結合のための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
1つまたは複数のキャビティが、結合すべき1つ、すべて、またはいくつかの要素の結合面に形成される。これらのキャビティは、結合材用の収容部となり、結合部が局所化される場所である。キャビティは、それらの体積が、結合部を形成する結合材の体積よりも大きいように、十分なサイズおよび形状である。これは、要素が互いに接触されて接合するときに、凝固して結合部となる前に流動することができる結合材がキャビティ内に流入して、部品の分離を妨げないことを保証する。これは、公称ゼロの離隔距離で部品を接合できるようにする。凝固されると、結合材は、各キャビティの内部に、局所化した結合部を形成する。接着材を注入または充填することができる長方形、円形、または任意の他の形状など様々なキャビティ形状が使用されることがある。
【選択図】図2D
【選択図】図2D
Description
本発明は、2つ以上の部品を結合させることに関し、より詳細には、結合される部品の表面間で非常に小さい、ほぼゼロのギャップを保ちながら2つ以上の部品を結合させることに関する。
多くの用途に関して、結合される部品間で公称ゼロのギャップを実現することが、複合構造の適切な機能動作のために重要である。例えば、マイクロ電気機械システム(MEMS)デバイスの作動要素を形成する部品と、作動される要素を形成する部品との間の距離を定義するギャップが、デバイスの適切な動作に重要である。
図1は、従来技術で知られているような、静電駆動マイクロミラー10の例示的な図である。マイクロミラー10は、ヒンジの周りで枢動することができる微細機械加工ミラー12と、微細機械加工ミラー12の下に位置決めされ、基板16上に位置された静電作動電極14とを含むものとして図示される。マイクロミラーと基板とは、しばしば個別に製造され、次いで一体に結合されて、最終的なデバイスを形成する。電極に印加される電圧により、ミラーが傾く。電極によってミラーに及ぼされる力は、ミラーと電極との間の離隔距離に応じて敏感に変化するので、上述した部品間の離隔距離を厳しい公差で保つことが重要である。したがって、2つの結合面の間の距離をできるだけ小さく、例えば公称ゼロのギャップで保つことが望ましい。
公称ゼロギャップの離隔距離をもたらすことができる標準的な結合技法として、例えば、融着接合、共晶接合、および陽極接合が挙げられる。融着接合は、典型的には、700℃に迫る温度で行われ、共晶接合は、300℃で行うことができる。陽極接合は、半導体材料をガラスに結合させることに限定される。例えば、部品が、300℃を超える温度で劣化する材料からなる場合、または材料が陽極接合に適合しない場合など、部品をさらすことができる最大温度が300℃未満である場合、代替技法を使用しなければならない。
部品を一体に結合させるための接着剤またははんだの使用は、融着接合または共晶接合よりもはるかに低い温度で行うことができる。接着剤またははんだは、通常は高温を必要とするが、材料の選択によっては100℃未満の温度で行うことができる。接着剤またははんだでは、結合される部品間で制御可能な離隔距離を実現することが難しい。結合すべき2つの部品の間に結合材が塗布される場合、十分な結合強度を保つために有限量の材料が必要とされるので、ほぼゼロギャップの離隔距離は可能でない。別法として、部品が接合された後に結合材が外部に(例えば、部品の縁部に)塗布される場合、全体の結合強度は、十分に強くないことがある。
部品間でほぼゼロギャップの離隔距離を実現しながら、接着剤またははんだを使用して部品を一体に結合させる手段が必要とされる。これは、例えば、図1に示されるものなどMEMSデバイスの製造を、高い制御可能性で、かつ性能均一性を最大にして実現できるようにする。
本発明によれば、1つまたは複数の結合される部品の表面間の距離は、結合すべき1つ、すべて、またはいくつかの接合要素の結合面に1つまたは複数のキャビティを形成することによって実質的に減少される。これらのキャビティは、結合材用の収容部となり、結合部が局所化される場所である。キャビティは、それらの体積が、キャビティ内に供与される結合材の体積よりも大きいように、十分なサイズおよび形状である。これは、要素が互いに接触されて接合するときに、凝固して結合部となる前に流動することができる結合材がキャビティ内に流入して、部品の分離を妨げないことを保証する。これは、公称ゼロの離隔距離で部品を接合できるようにする。凝固されると、結合材は、各キャビティの内部で、局所化した結合部を形成する。
結合材を注入または充填することができる長方形、円形、または任意の他の形状など様々なキャビティ形状が使用されることがある。いくつかの実施形態では、結合面は、接合面に平行であってよく、または垂直であってよい。さらに他の実施形態では、結合部の表面積を増大させるために、キャビティ内部に1つまたは複数の突起が含まれることがある。結合材の溢流を受け入れるための機構がキャビティに組み込まれることがある。
結合材は、結合される要素に適した任意のタイプの接着剤またははんだであってよいことを理解されたい。そのような材料は、結合部が固化される前に、結合キャビティ内に容易に挿入されうる。さらに、本発明によれば、エッチング、電気めっき、または射出成形など様々なプロセスを使用して結合キャビティを形成することができる。例えば、部品の1つが薄いシリコン・ウェハまたはチップである場合、深堀り反応性イオン・エッチング・プロセスによってキャビティを形成することができる。フォトレジストまたは二酸化珪素層が、エッチング・プロセス用のマスクとなりうる。アクティブ・デバイスが製造される前または後にキャビティを形成することができ、あるいはデバイス製造プロセスに組み込むことができる。
キャビティが形成され、部品が結合のために準備できた後、結合材の制御された体積が、キャビティ内に導入される。ニードル供与プロセスまたはスクリーン印刷プロセスを使用することができる。供与プロセスは、以下の2つの重要な条件を満たさなければならない。1)結合材の体積は、結合材が注入されるキャビティの体積未満でなければならず、2)結合材は、接合部品が一体に押圧されるときに接合部品と接触するのに十分に、接合面の1つから突出しなければならない。
キャビティ内への結合材の導入後、接合面が接触するまで、部品間に圧力が印加される。結合材は、結合材要件に応じて、室温で、または高温で硬化しうる。硬化後、複合構造が完成され、または別の部品を結合させるための準備がなされる。本発明を、図面に関連付けて、より詳細に説明する。
本発明によれば、一体に結合される1つまたは複数の部品の表面間の距離が、実質的にギャップがゼロとなる点まで実質的に減少される。以下の説明はMEMSデバイスに関してなされるが、本発明は、半導体チップ、マイクロ流体デバイス、および他のタイプのハイブリッド構造など、他のマイクロ構造にも同様に適用でき、接合面の間でほぼゼロ(例えば、数原子層)の離隔距離で結合された部品を有する、かつ局所化した結合部を有するという実質的な利得または利点が存在することを理解されたい。例えば、ハイブリッド・チップ積層を形成するために複数の集積回路チップを結合させるためにこの技法を適用することができる。また、結合面が、同一平面であっても、同一平面でなくてもよいことを理解されたい。したがって、結合面が、合致する形状を有し、互いに近接して位置させることができる限り、本発明が当てはまる。
ほぼゼロギャップの結合部を実現するために、結合すべき1つ、すべて、またはいくつかの要素の結合面に1つまたは複数のキャビティが形成される。以下にさらに説明するように、これらのキャビティは、結合材用の収容部となり、結合部が局所化した場所である。キャビティは、それらの体積が、結合部を形成する結合材の体積よりも大きいように、十分なサイズおよび適切な形状である。これは、要素が互いに接触されて接合するときに、凝固して結合部となる前に流動することができる結合材がキャビティ内に流入して、部品の分離を妨げないことを保証する。これは、公称ゼロの離隔距離で部品を接合できるようにする。凝固されると、結合材は、対向する面と各キャビティ内部の壁との間に、局所化した結合部を形成する。
図2Aは、本発明の一実施形態による、結合すべき一対の要素100および102を示す。要素100と要素102とを結合させるために、第1に、図2Bに示されるように、要素の1つ、例えば要素102にキャビティ104が形成される。その後、図2Cに示されるように、キャビティ104内に結合材106が供与される。キャビティ104は、キャビティ内に供与される結合材106の体積よりも大きい体積を有する。次に、図2Dに示されるように、要素100と要素102とが互いに接触される。この接触操作により、要素100と要素102とが、結合材106を介在して結合部を形成する。図2Eは、キャビティ104内に供与された結合材106を受け取った後の要素100の上面図である。
上述したように、キャビティ104は、結合部を形成する結合材106の体積よりも大きい体積を有するように十分なサイズおよび形状であり、それにより、要素100、102が一体に接合されるときに、凝固して結合部となる前に流動することができる結合材がキャビティ内に流入して、要素100と要素102との分離を妨げないことを保証する。
図3Aは、本発明の別の実施形態による、複数のキャビティ204を介在して結合された要素200と要素202との断面図である。図2A〜2Eに関して上述したのと同様に、これらのキャビティは、要素202に形成され、次いで適量の結合材206を受け取る。その後、上述したのと同様に、要素200と要素202とが、結合作用が生じうるように接触される。図3Bは、3行6列で配置された例示的な18個のキャビティを有する要素202の上面図である。
図4Aは、本発明の別の例示実施形態による、互いに結合された要素300と、要素302と、要素320との積層の断面図である。要素300と要素302とは、第1の複数のキャビティ304を介在して互いに結合されるように図示され、要素302と要素320とは、第2の複数のキャビティ314を介在して互いに結合されるように図示される。
各キャビティは、2つの結合される要素間の局所化した結合部となる。図3A、3B、および4Aに示されるように、キャビティは、取付けの全体の強度を最大にするように、部品の表面にわたって分散されることがある。キャビティは、配列させることができ、またはランダムに分散させることができる。
キャビティ内部にアクティブ・デバイスが織り交ぜられることがあり、またはキャビティによって囲まれた集中領域内にアクティブ・デバイスが位置されることがある。さらに、一方の要素にあるアクティブ・デバイスを、他方の要素に電気的に相互接続させることができ、このとき、結合される表面で相互接続が生じる。例えば、図3Cを参照すると、アクティブ・デバイス270が、要素252に形成された導電ライン266に電気的に接続されることがある。トレンチ262内に入れられた結合材254を介在して要素252と要素250とを結合させることによって、パッド256とパッド258との電気接続がなされる。パッド256が金属ライン266と接触し、パッド258が金属ライン268と接触するので、デバイス270も、金属ライン268と電気的に連絡する。
結合材を注入または充填することができる長方形、円形、または任意の他の形状など様々な異なるキャビティ形状が使用されることがある。図2A〜2C(総称して図2と呼ぶ)、図3A〜3C(総称して図3と呼ぶ)、および図4Aに示される実施形態では、結合材が、それら当該のキャビティの底面に到達する、すなわち、結合面が、同一平面の接合面に平行である。
図4Bは、本発明の別の実施形態による、複数のキャビティ244を介在して結合された要素240と要素242との断面図である。図4Bに示される実施形態では、結合材246が、それら当該のキャビティの底面に到達しない、すなわち、結合面が、同一平面の接合面248に垂直である。
さらに他の実施形態では、結合部の表面積を増大させるために、結合すべき要素の1つが、キャビティ内に組み入れられる1つまたは複数の突起を含む。例えば、図4Cに示されるように、要素260は、要素262に形成されたキャビティ264内に組み入れられる3つの突起268、270、および272を含むように示されている。これらのキャビティは、結合材266に対する表面積を増大させる。
図5Aは、要素402に形成されたキャビティ404内に供与された結合材406を介在して結合された要素400と要素402との断面図である。図5Bは、キャビティ404と結合材406との上面図である。キャビティ404の延在部408が、結合材406の溢流を受け入れる。
図6Aは、本発明による、一体に結合された要素500と要素502との断面図である。キャビティ504に加えて、要素502は、ウィッキング・バリア508も含む。2つの要素を離隔する非常に小さい空間内への結合材のウィッキング(流し込み)が、よく知られている毛細管力によって生じうる。ウィッキング・バリア508は、材料フローの表面張力を破壊し、それにより、バリアを越える結合材の流れを防ぐ。
図7は、図6Aに示されるキャビティ504とウィッキング・バリア508との拡大図である。この図面から分かるように、キャビティ504からウィッキングする結合材506は、ウィッキング・バリア508の縁部で止められる。図6Bは、キャビティ404の周縁を示す要素504と、ウィッキング・バリア508と、結合材506との上面図である。
図8Aは、上述した実施形態の任意のものによる、キャビティ606内に挿入された結合材604を用いて結合された要素600と要素602との断面図である。図8Bは、要素602の上面図である。図8Bから分かるように、結合材604とキャビティ606とが、1つまたは複数のアクティブ・デバイス(図示せず)を含む内部領域608を取り囲む。すなわち、内部領域608は、結合部によって完全に封止される。そのような実施形態は、内部領域608内に形成されたアクティブ・デバイスが気密封止される、または真空中で封止されることを必要とする用途向けのものとなりうる。結合部が連続的であるので、漏れ防止シールが形成される。
結合材が、結合される部品と共に使用するのに適した任意のタイプの接着剤またははんだであってよいことを理解されたい。そのような材料は、結合部が固化される前に、結合キャビティ内に容易に導入されうる。さらに、本発明によれば、2つ以上のデバイスを結合させるために、エッチング、電気めっき、または射出成形など様々なプロセスを使用して結合キャビティを形成することができる。例えば、部品の1つが薄いシリコン・ウェハまたはチップである場合、深堀り反応性イオン・エッチング・プロセスによってキャビティを形成することができる。フォトレジストまたは二酸化珪素層が、エッチング・プロセス用のマスクとなりうる。アクティブ・デバイスが製造される前または後にキャビティを形成することができ、あるいはデバイス製造プロセスに組み込むことができる。
キャビティが形成され、部品が結合のために準備できた後、結合材の制御された体積が、キャビティ内に注入される。ニードル供与プロセスまたはスクリーン印刷プロセスを使用することができる。供与プロセスは、以下の2つの重要な条件を満たさなければならない。1)結合材の体積は、結合材が注入されるキャビティの体積未満でなければならず、2)結合材は、図2Cに示されるように、接合部品が接合されるときに結合材が接合部品と接触するように、接合面の1つから突出しなければならない。
結合材を供与した後、接合面が接触するまで、部品間に圧力が印加される。結合材は、材料要件に応じて、室温で、または高温で硬化しうる。硬化後、複合構造が完成され、または別の部品を結合させるための準備がなされる。
本発明の上述の実施形態は、例示的なものであり、限定するものではない。様々な代替形態および等価形態が可能である。本発明は、キャビティの高さ、幅、または形状によって限定されない。本発明は、そのようなキャビティの数によっても限定されない。本発明は、キャビティを形成するために使用される任意の特定の加工ステップによって限定されない。本発明は、使用される結合材によって限定されない。本発明は、MEMS、または任意の他のマイクロ構造もしくはデバイスで使用されることがある。他の追加形態、縮小形態、または修正形態は、本開示を考慮すれば明らかであり、添付の特許請求の範囲の範囲に入るものと意図される。
10 マイクロミラー; 12 微細機械加工ミラー12; 14 静電作動電極;
16 基板; 100、102 要素; 104 キャビティ; 106 結合材。
16 基板; 100、102 要素; 104 キャビティ; 106 結合材。
Claims (38)
- 第1の要素と、
第2の要素であって、前記第2の要素に形成されたキャビティ内に供与された結合材を介在して前記第1の要素に結合される第2の要素とを備え、前記キャビティが、前記キャビティ内に供与される前記結合材の体積よりも大きい体積を有する
マイクロ構造。 - 前記キャビティが、円筒形状を有する請求項1に記載のマイクロ構造。
- 前記第1の要素が、前記キャビティ内に挿入されるように適合された1つまたは複数の突起を含む請求項1に記載のマイクロ構造。
- 前記第1の要素の接合面が、前記第2の要素の接合面と同一平面にある請求項1に記載のマイクロ構造。
- 前記第1の要素が、前記キャビティ内に組み入れられる1つまたは複数の突起を含む請求項1に記載のマイクロ構造。
- 前記第2の要素が、前記キャビティの近くに位置決めされたウィッキング・バリアを備える請求項1に記載のマイクロ構造。
- 第1の要素と、
第2の要素であって、前記第2の要素に形成された複数のキャビティのうち異なるキャビティの中にそれぞれ供与された複数の結合材を介在して前記第1の要素に結合される第2の要素とを備え、前記キャビティがそれぞれ、該キャビティ内に供与される前記結合材の体積よりも大きい体積を有する
マイクロ構造。 - 前記複数のキャビティが、行および列に沿って配列される請求項7に記載のマイクロ構造。
- 前記第2の要素が、それぞれ前記キャビティのうちの1つと関連付けられて、該1つのキャビティに隣接して位置決めされた複数のウィッキング・バリアを備える請求項7に記載のマイクロ構造。
- 前記第1の要素の接合面が、前記第2の要素の接合面と同一平面にある請求項7に記載のマイクロ構造。
- 前記第1の要素が、前記第2の要素の前記キャビティの少なくとも1つの中に挿入されるように適合された1つまたは複数の突起を含む請求項7に記載のマイクロ構造。
- 第1の要素と、
第2の要素であって、前記第2の要素の第1の表面に形成された第1の複数のキャビティのうち異なるキャビティの中にそれぞれ供与された第1の複数の結合材を介在して前記第1の要素に結合される第2の要素と、
第3の要素の第1の表面に形成された第2の複数のキャビティのうち異なるキャビティの中にそれぞれ供与された第2の複数の結合材を介在して前記第2の要素の第2の表面に結合される第3の要素と
を備えるマイクロ構造。 - 前記第1および第2の複数のキャビティがそれぞれ、任意の形状を有する請求項12に記載のマイクロ構造。
- 前記第2の要素が、第1の複数のウィッキング・バリアを備え、前記第1の複数のウィッキング・バリアがそれぞれ、前記第1の複数のキャビティの1つと関連付けられて、該1つのキャビティに隣接して位置決めされ、前記第3の要素が、第2の複数のウィッキング・バリアを備え、前記第2の複数のウィッキング・バリアがそれぞれ、前記第2の複数のキャビティの1つと関連付けられて、該1つのキャビティに隣接して位置決めされる請求項12に記載のマイクロ構造。
- 前記第1の要素の接合面が、前記第2の要素の第1の表面と同一平面にあり、前記第3の要素の接合面が、前記第2の要素の第2の表面と同一平面にある請求項12に記載のマイクロ構造。
- 前記第1の要素が、前記第2の要素の前記キャビティの少なくとも1つの中に挿入されるように適合された1つまたは複数の突起を含む請求項12に記載のマイクロ構造。
- 前記第2の要素が、前記第3の要素の前記キャビティの少なくとも1つの中に挿入されるように適合された1つまたは複数の突起を含む請求項16に記載のマイクロ構造。
- 第1の要素に形成され、領域を取り囲むキャビティを有する第1の要素と、
前記キャビティ内に入れられた結合材を介在して前記第1の要素に結合される第2の要素と
を備えるマイクロ構造。 - 前記取り囲まれた領域が、1つまたは複数のアクティブ・マイクロ・デバイスを備える請求項18に記載のマイクロ構造。
- 第1の要素と第2の要素との間に結合部を形成する方法であって、前記第1および第2の要素が、マイクロ構造要素であり、前記方法が、
前記第1の要素にキャビティを形成するステップと、
前記キャビティ内に結合材を供与するステップと、
前記結合材が前記第1の要素と前記第2の要素との両方と直接接触するように、前記第2の要素と前記第1の要素との間の接触を成すステップとを含み、前記キャビティが、前記キャビティ内に供与される前記結合材の体積よりも大きい体積を有する
方法。 - 前記キャビティが、円筒形状を有する請求項20に記載の方法。
- 前記キャビティが、前記キャビティ内に供与される前記結合材の体積よりも大きい体積を有する請求項20に記載の方法。
- さらに、
前記キャビティに隣接するウィッキング・バリアを形成するステップ
を含む請求項20に記載の方法。 - 前記第1の要素の接合面が、前記第2の要素の接合面と同一平面にある請求項20に記載の方法。
- 前記第1の要素が、前記キャビティ内に挿入されるように適合された1つまたは複数の突起を含む請求項20に記載の方法。
- 第1の要素と第2の要素との間に結合部を形成する方法であって、前記第1および第2の要素が、マイクロ構造要素であり、前記方法が、
前記第1の要素に複数のキャビティを形成するステップと、
前記第1の複数のキャビティそれぞれの中に結合材を供与するステップと、
各キャビティ内の前記結合材が前記第1の要素と前記第2の要素との両方と直接接触するように、前記第2の要素と前記第1の要素との間の接触を成すステップとを含み、前記複数のキャビティがそれぞれ、前記キャビティ内に供与される前記結合材の体積よりも大きい体積を有する
方法。 - 前記複数のキャビティが、行および列に沿って配列される請求項26に記載の方法。
- さらに、
それぞれ前記複数のキャビティのうち異なるキャビティと関連付けられて、該キャビティに隣接して位置決めされた複数のウィッキング・バリアを形成するステップ
を含む請求項26に記載の方法。 - 前記第1の要素の接合面が、前記第2の要素の接合面と同一平面にある請求項26に記載の方法。
- 前記第1の要素が、前記キャビティ内に挿入されるように適合された1つまたは複数の突起を含む請求項26に記載の方法。
- 第1、第2、および第3の要素の間に結合部を形成する方法であって、
前記第1の要素に1つまたは複数のキャビティを形成するステップと、
前記1つまたは複数のキャビティそれぞれの中に結合材を供与するステップと、
前記1つまたは複数のキャビティそれぞれの中の前記結合材が前記第1の要素と前記第2の要素との両方と直接接触するように、前記第2の要素と前記第1の要素との間の接触を成すステップと、
前記第3の要素に1つまたは複数のキャビティを形成するステップと、
前記第3の要素の前記1つまたは複数のキャビティそれぞれの中に結合材を供与するステップと、
前記第3の要素の前記1つまたは複数のキャビティそれぞれの中の前記結合材が前記第1の要素と前記第3の要素との両方と直接接触するように、前記第3の要素と前記第1の要素との間の接触を成すステップと
を含む方法。 - 前記第1または第3の要素の前記キャビティがそれぞれ、任意の形状を有する請求項31に記載の方法。
- さらに、
前記第1の要素の1つまたは複数のキャビティと関連付けられ、該キャビティに隣接して位置決めされた第1の1つまたは複数のウィッキング・バリアを形成するステップと、
前記第3の要素の1つまたは複数のキャビティと関連付けられ、該キャビティに隣接して位置決めされた第2の1つまたは複数のウィッキング・バリアを形成するステップと
を含む請求項31に記載の方法。 - 前記第1の要素の接合面が、前記第2の要素の第1の表面と同一平面にあり、前記第3の要素の接合面が、前記第2の要素の第2の表面と同一平面にある請求項31に記載の方法。
- 前記第1の要素が、前記第2の要素の前記キャビティの少なくとも1つの中に挿入されるように適合された1つまたは複数の突起を含む請求項31に記載の方法。
- 前記第2の要素が、前記第3の要素の前記キャビティの少なくとも1つの中に挿入されるように適合された1つまたは複数の突起を含む請求項31に記載の方法。
- 取り囲まれた領域を封止する方法であって、
第1の要素の縁部に沿ってキャビティを形成するステップであって、前記キャビティが、封止すべき前記取り囲まれた領域を画定するステップと、
前記キャビティ内に挿入された結合材を介在して前記第1の要素に第2の要素を結合させるステップと
を含む方法。 - さらに、
前記結合させるステップの前に、前記取り囲まれた領域内に1つまたは複数のアクティブ・マイクロ・デバイスを形成するステップ
を含む請求項37に記載の方法。
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