JP2014502422A - 形状記憶合金ワイヤのウエハ・レベルでの組込方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ワイヤは、ワイヤ・ボンダのボンド・キャピラリを通過して与えられる。ワイヤを引っ張ることを可能にするためには、ワイヤの先端を基板上に固定しなければならない。この概念では、ワイヤの先端を変形させることにより、ワイヤの先端の直径が、残りのワイヤおよびボンド・キャピラリの直径よりも大きくなるようにする。これにより、ワイヤの先端をフックインすること、または、ワイヤを基板における押込嵌合(スクイズ・フィット)構造の中に押し込むこと(スクイズ)が可能になる。
られ、フリー・エア・ボール(503、603、703)が形成される。基板(504、604、704)上では、トレンチ(505、605)または変形可能なクランプ構造(705)が形成される。最後に、金属膜(506、606、706)が基板の上に積層される(図5a、6a、7a)。フリー・エア・ボールの直径はボンド・キャピラリの直径よりも大きく、それにより、基板のトレンチの中にフリー・エア・ボールをスクイズすることが可能になる(図5b、6b、7b)。スクイズ動作をする間、SMA上の自然酸化物が破壊され、SMAは基板上の金属と直接に接触する。従って、SMAに、金属膜を介して電気的に接触すること(507、607、707)が可能になる(図5c、6c、7c)。
図12〜図14には、SMAワイヤのスクイズ・フィッティングに適応されたスクイズ・フィット方式が概略的に図解されている。ワイヤ・ボンダを用いて、SMAワイヤ(1201、1301、1401)が、基板(1203、1303、1403)に形成されているトレンチ(1202、1302、1402)の上方に配置される。ここで、トレンチの直径は、SMAワイヤの直径よりも小さい(図12a、図13a、図14a)。図12および13には、直線的なトレンチとV形状のトレンチとのそれぞれとのスクイズ・フィッティングが図解されている。図14は、図4に示されている概念に基づいていて、SMAワイヤの様々な直径を許容する、基板における変形可能なクランプ構造(1405)という特徴を示している。ワイヤは、ピストン(1204、1304、1404)を用いて、トレンチおよび/または変形可能なクランプ構造の中にスクイズされる。ここで、ピストンは、例えば、ウエハ・ボンダにおけるワイヤおよび第2の基板の上に押しつけられる第2の基板でありうる(図12b、図13b、図14b)。次にピストンが取り除かれるが、図2、図3および図4に示されている概念と同じ原理に従い、ワイヤはトレンチの中に残る(図12c、図13c、図14c)。
チに接着的にアンカする接着剤を用いて充填することができる。図19および図20にはこの概念が概略的に図解されているが、図19は直線的なトレンチの場合であり、図20はV形状のトレンチの場合である。SMAワイヤ(1901、2001)は、基板(1903、2003)に形成され接着剤(1904、2004)を用いて部分的に充填されているトレンチ/溝(1902、2002)の上方に配置されている(図19a、図20a)。ワイヤは、ピストン(1905、2005)を用いて、トレンチにおける接着剤の中にスクイズされる。ここで、ピストンは、例えば、ウエハ・ボンダにおけるワイヤと第2の基板との上に押しつけられる第2の基板でありうる(図19b、20b)。次いで、ワイヤは、接着剤の中に埋め込まれ、接着剤は硬化され(1906、2006)、それにより、ワイヤをアンカする(図19c、20c)。
図25および図26は、ワイヤ・ボンダを用いたSMAワイヤの組込の処理スキームを示している。図25におけるフローは、第1の固定がフリー・エア・ボールをアンカすることによって提供される方法を図解している。次に、それ以後に要求される固定は、すべて、ワイヤ・ボンダを用いてワイヤをクランプ構造の中にクランプすることによって、実行される。あるラインにおける最後のクランプ構造の後では、ワイヤは、基板の表面への高エネルギのウェッジ/ステッチ・ボンドによって切断される。必要な場合には、これらのステップは、さらに多くのワイヤを組み込むために反復することができる。そうでない場合には、ワイヤは組み込まれ、さらに処理されうる。
概要(ABSTRACT)
本稿では、標準的なワイヤ・ボンダを用いるSMAワイヤのシリコン・ベースのMEMS構造の中への第1の組込について報告する。このアプローチにより、NiTiベースのSMAワイヤのシリコン・ベースのMEMSへの高速で効率的な配置、位置合わせおよび機械的付着が可能になる。ワイヤは、ウエハ上の深堀エッチングされたシリコン構造の中に機械的にアンカされクランプされる。配置の精度は、平均偏差が4μmの高さであり、機械的クランピングは強力で、SMAワイヤの成功裏な付勢が可能になる。
形状記憶合金(SMA)は、大きな力と仕事とが必要とされるときに微小電気機械システム(MEMS)において用いる魅力的なアクチュエータ材料である。SMAは、SMAが提供する仕事の密度が高いことにより、マイクロスケールにおけるほとんどの他の作動原理よりも性能が1桁を超えて優れている[1]。従来、SMA材料を微小システムの中に組み込む方法は、主に2つが存在する。第1のアプローチは、ピック・アンド・プレイス・アプローチであり、このアプローチでは、SMA材料と微小システムとは別個に製造されて後のステップにおいて組み合わされる[2]。このアプローチには、比較的低い材料コストにおいて広範囲の厚さで市販され提供されるSMAのバルク材料の組込が可能であるという利点がある。しかし、SMAの組込は、デバイスごとのレベルで実行され、その結果、組立てコストが高くなる。第2のアプローチは、薄いNiTi膜の微小構造上へのスパッタ蒸着に基づくものであり[3]、これは、ウエハ・レベルの処理が可能になるという長所がある。しかし、蒸着を制御するのが困難であるため、この工程は、変態温度と変態歪みとの再現可能性に関して制限があり、ほとんどの場合、NiTiスパッタ蒸着は、10μm未満の厚さに適している[4]。
に関して優れた性能を有することが示されている[5]。しかし、標準的な製作工程は、現時点では、まだ確立もまたは提案もされていない。ワイヤの配置には、手動でのワイヤ取扱い、位置合わせおよび組込による特別設計のツールが要求される。これと対照的に、ワイヤ・ボンディングは、電気的な相互接続のための、極めて成熟し、コスト効率に優れ、広く利用可能なバックエンド工程である[6]。信頼性、スループットおよび配置精度の点でのその非常に優れた利用可能性と高い性能のために、ボンディング速度が1秒当たり最大22回かつ配置精度が2μm以内であるこの標準的な技術を用いることは非常に魅力的である。しかし、NiTiのSMAワイヤの直接的なワイヤ・ボンディングは、NiTi材料のビッカース硬度が金およびアルミニウムなどの一般的なワイヤ・ボンディング材料と比較して1桁高いため、適当ではない[7]。本稿では、従来型のワイヤ・ボンディング・ツールを用いて、NiTiのSMAワイヤのシリコン基板上への第1のウエハ・レベルでの組込概念を提示する。
ワイヤ・ボンダを用いたSMAワイヤのウエハ・レベルでの組込により、ワイヤの高速な配置と固定とが可能になる。追加的な位置合わせのステップは必要とされない。NiTiワイヤの硬さのために、標準的な金またはアルミニウムのパッドへのこれらのワイヤの直接的なワイヤ・ボンディングは適当ではない。本発明の教示によると、ワイヤは、その代わりに、Siのクランピング構造およびアンカ構造によって、ウエハに機械的に固定される。これらの機械的固定構造により、標準的であり修正のなされていないワイヤ・ボンダを用いることにより、NiTiワイヤの組込が可能になる。
ワイヤ・フックおよびクランプ構造を100mmのシリコン基板上に製造した。両方のタイプの構造を、一連の非等方性および等方性のDRIEのステップによって実現可能であることが示されている[8]。両方の組込構造のエッチングは、STS ICPエッチング反応器の中で実行された。
て作成された深堀のエッチング構造が完全に保護されることを確実にするために、希釈されたレジストのスプレイ・コーティングによって実行された。最終ステップとして、フォトレジストの残留分はすべて、プラズマ・アッシングによって除去された。
図3は、3つの後続のステップにおいて非等方性および等方性の深堀反応性イオン・エッチングを組み合わせることによって製造されたアンカ構造を示している。アンダーエッチングされた(面外)側壁構造とテーパ状(面内)の設計との両方によって、SMAワイヤが安全にそのアンカに固定される。この設計は、不均一に形成されたおよび/または不均一なサイズを有するフリー・エア・ボールに対して非常に寛容性の度合いが高く、従って、SMAワイヤの信頼性の高いアンカリングが保証される。
ことができる。
り、付勢時には2つの平行な組み込まれた75mmの長さのSMAワイヤを備えている、厚さが300μmのシリコン・カンチレバーに基づく。エネルギ入力は、熱的な接触を強化するためにアクチュエータの一方の側がその上に固定されているホットプレートによってもたらされる。図7aは、付勢状態とアイドル状態との両方におけるアクチュエータの断面図を図解している。図7bは半付勢状態における、図7cは完全付勢状態におけるアクチュエータを示している。どのSMAワイヤ固定要素でも、ワイヤ・データ・シートによると200mNであるSMAワイヤによって生成される力に耐えることが判明している[11]。なお、付勢は、失敗なく数百回実行された。
標準的なワイヤ・ボンダを用いた形状記憶合金ワイヤのウエハ・レベルでの組込が、以上で、成功裏の内に示された。半自動式のワイヤ・ボンダを用いてSMAワイヤの組込が行われたが、この作業では、優れた配置精度を達成することができた。光学的なパターン認識および位置合わせシステムを用いた全自動式のワイヤ・ボンダを用いることにより、潜在的には、これらの結果をさらに改善することができ、大量生産のために本技術を実装することが可能になる。SMAワイヤのアンカおよびクランプ操作は優れた堅牢性を示し、これは、この組込概念をチップ/アクチュエータ・レベルに応用可能であることを示している。
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置には、手動でのワイヤ取扱い、位置合わせおよび組込による特別設計のツールが要求される。これと対照的に、ワイヤ・ボンディングは、電気的な相互接続のための、極めて成熟し、コスト効率に優れ、広く利用可能なバックエンド工程である(例えば、非特許文献6参照)。信頼性、スループットおよび配置精度の点でのその非常に優れた利用可能性と高い性能のために、ボンディング速度が1秒当たり最大22回かつ配置精度が2μm以内であるこの標準的な技術を用いることは非常に魅力的である。しかし、NiTiのSMAワイヤの直接的なワイヤ・ボンディングは、NiTi材料のビッカース硬度が金およびアルミニウムなどの一般的なワイヤ・ボンディング材料と比較して1桁高いため、適当ではない(非特許文献7参照)。
れる。これらの機械的固定構造により、標準的であり修正のなされていないワイヤ・ボンダを用いることにより、NiTiワイヤの組込が可能になる。
本発明の教示によると、ワイヤ・ボンダを用いる間に、電気放電によってフリー・エア・ボールが形成され、次いでこのボールがそのアンカリング構造にアンカされ、SMAワイヤが与えられ全体のウエハ領域を跨いでその第2の固定構造まで導かれ、SMAワイヤは、複数のシリコン・カンチレバーの間にクランプされ、ボンド・キャピラリおよび大きなボンド力によってワイヤを断ち切ることによって最終的に切断される。
ICPエッチング反応器の中で実行された。
の上方部分における小さなチャンファを含む。このチャンファにより、図4に示されているように、クランプにおけるSMAワイヤの高さが一定になることが保証される。
151−154, (2007)を参照のこと。次に、フリー・エア・ボールはランド領域の中に下げられ、それに続いて、その隣接するアンカ部分の中に引っかけられる。ワイヤ・ボンダを用いることによって、SMAワイヤは、ウエハをわたってクランピング構造に配置され、そこで対向するカンチレバーの対間に押し込まれる。最後に、SMAワイヤは、ボンド・キャピラリと大きなボンド力を用いてワイヤを断ち切ることによって、切断される。
することは適切でないことを示している。
using electroplating”, MEMS Proc. (2011)を参照のこと。
ワイヤは、ワイヤ・ボンダのボンド・キャピラリを通過して与えられる。ワイヤを引っ張ることを可能にするためには、ワイヤの先端を基板上に固定しなければならない。この概念では、ワイヤの先端を変形させることにより、ワイヤの先端の直径が、残りのワイヤおよびボンド・キャピラリの直径よりも大きくなるようにする。これにより、ワイヤの先端をフックインすること、または、ワイヤを基板における押込嵌合(スクイズ・フィット)構造の中に押し込むこと(スクイズ)が可能になる。
ー・エア・ボールをスクイズすることが可能になる(図11b)。クランプ構造は、フリー・エア・ボールのスクイズの間に弾性変形し(図11b)、それにより、SMAワイヤの直径の変動に適応し、それらをしかるべき位置に保持することになる(図11c)。
れる。基板(1704)においては、トレンチ(1705)が形成され、基板の上により薄い層が形成されて(1706)、これがトレンチ(1705)を部分的に被覆するが、トレンチの中央に開口を有しており、このことにより、スナップイン構造(1707)が作成される(図18a)。トレンチ(1705)の底部には、弾性変形可能な層(1808)が形成される。フリー・エア・ボールを、スナップイン構造を通過してスクイズした後で、フリー・エア・ボールが変形可能な層(1808)を圧縮する(図18b)。ボンド・キャピラリを除去すると、弾性変形した層が、フリー・エア・ボールをスナップイン構造の中に押し込むのであるが、スナップイン構造は、弾性変形した層によって生成される力に耐えることができるだけの十分な強度がある(図18c)。
最終構造の上の金属に、複数のフリー・エア・ボールが結合され、クランプ構造の中へのワイヤのクランピングを機械的にサポートする。SMAワイヤ(2501)は、ボンド・キャピラリ(2502)を通過して与えられ、フリー・エア・ボール(2503)が形成される(図25のa、b、cの左側)。フリー・エア・ボールがクランプされたワイヤ(2504)と基板(2506)上の隣接する金属ライナ(2505)との上に結合される(図25b)。次いで、ワイヤは、高いボンドエネルギ(2507)を用いて切断される(図25c)。
概念が概略的に図解されている。基板(3101)において、トレンチ(3102)が形成され、基板の上により薄い層が形成されて(3103)、これがトレンチを部分的に被覆するが、トレンチの中央に開口を有していることにより、スナップイン構造(3104)が作成される。トレンチの底部には、弾性変形可能な層(3105)が形成される(図31a)。ワイヤ(3106)を、ピストン(3107)を用いてスナップイン構造を通過させてスクイズした後では、ワイヤが変形可能な層(3108)を圧縮する(図31b)。ピストンを除去すると、弾性変形した層が、ワイヤをスナップイン構造の中に押し込むのであるが、スナップイン構造は、弾性変形した層によって生成される力に耐えることができるだけの十分な強度がある(図31c)。
Claims (2)
- ワイヤを基板に付着させる方法において、該ワイヤは該基板上の3次元構造の中に機械的に付着される、方法。
- 基板に付着されたワイヤを備えたデバイスにおいて、該ワイヤは該基板上の3次元構造の中に機械的に付着されている、デバイス。
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