JP6052915B2 - 接合微小電気機械アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は接合された微小電気機械アセンブリに関する。

微小電気機械システム(ＭＥＭＳ)は一般に従来の半導体処理技法を用いて半導体基板に形成された機械構造体を有する。ＭＥＭＳは単一の構造体または複数の構造体を有する。ＭＥＭＳは電気コンポーネントを有し、電気信号がＭＥＭＳのそれぞれの構造体を作動させ、あるいはＭＥＭＳのそれぞれの構造体の作動によって電気信号がつくられる。

ＭＥＭＳは一連の層を積層することで形成することができ、層の内の１つ以上はアパーチャまたはリセスを有する。あるいは、ＭＥＭＳは連続する堆積／エッチングプロセスによって形成することができる。積層プロセスと堆積／エッチングプロセスの組合せを用いることもできる。一連の反復構造を有するＭＥＭＳもある。一般に、反復するそれぞれの構造体に対して再現可能な態様で一様な構造形状を形成できることが望ましい。再現性は、ある程度は、安定な処理条件に基づく。

一連のＭＥＭＳ内蔵ダイを単一の基板上に形成することができる。ＭＥＭＳを形成する構造形状が完成すると、例えば基板を鋸引きして個々のチップに分けることにより、チップを基板から切り離すことができる。あるいは、エッチングで基板の片面または両面にストリートまたは切り目を入れ、ストリートまたは切り目に沿って基板を割ることでダイを手作業で割り取ることができる。この方法では、図１に示されるように、ダイ１０のエッジに、例えば、小片または細片が失われている欠け２０あるいは過剰な材料のばり３０のような損傷が残されることが多い。この損傷は、必要であれば、研磨によって除去することができる。しかし、スラグまたはその他の屑が研磨によってつくられ得る。したがって、一般には欠け、微小クラックまたはばりがダイシングでつくられたエッジに残る。

基板に構造形状をつくり込み、表面下集束レーザダイシングを用いて基板から個々のダイを形成することにより、ＭＥＭＳ内蔵ダイを形成することができる。次いで、接着剤を用いて、ダイシングで形成された表面上にコンポーネントが接合される。表面下集束レーザダイシングでは屑がほとんどまたは全くつくられず、接着剤接合形成に適する表面を形成するための、研磨または洗浄のような、後処理の実施を不要にする。

一態様において、アセンブリが説明される。アセンブリは、主表面及び、主表面に隣接し、主表面より小さい、側表面を有する、ダイ本体を含む。コンポーネントが接着剤を用いて側表面に接合される。ダイ本体は側表面にアウトレットを有し、コンポーネントはアウトレットと流体流通可能な態様で連結しているアパーチャを有し、ダイ本体はある材料で形成され、側表面は同じ材料で形成され、ダイ本体の結晶構造は側表面の結晶構造と異なる。

別の態様において、アセンブリを形成する方法が説明される。方法は、ＭＥＭＳ内蔵ダイを形成するために単結晶材料を含むアセンブリ本体をレーザダイシングする工程を含み、レーザダイシング工程は複数の点においてアセンブリ本体の厚さを通してレーザ光を集束させ、これらの点はダイの側表面を定め、表面をコンポーネントに接合させる。

本明細書に説明されるデバイス及び技法は以下の１つ以上を含むことができる。ダイ本体は単結晶シリコンで形成することができ、側表面は多結晶シリコンで形成することができる。側表面は欠けとばりがない表面とすることができる。アウトレットはチャンバと流体流通態様にあることができ、アセンブリは、チャンバに付帯してチャンバの容積を変えるように構成された、アクチュエータをさらに有することができる。コンポーネントはノズルプレートとすることができ、アパーチャはノズルとすることができる。側表面は実質的に平坦な平表面とすることができる。側表面は算術平均粗さが約５Å(０.５ｎｍ)と５μｍの間の表面を有することができる。側表面は無研磨面とすることができる。側表面は主表面に垂直とすることができる。ダイ本体は側表面に、コンポーネントの複数のアパーチャと流体流通態様にある、複数のアウトレットを有することができる。リセスを基板の主表面に形成することができる。基板はアセンブリ本体の一部となることができ、基板の主表面はダイ本体の側表面に垂直とすることができる。主表面へのリセスの形成及び基板のレーザダイシングにより、側表面にアウトレットを形成することができる。コンポーネントの表面への接合形成にはアパーチャを有するコンポーネントの、アパーチャがアウトレットと流体流通態様にあるような、接合形成を含めることができる。アウトレットは容積を定めるチャンバに流体流通可能な態様で連結させることができ、トランスデューサをアセンブリ本体に接合させることができ、トランスデューサは作動させたときに容積を変えるように構成される。基板の主表面に垂直な第２の表面をレーザダイシングすることができる。第２の表面はダイを壁面に揃えるために用いることができる。単結晶材料はシリコンとすることができ、レーザダイシングは多結晶シリコン表面を形成することができる。レーザダイシングは、アブレーションまたは気化を生じさせずに表面下損傷を生じさせることができる。コンポーネントへの表面の接合形成には接着剤を用いる接合形成を含めることができる。

本明細書に説明される方法には以下の利点の１つ以上がある。表面集束レーザダイシングを用いて表面を形成することができる。レーザダイシングでつくられた表面は、研磨または洗浄のような後処理を必要としない、別の表面への接合形成に適し得る。したがって、後処理工程の副生成物である残渣またはスラグを除去する必要がなく、後処理工程を回避できる。すなわち、チャネルのような、ダイの既存の構造形状内に屑をもち込まずにデバイスを形成することができる。ダイ本体及びコンポーネントの表面粗さが小さいことにより、アセンブリを適切な機能を阻害し得る、接合されたパーツの剥離または接合された２つのパーツの間の空隙形成を防止するような態様で、パーツを相互に接合することが可能になる。必要な処理工程が少なくなるため、デバイスを一層迅速に作成することができる。本明細書に説明されるダイシング工程及び接合形成工程により、いくつかの層が他の層に対して垂直である、多くの層を有するＭＥＭＳの形成が可能になる。従来技法によるよりも高い実装密度を有するデバイスを形成することができる。レーザダイシングでは、基板がダイシングプロセス中にほとんどまたは全く失われることがないため、破断または気化のような他の方法によるよりも基板の利用率が高くなり得る。エッジ上にパーツを接合することで形成される多層デバイスにより、より多様で一層複雑な構造の形成が可能になり得る。そのような一層複雑な構造は処理方向で一層小さくなり得る。すなわち、ダイの占有面積が一層小さくなり得る。小さいデバイス及びダイにより、デバイスが配置される装置の全体寸法を一層小さくすることが可能になり得る。すなわち、プリントゾーン内のような、小さなスペースに多数のモジュールを積み重ねることができる。これにより、一層解像度が高いプリントが可能になり得る。小さなデバイスは一層経済的に製造することもできる。本明細書で説明されるダイシング方法で作成することができる実質的に滑らかで平坦な表面は、ダイを別のコンポーネントに揃えるために用いることもできる。

本発明の１つ以上の詳細が、添付図面に示され、以下の説明で述べられる。本発明のその他の特徴、目的及び利点は説明及び図面から、また特許請求の範囲から、明らかになるであろう。

図１はＭＥＭＳ内蔵ダイの斜視図である。 図２は多数のダイを形成するために用いられるアセンブリの平面図である。 図３はダイを形成するために用いられるアセンブリの断面図である。 図４はレーザダイシングの、断面で表した、略図である。 図５はダイの斜視図である。 図６はコンポーネントが接合されているダイの斜視図である。 図７は接合されるコンポーネント上に接合する前のダイの別の実施形態の斜視図である。 図８は接合形成後のダイの側断面図である。 図９はダイの一実施形態の側断面図である。

様々な図面において同様の参照符号は同様の要素を示す。

接合形成面として用いることができる清浄で実質的に平滑な表面を形成するために表面下集束レーザダイシングを用いる、ＭＥＭＳ内蔵ダイを形成する方法が説明される。平滑仕上面をもつプレートのようなコンポーネントがダイシング面上に接合される。ダイシングによって形成された表面は、後処理をする必要無く、接着剤で別のコンポーネントをその表面上に接合できる。

図２及び３を参照すれば、基板５０は。リセスまたはチャンバ９０のような、構造形状または微細加工構造を有する１つ以上の領域７５(領域７５の境界が隠れ線で示されている)を有する。領域７５は最終的に基板から分離されて個々のダイになるであろう。領域７５はスペースで隔てられて示されているが、領域７５は相互に直に接することができる。基板５０は単結晶材料、例えば、シリコンのような半導体、サファイアまたは、ヒ化ガリウムのような、III-Ｖ族型材料、の層を有することができる。材料の浪費を避けるため、多数のダイを一枚の基板上で同時に処理することができる。エッチング、例えば深掘り反応性イオンエッチングによるように、基板の一層を処理し、処理された層の上に第２の層１０５を接合することで埋込構造形状を形成し、アセンブリ１００を形成することができる。第２の層１０５も単結晶材料、例えば基板５０と同じ材料とすることができる。多層処理手順の一例が、２００５年５月１２日に公開された、米国特許出願公開第２００２/００９９４６７号の明細書に説明されている。この特許出願明細書のデバイス及びデバイスの形成方法の説明が本明細書に参照として含まれる。

図４を参照すれば、基板またはアセンブリ１００にかかわる処理が完了し、ダイがアセンブリ１００から分離されることになると、アセンブリ１００にレーザダイシングが実施される。レーザダイシングは表面下に損傷または穴をつくる表面下集束レーザダイシングである。材料が気化またはアブレートすることはない。レーザ光１１０は集光レンズ１１５によってアセンブリ１００の様々な非表面点に集束される。集束レンズ１１５は、レーザが集束位置、すなわち焦点にピークパワー密度を当てると穴が形成されるに十分に強くエネルギーを集束させる。穴の周囲に圧縮応力及び引張り応力が生じる。一連の穴で内部パーフォレーションがつくられる。ダイシング後、レーザ処理基板は無傷のままである。いくつかの実施形態において、内部パーフォレーションが形成された基板はテープに貼り付けられる。機械的テープ引き伸ばしによるように、テープを延び拡げさせると、パーフォレーションに沿って応力領域が誘起され、基板をパーフォレーションに沿って分離させる。レーザ光は多光子吸収、または光損傷を用いて、ダイの表面がそれに沿うことになる小さな穴をつくる。レーザ光はアセンブリ１００の材料を透過できる波長を有する。すなわち、基板はレーザ光波長に対して半透明でなければならない。シリコン基板に対しては近赤外光のレーザを、シリコンによるさらに短い波長の吸収はアブレーションをおこすため、用いることができる。いくつかの実施形態において、レーザはパルス動作し、それぞれのパルス中にレーザ光は１つのスポットに集束される。次のパルスの前に、レーザは、３０μｍ離れたスポットのような、次のスポットに焦点が合わせられる。十分な数のスポットが形成されてダイが基板の残り部分から分離され得るまで、この手順が反復される。

レーザは、１５２０Å(１５２ｎｍ)または１５６０Å(１５６ｎｍ)のような、１５００Å(１５０ｎｍ)近傍の波長をもつ光を発する、ＹＡＧレーザとすることができる。例えば、Ａｃｃｒｅｔｅｃｈ ＭＬ２００レーザを用いることができる。シリコンがダイシングされている場合、レーザのパワーレベルは約１.２Ｗとすることができ、約２ＭＷ/ｃｍ^２まで集束させることができる。スキャン速度は、ＳＯＩウエハに対する１５０ｍｍ/秒及びシリコンウエハに対する３００ｍｍ/秒のように、約１００〜５００ｍｍ/秒の間で調節可能である。レーザは約４０〜８０ｋＨｚでパルス動作させることができる。レーザはスキャンを完了するために層を通して横方向に進み、次いでスキャン毎に層を通して約２０〜３０μｍ上方に進む。パワーレベルは、表面アブレーションを避けるために、表面近傍では約２０％まで落とすことができる。このようにして、約８００μｍまたは９００μｍのような、数１００μｍ厚までのアセンブリをダイシングすることができる。

レーザ光が集束される点はダイ表面の形状寸法を決定する。レーザ処理は基板の結晶構造に無関係にダイを分離することができる。点が全て表面に沿っていれば、ダイ表面は平坦になるであろう。点が、曲線のような、別の幾何学的形状に沿っていれば、ダイ表面はその幾何学的形状に沿う、すなわち湾曲するであろう。欠けのない壁面を形成できる能力のため、ダイのエッジはエッジが合する壁面と９０°の角度をなすことができる。したがって、ダイに直角のコーナーを形成することができる。ダイをダイシングするためのシステムの一例は、日本国東京のＡｃｃｒｅｔｅｃｈ(東京精密)から入手できるＭＬ２００である。

ダイシングされている基板が単結晶シリコンでつくられている場合、レーザダイシングプロセスは単結晶シリコンを多結晶シリコンに転換させる。走査型電子顕微鏡のような、顕微鏡下で見ると、多結晶シリコン表面はその起伏がある外観により単結晶シリコン表面から弁別することができる。したがって、表面下集束レーザでダイシングされたダイの露出表面は起伏がある外観を有し、表面下のシリコンは規則的結晶の外観を有する。一般に、ダイシング表面は、約０.４５μｍのような、約１０Å(１ｎｍ)と２０μｍの間の算術平均粗さを有するであろう。表面は研磨シリコン表面より若干粗いから、ほとんどの研磨シリコン表面から弁別することができる。基板のレーザ処理は材料を気化また除去するのではなく基板の結晶構造を転換する。表面下集束レーザダイシングプロセスによる粒子の発生はない。

本明細書に示されるダイにおいて、主表面はダイの最大の表面である。側表面は主表面より小さく、いくつかの実施形態において、主表面に垂直である。しかし、側表面は主表面に対して９０°以外の角度をなすことができる。

図５を参照すれば、ダイ１５０はダイシングプロセスの結果として得られる。形成することができるＭＥＭＳ内蔵ダイの一例として、ダイは液体射出に適するＭＥＭＳ構造を多数有する、例えばインクジェットプリントヘッドとすることができるであろう。もちろん、他のタイプのＭＥＭＳダイを形成することもできよう。例示デバイスにおいて、キャビティは、インクのような、液体を保持するためのチャンバである。ダイ１５０からダイの側表面１６０のアパーチャ１９０を通して液体を射出することができる。いくつかの実施形態において、エッチングで基板に構造をつくり込むことでキャビティが形成される。構造は垂直な壁面を有することができる。基板の厚さを貫通するかまたは基板の途中まででしかない構造をエッチングで形成することができる。構造が基板を完全に貫通している場合、基板の底面に層または第２の基板を接合することができる。エッチングでつくられた構造が基板の途中まででしかなければ、下層を接合する必要はないであろう。次いで基板の上面に別の層または基板を接合することができる。接合形成は接着剤接合形成または、直接シリコン接合または融着接合のような、別のタイプの接合形成とすることができる。

ダイの主表面１８０上にアクチュエータ１７５を形成することができる。いくつかの実施形態において、アクチュエータはそれぞれがダイのチャンバに付帯する圧電アクチュエータである。適する圧電アクチュエータは米国特許第７４２０３１７号の明細書に説明されている。この特許明細書は、デバイス及び処理技法の説明が本明細書に参照として含まれる。

図６に示されるように、ダイシングされた表面１６０，１７０はノズルプレート２００への接着剤接合形成に十分に小さい粗さを有する。ダイ１５０はｚ軸に沿う厚さ、ｙ軸に沿う奥行き及びｘ軸に沿う長さを有する。ノズルプレート２００は、ダイの奥行きより小さい、ｙ軸に沿う奥行き及びｘｚ平面にある表面に沿って並ぶノズルアウトレット２１０を表面に有する。ノズルプレート２００は、ノズルアウトレット２１０がアパーチャ１９０と流体流通可能であるように、接合形成材料１８０または接着剤を用いてダイに接合される。ダイに接合されるノズルプレートは、電鋳形成プレート、シリコンをエッチングして形成したプレート、セラミック射出成形プレートまたは所望のいずれか他のタイプのプレートとすることができる。ノズルプレート２００及びダイがいずれも単結晶シリコンで形成される場合、結晶方位が同じシリコンで形成される必要はない。接着剤はエポキシ樹脂または、ベンゾシクロブテン(ＢＣＢ)のような、他の有機接合形成材料とすることができる。一般に、破損し難い接着剤接合形成にはダイ及びノズルプレートの表面のそれぞれが約２０μｍより小さい、例えば約１０μｍより小さい、表面粗さを有することが一般に必要である。いくつかの実施形態において、表面粗さは接合形成材料厚さより有意に大きくはない。

接合形成材料層はダイ１５０またはノズルプレート２００に施される。いくつかの実施形態において、１μｍ程度であるような、薄い接着剤層または接合形成層が用いられる。これにより、接合形成中に接着剤がはみ出してノズルを塞ぐことが防止される。ダイ１５０及びノズルプレート２１０はそれらの間の接合形成材料１８０によって合体され、ノズル２１０はアパーチャ１９０に揃えられる。接合形成材料は硬化される。表面下集束レーザダイシングにより、このように平滑な表面が得られ、したがって接着剤接合形成に適する表面が形成される。ダイの他の表面もレーザダイシング手法を用いて形成されているから、例えば他の表面をダイに液体を供給するためのマニホールドの取付けのために、接合することができる。あるいは、またはさらに、他の表面は、位置合せ構造またはハウジングのような、デバイスの他の構造にダイを揃えるために用いることができる。例えば、ダイのダイシングされた側表面は、ダイを隣り合うダイに位置合せするためあるいはダイをハウジング内で揃えるために、用いることができる。これは多数のインクジェットプリンティングダイを有する全ページ幅プリントバーの形成に有用であり得る。

上述したデバイスは、アクチュエータがデバイスの上面にあり、いくつかの実施形態ではデバイスの下面にもあって、ノズルがデバイスのエッジに沿って配置されているから、端面射出型デバイスと称することができる。図７に示されるように、アクチュエータが両面にある端面射出型ダイは主基板２２０にエッチングで構造形状をつくりこむことで形成することができる。下部基板２２５及び上部基板２３０が主基板２２０に接合される。上面及び下面にアクチュエータ１７５が形成される(近くにある上部アクチュエータ１７５が、さらに離れた下部アクチュエータ１７５とともに、図８に示される)。

図９に示されるように、アクチュエータ１７５はダイの一方の面だけに配置することができる。これにより、プロセス工程数を減らすことができ、両面にアクチュエータを有するダイに比較して所要電気接続を簡略化することができる。例えば、アクチュエータ１７５がポンピングチャンバ２４０に近接し、アクチュエータはデバイスの一方の面にしかないから、ポンピングチャンバには、両面にアクチュエータがあるダイの形成には相異なる二工程のエッチング必要になり得るに対して、エッチングは一工程しか必要ではない。

いくつかの実施形態において、ポンピングチャンバの長さ対奥行き比は少なくとも５：１であり、例えば１０：１より大きく、または２０：１より大きい。したがって、ダイの表面を非常に小さくすることができ、多くのダイを次々に積み重ねることができて、可能なプリント解像度をさらに高めることが可能になる。端面射出構造によればノズルがダイの表面にある(表面射出型として知られる)インクジェットデバイスよりも高い実装密度を得ることができる。

表面下集束レーザでダイシングされたダイ１５０は、ノズルプレートまたはマニホールドのようなコンポーネントあるいは他のそのようなコンポーネントの接着剤で接合するに適する、１つ以上の表面２５０，例えば４つの表面を有する。レーザでダイシングされた表面と同様に、ダイに取り付けられるコンポーネントの表面も接合形成が成功するに必要な最大粗さを有するべきである。本明細書に説明される方法は、基板から切り離されたダイの側面に層またはコンポーネントを接合することによってある程度は形成され得る、いずれのＭＥＭＳ型構造にも適用することができる。端面射出型インクジェットデバイスの形成に関してプロセスを説明したが、基板に形成された別のタイプのインクジェットデバイスまたはインクジェットではないデバイスもダイシングして接合することができる。集束光レーザダイシングは極めて平滑な表面を残すから、表面はいかなる中間処理工程または洗浄工程も必要としないプレートへの接合形成に十分良く適している。すなわち、欠け、微小クラックまたはばりを除去するための研磨またはその他の手段を必要とせずに、接合形成可能な表面を得ることができる。そのような付加処理はダイのリセスにかなりの屑を残すことがあり、そのような屑はＭＥＭＳ構造の一様性及び作動時のＭＥＭＳの挙動の再現性を低下させるであろう。

本発明の多くの実施形態を説明した。それにもかかわらず、本発明の精神及び範囲を逸脱せずに様々な改変がなされ得ることは当然であろう。したがって、他の実施形態は添付される特許請求項の範囲内にある。

５０ 基板
１５０ ダイ
１７５ アクチュエータ
１８０ ダイ主表面
２００ ノズルプレート
２１０ ノズルアウトレット
２２０ 主基板
２２５ 下部基板
２３０ 上部基板
２４０ ポンピングチャンバ

Claims (7)

1. アセンブリを形成する方法において、
   ＭＥＭＳ内蔵ダイを形成するために単結晶材料を含むアセンブリ本体をレーザダイシングする工程であって、前記ダイの第１及び第２の側表面を定める内部パーフォレーションを形成する複数の非表面点においてレーザ光を前記アセンブリ本体の厚さを通して集束させる工程
   前記第１の側表面にアウトレットを形成する工程、
   前記第１の側表面を、前記アウトレットと流体流通可能な態様で連結されているアパーチャを有するコンポーネントに接合する工程、
   チャンバに隣接する主表面の外側にアクチュエータを配置する工程、及び
   前記アセンブリに液体を供給するように構成されたマニホールドを、単結晶とは異なる結晶構造である前記第２の側表面に取り付ける工程、
   を含む、
   ことを特徴とする方法。
2. 基板の前記主表面にリセスを形成する工程、
   をさらに含み、
   前記基板が前記アセンブリ本体の一部であり、前記基板の前記主表面が前記アセンブリ本体の前記第１の側表面に垂直であり、
   前記主表面に前記リセスを形成する工程及び前記アセンブリ本体をレーザダイシングする工程が前記第１の側表面に前記アウトレットを形成し、
   前記第１の側表面のコンポーネントへの接合する工程が、アパーチャを有する前記コンポーネントを、前記アパーチャが前記アウトレットと流体流通可能であるように、接合する工程を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 容積を定めるチャンバに前記アウトレットが流体流通可能な態様で連結され、前記方法がトランスデューサを前記アセンブリ本体に接合する工程をさらに含み、前記トランスデューサが、作動されたときに、前記容積を変えるように構成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記基板の前記主表面に垂直な前記第２の側表面をレーザダイシングする工程、及び
   前記ダイをある垂直面に合わせるために前記第２の側表面を利用する工程、
   をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記単結晶材料がシリコンであり、前記レーザダイシング工程が多結晶シリコンの前記表面を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記レーザダイシング工程がアブレーションまたは気化を生じさせずに表面下損傷を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記第１の側表面のコンポーネントへの接合を形成する工程が接着剤を用いて接合する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

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