平成27年度 機械知能・航空工学科 7セメスター開講

微小機械加工学

接合・複合プロセス

接合

加工（エッチングなど）後のウェハ同士を界面で接合することにより，立体的な構造だけでなくパッケージングして封止された構造を作ることができる．

接合

・ ・ ・ ・その他の接合

低融点ガラスを用いる接合 ポリマ，フィルム，接着剤 はんだ，共晶接合（金属同士）， TLP接合（金属同士）

陽極接合（アノーディックボンディング）

ガラスとSiの研磨面を重ねて400℃ぐらいに加熱し，ガラスに500V程度のマイナスの電圧をかけると，( )．

（Na+など）

Si

ガラス

Si

( )により接合

ガラス

Si Si

ガラス

Si

陽極接合

←Na+

←Na+

←Na+

― ―

― ―

― ―

ガラス SiO-

+ + + + + +

Si

( )することにより，SiO-とSi側の静電荷との間で静電気力が発生 Si-O-Siの( )

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

陽極接合（ ）

Siと陽極接合するガラスには，Siとの( )が求められる． → ・ （コーニング社） ・ （ショット社） ・熱膨張がパイレックスガラスに近い( )（コバール10） → 機械加工や溶接が可能なので，外部との接続がやりやすい

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

直接接合（Fusion bonding）

研磨したSi基板やその上にSiO2膜を形成したものを重ねて( )で張り合わせる接合方法

http://techon.nikkeibp.co.jp/article/WORD/20090421/169086/

Si

O

H

洗浄・活性化後

OH基

張り合わせ後 熱処理 ステップ1 熱処理 ステップ2

室温 <200℃ <200～1000℃ <1000℃

直接接合の原理

( ) ( )

プラズマ支援接合

Si基板表面をプラズマ処理後，重ね合わせて( )して接合 → ( )が得られる． メリット：( )に接合できる． ( )でも接合可能．

プラズマ処理により，表面にOH基が高密度で作られる

→ ( )

Si-水晶-Si接合によるAFMプローブ

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

プラズマ支援接合によるSi基板上半導体レーザー

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

その他の接合

( )を用いる方法

( )

金属同士を接合する方法

• ( )： 熱圧着によるAu-Au, Cu-Cu, Ti-Tiの接合

• はんだ付け

• ( )： Au-Si, Au-Sn, Au-Ge, Al-Geなどの組み合わせで熱的 に溶融させ接合

• ( )： 金属同士の接合界面で片側の低融点金属が一時的に溶融 し，反対側の金属と金属間化合物を形成

その他の接合

( )

( )

Si表面にAuをつけて重ねて加温．

Si表面の（自然）酸化膜が

あると共晶できないため，( )

して酸化膜を除去したあとAuをスパッタ．

ばねで( )しながら，400℃の温度で接合．

高融点の被接合金属（Ni)間の( )を接触させ，低融点金属を融解させる

低融点金属の液相が徐々に被接合金属に吸収され，高融点の合金へと変化する。

接合温度より接合部の( )できる．

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

複合プロセス

パターニングやエッチング，および堆積や接合の技術を組み合わせて，チップ上にある程度立体的な構造を形成する方法．

• ( )： Siウェハ自体をエッチングなどで加工する方法 → 製作工程中に破壊しやすい・・・

• ( )： ウェハ上に( )を堆積し，( )を エッチングで除去する方法 → 犠牲層エッチングの後に構造体が下地に張り付 きやすい・・・

バルクマイクロマシーニング

SCREAM（Single Crystal Reactive Etch and Metal）プロセス： ( )と( )の組み合わせ →機械的に動く構造を単結晶Siで作成可能！

SiO2

マスク形成

SiO2 PECVD

SiO2

金属膜堆積

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

表面マイクロマシーニング

( )

Si Si

Si Si

( )を形成 → ( )により犠牲層を除去 → 機械的に動く構造体（Digital Mirror Device (DMD)， 蝶番構造など）などを製作できる．

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

表面マイクロマシニングによるpoly-Si一方向弁

poly-Si

Si

SiO2（ ） PSG（ ）

poly-Si

poly-Si

Si Si基板をエッチング

犠牲層をエッチング

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

貼りつきとその対策

構造層 犠牲層 エッチング方法

Poly-Si PSG(リン酸

ガラス），SiO2

HF液

Poly-Si SiO2 HFガス

Si3N4 Poly-Si TMAH他

SiO2 Poly-Si XeF2ガス

Poly-Si他 Ge H2O2液

SiO2他 Al HCL+H2O2+H2

O液

SiO2，Al他 レジスト O2プラズマ

犠牲層のウェットエッチングにおける貼りつき

乾燥時に( )により，構造層が基板に付着し，貼りつき（スティッキング）が生じる．

構造層 水

( )

対策

１） ２）

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

集積化

集積化のメリット ・容量型センサ（電気量への変換原理が静電容量の変化を利用したもの．圧力，加速度，角速度センサなど）

→ 容量検出回路を集積化することにより，寄生容量（あらゆる部品に 付随する微小な容量）を減らし，( ) ・一体化による( ) → 無線機能付きの“ ”診断チップの実現

( ) インクジェットプリンタのプリントヘッド：1,000個ほどの ノズルが回路とともに直線上に配置 ( ) DMD（digital mirror device）：CMOS集積回路チップ上に2次元的に動作する鏡

が200万個ほど配置 赤外線イメージャ：熱型センサが集積回路上に2次元的に配置

http://web.canon.jp/technology/canon_tech/explanation/ij.html

集積化MEMS

Pre CMOS Post CMOS

同じSiチップ上に( )

Pre CMOS：MEMS→回路 Post COMO： 回路→MEMS

MEMSと回路は( )，電気的に接合される． →開発期間やコストの点で有利

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

Pre CMOS

基板内にMEMSによるマイクロ機械共振子を形成した例

江刺 正喜： はじめてのMEMS , 森北出版 , 2011.

• はじめにMEMSを作製するため，CMOS回路への温度影響がない． • 発振回路と一体化することにより，寄生容量が小さくなり位相雑音を少なくできる．

Post CMOS

表面マイクロマシーニングによる集積化容量型加速度センサ

構造

COMS回路を製作したウェハ上にMEMSを形成する．

加速度センサの原理

SiP MEMS

陽極接合

DEEP RIE

MEMSウェハのGeとCMOSウェハのAlを( )により接合→封止と電気的な接合を同時に行うことが可能

パッケージングと組立

シリコンウェハ

( )

分割 分割（ダイシング）

MSMSの( )

・MEMSでは，チップ内に動く構造や壊れや

すい構造を有しているため，そのままでは樹脂封止できない．

→ ( )工程前に封止が 必要！

コスト，信頼性，小型化の点からも( ) は非常に重要！

パッケージングと組立

MEMSパッケージングの各種形態

蓋をしてから配線（金属）を取り出す方法

あらかじめ配線付きの蓋を接合

金属同士の界面で接合：封止と配線取出しを同時に行う

低融点ガラスによる接合

はんだによる接合

チップ上に段差があってもOK

材料を堆積させることにより封止（犠牲層を用いた空孔を封止）

本日のまとめ

【接合・複合プロセス】 接合：陽極接合，直接接合，プラズマ支援接合，その

ほかの接合（低融点ガラス，ポリマフィルム，接着剤はんだを用いる方法，共晶接合（金属同士），TLP接合（金属同士））

複合プロセス：バルクマイクロマシーニング，表面マイクロマシーニング

集積化：寄生容量の低減による微小容量の検出，一体化によるコスト削減

集積化技術：SoC MEMS (Pre CMOS, Post CMOS), SiP MEMS

パッケージング：ウェハレベルパッケージングが重要