Loading article…
接着接合（グルー接合とも呼ばれる）は、異なる種類の材料の基板を接続するために中間層を塗布するウェーハ接合技術を指します。生成される接続は、可溶性または不溶性です。 [1]市販の接着剤は有機または無機で、基板の片面または両面に塗布されます。接着剤、特に定評のあるSU-8とベンゾシクロブテン（BCB）は、MEMSまたは電子部品の製造に特化しています。[2]
この手順により、1000℃から室温までの接合温度が可能になります。[1]高い接合強度を達成するための最も重要なプロセスパラメータは次のとおりです。[3]
- 接着材
- コーティングの厚さ
- 接合温度
- 処理時間
- チャンバー圧力
- ツール圧力
接着接合の利点は、接合温度が比較的低く、電圧や電流がかからないことです。ウェーハが直接接触しないため、この手順ではシリコン、ガラス、金属、その他の半導体材料など、さまざまな基板を使用できます。欠点は、パターン形成中に小さな構造が広くなり、厳密な寸法制御を備えた正確な中間層の製造が妨げられることです。[3]さらに、ガス放出生成物による腐食、熱不安定性、水分の浸透の可能性により、接合プロセスの信頼性が制限されます。[4]もう1つの欠点は、有機接着剤を使用するとガスや水分子の透過性が高くなるため、気密封止の可能性がなくなることです。[5]
概要
BCBやSU-8などの有機材料との接着接合は、プロセス特性が単純で、高アスペクト比の微細構造を形成する能力があります。接合手順は、アニール中に長いポリマー鎖を形成する有機分子の重合反応に基づいています。この架橋反応により、BCBとSU-8が固体ポリマー層に形成されます。[3]
中間層は、スピンオン、スプレーオン、スクリーン印刷、エンボス加工、ディスペンシング、またはブロック印刷によって、1つまたは2つの基板表面に塗布されます。接着層の厚さは、粘度、回転速度、および適用されるツール圧力に依存します。接着接合の手順は、次のように分けられます。[1]
- 基板表面の洗浄と前処理
- 接着剤、溶剤、その他の中間層の塗布
- 接触する基質
- 硬化中間層
最も確立された接着剤は、200℃以下の温度で異なる材料の接続を可能にするポリマーです。[5]これらの低プロセス温度金属電極により、電子機器やさまざまな微細構造をウェハ上に統合できます。ポリマーの構造化や可動要素上のキャビティの実現は、フォトリソグラフィーやドライエッチングを使用して可能です。[5]
硬化条件は使用される材料によって異なります。接着剤の硬化は次のように可能です: [1]
- 室温で
- 加熱サイクルを通じて
- 紫外線を使用する
- 圧力をかけることによって
プラスチックの表面処理
プラスチックの接着接合に適した表面を作るには、3 つの主要な要件があります。まず、対象材料の弱い境界層を除去するか、化学的に改質して強い境界層を作ること、濡れをよくするために被着体の表面エネルギーを接着剤よりも高くすること、そして表面形状を改善して機械的連結を可能にすることです。これらの主要な要件の 1 つを満たすと接着性が向上しますが、最も望ましい表面は 3 つの要件すべてを満たします。接着接合に適した表面を作るのに役立つ技術は数多くあります。[6]
脱脂
接着接合のために表面を準備する際、強力な接着を形成するために、油やグリースの汚染をすべて除去する必要があります。表面がきれいに見えても、脱脂プロセスを使用することが重要です。[7]脱脂プロセスを実行する前に、使用する溶剤と被着体の適合性を考慮して、表面または部品の不可逆的な損傷を防ぐ必要があります。[7]
蒸気脱脂
脱脂方法の一つに蒸気脱脂法があり、被着体を溶剤に浸す。溶剤から取り出すと、蒸気が被着体の表面に凝縮し、存在していた汚染物質を溶解する。その後、これらの汚染物質は凝縮した蒸気とともに被着体から滴り落ちる。[8]
蒸気脱脂の代わりに
もう一つの脱脂方法は、溶剤に浸した布やぼろ布を使用して被着体の表面を拭き、汚染物質を除去する方法です。[8]溶剤が残した残留物をすべて除去し、接着結合に悪影響を与えないようにすることが重要です。[7]
脱脂工程後
脱脂後、表面の清浄度を判定する良い方法は、水滴を使ってテストすることです。水滴が表面に広がる場合、接触角が低く濡れ性が良いことを示し、表面がきれいで接着剤を塗布する準備ができていることを示します。水滴が玉状になったり、形を保ったりする場合は、脱脂プロセスを繰り返す必要があります。[7]
摩耗
一般的に、研磨は実行が簡単で、大量の廃棄物を出さないため、他の表面処理方法よりも優れています。[8]接着のために被着体を準備するには、表面を研磨材でサンディングまたはグリットブラストして表面を粗くし、ゆるんだ材料を取り除きます。[9] [8]粗い表面は、比較的滑らかな表面と比較して接着剤が接着する表面積が大きくなるため、より強力な接着を生み出します。[7]さらに、表面を粗くすると、機械的な連結も増加します。[6]研磨後は、被着体を常に溶剤または水性洗剤溶液で拭いて、表面の油分やゆるんだ材料をきれいにし、乾燥させる必要があります。このプロセスが完了したら、接着剤を塗布できます。[9]
ピールプライ
ピールプライの場合、製造中に薄い織物片を被着体に貼り付けます。[9]織物であるため、剥がすと表面が曲がりくねった状態になり、機械的な連結によって接着性が向上します。[6]接着接合の前に、織物は被着体の表面を汚染物質から保護する役割を果たします。接着剤を塗布する準備ができたら、材料を剥がして、接着のための粗くきれいな表面を残すことができます。[9]
コロナ放電処理
コロナ放電処理（CDT）は、通常、プラスチックフィルム上のインクやコーティングの接着性を向上させるために使用されます。[6] CDTでは、電極が高電圧源に接続されます。フィルムは、誘電体層で覆われ、接地されたローラー上を移動します。電圧が印加されると、放電により空気がイオン化され、プラズマが形成されます。[10]そうすることで、フィルムの表面が酸化され、濡れ性と接着性が向上します。[6]さらに、放電は被着体の分子と反応してフリーラジカルを形成し、これが酸素と反応して最終的に極性基を形成し、被着体の表面エネルギーが増加します。[7] CDTが接着性を向上させるもう1つの方法は、表面の非晶質領域を除去することで被着体を粗くすることです。これにより表面積が増加し、接着結合が向上します。[7] CDTで処理される被着体の種類に応じて、処理時間は異なる場合があります。一部の被着体では、同じ表面エネルギーを実現するために、より長い処理時間が必要になる場合があります。[7]
炎処理
炎処理では、ガスと空気の混合物を使用して炎を発生させ、これを被着体の表面に当てます。[8]効果的な処理を実現するには、発生する炎が酸化性である必要があります。つまり、炎の色は青色です。[7]炎処理は、プラスチックフィルムがローラー上を移動し、炎がそれに接触するというCDTに似たセットアップを使用して実行できます。より洗練された方法に加えて、炎処理はトーチを使用して手動で行うこともできます。ただし、表面を均一かつ安定して処理することはより困難です。[6]炎処理が完了したら、部品を水で優しく洗浄し、空気乾燥させることができます。これにより、過剰な酸化物が形成されないようにすることができます。[8]炎処理中の制御は重要です。処理が多すぎるとプラスチックが劣化し、接着性が低下します。処理が少なすぎると、表面が十分に変更されず、接着性が低下します。[7]考慮する必要がある炎処理のもう1つの側面は、被着体が変形する可能性があることです。炎を正確に制御することで、このような事態を防ぐことができます。[8]
プラズマ処理
プラズマは電気エネルギーによって励起されたガスで、正と負に帯電したイオンがほぼ同密度で含まれています。[8] [6]プラズマ内の電子とイオンが表面と相互作用すると、表面が酸化され、フリーラジカルが形成されます。[6]表面の酸化により、不要な汚染物質が除去され、接着性が向上します。[8]汚染物質の除去に加えて、プラズマ処理では、被着体の表面エネルギーを高める極性基も導入されます。[7]プラズマ処理により、化学的または機械的に処理された被着体と比較して、最大 4 倍の強度の接着結合を生成できます。[7]一般に、プラズマ処理は大気圧以下で実行する必要があるため、業界ではあまり使用されていません。これにより、高価で費用対効果の低いプロセスになります。[6]
化学処理
化学処理は、被着体の表面の組成と構造を変えるために使用され、脱脂や研磨に加えて、接着結合の強度を最大化するためによく使用されます。[8]これに加えて、被着体と接着剤の間の水素、双極子、ファンデルワールス結合など、他の結合力が発生する可能性が高まります。 [8]化学溶液を被着体の表面に塗布すると、使用する化学薬品に応じて、被着体の表面を洗浄または変更することができます。溶剤は、表面の汚染物質や破片を単に洗浄するために使用されます。溶剤は、被着体の表面エネルギーを増加させません。[6]被着体の表面を改質するために、酸溶液を使用して表面をエッチングおよび酸化することができます。これらの溶液は、良好な接着強度が得られるように注意深く準備する必要があります。[8]これらの処理は、塗布時間と温度を上げることでより効果的にすることができます。ただし、時間が長すぎると、過剰な反応生成物が形成され、接着剤と被着体の間の接着性能を妨げる可能性があります。[7]他の表面処理方法と同様に、化学処理が適切であることを確認するための良いテストは、被着体の表面に水を一滴垂らすことです。水滴が平らになったり広がったりする場合、被着体の表面は濡れ性が高く、接着が良好であることを意味します。[8]化学処理を使用する際の最後の考慮事項は安全性です。処理に使用される化学物質は人体に有害である可能性があるため、使用する前に、特定の化学物質の化学物質安全データシートを参照する必要があります。[8]
紫外線治療
紫外線（UV）は、前述の処理を含む多くの表面処理で役割を果たしますが、支配的な要因ではない場合があります。表面処理に影響を与える主な要因として紫外線が使用されるUV処理の例は、エキシマレーザーの使用です。エキシマレーザーは極めて高エネルギーで、放射線のパルスを生成するために使用されます。レーザーが被着体の表面に接触すると、材料の層が除去され、表面が洗浄されます。さらに、空気中で紫外線レーザー処理を実行すると、被着体の表面が酸化され、表面エネルギーが向上します。最後に、放射線パルスを使用して特定の表面パターンを作成し、表面積を増やして接着を改善できます。[6]
SU-8
概要
SU-8は、エポキシ樹脂、 [11]、ガンマブチロラクトン、およびトリアリールスルホニウム塩をベースにした3成分UV感光性ネガ型フォトレジストです。SU-8は約100℃で重合し、150℃まで温度安定性があります。このポリマー接着剤はCMOSおよび生体適合性があり、優れた電気的、機械的および流体特性を備えています。また、高い架橋密度、高い耐薬品性、および高い熱安定性を備えています。粘度は、異なる層の厚さ（1.5〜500μm）に対する溶媒との混合物に依存します。多層コーティングを使用すると、最大1mmの層の厚さを実現できます。リソグラフィ構造は、 UV照射中にルイス酸を放出する光開始剤トリアリウムスルホニウムに基づいています。この酸は重合の触媒として機能します。分子の接続は、さまざまなアニールステップ、いわゆる露光後ベーク（PEB）で活性化されます。[5] SU-8を使用すると、高い接着収率を実現できます。さらに、基板の平坦性、クリーンルームの状態、表面の濡れ性も良好な接着結果を得るための重要な要素である。[12]
手続きの手順
標準的なプロセス（図「概略的な接合プロセス」と比較）は、スピンオンまたはスプレーオンの薄い層（3〜100 μm）によって SU-8 を上部ウェーハに塗布することです。
その後、直接紫外線露光によるフォトレジストの構造化が適用されますが、深層反応性イオンエッチング (DRIE) によっても実現できます。SU-8 のコーティングと構造化中は、露光前後の焼き戻し手順を考慮する必要があります。熱層応力に基づいて、亀裂形成のリスクがあります。フォトレジストをコーティングする際、層厚の不均一性によるボイドの形成を回避する必要があります。良好な接触を確立するには、接着層の厚さをウェーハの平坦性の欠陥よりも大きくする必要があります。[3] 典型的な例に基づく手順は次のとおりです。
- 上部ウェーハの洗浄
- 熱酸化
- 脱水
- SU-8のスピンコーティング
- ソフトベイク
- 65℃で120秒
- 300秒から95℃
- クールダウン
- 165～200 mJ ⁄ cm 3の露光
- 露光後ベーク
- 50～120℃で2～120分
- 室温まで
- リラックスタイム
- 発達
- すすぎと乾燥
- 50～150℃で5～120分間ハードベーク
非平面ウェーハ表面や自立構造の場合、スピンコーティングはSU-8の堆積方法としてはあまり効果的ではありません。そのため、構造化されたウェーハでは主にスプレーオンが使用されます。[12]接合はSU-8の重合温度である約100℃で行われます。
ソフトベークにより、残留溶媒含有量が高くなり、固有応力が最小限に抑えられ、架橋が改善されます。SU-8層はソフトコンタクト露光とそれに続く露光後ベークを使用してパターン化されます。露光されていないSU-8は、例えばプロピレングリコールメチルエーテルアセテート（PGMEA）に浸すことによって除去されます。[13]
ボイドフリー接合を確保するには、ウェーハ表面上のSU-8の均一な層厚を確保することが重要である（断面写真と比較）。[5]
ウェーハペアの良好な接触を確保するために、接合中は2.5～4.5バールの一定圧力が適用されます。[3]
欠陥は通常ウェーハの曲率によって発生するという事実に基づいて、フレームはウェーハの非平坦性値よりも高く保たれるべきである。[3]接合されたウェーハペアのせん断強度は約18～25MPaが達成可能である。[12]
例
SU-8を使用した接着接合は、低コストのMEMSパッケージングのためのゼロレベルパッケージング技術に適用できます。金属フィードスルーは、接着層を介してパッケージされた要素に電気的に接続するために使用できます。[13]また、SU-8接着層に基づいて、バイオメディカルデバイスやマイクロ流体デバイス、マイクロ流体チャネル、可動マイクロメカニカルコンポーネント、光導波路、UV-LIGAコンポーネントが製造されています。[14]
ベンゾシクロブテン (BCB)
概要
ベンゾシクロブテン（BCB）は、電子機器で広く使用されている炭化水素です。[16] BCBにはドライエッチングバージョンと感光性バージョンがあり、それぞれ構造化に異なる手順が必要です（BCBプロセスフローを比較してください）。[17]
硬化中に少量の副産物しか放出しないため、ボイドのない接着が可能になります。このポリマーは、非常に強力な接着と、多くの酸、アルカリ、溶剤に対する優れた耐薬品性を保証します。BCBは可視光に対して90％以上透明であるため、光学MEMSアプリケーションに使用できます。[16]
他のポリマーと比較して、BCBは誘電率と誘電損失が低い。[18] BCBの重合は約250〜300℃の温度で起こり、350℃まで安定している。BCBを使用すると、MEMSの密閉空洞の十分な気密性が保証されない。[19]
手続きの手順
ドライエッチング BCB の手順は次のとおりです。
- クリーニング
- 接着促進剤の供給
- プライマーの乾燥
- BCB沈着
- 感光性BCB
- 露出と開発
- ドライエッチングBCB
- 予備焼成/ソフトキュア
- リソグラフィーとドライエッチングによるBCB層のパターン形成
- 特定の温度、周囲圧力、特定の時間での接着
- ポストベーク/ハードキュアにより固体BCBモノマー層を形成する
ウェーハはH 2 O 2 + H 2 SO 4または酸素プラズマを使用して洗浄することができる。洗浄されたウェーハはDI水ですすがれ、高温、例えば100～200℃で120分間乾燥される。[17]
接着強度を向上させるために、特定の厚さの接着促進剤をウェハ上に塗布、すなわちスピンコートまたはコンタクトプリントする。接着剤を自立構造上に塗布する場合はスプレーコーティングが好ましい。[19]
続いて、BCB層をスピンコートまたはスプレーコートし、通常1～50μmの厚さで同じウェーハに塗布する。ポリマーの架橋により、パターン層の接着強度がパターン化されていない層よりも低くなるのを防ぐため、接着前にソフトキュアリング工程を施す。[20] BCBの予備硬化は、ホットプレート上で300℃以下の特定の温度で数分間行われる。ソフトキュアにより気泡の形成や未接着領域の発生が防止され[21]、圧縮時の接着層の歪みも防止されるため、位置合わせ精度が向上する。[22]重合度は50%を超えてはならず、パターン化できるほど堅牢でありながら接着できるほど十分な接着性を備えている必要がある。[20]
BCBがハードベーク（50％をはるかに超える）されると、接着特性が失われ、ボイド形成量が増加します。また、ソフトキュアが210℃を超えると、接着剤が硬化しすぎて、材料が十分に柔らかく粘着性がなく、高い接着強度が得られなくなります。[15]
中間層付きの基板をプレスし、その後硬化させることで接着します。[4]ポストベークプロセスは、通常、接着チャンバー内の特定の雰囲気または真空中で、180〜320℃で30〜240分間適用されます。これは、BCBをハードキュアするために必要です。真空は、接着界面に空気が閉じ込められるのを防ぎ、アニール中に放出される残留溶媒のガスを排出します。温度と硬化時間は可変であるため、温度が高いほど架橋が速くなり、硬化時間を短縮できます。[16]最終的な接着層の厚さは、硬化したBCBの厚さ、回転速度、収縮率によって異なります。[15]
例
BCB 中間層を使用した接着接合は、MEMS デバイスや構造化 Si ウェーハのパッケージングとシーリングに使用できる方法です。この接合は、MOEMS ミラー アレイ、RF MEMS スイッチ、チューナブル コンデンサなど、気密封止を必要としないアプリケーションで使用されます。BCB 接合は、流体デバイス用のチャネルの製造、突出表面構造の転送、CMOS コントローラ ウェーハ、統合 SMA マイクロアクチュエータに使用されます。
技術仕様
参考文献
- ^ abcd ウィーマー、M.;フレーメル、J.ゲスナー、T. (2003)。 「Bereich Waferbonden における技術トレンド」。 W. Dötzel (編) 所収。6. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik。 Vol. 6. 178 ～ 188 ページ。
- ^ Gessner, T.; Otto, T.; Wiemer, M.; Frömel, J. (2005). 「マイクロメカニクスとマイクロエレクトロニクスにおけるウェーハボンディング - 概要」.電子パッケージングとシステム統合の世界. pp. 307–313.
- ^ abcdefghi Wiemer, M.; Jia, C.; Töpper, M.; Hauck, K. (2006). 「MEMS パッケージングのための BCB と SU-8 によるウェーハボンディング」2006 第 1 回電子システム統合技術会議。第 1 巻。pp. 1401–1405。doi : 10.1109 / ESTC.2006.280194。ISBN 1-4244-0552-1. S2CID 41121651。
- ^ ab Wolffenbuttel, RF (1997). 「低温中間 Au-Si ウェーハ接合; 共晶またはシリサイド接合」.センサーおよびアクチュエータ A: 物理. 62 (1–3): 680–686. doi :10.1016/S0924-4247(97)01550-1.
- ^ abcde ロイター、D.;フレーメル、J.シュヴェンツァー、G.バーツ、A.ゲスナー、T. (2003 年 10 月)。 「SU-8 を使用したマイクロメカニシェン構造のウェーハ レベル検証の選択」。 W. Dötzel (編) にて。6. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik。 Vol. 6. ケムニッツ工科大学。 90–94ページ。
- ^ abcdefghijk Pocius, Alphonsus (2012).接着と接着剤技術. シンシナティ: Hanser Publications. ISBN 978-1-56990-511-1。
- ^ abcdefghijklm Ebnesajjad, Sina; Ebnesajjad, Cyrus F. (2014).接着接合用材料の表面処理（第2版）. キドリントン、オックスフォード：ウィリアム・アンドリュー。ISBN 9780323264358. OCLC 871691428.
- ^ abcdefghijklmn Ebnesajjad, Sina (2011).接着剤と表面処理ハンドブック：技術、アプリケーション、製造。アムステルダム：ウィリアム・アンドリュー/エルゼビア。ISBN 9781437744613. OCLC 755779919.
- ^ abcd Wegman, Raymond F.; Van Twisk, James (2013).接着接合のための表面処理技術（第2版）. William Andrew. ISBN 9781455731268. OCLC 819636705.
- ^ Chan CM. (1999) コロナ放電と炎によるポリプロピレンの表面処理。Karger-Kocsis J. (eds) ポリプロピレン。ポリマー科学技術シリーズ、第 2 巻。Springer、ドルドレヒト
- ^ マイヤー、ラリッサ。「エポキシ樹脂ガイド - エポキシ樹脂について知っておくべきことすべて」。fluid -painting.com 。 2015年6月11日閲覧。
- ^ abc Yu, L.; Tay, FEH; Xu, G.; Chen, B.; Avram, M.; Iliescu, C. (2006). 「マイクロ流体デバイス用ウェハレベルでの SU-8 による接着接合」Journal of Physics: Conference Series . Vol. 34, no. 1. p. 776.
- ^ ab ムリーリョ、G.;デイビス、ZJ;ケラー、S.アバダル、G.アグスティ、J.カリアーニ、A.ノース、N.ボイセン、A. Barniol、N. (2010)。 「MEMS デバイス用の新しい SU-8 ベースの真空ウェーハレベル パッケージング」。マイクロエレクトロニクス工学。87 (5–8): 1173–1176。土井：10.1016/j.mee.2009.12.048。
- ^ Patel, JN; Kaminska, B.; Gray, BL; Gates, BD (2008)。「SU-8 ベースのバイオメディカルおよびマイクロ流体アプリケーション用の犠牲基板としての PDMS」。Journal of Micromechanics and Microengineering。第 18 巻、第 9 号、p. 095028。
- ^ abc Oberhammer, J.; Niklaus, F.; Stemme, G. (2003). 「ベンゾシクロブテンによる選択的ウェーハレベル接着によるキャビティ製造」.センサーおよびアクチュエータ A: 物理. 105 (3): 297–304. doi :10.1016/S0924-4247(03)00202-4.
- ^ abc Niklaus, F.; Andersson, H.; Enoksson, P.; Stemme, G. (2001). 「構造化ウェーハの低温フルウェーハ接着接合」.センサーおよびアクチュエータ A: 物理. 92 (1–3): 235–241. doi :10.1016/S0924-4247(01)00568-4.
- ^ ab Christiaens, I.; Roelkens, G.; De Mesel, K.; van Thourhout, D.; Baets, R. (2005). 「ベンゾシクロブテン接着剤ウェーハボンディングで製造された薄膜デバイス」Journal of Lightwave Technology . 23 (2): 517–523. Bibcode :2005JLwT...23..517C. doi :10.1109/JLT.2004.841783. hdl : 1854/LU-326997 . S2CID 30735818.
- ^ テッパー、M.ロッパー、C.ゾーシュケ、Ｋ．シェルピンスキー、K.フリッチュ、T.ディートリッヒ、L.ルッツ、Ｍ．アーマン、O. Reichl, H. BCB - 高度なウェーハ レベル パッケージングおよび MEMS アプリケーション用の薄膜ポリマー (レポート)。フラウンホーファーIZMとベルリン工科大学。 292–298ページ。
- ^ ab Oberhammer, J.; Niklaus, F.; Stemme, G. (2004). 「ウェーハレベルでの接着接合デバイスのシーリング」.センサーとアクチュエータ A: 物理. 110 (1–3): 407–412. doi :10.1016/j.sna.2003.06.003.
- ^ ab Oberhammer, J.; Stemme, G. (2004). 「パターン化された接着剤フルウェーハ接合 0 レベル パッケージの接合強度を向上させるコンタクト プリンティング」第 17 回 IEEE 国際マイクロ電気機械システム (MEMS) 会議。pp. 713–716。doi : 10.1109 /MEMS.2004.1290684。
- ^ Niklaus, F.; Enoksson, P.; Kalvesten, E.; Stemme, G. (2000). 「ボイドフリーのフルウェーハ接着接合」.第 13 回マイクロエレクトロメカニカルシステム (MEMS) に関する国際会議. pp. 247–252. doi :10.1109/MEMSYS.2000.838524.
- ^ Farrens, S. (2008). 「3D IC 向けウェーハボンディング技術と戦略」。Tan, CS、Gutmann, RJ、Reif, LR (編)。ウェーハレベル 3D IC プロセス技術。集積回路およびシステム。Springer US。pp. 49–85。doi :10.1007/978-0-387-76534-1。