PVD (Physical Vapor Deposition)

２．マイクロマシニングの基礎 その2
(堆積、接合、組合わせプロセス、パッケージング他)
スパッタリング
蒸着
PVD
(Physical Vapor Deposition)
1
マスク蒸着
リフトオフ
蒸着におけるパターン形成
シリコンリンク能動カテーテル
2
シリコンリンクの製作
作り付けステンシル
マスクによる垂直配線
（G.Lim et.al., Robotica,
14 (1996) pp.499-506）
能動カテーテル
3
Al : 400℃で陽極接合も可、ヒロック(盛り上がり)を生じ狭ギャップ構造には不適。
Pt/Ti : 陽極接合の温度に耐え信頼性があるが、HFでTiがサイドエッチされ易い。
Pt/Cr : 陽極接合の温度に耐え、HFに浸す工程があるときに使用。
Au/Cr : 一般的だがAuとCrが反応し耐熱性が無いので注意が必要。
Au/Cu/Cu-Cr/Cr : 半田付け
Au/Ni : Au/Crより付着力は劣るが、耐熱性は少し良好。
多層膜のエッチングでは電池作用による電蝕で異常エッチングが生じやすい。
(例: Au/Crの場合、Auのエッチングの時にKI-I2ではアンダーカットを生じるので、
フェリシアン化カリが適する。(Y.Nemirovsky et.al., J.Electrochem.Chem.Soc., 125
(1978) p.1977))
リフトオフを用いたり、マスク蒸着(特に凹凸でフォトリソグラフィしにくい時)する。
応力、オーミックコンタクト、エッチング性などを考慮。
エッチングの参考文献: K.R.Williams et.al., J.of Microelectromechanical Systems,
12 (2003) p.761, 5 (1996) p.256,
P.Walker et.al., Handbook of Metal Etchants (1991) CRC Press
MEMSにおけるメタライゼーション
CVD (Chemical Vapor
Deposition)
4
タングステンの選択CVDを用いたマイクロマシニング
（MacDonald et.al. コーネル大学，MEMS’90）
タングステンの選択CVDで形成した電子銃
5
160-220ºC
1,1,1,5,5,5,5hexafluoroacetylacetonate
Copper (I) viniltrimethylsilane
表面被覆性の良い金属膜のＣＶＤ
(関口 敦(ANELVA)他、電子通信情報学会技報 SDM-2000-193 (2000) p.43)
Au/Pt/Cr
Pyrex Glass
Getter
Silicon
1.7mm
2μm
Pyrex Glass
p+ Poly Si
SiC
2mm
1400
C1
C2
1200
1KHz
C(pF)
1000
800
600
400
200
0
10
30
50
70
90
110
130
150
170
190
P (Torr)
腐食性環境で使えるSiCダイアフラ
ム容量型真空センサ
(B.Larangot, S.Tanaka, M.Esashi et.al. (Tohoku Univ.),
22th Sensor Symposium, Tokyo, (2005), 228-232)
6
Source :TEOS+O3
Deep RIEで形成した溝をSiO2のCVD膜で埋めた例
(C.Chang, T.Abe et.al. 19th Sensor Symposoium (2002))
犠牲層エッチングによる電気泳動
チップの製作
(C.Chang, 19th Sensor Symp.(2002))
7
選択的なCVD（VLS成長）によるシリコンワイヤーの形成
（M.Ishida et.al., Pacific Rim Workshop on Transducers and Micro/Nano
Technologies, (2002) 295-298）
先端にＣＮＴを成長さ
せた電界放射電子源
カーボンナノチューブの気相堆積装置（ホットフィラメントCVD）
(H.Miyashita et.al. : Proc. of MEMS’'2001, (2001) 301-304)
8
シリコン先端にＣＮＴを成長させた電界放射電子源の製作法
シリコン間の狭ギャップに形成したカーボンナノチューブ
9
カーボンナノチューブの選択成長
(H.Miyashita et.al., MEMS’2001)
パリレン(ポリマー)コーティング
10
レジストを鋳型にしためっき
を用いて段差部に形成した
銅配線
電鋳（Photo
Electroplating）
SORTEC
LIGAプロセス
X線露光(LI)＋電鋳(G)＋型成型(A)
11
X線露光現像後
ポリマー型成型後(最大ｱｽﾍﾟｸﾄ比 ~10)
Niめっき後(最大ｱｽﾍﾟｸﾄ比 数百)
Niめっき後
LIGAプロセスにおける電鋳と型成型による複製
(W.Ehrfeld et.al., Proc.IEEE Micro Robot and Teleoperators Workshop,(1987) 1-11)
LIGAプロセスによるウラン
濃縮フィルタの構想 (1)
12
LIGAプロセスによるウラン濃縮フィルタの構想 (2)
LIGAプロセス
による分光器
13
LIGAプロセスで製作したハーモニックドライブ機構
独 Micromotion
www.micromotion-gmbh.de
13 MeV
プロトンとX線の侵入深さ
Deep proton lithography
(M.Kufner, et.al.: Microsystem Technologies, 3 (1996))
14
Deep proton lithographyによる 36μm厚SU-8層の加工例
パイレックスガラスのDeep
RIEと電鋳によるガラス貫通配
線
(X.Li et.al., MEMS’2001)
15
Through-hole (φ∼50μm)
The a spect ratio is 3
Deep RIE後
200μm
Electroplated Nickel
Ni めっき後
200μm
ガラスウェハに形成した
1935個の貫通配線
Electroplated Nick el
200μm
研磨ではみ出
したNiを除去
した後
ガラス貫通配線
研磨を必要としないガラス貫通配線の形成法
(X.Li et.al., Sensor symposium, (May 2002))
16
一体化すると複雑過ぎて作りにくい。
→
MEMS部と集積回路部を別々に作り高密度貫通配線で接
続する技術。
SOC (System On Chip) よりも SIP (System In Package)
マルチプローブ
データストレー
ジへの応用
高密度ガラス貫通配線の応用
共析めっきによる多孔質テフロンによる超疎水性表面
（T.Abe et.al. Transducers’01）
17
単結晶ｼﾘｺﾝのｴｯﾁﾝｸﾞによ
る歪無し片持ち梁
熱酸化SiO2における圧縮
応力の開放による歪（座
屈）
内部応力による歪
内部応力の制御
18
カソード結合型応力制御SiO2 CVD装置
(サムコインターナショナル㈱)
(6th SEMI Microsystem/MEMS Seminar, Makuhari (2002) p.117)
低応力GeO2-SiO2 CVD
(6th SEMI Microsystem/MEMS Seminar, Makuhari (2002) p.117)
19
反りによる応力評価
表面ﾏｲｸﾛﾏｼｰﾆﾝｸﾞ構造の応力評価ﾊﾟﾀｰﾝ
20
厚さ方向に応力が分布し
た膜の変形
Si-Ge層の応力・反り制御
(A.Mehta et.al., Transducers’05
(2005) p.1236)
21
応力の影響を受けにくい構造
接合
22
接合
シリコンとガラスの陽極接合
23
陽極接合で製作した加速度センサ
陽極接合による反り
24
（旭ﾃｸﾉｶﾞﾗｽ㈱）
（旭ﾃｸﾉｶﾞﾗｽ㈱）
25
陽極接合における回路損傷
(電気学会 研究会資料 ST-92-7，(1992) 9-17)
回路損傷の評価に使ったTEG（テストデバイス）
26
陽極接合によるｐｎ接合ダイオードのリーク電流の増大
ｼﾘｺﾝ・ﾊﾞｲレックスｶﾞﾗｽ・ｺﾊﾞｰﾙ・Fe-Ni合金の熱膨張
27
ベーカブル（空気圧駆動）マイクロバルブ
ベーカブルマイクロバルブの特性
28
ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法
直接接合による容量型圧力センサ
(Nisase et.al. Transducers’87)
29
直接接合の原理
洗浄効果
(EVグループ: マイクロマシン/MEMS技術大全
(電子ジャーナル) 2003、p.330)
30
バルクSi
プラズマ活性化低温接合
(T.Suni (VTT Electronics), J.Electrochem.Soc.,(2002) p.G.348)
プラズマ活性化接合の応用例
31
常温界面接合 （山田高幸 他： 精密工学会誌 66 （2000） p.1265）
アライメント機能付シリコンウェハ常温界面接合装置
(H.Takagi, J.of Micromech. and Microeng., 15 (2005) 290)
32
親水処理後
プラズマ処理
大気中で重ね合わせ
高真空中で表面活性化
(高速原子線等照射)
大気中で重ね合わせ
(仮接合)
そのまま高真空中で接合
(仮接合)
高温で接合
(1000℃程)
200℃程度で接合
高温直接接合
プラズマ支援低温接合
常温界面接合
高温が必要
比較的低温
室温
等熱膨張の材料どうし
熱膨張の制約は少ない
熱膨張の制約は無い
位置合わせは困難
直接(界面)接合の種類
表裏に非対称に膜が付いていると反りがあり難しい
Si
イントリンシックゲッタリング処理無
RFMEMS用高抵抗ウェハ(kΩ-cm)
Si
p++Si (+ Ge)
Si
エッチストップ層付エピウェハ
Poly-Si (5-20μm) Epi-poly
Si
SiO2
厚いPoly-Si付ウェハ
MEMS用ウェハ(1) (OKMETIC)
33
原子半径の関係
格子補償 (西沢)
B濃度増加に
よる転位密度
の増大(左)、
Ge濃度の増
大による転位
密度の減少
(右)
(H.-J.Herzog
et.al., J. of the
Electrochemical
Soc., 131
(1984)
pp.2969-2974)
34
Si
SiO2 (5-20μm)
Si
厚いSiO2を持つSOIウェハ
(熱酸化膜、火炎加水分解膜)
Si
Si
SiO2
Si
Doulble SOIウェハ
MEMS用ウェハ(2)
(OKMETIC, KST World)
(a)SOIによる加速度センサと、(b)ダブルSOIによる光スキャナ
共にアナログデバイス社
35
SOIウェハのDeep RIE
Siと熱酸化膜の熱膨張差による内部応力の開放で生じる変形
ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法
36
Auｽﾊﾟｯﾀ直前に自然酸化膜をｽﾊﾟｯﾀｴｯﾁﾝｸﾞ
Au-Siを用いた共晶接合
(D.Y.Sim et.al., 電気学会論
文誌Ｅ, 115-E,(1996),56-61)
Au-Si共晶接合を用いた空気圧駆動ﾊﾞﾙ
ﾌﾞ
37
ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法
ポリイミドフィルムを用いた接合
38
SU-8 ドライ
フィルム
SU-8
Si
5 mm
Impeller
Stator
SU-8ドライフィルムを用いた燃料電池空
気ポンプ用シュラウデドタービン
SU-8によるウェハレベルパッケージング
(N.Honda(日本化薬), Micro System
Technologies 2005, Munchen, 2005/10/5-6)
ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法
39
マイクロエアータービン
(S.Tanaka et.al.,Sensors and Actuators A,96 (2002), 215-222)
ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法
40
ﾊﾟｲﾚｯｸｽ薄膜を用いた陽極接合
(庄司康則 他, 次世代ｾﾝｻ協議会 第4回ﾏｲｸﾛﾏｼｰﾆﾝｸﾞ研究会（1994）)
ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法
41
局所通電加熱接合
大口径では厚い必要がある → ガラスの貫通穴あけが困難 → 途中まで穴あけ
した厚いガラスを支持基板に貼り付けて研磨 → 接合後支持基板を外す（この外
すためのGeエッチング工程を工夫）
大口径ウェハ用高密度ガラス貫通配線技術
(X.Li et.al.: Proceedings of the Sensor Symposium (2003-7/22-23))
42
断面（左上は上面）
Geエッチング前
Geエッチング中
Geエッチング後
断面写真とH2O2によるGeエッチングの経過
組み合わせプロセス (表面マイクロマシニング 他)
43
表面マイクロマシニング
表面ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞで製作した一方向弁
(庄子習一 他,電子情報通信学会論文誌Ｃ,J71-C (1988),1705-1711)
44
45
超臨界乾燥の原理 (乾燥時の貼り付き対策)
(2002 マイクロマシン/MEMS技術大全（電子ジャーナル別冊）)
表面間力による付着の対策
46
落下を加速度で検出し
ヘッドを退避させてハード
ディスクのクラッシュを防
ぐIBMパソコン
3 mm
集積化加速度センサ
（アナログデバイス社）
立ち上げる構造
47
45度や90度に立ち上げる方法
(R.R.A.Syms, Sensors and Actuators, A88 (2001) 273)
立ち上げる機構
48
ポリシリコンの応力制御
に1100℃での熱処理
犠牲層: PSG
エッチング: HF
iMEMS(アナログデバイス): 3μm BiCMOS
interleaved with 2-4μm poly Si
(M.W.July: Tech.Digest solid-State Sensor, Actuator and
Microsystems Workshop, Hilton Head (2004) 27-32)
低温(400℃程)熱処理で可
犠牲層: Ge
エッチング: H2O2
polySi-GeによるポストAl 表面マイクロマシニング
(A.E.Franke, J.M.Heck, T.-J.King and R.T.Howe: J.of
Microelectromechanical Systems, 12 (2003) 160-171)
多結晶SiGe振動子のアニール(時間１分)によるQ値の変化
(S.A.Bhave (米U.C.Berkeley), Solid State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop
(2002) p.34)
49
CMOS上Poly-SiGe MEMSジャイロ
(W.A.Mehta(imec),ISSC 2005, p.88)
CMOS回路上に形成できるPoly-SiGe ディスク共振子
(E.P.Quev, R.T.Howe et.al., MEMS 2006, p.234)
50
犠牲層エッチングを用いたウェ
ハレベル一括封止
(R.H.Fan, L.Fan, M.C.Wu and
C.J.Kim: Porous polysilicon shell
formed by electrochemical etching
for on-chip vacuum encapsulation,
Tech.Digest solid-State Sensor,
Actuator and Microsystems
Workshop, Hilton Head (2004)
332-335)
51
LPCVD(600℃,550mTorr)
によるポーラスPoly-Si
LPCVDによるポーラスpoly-Si CVD
による犠牲層(LTO(低温CVDSiO2))
エッチング
49%HFによるエッチング後
(G.M.Dougherty et.al., J.of
Microelectrochemical Systems, 12 (2003)
pp.418-423)
ポーラスアルミナによるウェ
ハレベルパッケージング
(低温プロセス)
(R.He et.al., MEMS 2006 p.126)
52
(B.Sulouff (Analog Devices),
最新MEMSデバイス開発テクノロ
ジーと実用化へのシナリオを探る
(日本情報技術センター/日経エレク
トロニクス)、(2003.12))
ダイシングの工夫
ステルスダイシング (浜松ホトニクス)
切りしろの無い分割
→ IDタグチップのような小さなチップ
水をかけない分割
→ ごみが入る恐れのあるMEMS
(電子材料、2004年3月号、p.22)
53
低融点ガラス付ウェハで可動部を封
止するウェハレベルパッケージング
(アナログデバイス社 加速度センサ)
(M.W.July: Evolution of integrated inertial MEMS technology, Tech.Digest solidState Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head (2004) 27-32)
Pt/Ti
集積化容量型圧力センサ
の製作法
54
MEMSの問題点 ：ハイテク多品種少量
でコスト高、製品化し難い。
・コストの70％はパッケージングとテスト
→ ウェハレベルパッケージング
によるMEMSデバイス開発。
組立工程の設備が不要
MEMS部が分割時に保護される。
チップサイズに小形化できる。
テストの時に不良品を容器ごと捨てな
くてよくなる。
ウェハレベルパッケージング
各種フィードスルー構造
55
横方向フィードスルー
(M.Esashi, MEMS92 (1992) p.43)
各種のガラス穴開け加工
56
陽極接合時の酸素ガス発生
Si-O− → Si ＋ e− ＋ ½ O2
（裏則岳 他,第11回センサの基礎と応用シン
ポジウム講演概要集,(1992),63）
ウェハ上にパターニングした
非蒸発型ゲッタ
非蒸発型ゲッタ（SAESゲッター社）
非蒸発型ゲッタを用いた真空空洞の形成
(H.Henmi et.al., Sensors and Actuators A, 43 (1994) p.243)
57
真空空洞の圧力（真空度）の測定
ガラス貫通配線のリークテスト
(X.Li, ICEE 2004/APCOT MNT 2004, Sapporo (2004 July 5-6), 634-637)
58
接合歪の少ない狭ギャップ
静電サーボ加速度センサ
(G.Lim et.al.:電気学会論文誌
Ｅ,118-E,9 (1998) 420-424)
加速度センサにおける空洞内圧力と周波数特性
(ギャップ内に在る空気のスクイーズフィルム効果によるダンピング)
59
PV = nRT
接合条件
T: 673K(400°C), P:13332Pa
→ T: 300K(27°C)で
P:5943Pa
接合条件
T: 673K(400°C), P:267Pa
→ T: 300K(27°C)で P:117Pa
封止した空洞内の圧力（真空度）の制御
(南 他:電気学会論文誌Ｅ,117-E (1997) 109-116)
HEXSIL (HEXagonal SILicon)ﾌﾟﾛｾｽ
(C.Keller et.al., Solid-State Sensor and Actuator
Workshop (1994) 132-137)
HEXSILﾌﾟﾛｾｽで作られ
た磁気ﾍｯﾄﾞ用ｱｸﾁｭｴｰﾀ
(D.A.Horsley, MEMS’97)
60
SCREAM （コーネル大）
撥水表面(Au+Alkanethiol(SAM))
表面張力の違いを用いたセルフアセンブリ
[K.F.Böhringer Transducers’01, Srinivasan et al.’ 99, Whitesides et al.’ 90s]
61
振動を与えてセルフアセンブリで組立
(倉林活夫(ミシガン大)、日経マイクロデバイス 2005 5月 p.75)
表面張力を利用した異種チップの自己整合組立
(E.P.Qevy, R.T.Howe et.al, IEEE MEMS06, p.302)
62
アスペクト比9のPMMA (平井義彦 (大阪
府立大)、日経エレクトロニクス 2004/4/26)
170℃
50MPa
インプリントリソグラフィ(ホットエンボシング)
微細加工したシリコンの鋳型に
CVDした SiC微細構造体の製作
(T.Itoh, Transducers'03 (2003) p.254)
63
5 m
50 m
SiC モールド
K.O.Min, S.Tanaka
Temperature(℃)
800
Tempeature(℃)
1.4
Pressure(MPa)
1.2
1
600
0.8
400
0.6
0.4
200
Pressure(MPa)
SiC製のガラスプレス用モールド
(非球面レンズ)
0.2
0
Pyrex glass
0:00
0
0:28
0:57
1:26
1:55
2:24
Time(h:m)
プレス中の温度と圧力
SiC
mold
Step 1
Step 2
Step 3
Step 1：ガラスの軟化点（Sp 800℃ ）まで加熱
Step 2：プレス後、ガラス転移点（Tg 528℃）
まで冷却し、再度プレス
Step 3：ガラスをモールドから分離終了
ガラスプレスモールディング
(K.-O.Min, MEMS'2005, 475)
64
(a)
(b)
SiCモールド(a)ガラスプレス前、(b)４回のガラスプレス後
ガラスプレス前･後のSiCモールドの状態
ダイアモンドモールドを用いたナノインプリントリソグラフィ
(T.Ono, Jpn. J. Appl. Phys., 42, Part 1, No.6B, p.3867 (2003) )
65
(b) (c) 多孔質アルミナ
(d) ダイアモンドモールド
(e) PMMAに転写したもの
ダイアモンドモールドとレジストへのナノパターン転写
ジブロックコポリマーの
ナノ相分離構造
(内藤勝之,精密工学会誌, 70
(2004) p.326)
ナノ相分離構造をマスクにしてエッチン
グで形成したパターンドメディア
66
ジブロックコポリマーナノ相分離構造のパターニングとめっきによ
るパターンドメディア (M.Tuominen (Univ.of Massachusetts Amherst),
Japan-US Symposium on Tools and Metrology for Nanotechnology (2003))
レーザ支援エッチング
(K.Minami et.al., J.of Micromechanics and Microengineering,3(1993))
67
低温凝縮CW紫外ﾚｰｻﾞ支援CVD装置 （堆積速度
10μm/min）
(杉原正久 他,電気学会論文誌Ｅ,117-E (1997) pp.3-9))
低温凝縮CW紫外ﾚｰｻﾞ支援CVDによるﾏｲｸﾛｱｾﾝﾌﾞﾘ
能動ｶﾃｰﾃﾙのﾘﾝｸへの形状記憶合金ｺｲﾙの取り付け
68
N
bri
De
ri s
eb
D
o
s
In vacuum
In air
フェムト秒レーザによるガラスの穴あけ
Depth of ablation (µm)
2000
1600
10s
Laser fluence :
210J/cm2
105J/cm2
1200
50s
Laser pulse : 150fs
Wavelength : 775nm
Repetition Rate : 1KHz
500μm
100ms
500ms
1s
800
400
500μm
0
1
10
100
1000
104
Laser irradiation time (ms)
105
レーザ照射時間と孔の深さ
69
Siの選択研磨
結晶異方性エッチング
シミュレーションの例
(K.Sato et.al.,
MEMS’91)
70
サーマルマスフローセンサ
(江刺 他,電子情報通信学会論文誌
C-II, J75-C-II (1992), 738-742)
焦点合わせによる深さ測定
71
光干渉による変形測定
(M.Esashi, Sensors and Actuators,
A21-A23 (1990), 161-167)
顕微FTIRを用いた赤外線干渉ｽﾍﾟｸﾄﾙによるSiの膜厚測定
（西口 他、第18回「ｾﾝｻの基礎と応用ｼﾝﾎﾟｼﾟｳﾑ」和文速報 (2001) 60)
72
エッチング中厚さモニタシステム
(K.Minami et.al., J.of Micromechanics and Microengineering,5,1(1995))
エッチング中厚さモニタシステムの写真
73
干渉スペクトルによる
厚さモニタ
縦横振動の同時測定
74
各種材料の機械物性
(ｽｳｪｰﾃﾞﾝ ｳﾌﾟｻﾗ大 ｼュﾊﾞｲﾂ教授)
単結晶ｼﾘｺﾝの変形と歪ー応力曲線
75
単結晶シリコンの破壊強度（室温）のデータ
単結晶ｼﾘｺﾝの応力腐食割れ
76