JP2018529532A - チップ、インターポーザおよび支持体などの２つの要素を付着させるための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、チップ、インターポーザおよび支持体などの２つの要素１１、１２を付着させるための装置であって、２つの要素１１、１２のうちの少なくとも１つがマイクロ製造される装置に関し、装置が、第１要素１１に構築され、第２要素１２に対向するように延びる少なくとも１つの突出スタッド２５と、スタッド２５の一方の端部２７と第２要素１２との間に付着領域１６を作るように構成されるスタッド２５と、スタッド２５を第２要素１２に付着させるように、付着領域１６内に配置される付着層１４と、凹部３０であって、付着層１４が、少なくとも部分的に凹部３０内へと延びるように、付着領域１６内に形成される凹部３０を備える。

Description

本発明は、チップ、インターポーザおよび支持体などの、マイクロエレクトロニクスの分野における少なくとも１つがマイクロ製造される２つの要素を付着させるための装置に関する。本発明は、インターポーザを用いて、または用いずにマイクロ製造チップを、支持体上へと付着されることを可能にする。本発明は、加速度計またはジャイロメータのタイプのセンサ、圧力センサ、光部品または電力部品に特に有利に適用される。

マイクロ製造チップは、ＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）チップまたはＭＯＥＭＳ（マイクロ光電気機械システム）チップなどの、外部条件に対し高感度のチップを含む。マイクロ製造チップは、シリコンチップ（熱膨張係数２〜４ｐｐｍ／℃）とアルミナ支持体（熱膨張係数７ｐｐｍ／℃〜１２ｐｐｍ／℃）との熱膨張係数の差により、チップが上に取り付けられる時に支持体に起こる熱機械的応力に敏感である場合がある。一旦組み立てられ、その微細かつ敏感な機械構造が、製品の動作に支障をきたし得る局所または伸長した応力点を有するマイクロ製造チップの場合においては、特に上記の通りである。

マイクロ製造チップの感度を高めるためには、支持体からチップへの熱伝達または応力伝達または機械的運動を制限する必要がある。

これらのマイクロ製造チップは、従来、チップと支持体との間のインターポーザを用いて、または用いずに、支持体上に取り付けられる。インターポーザは、チップの取り付け、および／またはチップと支持体との間における熱交換および機械的応力の制限を容易にすることに役立つ。

特許文献１は、インターポーザを介して支持体に接続されるチップを開示している。インターポーザは、インターポーザと支持体との間の熱経路を増加させるように、カラムにより支持体上に取り付けられる。したがってインターポーザ上に取り付けられるチップと、支持体との間の熱交換が減少する。しかし、この解決方法は、インターポーザおよびカラムの両方を使用することにより、チップと支持体との間の、取り付け装置の容積を大きく増加させる。

さらに、特許文献２は、支持体上に直接取り付けられるチップを開示している。チップは、スタッドと支持体との間に付着領域を作るように、チップ内部の、支持体に対向する表面上に構築される突出スタッドを含む。付着層、たとえば接着剤が、チップを支持体上に付着させるために、スタッドと支持体との間に配置される。スタッドの存在により、チップと支持体との間の接触領域を制限すること、そしてチップと支持体との間の熱交換を制限することが可能になる。しかし、支持体と接触するスタッドの表面が不十分であることが多いため、この解決方法では、チップが支持体に正しく付着されない。したがって、付着に関する制約を満たすために、支持体と接触するスタッドの表面が大型となる。

したがって、本発明の技術的課題は、付着領域を、チップの影響を受けやすい領域から分離させつつ付着の質を保証しながらも、チップと、支持体またはインターポーザとの間の付着表面を制限することにある。

米国特許出願公開第２００８／２５１８６６号明細書 米国特許第８，９０１，６８１号明細書

本発明は、付着層が少なくとも部分的に凹部内へと延びるような、凹部を有する１つまたは複数のスタッドを使用することによって、この技術的課題を解決することを提案する。

そのために、本発明は、チップ、インターポーザおよび支持体などの２つの要素を付着させるための装置であって、前記２つの要素のうちの少なくとも１つがマイクロ製造される装置に関し、前記装置が、第１要素に構築され、第２要素に対向するように延びる少なくとも１つの突出スタッドであって、前記スタッドの一方の端部と前記第２要素との間に付着領域を作るように構成されるスタッドと、前記スタッドを前記第２要素に付着させるように、付着領域内に配置される付着層と、前記付着領域内に形成される凹部を備え、前記凹部は、前記付着層が少なくとも部分的に前記凹部内へと延びるように構成されている。

本発明は、少なくとも空洞部において、２つの要素の間の付着層の高さを精密に調節し、２つの要素の間の最小の機械的応力を調節することを可能にする。

２つの要素の間の機械的強度が向上することにより、スタッドと第２要素との間に必要とされる付着表面が減少する。

さらに、付着層は、チップと支持体との間における運動応力の一部を吸収することを可能にする。したがって、凹部の形状により予め定められる機械的強度はまた、この、チップと支持体との間における運動応力の機械的吸収性能を調節することを可能にする。

一実施形態によると、装置は、材料を前記スタッドまたは前記第２要素の反対表面上に配置させることによって形成される少なくとも１つのマイクロカラムをさらに含み、前記マイクロカラムが、前記マイクロカラムにおいて、前記付着層の最小厚さを保証するように制御された高さを有する。本実施形態は、少なくともマイクロカラムにおいて、付着層の厚さを保証し、そして、凹部に入り込む付着層の領域外の、２つの要素の間において、最小の機械的強度を構成するという利点を有する。

一実施形態によると、前記凹部は前記スタッドに形成される。本実施形態は、特別な処理なしで、従来の第２要素を使用することを可能にする。

一実施形態によると、前記凹部は、前記スタッドが前記凹部に入り込み得るように、前記スタッドに対向する位置にある前記第２要素に形成される。本実施形態は、第２要素に対する第１要素の設置、またはその逆をガイドすることを可能にする。

一実施形態によると、
前記スタッドは、前記付着領域と接触する前記スタッドの前記端部にて開口する、前記凹部の高さの、少なくとも１つの縦方向凹部を含む。

本実施形態は、支持体の変形応力の一部を吸収することを可能にする。実際、縦方向凹部が、スタッドが横応力の影響下、または軸応力の影響下のいずれかにおいて変形し得るように、付着領域に対し横方向の弾性を生じさせる。横応力は、膨張効果差により、チップと支持体との間に生じ得る。横応力は、付着層の材料が圧縮されるときに、チップと支持体との間に生じてもよく、したがって、縦方向凹部は、衝撃吸収効果を得ることを可能にする。

一実施形態によると、装置は、前記第２要素に構築され、前記付着領域内で前記第１要素の前記スタッドに対向するように延びる第２スタッドを含む。本実施形態は、付着領域の高さをスタッドの端部表面の全体に亘り異なるように調節することを可能にする。

一実施形態によると、装置は、任意に異なるサイズおよび形状を有し、アレイとして編成される、スタッドのセットを含む。本実施形態は、付着領域の保持および接着の向上を可能にする。アレイはまた、応力の分散の向上を可能にする。アレイのパターンは、正方形、円形または他の形状となり得る。アレイは、チップの表面全体に亘り均等に分布し得る、または特定の領域に限定され得る。

一実施形態によると、前記第１要素はチップであり、前記第２要素は支持体であるか、または、前記第１要素は支持体であり、前記第２要素はチップである。本実施形態は、インターポーザを排することを可能にする。

一実施形態によると、装置は、前記チップと前記支持体を接続するように構成されるインターポーザを含み、前記第１要素は前記チップであり前記第２要素は前記インターポーザであるか、または、前記第１要素は前記インターポーザであり前記第２要素は前記チップである。

本発明を実施する方法およびそこから得られる利点が、添付の図面の機能として、非制限の例として提供される以下の実施形態から明白となるであろう。

本発明の第１の実施形態に従い構築される、インターポーザにより支持体に接続されるチップの断面図である。 本発明の第２の実施形態による、図１のインターポーザの断面図である。 本発明の第３の実施形態に従い構築された、支持体に直接接続されるチップの断面図である。 本発明の第４の実施形態に従い構築された、支持体に直接接続されるチップの断面図である。 本発明の第５の実施形態に従い構築された、支持体に直接接続されるチップの断面図である。 本発明による、チップに対する少なくとも１つのスタッドの配置の下面図である。 本発明による、チップに対する少なくとも１つのスタッドの配置の下面図である。 本発明による、チップに対する少なくとも１つのスタッドの配置の下面図である。 本発明による、チップに対する少なくとも１つのスタッドの配置の下面図である。 本発明による、チップに対する少なくとも１つのスタッドの配置の下面図である。 本発明による、チップに対する少なくとも１つのスタッドの配置の下面図である。 本発明によるスタッドの斜視正面図である。 本発明によるスタッドの斜視正面図である。 本発明によるスタッドの斜視正面図である。 本発明によるスタッドの斜視正面図である。

本発明は、チップと支持体とを直接またはインターポーザを用いて接続することを可能にする。インターポーザが無い場合、本発明は、チップと支持体との間において実施される。インターポーザがある場合、本発明は、チップとインターポーザとの間もしくは、インターポーザと支持体との間に、またはその両方において実施される。これら実施形態のすべてを包括するために、本開示は、その間に本発明が実施される２つの要素１１、１２を記述する。これら要素１１、１２は、チップ、インターポーザ、または支持体である。これら要素１１、１２の中でも、第１要素１１は、少なくとも１つのスタッド２５を有するとして区別される。

図１は、インターポーザによって支持体に接続されるチップを示している。本発明は、チップおよびインターポーザである２つの要素１１、１２の間で実施される。そして支持体は、第３要素１３に相当する。第１要素１１であるインターポーザは、従来の付着層１５によって、第３要素１３に接続される下面を含む。下面と反対側の第１要素１１の上面は、４つのスタッド２５を形成するように構築される。構築作業は、第１要素１１の上面にスタッド２５を作るように、第１要素１１から材料の厚さを除去することを含む。各スタッド２５は、第２要素１２であるチップに向かって延びる。スタッド２５の上側端部２７は、第２要素１２と共に付着層１４が配置される付着領域１６を作るために構成される。２つの要素１１、１２の間の付着層１４の厚さを制御するために、凹部３０がスタッド２５に形成され、上側端部２７にて開口する。好ましくは、凹部３０は、その幅全体に亘る一定の深さを有する。

チップが付着層１４に適用されると、チップと付着層１４との接着を向上させるために、チップは、インターポーザに押し付けられる。そして付着層１４は、スタッド２５のいずれかの側部にあふれる可能性があり、凹部３０の外側のこの付着層１４の厚さを調節することは、特に困難である。

図２は、凹部３０の外側の、スタッド２５の上側端部２７上に配置されるマイクロカラム３１を使用し、この問題に対処することを可能にする図１の変形例を示す。これらマイクロカラム３１は、チップの適用中、インターポーザに対するチップの圧力に耐えることを可能にする。好ましくは、複数のマイクロカラム３１は、４０〜１４０μｍの、実質的に等しい高さを有する。好ましくは、これらマイクロカラム３１は、小型の金のビードをインターポーザ上に溶接し、そしてこの金のビードを、マイクロカラム３１を形成するように引っ張ることによって、金から作られる。

図３〜５は、インターポーザを必要とせず、２つの要素１１、１２がチップおよび支持体である変形例を示す。図３の場合、第１要素１１はチップであり、第２要素１２は支持体である。チップは、支持体の方向に延びる３つのスタッド２５を備え、凹部３０が、下側端部に配置される。付着層１４は、スタッド２５の下側端部と支持体の上面との間に配置される。

図４の場合、第１要素１１は支持体であり、第２要素１２はチップである。支持体は、チップの方向に延びる３つのスタッド２５を含む。チップはまた、支持体の各スタッド２５と対向するような凹部３０を作るように構築される。したがって、凹部３０は、スタッド２５内ではなく、第２要素１２に形成される。そのためにも、凹部３０の形状は、スタッド２５の形状に適合している。支持体を有するチップを組み立てるために、付着層１４は、凹部３０内に配置され得る。そしてチップに対する圧力により、付着層１４が凹部３０の底部からスタッド２５の基部へと分布することが可能になる。

代替的に、スタッド２５および／または凹部３０の形状は、スタッド２５を凹部３０内でセンタリングすることによって、２つの要素１１、１２の互いに対しての位置決めおよび調節をガイドするように、円錐台状となり得る。

図５の場合、第１要素１１は、支持体のままであり、第２要素１２はチップである。凹部３０は、各スタッド２５の上端部に構築され、マイクロカラムは、凹部３０の外側の、スタッド２５の上端部に配置される。さらに、第２要素１２は、付着領域１６内の支持体の方向に延びる第２スタッドを作るためにも構築される。好ましくは、第２スタッドは、マイクロカラムが第２スタッドと接触しないように、凹部３０の表面に適合した表面を有する。第２スタッドは、チップを支持体上に配置する間に、付着層１４を凹部３０内に押し込むことを可能にする。

好ましくは、スタッド２５は、シリコンウェハ上における集合的な製造ステップ中に、製造工程の最後の、材料のリソグラフィおよびエッチングのための標準的な方法により作られる。スタッド２５の高さは、深掘り反応性イオンエッチングを用いるエッチング方法の間に、制御および調節され得る。典型的には、高さが１０μｍ〜３００μｍであるスタッド２５を作ることが可能である。特に、最大高さを制限するのは、基板の厚さである。接着剤を使用する付着の場合、４０μｍ〜８０μｍの典型的な高さで十分である。たとえば１００μｍ〜５００μｍの高さのように、高さがより高くなると、用いられる形態に依存して、機械的な結合分離機能が向上し得る。スタッド２５の表面は、電気的接触または接着を促進するために、シリコン製であってもよく、または絶縁体（酸化シリコン、窒化物など）もしくは任意の種類の金属で被膜されてもよい。

製造方法は、スタッド２５の形状の種類に関するいずれの制限も引き起こさない。パターンは、円形、正方形、星形または他の任意の形状となり得る。パターンは、均等、中空でもよく、またはエッチングのアレイを有してもよい。製造中に構成要素の後面に直接、付着パターンを画定することにより、支持体への最終の付着中における、構成要素の自己位置決めが非常に簡素なものとなる。付着領域は、第１要素１１上にのみ画定されている。したがって、シリコンウェハ上における標準のフォトリソグラフィー法により、スタッド２５を、チップの可動式の内部部品に対し、５μｍ以内で精密に位置決めすることが非常に容易である。これは、チップおよび支持体の組み立てにおける、従来の付着中の約５０μｍの典型的な位置決めよりも格段に良好である。

チップと支持体との間を結合分離することの目的は、いずれの外部応力も、測定される寸法を除き内部の可動部分に伝達されないようにすることである。中でも、様々な材料間における熱応力差のすべてが、破壊的効果（ドリフト、熱ヒステリシス、オフセットなど）を引き起こす。したがって、理想的には、可動構造は、完全浮遊しなければならないか、または接触点が可能な限り小さくなければならない。

図６ａ〜６ｆは、第１要素１１、たとえばチップの（１つまたは複数の）スタッド２５の異なる形状および形態を示している。図６ａおよび図６ｂは、単一のスタッド２５を示しており、そのセクションは長円形または矩形のいずれかである。図６ｃおよび図６ｄは、協働してチップに対する支持体の運動応力を吸収するように対称に配置される４つのスタッド２５を示している。図６ｅおよび図６ｆは、アレイとして編成され、付着層１４の保持および接着の向上を可能にするスタッド２５のセットを示している。各セットのスタッド２５はまた、応力の分散を向上し得る。アレイは、図６ｅでは、表面の全体に亘り均等に分布され得る、または、図６ｆでは、特定の領域に限定される。

代替的に、アレイのスタッド２５の幾何学的形状は、第１要素１１と第２要素１２との間の機械的応力の結合分離を調節するような方法で、アレイの形態に適合している。たとえば、第２要素１２は、中央部のスタッド２５および周辺部のスタッド２５により第１要素１１に接続され得る。周辺部のスタッド２５の変形性能は、中央部のスタッド２５の変形性能より優れている。したがって、２つの要素１１、１２間の位置に関連して、第１要素１１と第２要素１２との間の可変の機械的結合分離を引き起こすことが可能である。スタッド２５の変形性能は、たとえば、スタッド２５の厚さの変更、または凹部３０の容量の増加により調節され得る。

図７ａ〜７ｅは、スタッド２５が中空であり横弾性を有する、スタッド２５の実施形態を示している。したがって、スタッド２５は、膨張効果差に関連する横応力の影響下、または付着層１４を圧縮する軸応力の影響下で変形可能である。そのためにも、各スタッド２５は、スタッド２５の変形を可能にする、縦方向凹部３５を有する。各凹部３５は、付着領域１６内にくるように、スタッド２５の端部２７にて開口する。次に、スタッド２５は、縦方向凹部３５間の複数のストリップ５０に区分けされる。さらに、スタッド２５のねじれを可能にするために、凹部３５は、付着層１４が凹部３５を通るように延び、２つの要素１１、１２の間でより容易に分配されることを可能にする。

スタッド２５がストリップ５０の形状で作られる場合、凹部３０は、ストリップ５０間の内側容量により画定される。各凹部３５は、スタッド２５の内壁が、凹部３０を画定するために、仮想的に連続しているとみなせるように、隣り合う２つのストリップ５０の線形回帰により数学的に充填される。

そのようなスタッド２５の製造は、スリットなしのスタッド２５の製造よりもわずかに複雑であるが、同種の方法を使うことを必要とする。システムおよび応力の機械的シミュレーションにより、この弾性効果および応力の減少を最大限に利用する傾向のある複雑な幾何学配置を設計することが可能である。

たとえば、図７ａは、それぞれが３つの凹部３５により区分けされている、直径の異なる２つの同心リングを含むスタッド２５を示している。図７ｂは、それぞれが６つの凹部３５によって区分けされている、直径の異なる２つの同心リングにより囲繞される中央スタッドを含むスタッド２５を示している。図７ｃは、２つの壁を含むスタッド２５を示しており、Ｃ字状のセクションを有する２つの壁は、これらの壁の間のセクションがＳ字状となる凹部３５を形成するように組み合っている。図７ｄは、８つの凹部３５によって区分けされるリング、およびマイクロカラム３１が設けられる上側端部２７を含む、スタッド２５を示している。

代替的に、ストリップ５０は、互いに独立し、第１要素１１の異なる場所に配置され得る。この場合、接着は、ストリップ５０の端部２７に位置する接合箇所を用いて、またはスリットが充分に狭い場合に、ストリップ５０内に含まれる凹部３０を完全に充填することによって実施される。

代替的に、２つの異なる要素１１、１２を接続するために、本実施形態は、組み合わされ、移動させられ得る。代替的に、スタッド２５はまた、支持体上におけるチップの位置決めをガイドするために配置されてもよい。

したがって、本発明は、マイクロ製造チップの性能を、チップとその支持体との相互作用を制限することにより向上させることが可能である。

Claims (9)

1. チップ、インターポーザおよび支持体などの２つの要素（１１、１２）を付着させるための装置であって、前記２つの要素（１１、１２）のうちの少なくとも１つがマイクロ製造され、前記装置が、
   第１要素（１１）に構築され、第２要素（１２）に対向するように延びる少なくとも１つの突出スタッド（２５）であって、前記スタッド（２５）の一方の端部（２７）と前記第２要素（１２）との間に付着領域（１６）を作るように構成されるスタッド（２５）と、
   前記スタッド（２５）を前記第２要素（１２）に付着させるように、前記付着領域（１６）内に配置される付着層（１４）と、
   を備え、前記装置が、
   前記付着領域（１６）内に形成される凹部（３０）をさらに備え、前記凹部は、前記付着層（１４）が少なくとも部分的に前記凹部（３０）内へと延びるように構成されている、装置。
2. 材料を前記スタッド（２５）または前記第２要素の反対表面上に配置させることによって形成される少なくとも１つのマイクロカラム（３１）をさらに含み、前記マイクロカラム（３１）が、前記マイクロカラム（３１）において前記付着層（１４）の最小厚さを保証するように制御された高さを有することを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記凹部（３０）は、前記スタッド（２５）に形成されることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 前記凹部（３０）は、前記スタッド（２５）が、前記凹部（３０）に入り込み得るように、前記スタッド（２５）に対向する位置にある前記第２要素（１２）に形成されることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
5. 前記スタッド（２５）は、前記付着領域（１６）と接触する前記スタッド（２５）の前記端部（２７）にて開口する、前記凹部の高さの、少なくとも１つの縦方向凹部（３５）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記第２要素（１２）に構築され、前記付着領域（１６）内で前記第１要素（１１）の前記スタッド（２５）に対向するように延びる第２スタッドを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 任意に異なるサイズおよび形状を有し、アレイとして編成される、スタッド（２５）のセットを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記第１要素（１１）はチップであり、前記第２要素（１２）は支持体であるか、
   または、
   前記第１要素（１１）は支持体であり、前記第２要素（１２）はチップであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記チップと前記支持体を接続するように構成されるインターポーザを含み、
   前記第１要素（１１）は前記チップであり前記第２要素（１２）は前記インターポーザであるか、または、
   前記第１要素（１１）は前記インターポーザであり前記第２要素（１２）は前記チップであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。

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