(57)【要約】マイクロメカニカル流体制御装置（６２）を基材（６４）に取付ける方法は、マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間に形成されたアパーチャ（６６）の回りに、第一の接着剤（７０）の第一のリングを形成する工程を含む。この第一の接着剤は、前記マイクロメカニカル流体制御装置と前記基板との間に、清浄で且つ耐蝕製の第一のインターフェースを形成する。第一のリングンの回りに、第二の接着剤（７２）の第二のリングを適用する。この第二の接着剤は、前記マイクロメカニカル流体制御装置と前記基材との間に、密封性の第二のインターフェースを形成する。
2004500249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロメカニカル流体制御装置を基材に取付ける方法において：
マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間に形成されたアパーチャの回りに第一の接着剤の第一のリングを形成する工程であって、前記第一の接着剤は、前記マイクロメカニカル流体制御装置と前記基板との間に、清浄で且つ耐蝕製の第一のインターフェースを形成する工程と；
前記第一のリングンの回りに第二の接着剤の第二のリングを適用する工程であって、前記第二の接着剤は、前記マイクロメカニカル流体制御装置と前記基材との間に、密封性の第二のインターフェースを形成する工程とを具備する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記形成する工程は、前記第一のインターフェースが、前記マイクロメカニカル流体制御装置に適用される流体の化学的または物理的性質を測定可能に変化させない点において清浄であるように、前記第一のインターフェースを形成する工程を含む方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記形成する工程は、前記第一のインターフェースが、前記マイクロメカニカル流体制御装置に適用される流体へのその露出によって前記第一のインターフェースの機能に観察可能な変化を生じない点において耐蝕性であるように、前記第一のインターフェースを形成する工程を含む方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記適用する工程は、前記第二のインターフェースが、１×１０−９ ａｔｍ＊ｓｅｃ／ｓｅｃ未満のヘリウムに対する透過性を有する点において密封性であるように、前記第二のインターフェースを適用する工程を含む方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記形成する工程および前記適用する工程は、圧力センサの形態のマイクロメカニカル流体制御装置で実施される方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、前記形成する工程および前記適用する工程は、ピエゾ抵抗性圧力センサの形態のマイクロメカニカル流体制御装置で実施される方法。
【請求項７】
請求項５に記載の方法であって、前記形成する工程および前記適用する工程は、容量性圧力センサの形態のマイクロメカニカル流体制御装置で実施される方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、前記形成する工程および前記適用する工程は、歪み感受性トランスジューサの形態のマイクロメカニカル流体制御装置で実施される方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、前記形成する工程および前記適用する工程は、流体マニホルドの形態の基材で実施される方法。
【請求項１０】
マイクロメカニカル流体制御システムにおいて：
マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間に形成されたアパーチャの回りに形成された第一の接着性リングであって、マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間の、清浄で耐蝕性の第一のインターフェースを形成する第一の接着性リングと；
前記第一の接着性リングの回りに形成された第二の接着性リングであって、マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間に、密封性の第二のインターフェースを形成する第二の接着性リングとを具備するマイクロメカニカル流体制御システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のマイクロメカニカル流体制御システムであって、前記第一の接着性リングは、前記マイクロメカニカル流体制御装置に適用される流体の化学的または物理的性質を測定可能に変化させない点において清浄であるマイクロメカニカル流体制御システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のマイクロメカニカル流体制御システムであって、前記第一のインターフェースは、前記マイクロメカニカル流体制御装置に適用される流体へのその露出によって前記第一のインターフェースの機能に観察可能な変化を生じない点において耐蝕性であるマイクロメカニカル流体制御システム。
【請求項１３】
請求項１０に記載のマイクロメカニカル流体制御システムであって、前記第二のインターフェースが１×１０−９ ａｔｍ＊ｓｅｃ／ｓｅｃ未満のヘリウムに対する透過性を有する点において密封性であるマイクロメカニカル流体制御システム。
【請求項１４】
前記マイクロメカニカル流体制御装置は圧力センサである、請求項１０に記載のマイクロメカニカル流体制御システム。
【請求項１５】
前記マイクロメカニカル流体制御装置はピエゾ抵抗性圧力センサである、請求項１０に記載のマイクロメカニカル流体制御システム。
【請求項１６】
前記マイクロメカニカル流体制御装置は容量性圧力センサである、請求項１０に記載のマイクロメカニカル流体制御システム。
【請求項１７】
前記マイクロメカニカル流体制御装置は応力感受性トランスジューサである、請求項１０に記載のマイクロメカニカル流体制御システム。
【請求項１８】
前記基材は流体マニホルドである、請求項１０に記載のマイクロメカニカル流体制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の簡単な説明］
本発明は、一般に、流体を制御するために使用するマイクロメカニカル装置に関する。更に特定すれば、本発明はマイクロメカニカル装置と流体マニホルド基材との間に、清浄で、耐蝕性で且つ密封性の接合を確立するための技術に関する。
【０００２】
［発明の背景］
マイクロメカニカル装置（マイクロエレクトロメカニカル装置 （ＭＥＭ） 装置、微細加工された装置、ナノ構造体とも呼ばれる）は、半導体加工技術を使用して構築されたミクロンスケールの三次元物体である。ここで使用するマイクロメカニカルの用語は、少なくとも部分的に半導体加工技術に依存して構築された三次元物体を意味する。
【０００３】
マイクロメカニカル装置は、流体制御装置として利用される。ここで使用される流体の用語は、気体または液体を意味する。精密な流体制御は、薬物デリバリーから半導体加工装置に亘る多くの応用において重要である。
【０００４】
マイクロメカニカル装置は、シャットオフ弁、圧力センサ、マスフローコントローラ、フィルター、精製器、圧力ゲージ等を含む、種々の流体流れ制御装置を形成するために使用される。図１は、入力ポート２２および出力ポート２４を備えたマニホルド２０を含んだ従来技術の装置の側断面図である。該マニホルド２０には、通常は開状態にある比例弁の形態の第一のマイクロメカニカル流体制御装置３０と、圧力センサの形態の第二のマイクロメカニカル流体制御装置３２が装着されている。ここでのマイクロメカニカル流体制御装置に対する言及は、流体に露出されて、流体を検知または制御するように動作する何等かの装置を想定している。
【０００５】
第一のマイクロメカニカル流体制御装置３０は、膜３４および膜制御チャンバー３６を含んでいる。膜制御チャンバー３６内の流体は、選択的に加熱されることにより、膜制御チャンバー３６の容積を膨張させて膜３４を偏位させ、それによって流体が入力ポート２２から流れるのを阻止する。この方法で膜３４の偏位を制御することにより、比例弁動作が達成される。
【０００６】
第二のマイクロメカニカル流体制御装置３２もまた、膜３８を含んでいる。膜３８の偏位は、制御された流体の圧力を測定するために使用される。従って、第二のマイクロメカニカル流体制御部品３２は、圧力センサとして使用される。
【０００７】
夫々のマイクロメカニカル流体制御部品（３０，３２）は、シリコーンまたはエポキシのような柔らかく弾力性のある材料４０を使用して、マニホルド２０に装着される。理想的には、マニホルド２０からの応力は流体制御部品に伝達されない。圧力センサ（例えばピエゾ抵抗性、容量性、または応力性の圧力センサ）の場合に、応力の隔離は特に重要である。圧力センサは、支持構造体（例えばマニホルド）の応力に対して敏感である。特に、この応力が経時的に変化すると、与えられた圧力について該センサにより発生された信号は変化し、センサの有用性を減少させるであろう。
【０００８】
軟質で弾力のある材料を使用して幾らかの成功を収めているが、これらの材料は、より大きな適用のためには不適切である。特に、これらの材料は、半導体加工のためのガスの制御および分配に使用するためには不適切である。これに関連して、ガスは腐蝕性または毒性である。マニホルド２０と流体制御部品３０，３２との間の接着剤４０は、接着剤４０の観察可能な変化が存在しないように、この腐蝕性および／または毒性の物質に耐えなければならない。
【０００９】
更に、半導体加工装置は高レベルの清浄度をも必要とする。流体制御部品およびそれらの取付け材料は、制御される流体の特徴を測定可能なほど変化させてはならない。この制限のために、軟質で従順な多くの材料が、部品取付けのための候補としての考慮から排除される。
【００１０】
理想的には、この接着剤は密封性である。しかし、密封性のシールは典型的には極めて硬く、従って、パッケージ応力をマイクロメカニカル流体制御部品に直接伝達する。また、経時的に信号ドリフトが発生しないように、接着剤は安定であるべきである。
【００１１】
上記の観点から、流体制御部品を装着するための改善された技術を提供することは非常に望ましいであろう。理想的には、このような技術は、流体制御部品とマニホルドとの間の安定で、密封性で、清浄で、且つ耐蝕性のインターフェースを提供するであろう。
【００１２】
［発明の概要］
本発明の方法は、マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間に形成されたアパーチャの回りに、第一の接着剤の第一のリングを形成する工程を含んでいる。この第一の接着剤は、マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間の、清浄で耐蝕性の第一のインターフェースを形成する。この第一のリングの回りに、第二の接着剤の第二のリングが適用される。この第二の接着剤は、マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間に、密封性の第二のインターフェースを形成する。
【００１３】
本発明の装置は、マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間に形成されているアパーチャの回りに形成された第一の接着性リングを備えた、マイクロメカニカル流体制御システムである。第一の接着性リングは、マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間の、清浄で耐蝕性の第一のインターフェースを形成する。第二の接着性リングは、前記第一の接着性リングの回りに形成される。この第二の接着性リングは、マイクロメカニカル流体制御装置と基材との間に、密封性の第二のインターフェースを形成する。
本発明は、流体制御部品とマニホルドとの間の安定で、密封性で、清浄で、且つ耐蝕性のインターフェースを提供する。
【００１４】
［発明の好ましい実施例および最良の形態の説明］
本発明をより良く理解するために、添付の図面との関連において、以下の詳細な説明を参照すべきである。全ての図面を通して、同様の参照番号は対応する部分を示している。
【００１５】
図２は、本発明の実施例に関連した処理工程を図示している。図２に示した第一の処理工程は、流れオリフィスの回りに、清浄で、耐蝕性の接着性リングを形成することである（工程５０）この操作は、図３を参照することにより理解することができる。
【００１６】
図３は、流体マニホルド形態の基材６４の側断面図である。基材６４には、圧力センサとして実施された流体制御装置６２が取付けられている。流体制御装置６２と基材６４の間には、アパーチャ６４が形成されている。該アパーチャ６６は、流体が基材６４を通過し、また流体制御装置６２と流体連通することを可能にする。
【００１７】
図３はまた、アパーチャ６６の回りに形成された第一のリング７０を示している。この第一のリング７０は、基材６４と流体制御装置６２との間に配置される。該第一のリング７０は、第一の接着剤で形成される。第一のリング７０は、清浄且つ耐蝕性のインターフェースを形成する。第一の接着剤は、流体制御装置６２に適用される流体の化学的もしくは物理的特性を、測定可能なほど変化させない点において清浄である。換言すれば、第一の接着剤は、制御される流体の化学的もしくは物理的成分および性質を追加または減少させないことによって、制御される流体（「濡らす （ｗｅｔｔｉｎｇ）」流体）の有用性を測定可能なほど変化させない材料（「濡らされる （ｗｅｔｔｅｄ）」材料）である。
【００１８】
第一の接着剤は、第一のインターフェースを流体制御装置に適用される流体に露出されても、該インターフェースの機能に認め得る変化を生じない点で耐蝕性である。例えば、透過性および剥離強度に認め得る変化は存在しない。他の関連パラメータには、流体溶解度、降伏強度、延性および熱膨張係数が含まれる。歴史的には、認め得る変化がないとは、点蝕のような視覚的な変化がないことを意味する。新しい試験要件が現れると共に、それは物理的特性または他の特性、例えば強度、延性、組成等に変化がないことを意味するようになった。
【００１９】
好ましくは、第一の接着剤はポリマー組成物である。本発明の一実施例において、このポリマー組成物はポリテトラフルオロエチレンを充填されたビスマレイミドをベースにした接着剤、例えば、カリホルニア州サンディエゴ所在のＱＵＡＮＴＵＭ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ， ＩＮＣによって販売されるＱＭＩ ５６１またはＱＭＩ ５３６である。ＱＭＩ ５３６は、集積回路をポリマー表面に結合するために特別に開発されたものである。ＱＭＩ ５３６については、接着剤中の水分の溶解度は非常に低いが、透過性は高い。この特徴は、集積回路を装着するときに、欠陥を生じることなくダイボンド領域から排水を逃がすことを可能にする。
【００２０】
接着剤の高い透過性は、この物質がマイクロメカニカル流体制御装置を装着するためには適さないことを意味している。この接着剤の清浄で且つ耐蝕性の特徴は、典型的には集積回路を装着する上では利用されないが、マイクロメカニカル流体制御装置の装着に関しては十分に活用される。即ち、接着剤の一定の特性（例えば、清浄さおよび耐蝕性）は従来技術において見過ごされていたのに対して、他の性質（例えば透過性）は、ここに開示するように、この接着剤をマイクロメカニカル流体制御装置の装着のために使用することに反対する教示をしてきた。
【００２１】
第一の接着剤７０は、基材６４またはマイクロメカニカル流体制御装置６２に塗布すればよい。該第一の接着剤は、コンピュータ制御された圧力ディスペンサを使用した単一もしくは複数の針先端を含む、公知の多くの従来技術に従って塗布することができる。
【００２２】
図２を参照すると、第二の処理工程は、清浄な耐蝕性リングの回りに密封性の接着性リングを適用することである（工程５２）。図３は、第一の清浄な耐蝕性リング７０の回りに配置され、且つ基材６４とマイクロメカニカル流体制御装置６２との間に配置された密封性接着性リング７２の断面図である。
【００２３】
図４は、図３の４−４線に沿った断面図である。この図は、図３に示すように、流体制御装置６２の基底部で終端するアパーチャ６６を図示している。アパーチャ６６は、基材６４とマイクロメカニカル流体制御装置６２との間の流体連通を可能にする間隙であることを想起されたい。この図はまた、アパーチャ６６を取囲む第一の接着性リング７０を図示している。図４はまた、第一の接着性リング７０を取囲む第二の接着性リング７２を示している。
【００２４】
密封性の接着性リング７２は、低いガス透過性を有している。特に、この密封性の接着性リングは、取付け状態で測定したときに、１×１０−９ ａｔｍ＊ｓｅｃ／ｓｅｃのヘリウムに対する透過性を有している。該密封性の接着性リング７２は、エポキシペースト製であってよい。例えば、エポキシペーストは、例えばマサチューセッツ州ＢｉｌｌｅｒｉｃａのＥＰＯＸＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， ＩＮＣ．が販売するＥＰＯＴＥＫ Ｔ７１０９のような、窒化硼素を挿入された熱伝導性で且つ電気的に絶縁性のエポキシペーストであってよい。このエポキシは、主に、集積回路との接続における熱収縮性および熱放散性のために設計されている。この点において、その低い透過性は活用されていない。
【００２５】
第二の接着剤７２は、基材６４または流体制御装置６２の上に配置される。この第二の接着剤は、コンピュータ制御された圧力ディスペンサを使用した単一もしくは複数の針先端を含む、公知の多くの従来技術に従って塗布することができる。接着剤を堆積した後、基材６４および流体制御装置６２が取付けて、接着剤製造業者が指定したようにして硬化させる。
【００２６】
本発明は、２５ミクロン未満、好ましくは１０〜１５ミクロンの厚さで塗布および硬化される第一および第二の接着剤を用いて実施されている。理想的には、この二つの接着剤は、塗布の間に最小０．００１インチだけ分離される。センサと基材との間に均一な間隔を達成するのを補助するために、特定のサイズおよび組成のビーズ（例えば、１０ミクロンのガラスビーズ）およびＳｉＯ２を、ダイ取付け材料に添加してもよい。
【００２７】
第一および第二の接着性リングによって確立されたインターフェースは、非常に安定である。実施された装置は、１５℃〜５０℃の温度偏位で、１年当り０．５％（ＦＳ）未満の信号ドリフトを受けた。
【００２８】
当業者は、マイクロメカニカル流体制御装置が、ピエゾ抵抗圧力センサ、容量性圧力センサ、歪み感受性トランスジューサ、シャットオフ弁、マスフローコントローラ、フィルタ、精製器、等々を含む種々の装置の形態であってもよいことを理解するであろう。マイクロメカニカル流体制御装置が装着される基材は、典型的には流体マニホルド、即ち、入口チャンネル、出口チャンネルおよびマイクロメカニカル流体制御装置アクセスチャンネルを含む１組のチャンネルを備えた基材である。
【００２９】
マイクロメカニカル流体制御装置は、基材の応力から装置を隔離するために、時にはペデスタル上に装着される。本発明の接着性構造体はこのようなペデスタルに適用してもよく、この場合、該ペデスタルはマイクロメカニカル流体制御装置の一部を形成するとみなすべきである。
【００３０】
例示の目的での上記の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、特定の名称を使用した。しかし、本発明を実施するために特定の詳細は必要とされないことが、当業者には明らかであろう。他の例においては、根底にある発明から不要な逸脱を回避するために、周知の回路および装置がブロック図の形で示されている。従って、本発明の特定の実施例についての上記記載は、例示および説明のために提示されるものである。それらは網羅的であること、或いは、開示された正確な形態に本発明を制限することを意図するものではなく、上記の教示の観点から多くの改変および変形が可能であることは明らかである。これらの実施例は、本発明の原理およびその実際的応用を最良に説明することにより、他の当業者が本発明および種々の実施例を最良に利用可能にするように選択および説明されたものもであり、特定の使用に適する種々の改変例が想定される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびそれらの均等物によって決定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、１組のマイクロメカニカル流体制御部品がその上に配置された、従来技術のマニホルドを示している。
【図２】図２は、本発明の実施例に従って実施される処理工程を示している。
【図３】図３は、本発明の同心円的接着剤技術を用いて、その上にマイクロメカニカル流体制御部品が装着されたマニホルドを示している。
【図４】図４は、図３の４−４線に沿った断面図である。
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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2004500249.tif 000012
2004500249.tif 000013
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2004500249.tif 000015
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【国際調査報告】
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