"ワイヤを基板に付着させる方法において、該ワイヤは該基板上の3次元構造の中に機械的に付着される、方法。基板に付着されたワイヤを備えたデバイスにおいて、該ワイヤは該基板上の3次元構造の中に機械的に付着されている、デバイス。フリーエアボールの固定ワイヤは、ワイヤボンダのボンドキャピラリを通過して与えられる。ワイヤを引っ張ることを可能にするためには、ワイヤの先端を基板上に固定しなければならない。この概念では、ワイヤの先端を変形させることにより、ワイヤの先端の直径が、残りのワイヤおよびボンドキャピラリの直径よりも大きくなるようにする。これにより、ワイヤの先端をフックインすること、または、ワイヤを基板における押込嵌合スクイズフィット構造の中に押し込むことスクイズが可能になる。には、背景技術に既に示した1つの概念が図解されている。フックイン構造が基板に形成されa、次にフリーエアボールが形成されてb、基板の構造の中にフックインされc、SMAワイヤを、ボンドキャピラリを通過して引っ張ることが可能になるd。別の概念は、図2に概略的に図解されているように、基板上のスクイズフィット構造の中へのフリーエアボールのスクイズフィットを用いたアンカ動作である。SMAワイヤ201がボンドキャピラリ202を通過して与えられ、フリーエアボール203が形成される。基板204では、その直径がフリーエアボールの直径よりも小さくなるように、トレンチ205が形成される図2a。フリーエアボールの直径は、ボンドキャピラリの直径よりも大きく、それにより、フリーエアボールを基板のトレンチの中にスクイズすることが可能になる図2b。SMAワイヤの先端は、基板のトレンチの中へのフリーエアボールのスクイズフィットによってアンカされる図2c。図3に概略的に図解されているように、例えば特別の工程でシリコン基板をエッチングするときに得られるようなV形状のトレンチの中にフリーエアボールをスクイズフィットするのにも、同じ概念が適している。SMAワイヤ301は、ボンドキャピラリ302を通過して与えられて、フリーエアボール303が形成される。基板304では、V形状のトレンチ305が形成される図3a。フリーエアボールの直径は、ボンドキャピラリの直径よりも大きく、それにより、基板のトレンチの中にフリーエアボールをスクイズすることが可能になる図3b。SMAワイヤの先端は、基板のトレンチの中へのフリーエアボールのスクイズフィットによって、アンカされる図3c。図4には、スクイズフィット概念の別の変形が概略的に図解されており、この場合は、SMAワイヤの直径の変動を許容する変形可能なクランプ構造が基板に形成される。SMAワイヤ401が、ボンドキャピラリ402を通過して与えられ、フリーエアボール403が形成される。基板404では、変形可能なクランプ構造405が形成される図4a。フリーエアボールの直径はボンドキャピラリの直径よりも大きく、それにより、基板における変形可能な構造の中にフリーエアボールをスクイズすることが可能になる図4b。クランプ構造は、フリーエアボールのスクイズの間に弾性変形し図4b、それにより、SMAワイヤの直径の変動に適応し、それらをしかるべき位置に保持することになる図4c。図2~図4に概略的に図解されているすべての概念は、機械的固定が実行されるのと同時に、SMAワイヤの電気的接触を可能にするように適応させることができる。これにより、単純な接触と、変換温度を超える温度までSMAワイヤをジュール加熱することとが可能になる。図5~図7に、この概念が概略的に図解されている。SMAワイヤ501、601、701は、ボンドキャピラリ502、602、702を通過して与えられ、フリーエアボール503、603、703が形成される。基板504、604、704上では、トレンチ505、605または変形可能なクランプ構造705が形成される。最後に、金属膜506、606、706が基板の上に積層される図5a、6a、7a。フリーエアボールの直径はボンドキャピラリの直径よりも大きく、それにより、基板のトレンチの中にフリーエアボールをスクイズすることが可能になる図5b、6b、7b。スクイズ動作をする間、SMA上の自然酸化物が破壊され、SMAは基板上の金属と直接に接触する。従って、SMAに、金属膜を介して電気的に接触すること507、607、707が可能になる図5c、6c、7c。図2~図7に図解されているように、金属ライナと共におよび/または金属ライナを伴わずにスクイズフィットを用いる代わりに、フリーエアボールとワイヤとをトレンチの中に接着的にアンカするために、基板におけるトレンチを接着剤で充填することができる。図8および図9には、図2と類似の直線的なトレンチについては図8を用いて、図3に類似のV形状のトレンチについては図9を用いて、この概念が図解されている。SMAワイヤ801、901がボンドキャピラリ802、902を通過して与えられ、フリーエアボール803、903が形成される。基板804、904には、直線的な805またはV形状の905トレンチが形成され、次に、これらは、接着剤806、906で部分的に充填される図8a、図9a。フリーエアボールの直径はボンドキャピラリの直径よりも大きく、これにより、基板のトレンチにおける接着剤の中にフリーエアボールをスクイズすることが可能になる図8b、図9b。フリーエアボールは接着剤に埋め込まれ、接着剤が硬化され807、907、それによりフリーエアボールをアンカする図8c、図9c。スクイズフィットおよび接着剤によるアンカリングとは別に、フリーエアボールを内部にスナップするために、スナップイン構造を製造することができる。図10には、この概念が図解されている。SMAワイヤ1001がボンドキャピラリ1002を通過して与えられて、フリーエアボール1003が形成される。基板1004においてトレンチ1005が形成され、基板の上により薄い層が形成されて1006、これがトレンチ1005を部分的に被覆するが、トレンチの中央に開口を有しており、このことにより、スナップイン構造1007が作成される図10a。フリーエアボールの直径は、ボンドキャピラリの直径よりも大きく、それにより、トップ層1005の開口を通過してフリーエアボールを基板におけるトレンチの中に押し込むことが可能になる図10b。トップ層は、フリーエアボールをしかるべき位置にスナップバックし1007保持する図10c。図10に概略的に図解されている概念の変形として、トップ層におけるスナップ構造に対してフリーエアボールを押しつけるバネをトレンチの中に提供することがある。図11には、この概念が概略的に図解されている。SMAワイヤ1001がボンドキャピラリ1002を通過して与えられ、フリーエアボール1003が形成される。基板1004においては、トレンチ1005が形成され、基板の上により薄い層が形成されて1006、これがトレンチ1005を部分的に被覆するが、トレンチの中央に開口を有しており、このことにより、スナップイン構造1007が作成される図11a。トレンチ1005の底部には、弾性変形可能な層1108が形成される。フリーエアボールを、スナップイン構造を通過してスクイズした後で、フリーエアボールが変形可能な層1108を圧縮する図11b。ボンドキャピラリを除去すると、弾性変形した層が、フリーエアボールをスナップイン構造の中に押し込むのであるが、スナップイン構造は、弾性変形した層によって生成される力に耐えることができるだけの十分な強度がある図11c。フリーエアボールを用いてワイヤの先端を固定した後で、ワイヤはボンドキャピラリを通過して引っ張られ、基板をわたって次のクランプ構造までスパンされる。このクランプ構造において、ワイヤはクランプされ、従って、図2~図11に示されている概念はすべて適応可能である。ワイヤの固定図12~図14には、SMAワイヤのスクイズフィッティングに適応されたスクイズフィット方式が概略的に図解されている。ワイヤボンダを用いて、SMAワイヤ1201、1301、1401が、基板1203、1303、1403に形成されているトレンチ1202、1302、1402の上方に配置される。ここで、トレンチの直径は、SMAワイヤの直径よりも小さい図12a、図13a、図14a。図12および13には、直線的なトレンチとV形状のトレンチとのそれぞれとのスクイズフィッティングが図解されている。図14は、図4に示されている概念に基づいていて、SMAワイヤの様々な直径を許容する、基板における変形可能なクランプ構造1405という特徴を示している。ワイヤは、ピストン1204、1304、1404を用いて、トレンチおよび/または変形可能なクランプ構造の中にスクイズされる。ここで、ピストンは、例えば、ウエハボンダにおけるワイヤおよび第2の基板の上に押しつけられる第2の基板でありうる図12b、図13b、図14b。次にピストンが取り除かれるが、図2、図3および図4に示されている概念と同じ原理に従い、ワイヤはトレンチの中に残る図12c、図13c、図14c。図12~図14に概略的に図解されている概念は、機械的固定が実行されるのと同時にSMAワイヤの電気的接触を可能にするように適応可能である。これにより、SMAワイヤの単純な接触と変換温度よりも高くジュール加熱することとが可能になる。図15~図17には、この概念が概略的に図解されている。SMAワイヤ1501、1601、1701は、基板1503、1603、1703に形成され金属ライナ1504、1604、1704で被覆されているトレンチ1502、1602、1702の上に配置されている。トレンチの直径は、SMAワイヤの直径よりも小さい図15a、図16a、図17a。図15および図16には、それぞれ、直線的およびV形状のトレンチとのスクイズフィッティングが図解されている。図17は、図4および図14に示されている概念に基づいていて、SMAワイヤの様々な直径を許容する基板における変形可能なクランプ構造1707という特徴を示している。ワイヤは、ピストン1505、1605、1705を用いて、トレンチおよび/または変形可能なクランプ構造の中にスクイズされる。ここで、ピストンは、例えば、ウエハボンダにおけるワイヤと第2の基板との上に押しつけられる第2の基板でありうる図15b、図16b、図17b。スクイズの間に、SMA上の自然酸化物が破壊され、SMAは基板上の金属と直接に接触する。これにより、SMAは、金属膜を介して電気的に接触されうる1506、1606、1706図15c、図16c、図17c。図15から図17に示されているクランプ構造上に金属ライナを用いる概念は、図18に図解されているように、ボールボンドにより改善することができる。図15~17の最終構造の上の金属に、複数のフリーエアボールが結合され、クランプ構造の中へのワイヤのクランピングを機械的にサポートする。SMAワイヤ1801は、ボンドキャピラリ1802を通過して与えられ、フリーエアボール1803が形成される図18のa、b、cの左側。フリーエアボールがクランプされたワイヤ1804と基板1806上の隣接する金属ライナ1805との上に結合される図18b。次いで、ワイヤは、高いボンドエネルギ1807を用いて切断される図18c。図8~図9に図解されていた概念と同様に、基板におけるトレンチは、ワイヤをトレンチに接着的にアンカする接着剤を用いて充填することができる。図19および図20にはこの概念が概略的に図解されているが、図19は直線的なトレンチの場合であり、図20はV形状のトレンチの場合である。SMAワイヤ1901、2001は、基板1903、2003に形成され接着剤1904、2004を用いて部分的に充填されているトレンチ/溝1902、2002の上方に配置されている図19a、図20a。ワイヤは、ピストン1905、2005を用いて、トレンチにおける接着剤の中にスクイズされる。ここで、ピストンは、例えば、ウエハボンダにおけるワイヤと第2の基板との上に押しつけられる第2の基板でありうる図19b、20b。次いで、ワイヤは、接着剤の中に埋め込まれ、接着剤は硬化され1906、2006、それにより、ワイヤをアンカする図19c、20c。図19および図20に図解されている接着アンカの概念は、ワイヤのクランプをサポートする接着ウエハボンディングと組み合わせることができる。図21に、直線的およびV形状のトレンチのいずれに対しても同様であるこの概念が図解されている。SMAワイヤ2101は、基板2104に形成され接着剤2104を用いて部分的に充填されているトレンチ/溝2102、2103の上方に配置される。ワイヤは、接着剤2106で被覆されワイヤと第1の基板2103との上に押しつけられる第2の基板2105を用いて、トレンチにおける接着剤の中にスクイズされる。次に、すべての接着剤が硬化され、ワイヤは接着剤とその上にある第2の基板との両方によってアンカされる。このようなアプローチは、金属ライナを有するクランプ構造を用いるスクイズフィットにも適している。図22には、この概念が図解されている。ワイヤ2201は、第1の基板2204における金属ライナ2202を有するトレンチ2203の上方に配置される。ワイヤは、金属2206で被覆されワイヤと第1の基板2204との上に押しつけられる第2の基板2205を用いて、金属ライナを有するトレンチ中にスクイズされる。次いで、第2の基板が、その金属を用いて、第1の基板上の金属に結合される。これにより、SMAは、金属膜を介して電気的に接触されることが可能であり、クランプは結合された第2の基板によってサポートされる。図10および図11に図解されている概念と同様に、ワイヤを中にスナップするために、スナップイン構造を製造することができる。図23は、この概念を概略的に図解している。基板2301にトレンチ2302が形成され、基板上には、トレンチを部分的に被覆するがトレンチの中央に開口を有するより薄い層が形成され2303、それにより、スナップイン構造2304が作成される。SMAワイヤ2305は、スナップイン構造の上方に配置される図23a。ワイヤは、ピストン2306を用いて、トップ層の開口を通過し基板のトレンチの中へスクイズされる。なお、ピストンは、例えば、ワイヤとウエハボンダの第2の基板とに押しつけられる第2の基板でありうる図23b。トップ層は、ワイヤをスナップバックし2307、しかるべき位置に保持する図23c。図23に概略的に図解されている概念の変形として、トップ層におけるスナップ構造に対してワイヤを押しつけるバネをトレンチの中に提供することがある。図24には、この概念が概略的に図解されている。基板2401において、トレンチ2402が形成され、基板の上により薄い層が形成されて2403、これがトレンチを部分的に被覆するが、トレンチの中央に開口を有していることにより、スナップイン構造2404が作成される。トレンチの底部には、弾性変形可能な層2405が形成される図24a。ワイヤ2406を、ピストン2407を用いてスナップイン構造を通過させてスクイズした後では、ワイヤが変形可能な層2408を圧縮する図24b。ピストンを除去すると、弾性変形した層が、ワイヤをスナップイン構造の中に押し込むのであるが、スナップイン構造は、弾性変形した層によって生成される力に耐えることができるだけの十分な強度がある図24c。処理スキーム図25および図26は、ワイヤボンダを用いたSMAワイヤの組込の処理スキームを示している。図25におけるフローは、第1の固定がフリーエアボールをアンカすることによって提供される方法を図解している。次に、それ以後に要求される固定は、すべて、ワイヤボンダを用いてワイヤをクランプ構造の中にクランプすることによって、実行される。あるラインにおける最後のクランプ構造の後では、ワイヤは、基板の表面への高エネルギのウェッジ/ステッチボンドによって切断される。必要な場合には、これらのステップは、さらに多くのワイヤを組み込むために反復することができる。そうでない場合には、ワイヤは組み込まれ、さらに処理されうる。図26のフローは、第1の固定がフリーエアボールをアンカすることによって提供される方法を図解している。次に、ワイヤがラインにおけるすべてのクランプ構造をわたってスパンされ、最終的には、ワイヤは、基板の表面への高エネルギのウェッジ/ステッチボンドによって切断される。必要な場合には、これらのステップは、さらに多くのワイヤを配置するために反復することができる。すべてのワイヤがしかるべき位置にある場合には、ピストンを用いて、これらすべてのワイヤは、下位にあるクランプ構造の中にスクイズされる。クランピングの強度が十分である場合には、基板をさらに処理することができる。そうでない場合には、クランプ構造のワイヤの上に追加的なボールボンドを配置することができるし、または、スクイズの間に、第2の基板をワイヤおよび第1の基板の上に、結合することができる。標準的なワイヤボンディング技術を用いるマイクロアクチュエータの組立用のNiTi形状記憶合金のウエハレベルでの組込概要ABSTRACT本稿では、標準的なワイヤボンダを用いるSMAワイヤのシリコンベースのMEMS構造の中への第1の組込について報告する。このアプローチにより、NiTiベースのSMAワイヤのシリコンベースのMEMSへの高速で効率的な配置、位置合わせおよび機械的付着が可能になる。ワイヤは、ウエハ上の深堀エッチングされたシリコン構造の中に機械的にアンカされクランプされる。配置の精度は、平均偏差が4μmの高さであり、機械的クランピングは強力で、SMAワイヤの成功裏な付勢が可能になる。序論INTRODUCTION形状記憶合金SMAは、大きな力と仕事とが必要とされるときに微小電気機械システムMEMSにおいて用いる魅力的なアクチュエータ材料である。SMAは、SMAが提供する仕事の密度が高いことにより、マイクロスケールにおけるほとんどの他の作動原理よりも性能が1桁を超えて優れている[1]。従来、SMA材料を微小システムの中に組み込む方法は、主に2つが存在する。第1のアプローチは、ピックアンドプレイスアプローチであり、このアプローチでは、SMA材料と微小システムとは別個に製造されて後のステップにおいて組み合わされる[2]。このアプローチには、比較的低い材料コストにおいて広範囲の厚さで市販され提供されるSMAのバルク材料の組込が可能であるという利点がある。しかし、SMAの組込は、デバイスごとのレベルで実行され、その結果、組立てコストが高くなる。第2のアプローチは、薄いNiTi膜の微小構造上へのスパッタ蒸着に基づくものであり[3]、これは、ウエハレベルの処理が可能になるという長所がある。しかし、蒸着を制御するのが困難であるため、この工程は、変態温度と変態歪みとの再現可能性に関して制限があり、ほとんどの場合、NiTiスパッタ蒸着は、10μm未満の厚さに適している[4]。SMAワイヤのシリコン微小構造上へのウエハレベルでの組込は、ウエハレベルでの組込とSMAのバルク材料の使用との両者の点で利点があり、マイクロアクチュエータに関して優れた性能を有することが示されている[5]。しかし、標準的な製作工程は、現時点では、まだ確立もまたは提案もされていない。ワイヤの配置には、手動でのワイヤ取扱い、位置合わせおよび組込による特別設計のツールが要求される。これと対照的に、ワイヤボンディングは、電気的な相互接続のための、極めて成熟し、コスト効率に優れ、広く利用可能なバックエンド工程である[6]。信頼性、スループットおよび配置精度の点でのその非常に優れた利用可能性と高い性能のために、ボンディング速度が1秒当たり最大22回かつ配置精度が2μm以内であるこの標準的な技術を用いることは非常に魅力的である。しかし、NiTiのSMAワイヤの直接的なワイヤボンディングは、NiTi材料のビッカース硬度が金およびアルミニウムなどの一般的なワイヤボンディング材料と比較して1桁高いため、適当ではない[7]。本稿では、従来型のワイヤボンディングツールを用いて、NiTiのSMAワイヤのシリコン基板上への第1のウエハレベルでの組込概念を提示する。概念CONCEPTワイヤボンダを用いたSMAワイヤのウエハレベルでの組込により、ワイヤの高速な配置と固定とが可能になる。追加的な位置合わせのステップは必要とされない。NiTiワイヤの硬さのために、標準的な金またはアルミニウムのパッドへのこれらのワイヤの直接的なワイヤボンディングは適当ではない。本発明の教示によると、ワイヤは、その代わりに、Siのクランピング構造およびアンカ構造によって、ウエハに機械的に固定される。これらの機械的固定構造により、標準的であり修正のなされていないワイヤボンダを用いることにより、NiTiワイヤの組込が可能になる。Figure1:ウエハレベルでの組込概念の図解:SMAワイヤは、アンカ構造とクランプ構造との補助によって、機械的に固定される。それぞれの固定対は、ウエハエッジの両側に配置される。基本的な組込概念が、図1に示されている。SMAワイヤの組込は、ウエハレベルの組込とチップレベルの組込とに分けられる。ウエハレベルの組込は、シリコンウエハ上におけるSMAワイヤの位置合わせと固定とを組み合わせたものである。次いで、最終的な機械的および電気的組込は、アクチュエータ自体を形成するために、チップレベルで実行することができる。Figure2:組込フローの断面図:第1に、フリーエアボールが、電気放電によって形成されるa。次に、このボールが、そのアンカ構造の中にアンカされる。SMAワイヤ直径37.5μmが与えられ、全体のウエハ領域を跨いでその第2の固定構造まで導かれるb。SMAワイヤは、複数のシリコンカンチレバーの間にクランプされ、ボンドキャピラリと大きなボンド力とによって断ち切られることによって、最終的に切断されるc。ウエハレベルでは、SMAワイヤは、ウエハ全体における高度な配置精度をもって、画定された位置に2つの異なる機械的構造を用いて付着される。ボールウェッジワイヤボンディング工程に基づき、図1aに示されているように、フリーエアボールが形成され、その次に第1の組込構造にアンカされる。SMAワイヤは、SMAワイヤが機械的に付着されている様子を示す図1bに示されているように、固定され、クランプ構造の方向にウエハをわたって導くことができる。このウエハレベルの組込によって、第2のステップにおいて、チップレベルでのさらなる付着も可能になる。しかし、本発明の焦点は、ウエハレベルの組込の設計および開発に存在する。この組込概念を用いて、ウエハの全体に、高い配置精度でSMAワイヤを設置することができる。さらに、ワイヤボンダを用いると、この組込工程の高いスループットおよび高い再現性が得られる。SMAワイヤの完全な組込が室温で行われるので、典型的には摂氏90度という高い温度で生じるSMAの変態を引き起こすことが回避できる。従って、このようにして、予め歪んだSMAワイヤの組込が可能になる。さらに、この組込概念はCMOS互換であるから、微小電気デバイスとマイクロアクチュエータとの組込に対する可能性も提供する。組立FABRICATIONワイヤフックおよびクランプ構造を100mmのシリコン基板上に製造した。両方のタイプの構造を、一連の非等方性および等方性のDRIEのステップによって実現可能であることが示されている[8]。両方の組込構造のエッチングは、STSICPエッチング反応器の中で実行された。両方の固定構造の製造には、リソグラフィおよびDRIEの一工程がそれぞれ要求される。第1のリソグラフィは、スピンコーティングによって塗布される標準的なフォトレジストを用いて実行された。第2のフォトレジストの塗布は、第1のDRIE工程によって作成された深堀のエッチング構造が完全に保護されることを確実にするために、希釈されたレジストのスプレイコーティングによって実行された。最終ステップとして、フォトレジストの残留分はすべて、プラズマアッシングによって除去された。ワイヤの始点を固定するアンカ構造が、図1aおよび図3に示されている。このアンカ構造は、ランド領域とアンカ部分という2つの機能部分から構成される。ランド領域により、SMAボールをアンカ構造の中に下ろし、それに続いて、隣接するアンカ部分の中に固定することが可能になる。エッチングの幾何学的形状が、SMAボールの適切なアンカリングのためには重要である。SMAボールのアンカリングは、アンカ構造自体の特定のアンダーカットエッチプロファイルによって、達成される。第1に、非等方性トレンチがエッチングされ、それに、垂直方向の側壁のパッシベーションが続く。次に、等方性エッチングにより、非等方性エッチプロファイルの下側にアンダーカットが作成される。ワイヤ端部のためのシリコン構造によって、2つの機能部分、すなわち、クランプ構造とカットオフ領域とが組み合わされる。図1bおよび図4には、1対の対向する垂直カンチレバーを有するクランプ構造が示されている。2対の対向する垂直カンチレバーが、SMAワイヤを、それらの間でクランプする。第1の対は、SMAワイヤを固定して位置合わせする。第2の対は、断ち切るために、SMAワイヤを安定化させる。クランプ構造の非等方性エッチプロファイルは、短い等方性エッチングによって実現するカンチレバーの上方部分における小さなチャンファを含む。このチャンファにより、図4に示されているように、クランプにおけるSMAワイヤの高さが一定になることが保証される。ワイヤを組み込むために、デルボテックDelvotec5410などの半自動のワイヤボンダを用いた。これは、直径が37.5μmであり変態温度が摂氏90度であるフレキシノールFlexinol登録商標などの、市販されている予め歪んだNiTiのSMAワイヤと共に用いた。このワイヤは既に予め歪んでいるため、ワイヤに予め歪みを与える特別のツールは必要でなかった[5]。図2に示されているワイヤの組込は、ボンドキャピラリの先端において局所的にワイヤを融解させる電気放電によって生じるフリーエアボールを形成することで開始する。SMAワイヤの端部における液体の金属が丸くなり、フリーエアボールが形成される。ヘリウム雰囲気においてエレクトリカルフレームオフEFOが実行されるが、これは、TiNi合金は、グロー放電による急速な融解の間に、空気中で酸化する傾向を有するからである[10]。次に、フリーエアボールはランド領域の中に下げられ、それに続いて、その隣接するアンカ部分の中に引っかけられる。ワイヤボンダを用いることによって、SMAワイヤは、ウエハをわたってクランピング構造に配置され、そこで対向するカンチレバーの対間に押し込まれる。最後に、SMAワイヤは、ボンドキャピラリと大きなボンド力を用いてワイヤを断ち切ることによって、切断される。SMAワイヤのためのこの組込アプローチは、チップレベルでの広範囲で異なる組込方法を開き、この場合、それらの方法を使用して、例えばまた、SMAワイヤを個々のチップに固定するために、ポリマ固定を用いて[5]、またはクランプ構造を用いることによって、高性能のアクチュエータを製造することができる。実験結果EXPERIMENTALRESULTS図3は、3つの後続のステップにおいて非等方性および等方性の深堀反応性イオンエッチングを組み合わせることによって製造されたアンカ構造を示している。アンダーエッチングされた面外側壁構造とテーパ状面内の設計との両方によって、SMAワイヤが安全にそのアンカに固定される。この設計は、不均一に形成されたおよび/または不均一なサイズを有するフリーエアボールに対して非常に寛容性の度合いが高く、従って、SMAワイヤの信頼性の高いアンカリングが保証される。Figure3:3つのステップでの非等方性と等方性とが組み合わされた深堀反応性イオンエッチングによって製造された、アンカ構造のSEM画像。Figure4:あるクランプ形状についての拡大図を伴うクランプ固定のSEM画像。ワイヤが、ワイヤボンダの補助によって、カンチレバーの対向する対の間に押し込まれることが提示されている。4つの同様のクランプを、それぞれのワイヤの固定に用いることができる。図4に示されている50×500×220μmというカンチレバーの寸法を備えたクランプ構造がSMAワイヤを機械的に最も安定的に固定した。ワイヤをクランプ構造の中にスナップするには、xxxmNの力が必要であった。ワイヤ組込の最後のステップはワイヤの断ち切りであり、これは、ステッチボンドと同様に行うことができる。しかし、xxxmNという非常に大きなボンド力と超音波とを用いることの結果としてワイヤの直線的な切断が生じ、また、従来型のワイヤボンディングとは対照的に、図5に示されているように、変形やワイヤの表面へのマイクロ溶接は生じない。このことはまた、従来のワイヤボンディングによってSMAワイヤを固定することは適切でないことを示している。Figure5:断ち切られたSMAワイヤのSEM画像。大きなボンド力と超音波とを用いることの結果として、ワイヤの直線的な切断が生じ、また、従来型のワイヤボンディングとは対照的に、図5に示されているように、変形やワイヤの表面へのマイクロ溶接は生じない。提示されているウエハレベルの組込方法は、また、チップレベルでのSMAワイヤの位置合わせを含む。この組込方法の配置精度は、光学プロファイルメータであるWykoNT9300を用いて分析された。図6に示されているように、理想的な幾何学的なアンカからクランプへの中心線からの面内のワイヤ配置のズレと、ワイヤから基板すなわちチップレベルの距離との両方が、決定された。サンプルである、直径が37.5μmで長さが75mmであるSMAワイヤが、100mmのシリコン基板において組み込まれた。面内の平均偏差は4.19±4.22σμmであり、最大で13.9μmである。図6に示されているように、基板までのSMAワイヤの面外の距離は、平均で、15.6±4.5σμmであり、最大で23.2μmである。これは、例えば後続のステップで、Ni電気メッキを用いて実行されうるSMAワイヤのチップレベルでの固定の設計にとって重要な測定値である[9]。さらに、アンカおよびクランプ構造の機械的堅牢性の基本的な評価が、単純なアクチュエータを実装することによって実行された。このアクチュエータは、冷温状態にリセットされたときには長さが100mmで幅が2mmであり、付勢時には2つの平行な組み込まれた75mmの長さのSMAワイヤを備えている、厚さが300μmのシリコンカンチレバーに基づく。エネルギ入力は、熱的な接触を強化するためにアクチュエータの一方の側がその上に固定されているホットプレートによってもたらされる。図7aは、付勢状態とアイドル状態との両方におけるアクチュエータの断面図を図解している。図7bは半付勢状態における、図7cは完全付勢状態におけるアクチュエータを示している。どのSMAワイヤ固定要素でも、ワイヤデータシートによると200mNであるSMAワイヤによって生成される力に耐えることが判明している[11]。なお、付勢は、失敗なく数百回実行された。Figure6:長さが75mmで直径が37.5μmのSMAワイヤの位置合わせの精度のための白色光干渉計の測定データ。この図面に示されているように、面外の測定値青色の直線グラフが、ワイヤと基板との間の距離を決定し、面内の測定値赤色の破線グラフが、理想的な幾何学的なアンカからクランプへの中央線からの横方向のワイヤの配置ズレを決定する。Figure7:提示されているワイヤ固定アプローチの機械的安定性を検証するため、図7に図解されているように、2本の長さ75mmのSMAワイヤが、3×100mmのサイズを有するシリコンチップの上に平行に組み込まれている。図7aは、断面図であり、赤色の破線の輪郭線が高温状態にあるチップを表している。図7bは、温度が摂氏70度のホットプレートの上の僅かに付勢されたデバイスの画像を示し、図7cは、摂氏90度でのさらなる付勢状態にあるデバイスを示している。議論と結論DISCUSSIONANDCONCLUSIONS標準的なワイヤボンダを用いた形状記憶合金ワイヤのウエハレベルでの組込が、以上で、成功裏の内に示された。半自動式のワイヤボンダを用いてSMAワイヤの組込が行われたが、この作業では、優れた配置精度を達成することができた。光学的なパターン認識および位置合わせシステムを用いた全自動式のワイヤボンダを用いることにより、潜在的には、これらの結果をさらに改善することができ、大量生産のために本技術を実装することが可能になる。SMAワイヤのアンカおよびクランプ操作は優れた堅牢性を示し、これは、この組込概念をチップ/アクチュエータレベルに応用可能であることを示している。参考文献REFERENCES[1]コールM.Kohlら:Shapememorymicroactuators,Springer,pp.23-24,2004[2]スクロバネクK.Skrobanekら:Stress-optimizedshapememorymicrovalves,MEMSProc.,pp.256-261,1997[3]クルレビッチP.Krulevitchら:Thinfilmshapememoryalloymicroactuators,J.Microelectromech.Syst.,vol.5,no.4,pp.270-821996[4]ミヤザキS.Miyazakiら:Developmentofhigh-speedmicroactuatorsutilizingsputterdepositedTiNi-baseshapememoryalloythinfilms,ActuatorProc.,pp.372-3772008[5]クラウジD.Clausiら:Designandwafer-levelfabricationofSMAwiremicroactuatorsonsilicon,JMEMS,vol.19,no.42010[6]グレイグW.J.Greigら:Integratedcircuitpackaging,assemblyandinterconnections,Springer,pp.103-128,2007[7]ゴールK.Gallら:Instrumentedmicro-indentationofNiTishape-memoryalloys,ActaMaterialia,vol.49,no.16,pp.3205-32172001[8]ロクスヘッドらN.Roxhedetal.:AmethodfortapereddeepreactiveionetchingusingamodifiedBoschprocess,JMM,vol.17,pp.1087-1092,2007[9]クラウジらD.Clausietal.:Wafer-levelmechanicalandelectricalintegrationofSMAwirestosiliconMEMSusingelectroplating,MEMSProc.2011[10]ゴリクズカらT.Goryczkaetal.:Characterizationofnitrided/oxidizedla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