[論文レビュー] Micro Embossing of Ceramic Green Substrates for Micro Devices

Xuechuan Shan, Shangwen Ling+3 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2008

Nanofabrication and Lithography Techniques参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、近似的に寸縮率がゼロのセラミックグリーン基板に、高精細なマイクロ特徴（チャネル、キャビティ、ビアなど）を形成するためのマイクロエンボス加工プロセスを提示する。6層積層グリーンテープと最適化された熱機械的プロセスパラメータを用いることで、サブミクロンオーダーのライン幅が達成され、良好な共焼焼成により埋め込み型マイクロフラウドおよびエレクトロニクス構造が得られた。

ABSTRACT

Multilayered ceramic substrates with embedded micro patterns are becoming increasingly important, for example, in harsh environment electronics and microfluidic devices. Fabrication of these embedded micro patterns, such as micro channels, cavities and vias, is a challenge. This study focuses on the process of patterning micro features on ceramic green substrates using micro embossing. A ceramic green tape that possessed near-zero shrinkage in the x-y plane was used, six layers of which were laminated as the embossing substrate. The process parameters that impact on the pattern fidelity were investigated and optimized in this study. Micro features with line-width as small as several micrometers were formed on the ceramic green substrates. The dynamic thermo-mechanical analysis indicated that extending the holding time at certain temperature range would harden the green substrates with little effect on improving the embossing fidelity. Ceramic substrates with embossed micro patterns were obtain d after co-firing. The embedded micro channels were also obtained by laminating the green tapes on the embossed substrates.

研究の動機と目的

• マイクロデバイスに用いられるセラミックグリーン基板向けに信頼性の高いマイクロエンボス加工プロセスを開発すること。
• マイクロ特徴を有するマルチレイヤー・セラミック基板において、高パターン忠実度を達成する課題に対処すること。
• 温度や保持時間などのプロセスパラメータを最適化し、寸法安定性を損なわずエンボス加工の品質を向上させること。
• エンボス加工されたグリーン基板を共焼焼成することで、過酷な環境下でも耐久性のある埋め込み型マイクロ構造を実現すること。
• 積層セラミック基板を用いた複雑なマイクロフラウドおよびエレクトロニクス部品のプロセス可能性を実証すること。

提案手法

• 面内寸縮率がほぼゼロの6層積層セラミックグリーンテープを用い、プロセス中の歪みを最小限に抑える。
• 高精度金型を用いてマイクロエンボス加工を実施し、グリーン基板表面にマイクロ特徴（例：ライン、チャネル）を転写する。
• 動的熱機械分析（DMA）を実施し、熱サイクル下におけるグリーンテープの粘弾性挙動を評価する。
• 温度上昇レート、保持時間、圧力などのエンボス加工パラメータを最適化し、パターン忠実度を向上させる。
• 制御された共焼焼成を実施し、グリーン基板を密度化するとともに、エンボス加工されたマイクロ構造を保持する。
• エンボス加工済み基板に追加のグリーンテープを積層し、埋め込み型マイクロチャネルおよびキャビティを形成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定の温度範囲での保持時間が、セラミックグリーン基板のエンボス加工忠実度にどのように影響するか？
• RQ2 マイクロエンボス加工を用いて、10 µm未満のライン幅を持つマイクロ特徴をセラミックグリーン基板に信頼性高く形成できるか？
• RQ3 グリーンテープのほぼゼロの面内寸縮率が、エンボス加工および共焼焼成中の寸法安定性をどの程度向上させるか？
• RQ4 基板の劣化を引き起こさずに高忠実度のマイクロパターン転写を達成するための最適な熱機械的条件は何か？
• RQ5 共焼焼成されたマルチレイヤー・セラミック基板は、焼成後も埋め込みマイクロ特徴を保持できるか？

主な発見

• マイクロエンボス加工を用いて、セラミックグリーン基板上に数マイクロメートルオーダーのマイクロ特徴が成功裏に形成された。
• 特定の温度範囲での保持時間を延長することで基板の硬さは上昇したが、エンボス加工忠実度に顕著な向上は見られなかった。
• セラミックグリーンテープはほぼゼロの面内寸縮率を示し、プロセス中における高精度なパターン寸法安定性に寄与した。
• エンボス加工済みグリーン基板の共焼焼成により、完全に密度化され、寸法安定性を保ったセラミック基板が得られ、マイクロ特徴も完全に保持された。
• エンボス加工済み基板に追加のグリーンテープを積層することで、埋め込み型マイクロチャネルおよびキャビティが成功裏に形成された。
• 本プロセスは、過酷な環境下での応用に適した複雑なマイクロフラウドおよびエレクトロニクス部品のプロセス可能性を実証した。