致动器开关

申请号 CN200780033389.8 申请日 2007-09-07 公开(公告)号 CN101512702A 公开(公告)日 2009-08-19
申请人 卢森特技术有限公司; 发明人 F·帕多;
摘要 一种微机电 致动器 (100)采用金属以用于热臂(101),并采用 硅 以用于冷臂(105)的至少柔性部分。由硅制成的冷臂(105)联接至随其移动且当至少两个这样的致动器形成 开关 时用于携带有待切换的 信号 的金属线路(107)。第一芯片上的这种开关的阵列可以与以 倒装芯片 的方式结合到该第一芯片上的第二芯片协调地设置,该第二芯片在其上具有将电气控制流传送到各热臂上以便对其加热且传送有待由该各开关进行切换的信号的线路。
权利要求

1.一种包括第一微机电致动器的装置,其包括:至少部分地由 金属制成的第一热臂;和具有柔性部分的第一冷臂,所述柔性部分由 制成,所述第一冷臂联接至所述第一热臂。
2.根据权利要求1所限定的发明,其特征在于,所述第一冷臂 联接至所述第一热臂,使得当所述热臂受热且改变其形状时所述冷臂 自其静止位置位移。
3.根据权利要求2所限定的发明,其特征在于,所述冷臂在所 述冷臂的一端处联接至衬底,并且所述冷臂在所述冷臂的另一端处联 接至所述热臂。
4.根据权利要求1所限定的发明,其特征在于,所述致动器还 包括适于与所述冷臂一致地移动、且当自其静止位置移动时基本不提 供回复的金属线路。
5.根据权利要求4所限定的发明,其特征在于,所述致动器是 开关的一部分,且所述金属线路适于携带有待由所述开关切换的信 号。
6.根据权利要求4所限定的发明,其特征在于,所述金属线路 至少部分地安装在所述冷臂上。
7.根据权利要求6所限定的发明,其特征在于,所述金属线路 不是安装在所述冷臂的所述柔性部分上。
8.根据权利要求1所限定的发明,其特征在于,所述第一冷臂 联接至所述第一热臂,使得当所述热臂受热且改变其形状时,所述冷 臂自其静止位置位移。
9.根据权利要求1所限定的发明,其特征在于,所述第一致动 器还包括联接至所述第一冷臂的第一金属线路,并且,其中,所述装 置是开关的一部分,所述开关还包括:
第二微机电致动器,其包括:
至少部分地由金属制成的第二热臂;
具有柔性部分的第二冷臂,所述柔性部分由硅制成,所述第 二冷臂联接至所述第二热臂;和
联接至所述第二冷臂的第二金属线路;
所述第一微机电致动器和所述第二微机电致动器设置成使 得所述第一金属线路和所述第二金属线路可以保持在它们处于电接 触的至少一个位置,且可保持在它们未处于电接触的另一位置。
10.根据权利要求9所限定的发明,其特征在于,所述第一致动 器和所述第二致动器制造于第一芯片上,且所述装置还包括:
倒装芯片的方式安装到所述第一芯片上的第二芯片,所述第二 芯片包括(i)多根控制线路,所述线路中的各线路设置成以便为用于加 热所述第一热臂和所述第二热臂中相应的一个热臂的电流提供导电 路径,和(ii)多根信号线路,其分别联接至至少(i)所述第一热臂和所述 第二热臂,和(ii)所述第一芯片上的所述第一线路和所述第二线路,其 中,所述多根信号线路中的所述各线路设置成以便为在所述第一芯片 上由所述开关可控制地切换的信号提供导电路径。
11.根据权利要求10所限定的发明,其特征在于,所述信号线 路中的各线路联接至所述第一芯片上的所述第一金属线路和所述第 二金属线路中的相应的一个线路。
12.一种用于在第一芯片上形成第一微机电致动器的方法,其包 括如下步骤:
由硅形成冷臂柔性部分;
形成至少部分地由金属制成的热臂;且
将所述冷臂部分联接至所述热臂。

说明书全文

技术领域

发明涉及对微动开关,如继电器特别有用的微致动器,更具体 地,涉及使用这种微致动器的定微动开关的阵列。

发明背景

机电系统(MEMS)是使用标准的半导体工艺建立的非常小的 可动机械结构。MEMS可设置为用作适用于许多种应用的致动器。这 些致动器通常具有几百微米的长度,且常常具有仅几十微米的宽度。 MEMS致动器通常构造和设置为悬臂的形式,其具有附连到衬底上的 一端,以及可以在至少两个位置之间移动的相对的自由端,其中一个 位置是中间位置,其它的位置是偏转位置。
MEMS致动器的一个可行的用途是将其构造为开关。这些开关可 为锁定开关,即继电器。这些开关由至少一个致动器构成。在多个致 动器的情况下,它们顺次运作,以便将其各部分其中之一连接或释放 到另一相配合的致动器上的类似部分上。因为它们都非常小,所以可 将大量的MEMS开关设置在单个芯片上。
MEMS开关具有很多优点。尤其它们很廉价,并且如人们注意到 的那样是非常小的。通常情况下,其耗电量极小且其响应时间极短, 举例来说,关闭或打开MEMS开关的完整序列可能仅仅为几毫秒。
典型的致动器基于一对臂,其中一个是所谓的“冷”臂,另一个是 所谓的“热”臂,两者都在一端处锚接到衬底上的层,并且在其相对端 处刚性地连在一起。注意,热臂通常是自其开口端处的两个锚部延伸 的开口端细线环,且在其封闭端处延伸到大约冷臂的端部。另外,通 常,冷臂和热臂是电隔绝的。开关触点通常附连到冷臂上,且位于梁 被连接的位置附近
通过在被称作“锚垫”的成对端子之间施加电势差使臂开始偏转, 其将热臂锚接到衬底上。这是用于致动器的控制信号。该电势差在热 臂中引起通过焦加热而升高其温度电流。取决于所使用的材料, 这种加热最终导致热臂的一部分收缩或伸长。目前,用于热臂的首选 材料是镍合金,因为其有大的热膨胀系数,合理的导电性,且易于利 用电技术来处理。假设冷臂未被有意加热且因此尺寸不会变化,则 所产生的热臂和冷臂的梁的尺寸上的差异(在加热前最初尺寸相同)将 在臂被连接的端部处产生横向位移
致动器可具有一个或多个热臂以及一个或多个冷臂,这取决于设 计。这种致动器设置成以便形成可以选择性地打开和关闭的开关。
在2002年6月18日授予Wood等人的美国专利6,407,478中公开 了一个示例性的这种致动器,其通过引用而以类似于在本文中完整地 阐述的方式结合在本文中。Wood等人还公开了使用具有对温度响应 的一个或多个梁部件的微机电器件的简化开关和开关阵列。例如,微 机电器件包括第一梁部件和第二梁部件,它们具有连接在锚部上的相 应的第一端,并且例如在其与该锚部相对的端部附近连接在一起。通 过使第一梁部件和第二梁部件连接在一起,它们形成环路。第一梁部 件和第二梁部件通过第一拴系锚部(tether anchor)而连接到绝缘拴系件 上。该微机电器件还包括第三梁部件,其具有连接到锚部上的第一端, 并且通过第二拴系锚部而连接到绝缘拴系件上。第一梁部件和第二梁 部件中的至少一个梁部件构造成当将第一梁部件和/或第二梁部件加 热到高于第三梁部件的温度时可伸长。因此,第一梁部件和第二梁部 件形成热臂,而第三梁部件为冷臂。通过用两个梁部件携带控制电流 来加热这两个梁部件中的一个或二者,微机电器件可使由第一梁部件 和第二梁部件限定的控制信号路径与由第三梁部件限定的负载信号 路径电隔离开。这种致动器在本领域中被称为“热致致动器”。
微机电闭锁开关,即继电器,可利用附连到衬底上的一对开关触 头和上述第一致动器和第二致动器来形成。第一致动器具有连接到衬 底上的第一端,且具有连接到其上的触头。第一致动器还包括附连到 该触头上的第一突出部。第一致动器可操作,以响应于电流而偏转; 第二致动器具有连接到衬底上的第一端,并且具有连接到其上的第二 突出部。第二致动器可操作,以响应于电流而偏转。第一致动器和第 二致动器定位成使得当第一突出部在成对的开关触点和第二突出部 之间与第二突出部相接合时,该触点与该对开关触点电连接。此外, 当第二突出部在该对开关触点和第一突出部之间与第一突出部相接 合时,该触点不与该对开关触点电连接。这种继电器的阵列可类似地 形成于单个衬底上。
还参见发表在2004年IEEE电接触(IEEE Electrical Contacts)的 Agrawal的论文“用于直流电和射频的闭锁微机电系统继电器(A Latching MEMS Relay for DC and RF Application)”,第50届IEEE Holm 电接触会议(50th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts)和第22 届国际电接触会议(22nd International Conference on Electrical Contacts) 会刊(2004.9.20~23)第222-225页,ISBN:0-7803-8460-1,INSPEC 登记号:8291957,数字标识号:10.1109/HOLM.2004.1353121,并于 2004年11月8日17:30:48.0发布到网上,其通过引用而以类似于在 本文中完整地阐述的方式结合在本文中。
于2006年5月2日授权给Menard等人的美国专利6,407,478(其 通过引用而以类似于在本文中完整地阐述的方式结合在本文中)公开 了一种安装在衬底上的MEMS悬臂致动器,该致动器包括:细长的热 臂部件,该热臂部件具有两个间隔开的部分,各部分都在一端处设有 连接到衬底上的相应的锚垫,这些部分在与锚垫相对的公共端处连在 一起;细长的冷臂部件,其邻近且基本平行于所述热臂部件,该冷臂 部件在一端处具有连接到衬底的锚垫,并且具有与其锚垫相对的自由 端;以及绝缘拴系件,其在热臂部件各部分的公共端和冷臂部件的自 由端上附连,以将热臂部件和冷臂部件机械地联接在一起,并使它们 保持电气独立。
开关阵列中所采用的致动器的各种元件以及有待切换的信号,通 常在形成于衬底上、但位于致动器在其中形成的层下方的层中的线路 内进行布线或传送。因此,该致动器必须由对其处理时不会破坏线路 的材料制成。不幸的是,高温处理将会破坏这种线路。因此,通常采 用低温处理工艺,且因此致动器的热臂和冷臂通常例如利用众所周知 的成型和电镀技术(如Agrawal论文中所述)由金属如镍来形成。
金属具有良好的导电性能,因此适于用作用于有待由这种开关来 切换的信号的电导体。此外,金属的热膨胀相对较高,从而使得其在 加热时强烈地变形,因此非常适于用作热臂。然而,不利的是,金属 受到所谓“蠕变”的困扰,即当移除金属上使其形变的后,金属的使 其返回到其初始形状的回复力特性失效。
相比之下,不会经受蠕变,但其具有较高的阻抗,从而使它不 适于用作用于有待由这种开关切换的信号的电导体。此外,硅需要用 于进行处理的高温,以由其形成元件,这样的高温处理对处于下层的 线路是有害的。最后,与金属的热膨胀相比,硅的热膨胀相对有限, 因为硅在加热时不会像通常所采用的金属那样强烈地偏转,因此,相 对来说,硅不适于用作热臂。
发明概述
鉴于上述情况而认识到,根据本发明的原理,可通过采用金属以 用于热臂且采用硅以用于冷臂的至少柔性部分来制成避免了这种现 有技术致动器局限性的微机电致动器。根据本发明的一个方面,由硅 制成的冷臂联接金属线路,该金属线路随该冷臂移动,并且在当使这 种致动器中的至少两个致动器形成开关时用于携带有待切换的信号。 根据本发明的进一步原理,第一芯片上的这种开关的阵列可以与以倒 装芯片的方式结合到第一芯片上的第二芯片协调地布置,该第二芯片 在其上具有将电气控制流传送到各热臂以用于对其加热、并且传送有 待由各开关来切换的信号的线路。
有利的是,通过适当的设计,例如,当热臂被加热时,热臂提供 足够的力使冷臂弯曲;而当热臂冷却时,它又足够软,以致不会妨碍 冷臂恢复到其初始位置,这种致动器不会经受蠕变,因为硅所提供的 回复力基本上不随时间而改变。还有利的是,仅在形成冷臂时所需的 硅的高温处理与开关中所用的金属的处理分隔开,因为1)将电气控 制流传送到各热臂以用于加热它们、且传送有待由各开关来切换的信 号的线路位于独立地制成的第二芯片上,且2)第一芯片上的任何线 路,如组成各热臂的线路以及联接到冷臂且携带有待切换的信号的各 线路,都可在硅处理过程完成后在第一芯片上制成。更有利的是,利 用与冷臂相联的线路而非冷臂本身来携带有待切换的信号,容许冷臂 由硅制成,从而消除蠕变,同时还容许信号线路具有低的阻抗。
附图简述
在图中:
图1显示了根据本发明原理的用以形成示例性MEMS致动器的一 个芯片的顶视图,其采用金属以用于其热臂,且采用硅以用于其冷臂 的至少柔性部分;
图2显示了根据本发明原理的示例性第二芯片的三维透视图,该 第二芯片以倒装芯片的方式安装到图1的芯片上,且电联接到图1的 MEMS致动器,以及;
图3显示了根据本发明原理的、以倒装芯片的方式安装到图1的 芯片上且电联接到图1的MEMS致动器的示例性第二芯片的侧视图; 且
图4显示了用于形成开关的两个致动器的顶视图;
图5显示了在单个芯片上形成的图4的开关的阵列;
图6~9各显示了在执行了各工序的其中一个工序以形成图1的 示例性MEMS致动器之后的顶视图。
详细说明
以下仅仅说明本发明的原理。因此,应该了解的是,本领域中的 技术人员将能够设计虽然没有明确地在本文中说明或显示、但体现了 本发明的原理且包括在本发明的精神和范围内的各种设置。此外,本 申请中记载的所有的例子和有条件的语言描述,主要是清楚地意图用 于教导的目的,以帮助读者了解本发明的原理以及发明人所贡献的构 思,以促进技术进步,并应解释为不限制于这些特别地记载的例子和 条件。此外,本文中所有记载了本发明的原理、方面和实施例以及其 特定实例的陈述,意图包括其结构上和功能上的等效体。此外,预期 的是不管结构如何,这些等效体包括目前已知的等效体以及将来开发 的等效体,即开发出的执行相同功能的任何元件。
因此,举例来说,本领域技术人员应该理解的是,本文的任何框 图代表了体现本发明原理的示意性电路的概念视图。同样,也应该了 解,任何流程图、流程表、状态转移图、伪代码等代表了各种程序, 这些程序可以在计算机可读介质中充分表示,并且可被计算机或处理 器执行,而不论这些计算机或处理器是否明确地示出。
在本文的权利要求中,表述为用于执行特定功能的器件的任何元 件都意图包括执行该功能的任何方式。这可包括,例如a)执行该功 能的电气元件或机械元件的组合,或b)任何形式的软件,因此,包 括固件微码等,与软件相结合的用于执行该软件以实施该功能的适 当的电路,以及联接到软件所控制的电路的机械元件(如果存在)。由 这些权利要求所界定的本发明在于这样的事实:各种所记载的措施所 提供的功能是以权利要求所要求的形式被组合和结合的。因此,申请 人认为可以提供那些功能的任何措施都是本文所说明的那些措施的 等效体。
除非在本文中另有明确指定,附图不是按比例绘制的。
本文使用的用语“微机电系统(MEMS)器件”意图表示整个MEMS 器件或其中的任何部分。因此,如果MEMS器件的一部分失效,或如 果MEMS器件的一部分被封闭,为了本公开的目的,这样的MEMS 器件仍然被视为MEMS器件。
说明书中,不同附图中相同编号的构件指同一构件。
图1显示了根据本发明原理的用于形成示例性MEMS致动器100 的一种芯片的顶视图,其采用金属以用于其热臂,并采用硅以用于其 冷臂的至少柔性部分。此外,根据本发明的一个方面,由硅制成的冷 臂联接到随之移动且当至少使两个这样的致动器形成开关时用来携 带有待切换的信号的金属线路。图1中所示的是示例性的MEMS致动 器100,其由a)热臂101、b)热臂锚部103、c)冷臂105、d)金属信号 线路107、e)绝缘拴系件109、f)金属化垫111、g)冷臂锚部113、 和h)芯片115组成。
根据本发明的一个方面,热臂101是当电流穿过其中时能发热的 金属线路。通常情况下,热臂101由镍基金属制成,但也可使用其它 材料。当加热时,镍基金属趋向于伸长,但是也可以采用收缩而非伸 长的其它材料。从概念上来说,热臂101包括在绝缘拴系件109附近 会合的两个部分101-1和101-2。注意,热臂101可由单个连续的金属 件制成,或者由多个区段制成。热臂101被设计成使得当加热热臂101 时,其提供足够的力以使冷臂105弯曲,而当热臂101冷却时,热臂 101又足够软,以致不会妨碍冷臂105恢复到其初始位置。
热臂部分101-1联接到热臂锚部103-1上,类似地,热臂部分101-2 联接到热臂锚部103-2上。热臂锚部103使热臂101锚接到芯片115 的层上,同时使热臂101可自由移动。热臂锚部103通常由与用于制 成热臂101的材料相同的材料制成,例如,镍基材料。凸块下金属化 垫111由能够良好地结合到热锚部103和焊料上的材料制成,因为用 以加热热臂101的电流是从第二芯片上的控制线路经由凸块下金属化 垫111和热臂锚部103而提供至热臂的,第二芯片携带控制和信号线 路(未示出),并且将利用锚部111和113上的焊料突块而以倒装芯片 的方式结合到芯片115上。
从概念上将,冷臂105具有4个可能的部分。冷臂部分105-1是 用于将冷臂105锚接到芯片115上的支座。虽然冷臂105必须具有使 其锚接在芯片115上的一部分,但是并不需要定位和成形为冷臂部分 105,这对于本领域技术人员而言将是很容易了解的。柔性冷臂部分 105-2是冷臂105的柔性部分。根据本发明一个方面,柔性冷臂部分 105-2由硅制成,从而有利地消除了现有技术致动器的蠕变问题
可选的刚性冷臂部分105-3是冷臂105的刚性部分,且优选其宽 度还用于容许沉积在其上的信号线路107的部分更宽,从而具有低电 阻。注意,在不存在刚性冷臂部分105-3时,柔性冷臂部分105-2可 以延伸直到绝缘拴系件109。
首端冷臂部分105-4是冷臂105的、绝缘拴系件109附连到其上 以用于将冷臂105联接至热臂101的部分。首端冷臂部分105-4按照 图1中所示的方式成形,这是现有技术致动器中通用的形式,以减少 对绝缘拴系件109的剪切强度的依赖,并更好地使热臂103长度的变 化耦合到冷臂105的位移中。
金属信号线路107用于携带有待由具有致动器100的开关来切换 的信号。优选地,金属信号线路107有高导电性,并可由任何众所周 知的导电金属,如金或金属合金制成。金属信号线路107可由具有不 同电导率的不同区段组成,各区段甚至可能是不同的材料。
从概念上讲,金属信号线路107由4个可能的区段组成:凸块下 金属化垫区段107-1,自由直立区段107-2,冷臂安装区段107-3,以 及末端区段107-4。凸块下金属化垫区段107-1用于将金属信号线路 107的自由连接区段107-2锚接至冷臂锚部113。金属化垫107还用作 连接器,在其上置有焊料突块,以用来将信号线路107连接到携带控 制和信号线路的第二芯片上(未显示)。
当致动器100是开关的一部分时,末端区段107-4用来将金属信 号线路107以可控制的方式导电联接到另一致动器(未显示)的相应的 金属信号线路上。当开关关闭时,各致动器的末段相接触。当开关打 开时,各致动器的末段分开。末端区段107-4可形成为完全在冷臂105 上、完全离开冷臂105,或者部分位于冷臂105上而部分离开冷臂105。
自由直立区段107-2和冷臂安装区段107-3用于将凸块下金属化 垫区段107-1连接至末端区段107-4。自由直立区段107-2应形成为具 有以便不影响冷臂柔性部分105-2的挠曲和恢复运动的特性。正如本 领域技术人员所容易理解的,不仅要在材料的选择和尺寸上设计为以 便保证自由直立区段107-2不影响冷臂柔性部分105-2的挠曲和恢复 运动,而且其形状也应如此来设计。因此,例如,自由直立区段107-2 可至少部分地成形为弹性件。注意,自由直立区段107-2本身可安装 在冷臂柔性部分105-2上,但是这不太合乎要求,因为自由直立区段 107-2将可能在一定程度上影响冷臂柔性部分105-2的挠曲和恢复运 动。
冷臂安装区段10-3使自由直立区段107-2和末端区段107-4电连 接。冷臂安装区段107-3覆盖刚性冷臂部分105-3的程度取决于实施 者,其高度和所选择的材料也是如此。事实上,冷臂安装区段107-3 可甚至延伸越过刚性冷臂部分105-3的边缘,如图1所示的那样。如 果是这样的话,它可能沿着其延伸超过的冷臂105的侧壁向下延伸。
绝缘拴系件109是由绝缘体,即非导电材料制成的传统拴系件, 其将热臂和冷臂联接在一起。例如,绝缘拴系件109可由聚酰亚胺, 光敏环化物如MicroChem公司的SU8,或苯并环丁烯(BCB)制成。
虽然可以由硅制成,但冷臂锚部113优选由与热锚部103相同的 材料制成。注意,热锚部和冷锚部通常同时形成。然而,由于当用于 热锚部103和冷锚部113的材料沉积时,用于冷臂支持部分105-1的 材料已经形成,所以冷锚部113的覆盖冷臂支持部分105-1的那部分 将会比热锚部103和冷锚部113的其它部分更高。
芯片115形成于其上的晶圆通常是绝缘体上硅(SOI)的晶圆类 型。示例性SOI晶圆由三层构成。第一层是所谓的“处理”晶圆层,即 硅。在图2中可见为硅晶圆层253。第二层-埋入的氧化物层(BOX), 也被称为“牺牲层”,是一种绝缘体。第三层-“机械”层,也是硅,但 是它1)通常比处理晶圆层更薄,且b)可称为设备层。冷臂105(图 1)由设备层的硅通过蚀刻而形成。在已经蚀刻了设备层而留下冷臂 105后,热臂101、热锚部103、和冷锚部113形成于牺牲层上。当剩 余结构都形成后,几乎在各处都蚀刻掉了牺牲层,从而释放热臂101 和冷臂105以便移动。然而,通过为热锚部103和冷锚部113使用适 当的尺寸,其下方的氧化物中的至少一些保留下来,从而使得锚部紧 固地连接到处理晶圆上。这些保留物可以在图2里看到,如锚接氧化 物部分253和255。
根据本发明的进一步的原理,由诸如芯片115上的MEMS致动器 110(图1)的致动器组成的开关阵列,可以与以倒装芯片的方式结合 到第一芯片的第二芯片协调地设置,该第二芯片在其上具有将电气控 制流传送到各热臂以便加热、且传送有待由该各开关进行切换的信号 的线路。图2显示了根据本发明原理的、以倒装芯片的方式安装在芯 片115上且电联接到MEMS致动器100上的示例性第二芯片215的三 维透视图。除了在图2中可见的图1中的那些元件,还显示了1)线路 201-1和201-2,2)焊料突块211-1和211-2,3)线路207,4)将线路207 电连接到金属信号线路105的焊料突块217,5)焊料密封壁225,6) 第二芯片215,7)第二芯片互连层267,和8)锚接氧化物部分253和 255。注意,在图2中,为了教导的目的,已经移除了第二芯片215 的一部分,以便改善可视性。特别地,已经移除了互连层267的一部 分,且移除了衬底265的更大一部分。
线路201-1和201-2之间具有提供到热臂101上以加热该热臂的 电势差。为此,焊料突块211-1和211-2使线路201-1和201-2经由凸 块下金属化垫111而分别电连接至热臂部分101-1和101-2,凸块下金 属化垫111有助于将焊料突块211连接到热锚部103,且最终连接到 热臂101。线路201由具有合理的高电导性的金属制成,如和 金。
类似地,如果微致动器101包括于开关中,则线路207携带有将 供给到金属信号线路107的、有待进行切换的信号。焊料突块217使 线路207例如在凸块下金属化垫区段107-1位置处电连接至金属信号 线路107。类似于线路201,线路207由具有合理的高导电性的金属 制成,如铝,铜和金。
注意,在芯片215上,线路201和线路207可处于同一层或不同 层中,这取决于布线需求。芯片215显示为由衬底层构成。
焊料密封壁225用于使芯片215连接至芯片115,以使芯片上的 结构与外部隔离,且使得可以进行整个倒装芯片的封装。注意,图2 中所示的焊料密封壁225主要用于教导的目的,焊料密封壁通常围绕 整个芯片(其通常包括设置为开关的致动器的阵列且可能还包括其它 器件)的周围而延伸,而不仅仅在单个致动器周围延伸。还应注意,即 便是如图2所示的单个致动器也是由焊料密封壁围绕的,图2中未示 出前密封壁,以便能够观察致动器,且后壁由芯片215的视图所阻挡。 焊料密封壁225可能具有与热锚部103相同的结构,带有与凸块下金 属化件、焊料及顶部上的线路相同的层。因此,焊料密封壁225包括 a)氧化物层壁231,b)镍层壁233,c)凸块下金属化层壁,即金层壁235, d)焊料层壁237,e)线路层壁239。
锚接氧化物部分253是芯片115氧化物的未从牺牲层中蚀刻去的 部分,且因此得以保留以保持热锚部101紧固地连接至处理晶圆251。 类似地,氧化物部分255保留在冷锚部113下方,以保持冷锚部113 和冷臂105紧固地连接至处理晶圆251。类似地,氧化物层壁231也 由牺牲层的氧化物形成,并且在已经于其它地方蚀刻了牺牲层的其它 部分后保留下来。
第二芯片215由衬底265和互连层267构成。衬底265通常是硅。 互连层267由形成各线路的各个层组成,这些线路是线路201和207。 通常,绝缘层沉积在硅衬底265上,然后在该绝缘层上形成至少一个 线路层。另外的绝缘层和线路层可交替地沉积,不同层处的线路之间 的电连接可按照传统的方式利用通孔来建立。
图3显示了根据本发明原理的示例性MEMS致动器100的侧视 图,该致动器包括以倒装芯片的方式安装到芯片115上且电联接到 MEMS致动器100的第二芯片215,如图2所示。没有引入新的构件, 然而从图2的视图中也许有些难于看清楚全貌的某些元件在图3中更 容易看清楚。
图4显示了用于形成开关401(例如也称为继电器的锁定开关)的 两个致动器的顶视图。第一致动器是如图1中所示的示例性MEMS 致动器100。第二致动器是示例性致动器400,其与图1中所示的示 例性MEMS致动器100相同,但除了a)末端区段107-4已被垂直地突 出的末段区段407-4所替代,和b)冷臂安装区段107-3已被冷臂安装 区段407-3取代,冷臂安装区段407-3几乎与冷臂安装区段107-3相 同,但是沿着首端冷臂部分105-4一直延伸到末段区段407-4。本领域 技术人员将容易地理解可以使用不同类型的末段。
图5显示了形成于单个芯片上的开关401的阵列。这种阵列适用 于通讯应用中的交叉连接。注意,用于各种致动器的热臂的控制信号 以及有待切换的信号由顶端芯片-如顶端芯片215(图2和图3)来 提供。还注意到,在图5中,焊料密封壁围绕芯片225的整个周边而 延伸,而不是围绕任何单个致动器,如上所述。
图6~9各显示了根据用于形成MEMS致动器100的示例性方法, 在执行了各个处理工序的其中一个工序以形成图1的示例性MEMS 致动器100后的顶视图。图6显示了在形成冷臂105后的结果。如本 领域技术人员将很容易理解的那样,冷臂105是通过对SOI晶圆进行 适当地图案化和蚀刻以便在设备层中留下冷臂105的合乎需要的形状 而形成的。图7显示了形成热臂101、热臂锚部103和冷臂锚部113 后的结果。形成这些结构的一种方式是1)在芯片表面上沉积出金属种 子层;2)沉积和图案化在其中具有开口的光致抗蚀剂模型,预期金属 将于该处生长;和3)通过以下方式来电镀芯片,a)将电极附连至种子 层和含有待生长的金属的池中,b)将芯片置于该池中,和c)在该池和 种子层之间通过电流。可结合光致抗蚀剂模型而使用的另一种技术是 所谓的“无电”镀。
图8显示了在形成金属信号线路107和凸块下金属化垫之后的结 果。这些结构可以使用结合图7所述的模制和电镀技术、但使用适于 金属信号线路107和凸块下金属化垫111的金属和电镀池来形成。类 似地,如果对于用于金属信号线路107和凸块下金属化垫111的金属 适用,也可以使用“无电”镀技术。
图9显示了在形成绝缘拴系件109之后的结果。绝缘拴系件109 优选通过下列方式形成:在芯片上旋涂光感绝缘胶层;光照希望形成 绝缘拴系件的地方以改变其化学结构,使其对显影剂不敏感;将该芯 片浸入显影液池,以除去该绝缘材料的未被曝光的部分。
最后一步是释放步骤。在释放步骤中,该芯片要经历时间蚀刻, 其浸浴于蚀刻池(通常为氢氟酸(HF))中规定的时间段。这样做将蚀刻 掉原晶圆中剩余氧化物层的大部分。然而,由于蚀刻有规定的时间段, 所以存在蚀刻剂难以到达的区域,如热锚部103下方、冷锚部113下 方以及焊料密封壁225(图2和图5,未显示在图6~9),氧化物得以保 留,以保持使这些结构紧固地结合到芯片衬底上。
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