專利名稱：微致動器和鎖定開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對微動開關(guān)，如繼電器特別有用的微致動器，更具體 地，涉及使用這種微致動器的鎖定微動開關(guān)的陣列。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(MEMS)是使用標準的半導(dǎo)體工藝建立的非常小的 可動機械結(jié)構(gòu)。MEMS可設(shè)置為用作適用于許多種應(yīng)用的致動器。這 些致動器通常具有幾百微米的長度，且常常具有僅幾十微米的寬度。 MEMS致動器通常構(gòu)造和設(shè)置為懸臂的形式，其具有附連到襯底上的 一端，以及可以在至少兩個位置之間移動的相對的自由端，其中一個 位置是中間位置，其它的位置是偏轉(zhuǎn)位置。
MEMS致動器的一個可行的用途是將其構(gòu)造為開關(guān)。這些開關(guān)可 為鎖定開關(guān)，即繼電器。這些開關(guān)由至少一個致動器構(gòu)成。在多個致 動器的情況下，它們順次運作，以便將其各部分其中之一連接或釋^:
到另一相配合的致動器上的類似部分上。因為它們都非常小，所以可
將大量的MEMS開關(guān)設(shè)置在單個芯片上。
MEMS開關(guān)具有很多優(yōu)點。尤其它們很廉價，并且如人們注意到 的那樣是非常小的。通常情況下，其耗電量極小且其響應(yīng)時間極短， 舉例來說，關(guān)閉或打開MEMS開關(guān)的完整序列可能僅僅為幾毫秒。
典型的致動器基于一對臂，其中一個是所謂的"冷"臂，另一個是 所謂的"熱，，臂，兩者都在一端處錨接到襯底上的層，并且在其相對端 處剛性地連在一起。注意，熱臂通常是自其開口端處的兩個錨部延伸 的開口端細線環(huán)，且在其封閉端處延伸到大約冷臂的端部。另外，通 常，冷臂和熱臂是電隔絕的。開關(guān)觸點通常附連到冷臂上，且位于梁
4被連接的位置附近
通過在纟皮稱作"錨墊"的成對端子之間施加電勢差使臂開始偏轉(zhuǎn)， 其將熱臂錨接到村底上。這是用于致動器的控制信號。該電勢差在熱 臂中引起通過焦耳加熱而升高其溫度的電流。取決于所使用的材料， 這種加熱最終導(dǎo)致熱臂的一部分收縮或伸長。目前，用于熱臂的首選 材料是鎳合金，因為其有大的熱膨脹系數(shù)，合理的導(dǎo)電性，且易于利 用電鍍技術(shù)來處理。假設(shè)冷臂未被有意加熱且因此尺寸不會變化，則 所產(chǎn)生的熱臂和冷臂的梁的尺寸上的差異(在加熱前最初尺寸相同)將 在臂被連接的端部處產(chǎn)生橫向位移。
致動器可具有一個或多個熱臂以及一個或多個冷臂，這取決于i殳 計。這種致動器設(shè)置成以便形成可以選擇性地打開和關(guān)閉的開關(guān)。
在2002年6月18日授予Wood等人的美國專利6,407,478中公開 了一個示例性的這種致動器，其通過引用而以類似于在本文中完整地 闡述的方式結(jié)合在本文中。Wood等人還公開了使用具有對溫度響應(yīng) 的一個或多個梁部件的孩i^L電器件的簡化開關(guān)和開關(guān)陣列。例如，樣i 機電器件包括第 一 梁部件和第二梁部件，它們具有連接在錨部上的相 應(yīng)的第一端，并且例如在其與該4苗部相對的端部附近連"l妻在一起。通 過使第一梁部件和第二梁部件連接在一起，它們形成環(huán)路。第一梁部 件和第二梁部件通過第 一拴系錨部(tether anchor)而連接到絕緣拴系件 上。該微機電器件還包括第三梁部件，其具有連接到錨部上的第一端， 并且通過第二拴系錨部而連接到絕緣拴系件上。第 一梁部件和第二梁 部件中的至少一個梁部件構(gòu)造成當將笫一梁部件和/或第二梁部件加 熱到高于第三梁部件的溫度時可伸長。因此，第一梁部件和第二梁部 件形成熱臂，而第三梁部件為冷臂。通過用兩個梁部件攜帶控制電流 來加熱這兩個梁部件中的一個或二者，微機電器件可使由第一梁部件 和第二梁部件限定的控制信號路徑與由第三梁部件限定的負載信號
路徑電隔離開。這種致動器在本領(lǐng)域中被稱為"熱致致動器"。
微機電閉鎖開關(guān)，即繼電器，可利用附連到襯底上的一對開關(guān)觸頭和上述第一致動器和第二致動器來形成。第一致動器具有連接到^" 底上的第一端，且具有連接到其上的觸頭。第一致動器還包括附連到 該觸頭上的第一突出部。第一致動器可操作，以響應(yīng)于電流而偏轉(zhuǎn)； 第二致動器具有連接到襯底上的第 一端，并且具有連接到其上的第二 突出部。第二致動器可操作，以響應(yīng)于電流而偏轉(zhuǎn)。第一致動器和第 二致動器定位成使得當?shù)谝煌怀霾吭诔蓪Φ拈_關(guān)觸點和第二突出部 之間與第二突出部相接合時，該觸點與該對開關(guān)觸點電連接。此外， 當?shù)诙怀霾吭谠搶﹂_關(guān)觸點和第 一 突出部之間與第 一 突出部相才妄 合時，該觸點不與該對開關(guān)觸點電連接。這種繼電器的陣列可類似地 形成于單個襯底上。
還參見發(fā)表在2004年IEEE電接觸(IEEE Electrical Contacts )的 Agrawal的論文"用于直流電和射頻的閉鎖微機電系統(tǒng)繼電器(A Latching MEMS Relay for DC and RF Application)",第50屆IEEE Holm 電接觸會議(50也IEEE Holm Conference on Electrical Contacts)和第22 屆國際電才妄觸會i義(22nd International Conference on Electrical Contacts) 會刊(2004.9.20 23)第222 - 225頁，ISBN: 0-7803-8460-1， INSPEC 登記號8291957，數(shù)字標識號10.1109/HOLM.2004.1353121,并于 2004年11月8日17:30:48.0發(fā)布到網(wǎng)上，其通過引用而以類似于在 本文中完整地闡述的方式結(jié)合在本文中。
于2006年5月2日授權(quán)癥務(wù)Menard等人的美國專利6,407, 478(其 通過引用而以類似于在本文中完整地闡述的方式結(jié)合在本文中)公開 了一種安裝在襯底上的MEMS懸臂致動器，該致動器包括細長的熱 臂部件，該熱臂部件具有兩個間隔開的部分，各部分都在一端處設(shè)有 連接到襯底上的相應(yīng)的錨墊，這些部分在與錨墊相對的公共端處連在 一起；細長的冷臂部件，其鄰近且基本平行于所述熱臂部件，該冷臂 部件在一端處具有連接到襯底的錨墊，并且具有與其錨墊相對的自由 端；以及絕緣拴系件，其在熱臂部件各部分的公共端和冷臂部件的自 由端上附連，以將熱臂部件和冷臂部件機械地聯(lián)接在一起，并使它們說明書第4/13頁
保持電氣獨立。
開關(guān)陣列中所釆用的致動器的各種元件以及有待切換的信號，通 常在形成于村底上、但位于致動器在其中形成的層下方的層中的線路 內(nèi)進行布線或傳送。因此，該致動器必須由對其處理時不會破壞線路 的材料制成。不幸的是，高溫處理將會破壞這種線路。因此，通常采 用低溫處理工藝，且因此致動器的熱臂和冷臂通常例如利用眾所周知
的成型和電鍍技術(shù)(如Agrawal論文中所述)由金屬如鎳來形成。
金屬具有良好的導(dǎo)電性能，因此適于用作用于有待由這種開關(guān)來 切換的信號的電導(dǎo)體。此外，金屬的熱膨脹相對較高，從而使得其在 加熱時強烈地變形，因此非常適于用作熱臂。然而，不利的是，金屬 受到所謂"蠕變"的困擾，即當移除金屬上使其形變的力后，金屬的使 其返回到其初始形狀的回復(fù)力特性失效。
相比之下，硅不會經(jīng)受蠕變，但其具有較高的阻抗，從而使它不 適于用作用于有待由這種開關(guān)切換的信號的電導(dǎo)體。此外，硅需要用 于進行處理的高溫，以由其形成元件，這樣的高溫處理對處于下層的 線路是有害的。最后，與金屬的熱膨脹相比，硅的熱膨脹相對有限， 因為硅在加熱時不會像通常所采用的金屬那樣強烈地偏轉(zhuǎn)，因此，相 對來說，硅不適于用作熱臂。
發(fā)明概述
鑒于上述情況而認識到，根據(jù)本發(fā)明的原理，可通過采用金屬以 用于熱臂且采用硅以用于冷臂的至少柔性部分來制成避免了這種現(xiàn) 有技術(shù)致動器局限性的微機電致動器。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，由硅 制成的冷臂聯(lián)接金屬線路，該金屬線路隨該冷臂移動，并且在當使這 種致動器中的至少兩個致動器形成開關(guān)時用于攜帶有待切換的信號。 根據(jù)本發(fā)明的進一步原理，第 一芯片上的這種開關(guān)的陣列可以與以倒 裝芯片的方式結(jié)合到第 一芯片上的第二芯片協(xié)調(diào)地布置，該第二芯片 在其上具有將電氣控制流傳送到各熱臂以用于對其加熱、并且傳送有
7待由各開關(guān)來切換的信號的線路。
有利的是，通過適當?shù)脑O(shè)計，例如，當熱臂被加熱時，熱臂提供
足夠的力使冷臂彎曲；而當熱臂冷卻時，它又足夠軟，以致不會妨礙 冷臂恢復(fù)到其初始位置，這種致動器不會經(jīng)受蠕變，因為^圭所提供的 回復(fù)力基本上不隨時間而改變。還有利的是，僅在形成冷臂時所需的 硅的高溫處理與開關(guān)中所用的金屬的處理分隔開，因為l)將電氣控 制流傳送到各熱臂以用于加熱它們、且傳送有待由各開關(guān)來切換的信 號的線路位于獨立地制成的第二芯片上，且2)第一芯片上的任何線 路，如組成各熱臂的線路以及聯(lián)接到冷臂且攜帶有待切換的信號的各 線路，都可在硅處理過程完成后在第一芯片上制成。更有利的是，利 用與冷臂相聯(lián)的線路而非冷臂本身來攜帶有待切換的信號，容許冷臂 由硅制成，從而消除蠕變，同時還容許信號線路具有低的阻抗。
附圖簡述
在圖中


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明原理的用以形成示例性MEM S致動器的一 個芯片的頂視圖，其采用金屬以用于其熱臂，且采用硅以用于其冷臂 的至少柔性部分；
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明原理的示例性第二芯片的三維透視圖，該 第二芯片以倒裝芯片的方式安裝到圖1的芯片上，且電聯(lián)j妄到圖1的 MEMS致動器，以及；
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明原理的、以倒裝芯片的方式安裝到圖1的 芯片上且電聯(lián)接到圖1的MEMS致動器的示例性第二芯片的側(cè)視圖； 且
圖4顯示了用于形成開關(guān)的兩個致動器的頂視圖； 圖5顯示了在單個芯片上形成的圖4的開關(guān)的陣列； 圖6~9各顯示了在執(zhí)行了各工序的其中一個工序以形成圖1的 示例性MEMS致動器之后的頂視圖。詳細i兌明
以下僅僅說明本發(fā)明的原理。因此，應(yīng)該了解的是，本領(lǐng)域中的 技術(shù)人員將能夠設(shè)計雖然沒有明確地在本文中說明或顯示、但體現(xiàn)了 本發(fā)明的原理且包括在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種設(shè)置。此外，本 申請中記載的所有的例子和有條件的語言描述，主要是清楚地意圖用
思，以促進技術(shù)進步，并應(yīng)解釋為不限制于這些特別地記載的例子和 條件。此外，本文中所有記載了本發(fā)明的原理、方面和實施例以及其 特定實例的陳迷，意圖包括其結(jié)構(gòu)上和功能上的等歲丈體。此外，預(yù)期 的是不管結(jié)構(gòu)如何，這些等效體包括目前已知的等效體以及將來開發(fā) 的等效體，即開發(fā)出的執(zhí)行相同功能的任何元件。
因此，舉例來說，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，本文的任何框 圖代表了體現(xiàn)本發(fā)明原理的示意性電路的概念視圖。同樣，也應(yīng)該了 解，任何流程圖、流程表、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、偽代碼等代表了各種程序， 這些程序可以在計算機可讀介質(zhì)中充分表示，并且可^1計算機或處理 器執(zhí)行，而不論這些計算機或處理器是否明確地示出。
在本文的權(quán)利要求中，表述為用于執(zhí)行特定功能的器件的任何元 件都意圖包括執(zhí)行該功能的任何方式。這可包括，例如a)執(zhí)行該功 能的電氣元件或機械元件的組合，或b)任何形式的軟件，因此，包 括固件、微碼等，與軟件相結(jié)合的用于執(zhí)行該軟件以實施該功能的適 當?shù)碾娐?，以及?lián)接到軟件所控制的電路的機械元件(如果存在)。由 這些權(quán)利要求所界定的本發(fā)明在于這樣的事實各種所記載的4告施所 提供的功能是以權(quán)利要求所要求的形式被組合和結(jié)合的。因此，申請 人認為可以提供那些功能的任何措施都是本文所說明的那些措施的 等效體。
除非在本文中另有明確指定，附圖不是^t姿比例繪制的。
本文使用的用語"微機電系統(tǒng)(MEMS)器件"意圖表示整個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器件的一部分一皮封閉，為了本公開的目的，這樣的MEMS 器件仍然被視為MEMS器件。
在說明書中，不同附圖中相同編號的構(gòu)件指同 一構(gòu)件。
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明原理的用于形成示例性MEMS致動器100 的一種芯片的頂視圖，其采用金屬以用于其熱臂，并釆用硅以用于其 冷臂的至少柔性部分。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，由硅制成的冷 臂聯(lián)接到隨之移動且當至少使兩個這樣的致動器形成開關(guān)時用來攜 帶有待切換的信號的金屬線路。圖1中所示的是示例性的MEMS致動 器100,其由a)熱臂101、 b)熱臂錨部103、 c)冷臂105、 d)金屬信號 線路107、 e)絕緣拴系件109、 f)凸塊下金屬化墊111、 g)冷臂錨部113、 和h)芯片115組成。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，熱臂101是當電流穿過其中時能發(fā)熱的 金屬線路。通常情況下，熱臂IOI由鎳基金屬制成，但也可使用其它 材料。當加熱時，鎳基金屬趨向于伸長，但是也可以采用收縮而非伸 長的其它材料。從概念上來說，熱臂IOI包括在絕緣拴系件109附近 會合的兩個部分101-1和101-2。注意，熱臂101可由單個連續(xù)的金屬 件制成，或者由多個區(qū)段制成。熱臂101 ^皮設(shè)計成使得當加熱熱臂101 時，其提供足夠的力以使冷臂105彎曲，而當熱臂101冷卻時，熱臂 101又足夠軟，以致不會妨礙冷臂105恢復(fù)到其初始位置。
熱臂部分101-1聯(lián)接到熱臂錨部103-1上，類似地，熱臂部分101-2 聯(lián)接到熱臂錨部103-2上。熱臂錨部103使熱臂101錨接到芯片115 的層上，同時使熱臂101可自由移動。熱臂錨部103通常由與用于制 成熱臂101的材料相同的材料制成，例如，鎳基材料。凸塊下金屬化 墊111由能夠良好地結(jié)合到熱錨部103和焊料上的材料制成，因為用 以加熱熱臂101的電流是從第二芯片上的控制線路經(jīng)由凸塊下金屬化 墊111和熱臂錨部103而提供至熱臂的，第二芯片攜帶控制和信號線 路(未示出)，并且將利用錨部111和113上的焊料突塊而以倒裝芯片
10的方式結(jié)合到芯片115上。
從概念上將，冷臂105具有4個可能的部分。冷臂部分105-1是 用于將冷臂105錨接到芯片115上的支座。雖然冷臂105必須具有使 其錨接在芯片115上的一部分，但是并不需要定位和成形為冷臂部分 105，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是很容易了解的。柔性冷臂部分 105-2是冷臂105的柔性部分。根據(jù)本發(fā)明一個方面，柔性冷臂部分 105-2由硅制成，從而有利地消除了現(xiàn)有技術(shù)致動器的蠕變問題
可選的剛性冷臂部分105-3是冷臂105的剛性部分，且優(yōu)選其寬 度還用于容許沉積在其上的信號線路107的部分更寬，從而具有低電 阻。注意，在不存在剛性冷臂部分105-3時，柔性冷臂部分105-2可 以延伸直到絕緣拴系件109。
首端冷臂部分105-4是冷臂105的、絕緣拴系件109附連到其上 以用于將冷臂105聯(lián)接至熱臂101的部分。首端冷臂部分105-4按照 圖l中所示的方式成形，這是現(xiàn)有技術(shù)致動器中通用的形式，以減少 對絕緣拴系件109的剪切強度的依賴，并更好地使熱臂103長度的變 化耦合到冷臂105的位移中。
金屬信號線路107用于攜帶有待由具有致動器100的開關(guān)來切換 的信號。優(yōu)選地，金屬信號線路107有高導(dǎo)電性，并可由任何眾所周 知的導(dǎo)電金屬，如金或金屬合金制成。金屬信號線路107可由具有不 同電導(dǎo)率的不同區(qū)段組成，各區(qū)段甚至可能是不同的材料。
從概念上講，金屬信號線路107由4個可能的區(qū)段組成凸塊下 金屬化墊區(qū)段107-1，自由直立區(qū)段107-2，冷臂安裝區(qū)段107-3,以 及末端區(qū)段107-4。凸塊下金屬化墊區(qū)段107-1用于將金屬信號線路 107的自由連接區(qū)段107-2錨接至冷臂錨部113。金屬化墊107還用作 連接器，在其上置有焊料突塊，以用來將信號線路107連接到攜帶控 制和信號線路的第二芯片上(未顯示)。
當致動器100是開關(guān)的一部分時，末端區(qū)段107-4用來將金屬信 號線路107以可控制的方式導(dǎo)電聯(lián)接到另一致動器(未顯示)的相應(yīng)的金屬信號線路上。當開關(guān)關(guān)閉時，各致動器的末段相接觸。當開關(guān)打
開時，各致動器的末段分開。末端區(qū)段107-4可形成為完全在冷臂105 上、完全離開冷臂105，或者部分位于冷臂105上而部分離開冷臂105。 自由直立區(qū)段107-2和冷臂安裝區(qū)段107-3用于將凸塊下金屬化 墊區(qū)段107-1連接至末端區(qū)段107-4。自由直立區(qū)段107-2應(yīng)形成為具 有以便不影響冷臂柔性部分105-2的撓曲和恢復(fù)運動的特性。正如本 領(lǐng)域技術(shù)人員所容易理解的，不僅要在材料的選擇和尺寸上設(shè)計為以 便保證自由直立區(qū)段107-2不影響冷臂柔性部分105-2的撓曲和恢復(fù) 運動，而且其形狀也應(yīng)如此來設(shè)計。因此，例如，自由直立區(qū)段107-2 可至少部分地成形為彈性件。注意，自由直立區(qū)段107-2本身可安裝 在冷臂柔性部分105-2上，但是這不太合乎要求，因為自由直立區(qū)段 107-2將可能在一定程度上影響冷臂柔性部分105-2的撓曲和恢復(fù)運 動。
冷臂安裝區(qū)段10-3使自由直立區(qū)段107-2和末端區(qū)段107-4電連 接。冷臂安裝區(qū)段107-3覆蓋剛性冷臂部分105-3的程度取決于實施 者，其高度和所選擇的材料也是如此。事實上，冷臂安裝區(qū)段107-3 可甚至延伸越過剛性冷臂部分105-3的邊緣，如圖1所示的那樣。如 果是這樣的話，它可能沿著其延伸超過的冷臂105的側(cè)壁向下延伸。
絕緣拴系件109是由絕緣體，即非導(dǎo)電材料制成的傳統(tǒng)拴系件， 其將熱臂和冷臂聯(lián)接在一起。例如，絕緣拴系件109可由聚酰亞胺， 光敏環(huán)氧化物如MicroChem公司的SU8,或苯并環(huán)丁烯(BCB)制成。
雖然可以由硅制成，但冷臂錨部113優(yōu)選由與熱錨部103相同的 材料制成。注意，熱錨部和冷錨部通常同時形成。然而，由于當用于 熱錨部103和冷錨部113的材料沉積時，用于冷臂支持部分105-1的 材料已經(jīng)形成，所以冷錨部113的覆蓋冷臂支持部分105-1的那部分 將會比熱錨部103和冷錨部113的其它部分更高。
芯片115形成于其上的晶圓通常是絕緣體上硅(SOI)的晶圓類 型。示例性SOI晶圓由三層構(gòu)成。笫一層是所謂的"處理"晶圓層，即
12硅。在圖2中可見為硅晶圓層253。第二層-埋入的氧化物層(BOX)， 也被稱為"犧牲層"，是一種絕緣體。第三層-"機械"層，也是硅，但 是它1 )通常比處理晶圓層更薄，且b)可稱為設(shè)備層。冷臂105 (圖 1)由設(shè)備層的硅通過蝕刻而形成。在已經(jīng)蝕刻了設(shè)備層而留下冷臂 105后，熱臂IOI、熱錨部103、和冷錨部113形成于犧牲層上。當剩 余結(jié)構(gòu)都形成后，幾乎在各處都蝕刻掉了犧牲層，從而釋;^文熱臂101 和冷臂105以便移動。然而，通過為熱錨部103和冷錨部113使用適 當?shù)某叽?，其下方的氧化物中的至少一些保留下來，從而使得錨部緊 固地連接到處理晶圓上。這些保留物可以在圖2里看到，如錨接氧化 物部分253和255。
根據(jù)本發(fā)明的進一步的原理，由諸如芯片115上的MEMS致動器 110 (圖1)的致動器組成的開關(guān)陣列，可以與以倒裝芯片的方式結(jié)合 到第一芯片的第二芯片協(xié)調(diào)地設(shè)置，該第二芯片在其上具有將電氣控 制流傳送到各熱臂以便加熱、且傳送有待由該各開關(guān)進行切換的信號 的線路。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明原理的、以倒裝芯片的方式安裝在芯 片115上且電聯(lián)接到MEMS致動器100上的示例性第二芯片215的三 維透視圖。除了在圖2中可見的圖1中的那些元件，還顯示了 l)線路 201-1和201-2, 2)焊料突塊211-1和211-2, 3)線路207, 4)將線路207 電連接到金屬信號線路105的焊料突塊217， 5)焊料密封壁225, 6) 第二芯片215， 7)第二芯片互連層267,和8)錨接氧化物部分253和 255。注意，在圖2中，為了教導(dǎo)的目的，已經(jīng)移除了第二芯片215 的一部分，以便改善可視性。特別地，已經(jīng)移除了互連層267的一部 分，且移除了襯底265的更大一部分。
線路201-1和201-2之間具有提供到熱臂101上以加熱該熱臂的 電勢差。為此，焊料突塊211-1和211-2使線路201-1和201-2經(jīng)由凸 塊下金屬化墊111而分別電連接至熱臂部分101-1和101-2，凸塊下金 屬化墊111有助于將焊料突塊211連接到熱錨部103,且最終連接到 熱臂101。線路201由具有合理的高電導(dǎo)性的金屬制成，如鋁、銅和金。
類似地，如果微致動器101包括于開關(guān)中，則線路207攜帶有將 供給到金屬信號線路107的、有待進行切換的信號。焊料突塊2U使 線路207例如在凸塊下金屬化墊區(qū)段107-1位置處電連接至金屬信號 線路107。類似于線路201，線路207由具有合理的高導(dǎo)電性的金屬 制成，如鋁，銅和金。
注意，在芯片215上，線路201和線路207可處于同一層或不同 層中，這取決于布線需求。芯片215顯示為由村底層構(gòu)成。
焊料密封壁225用于使芯片215連接至芯片115,以使芯片上的 結(jié)構(gòu)與外部隔離，且使得可以進行整個倒裝芯片的封裝。注意，圖2 中所示的焊料密封壁225主要用于教導(dǎo)的目的，焊料密封壁通常圍繞 整個芯片(其通常包括設(shè)置為開關(guān)的致動器的陣列且可能還包括其它 器件)的周圍而延伸，而不僅僅在單個致動器周圍延伸。還應(yīng)注意，即 便是如圖2所示的單個致動器也是由焊料密封壁圍繞的，圖2中未示 出前密封壁，以便能夠觀察致動器，且后壁由芯片215的視圖所阻擋。 焊料密封壁225可能具有與熱錨部103相同的結(jié)構(gòu)，帶有與凸塊下金 屬化件、焊料及頂部上的線路相同的層。因此，焊料密封壁225包括 a)氧化物層壁231, b)鎳層壁233， c)凸塊下金屬化層壁，即金層壁235, d)焊料層壁237， e)線路層壁239。
錨接氧化物部分253是芯片115氧化物的未從犧牲層中蝕刻去的 部分，且因此得以保留以保持熱錨部101緊固地連接至處理晶圓251。 類似地，氧化物部分255保留在冷錨部113下方，以保持冷錨部113 和冷臂105緊固地連接至處理晶圓251。類似地，氧化物層壁231也 由犧牲層的氧化物形成，并且在已經(jīng)于其它地方蝕刻了犧牲層的其它 部分后保留下來。
第二芯片215由襯底265和互連層267構(gòu)成。襯底265通常^^圭。 互連層267由形成各線路的各個層組成，這些線路是線路201和207。 通常，絕緣層沉積在硅襯底265上，然后在該絕緣層上形成至少一個線路層。另外的絕緣層和線路層可交替地沉積，不同層處的線路之間 的電連"t妻可^l姿照傳統(tǒng)的方式利用通孔來建立。
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明原理的示例性MEMS致動器100的側(cè)視 圖，該致動器包括以倒裝芯片的方式安裝到芯片115上且電聯(lián)接到 MEMS致動器100的第二芯片215，如圖2所示。沒有引入新的構(gòu)件， 然而從圖2的視圖中也許有些難于看清楚全貌的某些元件在圖3中更 容易看清楚。
圖4顯示了用于形成開關(guān)401(例如也稱為繼電器的鎖定開關(guān))的 兩個致動器的頂視圖。第一致動器是如圖1中所示的示例性MEMS 致動器100。第二致動器是示例性致動器400，其與圖1中所示的示 例性MEMS致動器100相同，但除了 a)末端區(qū)段107-4已^皮垂直地突 出的末段區(qū)段407-4所替代，和b)冷臂安裝區(qū)段107-3已被冷臂安裝 區(qū)段407-3取代，冷臂安裝區(qū)段407-3幾乎與冷臂安裝區(qū)段107-3相 同，但是沿著首端冷臂部分105-4—直延伸到末段區(qū)段407-4。本領(lǐng)域 技術(shù)人員將容易地理解可以使用不同類型的末段。
圖5顯示了形成于單個芯片上的開關(guān)401的陣列。這種陣列適用 于通訊應(yīng)用中的交叉連接。注意，用于各種致動器的熱臂的控制信號 以及有待切換的信號由頂端芯片-如頂端芯片215 (圖2和圖3)來 提供。還注意到，在圖5中，焊料密封壁圍繞芯片225的整個周邊而 延伸，而不是圍繞任何單個致動器，如上所述。
圖6 ~ 9各顯示了根據(jù)用于形成MEMS致動器100的示例性方法， 在執(zhí)行了各個處理工序的其中一個工序以形成圖1的示例性MEMS 致動器100后的頂視圖。圖6顯示了在形成冷臂105后的結(jié)果。如本 領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易理解的那樣，冷臂105是通過對SOI晶圓進行 適當?shù)貓D案化和蝕刻以便在設(shè)備層中留下冷臂105的合乎需要的形狀 而形成的。圖7顯示了形成熱臂101、熱臂錨部103和冷臂錨部113 后的結(jié)果。形成這些結(jié)構(gòu)的一種方式是l)在芯片表面上沉積出金屬種 子層；2)沉積和圖案化在其中具有開口的光致抗蝕劑才莫型，預(yù)期金屬將于該處生長；和3)通過以下方式來電鍍芯片，a)將電極附連至種子 層和含有待生長的金屬的池中，b)將芯片置于該池中，和c)在該池和 種子層之間通過電流?？山Y(jié)合光致抗蝕劑才莫型而使用的另一種技術(shù)是 所謂的"無電"鍍。
圖8顯示了在形成金屬信號線路107和凸塊下金屬化墊之后的結(jié) 果。這些結(jié)構(gòu)可以使用結(jié)合圖7所述的模制和電鍍技術(shù)、但使用適于 金屬信號線路107和凸塊下金屬化墊111的金屬和電鍍池來形成。類 似地，如果對于用于金屬信號線路107和凸塊下金屬化墊111的金屬 適用，也可以使用"無電"鍍技術(shù)。
圖9顯示了在形成絕緣拴系件109之后的結(jié)果。絕緣拴系件109 優(yōu)選通過下列方式形成在芯片上旋涂光感絕緣膠層；光照希望形成 絕緣拴系件的地方以改變其化學結(jié)構(gòu)，使其對顯影劑不敏感；將該芯 片浸入顯影液池，以除去該絕緣材料的未—皮曝光的部分。
最后一步是釋^:步驟。在釋^:步驟中，該芯片要經(jīng)歷時間蝕刻， 其浸浴于蝕刻池(通常為氫氟酸(HF))中規(guī)定的時間段。這樣做將蝕刻 掉原晶圓中剩余氧化物層的大部分。然而，由于蝕刻有規(guī)定的時間段， 所以存在蝕刻劑難以到達的區(qū)域，如熱錨部103下方、冷錨部113下 方以及焊料密封壁225(圖2和圖5，未顯示在圖6~9),氧化物得以保 留，以保持使這些結(jié)構(gòu)緊固地結(jié)合到芯片襯底上。
權(quán)利要求
1. 一種包括第一微機電致動器的裝置，其包括至少部分地由金屬制成的第一熱臂；和具有柔性部分的第一冷臂，所述柔性部分由硅制成，所述第一冷臂聯(lián)接至所述第一熱臂。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所限定的發(fā)明，其特征在于，所述第一冷臂 聯(lián)接至所述第一熱臂，使得當所述熱臂受熱且改變其形狀時所述冷臂 自其靜止位置位移。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所限定的發(fā)明，其特征在于，所述冷臂在所 述冷臂的一端處聯(lián)接至村底，并且所述冷臂在所述冷臂的另一端處聯(lián): 接至所述熱臂。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所限定的發(fā)明，其特征在于，所述致動器還 包括適于與所述冷臂一致地移動、且當自其靜止位置移動時基本不提供回復(fù)力的金屬線路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所限定的發(fā)明，其特征在于，所述致動器是 開關(guān)的一部分，且所述金屬線路適于攜帶有待由所述開關(guān)切換的信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所限定的發(fā)明，其特征在于，所述金屬線路 至少部分地安裝在所述冷臂上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所限定的發(fā)明，其特征在于，所述金屬線路 不是安裝在所述冷臂的所述柔性部分上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所限定的發(fā)明，其特征在于，所述第一冷臂 聯(lián)接至所述第一熱臂，使得當所述熱臂受熱且改變其形狀時，所述冷臂自其靜止位置位移。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所限定的發(fā)明，其特征在于，所述第一致動 器還包括聯(lián)接至所述第一冷臂的第一金屬線路，并且，其中，所述裝 置是開關(guān)的一部分，所述開關(guān)還包括笫二存W;L電致動器，其包括至少部分地由金屬制成的第二熱臂；具有柔性部分的笫二冷臂，所述柔性部分由硅制成，所述第二冷臂聯(lián)接至所述第二熱臂；和聯(lián)接至所述第二冷臂的第二金屬線路；所述第 一 微機電致動器和所述第二微機電致動器設(shè)置成使 得所述第 一金屬線路和所述第二金屬線路可以保持在它們處于電接 觸的至少一個位置，且可保持在它們未處于電接觸的另一位置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所限定的發(fā)明，其特征在于，所述第一致動 器和所述第二致動器制造于第一芯片上，且所述裝置還包括以倒裝芯片的方式安裝到所述第 一芯片上的第二芯片，所述第二 芯片包括(i)多根控制線路，所述線路中的各線路設(shè)置成以便為用于加 熱所述第一熱臂和所述第二熱臂中相應(yīng)的一個熱臂的電流提供導(dǎo)電 路徑，和(ii)多根信號線路，其分別聯(lián)接至至少(i)所述第一熱臂和所述 第二熱臂，和(ii)所述第一芯片上的所述第一線路和所述第二線路，其 中，所述多根信號線路中的所述各線路設(shè)置成以便為在所述第 一芯片 上由所述開關(guān)可控制地切換的信號提供導(dǎo)電路徑。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所限定的發(fā)明，其特征在于，所述信號線 路中的各線路聯(lián)接至所述第 一 芯片上的所述第 一金屬線路和所述第 二金屬線路中的相應(yīng)的一個線路。
12. —種用于在第一芯片上形成第一微機電致動器的方法，其包 括如下步驟由硅形成冷臂柔性部分；形成至少部分地由金屬制成的熱臂；且 將所述冷臂部分聯(lián)接至所述熱臂。
全文摘要
一種微機電致動器(100)采用金屬以用于熱臂(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)聯(lián)接至隨其移動且當至少兩個這樣的致動器形成開關(guān)時用于攜帶有待切換的信號的金屬線路(107)。第一芯片上的這種開關(guān)的陣列可以與以倒裝芯片的方式結(jié)合到該第一芯片上的第二芯片協(xié)調(diào)地設(shè)置，該第二芯片在其上具有將電氣控制流傳送到各熱臂上以便對其加熱且傳送有待由該各開關(guān)進行切換的信號的線路。
文檔編號B81B3/00GK101512702SQ200780033389
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月11日
發(fā)明者F·帕多 申請人:盧森特技術(shù)有限公司