專利名稱：具有芯片上傳輸機構(gòu)的微機電子組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體而言涉及一種微機電系統(tǒng)(MEMS)裝置，且更具體而言涉及自組裝MEMS的制造以便使用現(xiàn)有技術(shù)水平的半導(dǎo)體制造工藝來制造。
背景技術(shù)：
使用MEMS技術(shù)的產(chǎn)品廣泛用在生物醫(yī)學(xué)、航天、汽車和通訊產(chǎn)業(yè)中。常規(guī)的MEMS即使制造最簡單的機構(gòu)也要求復(fù)雜的多級處理。對開發(fā)MEMS市場感興趣的大多數(shù)企業(yè)對于原型裝置具有有限的選擇且沒有或只有很少的專門技術(shù)。通常，需要的工藝和材料不能與他們當前的工藝流程相兼容。
常規(guī)MEMS通常使用懸臂開關(guān)、膜開關(guān)、和可調(diào)電容結(jié)構(gòu)。MEMS裝置使用微機電技術(shù)制造并用于控制電、機械或光信號流。然而，這樣的裝置存在許多問題，因為它們的結(jié)構(gòu)和固有材料性質(zhì)要求它們在與常規(guī)半導(dǎo)體加工不同的生產(chǎn)線上制造。這通常是由于不兼容的不同的材料和工藝引起的，且因此不能集成在標準的半導(dǎo)體制造工藝中。
Aksyuk等人的美國專利第5,994,159號描述了貼附到支撐的多個鉸接板，其當致動時組裝為最終的結(jié)構(gòu)。這樣的方法在建造復(fù)雜MEMS結(jié)構(gòu)的能力方面是有限的，因為可動部件是鉸接的且不能移動，自然要求組件的部件原位制造，即使處于不同方位。隨著MEMS變得更復(fù)雜，具有更大的部件數(shù)量，這樣的技術(shù)不再可行。
考慮到工業(yè)上目前遇到的上述缺點，需要這樣的工藝，其能夠使用結(jié)合到充分集成的工藝的熟知的BEOL(生產(chǎn)線的后端)材料來提供給MEMS裝置，使得這些裝置制造為與常規(guī)BEOL或互連多級(interconnect levels)結(jié)合，或者作為附加模塊。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是從在單一襯底上制造和組裝的較簡單結(jié)構(gòu)來構(gòu)建MEMS裝置，該裝置要求部件和/或子組件的多層或疊層。
本發(fā)明的另一目的是在同樣的襯底上提供驅(qū)動或組裝機構(gòu)，并將各個部件組裝為一個或多個多級系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是在構(gòu)建之后將這樣的組件放置到另一組件中或上，以制造更復(fù)雜的系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一目的是將組件或子組件從一個襯底傳送到另一襯底，以構(gòu)建其它方式不可能實現(xiàn)的更復(fù)雜的MEMS。
本發(fā)明的再一目的是使用改進的金屬鑲嵌(damascene)工藝制造MEMS結(jié)構(gòu)。
提供一種在單層中構(gòu)建多個部件然后組裝它們以形成多層或疊層裝置而制造多級MEMS裝置的方法，從而本發(fā)明實現(xiàn)了這些及其它目的。
包含待組裝為復(fù)雜MEMS裝置的部件的載體被傳送到共同組裝位置。然后所述部件以預(yù)定順序堆疊并隨后從它們的載體釋放?？蛇x地，它們設(shè)置在適當位置并釋放從而落入所需位置。
組裝區(qū)包括在載體平面下面的腔，使得限定在載體中的零件落入該腔。加熱元件集成到該腔中以輔助部件的釋放。該腔由載體提供適當部件，該載體通過任何數(shù)量的MEMS裝置系統(tǒng)設(shè)置。該腔和組裝在其中的一些MEMS，例如在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中，以所需的精確材料量派送，或者例如在芯片上實驗室中，被原位處理。
載體夾持并移動待組裝部件，每個載體包含一個或多個部件。該載體和它們相應(yīng)的部件由取決于它們的最終應(yīng)用的任何數(shù)量的材料制成。半導(dǎo)體制造生產(chǎn)線上常見的一些材料例如SiN、SiO2、Si、多晶硅、Al、Cu、SiGe、Ti、Ti-Ni、BPSG和例如聚酰亞胺的聚合物用于這些裝置。
一旦一個或多個載體運送它們的部件用于組裝，這些部件通過干法蝕刻釋放，其通過離子銑削(ion milling)、通過加熱、通過融化或氣化其一些部分而切斷最小的連接，或提供將電路引入載體和其部件，從而所述連結(jié)可以像熔絲一樣被編程(即吹制)。因此通過定向激光來釋放也是可能的。
然后組裝的MEMS裝置在原位使用，或傳送到另一襯底作為獨立裝置，或作為增加到其它的相似類型裝置的子組件以形成更復(fù)雜的系統(tǒng)。這樣的裝置的應(yīng)用包括但不限于醫(yī)藥、生物技術(shù)、用于化學(xué)和生物制劑的探測系統(tǒng)、無線、汽車和航天。


結(jié)合進說明書并構(gòu)成其一部分的附圖示出了本發(fā)明的當前優(yōu)選實施例，并與上面給出的概括描述以及下面給出的優(yōu)選實施例的詳細描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1和2分別是根據(jù)本發(fā)明的組裝區(qū)的平面圖和剖面圖。
圖3和4分別是承載待組裝部件的載體的平面圖和剖面圖。
圖5示出包括定位在組裝區(qū)附近的部件的載體的第一實施例。
圖6A示出裝載有部件的載體的設(shè)置，包括驅(qū)動系統(tǒng)和組裝順序。
圖6B是圖6A所示的設(shè)置的側(cè)視圖，描述具有側(cè)翼的齒輪。
圖7、7A和7B示出裝載有部件的載體的設(shè)置的幾個實施例，包括驅(qū)動系統(tǒng)和組裝順序。
圖8示出具有齒輪和分隔體的載體的透視圖。
圖9示出在從載體釋放之后圖8所示的相同部件。
圖10和11示出對于組件加入垂直對準、連接銷和插座，和通過組裝的部件垂直傳輸運動。
圖12示出裝載有部件的載體的第二實施例。
圖13示出在從載體釋放之后圖12的部件。
圖14示出裝載有與組裝區(qū)對準的部件的載體。
圖15示出在組裝階段所出現(xiàn)的多個堆疊的載體。
圖16和17分別示出首先釋放然后組裝的部件，其具有組裝區(qū)和沒有組裝區(qū)。
具體實施例方式
圖1示出了組裝區(qū)的平面圖，該組裝區(qū)是具有在襯底5中充當軸或柱的結(jié)構(gòu)110的腔100。這些柱可以采取貼附到腔的對準柱的形式。用于對準的其他裝置可以通過腔的側(cè)壁而提供，以取代支柱。在優(yōu)選實施例中，腔100在這些柱上隨后接收部件用于組裝。這些部件設(shè)置有對應(yīng)于柱的孔。由于部件被引入到腔中，與腔內(nèi)的柱相匹配的部件中的孔允許部件落入或下降到腔中預(yù)定位置。腔的側(cè)壁或柱的垂直面可以有斜度。使用標準蝕刻可以有利地實現(xiàn)這樣的斜度。當腔被用在組件中時，開口的頂部大于底部。在使用柱的情形，柱的頂部小于底部。在兩種情形中，傾斜表面提高在腔中對準部件的能力，且隨著部件降低到腔中，傾斜的側(cè)面引導(dǎo)部件到其適當位置。
圖2是圖1的剖面圖，進一步示出了作為具有軸結(jié)構(gòu)110的100的組裝區(qū)。
圖3示出了具有貼附的部件50的載體組件10的平面圖。而且示出了用于通過犧牲短片70夾持部件50的框60。部件50可以包括待組裝的任意數(shù)量的結(jié)構(gòu)或裝置，且必須通過載體傳送到組裝區(qū)。下面將詳細描述傳送和組裝。
一旦載體位于用于組裝的位置，使用下面描述的任何方法將短片70脫離，以釋放部件50。在本示例中，它們被方便地允許在適當軸上旋轉(zhuǎn)從而利于它們與構(gòu)成整個組裝裝置的其他部件相互作用。
短片70可以用幾種方法除去。一個選擇是進行除去所有短片的各向同性蝕刻。適當設(shè)計的短片通常具有大的高寬比，允許進行這樣的蝕刻而不會對剩余部件產(chǎn)生負面影響。另一可選方法是使用當通過電流時斷開熔絲的材料來除去短片。雖然這要求使用導(dǎo)電材料，但可以使用探針等通過芯片上線路或通過接觸芯片的芯片外(off-chip)源而提供電流。除去短片的第三選擇是通過激光切除。
第四選擇是完全廢除使用短片。在除去犧牲層15之前，載體和部件之間的間隙填充有相對于載體和部件被選擇蝕刻的材料。這材料提供了機械支撐以關(guān)于載體原位夾持部件，且一旦載體處于組裝位置即可以容易地蝕刻。
圖4示出了圖3的剖面圖。其中示出了犧牲層15，其上(或其中)形成有載體及其部件且隨后該載體和部件被釋放以傳送和組裝。犧牲層可以通過蝕刻除去。一旦犧牲層被除去，載體和部件就被釋放以傳送到不同位置，即組裝區(qū)。
圖5示出了具有圍繞組裝區(qū)的多個載體10、10A、10B和10C的組裝區(qū)100。其只示出了準備用于組裝的部件的許多可能構(gòu)造中的一種。通過任意數(shù)量的當前公知MEMS技術(shù)驅(qū)動系統(tǒng)，每個載體輪流設(shè)置在組裝區(qū)之上或之內(nèi)。然后部件被釋放以形成組裝的裝置。
圖6A示出了圖5的平面圖，其中各種載體10、10A和10B圍繞組裝區(qū)100。其還示出一些可能的機構(gòu)，載體通過這些機構(gòu)移動到用于組裝的位置。在本示例中，靜電梳驅(qū)動器200用于轉(zhuǎn)動與載體框上的匹配齒相嚙合的齒輪250，因此移動它們到適當位置。這在后面的圖中進一步示出。
驅(qū)動器可以使用芯片內(nèi)固有的線路和邏輯致動，從而把部件和載體以預(yù)定方式(未示出)移動到適當位置?？蛇x的是從外部源致動驅(qū)動器。
圖6B是圖6A的布置的側(cè)視圖，示出了具有側(cè)翼的齒輪。
圖7示出了在通過兩個上部驅(qū)動器將載體10移動到組裝區(qū)之后圖6A中的布置?？梢砸愿鞣N方式在腔上移動載體。一個選擇是具有設(shè)置有側(cè)壁255的齒輪250，如圖6B所示，當載體部分地設(shè)置在腔上時，側(cè)翼255支撐懸臂式載體10，保持所述載體不意外落入腔中。一旦載體足夠覆蓋腔，其由柱支撐，直到這些柱與部件內(nèi)的孔對準，此時載體將如愿落入腔中。
圖7A示出了在載體10B通過下面的驅(qū)動系統(tǒng)置于組裝區(qū)100中的載體10頂部上之后圖7的布置。
圖7B示出了在載體10A已經(jīng)置于組裝區(qū)中的其他載體頂部上之后圖7A的布置。在此情形，梳狀驅(qū)動器260迫使載體與兩個右側(cè)齒輪系統(tǒng)嚙合，從而完成將載體移動到組裝區(qū)。
圖8示出了位于載體10D內(nèi)并通過后述半導(dǎo)體工藝技術(shù)而構(gòu)建的部件20D、21D、22D、23D和24D。所述部件有利地在圍繞旋轉(zhuǎn)的中心點設(shè)置有孔30D。示出的銷40D也通過使用半導(dǎo)體工藝制造，雖然它們可以在它們自己的載體中制造。銷40D用于許多目的，其中包括在垂直堆疊的部件(未示出)之間傳送電能、穩(wěn)定部件、和作為堆疊的載體(未示出)對準的輔助。
圖9示出了在部件從載體釋放之后圖8中的部件。部件可以在組裝之前或組裝之后從載體釋放，或根本不釋放。
圖10示出了位于載體10E內(nèi)且通過后述半導(dǎo)體工藝技術(shù)制造的部件20E、21E、22E、23E和24E。部件可以在其一旦從載體釋放即可以圍繞旋轉(zhuǎn)的中心點具有孔30E。針40E也使用半導(dǎo)體工藝定義，雖然它們可以在它們自己的載體中制造。針40E用于許多目的，其中包括在垂直堆疊的部件(未示出)之間傳送電能、穩(wěn)定部件、和作為堆疊的載體(未示出)對準的輔助。在部件50E上的示出的孔與限定在圖8所示的載體10D中的部件的銷40D緊密配合。
圖11示出了從載體釋放的圖10的部件。部件可以在組裝之前或組裝之后從載體釋放，或者根本不釋放。
圖12示出了在載體10F中并通過后述半導(dǎo)體工藝技術(shù)制造的部件20F、21F、22F、23F和24F。部件在其中心點具有孔30E，一旦所述部件從載體釋放即可以圍繞所述中心點旋轉(zhuǎn)。在部件50F上的示出的孔與限定在圖8所示的載體10D中的部件的銷40D緊密配合。
圖13示出了從載體釋放的圖12的部件。部件可以在組裝之前或組裝之后從載體釋放，或者根本不釋放。
圖14示出了在腔100內(nèi)對準的載體10D。對準可以通過內(nèi)部裝置而進行，例如通過腔內(nèi)與部件本身的孔30D緊密配合的銷100。雖然未示出，但銷110也可以通過載體本身中的孔對準。對準可以通過外部裝置進行，通過將載體10D與腔側(cè)壁120對準。
圖15示出堆疊之后的載體10D、10E和10F。載體10D、10E和10F可以被除去，使得圖9、11和13所示的部件保留在適當位置。雖然未示出腔100，組件可以保留在腔100中或者可以從腔100除去，作為最終組件或子組件。
圖16示出從保留在腔100中的從腔10D、10E、10F除去的組裝的部件?？梢允褂美孟薅ㄔ谄渌恢玫牟考倪M一步處理，以連接MEMS組件到其他組件、驅(qū)動系統(tǒng)和MEMS。
圖17示出腔100外的圖16的組件。
由于本發(fā)明提供在同一襯底上的驅(qū)動器或組裝機構(gòu)，把各種部件組裝為一級或多級系統(tǒng)，并把這些組件置于另一組件中(或上)，以優(yōu)化此結(jié)構(gòu)，因此需要使用標準CMOS制造設(shè)備的特征的制造工藝。因此，下面將描述使用現(xiàn)有的CMOS制造步驟的工藝流程概況。
1、構(gòu)圖并蝕刻腔及對準結(jié)構(gòu)。
a.Si襯底b.以常規(guī)光刻技術(shù)構(gòu)圖c.以常規(guī)RIE(反應(yīng)離子蝕刻)蝕刻d.對準結(jié)構(gòu)和側(cè)壁可以有斜度以輔助對準并避免粘滯2、在待處理的載體和部件上沉積犧牲層。
a.犧牲層可以是SiLK、DLC或傳統(tǒng)氧化物或金屬。(SiLK是由Dow化學(xué)公司制造的半導(dǎo)體介質(zhì))。該材料包括各種產(chǎn)品配方，也公知為多孔SiLK。它是由γ-丁內(nèi)酯、專有的B段聚合物(proprietary B-stage polymer)和莢，1，3，5-三甲基苯(mesitylene)制成的聚合物樹脂。優(yōu)選使用的另一材料是類金剛石碳(DLC)，即包含涂層的非晶碳，其中一部分碳原子以類似于金剛石的方式鍵合且其在很多方面類似于金剛石。
b.厚度為1-10μm以允許后面部件的完全釋放。
3、沉積包括載體、部件和部件上的銷的層a.沉積SiN作為RIE停止并用于粘著特性(500-5000)b.沉積SiO2作為基底介質(zhì)層c.沉積SiN層d.可選地沉積SiO2層用于部件上的針e.在SiO2和SiN層中使用常規(guī)光刻工藝構(gòu)圖并蝕刻銷f.在基底介質(zhì)層中使用常規(guī)光刻工藝構(gòu)圖并蝕刻載體和部件。
g.基底介質(zhì)層可以被構(gòu)圖并蝕刻用于電學(xué)結(jié)構(gòu)i.使用常規(guī)光刻構(gòu)圖ii.使用常規(guī)RIE蝕刻iii.使用常規(guī)PVD工藝沉積襯墊種子(liner-seed)iv.使用常規(guī)Cu電沉積填充v.使用常規(guī)工藝CMP(化學(xué)機械拋光)vi.沉積SiN封裝4、釋放犧牲層，該犧牲層釋放載體，該載體具有仍貼附到其的部件。這些材料通過暴露于氧等離子體的方法除去，如果暴露的材料沒有可氧化材料的話。如果在除去有機材料過程中，將被暴露的材料中有可氧化的材料，則可以通過H2/CO2/CO/N2型等離子體去除。在反應(yīng)離子刻蝕時，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易識別這樣的氣體混合物。
a.蝕刻SiN以從2a暴露初始釋放層b.使用O2等離子體進行部件的最終釋放5、激活用于組裝的驅(qū)動機構(gòu)a.使用常規(guī)傳送機構(gòu)將獨立的載體移動到組裝腔b.載體放置/落入載體(許多可能性)，即i.小齒輪可以具有在載體側(cè)面上的齒條(rack)上的側(cè)翼。
ii.由于載體通過齒條和小齒輪在腔上被驅(qū)動，夾持部件的載體被小齒輪的側(cè)翼和小齒輪側(cè)翼下面的襯底表面水平夾持。
iii.齒輪設(shè)置得使載體的齒條被驅(qū)動超過小齒輪，且載體的移動后緣將已落入腔的邊界內(nèi)。
iv.結(jié)果是通過腔蝕刻過程中限定的對準銷，載體在腔底部的定位。
v.載體偏移到組裝區(qū)從而至少一個側(cè)面被襯底頂表面支撐直到位于適當位置。
6、從載體釋放部件，在腔中留下組件a.安排干法蝕刻的時間使得足夠移除將部件固定到載體的短片b.載體保留在腔中，而不阻礙最終組裝。
工業(yè)實用性本發(fā)明在敏感部件的傳送中有廣泛應(yīng)用，特別是MEMS裝置中，在生物醫(yī)學(xué)、航天、汽車和通訊產(chǎn)業(yè)中有廣泛應(yīng)用。
雖然在閱讀上面說明書之后本發(fā)明的許多變更和改進對本領(lǐng)域的技術(shù)人員無疑是明顯的，但是應(yīng)該理解通過示例方法示出并描述的具體實施例絕非意欲為限制性的。因此，對于優(yōu)選實施例的詳細的參考不旨在限制本發(fā)明權(quán)利要求的范圍，它們僅陳述被認為是本發(fā)明的本質(zhì)的那些特征。
權(quán)利要求
1.一種芯片上系統(tǒng)，包括至少一個載體(10)，一體夾持多個部件(50)；組裝區(qū)(100)，具有設(shè)置有對準裝置的腔；和傳送機構(gòu)(200、250)，用于移動所述至少一個載體(10)到所述組裝區(qū)(100)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述腔形成在襯底中，所述腔設(shè)置有多個柱以引導(dǎo)包含所述部件的載體到腔內(nèi)位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述腔設(shè)置有多個柱以引導(dǎo)所述部件到所述腔內(nèi)的位置，所述部件按照預(yù)先指定的順序堆疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述對準裝置是所述腔的側(cè)壁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述部件在設(shè)置于所述腔中之后從所述載體脫離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述部件通過機械短片(70)貼附到所述載體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述機械短片(70)通過各向同性蝕刻而移除。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述機械短片(70)通過引起所述短片機械破壞的電流而移除。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述機械短片(70)通過激光切除而移除。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中通過用材料來填充載體與部件之間的間隙而將所述部件貼附到所述載體，所述材料相對于制成載體和部件的材料被選擇蝕刻。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中在所述部件已經(jīng)脫離之后所述載體從所述組裝區(qū)移除。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述載體在所述部件脫離之后保持在原位。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述部件和所述組裝區(qū)同時制造并在組裝區(qū)組裝，該組裝區(qū)不同于所述載體和部件初始制造的組裝區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述傳送裝置由驅(qū)動裝置控制。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動裝置包括耦合到齒輪的梳狀驅(qū)動器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述齒輪與所述載體上的匹配齒相嚙合。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述齒輪設(shè)置有側(cè)翼以穩(wěn)定所述載體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述側(cè)翼在設(shè)置于所述載體側(cè)面上的匹配齒上。
19.一種芯片上系統(tǒng)，包括多個載體，分別夾持多個部件，所述部件集成到所述各個載體；組裝區(qū)，具有設(shè)置有對準裝置的腔，所述對準裝置還包括用于堆疊所述載體的裝置；和至少一個傳送裝置，用于移動所述多個載體到所述組裝區(qū)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述對準裝置和所述腔的側(cè)壁傾斜以幫助對準所述載體。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述組裝的部件在原位使用。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述組裝的部件作為獨立裝置被傳送到襯底。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的芯片上系統(tǒng)，其中所述組裝的部件被傳送，作為增加到相似類型的子組件的子組件。
全文摘要
夾持用于組裝復(fù)雜的MEMS裝置的部件(50)的載體(10)被傳送到中心組裝位置。部件以預(yù)定順序堆疊并隨后從它們的載體釋放?；蛘?，它們設(shè)置在適當位置并被釋放以落入所需位置。組裝區(qū)(100)包括載體平面下面的腔，使得夾持在載體內(nèi)的部件落入該腔。加熱元件集成在腔中以輔助部件的釋放。該腔由一個或多個載體提供部件，該載體通過任何數(shù)目的MEMS驅(qū)動系統(tǒng)(200、250)移動。該腔和其中組裝的一些MEMS，對于適合生物醫(yī)學(xué)設(shè)備分配所需的精確材料量，或者如芯片上實驗室中可以被原位處理。
文檔編號H05K13/04GK1906983SQ200480040575
公開日2007年1月31日 申請日期2004年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月15日
發(fā)明者克里斯托弗·M·施納貝爾, 彼得·A·史密斯, 約翰·E·弗洛爾基, 理查德·P·沃蘭特 申請人:國際商業(yè)機器公司