具有芯片上传输机构的微机电子组件的制作方法

专利名称：具有芯片上传输机构的微机电子组件的制作方法
技术领域：
本发明总体而言涉及一种微机电系统(MEMS)装置，且更具体而言涉及自组装MEMS的制造以便使用现有技术水平的半导体制造工艺来制造。
背景技术：
使用MEMS技术的产品广泛用在生物医学、航天、汽车和通讯产业中。常规的MEMS即使制造最简单的机构也要求复杂的多级处理。对开发MEMS市场感兴趣的大多数企业对于原型装置具有有限的选择且没有或只有很少的专门技术。通常，需要的工艺和材料不能与他们当前的工艺流程相兼容。
常规MEMS通常使用悬臂开关、膜开关、和可调电容结构。MEMS装置使用微机电技术制造并用于控制电、机械或光信号流。然而，这样的装置存在许多问题，因为它们的结构和固有材料性质要求它们在与常规半导体加工不同的生产线上制造。这通常是由于不兼容的不同的材料和工艺引起的，且因此不能集成在标准的半导体制造工艺中。
Aksyuk等人的美国专利第5,994,159号描述了贴附到支撑的多个铰接板，其当致动时组装为最终的结构。这样的方法在建造复杂MEMS结构的能力方面是有限的，因为可动部件是铰接的且不能移动，自然要求组件的部件原位制造，即使处于不同方位。随着MEMS变得更复杂，具有更大的部件数量，这样的技术不再可行。
考虑到工业上目前遇到的上述缺点，需要这样的工艺，其能够使用结合到充分集成的工艺的熟知的BEOL(生产线的后端)材料来提供给MEMS装置，使得这些装置制造为与常规BEOL或互连多级(interconnect levels)结合，或者作为附加模块。

发明内容
因此，本发明的目的是从在单一衬底上制造和组装的较简单结构来构建MEMS装置，该装置要求部件和/或子组件的多层或叠层。
本发明的另一目的是在同样的衬底上提供驱动或组装机构，并将各个部件组装为一个或多个多级系统。
本发明的另一目的是在构建之后将这样的组件放置到另一组件中或上，以制造更复杂的系统。
本发明的再一目的是将组件或子组件从一个衬底传送到另一衬底，以构建其它方式不可能实现的更复杂的MEMS。
本发明的再一目的是使用改进的金属镶嵌(damascene)工艺制造MEMS结构。
提供一种在单层中构建多个部件然后组装它们以形成多层或叠层装置而制造多级MEMS装置的方法，从而本发明实现了这些及其它目的。
包含待组装为复杂MEMS装置的部件的载体被传送到共同组装位置。然后所述部件以预定顺序堆叠并随后从它们的载体释放。可选地，它们设置在适当位置并释放从而落入所需位置。
组装区包括在载体平面下面的腔，使得限定在载体中的零件落入该腔。加热元件集成到该腔中以辅助部件的释放。该腔由载体提供适当部件，该载体通过任何数量的MEMS装置系统设置。该腔和组装在其中的一些MEMS，例如在生物医学设备中，以所需的精确材料量派送，或者例如在芯片上实验室中，被原位处理。
载体夹持并移动待组装部件，每个载体包含一个或多个部件。该载体和它们相应的部件由取决于它们的最终应用的任何数量的材料制成。半导体制造生产线上常见的一些材料例如SiN、SiO2、Si、多晶硅、Al、Cu、SiGe、Ti、Ti-Ni、BPSG和例如聚酰亚胺的聚合物用于这些装置。
一旦一个或多个载体运送它们的部件用于组装，这些部件通过干法蚀刻释放，其通过离子铣削(ion milling)、通过加热、通过融化或气化其一些部分而切断最小的连接，或提供将电路引入载体和其部件，从而所述连结可以像熔丝一样被编程(即吹制)。因此通过定向激光来释放也是可能的。
然后组装的MEMS装置在原位使用，或传送到另一衬底作为独立装置，或作为增加到其它的相似类型装置的子组件以形成更复杂的系统。这样的装置的应用包括但不限于医药、生物技术、用于化学和生物制剂的探测系统、无线、汽车和航天。


结合进说明书并构成其一部分的附图示出了本发明的当前优选实施例，并与上面给出的概括描述以及下面给出的优选实施例的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1和2分别是根据本发明的组装区的平面图和剖面图。
图3和4分别是承载待组装部件的载体的平面图和剖面图。
图5示出包括定位在组装区附近的部件的载体的第一实施例。
图6A示出装载有部件的载体的设置，包括驱动系统和组装顺序。
图6B是图6A所示的设置的侧视图，描述具有侧翼的齿轮。
图7、7A和7B示出装载有部件的载体的设置的几个实施例，包括驱动系统和组装顺序。
图8示出具有齿轮和分隔体的载体的透视图。
图9示出在从载体释放之后图8所示的相同部件。
图10和11示出对于组件加入垂直对准、连接销和插座，和通过组装的部件垂直传输运动。
图12示出装载有部件的载体的第二实施例。
图13示出在从载体释放之后图12的部件。
图14示出装载有与组装区对准的部件的载体。
图15示出在组装阶段所出现的多个堆叠的载体。
图16和17分别示出首先释放然后组装的部件，其具有组装区和没有组装区。
具体实施例方式
图1示出了组装区的平面图，该组装区是具有在衬底5中充当轴或柱的结构110的腔100。这些柱可以采取贴附到腔的对准柱的形式。用于对准的其他装置可以通过腔的侧壁而提供，以取代支柱。在优选实施例中，腔100在这些柱上随后接收部件用于组装。这些部件设置有对应于柱的孔。由于部件被引入到腔中，与腔内的柱相匹配的部件中的孔允许部件落入或下降到腔中预定位置。腔的侧壁或柱的垂直面可以有斜度。使用标准蚀刻可以有利地实现这样的斜度。当腔被用在组件中时，开口的顶部大于底部。在使用柱的情形，柱的顶部小于底部。在两种情形中，倾斜表面提高在腔中对准部件的能力，且随着部件降低到腔中，倾斜的侧面引导部件到其适当位置。
图2是图1的剖面图，进一步示出了作为具有轴结构110的100的组装区。
图3示出了具有贴附的部件50的载体组件10的平面图。而且示出了用于通过牺牲短片70夹持部件50的框60。部件50可以包括待组装的任意数量的结构或装置，且必须通过载体传送到组装区。下面将详细描述传送和组装。
一旦载体位于用于组装的位置，使用下面描述的任何方法将短片70脱离，以释放部件50。在本示例中，它们被方便地允许在适当轴上旋转从而利于它们与构成整个组装装置的其他部件相互作用。
短片70可以用几种方法除去。一个选择是进行除去所有短片的各向同性蚀刻。适当设计的短片通常具有大的高宽比，允许进行这样的蚀刻而不会对剩余部件产生负面影响。另一可选方法是使用当通过电流时断开熔丝的材料来除去短片。虽然这要求使用导电材料，但可以使用探针等通过芯片上线路或通过接触芯片的芯片外(off-chip)源而提供电流。除去短片的第三选择是通过激光切除。
第四选择是完全废除使用短片。在除去牺牲层15之前，载体和部件之间的间隙填充有相对于载体和部件被选择蚀刻的材料。这材料提供了机械支撑以关于载体原位夹持部件，且一旦载体处于组装位置即可以容易地蚀刻。
图4示出了图3的剖面图。其中示出了牺牲层15，其上(或其中)形成有载体及其部件且随后该载体和部件被释放以传送和组装。牺牲层可以通过蚀刻除去。一旦牺牲层被除去，载体和部件就被释放以传送到不同位置，即组装区。
图5示出了具有围绕组装区的多个载体10、10A、10B和10C的组装区100。其只示出了准备用于组装的部件的许多可能构造中的一种。通过任意数量的当前公知MEMS技术驱动系统，每个载体轮流设置在组装区之上或之内。然后部件被释放以形成组装的装置。
图6A示出了图5的平面图，其中各种载体10、10A和10B围绕组装区100。其还示出一些可能的机构，载体通过这些机构移动到用于组装的位置。在本示例中，静电梳驱动器200用于转动与载体框上的匹配齿相啮合的齿轮250，因此移动它们到适当位置。这在后面的图中进一步示出。
驱动器可以使用芯片内固有的线路和逻辑致动，从而把部件和载体以预定方式(未示出)移动到适当位置。可选的是从外部源致动驱动器。
图6B是图6A的布置的侧视图，示出了具有侧翼的齿轮。
图7示出了在通过两个上部驱动器将载体10移动到组装区之后图6A中的布置。可以以各种方式在腔上移动载体。一个选择是具有设置有侧壁255的齿轮250，如图6B所示，当载体部分地设置在腔上时，侧翼255支撑悬臂式载体10，保持所述载体不意外落入腔中。一旦载体足够覆盖腔，其由柱支撑，直到这些柱与部件内的孔对准，此时载体将如愿落入腔中。
图7A示出了在载体10B通过下面的驱动系统置于组装区100中的载体10顶部上之后图7的布置。
图7B示出了在载体10A已经置于组装区中的其他载体顶部上之后图7A的布置。在此情形，梳状驱动器260迫使载体与两个右侧齿轮系统啮合，从而完成将载体移动到组装区。
图8示出了位于载体10D内并通过后述半导体工艺技术而构建的部件20D、21D、22D、23D和24D。所述部件有利地在围绕旋转的中心点设置有孔30D。示出的销40D也通过使用半导体工艺制造，虽然它们可以在它们自己的载体中制造。销40D用于许多目的，其中包括在垂直堆叠的部件(未示出)之间传送电能、稳定部件、和作为堆叠的载体(未示出)对准的辅助。
图9示出了在部件从载体释放之后图8中的部件。部件可以在组装之前或组装之后从载体释放，或根本不释放。
图10示出了位于载体10E内且通过后述半导体工艺技术制造的部件20E、21E、22E、23E和24E。部件可以在其一旦从载体释放即可以围绕旋转的中心点具有孔30E。针40E也使用半导体工艺定义，虽然它们可以在它们自己的载体中制造。针40E用于许多目的，其中包括在垂直堆叠的部件(未示出)之间传送电能、稳定部件、和作为堆叠的载体(未示出)对准的辅助。在部件50E上的示出的孔与限定在图8所示的载体10D中的部件的销40D紧密配合。
图11示出了从载体释放的图10的部件。部件可以在组装之前或组装之后从载体释放，或者根本不释放。
图12示出了在载体10F中并通过后述半导体工艺技术制造的部件20F、21F、22F、23F和24F。部件在其中心点具有孔30E，一旦所述部件从载体释放即可以围绕所述中心点旋转。在部件50F上的示出的孔与限定在图8所示的载体10D中的部件的销40D紧密配合。
图13示出了从载体释放的图12的部件。部件可以在组装之前或组装之后从载体释放，或者根本不释放。
图14示出了在腔100内对准的载体10D。对准可以通过内部装置而进行，例如通过腔内与部件本身的孔30D紧密配合的销100。虽然未示出，但销110也可以通过载体本身中的孔对准。对准可以通过外部装置进行，通过将载体10D与腔侧壁120对准。
图15示出堆叠之后的载体10D、10E和10F。载体10D、10E和10F可以被除去，使得图9、11和13所示的部件保留在适当位置。虽然未示出腔100，组件可以保留在腔100中或者可以从腔100除去，作为最终组件或子组件。
图16示出从保留在腔100中的从腔10D、10E、10F除去的组装的部件。可以使用利用限定在其他位置的部件的进一步处理，以连接MEMS组件到其他组件、驱动系统和MEMS。
图17示出腔100外的图16的组件。
由于本发明提供在同一衬底上的驱动器或组装机构，把各种部件组装为一级或多级系统，并把这些组件置于另一组件中(或上)，以优化此结构，因此需要使用标准CMOS制造设备的特征的制造工艺。因此，下面将描述使用现有的CMOS制造步骤的工艺流程概况。
1、构图并蚀刻腔及对准结构。
a.Si衬底b.以常规光刻技术构图c.以常规RIE(反应离子蚀刻)蚀刻d.对准结构和侧壁可以有斜度以辅助对准并避免粘滞2、在待处理的载体和部件上沉积牺牲层。
a.牺牲层可以是SiLK、DLC或传统氧化物或金属。(SiLK是由Dow化学公司制造的半导体介质)。该材料包括各种产品配方，也公知为多孔SiLK。它是由γ-丁内酯、专有的B段聚合物(proprietary B-stage polymer)和荚，1，3，5-三甲基苯(mesitylene)制成的聚合物树脂。优选使用的另一材料是类金刚石碳(DLC)，即包含涂层的非晶碳，其中一部分碳原子以类似于金刚石的方式键合且其在很多方面类似于金刚石。
b.厚度为1-10μm以允许后面部件的完全释放。
3、沉积包括载体、部件和部件上的销的层a.沉积SiN作为RIE停止并用于粘着特性(500-5000)b.沉积SiO2作为基底介质层c.沉积SiN层d.可选地沉积SiO2层用于部件上的针e.在SiO2和SiN层中使用常规光刻工艺构图并蚀刻销f.在基底介质层中使用常规光刻工艺构图并蚀刻载体和部件。
g.基底介质层可以被构图并蚀刻用于电学结构i.使用常规光刻构图ii.使用常规RIE蚀刻iii.使用常规PVD工艺沉积衬垫种子(liner-seed)iv.使用常规Cu电沉积填充v.使用常规工艺CMP(化学机械抛光)vi.沉积SiN封装4、释放牺牲层，该牺牲层释放载体，该载体具有仍贴附到其的部件。这些材料通过暴露于氧等离子体的方法除去，如果暴露的材料没有可氧化材料的话。如果在除去有机材料过程中，将被暴露的材料中有可氧化的材料，则可以通过H2/CO2/CO/N2型等离子体去除。在反应离子刻蚀时，本领域的技术人员将容易识别这样的气体混合物。
a.蚀刻SiN以从2a暴露初始释放层b.使用O2等离子体进行部件的最终释放5、激活用于组装的驱动机构a.使用常规传送机构将独立的载体移动到组装腔b.载体放置/落入载体(许多可能性)，即i.小齿轮可以具有在载体侧面上的齿条(rack)上的侧翼。
ii.由于载体通过齿条和小齿轮在腔上被驱动，夹持部件的载体被小齿轮的侧翼和小齿轮侧翼下面的衬底表面水平夹持。
iii.齿轮设置得使载体的齿条被驱动超过小齿轮，且载体的移动后缘将已落入腔的边界内。
iv.结果是通过腔蚀刻过程中限定的对准销，载体在腔底部的定位。
v.载体偏移到组装区从而至少一个侧面被衬底顶表面支撑直到位于适当位置。
6、从载体释放部件，在腔中留下组件a.安排干法蚀刻的时间使得足够移除将部件固定到载体的短片b.载体保留在腔中，而不阻碍最终组装。
工业实用性本发明在敏感部件的传送中有广泛应用，特别是MEMS装置中，在生物医学、航天、汽车和通讯产业中有广泛应用。
虽然在阅读上面说明书之后本发明的许多变更和改进对本领域的技术人员无疑是明显的，但是应该理解通过示例方法示出并描述的具体实施例绝非意欲为限制性的。因此，对于优选实施例的详细的参考不旨在限制本发明权利要求的范围，它们仅陈述被认为是本发明的本质的那些特征。
权利要求
1.一种芯片上系统，包括至少一个载体(10)，一体夹持多个部件(50)；组装区(100)，具有设置有对准装置的腔；和传送机构(200、250)，用于移动所述至少一个载体(10)到所述组装区(100)。
2.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中所述腔形成在衬底中，所述腔设置有多个柱以引导包含所述部件的载体到腔内位置。
3.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中所述腔设置有多个柱以引导所述部件到所述腔内的位置，所述部件按照预先指定的顺序堆叠。
4.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中所述对准装置是所述腔的侧壁。
5.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中所述部件在设置于所述腔中之后从所述载体脱离。
6.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中所述部件通过机械短片(70)贴附到所述载体。
7.根据权利要求6所述的芯片上系统，其中所述机械短片(70)通过各向同性蚀刻而移除。
8.根据权利要求6所述的芯片上系统，其中所述机械短片(70)通过引起所述短片机械破坏的电流而移除。
9.根据权利要求6所述的芯片上系统，其中所述机械短片(70)通过激光切除而移除。
10.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中通过用材料来填充载体与部件之间的间隙而将所述部件贴附到所述载体，所述材料相对于制成载体和部件的材料被选择蚀刻。
11.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中在所述部件已经脱离之后所述载体从所述组装区移除。
12.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中所述载体在所述部件脱离之后保持在原位。
13.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中所述部件和所述组装区同时制造并在组装区组装，该组装区不同于所述载体和部件初始制造的组装区。
14.根据权利要求1所述的芯片上系统，其中所述传送装置由驱动装置控制。
15.根据权利要求14所述的芯片上系统，其中所述驱动装置包括耦合到齿轮的梳状驱动器。
16.根据权利要求15所述的芯片上系统，其中所述齿轮与所述载体上的匹配齿相啮合。
17.根据权利要求16所述的芯片上系统，其中所述齿轮设置有侧翼以稳定所述载体。
18.根据权利要求17所述的芯片上系统，其中所述侧翼在设置于所述载体侧面上的匹配齿上。
19.一种芯片上系统，包括多个载体，分别夹持多个部件，所述部件集成到所述各个载体；组装区，具有设置有对准装置的腔，所述对准装置还包括用于堆叠所述载体的装置；和至少一个传送装置，用于移动所述多个载体到所述组装区。
20.根据权利要求19所述的芯片上系统，其中所述对准装置和所述腔的侧壁倾斜以帮助对准所述载体。
21.根据权利要求19所述的芯片上系统，其中所述组装的部件在原位使用。
22.根据权利要求19所述的芯片上系统，其中所述组装的部件作为独立装置被传送到衬底。
23.根据权利要求19所述的芯片上系统，其中所述组装的部件被传送，作为增加到相似类型的子组件的子组件。
全文摘要
夹持用于组装复杂的MEMS装置的部件(50)的载体(10)被传送到中心组装位置。部件以预定顺序堆叠并随后从它们的载体释放。或者，它们设置在适当位置并被释放以落入所需位置。组装区(100)包括载体平面下面的腔，使得夹持在载体内的部件落入该腔。加热元件集成在腔中以辅助部件的释放。该腔由一个或多个载体提供部件，该载体通过任何数目的MEMS驱动系统(200、250)移动。该腔和其中组装的一些MEMS，对于适合生物医学设备分配所需的精确材料量，或者如芯片上实验室中可以被原位处理。
文档编号H05K13/04GK1906983SQ200480040575
公开日2007年1月31日 申请日期2004年1月15日 优先权日2004年1月15日
发明者克里斯托弗·M·施纳贝尔, 彼得·A·史密斯, 约翰·E·弗洛尔基, 理查德·P·沃兰特 申请人:国际商业机器公司