CN100581985C - 用于提高微机电系统中部件的对准精度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于提高MEMS部件在制造期间的对准精度的方法和系统。根据本发明，MEMS部件中的至少一个部件包括空腔，在该空腔中借助温度耗散型材料使球体或者轴承居中以及优选地临时阻滞该球体或者轴承。当MEMS部件与球体或者轴承相接触时，温度耗散型材料蒸发，提供了与在不同方向上移动的两个相向MEMS部件之间的很低摩擦，从而实现很精确的定位。在第一实施例中，每个MEMS部件包括与焊接合金结合用于自对准部件的垫。在第二实施例中，每个部件包括至少一个空腔，上方空腔具有圆锥形状而下方空腔具有平坦基底，当达到稳定状态时，即当球体在上方空腔的圆锥形中央居中时获得对准。

Description

用于提高微机电系统中部件的对准精度的方法和系统

技术领域

本发明主要地涉及装配技术和微机电系统(MEMS)，而且更具体地涉及一种用于提高MEMS中的部件在制造期间的对准精度的方法和系统。

背景技术

使用常规集成电路(IC)方法的电器件或者电路一起装配的微米尺寸的机械结构被称为微机电系统或者MEMS。针对诸如投影器件、显示器、传感器和数据存储器件这样的应用来开发MEMS器件近来已经受到很大关注。例如，关于数据存储器件的IBM项目之一展现了每平方英寸万亿比特的数据密度，这20倍于当前可用的最密集磁性存储器。该器件使用数以千计的纳米尖末梢(tip)将代表各个比特的压痕(indentation)穿孔到薄塑料膜中。其结果就好像110多年以前开发的数据处理‘穿孔卡’的纳米技术版本，但是有两个关键区别：所用技术是可改写的(意味着它可以反复地使用)，而且能够在标准穿孔卡内的仅一个孔所占据的空间中存储多于30亿比特的数据。

该器件的核心是0.5微米厚且70微米长的v形硅悬臂的二维阵列。在每个悬臂的末端是不到2微米长的向下指向的末梢。当前的实验设置包含通过硅表面微加工来制作的1024(32×32)个悬臂的3mm×3mm阵列。精细的设计确保了末梢阵列相对于存储介质的准确调平并抑制了振动和外部冲击。与在DRAM芯片中使用的电子器件相似的时间复用电子器件针对并行操作单独地对每个末梢进行编址。电磁致动在x方向和y方向上在该阵列之下精确地移动存储介质，使得每个末梢在一侧上在它自己的100微米存储域之内读和写。所要覆盖的短距离有助于确保低功耗。

图1是这种器件(100)的局部横截面图。如图所示，每个悬臂115随控制结构120一起安装在其顶上有CMOS器件110的衬底105上，而且包括向下指向的末梢125，该末梢适于在存储扫描器台130的表面上读或者写(R/W)比特。由于电磁致动器135，存储扫描器台130就可以在如箭头所示的至少一个维度上移动。包括存储扫描器台130、致动器135和支撑结构140在内的部件必须以预定距离在CMOS器件110上精确地对准。CMOS器件110具有用以控制所需功能如R/W操作的所有必要电子器件。在这一实现示例中，X轴和Y轴上的对准功能目标在±10μm(微米)量级，而在存储扫描器台150与另外作为用于R/W悬臂的支撑板来工作的CMOS器件110之间的功能间隙具有含亚微米容限的最大6μm距离。

与所需的部件对准准确度相关联的电特征和机械特征的组合造成了直接影响器件成本的对专用制造工具的使用。在为消费者市场大量生产这种产品时，这样的投资会由于在生产量(能力)与精度对准要求之间的固有冲突而变得非常高。因此需要有一种用于在制造期间高效地对准MEMS的部件而无需专用和复杂制造工具的方法和系统。

发明内容

因此，本发明的广义目的在于弥补如上所述的现有技术的不足。

本发明的另一目的在于提供一种用于减少在对准MEMS部件时该MEMS部件之间的摩擦。

本发明的又一目的在于提供一种用于提高MEMS部件在制造期间的自对准精度、同时控制这些部件之间距离的方法和系统。

本发明的再一目的在于提供一种用于根据旋转未对准来提高MEMS部件在制造期间的自对准精度、同时控制这些部件之间距离的方法和系统。

这些和其它有关目的的实现是通过一种用于提高电子器件的至少两个部件的对准精度的方法来达到的，所述至少两个部件通过至少一个滚动元件来获得接触，所述方法包括以下步骤：

-使用热耗散型材料将所述至少一个滚动元件锁定在所述至少两个部件中的一个部件上；

-释放所述至少一个滚动元件；

-对准所述至少两个部件；以及

-将所述至少两个部件锁定在一起。

对于本领域技术人员而言，通过察阅附图和具体详细的说明，本发明的更多优点将变得清楚。本意在于将任何附加优点结合于此。

附图说明

图1是本发明可以高效地实施于其中的器件的局部横截面图。

图2包括图2a、2b和2c，图示了用于减少在将要对准的MEMS部件之间的摩擦以便提高对准精度的本发明的机制。

图3描绘了如何暂时地阻滞图2的球体或者轴承。

图4包括图4a和4b，图示了可以与图2的摩擦减少机制相结合使用的焊料回流对准工艺的概念。

图5是本发明实施于其中的图1器件的局部横截面图。

图6包括图6a、6b、6c和6d，图示了用于MEMS部件自对准的第一实施例的主要步骤。

图7图示了本发明实施于其中的器件的局部平面图，而且根据第一实施例示出了基于每个垫设计的支配力矢量。

图8和图9根据第一实施例示出了用于对准MEMS部件的垫的形状。

图10包括图10a、10b、10c和10d，示出了对垫尺寸和合金体积的控制的示例。

图11描绘了用于使用重力效应对MEMS部件进行自对准的第二实施例。

图12图示了用于施加Z力以增加重力效应的装置。

具体实施方式

根据本发明提供了一种设计策略，该设计策略通过焊料回流工艺、基于重力效应的工艺、或者二者的组合来允许以高度精确的位置叠置微机电系统(MEMS)的两个或多个部件，其中该焊料回流工艺也可以形成在MEMS的部件之间的最终电和/或机械连接。另外，本发明给予了一种旋转放置误差的自控校正和一种自施加Z力的受控高度或者功能平衡(standoff)。

为了说明的目的，对本发明的描述是基于通过参照关于数据存储器件的图1在上文给出的示例。这样的数据存储器件由MEMS制成，该MEMS具有也称为扫描器或者扫描器台的移动台和有关的电磁控制、CMO S器件，而且带有大量的单一结构即R/W末梢，其中该CMOS器件具有用以控制读和写(R/W)功能性能的所有必要电子器件。

如上所述，对于部件叠置有精确的功能要求。X轴和Y轴上的对准功能目标在±μm(微米)量级，而在扫描器台与另外作为用于R/W悬臂的支撑板来工作的CMOS器件之间的功能间隙具有含亚微米容限的最大6μm距离。

根据本发明，对准系统是基于使用滚动球体或者轴承来减少在MEMS的移动部件之间的摩擦。优选地，球体或者轴承被放置于叠置元件之一上存在的空腔或者凹龛中。例如可以在MEMS部件的表面上蚀刻这样的空腔。要注意到，沿着它们的主轴旋转的圆柱状轴承使得部件仅沿着正交方向移动，而绕着它们的中央旋转的球体使得部件沿着x方向和y方向移动。还要注意到，球体和轴承用作提供对MEMS部件之间距离的精确控制的间隔物(spacer)。

包括图2a、2b和2c的图2图示了上述球体和轴承。图2a是与图1中所示MEMS部件相似的例如CMOS器件110’和支撑存储扫描器台的结构140’这样的两个MEMS部件的局部横截面图。CMOS器件110’包括空腔200，其中球体205可以旋转，使得可以在低摩擦系数的情况下对准CMOS器件110’和支撑存储扫描器台的结构140’。优选地，该系统包括没有对准以便在待对准的MEMS部件之间产生三个界面点的三个球体(或者两个球体和一个轴承、一个球体和两个轴承、或者三个轴承)。图2b示出了由圆柱体构成的空腔200的优选形状，该圆柱体的轴垂直于由在待对准的MEMS部件之间的界面点所形成的平面。图2c图示了轴承210的使用和对应空腔215的优选形状。如图所示，对应空腔215的优选形状是长方体。

可以由碳化钨制成的滚动球体或者轴承为相对于彼此具有相对移动的移动部件提供了低摩擦系数。容置球体或者轴承的空腔被制成如下尺寸，该尺寸主要包含了MEMS的叠置部件的定位容限加上所有的必要制造容限。例如，球体可以具有7μm的直径，而空腔具有1μm的深度。

更优选地，在对MEMS部件进行定位之前将球体或者轴承保持和居中于空腔中。如图3中所示，通过温度耗散型材料300将旋转元件保持于它们的位置中，其中该材料在假设其它机制接替MEMS部件的相对定位时就释放该旋转元件。优选地，该温度耗散型材料由包括水和甘油的凝胶体(gel)构成。此凝胶体在焊接回流外形(profile)的前端部分中的温度漂移期间完全地耗散，该温度漂移在约80℃与130℃之间并且通常需要持续至少140秒。此凝胶体蒸发而且不留下在叠置式MEMS的两个部件开始移动时阻滞球体滚动的残余物。可以通过混合10g的甘油和6g的水，在真空室中大于45℃的温度下进行搅拌，直至由于水的体积减少和消失而形成凝胶体为止来获得该凝胶体。真空混合增加了水在较低温度下的蒸发速率，而且在混合操作期间避免了在形成凝胶体时俘获空气泡。可以通过一种将凝胶体点入到空腔中的喷头(shower head)来分配凝胶体，此喷头可以例如通过针注入凝胶体来有效地分配凝胶体，或者以被动的方式传送凝胶体。另一解决方案包括在将球体或者轴承放入空腔中之前把它们浸入凝胶体中。

一旦实现对准，叠置式MEMS的锁定机制如焊接就通过摩擦力将球体或者轴承保持就位。

如上所述，使用低成本工业工艺对MEMS部件进行的自对准可以源于具体的焊接工艺、源于旋转元件空腔基底的特定形状、或者源于二者的组合。

对金属垫(pad)的具体设计的实施和对选定焊接合金(诸如标准的共晶锡/铅(63Sn/37Pb)，或者非共晶Sn/Pb二元合金如Sn60/40Pb或5Sn/95Pb、10Sn/90Pb、3Sn/97Pb，或者其它“无铅”合金如锡/银/铜三元合金或其它可以基于铟或银的合金，或者锡或其它金属合金)的利用允许了对熔融合金沉积物表面张力物理学的运用。可以基于在整个产品制造系统中需要的焊料分级和基于不同MEMS组件所能经受的最大容许温度漂移来选择焊料合金。在金属垫与液相的合金之间的润湿(wet)现象驱使了在MEMS的两个部件之间沿着X轴和Y轴的自居中操作，如图4中所示，该图示出了该回流工艺的开始(a)和结束(b)时MEMS的两个部件(400，405)，每个部件包括与合金(420)相接触的垫(410，415)。

当在同一设计中需要时，熔融焊料的这些张力效应也可以用来通过产生用以绕着各种特征枢转的力矩来产生用于旋转自对准(θ轴)的复杂施力系统。此外，通过调整相对的垫尺寸和合金量，可以控制施加在旋转元件上的压力。

图5图示了本发明的一个实施例实施于其中的器件500，该器件包括通过焊接合金515连接的两个金属垫505和510。如上所述，根据旋转元件520的直径和对应空腔525的深度来确定MEMS部件之间的距离，例如CMOS器件110’与包括存储扫描器台130’、电磁致动器135’和结构140’在内的该部件之间的距离。

根据图5中所示的器件，可以在单一的回流步骤中随着相对于旋转元件的Z挤压(collapse)一起执行X对准、Y对准和θ对准。

包括图6a、6b、6c和6d的图6图示了MEMS部件对准的主要步骤。如图6a中所示，支撑存储扫描器台的结构140’包括垫510，而CMOS器件110’包括垫505和空腔525，在该空腔525中通过诸如包括水和甘油的凝胶体之类的温度耗散型材料300来保持球体和使之居中。预定义量的焊接材料515沉积于垫505上。当CMOS器件110’和支撑存储扫描器台的结构140’对准时，垫505和510同样对准。

如上所述，温度耗散型材料300在焊接回流工艺的第一步骤期间开始耗散，而且在温度达到焊接材料515的熔点的同时继续耗散直至完成耗散。焊接材料如图6b所示那样改变状态并且开始使垫510润湿。MEMS部件中的一个部件在另一部件的顶部上挤压直至它们撞到球体520，如图6c中所示，该球体自由地适应如参照图4所述那样进行自对准的MEMS部件的移动。在自对准工艺结束时，垫505和510被对准而且温度降低，从而将MEMS部件锁定在一起，如图6d中所示。

每个垫设计取决于位置以及该位置对合力的合成作用，其中该合力将驱使叠置式MEMS部件的自对准。优选地，待对准的每个MEMS部件包括至少三个垫，当部件精确地对准时一个部件的每个垫的至少部分准确地对准到另一部件的一个垫。在优选实施例中，有形成三角形即限定一个平面的三个垫，其中两个垫是长的矩形垫，这些矩形垫已被证实沿着正交于长边的方向具有较强的拉力。按照约90°的角度来布置的这些矩形垫负责对X和Y宏对准(macro-alignment)赋予一致的作用，但是负责实现金属垫的以及然后是MEMS部件的微对准(亚微米级别)。将垫制成矩形并且在其两边之间具有高纵横比，这样还满足了对于Z控制工艺的挤压特征而言的要求之一。

第三个垫需要保持相同的X和Y恢复作用(力)，但是当它基本上居中时可以处于较低水平，但是当错位为宏观级别(数十微米)时它具有变成对自居中力有强的作用的选择权。后一垫设计的其它主要功能是充当枢轴点和允许与由其它两个矩形垫所驱使的作用力相关联的系统的轻微旋转。

对关于第三垫的设计特征的限定促成了具有类似于“圆环(Donut)”的外形的垫，其中合力沿着该垫进行作用，就好像该垫本身就是在两个不同边沿之间具有高纵横比的长矩形垫，这非常类似于其余两个垫。

熔融合金将使得相配的垫润湿，从而产生了促成完整且低表面能量的3D结构的对准力，其中只有当存在可湿表面(垫)的准确重叠时才可以达到该3D结构。

图7图示了本发明实施于其中的器件的局部图，而且示出了基于每个垫设计的支配力矢量(箭头)。如图所示，MEMS部件700包括与另一MEMS部件705的对应垫相对准的垫710、715和720，从而允许部件700和705在焊料回流工艺期间的对准。

图8描绘了两个MEMS部件的对应垫(即成对的垫)以及允许它们对准的支配力。正如从此图中可以理解到的，两个垫应当具有大致相同的宽度l和不同的长度以便确定主对准方向。所能校正的较大未对准距离等于垫宽度的约一半，即l/2。

包括图9a、9b、9c和9d的图9针对用作枢轴点的上述第三对垫图示了垫设计的示例。优选地，两个垫的环形环的内径R₁和R₂相等，R₁＝R₂，而一个垫的外径R₃大于第二个垫的外径，例如R₃＞R₄。所能校正的较大未对准距离等于两个垫的外径之差的约一半，即(R₃-R₄)/2。

因此，对如上所述两对相似矩形垫(一对垫相对于另一对垫旋转约等于90°的角度)和一对环形垫的使用允许了X和Y对准以及旋转调整。

必须精确地预先确定在用于自对准MEMS部件的对应垫之间使用的用于将它们焊接的焊接材料的数量。该数量必须大到足以确保垫之间的接触和用于对准MEMS部件的高效张力效应，但是它不必过大以便保证球体与两个MEMS部件都能相接触。

与可用的可湿表面相配合的焊接合金的可用体积的所得组合决定了焊料体积的分布，从而实现具有最小表面能量的3D结构。

通过针对具体的高度和垫表面对于在平衡下的所需体积进行低估来达到所需的焊接材料数量。这将造成合金的过度消耗，其中所得的挤压作用将趋于减少在由于球体的存在而施加的间隙以外的间隙。

图10和下表基于可能/可用的焊料合金体积示出了不同的垫尺度设置的示例。用以沉积如此少量焊接合金的工艺具有不同的成本和对目标体积的不同容限。这些表曾被用来基于固定焊料沉积的步骤对具有不同表面积的目标体积进行设计。

图10a图示了在焊料(1005)沉积之后的矩形垫(1000)构造，而图10b示出了在自对准操作和焊料(1005’)消耗之后的矩形垫(1000，1010)构造。然后利用对具有平行面的棱锥形平截体的良好近似来计算几何形状构造。

假设：

-b是其上沉积有合金的垫(1000)的面积，垫的宽度和长度都等于100μm，

-B是宽度等于100μm的接纳垫(1010)的面积，

-h是在接合之前合金沉积的高度，而它的值是针对很小体积的焊料沉积工艺能力的变量。h的值可以是决定垫几何形状总体尺寸设置的独立变量，

-H是在垫(1000，1010)之间合金的目标高度，以及

-V是合金体积，

则：

$V=H\·\frac{B+b+\sqrt{B+b}}{3}---\left(1\right)$

而接纳垫(1010)的长度是：

合金沉积的高度h(μm)	15	14	13	12	10
						接纳垫长度(μm)	560	510	460	410	320

类似地，图10c图示了在焊料(1020)沉积之后的环形垫(1015)构造，而图10d示出了在自对准操作和焊料(1020’)消耗之后的环形垫(1015，1025)构造。然后利用对具有平行面的圆锥形平截体和中央是体积为πR₁ ²H的圆柱空腔的良好近似来计算几何形状构造。

假设：

-R₁和R₂是在两个环形垫(1015，1025)中央的空圆形区域的半径，R₁和R₂都等于50μm，

-R₄是其上沉积有合金的垫(1015)的外径，它等于150μm，

-R₃是接纳垫(1025)的外径，

-h是在接合之前合金沉积的高度，而它的值是用于沉积很小体积的焊料沉积工艺能力的变量。h的值可以是决定垫几何形状总体尺寸设置的独立变量，

-H是在垫(1015，1025)之间合金的目标高度，以及

-V是合金体积，

则：

$V=\mathrm{H\π}\·(\frac{R_3^2+R_3{R}_4+R_4^2}{3}-R_1^2)---\left(2\right)$

而接纳垫(1025)的外径R₃是：

合金沉积的高度h(μm)	15	14	13	12	10
						接纳垫半径(μm)	340	325	310	290	260

在另一实施例中，自对准工艺使用了重力效应。根据这一实施例，在MEMS部件的两个相配表面上有两个互补的蚀刻空腔。如图11中所示，其中图11a描绘了MEMS部件110”和140”的局部横截面图，而图11b描绘了对应的局部透视图，形成于CMOS器件110”中的空腔1105看似展平的圆锥形，而形成于结构140”中的空腔1110是圆锥形。空腔1105包括平坦的基底，其中借助上述温度耗散型材料如凝胶体来使球体1100居中和保持，以及其中球体可以在温度耗散型材料蒸发时自由地滚动。空腔1110的圆锥形状允许球体由于重力效应而与圆锥形中央自对准从而达到稳定状态。形成空腔使得MEMS部件在球体与空腔1110的圆锥形中央相对准时得以对准。在空腔1105与1110的中央之间的距离A对应于顶部MEMS部件的错位，而与展平圆锥形的较小面的半径相等的距离B是根据自对准机制可以恢复的最大距离。

图12图示了用于施加Z力以增加重力效应的装置。小而轻的磁性“重物”1200以在焊料接合点或者焊料接合点的子集上方充分居中的方式放置于上方MEMS部件1205的顶部上。以在所接合的部件之下使得在每个磁性重物下方充分居中的方式来设置具有可切换电流(以及因此具有可切换磁场)的磁螺线管1210。如果这些螺线管和重物具有表现良好的磁场(而且不存在会使来自螺线管的磁场发生畸变的其它铁磁结构)，则在每个磁性重物上的力在给定容限之内完全地垂直(没有平面内分量)。

当螺线管中的磁场接通时，磁性重物在上方MEMS部件1205上产生垂直力，驱使该部件与球体1215相抵，从而允许MEMS部件根据空腔的形状进行对准。力的大小取决于磁性重物的尺寸和导磁性以及螺线管的设计和施加于螺线管的电流。

在开始回流工艺之前通过机器人技术或者其它手段来放置磁性重物。在恰当的位置具有磁性包含物的单一轻质结构可以简化磁性组件的放置。重力应当在多数情况下足以将磁性重物保持于恰当的位置中。在冷却之后，可以从粘结叠置物剥离该磁性重物。

还可以通过在上方MEMS部件的顶部中提供凹槽或者其它对准特征来帮助放置磁性块。如果在上方MEMS部件中提供圆锥形、圆柱形或者方形凹陷，则钢球(其以低成本且具有精确受控尺度而广泛可用)可以用作磁性重物。

在MEMS部件已经对准之后，可以应用焊接工艺以将部件锁定在一起。

即使所述示例是基于在对准MEMS部件之前将以甘油为基础的凝胶体用于保持滚动球体/轴承，但是必须理解到也可以使用其它材料。其它应用可以使用如下材料来保持滚动球体/轴承，该材料在热循环期间并不完全地耗散，而是在实现移动部件的接合的同时仅仅液化到对于球体的移动不构成阻滞的某点，并且然后在部件冷却时重新固化。这些材料包括自然的或者合成的蜡或者松香，如石蜡或者松脂(松树树脂)。类似地，热耗散型材料合成物可以包括使用水状胶体，如阿拉伯树胶、刺梧桐树胶、琼脂树胶(gum agar)、关岛树胶(guamgum)。

自然地，为了满足局部的和具体的要求，本领域技术人员可以将许多改型和更改应用于上述解决方案，然而所有这些改型和更改都被涵盖于如由所附权利要求书限定的本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于提高电子器件的至少两个部件(110’，140’)的对准精度的方法，所述至少两个部件通过至少一个滚动元件(205)相接触，所述方法包括以下步骤：

-使用热耗散型材料(300)将所述至少一个滚动元件(205)锁定在所述至少两个部件(110’，140’)中的一个部件上；

-释放所述至少一个滚动元件(205)；

-对准所述至少两个部件(110’，140’)；以及

-将所述至少两个部件锁定在一起。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述热耗散型材料包括甘油。

3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的方法，其中所述滚动元件(205)是球体或者轴承。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两个部件(110’，140’)中的至少一个部件包括空腔(200)，所述滚动元件在对准所述至少两个部件之前居中于所述空腔中。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两个部件中的上方部件包括适于与所述滚动元件相配合的圆锥形空腔(1110)。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两个部件中的每个部件包括至少一个垫(505，510)，在所述至少两个部件中的第一部件与第二部件相对准时，所述第一部件的所述至少一个垫与所述第二部件的所述至少一个垫相对准，形成至少一对垫，所述方法还包括以下步骤：

-在所述至少两个部件的第一部件的所述至少一个垫上沉积胶质物(515)，

-将所述第二部件与所述第一部件近似地对准，以及

-将所述第二部件置于所述第一部件上。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括使所述胶质物变为液态的步骤。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述胶质物由焊接合金制成。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一对垫的垫尺寸为不同尺寸。

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