CN1510742A - 负热膨胀系统器件及微电子封装中的导电弹性体互连 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于弹性体复合物热膨胀系数补偿的负热膨胀系统器件及微电子封装中的导电弹性体互连。本发明的一个方面提供一种制造具有负热膨胀系数的微机械器件的方法，该器件可做成复合物以控制材料的热膨胀系数。以此器件制成的器件和复合物属于称作“智能材料”或“响应性材料”的材料种类。本发明的另一方面提供由两个对立双重材料构成的微器件，其中两个双层仅在周边彼此连接，且双层自身在由双层形成时的温度定义的参考温度下处于最小应力条件。这些器件具有随着器件温度降到参考温度或加工温度之下而发生体积膨胀的技术上有用的性能。

Description

负热膨胀系统器件及微电子封装中的导电弹性体互连

技术领域

本发明总体上涉及半导体制造中常用的、但用于复合材料和“智能材料”或“响应性材料”的微电子机械系统(MEM)加工。更具体地，本发明涉及用于在弹性体或柔性复合材料中、以及在微电子封装中的导电弹性体互连(conductive elastomer interconnects)中结合入负热膨胀系统(negativethermal expansion system：NTEs)器件的方法。

背景技术

在众多技术领域中，粘接起来的多个部分或多个层之间的热膨胀系数(TCE)的差异导致了应力，该应力非常有问题。在诸多情形中，这样的应力成为限制因素，因为在温度偏移过程中，材料的强度或材料之间的界面不能抵御该应力。当受考察的材料具有高弹性模量时，TCE失配问题加剧。当它们较柔软时，该失配因弹性变形而部分缓解。但是，这并不完全与有关TCE失配的问题相反，实际上，在技术上有一类弹性体的应用，其所考虑的因素非常地不同。此即弹性体被用于在受压时提供恢复力的情形。在此情形下，随着绝对温度的降低，因TCE导致的收缩，该恢复力将降低。实际上，如果恢复力小，且温度下降大，则弹性体可由受压转变为受拉。这假设为粘接结合。如果不存在这样的粘接结合，或者如果在压缩/拉伸转变过程中粘接失效，则接触会在恢复力变为小于零时完全消失。如果弹性体的作用既是提供充足的恢复力，又是提供传导性(电的或热的)，则随着接触的丧失，该传导性将突然中断。

为了将此问题减至最小，通常以多种方式来设计材料，以使之具有低的TCE，同时具有其它必须的性能。一种这样的方法是形成在主聚合物基体(host polymer matrix)中具有低TCE材料的复合物。通常，石英(SiO₂)填充在热固性聚合物中，如环氧树脂。在另一例子中，有机纤维凯芙拉(Kevlar)被公认为(仅)在纤维方向上具有负的TCE，而且由定向凯芙拉束制成的复合物在该方向上具有减小的TCE。许多低或负TCE材料具有不足，这使得它们对于一些应用不具有吸引力，尤其是微电子技术。

另外，在弹性体(例如橡胶)中对热膨胀的控制尤其重要，该弹性体具有限制其在许多高技术应用中的使用的公知的高膨胀系数。尤其是，近来的兴趣是制造用于高端微电子封装的小型传导弹性体互连触点。在这种触点的传统例子中，诸如金属银颗粒的导电材料(electrically conductingmaterial)被混合在硅氧烷橡胶中，并被模塑成小型传导触点。这些触点被制成2维阵列，并用作芯片模块和印刷电路板之间的所谓的面栅阵列(LandGrid Array：LGA)连接。然而，因为这些触点具有高TCE，所以它们不可靠，并且不适于在高性能计算机中使用，在该高性能计算机中，单个触点基础上的可靠性在故障率上必须是以ppm至ppb级测量的。此高可靠性要求源自无冗余信号触点的总系统相关性-即使几千分之一出了故障，整个节点(node)或整台计算机会出故障。如果在保持诸如弹性和传导性的所需性能的同时可降低这种传统触点的TCE，则这将大为提高可靠性。利用LGA互连来使芯片模块的现场替换性(field replacibility)成为可能，籍此这又将降低现场替换芯片模块的成本。

此处，我们讨论一种新方法，该方法的基础是制造具有显著负热膨胀系数的大量负热膨胀系统装置(NTEs)，以及将这样的NTEs结合到弹性体中来形成净TCE小的、为零的或为负的复合物。此方法解决了大量传统工程技术关心的问题，例如将TCE导致的应力降低至允许制造先前不可能的结构的水平，以及例如扩展弹性体复合物能对对立表面保持正的恢复力的工作条件。尤其是，此处我们公开了使用例如导电弹性体的复合材料制造LGA互连器件的方法。

通过将NTEs熔合或粘接在一起而没有基质弹性体，这些NTEs器件也可以用于形成负热膨胀泡沫材料。

负TCE微机械(micro machines)的基本概念得以公开，以及加工技术和复合结构。还一般性公开了负TCE复合物的先前不存在的应用。

发明内容

本发明教导了该机械器件的制造方法，该器件具有负的热膨胀系数(TCE)，且可选地其作为填料包含在另一材料，诸如柔软的橡胶材料中。预计尺寸级别主要在微米范围内，虽然该尺寸也可大可小。还说明了如何能将这些NTEs作为粉末结合到主(host)弹性体材料内，以形成TCE小、为零或为负的复合物。还教导了如何能将NTEs颗粒的外层制成导电的，以使得弹性体复合物能在NTEs填料的数量超过渗透阈值(percolation threshold)时导电。还教导了如何能利用这种复合物来有利地制造面栅阵列(LGA)内插器(interposer)。还教导了如何由电绝缘层制造外层，以使得弹性体复合物绝缘。还教导了如何能通过将这些颗粒熔合或粘接在一起，来以纯的或接近纯的形式将这些NTE器件用作固体泡沫。

根据本发明的一个方面，提供一种微电子封装中用于弹性体复合物和导电弹性体互连的TCE补偿的负热膨胀系统(NTEs)器件。(NTEs)器件包括具有内层和外层的第一双层(bilayer)以及具有内层和外层的第二双层，在第一双层中，外层由具有比内层材料低的热膨胀系数的材料制成，在第二双层中，外层由具有比内层材料低的热膨胀系数的材料制成，其中，第一和第二双层沿具有更高热膨胀系数的内层材料的周边连接在一起。

此外，第一和第二双层可以沿内层材料的周边直接熔合在一起，从而形成连接部分，且内层的剩余的未连接部分能够隔并弯曲从而形成空腔。

该NTEs器件还可包括用于将第一和第二双层连接在一起的粘接层，其中，该粘接层是围绕该空腔的外壁。另外，该粘接层为细粘接剂线(fine lineof adhesive)或材料层。此外，该粘接层可以是铬、钛、或对所探讨的层有粘接性能且不对该结构有负面影响的任何材料。

以上器件的第一和第二双层也可以在预定的温度下形成和连接，使得该器件处于低应力和几何形状平坦的状态，且该器件在比预定温度低的温度下变成受力(becomes stressed)，导致第一和第二双层中在相反方向上的弯曲，这将增加第一和第二双层之间的空腔容积，并增加器件所占据的总体积。此外，该预定温度是最终工程应用(final engineering application)的工作温度，例如具有约100℃的预定温度的半导体芯片(chip)。

再者，第一和第二双层可以通过带直角突出物(right angle projection)的环形带在边缘处连接起来，以容纳这些双层，防止其彼此之间发生脱离相对的取向，从而提高负热膨胀行为的系数。

根据本发明的另一方面，提供一种制造负热膨胀系统(NTEs)的方法，包括：将衬底加热至所需的参考温度；在该衬底上沉积一层有机脱模层(release layer)；在有机脱模层上沉积第一层材料；沉积第二层材料，其具有比第一层材料大的TCE值；在第二层材料上沉积可分解的聚合物层；将可分解聚合物层构图成圆盘形状，其具有自圆盘辐射出的指状附属部分(fingerappendages)；在可分解聚合物层上沉积第三层材料，其具有与第二层材料相同的TCE值；在第三层材料上沉积第四层材料，其具有与第一层材料相同的TCE值；在第四层材料上沉积一层光致抗蚀剂；光刻构图(lithographically patterning)，使得留下圆盘形抗蚀剂，其覆盖掩埋于其下并与光致抗蚀剂层同心地取向的可分解聚合物圆盘；蚀刻通过所有材料层和有机脱模层的暴露区，直至在底部上遇到硅衬底；去除光致抗蚀剂层；将该结构从衬底上脱离(releasing)；以及热退火，以分解聚合物芯来形成负热膨胀系统器件。

根据本发明的另一方面，提供一种制造NTEs器件的方法，包括步骤：用热可分解聚合物来被覆晶片；将该可分解聚合物构图成重复的圆盘图形；将该可分解聚合物从晶片上脱下并形成重复的图案化圆盘的薄片；将脱下的图案化可分解聚合物薄片悬挂在第一溶液中，该第一溶液具有用于化学分解的籽化合物(seeding compound)；将该脱下的图案化可分解聚合物薄片从第一溶液中取出；将该脱下的图案化可分解聚合物薄片悬挂在第二溶液中，以在该薄片的两面上化学沉积第一层材料，其中该脱下的图案化可分解聚合物薄片保持在预定温度；将该脱下的图案化可分解聚合物薄片从第二溶液中取出；将该脱下的图案化可分解聚合物薄片悬挂在第三溶液中，以在该脱下的图案化可分解聚合物薄片两面上沉积第二层材料，该材料具有比第一层材料低的TCE值；将该图案化的圆盘彼此分开；以及热退火该图案化的圆盘，以分解该可分解聚合物，并形成空腔以取代可分解聚合物。

此外，图案化圆盘可通过超声振荡分开，其中，该圆盘在圆盘间的指状部分(finger)中的窄点处断开，露出可分解聚合物，且该聚合物在退火工序中分解，从而完成分离工序。图案化的圆盘还可以通过高的剪切混合来分离，其中，圆盘在圆盘间的指状部分中的窄点处断开，露出可分解聚合物，且该聚合物在退火工序中分解，从而完成分离工序。此外，可通过在x和y两个方向上拉伸图案化圆盘的薄片以使圆盘之间的细的指状部分断裂来分离图案化的圆盘，并在指状部分的窄点处露出可分解聚合物，且将图案化圆盘薄片浸入适当的溶剂来溶解可分解聚合物，这切断了圆盘间的连接。再者，可通过在与x方向成45度的方向上拉伸图案化圆盘的薄片以使圆盘之间的细的指状部分断裂来分离图案化的圆盘，并在指状部分的窄点处露出可分解聚合物，且将图案化圆盘薄片浸入适当的溶剂来溶解可分解聚合物，这切断了圆盘间的连接。

根据本发明的另一方面，提供一种面栅阵列内插器中的CTE补偿触点，包括：具有多个接触孔的内插器、以及在该多个接触孔中的多个触点，其中，触点通过将多个NTEs器件放置在母体弹性体中，并将具有该多个NTEs器件的母体弹性体形成所需形状来形成。

根据本发明的另一方面，提供一种(NTEs)器件，包括：第一层材料；第二层材料，其具有比第一层材料大的热膨胀系数(TCE)值；第三层材料，其具有与第二层材料相同的TCE值，其中第二和第三层沿材料的周边连接在一起；以及第四层材料，其具有与第一层材料相同的TCE值。

根据本发明的另一方面，提供多个NTEs器件，其可以以少量的弹性体粘接剂直接连接在一起，而不是结合在母体媒质(host medium)内。这将制成泡沫状固体，其具有负的热膨胀系数。

根据本发明的另一方面，NTEs器件响应温度的变化，其中，空腔容积随器件温度降低至预定温度之下而增大，且容积随器件温度提高至预定温度而减小。

本发明的这些和其它实施例、方面、目的、特征和优点将参照以下对优选实施例的详细描述来说明，或变得清晰，这将结合附图来说明。

附图说明

图1示出了传统简单金属双层的分解图；

图2a-2b示出了根据本发明一实施例的两个简单金属双层的侧部等大图，所述双层仅在层的边缘处背对背(彼此对称取向)地连接在一起形成NTEs器件；

图3a示出了根据本发明另一实施例的两个简单的熔合在一起的双层的分解图，所述双层仅在边缘处彼此连接以形成NTEs器件；

图3b和3c示出了根据本发明另一实施例的处于不同温度下的NTEs器件；

图4示出了根据本发明另一实施例的通过一种方法制造NTEs器件的一系列不同阶段的剖视图；

图5a-5f示出了说明根据本发明另一实施例的制造NTEs器件的方法的剖视图；

图6示出了根据本发明另一实施例的NTEs器件的剖视图；

图7a-7b示出了根据本发明另一实施例的多个NTEs器件的俯视图；

图7c示出了一组连续的俯视图，其说明了根据本发明另一实施例的NTEs器件的另一制造方法；

图7d示出了图7c-7d的制造方法的最后两个阶段的俯视图和剖面图；

图8a-8b示出了一组连续的俯视图，其说明了根据本发明另一实施例的NTEs器件的制造方法；

图9示出了根据本发明一实施例的分隔开的多个NTEs器件的俯视图；

图10-11示出了一种完成的NTEs器件的俯视图、剖视图和透视图；

图12a示出了通常LGA内插器的部分剖视图；

图12b为根据本发明另一实施例的复合材料的局部3D视图，该复合材料由包括作为填料而随机分散的多个NTEs的立方单元边界表示；

图13a示出了根据本发明另一实施例的具有无约束双层的高性能NTEs器件的剖视图；

图13b示出了根据本发明另一实施例的具有无约束双层的高性能NTEs器件的俯视图；

图14a示出了根据本发明另一实施例的独立NTEs器件的俯视图；

图14b示出了一组连续的俯视图，其说明了根据本发明另一实施例的用于制造NTEs器件的3D制造方法；以及

图15为根据本发明另一实施例的由多个NTEs器件制造的固体泡沫的剖视图。

具体实施方式

现在将参照附图更详细地说明本发明的优选实施例，在该附图中示出了本发明的优选实施例。但是，本发明可以以诸多不同的形式实施，且不应当被认为限于此处所提及的实施例；更恰当的是，提供这些实施例来使得本公开内容更透彻和全面，并向本领域技术人员传达本发明的构思。为了清晰起见，附图中层的厚度、区域和器件被放大了。

根据本发明的一优选实施例，微型器件由一对对置的双层材料构成，其中，两个双层仅在周围边缘彼此接合，且在由双层的形成温度定义的参考温度下，双层自身处于最小应力条件。这些器件具有与众不同且技术上有用的随温度降低体积膨胀的性能。根据可用的光刻(lithographic)和制造分辨率，这些器件可由大(例如25微米直径)变至非常小(几百纳米)。

图1示出根据本发明一实施例的简单金属双层的分解图。图1中，金属层10在预定温度下与TCE值比金属层10小的金属层11熔合。结果是该预定温度下的简单金属双层12和冷却时的弯曲双层13。

图2a-2b示出了根据本发明一实施例的两个简单双层的侧部等大图，所述双层仅在层的边缘处背对背(彼此对称取向)地连接在一起形成负热膨胀系统(NTEs)器件。图2a和2b所示的NTEs器件结构上相同，但显示的是不同温度下的其外观。图2a-2b说明了无应力形式(如图2a所示)和受应力形式(如图2b所示)下的NTEs器件。NTEs器件在例如100℃的预定温度下不受应力作用，且随着器件的温度降到低于该预定温度而开始受应力作用。参见图2a，所示的NTEs器件20具有与第二层材料22相连的第一层材料21，该第二层材料22具有比第一层材料21大的TCE值，粘接层23与第二层材料22的周边相连从而形成空腔26的侧壁，TCE值与第二层材料22相同的第三层材料24通过粘接层23与第二层材料22相连接，且TCE值与第一层材料21相同的第四层材料25与第三层材料24相连接。粘接层23可以是包括细线粘接剂(fine line adhesive)的各种材料，例如铬，或者其它材料，例如钛。另外，第二层材料22可以直接与第三层材料24的外周边熔合，两个层22和24具有相同的TCE值，从而形成连接部。由于层22和24仅在各层的外周边相连，所以层22和24的其余未连接部分能分开和弯曲从而形成空腔。

图3a-3c为根据本发明另一实施例的碟(saucer)型负热膨胀系统(NTEs)器件的透视图。图3a-3c示出了无应力形式(如图3a和3b所示)和受应力作用形式(如图3c所示)下的碟型NTEs器件。NTEs器件在预定温度例如100℃下无应力，而随着器件温度降至低于预定温度则开始受应力作用。参照图3a，所示的NTEs器件30具有与第二层材料32相连的第一层材料31，该第二层材料32具有比第一层31大的TCE值，粘接层33与第二层材料32的周边相连从而形成空腔36的侧壁，TCE值与第二层32相同的第三层材料34通过粘接层(adhesion layer)33与第二层材料32相连接，且TCE值与第一层31相同的第四层材料35与第三层材料34相连接。NTEs器件30的制造可以以图4所示的方式精确地进行，图4示出了连续的薄膜沉积和蚀刻步骤。

图4示出了根据本发明另一实施例通过一种制造方法制造NTEs器件的一组不同阶段的剖视图。图4中，硅晶片(未示出)或其它适当的临时衬底被加热到所需的预定温度，例如100℃。选择所需的预定温度为大致是最终工程应用的工作温度，例如芯片工作温度。一旦达到所需的温度，则通过蒸镀(或其它方法，例如CVD、溅镀(sputtering)等)全面沉积(blanketdeposited)例如约2μm的薄膜材料40。接着，在第一层材料40的顶部沉积第二层材料41，其具有比第一层材料40高的TCE值，第一层材料40具有比第二层41低的TCE值。然后，聚合物层41得以沉积并被构图成圆盘形，该聚合物层41由将在升高的退火温度下分解或解聚的聚合物种类构成。公知的在适宜的温度下有效热解聚的聚合物的一个例子是聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA。此外，聚合物种类可以是聚α-甲基苯乙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚氨酯、环氧树脂、各种光致抗蚀剂，但并不限于此。于是，将PMMA用作示例，将其全面被覆在第二层材料41上。利用电子束光刻对其直接构图、或者用光致抗蚀剂分步光刻、或者其它方式，将PMMA形成为圆盘形，其具有自圆盘辐射出的指状附属部分，如图4附图标记46所示，其为俯视图。接着，TCE值与第二层41相同的第三层材料43全面沉积在PMMA图案化圆盘42和第二层材料41的暴露部分上。然后，在第三层材料43上全面沉积具有TCE值与第一层40相同的第四层材料44。然后，在此结构的顶部上，在结构顶部上沉积厚光致抗蚀剂45，例如SU-8。光刻构图光致抗蚀剂45，使得留下圆盘形抗蚀剂而覆盖PMMA圆盘43，PMMA圆盘43埋在圆盘形抗蚀剂下方并与之同心取向。光致抗蚀剂45的直径应当略大于PMMA圆盘43的直径，但略小于辐射的指状部分，使得指状突出部分的一小部分留着未被覆盖。然后，利用反应离子蚀刻或离子磨(ion milling)，在受保护区域受到影响前，通过包括被包覆的PMMA的四层材料40、41、43和44的暴露区域来蚀刻该晶片结构，如图4附图标记47所示。然后从圆盘结构上去除光致抗蚀剂45。圆盘结构于是从晶片上脱离下来，并得以热退火以分解聚合物芯，从而形成负热膨胀系统(NTEs)器件48。

NTEs通过上述方法形成后，于是NTEs器件已准备好被使用。一种应用例子是形成一种复合物，该复合物包括与弹性体或橡胶材料(例如硅氧烷橡胶)的前体成分(或熔体)混合的大量这种NTEs器件。如果NTEs以适当大的体积分数来混合，则所得橡胶复合物的总体净TCE将小于其不含NTEs的值。实际上，如果混合入足够多的NTEs，可使得总体TCE接近零，或者甚至为净的负值。甚至于复合物TCE的下降会提供显著的技术优点。

图5a-5d示出了根据本发明另一实施例的另一种负热膨胀系统(NTEs)器件在制造过程中的各种剖视图，其中，薄膜得以顺序沉积和光刻定义。参见图5a，其示出了硅晶片50上的NTEs器件。该NTEs器件包括下部有机层51(其将因以后的退火而消失)，沉积在有机层51上的第一层材料52，沉积在第一层52上的TCE值比第一层52大的第二层材料53，沉积在第二层53上的例如DLC材料或PMMA等的第二有机层54，沉积在有机层54上的有机硬掩模层55，其中有机层54和硬掩模层55被构图成图4附图标记46所示的圆盘形，TCE值与第二层53相同的第三层材料56沉积在可选的有机硬掩模55和第一高TCE材料53的露出部分上，且第二层低TCE材料57沉积在第二层高TCE材料56上。

参照图5b和5c，其示出了根据本发明一个方面的制造器件的过程中的负热膨胀器件的剖视图。如图所示，具有衬底50，第一有机层51沉积在衬底上，第一层材料52沉积在第一有机层51上，TCE值比第一层52大的第二层材料53沉积在第一层材料52上，第二有机层54沉积在第二层材料53上，可选的有机硬掩模层55沉积在第二层有机层54上，抗蚀剂层59a沉积在有机硬掩模55上并被构图以定义空腔的x-y尺寸。接下来，将该结构放入诸如反应离子蚀刻(RIE)的蚀刻环境中，其蚀刻硬掩模和抗蚀剂(59a)直至将硬掩模的暴露部分蚀刻掉。然后，蚀刻连续进入暴露的有机层和抗蚀剂(59a)直至将有机层蚀刻掉。现在抗蚀剂层(59a)变薄了但依然存在。然后，通过不影响结构的任何其它部分的其它方法(例如通过溶剂或商业性抗蚀剂剥离剂)来将抗蚀剂层去除。图5c为结果，其现在已经准备好用于层56和之后的57的全面沉积(blanket deposition)。

在图5d-5e中，示出了部分工艺过程中的NTEs器件的剖视图。如图所示，在确定了空腔的x-y尺寸后，TCE值与第二层53相同的第三层材料56沉积在空腔形成材料(第二有机层54和有机硬掩模55)上，低TCE材料层57沉积在高TCE材料层56上。然后，第二层抗蚀剂59b沉积和构图在该低TCE材料57上。在图5e中，示出了根据本发明另一实施例的在包括有机层51的所有层已经被蚀刻掉且第二抗蚀剂层已经被去除后的NTEs器件的剖视图。图5f示出了完成的NTEs器件的剖视图。仍然得以暗示但未示出的是指状部分如图4附图标记46所示那样辐射状延伸出，其将提供用于释放后续有机分解步骤中形成的气体的管状结构。参见图5b-5f，制造负热膨胀器件的示例性方法如下：有机脱模层51全面沉积在硅晶片50或其它适当的临时衬底上，并被加热至所需参考温度，例如100℃。(此温度被选择为接近最终工程应用的工作温度，例如芯片工作温度。)有机层51可以是旋涂、或蒸镀、或喷射、或层压、或通过任何其它方式涂覆在衬底50上。有机脱模层可以是PMMA、α-甲基苯乙烯(alphamethyl styrene)、聚苯醚、类金刚石碳(DLC)、或任何其它类似材料。接着，第一层材料52(例如石英(SiO₂))全面沉积在有机脱模层51上。注意，对于特定的材料可能需要粘接层。该粘接层非常薄，以致于其不显著影响器件的机械操作，例如粘接层可以是200埃的铬或钛。粘接层可以通过真空蒸镀、真空溅镀、旋涂或喷射涂覆或其它适当的方法来镀覆。由于其如此薄，所以这将改善粘接性而不会对器件带来显著的机械影响。根据需要可在任何层间有类似情况。接着，TCE值比第一层材料52大的例如铝的第二层材料53沉积在第一层材料52上。然后，沉积例如DLC的有机层54并将其构图成圆盘形状，该有机层由将在升高的退火温度下分解或解聚的聚合物种类构成，该圆盘形状具有从圆盘辐射出的指状附属部分，如图4附图标记46所示。接着，在有机层54上可以沉积可选的有机硬掩模55并将其构图成圆盘形状。接着，TCE值与第二层材料53相同的第三层材料56全面沉积在DLC层54和有机掩模层55上(如果有该掩模层55的话)。然后，TCE值与第一层52相同的第四层材料57全面沉积在材料层57上。然后，在此结构的顶部沉积厚光致抗蚀剂59b，诸如SU-8。光刻构图该光致抗蚀剂，使得留下圆盘形抗蚀剂，覆盖该有机圆盘(DLC、PMMA、SiLK、聚α-甲基苯乙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、环氧树脂、各种光致抗蚀剂、或其它类似材料)，该有机圆盘掩埋在圆盘形抗蚀剂下方并与之同心取向。其直径应当略大于有机圆盘，但略小于突出的指状部分，使得留下指状突出部分的一小部分不被覆盖。然后，借助反应离子蚀刻或离子磨，在受保护区域受影响前，通过所有材料层51、52、54(仅指状部分)、55(仅指状部分)、56和57的暴露区域蚀刻该晶片结构。然后以不蚀刻或不损伤任何剩余部分或材料的方式去除SU-8抗蚀剂59b。然后，通过热退火以分解有机物(PMMA、DLC、SiLK、聚合物、聚α-甲基苯乙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、环氧树脂、各种光致抗蚀剂、或其它类似材料)芯部和有机底层51，来将圆盘结构从晶片上脱离下来，形成微型膨胀器件500。脱离下来的NTEs示于图5f，其位于但未粘附在硅衬底50上。其显示为受应力作用状态，该状态在冷却至比处理温度(例如100℃)低的温度(例如室温)时获得。

图6为根据本发明另一实施例的负膨胀器件的剖视图。参见图6，制造该NTEs器件的方法步骤基本上保持与上文参照图5a-5e所述的相同，附加特征在于在第二层高TCE材料56中形成有排气孔(或通孔(vias))。这需要额外的光刻和蚀刻步骤。更具体地，在沉积第三层材料56后，于是构图该层，并在第三层材料56中形成通孔。于是，在垂直于晶片表面上形成排气孔，并提供了一途径以通过恰好在沉积最终薄膜层(第四层材料57)之前的热分解来形成内部空洞(或空腔)。于是，第四层材料57将这些排气孔封闭以在最终的NTEs中提供中空的真空排空室。优选地，第二层高TCE材料56为约1至2微米厚，且牺牲的空腔材料可以是光敏聚酰亚胺(PSPI)、DLC、PMMA或任何其它合适的材料，且空腔中的间隙可以大于以上参照图5a-5f所述的实施例(例如1000nm与100nm相比)。另外，优选地，空腔中的压力应当为约3乇，但这不是必须的，或者不是所需的。这仅是以此方式制造时典型的预期压力。此外，有机层51必须由与形成空腔所用的材料不同的材料制造，使得在空腔排空的过程中器件不会从衬底上脱离。例如，有机物54应当在比有机层51更低的温度下解聚，因此可在不同时刻进行这两个步骤。例如，第二有机层54可以是PMMA，有机层51可以是DLC。

图7a-7c示出了晶片上呈重复的圆盘图案的多个负膨胀器件的俯视图，该重复的圆盘图案由指状部分分开，指状部分在圆盘间逐渐变细为窄点。参见图7a，示出了在晶片上具有多个NTEs器件图案的晶片的俯视图。参见图7b，示出了晶片上多个NTEs器件的部分俯视图。在形成这些图案时，晶片被覆以热可分解聚合物，例如PMMA、聚α-甲基苯乙烯(alphamethypolystyrene)、聚苯醚、或某些其它可光刻定义的热可分解聚合物。优选地，圆盘直径为约10微米，分隔圆盘的指状部分在指状部分的根部为约2微米宽，在指状部分的窄的部分处约为0.5微米。

图7c示出了说明用于形成NTEs器件的制造方法的一组连续平面图。晶片被覆以类似PMMA的热可分解聚合物，且通过电子束或光刻(或通过其它方法)构图成由指状部分分隔开的重复的圆盘图案，该指状部分在圆盘之间逐渐变细为窄点(步骤1)。一旦以此方式构图后，可分解的聚合物薄片从晶片上脱离，并悬挂在具有用于化学沉积(electroless deposition)的籽化合物的液体溶液中，例如具有Pd籽化合物的涂层或金属种子的溅射沉积单层(步骤2)。于是，将薄片移至另一液体(或溶液)中，该液体保持在预定温度，使得金属在该温度(例如100℃)下得以镀覆，以化学沉积TCE值比将要沉积的下一层金属更高的金属层(或任何其它高TCE材料)，步骤3。于是将该薄片移至另一液体(bath)中，以沉积另一层金属(或其它低TCE材料)，其具有比步骤3中通过化学或电沉积沉积的以上金属层低的TCE值(步骤4)。镀覆液体仍应当保持在预定温度。作为选择地，该图案薄片在其两面上可以溅射沉积以第一材料，接着在两面上溅射沉积以第二材料，第二材料具有比第一材料低的TCE值。两次沉积依然在同样的预定温度下进行。一旦移出，通过诸如超声振荡或高剪切搅拌器的机械方法将圆盘彼此分开(步骤5)。NTEs将在窄的薄弱点断开。由于在此窄点断开或撕开，内部的聚合物层在此小截面上露出，如图7d附图标记71和72所示，使得在退火工序中，聚合物分解从而使圆盘的内部空间变空。NTEs于是如图7d所示那样热退火，以分解内部的聚合物(步骤6)，且形成的NTEs在器件的中心具有空腔，如图7d附图标记71a和71b所示。自分解所得的气体将通过敞开的通气指状部分排出。通气对于防止NTEs器件因退火过程中产生的过大压力而破裂非常重要。即使破裂是可避免的，但是气体的截留(trapping)也会防止NTEs器件在需要时的有效收缩。

图8a和8b是说明一制造方法的连续平面图，该方法基本上与先前图7a至7d的情况相同，其不同点在于将金属化的薄片拆散成分立圆盘的方法。重复如上所述的步骤1-4。在此实施例中，在x和y方向上机械拉伸金属化薄片以将圆盘间的细指状部分拉长，如图8a所示，或者仅在与x(和y)方向成45度取向的方向上机械拉伸以拉长窄的通气管，且可分解的聚合物在指状部分的窄点处露出，如代表本发明另一实施例的图9所示。拉长和机械屈服主要或仅在薄弱的窄点处发生。指状部分的薄弱窄点断裂，并露出可分解的聚合物芯。这是因为金属层会断裂且不会像聚合物层那样塑性变形。一旦可分解的聚合物露出，则将薄片浸入适当的溶剂中以溶解可分解聚合物，并将圆盘间的连接切断。作为选择地，溶剂步骤可以略过，且将薄片移至退火工艺中，其将烧掉聚合物，同时将圆盘分开。如果使用溶剂步骤，则在后续步骤中，NTEs被热退火以使聚合物芯解聚。参见图8b，虽然聚合物芯的一部分被溶剂溶解掉，但是在所有可能性下，这仅进入通气管内一短的距离。图8b示出了分离步骤前后的多个NTEs器件。更具体地，图8b示出了热退火工序(步骤6)前(80、81、82)和后(83、81a、82a)将NTEs器件分开的指状部分窄部分处的断裂。图8b中，有两种方式来进行步骤6。一种是使用溶剂，如果采用溶剂步骤，则所示的步骤6实际上为两步，即溶剂步骤和热退火步骤。第二种方式是，如果不采用溶剂步骤，则仅采用热退火步骤以完成图8b所示的步骤6。此外，除了退火工序前空腔81内具有可分解聚合物的整个通气孔(vent utter)处和显示出可分解聚合物82的拉长的整个通气孔处外，NTEs器件的剖视图显示了各种情况。在退火工序(得到83的步骤6)完成后，剖视图81a示出了NTEs器件的中空空腔，除了通气孔外(如附图标记82a所示)，该器件在所有侧均被封闭。对于分解聚合物芯主体并如图8b所示地在其中形成空腔，热退火工序依然是必须的。

图9示出了根据本发明另一实施例的分离薄片上的NTEs器件的替代方法。参见图9，仅在与x方向(以及同时y方向)成45度的方向上机械拉伸NTEs器件的薄片，以(单一拉伸地)拉长窄的通气管，可分解的聚合物在指状部分的窄点处露出。一旦露出了可分解聚合物，则将薄片浸入适当溶剂中以溶解可分解聚合物并将圆盘间的连接切断。替代地，溶剂步骤可以略过，该薄片移至退火工序中，该工序将烧掉聚合物并将圆盘分散开。

图10示出了所有制造步骤完成后的NTEs器件的俯视图和剖视图。参见图10，示出了NTEs器件随温度变化的动作。如图10所示，NTEs空腔的体积随着温度降低至低于例如100℃的预定加工温度而增大，且NTEs的空腔体积随器件温度提高而减小。由于这与大多数纯材料行为相反，所以其有重要的技术应用。

图11是根据本发明一实施例的NTEs器件的透视图。如图11所示，NTEs空腔的体积随器件温度降低而增加，且NTEs空腔的体积随器件温度的升高而减小。

图12a是通常电内插器(interposer)的一部分的剖视图。内插器是一种器件，其例如将多芯片陶瓷模块与有机印刷线路板相连。图12a示出了一种具有承载薄片(carrier sheet)202和接触钮200的内插器，接触钮200由金属条201支持在适当位置。附图为根据本发明一实施例的内插器组装件的接触点或导电柱的分解局部剖视图。更具体地，图12b示出了NTEs器件在基质弹性体(例如硅氧烷橡胶)中的应用。更具体地，图12b示出了包含随机分散成填料的多个NTEs器件的由立方单元边界代表的复合材料。此外，图12示出了在冷却时复合材料中发生的变化。例如，以如图12b所示的内插器的大小来看，其中每个触点的大小为毫米数量级，NTEs器件小到肉眼不可见。大体积百分数NTEs器件或NTEs粉末与弹性体混合，形成接触点200。另外，当温度降低时，橡胶将根据其热膨胀系数而收缩，但NTEs粉末将膨胀。从而，整个所得的复合物的膨胀或收缩为弹性体和负膨胀器件两者的混合比和热膨胀系数值的函数。此外，某些混合将得到随温度变化的净零体积变化。一些混合将导致随冷却的净的体积膨胀(非常不同寻常的且有用的性能)，且一些混合将导致比缺少NTEs粉末时出现的降低程度小的净收缩。图13a是根据本发明另一实施例的NTEs器件的剖视图。图13b是根据本发明另一实施例的NTEs器件的俯视图。参见图13a，示出的NTEs具有未受约束(unconstrained)的双层。密封条(containment band)通过一系列光刻步骤形成。例如，首先形成条的底部，然后在另一步骤中形成条的剖面的高的部分，接着在另一步骤中形成条的顶部。图13a和13b中示出的独特设计通过消除其它设计中由两个双层的周边连接施加的弯曲应变提供了更大的负热膨胀值。此设计利用了外部限制条，该限制条用于保持两个自由浮动的双层正确地彼此取向。此设计可以用传统的MEMs 2-D光刻技术来制造，但是其需要更多的光刻步骤数。

在另一实施例中(附图中未示出)，其它类型的高性能NTE可通过将两个双层在边缘处用铰链型结构连接在一起来构建。这将允许两个双层之间角度的自由变化，而几乎没有应力，且仍保持其连接在一起。铰链结构已在MEMs装置中使用，如能翻转至合适位置的镜子那样。此处可采用类似的铰链方式来连接两个双层。

图14是根据本发明另一实施例的自由置放的NTEs器件的俯视图。图14b示出根据本发明另一实施例的3-D批量制造技术的一组连续平面图。图14b是连续平面图，其示出与图7a-7d的先前情形基本相同的制造方法，不同点在于构图圆盘的方法。如以上参照图7a-7d所述的步骤2-6是相同的。更具体地，图14b示出了利用金属镀覆(metal plating)的3-D批量制造技术方法，其能通过消除薄片结构来改变，该薄片结构因具有通过逐渐变细的指状部分来连接的圆盘所致。作为替代地，如图14a和14b所示，光刻图案定义了分立的圆盘，但包括每个通气指状部分的末端处的牺牲端盖(end-cap)结构(步骤1)。这便于通过所有金属化步骤之后的机械振动在薄弱的窄点处撕开。此撕开对将聚合物芯暴露至外界环境以形成无阻挡的气体选出通路是必须的，该气体将在聚合物分解退火步骤中放出。

这些指状部分的数目不必是4个。为了允许适当的气体排出，每个圆盘仅一个通气孔是必须的。成功发生撕开的概率成倍增加。但是，仅一个是严格必须的。此外，所示的指状结构的尺寸仅是说明性的。对于大多数目的，圆盘与窄点之间的结构的长度应当根据实际情况尽可能短，以在相对理想圆盘形状变形最小的情况下制造NTEs圆盘。自窄点指向指状部分的末端的端盖结构的长度和形状应当得以优化以在加工的适当步骤中撕开。它们必须确保化学或电镀步骤不受影响，但是之后随着在高剪切混合或通过超声振荡施加机械应力时撕开。钩状结构倾向于允许悬挂中的圆盘的缠结，使得被机械激发的通过钩子附着在第一圆盘上的第二圆盘的动量有助于撕开薄弱点。

在另一实施例中(未在附图中示出)，可设计出圆盘外边缘上的薄弱点，而不构建通气指状结构。在此方式中，当加热圆盘以分解有机芯时，形成的压力将优选地突破该薄弱点以提供气体逸出的机构。

在另一实施例中，可以将NTEs器件混合入粘接剂(paste)中，而不是混合入热固性橡胶化合物中。存在粘接剂的技术应用，例如计算机封装中的热管理，其中维持热源(例如半导体芯片)的两个对立表面和热沉(heat sink)之间的良好连接是关键的。减低、消除或颠倒粘接剂的热膨胀性能可减轻高端计算中的非常重大的技术难题。

图15是根据本发明另一实施例的形成固体泡沫结构的多个NTEs器件的剖视图。更具体地，图15示出了形成固体泡沫结构的多个NTEs器件，这些器件仅通过裸露的最少量弹性体彼此连接。此外，NTEs器件之间的最小接合连接允许膨胀移动的最大自由度。还可以构思将它们以其它方式接合，例如冶金焊合(metallurgical bonding)，使得其形成具有负膨胀性能的真正金属泡沫。

在另一实施例中，材料的任何结合都是可用的，只要内层的TCE高于外层。这可以包括例如金属、陶瓷、聚合物和玻璃。

在另一实施例中，可加入其它层以提高层间的粘接性，根据需要增加或降低应力，或改变颗粒的表面性能。

在另一实施例中，涂覆薄的金属外层，使得其能赋予表面电导性。薄的外层可以制得足够薄，使得其不对NTEs器件的膨胀性能产生副作用。例如，100至1000埃的金或银。

在另一实施例中，其中不需要电导性，可镀敷非金属薄涂层作为绝缘体。此涂层可以足够薄，使得其不对NTEs器件的膨胀性能造成负面影响。

前述实施例仅是示例性的，并不是对本发明的限制。本发明的技术可容易地用于其它类型的装置和其它大小尺寸。本发明的说明是说明性的，并不限制权利要求的范围。对本领域技术人员而言，各种替换、修改和改动均是显然的。

Claims (40)

1.一种负热膨胀系统(NTEs)器件，包括：

具有内层和外层的第一双层，其中，外层由具有比内层材料低的热膨胀系数的材料制成；以及

具有内层和外层的第二双层，其中，外层由具有比内层材料低的热膨胀系数的材料制成，其中，第一和第二双层沿具有更高热膨胀系数的内层材料的周边连接在一起。

2.如权利要求1所述的器件，其中，第一和第二双层沿内层高热膨胀系数(TCE)材料的周边直接熔合在一起，形成连接部分，且内层的剩余的未连接部分能够分隔开并弯曲从而形成空腔。

3.如权利要求1所述的器件，还包括：

用于将第一和第二双层连接在一起的粘接层，其中，该粘接层是围绕该空腔的外壁。

4.如权利要求3的器件，其中，该粘接层为细粘接剂线或材料层。

5.如权利要求1的器件，其中，第一和第二双层在预定的温度下形成和连接，使得该器件处于低应力和几何形状平坦的状态，且该器件在比该预定温度低的温度下变成受力，导致第一和第二双层中在相反方向上的弯曲，此弯曲将增加第一和第二双层之间的空腔体积，并增加器件所占据的总体积。

6.如权利要求5所述的器件，其中，该预定温度是最终工程应用的工作温度。

7.如权利要求6所述的器件，其中，该应用为芯片，且该预定温度为约100℃。

8.如权利要求5所述的器件，其中，器件对温度变化作出反应，其中空腔体积随着器件温度降到该预定温度之下而增加，且该体积随着器件温度升高到预定温度而减小。

9.如权利要求3所述的器件，其中，空腔具有将外界环境与负热膨胀系统(NTEs)的空腔相连的小的开口或通孔。

10.如权利要求1所述的器件，其中，该器件可以与母体弹性体材料混合，其固化成复合物橡胶，该橡胶在具有减小的总热膨胀系数的同时保留了弹性体的性能。

11.如权利要求1所述的器件，其中，第一和第二双层通过带直角突出物的环形带在边缘处连接起来，以容纳这些双层，防止其彼此之间发生脱离相对的取向，从而提高负热膨胀行为的系数。

12.如权利要求1所述的器件，其中，负热膨胀系统器件与粘接剂混合，从而减小粘接剂的热膨胀系数。

13.如权利要求1所述的器件，其中，负热膨胀系统器件用少量的弹性体粘接剂直接连接在一起而不是被结合到母体媒质中，这将形成具有负热膨胀系数的泡沫状固体。

14.一种制造负热膨胀系统器件的方法，包括步骤：

将衬底加热至所需的参考温度；

在该衬底上沉积一层有机脱模层；

在有机脱模层上沉积第一层材料；

沉积第二层材料，其具有比第一层材料大的热膨胀系数值；

在第二层材料上沉积可分解聚合物层；

将可分解聚合物层构图成圆盘形状，其具有从圆盘辐射出的指状附属部分；

在可分解聚合物层上沉积第三层材料，其具有与第二层材料相同的热膨胀系数值；

在第三层材料上沉积第四层材料，其具有与第一层材料相同的热膨胀系数值；

在第四层材料上沉积一层光致抗蚀剂；

光刻构图，使得留下圆盘形抗蚀剂，其覆盖掩埋于其下并与光致抗蚀剂层同心地取向的可分解聚合物圆盘；

蚀刻通过所有材料层和有机脱模层的暴露区，直至在底部遇到硅衬底；

去除光致抗蚀剂层；

将结构从衬底上脱离；以及

热退火，以分解聚合物芯来形成负热膨胀系统器件。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所需参考温度由最终工程应用的工作温度确定。

16.如权利要求14所述的方法，其中，最终工程应用为芯片工作温度。

17.如权利要求16所述的方法，其中，芯片工作温度为约100℃。

18.如权利要求14所述的方法，其中，将衬底加热到所需参考温度的加热步骤在将该层有机脱模层沉积于衬底之上后进行。

19.如权利要求14所述的方法，还包括步骤：

在可分解的聚合物层上沉积有机硬掩模；以及

构图可分解的聚合物层和有机硬掩模成圆盘形状，其具有从圆盘辐射出的指状附属部分。

20.如权利要求14所述的方法，其中，沉积第三层材料的步骤还包括步骤：

构图第三层材料；

在第三层材料中形成通孔，其中，通孔形成并垂直于晶片表面；以及

在第三层材料上沉积第四层材料以封闭通孔。

21.一种制造多个负热膨胀系统器件的方法，包括步骤：

用热可分解聚合物来被覆晶片；

将该可分解聚合物构图成重复的圆盘图形；

将该可分解聚合物从晶片上脱下并形成重复的图案化圆盘的薄片；

将脱下的图案化可分解聚合物薄片悬挂在第一溶液中，该第一溶液具有用于化学分解的籽化合物；

将该脱下的图案化可分解聚合物薄片从第一溶液中取出；

将该脱下的图案化可分解聚合物薄片悬挂在第二溶液中，以在该薄片的两面上化学沉积第一层材料，其中该脱下的图案化可分解聚合物薄片保持在预定温度；

将该脱下的图案化可分解聚合物薄片从第二溶液中取出；

将该脱下的图案化可分解聚合物薄片悬挂在第三溶液中，以在该脱下的图案化可分解聚合物薄片两面上沉积第二层材料，该材料具有比第一层材料低的热膨胀系数值；

将该图案化的圆盘彼此分开；以及

热退火该图案化的圆盘，以分解该可分解聚合物，并形成空腔以取代可分解聚合物。

22.如权利要求21所述的方法，其中，对图案化圆盘的分离包括以下步骤：

通过超声振荡分离该图案化圆盘，其中，圆盘在圆盘之间的指状部分中的窄点处断开，露出可分解聚合物，该聚合物在退火工序中分解从而完成分离工序。

23.如权利要求21所述的方法，其中，对图案化圆盘的分离包括以下步骤：

通过高剪切混合分离该图案化圆盘，其中，圆盘在圆盘之间的指状部分中的窄点处断开，露出可分解聚合物，该聚合物在退火工序中分解从而完成分离工序。

24.如权利要求21所述的方法，其中，对图案化圆盘的分离包括以下步骤：

通过在x和y两个方向上拉伸图案化圆盘的薄片以使圆盘之间的细的指状部分断裂，并在指状部分的窄点处露出可分解聚合物；以及

将图案化圆盘薄片浸入适当的溶剂来溶解可分解聚合物，切断圆盘间的连接。

25.如权利要求21所述的方法，其中，对图案化圆盘的分离包括以下步骤：

通过在x方向上拉伸图案化圆盘的薄片(允许在单独的一个步骤中拉伸x指状部分和y指状部分两者)以使圆盘之间的细的指状部分断裂，并在指状部分的窄点处露出可分解聚合物；以及

将图案化圆盘薄片浸入适当的溶剂来溶解可分解聚合物，切断圆盘间的连接。

26.如权利要求21所述的方法，其中，将可分解聚合物构图成重复的圆盘图案还包括通过指状部分隔开的圆盘图案，该指状部分向圆盘之间的窄点逐渐变细。

27.一种面栅阵列内插器中的热膨胀系数(CTE)补偿触点，包括：

具有多个接触孔的内插器；以及

在该多个接触孔中的多个触点，其中，触点通过将多个负热膨胀系统(NTEs)器件放置在母体弹性体中，并将具有该多个负热膨胀系统器件的母体弹性体形成所需形状来形成。

28.一种负热膨胀系统(NTEs)器件，包括：

第一层材料；

第二层材料，其具有比第一层材料大的热膨胀系数(TCE)值；

第三层材料，其具有与第二层材料相同的热膨胀系数值，其中第二和第三层沿材料的周边连接在一起；以及

第四层材料，其具有与第一层材料相同的热膨胀系数值。

29.如权利要求28所述的器件，其中，第二层和第三层沿第二层和第三层材料的周边直接熔合在一起，从而形成连接部分，且内层的剩余的未连接部分能够分隔开并弯曲从而形成空腔。

30.如权利要求28所述的器件，还包括：

用于将第二和第三层连接在一起的粘接层，其中，该粘接层是围绕该空腔的外壁。

31.如权利要求30的器件，其中，该粘接层为细粘接剂线或材料层。

32.如权利要求28的器件，其中，第二和第三层在预定的温度下形成和连接，使得该器件处于低应力和几何形状平坦的状态，且该器件在比该预定温度低的温度下变成受力，导致第一和第二层的组合物以及第三和第四层的组合物在相反方向上的弯曲，此弯曲将增加第二和第三层之间的空腔体积，并增加器件所占据的总体积。

33.如权利要求32所述的器件，其中，该预定温度是最终工程应用的工作温度。

34.如权利要求33所述的器件，其中，该应用为芯片，且该预定温度为约100℃。

35.如权利要求32所述的器件，其中，器件对温度变化作出反应，其中空腔体积随着器件温度降到该预定温度之下而增加，且该体积随着器件温度升高到预定温度而减小。

36.如权利要求30所述的器件，其中，空腔具有将外界环境与负热膨胀系统(NTEs)的空腔相连的小的开口或通孔。

37.如权利要求28所述的器件，其中，该器件可以与母体弹性体材料混合，其固化成复合物橡胶，该橡胶在具有减小的总热膨胀系数的同时保留了弹性体的性能。

38.如权利要求28所述的器件，其中，第二和第三层通过带直角突出物的环形带在边缘处连接起来，以包含这些双层，防止其彼此之间发生脱离相对的取向，从而提高负热膨胀行为的系数。

39.如权利要求28所述的器件，其中，负热膨胀系统(NTEs)器件与粘接剂混合，从而减小粘接剂的热膨胀系数。

40.如权利要求28所述的器件，其中，负热膨胀系统器件用少量的弹性体粘接剂直接连接在一起而不是被结合到母体媒质中，这将形成具有负热膨胀系数的泡沫状固体。

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