CN1894155A - 用于自对准微机电系统中的部件的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方法和系统，用于在制造期间有效地自动对准MEMS的部件，和控制这些部件之间的距离。根据本发明，每个MEMS部件包括至少一个衬垫，所述衬垫对准以形成衬垫对。在优选实施例中，每个部件包括三个衬垫。两对衬垫的衬垫形状是矩形，一对相对于另一对旋转约等于90°的角，并且第三对的衬垫形状是环形。因此，衬垫对的一个允许根据第一方向对准，第二衬垫对允许根据第二方向对准，并且第三衬垫对允许旋转对准。

Description

用于自对准微机电系统中的部件的方法和系统

技术领域

本发明一般涉及制造技术和微机电系统(MEMS)，更具体地说，涉及用于在制造期间自对准MEMS的部件的方法和系统。

背景技术

使用常规的集成电路(IC)方法与电子装置或电路一起制造的微米尺寸的机械结构称为微机电系统或MEMS。在MEMS装置的发展中对于应用已有大量新热点如：投影装置，显示器，传感器或数据存储装置。例如，IBM的一个关于数据存储装置的设计展示了万亿比特每平方英寸的数据密度，比现在可获得的最高密度的磁存储高出20倍。该装置使用数以千计的纳米尖端将代表单个比特的凹口打入薄塑胶膜中。结果类似于110多年前发展的数据处理‘打孔卡’的纳米形式，但是具有两个重要的不同点：所使用的技术是可擦写的(意思是它可以一遍一遍的使用)，以及可以在由标准打孔卡中的一个孔占据的空间中存储多于3十亿比特的数据。

装置的核心是0.5微米厚，70微米长的v形硅悬臂的两维阵列。在每个悬臂的末端是小于2微米长的向下指向尖端。当前实验的设置包括由硅表面微加工制造的1,024(32×32)悬臂的3mm乘以3mm的阵列。精确的设计确保与存储介质和阻尼振荡以及外部脉冲相关的尖端阵列的精确水平。类似于在DRAM芯片中使用的时分多路传输电子装置，单独记录每个尖端的地址用于平行操作。电磁致动在x-和y-两个方向上精确地移动在阵列下面的存储介质，使每个尖端可以在一侧上的100微米的它自己的存储区域内读取和写入。短距离的覆盖有助于确保低能耗。

图1是装置(100)的部分截面图。如所示，每个悬臂115安装在顶上有CMOS器件110的衬底105上，具有控制结构120，并包括适合在存储扫描平台130的表面上读取或写入(R/W)比特的向下指向尖端125。由于电磁致动器135，存储扫描平台130可以在如箭头所示的至少一维方向上移动。包括存储扫描平台130、致动器135以及支撑结构140的该部件必须以预定距离精确地在CMOS器件110上对准。CMOS器件110具有所有需要的电子器件以控制所要求的功能如R/W操作。在此实施例中，在x和y轴上对准功能目标在±10μm(微米)的数量级，而在存储扫描平台150和还用作R/W悬臂的支撑盘的CMOS器件110之间的功能间隙有具有亚微米公差的6μm的最大距离。

与要求的部件对准精度相关的电子和机械特征的结合导致使用直接影响装置成本的专用制造工具。在用于消费市场的此类产品的大量生产中，因为生产量(生产能力)和精确对准要求之间固有的矛盾这样的投资会很高。因此，需要一种不需要专用和复杂的制造工具的用于在制造期间有效对准MEMS的部件的方法和系统。

发明内容

因此，本发明的主要目的是修正上述现有技术的缺点。

本发明的另一目的是提供用于在制造期间根据x和y方向有效自对准MEMS的部件的方法和系统。

本发明的另一目的是提供用于在制造期间根据旋转未对准有效自对准MEMS的部件的方法和系统。

本发明的另一目的是提供用于在制造期间有效自对准MEMS的部件同时控制这些部件之间的距离的方法和系统。

通过用于精确对准电子装置的至少两个部件的方法获得这些和其它相关目的的实现，所述电子装置的每个部件包括至少一个衬垫，所述至少两个部件的第一部件的所述至少一个衬垫与所述至少两个部件的第二部件的所述至少一个衬垫在所述第一和第二部件对准时对准，形成至少一对衬垫，所述方法包括以下步骤：

在所述至少两个部件的第一部件的所述至少一个衬垫上沉积粘合剂；

将所述第二部件与所述第一部件基本对准；以及

在所述第一部件上放置所述第二部件。

参考附图和细节描述，本发明的其它优点对本领域的技术人员将变得显而易见。这里旨在结合任意其它优点。

附图说明

图1是可以有效地执行本发明的装置的部分截面图。

图2包括图2a和2b，示出了根据本发明的焊料回流对准工艺的方案。

图3包括图3a和3b，示出了与机械隔离物结合的焊料回流对准工艺的方案。

图4是执行本发明的图1的装置的部分截面图。

图5包括图5a、5b和5c，示出了用于对准MEMS的部件并建立最终的z间隔的两步法。

图6示出了执行本发明的装置的部分平面图，并示出了基于每个衬垫设计的主要力矢量。

图7和8示出了根据本发明用于对准MEMS部件的衬垫的形状。

图9包括图9a、9b、9c和9d，示出了控制衬垫尺寸和合金体积的实例。

图10和11示出了当以不影响先前建立的平面内对准的方式施加z力时用于执行本发明的设备。

图12示出了可以与本发明结合使用以确定何时达到MEMS部件的要求z位置的布置的两个实例。

具体实施方式

根据本发明，提供了一种设计方法，该方法允许以非常高精确的位置通过焊料回流工艺堆叠微机电系统(MEMS)的两个或多个部件，该方法还可以形成MEMS部件之间的最终电子和/或机械连接。另外，本发明提供自控制修正旋转布置错误和自施力z控制高度或功能平衡。

用于说明目的，本发明的描述基于上面给出的参考与数据存储装置有关的图1的实例。这样的数据存储装置由MEMS构成，具有可移动平台，还称为扫描器或扫描平台，以及相关的电磁控制，具有所有需要的电子器件的CMOS器件，以控制读取和写入(R/W)功能并且带有大量R/W尖端的单结构。

如上所述，对堆叠的部件有精确的功能要求。在x和y轴上对准功能目标在±10μm(微米)的量级，而在扫描平台和还用作R/W悬臂的支撑盘的CMOS器件之间的功能间隙有具有亚微米公差的6μm的最大距离。

致力于解决机械和功能要求的解决方法，将应用使用低成本工业工艺的自定中心特征。

执行金属衬垫的具体设计，和利用所选的焊料合金如标准共晶锡/铅(63Sn/37Pb)或非共晶Sn/Pb二元合金如Sn60/40Pb或5Sn/95Pb，10Sn/90Pb，3Sn/97Pb或其它无铅合金如锡/银/铜三元合金或基于铟或银的其它合金，或锡或其它金属合金，允许利用熔融合金沉积的物理表面张力。可以基于整个生产制造系统中要求的焊料体系并基于不同的MEMS组件能经受的最高可接受温度漂移，来选择焊料合金。在金属衬垫和液相合金之间的浸润现象驱使MEMS的两个部件之间沿x和y轴进行自定中心操作，如图2所示，图2示出了MEMS的两个部件(200，205)在回流工艺的开始(a)和结束(b)状态，每一个部件都包括与合金(220)接触的衬垫(210，215)。

当在相同的设计中需要时，在熔融焊料中的这些张力效应还可以用来形成复杂的力学系统，用于通过形成力矩以围绕不同特征枢转，进行旋转自对准(θ轴)。另外，通过调整衬垫的相对尺寸，完成对z中塌陷的控制，使结构支靠固定停止以在MEMS装置的部件之间建立精确z间隔。在图3中示出了此工艺，具有在回流工艺的开始(a)和结束(b)的系统状态。

没有隔离物存在时，塌陷将在主要由衬垫形状、焊料的量和冷却工艺决定的高度自动停止。对亚微米z高度控制，在一个或两个芯片的表面上具有精确已知高度的机械停止或隔离物是有利的。

可以利用各种技术以形成这些机械停止，例如，在将杆与CMOS芯片的接合中使用的相同工艺可以用于形成用作精确隔离物的柱结构。在这样的情况下，隔离物由光刻限定并在它们的处理期间在MEMS部件的至少一个上制造。基于综合技术可以设想不同的方法，沉积并构图适当的隔离物厚度的层(例如金属，聚合物，氧化物等)，或通过减去工艺，用于例如通过湿蚀刻，等离子体蚀刻或溅射蚀刻在体材料中除了隔离物的整个装置区域凹进适当的厚度。隔离物还可以是在连接前沉积在装置表面上的独立元件。

图4示出了装置400，其中执行了本发明的一个实施例，包括由焊料合金415连接的两个金属衬垫405和410。在此实施例中，CMOS器件110和包括存储平台130、电磁致动器135以及结构140的部件之间的距离由隔离物或机械停止420决定。

根据图4中示出的装置，可以在单个回流步骤中沿塌陷支靠隔离物的z，执行x、y和θ对准。可选的方法是以两个分离的步骤执行平面内对准(x、y和θ)和z塌陷。此可选方法允许在两个表面上使用相同的衬垫(潜在地节省在部件表面上的面积)并且还可以消除在特定应用中可能影响最终位置公差的两表面之间的相互作用。

如在单步工艺中，还可以使用钝化隔离物以在两步工艺中最终设置最后的隔离。在这样的两步工艺中，在由焊料回流工艺引发的平面内对准之后，可转换的z力驱动两个MEMS部件到一起。以不扰乱先前建立的平面内对准的方式施加z力。用于说明目的，示出了两类装置，活塞装置和磁性装置，用于和焊料回流加热装置一起完成此两步工艺，分别参考图10和11。

在通过参考图5示出的两步法中，提供普通类型的衬垫形状以完成平面内对准。分配的焊料的量决定由回流平面内对准后图5b的状态，其中部件之间的z间隔大于钝化隔离物的高度。结果，因为在部件之间没有平面内摩擦作用，所以该隔离物不妨碍平面内对准工艺。在完成平面内对准工艺后，并在焊料冷却和固化前，施加垂直力将推动部件向由钝化隔离物决定的最终位置，图5c。

由位置及其对驱动堆叠的MEMS部件自对准的最终力的最终贡献，产生每个衬垫的设计。根据本发明，每个将要对准的MEMS部件包括至少三个衬垫，当部件被精确对准时，部件的每个衬垫的至少一部分与其它部件的一个衬垫精确对准。

在优选实施例中，具有三个衬垫，形成三角形，即限定一平面，它们中的两个是长方形衬垫，这表明沿垂直于长边的方向有较强的拉力。这些以约90°的角布置的矩形衬垫，负责给x和y的宏观对准一致的贡献，而且负责获得金属衬垫和随后的MEMS部件的精确的微对准(亚微米级)。使衬垫为矩形并在两边之间具有高的纵横比还满足了用于塌陷特征z控制工艺的一个要求。

第三衬垫必须保持与x和y相同的再生作用(力)，但当它基本居中时可以处在一个较低的水平，但是当错位处在宏观水平(十几微米)时，它可以选择成为对自定中心力的有力贡献者。后一衬垫设计的另一主要功能是作为枢转(pivotal)点并允许与由另外的两个矩形衬垫驱动的作用力有关的系统的轻微旋转。

用于第三衬垫的设计特征的限定导致衬垫具有类似于“环形”的轮廓，其中所得力沿衬垫作用，好像衬垫本身是长方形衬垫一样，长方形衬垫具有在两不同边之间高的比率，有些地方与剩余的两衬垫很相似。

熔融合金将浸润配对衬垫，产生驱动完成的对准力以及仅当存在可浸润表面(衬垫)的精确重叠时可以获得的低表面能3D结构。

图6示出了执行本发明的装置的部分图并示出了基于每个衬垫设计的主要力的矢量(箭头)。如所示，MEMS部件600包括与另一MEMS部件605的对应衬垫对准的衬垫610，615和620，允许在焊料回流工艺期间对准部件600和605。

图7示出了两个MEMS部件的对应衬垫，即衬垫对及使它们对准的主要力。从此附图可以明白，这两个衬垫应该具有大约相同的宽度l和不同的长度以决定主要的对准方向。可以修正的最大未对准距离约等于衬垫宽度的一半，即l/2。

图8，包括图8a，8b和8c，示出了用于上述用作枢转点的三对衬垫的衬垫设计的实例。在优选实施例中，两个衬垫的环形圈的内径R₁，R₂相等，R₁＝R₂，而一个衬垫的外径比第二个衬垫的外径大即R₃＞R₄。可以修正的较大未对准距离约等于两个衬垫外径之差的一半即(R₃-R₄)/2。

因此，使用两对相似的矩形衬垫，一对相对于另一对旋转约等于90°的角，以及如上所述的环形衬垫对，允许x和y对准及旋转调整。

如上所述，自定中心衬垫的另一个实施例，还允许可控塌陷性能。在给定的实例中，具体的MEMS堆叠要求在两个MEMS部件之间具有6微米的功能间隙。为了以重复并且稳定的方式可靠地获得这样的间隙，金属衬垫可以设计为具有不同的可浸润表面区域。焊料合金对的可获得体积与可获得可浸润表面的最终组合驱动焊料体积的分布，获得具有最小表面能的3D结构。

一旦设置好所要求的变量(体积和区域)，MEMS部件将一个在另一个顶部地塌陷到达到平衡的点，利用上述变量的准确尺寸，可以精确地决定所得间隙。

在工业环境中，还可以使用机械停止以可靠的方式(一批接一批)获得目标功能间隙。

在平衡时，对于具体的高度和衬垫表面，可以通过低估所要求的体积获得更优选的z控制塌陷。利用附加的机械停止和精确的目标高度，这将通过所得塌陷作用产生合金的过消耗，这倾向于缩减间隙超出由机械停止的存在施加的影响。结果是一重复的工艺，该工艺确保要求的最小间隙，缩减对严格的工艺变量公差的依赖性，在如此小的额定尺寸(微米)中，可能强烈影响在该低公差系统中的最终结果。

图9和后面的平台示出了基于可能/可获得的焊料合金体积，不同衬垫尺寸的实例。沉积如此小量的焊料合金的工艺具有不同的成本和不同的目标体积的公差。平台用以基于固定焊料沉积的步骤设计具有不同表面区域的目标体积。

图9a示出了在沉积焊料(905)后矩形衬垫(900)的结构，图9b示出了在自对准操作和焊料(905’)消耗之后矩形衬垫(900，910)的结构。然后，较好的近似为具有平行平面的平截头锥体，计算几何结构。

假设

-b是宽度和长度都等于100μm的衬垫(900)的面积，其上沉积合金；

-B是宽度等于100μm的接收衬垫(910)的面积；

-h是在连接之前沉积的合金的高度，并且它的值对于很小的体积是焊料沉积工艺能力的变量。h的值可以是独立的变量，其驱动衬垫几何形状的整个大小；

-H是衬垫(900，910)之间合金的目标高度；以及

-V是合金体积，

那么，

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

以及接收衬垫(910)的长度是：

沉积合金的高度h(μm)	15	14	13	12	10
						接收衬垫长度(μm)	560	510	460	410	320

同样，图9c示出了环形衬垫(915)在沉积焊料(920)后的结构并且图9d示出了环形衬垫(915，925)在自对准操作和焊料(920’)消耗之后的结构。然后，较好的近似为具有平行平面的平截头锥体和中心圆柱腔的体积为πR₁ ²H，计算几何结构。

假设

-R₁和R₂是在两个环形衬垫(915，925)的中心的空环区域的半径，R₁和R₂等于50μm；

-R₄是衬垫(915)的外径，其上沉积合金，它等于150μm；

-R₃是接收衬垫(925)的外径；

-h是在连接之前沉积的合金的高度，并且它的值对于很小的体积是焊料沉积工艺能力的变量。h的值可以是独立的变量，其驱动衬垫几何形状的整个大小；

-H是衬垫(915，925)之间合金的目标高度；以及

-V是合金体积，

那么，

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

以及接收衬垫(925)的外径R₃是：

沉积合金的高度h(μm)	15	14	13	12	10
						接收衬垫半径(μm)	340	325	310	290	260

对于上述可选的两步工艺，其将z塌陷与平面内对准(x，y和θ)分开，两类设备可以用来产生所需的可转换z力。

在两步法中使用的设备的关键要求是可转换的垂直力必须以不显著改变MEMS部件之间存在的平面内对准的方式提供。示出的两种方法作为完成此任务的例子。

图10示出了第一方法，其中在热装置时和冷却工艺期间，通过压缩缓冲器在上MEMS部件上由活塞提供垂直力。在活塞1000和上MEMS部件1005之间的第一接触，在活塞1010和上MEMS部件1005之间产生平面内摩擦。当其它活塞接触并且活塞1010持续下落时，此摩擦力保持并且增加，保持固定的平面内对准。最后，上MEMS部件1005与下MEMS部件1015通过钝化隔离物1020接触(利用由驱动活塞的致动器决定的力，其被精确控制并限制以便不扭曲将被连接MEMS部件)。此时，在保持力的同时冷却装置。一旦焊料固化，可以从设备移除装配组件。

活塞及保持下MEMS部件的固定器(作为例子示出了数据存储装置的MEMS部件)，当在炉内或与其它加热并冷却部件以完成焊料回流及重固化的装置结合进行操作时，必须保持它们的在可接受公差内固定的平面内位置。这要求仔细设计以避免由热膨胀引起的平面内运动。此外，活塞的运动需要由合适的支撑(bearing)约束，以允许z运动具有较小或没有平面内运动。空气支撑是可以完成此任务的支撑的例子。当平面内公差较大时，可以接受球形支撑或套管支撑。

在活塞上使用压缩缓冲器以允许活塞和MEMS部件之间有限量的非共面(倾斜)。因为上MEMS部件应该保持在由下MEMS部件及其隔离物决定的平面内，而不是由活塞决定的平面内，活塞允许系统适应少量活塞表面的非共面，而对MEMS部件没有不利影响。

在图11中示出了提供合适z力的第二类装置。小、轻、磁性“重量”1100以在焊接点或子焊接点上较好地定中心的方式置于上MEMS部件1105的顶部。以在将被连接的部件之下的方式定位具有可转换电流(从而可转换场)的磁螺线管，以便它们在每个磁性重量下面很好地定中心。如果这些螺线管和重量具有好的场(并且没有其它破坏来自螺线管的场的铁磁结构存在)，那么在每个磁性重量上的力完全垂直(没有平面内分量)以在给定的公差内。

当在螺线管中的场转换时，磁性重量在上MEMS部件1105上产生垂直力，驱动部件支靠钝化隔离物1115以建立最终间隔。力的量由磁性重量的磁性能和大小以及螺线管的设计和施加到螺线管的电流决定。

因为该磁磁性装置不引入平面内摩擦力以保持MEMS部件在z压缩期间在固定的平面内对准，需要运动发生的足够快(并且不偏离平面内力)，以防止平面内对准移动超出给定的公差。压缩过程一旦开始，焊料衬垫的自对准倾向(平面内)可能不适。上部件下落必须发生的速度(驱动上部件与隔离物接触，其平面内的摩擦固定平面内对准)部分地由上部件的质量和磁性重量控制，其惯性限制相对于存在的平面内扰动发生的平面内运动的量。为最优化系统的参数可能需要一些实验和误差，以确保满足平面内对准的公差。

在回流工艺开始前，由机器手或其它装置放置磁性重量。在适当位置包括磁性的单个轻重量结构可以简化磁性组件的放置。在多数情况下，重力必须足够以保持在适当位置磁性重量。冷却后，磁性重量可以从结合的叠层除去。

还可以通过在上MEMS部件顶部提供凹槽或其它对准特征帮助放置磁性质量。如果在上MEMS部件中提供锥形，圆柱形或方形凹陷，可以使用铁球(广泛地以低成本、精确控制尺寸获得)作为磁性重量。

因为活塞装置提供平面内摩擦以保持MEMS部件在z压缩工艺期间的平面内对准，这被认为是一种低风险方法，因此选定其为优选实施例。磁性装置是可选的，在空间受限制或平面内公差不严格的应用中较有吸引力。

在上MEMS部件上施加的、驱动MEMS部件支靠钝化隔离物以建立最终的间距的垂直力，可以通过对隔离物以及合适的衬垫和电路使用导电材料控制。图12示出了装置的两个实例，其允许确定何时达到可以通过测量电阻R降低在上MEMS部件上施加的垂直力的位置。因此，当电阻值改变到例如，接近于零的值时，这意味着达到了MEMS部件之间的距离并从而可以减小施加的垂直力。

自然地，为了满足局部和特别的要求，本领域的技术人员可以对上述解决方法施加许多修正和变化，然而，所有这些修改和变化包括在由后面权利要求限定的本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种用于精确对准电子装置的至少两个部件的方法，所述电子装置的每个部件包括至少一个衬垫，所述至少两个部件的第一部件的所述至少一个衬垫与所述至少两个部件的第二部件的所述至少一个衬垫在所述第一和第二部件对准时对准，形成至少一对衬垫，所述方法包括以下步骤：

在所述至少两个部件的第一部件的所述至少一个衬垫上沉积粘合剂；

将所述第二部件与所述第一部件基本对准；以及

在所述第一部件上放置所述第二部件。

2.根据权利要求1的方法，还包括将所述粘合剂变成液态的步骤。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述至少一对衬垫的衬垫具有不同尺寸。

4.根据权利要求1至3中任意一项的方法，其中所述至少两个部件的一个的所述至少一个衬垫的形状是矩形。

5.根据权利要求1至4中任意一项的方法，其中所述至少两个部件的一个的至少两个衬垫的形状是矩形，并且其中它们的长边形成的角约等于90°。

6.根据权利要求1至5中任意一项的方法，其中所述至少两个部件的一个的所述至少一个衬垫的形状是环形。

7.根据上述权利要求中任意一项的方法，其中相同衬垫对的衬垫的形状相似。

8.根据上述权利要求中任意一项的方法，其中所述至少两个部件的至少一个还包括至少一个钝化停止。

9.根据上述权利要求中任意一项的方法，其中所述至少两个部件的至少一个还包括三个不共线的钝化停止。

10.根据权利要求1至9中任意一项的方法，其中所述粘合剂是导电的。

11.根据权利要求1至9中任意一项的方法，其中所述粘合剂由焊料合金构成。

12.根据权利要求1至11中任意一项的方法，其中所述液态粘合剂的量根据所述至少一对衬垫的衬垫的形状预定。

13.根据上述权利要求中任意一项的方法，其中所述液态粘合剂的量根据在所述第一和第二部件之间必须设置的距离预定。

14.根据上述权利要求中任意一项的方法，还包括在所述第一和第二部件的一个上施加机械力，所述力基本垂直于所述至少一对衬垫的衬垫。

15.根据上述权利要求中任意一项的方法，还包括步骤：

硬化所述液态粘合剂。

16.根据权利要求15的方法，其中所述硬化所述粘合剂的步骤包括冷却步骤。

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