专利名称：金属间弹簧结构的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及用于互连集成电路的弹簧结构，特别是由电镀金属薄膜制成的光刻图形化弹簧结构。
背景技术：
光刻图形化制成的应力设计的(stress-engineered)弹簧结构已经得到发展，例如以制作低成本的探针板并提供集成电路之间的互连。典型的传统弹簧结构是由应力设计的(又称为“有应力的”)薄膜形成的，有意地制作该薄膜使得其下部/上部的内部张应力大于其上部/下部。通过层叠具有所需应力特性的不同材料，或者通过改变制作参数而使用一种材料，在该应力设计薄膜内产生该内部应力梯度。图形化该应力设计薄膜以形成直接或者使用中间释放材料层固定到下面衬底的指状部分。当从弹簧指的悬臂(自由)部分的下方选择性地刻蚀该释放材料(与/或下面的衬底)时，由于内部应力梯度产生的弯曲力，悬臂部分弯曲远离衬底，从而形成通过锚部分保持固定到衬底的弯曲弹簧指。这种弹簧结构可应用于探针板，用于电接合集成电路、电路板、和电极阵列，并用于制作诸如电感、可变电容器和驱动反射镜的其它器件。美国专利No.3,842,189(Southgate)和美国专利No.5,613,861(Smith)公开了这种弹簧结构的实例，这两个专利在此引用作为参考。
目前使用溅射沉积技术制作上述类型的大部分弹簧结构，其中溅射沉积应力设计薄膜，同时在沉积过程中改变溅射组分或者工艺参数(例如压力与/或功率)，且已经证实，这种溅射沉积制作方法可以可靠地用于小批量地制作合适的应力设计薄膜。然而，使用溅射沉积制作方法进行低成本弹簧结构的大批量生产面临诸多障碍。首先，进行溅射沉积所需设备的购买和维护非常昂贵。第二，已经证实溅射沉积制作方法是复杂的，部分是由于在重复的溅射运行期间，溅射设备的工艺参数趋向于随时间发生漂移(改变)，这要求不断地重新校准溅射设备。另外，溅射设备内工艺参数的局部差异会导致特定的溅射运行中形成的弹簧结构的尖端高度的显著差异，因此产生的结果不一致且无法预计。再者，尚未制作出可在大尺寸(即直径大于4英寸的)晶片上产生具有高度应力均匀性的适合的溅射设备。
最近开发的除了基于溅射的制作技术之外的一种选择是使用电镀技术，其中改变工艺参数以产生所需应力梯度。这种基于电镀的制作技术具有吸引力，不仅是因为设备成本要低得多，而且电镀可以可靠地按比例放大到大的衬底尺寸。然而，尽管电镀方法使得易于制作具有内部应力梯度的电镀薄膜，但在应力设计薄膜的压应力区域中可获得的应力值相对低，且电镀的应力设计薄膜和下面衬底的粘接经常较弱。
现在需要一种高度可靠和可重复的弹簧结构制作方法，其溅射的应力设计弹簧结构具有相对高的尖端高度，但避免了相关的高制作成本和复杂度。
发明内容
本发明针对一种弹簧结构，其中不使用感应应力梯度，而是利用金属层从非晶固溶体到金属间化合物的转变，使弹簧指远离下面的衬底弯曲或者增大先前已弯曲的弹簧指的屈服点。该弹簧指包括粘附到衬底表面的锚部分和在衬底表面上延伸的悬臂部分。金属层形成弹簧指的至少一部分(即，形成弹簧核心或者形成为先前已形成的弹簧核心上的涂层)。该金属层最初被形成为非晶固溶体，该固溶体包含主要元素(例如镍(Ni)或铜(Cu))以及一种或者多种次要元素(金属间材料(IM)元素，例如磷(P)、硼(B)、硅(Si)、锡(Sn)、铝(Al)、锆(Zr)、金(Au)、钯(Pd)、及铟(In))。随后在将金属层由固溶体转变为金属间化合物的预定最大退火温度下退火该弹簧指/金属层，这使得该金属层产生弯曲力，该弯曲力使弹簧指的悬臂部分相对于衬底弯曲(例如，使得弹簧指的尖端远离衬底)，或者使该弹簧指的屈服点增大。由于该弯曲与/或增大的屈服点是由该金属间化合物的相变所产生，而非感应内部应力梯度所致，故可使用低成本的电镀方法制作该金属层(以及因此制作该弹簧指)，该电镀方法采用单个电镀槽及固定的工艺参数，由此与基于溅射的制作技术相比可大幅简化制作工艺并降低制作成本。此外，和该金属间材料相关的弯曲与/或增大的屈服点允许使用应力相对低的电镀弹簧材料，与高压应力的应力设计电镀薄膜相比，该材料可更牢地粘附到下面的衬底且其制作通常更为容易。而且，退火的(金属间的)金属层“冻结”最终的弹簧指曲率，使其在不高于该最大退火温度的所有随后工作温度下保持不变(假设该弹簧指所受的力位于该弹簧指的弹性范围内)。因此，本发明提供一种高度可靠、可重复、且相对廉价的弹簧结构制作方法。
根据本发明的一个方面，可使用电镀或者无电极电镀技术制作该金属层。在一个实施例中，在衬底的上表面上形成释放层(例如钛)，并在该释放层上(或者衬底上)形成种子层(例如金或者镍)。随后将金属层电镀到该种子层上，并随后刻蚀该金属层以形成单独的弹簧指。可替换地，在该种子层上形成电镀掩模(例如光致抗蚀剂)，并穿过该电镀掩模形成该金属层。在任一情况下，可使用单个电镀槽和固定的工艺参数制作该金属层，由此简化制作工艺并降低制作工艺的成本。可替换地，可使用两个或者更多电镀槽，并且/或者可以改变工艺参数以增强弯曲过程。例如，可以使用两个或者更多的电镀槽以选择性地改变固溶体中不同区域内IM元素的浓度，从而产生所需的弯曲力。在一个特定的实例中，IM元素可集中于金属层的最上面区域，以促进向金属间相的转变期间的弯曲。
根据另一个方面，发明人认为，可以使用溅射沉积技术(即，不使用电镀)形成该固溶体金属层。尽管溅射通常需要更昂贵的制作工具，但发明人认为所得到的金属层可提供使附加制作成本有价值的有益特性。
可在释放该弹簧指之前，释放该弹簧指之后，或者在释放的前后进行退火，且可在给定晶片上在不同温度下进行退火以产生尖端高度不同的弹簧结构。释放该弹簧指涉及除去(例如刻蚀)位于弹簧指一部分下方的牺牲释放材料，由此通过释放材料的残留部分而使该弹簧指的锚部分保持粘附在衬底上，且该弹簧指的悬臂部分与衬底的表面分隔开(例如在衬底表面上延伸)。可在释放之前进行完全退火(即，在金属间相变温度下退火)，从而产生在随后释放时具有相对低的尖端高度的弹簧结构。可替换地，可在释放之后进行该完全退火，从而产生具有相对高的尖端高度的弹簧结构。在又一个实施例中，在释放之前进行温度相对低的退火过程，以促进释放时该弹簧指的部分弯曲，且随后进行完全退火以结束弯曲过程并设定弹簧的尖端高度。可对衬底(晶片)上形成的所有弹簧结构均匀地施加完全退火的温度，或者可对衬底的不同区域施加各种金属间相变温度以产生具有不同尖端高度的弹簧结构。
由于在金属间转变时产生的弯曲力基本上是平衡的，且在某些情况中是无法预计的，根据前述方法形成的弹簧指可能会沿与理想弯曲方向相反的方向弯曲。例如，当所需的是向上的弯曲力时，该金属间转变弯曲力可能向下拉动该弹簧指。因此，根据本发明的另一个实施例，该弹簧结构制作方法可被修改成包含用于产生初始弯曲力的结构，由此在随后的释放与/或退火期间可靠地提供所需的弯曲方向。因此，尽管该初始弯曲偏移由于需要多个电镀槽、改变工艺参数与/或附加的溅射沉积工艺，可能增加制作成本，但是提供该初始弯曲力可提高生产产率，由此降低总体生产成本。
在一个实施例中，使用两个电镀槽生产呈现初始弯曲力的弹簧结构，这两个电镀槽具有不同浓度的一种或者多种IM元素以制作具有不同层的弹簧指，其中这些层在金属间转变期间产生不平衡的弯曲力。例如，可制作该弹簧指，使得在金属层的最上面(或者最下面)区域中的一种或者多种IM元素的浓度相对高，由此降低(或增加)金属间转变时在这些区域中产生的弯曲力，并由此产生导致预期曲率的弯曲力。
在另一个实施例中，使用薄的应力设计层和金属层产生呈现初始弯曲力的弹簧结构，该应力设计层用于提供初始弯曲偏移，该金属层通过转变成金属间相而促进弹簧指的进一步弯曲。使用溅射或者电镀产生该应力设计层，同时改变工艺参数以产生沿生长方向的内部应力梯度(即，使得该应力设计层的上层的张应力大于下层)，由此产生向上的弯曲偏移。由于该应力梯度的目的在于启动弯曲过程，所以只需要薄的应力设计层，由此降低与完全使用应力设计材料制作弹簧结构相关的时间和费用。形成应力设计金属层之后(且在释放之前)，根据上述的方法形成金属层。由于金属间金属层的制作比应力设计层廉价，所以可大幅降低该化合物弹簧指的总体制作成本。
根据本发明的另一个实施例，在弹簧指弯曲成其特征弯曲形状之后，非晶固溶体被涂敷(例如，电镀或者无电极电镀)到“核心”弹簧指上，并随后被退火以形成金属间化合物涂层。本发明人已经发现，与没有涂层或者涂敷了非金属间金属(例如Ni)的应力金属弹簧相比，例如，应力设计弹簧核心上诸如Ni3P和Ni3B的金属间化合物涂层可显著改善(提高)弹簧弹性。弹性的增加是由于弹簧指的屈服点增加所致，其中该屈服点的增大可归功于在弹簧核心周围形成某种“热缩塑料包(shrink wrap)”的金属间化合物涂层。一般说来，当弹簧压到接触表面上时，如果峰值应力超过材料的屈服点则弹簧塑性形变。因此，具有根据本发明形成的金属间化合物涂层的弹簧的屈服点增大，因此在诸如压力接触互连或探针板的大力度的应用中具有更好的性能。还要注意，材料的屈服点随温度增加及蠕变而减小。因此，通过在大于预计工作温度的退火温度下“冻结”该金属间化合物涂层，包含根据本发明形成的金属间化合物涂层的弹簧避免了与温度相关的屈服点的改变以及正常工作时的蠕变。此外，除了增大弹簧的屈服点，根据本发明形成的金属间化合物涂层具有多个附加用途，例如提供增加的弹簧硬度和抗磨损性、增加的弹簧电导率，并且/或者用作金属之间的扩散阻挡层(例如NiP作为Cu和Au之间的扩散阻挡层)。
在备选实施例中，可使用金属间材料、非金属间金属、双金属结构、或者双压电结构制作该弹簧核心(即待涂敷的结构)，且可在应用该金属间化合物涂层之前与/或之后在该弹簧核心上涂敷另一种材料。本发明人进行的实验表明，优选使用常规材料(例如Ni)制作弹簧核心，将弹簧核心释放(弯曲)成所需的最后形状，并随后用所需的非晶固溶体(例如NiP)涂敷该弹簧核心。释放后涂敷是优选的，因为为了采用最少的加工而获得要求的弹簧卷曲程度，该弹簧核心必须尽可能地薄。而且，采用非金属间化合物材料通常更容易获得成本有效的、可靠的应力梯度过程。随后的退火将该非晶固溶体转变成金属间化合物涂层。发明人发现，0.1到20μm范围内的金属间化合物涂层可提供有益的特性。在备选实施例中，除了金属间化合物涂层之外还使用了弹簧涂层的叠层，例如被Ni+Au或Cu+Ni+Au包围并过涂敷(overcoat)了NiP或NiB金属间化合物涂层的Ni弹簧核心。
结合下述描述、所附权利要求以及附图，可以更好地了解本发明的这些及其它特点、方面、和优点，附图中图1为根据本发明一实施例形成的弹簧结构的透视图；
图2为示出了根据本发明另一个实施例制作图1的弹簧结构的简化方法的流程图；图3(A)、3(B)、3(C)、3(D)、3(E)、3(F)、3(G)、3(H)和3(I)为阐述了根据本发明特定实施例制作图1弹簧结构的方法的截面侧视图；图4为示出了图3(C)和3(D)的工艺中所使用的刻蚀掩模的俯视图；图5(A)、5(B)、5(C)、5(D)和5(E)为阐述了根据本发明另一个特定实施例制作图1弹簧结构的方法的截面侧视图；图6为示出了根据本发明所制作的弹簧结构的照片；图7为示出了根据本发明所制作的弹簧结构的照片；图8为示出根据本发明另一个实施例的弹簧结构的截面侧视图；图9(A)、9(B)、9(C)、9(D)和9(E)为阐述了根据本发明另一个特定实施例制作弹簧结构的方法的截面侧视图；图10为示出了根据本发明另一个实施例的含有金属间化合物涂层的弹簧结构的侧视图；图11为示出了根据本发明另一个实施例的含有金属间化合物涂层的另一个弹簧结构的侧视图；以及图12为示出了根据本发明另一个实施例的含有金属间化合物涂层的又一个弹簧结构的侧视图。
具体实施例方式
图1为描述根据本发明一个实施例制作的示例弹簧结构100的透视图。弹簧结构100通常包含通过可选的锚垫110粘附到衬底101上的弹簧指120。弹簧指120包含通过可选的锚垫110粘附到衬底101的表面101-S上的锚部分122，以及从锚部分122在表面101-S上方延伸的弯曲悬臂部分125。弹簧指120的尖端125-T位于悬臂部分125的“自由”(即无支撑的)端部。在一个实施例中，使用在释放过程中可从弹簧指120的弯曲悬臂部分125的下方选择性刻蚀的材料制作可选的锚垫110。
图2为示出了根据本发明一个实施例制造弹簧指100的简化制作方法的流程图。通常，该新颖的方法包括形成弹簧指120，使其包含至少一个金属层，该金属层由悬浮于非晶固溶体中的至少一种主要元素(即，诸如镍(Ni)或铜(Cu)的金属)以及一种或者多种次要的“金属间材料”(IM)元素(例如硼(B)、磷(P)、硅(Si)、锡(Sn)、铝(Al)、锆(Zr)、金(Au)、钯(Pd)及铟(In))构成(方块150)。随后在将该金属层由固溶体转变成金属间化合物(例如Ni3B或Ni3P)的预定最大退火温度下退火弹簧指120，这使金属层产生弯曲力，该弯曲力使悬臂部分125相对于衬底101弯曲(例如，使得尖端125-T远离衬底表面101-S运动)，并且/或者增大悬臂部分125的恢复力(方块155)。除了Ni+P和Ni+B金属间化合物之外，其它示例的Ni基金属间化合物包括Ni+Si、Ni+Sn、Ni+Al、以及Ni+Zr，示例的Cu基金属间化合物包括Cu+B、Cu+P、Cu+Sn、Cu+Au、Cu+Al、以及Cu+In。由于是通过形成在弹簧指125中的金属层的相变，而非通过感应内应力梯度产生该弯曲/增大的恢复力，所以可使用采用了单个电镀槽和固定工艺参数的低成本电镀工序形成金属层(以及因此形成弹簧指120)，由此与溅射的应力设计薄膜相比大幅简化制作工艺并降低成本。此外，与和传统的电镀弹簧结构相关的高压应力的应力设计电镀薄膜相比，应力相对低的金属层可更牢地粘附到衬底101且其制作通常更为容易。而且，退火的(金属间)金属层“冻结”弹簧指120的曲率，使其在不高于该最大退火温度的所有随后工作温度下保持不变(假设对弹簧指120施加的力位于其弹性范围内)。因此，本发明提供-种高度可靠、可重复、且相对廉价的弹簧结构制作方法。
根据本发明的一个方面，如图1及参考图3(A)至7的下述示例实施例中所描述的，可完全使用单个材料层制作弹簧指120。相反，如参考图8至12的下述各种实施例中所描述的，可以选择性地将一个或多个已转变的金属层与其它结构组合，从而形成弹簧指120。
图3(A)至3(I)及图4阐述了根据本发明第一特定实施例制作弹簧结构100的方法。图3(A)至3(G)和图4描述了包含金属层的弹簧指的示例制作过程，其中该金属层包含根据图2的方块150的两种或更多种选定元素的非晶固溶体，图3(H)描述了对应于图2的方块155的退火过程。如下文中所更加详细的描述，图3(A)至3(I)中描述的特定过程可进行诸多修改，因此除非另外指出，否则这些图中所描述的特定顺序并非用于限制所附权利要求。
参考图3(A)，在该制作方法的开始时，在衬底101上形成导电释放材料层210，且在释放材料层210上沉积电镀种子层215。衬底101包括通过相关互连网络被耦合以提供到成品弹簧结构的电通路的接触垫或者金属通道(“接触垫”)105。
在一个实施例中，释放材料层210为溅射沉积到衬底101上、厚度为约50至200nm或更厚的钛(Ti)。钛由于其塑性(即其抗裂性)而提供了作为释放材料层的期望特性。也可以使用具有钛的有益的塑性特性的其它释放材料。在其它实施例中，取决于随后形成的金属层，释放材料层210可包含另一种金属，例如Cu、Ni、铝(Al)、锆(Zr)、或钴(Co)。也可以使用硅(Si)制作释放材料层210。此外，可以依次沉积两个或者更多的释放材料层以形成多层释放结构。在又一个可能的实施例中，任何前述释放材料可夹在两个非释放材料层(即在弹簧金属释放过程中未被清除的材料，如下所述)之间。
采用已知的技术在释放层210上形成可选的种子层215(例如金(Au)或者Ni)。在一个实施例中，种子层215为溅射在Ti基释放层210上、厚度为50nm或更厚的Au层。
图3(B)示出了在释放材料层210上形成的金属层220。根据本发明的一个实施例，在释放层210或可选的种子层215(如图3(A)所示)上电镀金属层220，使得形成包含主要元素(例如Ni或Cu)和一种或多种次要(IM)元素(例如P与/或B)的固溶体。由于无需在该金属层内形成内部应力梯度，所以可采用使用单个电镀槽且在沉积固溶体期间不改变工艺参数的电镀或者无电极电镀技术进行电镀工艺，由此与用于制作应力设计的薄膜的技术相比可大幅简化沉积工艺。NiP和NiB电镀槽通常包含作为Ni源的氯化镍与/或硫酸镍。对于无电极NiP电镀，通常采用连二磷酸钠作为还原剂及P源。对于无电极NiB电镀，通常采用氢硼化钠作为还原剂及B源。无电极NiP和NiB的电镀槽工作温度通常为65至95℃。可以使用的备选还原剂为二甲胺硼烷和联氨。通常使用诸如配位剂、pH调节剂、缓冲剂、稳定剂、应力降低剂、以及润湿剂的电镀槽添加剂。电镀NiP槽通常含有氯化镍与/或硫酸镍作为Ni源。通常采用磷酸与/或亚磷酸作为P源。电镀槽的典型工作温度为60至95℃。通常使用诸如pH调节剂、缓冲剂、光亮剂、应力降低剂、以及润湿剂的电镀槽添加剂。电镀弹簧的典型厚度为0.3至2.5μm。
根据一个备选实施例，可使用溅射沉积技术形成金属层220，其中将工艺参数设定成产生期望的固溶体。尽管溅射通常需要更昂贵的制作工具且更加费时，但本发明人认为得到的溅射金属层可提供使附加费用物有所值的有益特性。此外，如下文中所更加详细的描述，可改变溅射工艺参数以在该金属层内产生应力梯度，由此引发向上的弯曲偏移，使得随后形成的弹簧指一旦被释放就偏离衬底101弯曲。
参考图3(C)和图4，然后在金属层220的选定部分上图形化(例如使用光致抗蚀剂)一个或者多个细长的刻蚀掩模230(例如图4所示的掩模230(1)、230(2)和230(3))。
接着，如图3(D)所示，使用一种或者多种刻蚀剂240刻蚀金属层220的暴露部分，以形成细长的弹簧指220-1，该弹簧指220-1沿其整个长度被连接到释放材料层210。在一个实施例中，采用各向异性刻蚀工艺(例如在氟等离子体中的反应离子刻蚀或者氩离子研磨)，避免对弹簧指220-1从下部切割(undercut)。在其它实施例中，可以使用各向同性刻蚀，只要位于弹簧指220-1下方的，特别是位于弹簧指220-1的锚部分222下方的区域中的释放材料的清除被最小化即可。在一个实施例中，各向同性刻蚀可包含使用硝酸基刻蚀剂清除NiB或NiP金属层的湿法刻蚀工艺。本领域中其它特殊的刻蚀工序和刻蚀剂是已知的。因此，可以可靠地避免弹簧指220-1的提前释放，这在锚部分222中尤为重要。随后除去刻蚀掩模230。
参考图3(E)，出于各种原因，可以采用可选的释放之前的退火工艺。在一个实施例中，可在将弹簧指120的金属层从固溶体转变成金属间化合物的温度下进行该释放之前的退火工艺。转变成的金属间化合物将对弹簧指120施加弯曲力，但弹簧指由于通过释放层210连接到衬底101而反抗该弯曲力。当要求后续释放弹簧指的尖端高度相对小时(即，由于部分弯曲力的弛豫)，可采用该释放前退火工艺。如下文中所更加详细的描述，在另一个实施例中，可使用温度相对低的释放前退火工艺，从而在随后的释放时产生小的向上弯曲偏移。随后将进行释放后的退火工艺，以将弹簧指120的尖端125-T升高到所需的尖端高度。
参考图3(F)，随后在锚部分222和释放材料层210的毗邻部分212上形成释放掩模250(例如光致抗蚀剂)，由此暴露弹簧指220-1的中心部分225和尖端225-T以及释放材料层210的周围部分(例如部分214)。
图3(G)描述了释放过程，其中使用释放刻蚀剂260(例如缓冲氧化物刻蚀)选择性地清除释放掩模250所暴露的释放层的部分(例如参考图3(F)，外围部分214以及位于中心部分225和尖端225-T下方的部分210B)。注意，释放掩模250防止显著刻蚀位于弹簧指220-1的锚部分222下方的释放材料部分，该部分被保留作为锚垫110。还应注意，如图3(G)所描述，当使用单个电镀槽且不改变工艺参数(即没有内部应力梯度)制作弹簧指220-1时，释放时弹簧指220-1略微弯曲或者不弯曲。该释放过程完成之后，清除释放掩模250。
图3(H)描述了释放后退火工艺，弹簧指220-1由此被加热到将固溶体转变为金属间化合物的预定最大温度，从而产生使弹簧指220-1的悬臂125远离衬底101弯曲的弯曲力(即，从基本上直的弹簧指220-1到弯曲的弹簧指120)。注意，锚部分222中产生的弯曲力被其通过锚垫110与衬底101的粘附所抵制。当采用(前述的)释放前退火时，释放后退火工艺可以省略。释放后和释放前退火都可以使用电炉或烤箱，且在晶片的不同区域可进行变化以使得在该晶片上形成的各种弹簧具有不同的弹簧高度。例如，长度为400μm，宽度为40μm，厚度为1.7μm的NiP弹簧指可在200至400℃退火1到10分钟，这样产生导致100至200μm尖端高度的曲率。得到的弹簧结构100(图3(I)所示)具有弯曲的悬臂部分125，该悬臂部分125保持尖端125-T相对于衬底101表面101-S位于所需的尖端高度H。实际上，对于不高于预定最高温度的所有工作温度而言，弹簧结构100的曲率被“冻结”，由此提供高度可靠、可重复、且相对廉价的弹簧结构制作工艺。换而言之，如果弹簧结构维持在不高于最大退火温度，且施加的力保持在与弹簧指120相关的弹性范围内，那么尖端高度H基本上保持不变。
图5(A)至5(E)描述了弹簧结构100的备选制作方法，其中使用沉积(硬)掩模以避免上述参考图3(C)和图3(D)的第一特定实施例中使用的沉积后刻蚀工艺。图5(A)描述了具有以参考图3(A)所述的方式形成的释放层210和种子层215的衬底101。此外，图5(A)示出了定义细长的窗口275的沉积(硬)掩模270，其中该窗口暴露种子层215的相应区域。实际上，沉积掩模270基本上为如图4所示的刻蚀掩模220的负片(两者相反)。参考图5(B)，随后采用电镀、无电极电镀、或者溅射沉积技术在释放层210上形成金属层220-2。图5(C)示出了清除沉积掩模和未使用种子层的残余部分(例如图5(B)所示的种子层部分215A和215B)之后的弹簧指220-2和下面的释放层210。图5(C)也描述了示出上述可选的释放前退火工艺的热波。图5(D)描述了弹簧指220-2的释放，其释放方式基本上与上述的释放操作相同(即，使用释放掩模250和释放刻蚀剂260)。最后，如图5(E)所示，如前所述地进行退火，以将弹簧指220-2从固溶体转变为金属间化合物，由此将平面的弹簧指220-2弯曲成弯曲的弹簧指120，由此完成弹簧结构100的制作。
图6和7描述了根据上述制作方法形成的实际弹簧结构。特别地，这些图中所示的原型是采用无电极镍-磷电镀而制成的。首先，光刻图形化具有Au种子层的晶片，随后将其暴露于电镀槽。电镀该晶片，直到达到预期的梁厚度。图6的弹簧结构包含在工业电镀槽中电镀的厚2μm的弹簧结构(梁)，图7所示弹簧结构包含使用自混合无电极NiP电镀槽电镀的厚1.7μm的弹簧结构。在每个生产工艺中不改变任何工艺参数。接着，将抗蚀剂制成条状，刻蚀残余的Au种子层，并随后从底部刻蚀(underetch)(释放)该梁。随后在约350℃下退火整个晶片。退火温度高于300℃时，由于转变成金属间Ni3P相，释放高度急剧增大。注意，在不同的工业电镀槽以及自混合电镀槽中均观察到这种效应。
尽管由于能够使用单个电镀槽制作弹簧指，可以由本发明得到明显的成本收益，但是通过使用两个或者更多电镀槽可获得其它有益的特性。
图8为示出包括根据使用两个电镀槽的示例实施例在衬底101上形成的弹簧指120-2的弹簧结构100-2的截面视图。在该实例中，使用两个或者更多个电镀槽选择性地改变电镀工艺期间下层(第一区域)123-2和上层124-2(第二区域)中IM元素的浓度。这样改变IM元素浓度的原因之一在于促进退火工艺期间悬臂部分125-2的向上弯曲。例如，在用于沉积与下层123-2相关的固溶体的第一电镀槽中，IM元素(例如Ni中的B或P)的含量可以相对较高(例如7％至12％)，由此由于退火时相变量增大而最小化在该区域中产生的相关的弯曲力。相反，可以使用包含相对低浓度(约1％至6％)的IM元素的第二电镀槽制作上层124-2，由此最大化在固溶体到金属间相变期间在该区域中产生的弯曲力。由于相变期间上层的浓度相对较低，得到的弹簧结构120-2因此呈现所需的累计向上弯曲力。在另一个可供选择的实施例中，可向上和下电镀槽添加减小应力的元素(例如，诸如邻磺酰苯甲酰亚胺的有机含硫化合物)，其中该减小应力的元素减小固溶体到金属间相变期间的膨胀弯曲力，由此产生具有相同IM浓度的所需的应力微分。
如前所述，由于在金属间转变时产生的弯曲力基本上是平衡的，且在某些情况中是无法预计的，根据前述方法形成的弹簧指可能会沿与理想弯曲方向相反的方向弯曲。例如，当所需的是向上(即，远离衬底)的弯曲力时，金属间转变弯曲力可能向下(朝向衬底)拉动弹簧指。通过形成具有初始弯曲偏移的弹簧结构，释放与/或退火时弹簧的弯曲方向变得更加可靠。例如，再次提及弹簧结构100-2(图8)，通过形成上层124-2，使其与下层123-2相比产生更大的弯曲力，在退火工艺期间弹簧指120-2可以可靠地向上弯曲。下文中描述了好几种另外的弹簧结构制作方法，这些方法被修改以在所制作的弹簧结构中产生初始的弯曲力。
图9(A)至9(E)描述了用于制作弹簧结构的一种修改的方法，其中使用应力设计层以在弹簧指释放时产生初始的弯曲力。图9(A)描述了衬底101以及按照上述参考图3的方法形成的释放层210和可选种子层(未示出)，和在释放层210上形成的应力设计金属层280。在一个实施例中，通过改变电镀工艺期间的工艺参数(例如电镀中的电流密度)而形成应力设计层280，以便产生所需应力梯度。在另一个实施例中，通过溅射金属薄膜并同时改变工艺参数(例如溅射压力)形成应力设计层280，以便产生所需应力梯度。在本领域中使用这些方法中的任一种制作应力设计层是公知的。参考图9(B)，随后使用电镀、无电极电镀或者上述溅射沉积技术，在应力设计层280上形成金属层290。在一个实施例中，使用电镀技术形成金属层290，且其厚度显著大于应力设计层280的厚度。图9(C)示出了使用刻蚀掩模230和一种或者多种刻蚀剂240，按照前述方式制作弹簧指220-3的刻蚀工艺，该弹簧指220-3包括应力设计层部分280-3和金属层部分290-3。图9(D)描述了弹簧指220-3的释放，其释放的方式基本上和上述的释放操作(即，使用释放掩模250和释放刻蚀剂260)相同。注意，由于应力设计层部分280-3产生的弯曲力，弹簧指220-3的悬臂部分225-3略微向上弯曲。最后，如图9(E)所示，如前所述地进行退火，以将弹簧指220-3的金属层部分290-3从固溶体转变成金属间化合物，由此产生进-步弯曲弹簧指220-3的附加弯曲力，从而形成弹簧指120-3并完成弹簧结构100的制作。尽管由应力设计层部分280-3产生的初始弯曲偏移由于需要改变工艺参数与/或另外采用溅射的方法而可能增加制作成本，但初始弯曲力的提供可提高生产产率，由此降低总体生产成本。
除了使用金属间化合物制作弹簧指之外，本发明人还确定，在先前释放的弹簧指上形成金属间化合物涂层可制作出具有优异的弹性和强度的弹簧结构。
图10为示出了根据本发明另一个示例实施例的、包含在衬底101上形成的弹簧指120-4和锚垫110-4的弹簧结构100-4的截面侧视图。在本实例中，弹簧指120-4包含弹簧核心123-4和金属间化合物涂层124-4。使用任一前述方法形成弹簧核心123-4，然后释放该核心(即，弯曲成所需的弯曲形状)。随后将适当的非晶固溶体(例如NiP或NiB)涂敷(例如电镀或者无电极电镀)到弹簧核心123-4的所有暴露表面。已涂敷的弹簧随后被退火，以将非晶固溶体转变成金属间化合物涂层124-4。本发明人已经发现，与没有涂敷或者涂敷了非金属间化合物(例如纯Ni)的应力金属弹簧结构相比，例如，在应力金属弹簧核心123-4上的诸如Ni3P和Ni3B的金属间化合物涂层124-4可显著地改善(增大)所得到的弹簧结构的弹性和屈服点。该增大的弹性和屈服点可归功于从非晶固溶体向金属间化合物涂层124-4的转变，该涂层124-4在弹簧核心123-4周围充当某种“热缩塑料包”。此外，诸如Ni3P和Ni3B的金属间化合物涂层可起到增大硬度、抗磨损、以及电导率的作用。
本发明人所进行的研究支持金属间化合物涂层124-4可显著增加之前制作的弹簧的弹性这一结论。本发明人进行的实验已经表明，优选使用应力设计的非金属间金属层(例如Ni)制作弹簧核心123-4，以将弹簧核心123-4释放(弯曲)成所需的最后形状，并随后用所需的非晶固溶体(例如NiP)涂敷该弹簧核心。在可供选择的实施例中，可通过用金属间化合物涂层124-4修改这些核心结构来改善使用应力设计的(例如电镀或者溅射的)层、金属间化合物层、双金属结构、或者双压电结构制作的弹簧核心123-4。弹簧核心123-4的释放后涂敷是优选的，因为为了采用最少的加工而获得要求的弹簧弯曲程度，弹簧核心123-4应当尽可能地薄。此外，采用非金属间材料通常更容易获得有成本有效的、可靠的应力梯度工艺。在本发明人进行的实验中，在使用0.1至20μm的NiP释放之后，使用无电极电镀过电镀(overplate)0.3至2.0μm的电镀Ni弹簧核心。随后通过在300℃下退火5至10分钟，转变沉积后的NiP固溶体以形成结晶的金属间化合物Ni3P。可以根据熟知的退火试验使用不同的温度和退火时间。本发明人注意到，在退火期间也会形成NixPy的其它相。当用作涂层124-4时，NiB具有类似于NiP的性能。
除了金属间化合物涂层之外，在涂敷了用于形成金属间化合物涂层的固溶体(金属层)之前与/或之后，涂敷一种或者多种附加的涂层材料，对于弹簧结构是有益的。例如，如图11所示，弹簧结构100-5包含弹簧指120-5，该弹簧指由按照前述方式形成的弹簧核心123-5和金属间化合物涂层124-5构成，并另外包含附加的非金属间化合物涂层126-5(例如，Au、Ni、和Cu中的一种或者多种)。在一个实施例中，非金属间化合物涂层126-5包含诸如Ni+Au或者Cu+Ni+Au的弹簧涂层的叠层。在图12所示的另一个实施例中，弹簧结构100-6包含弹簧指120-6，该弹簧指由弹簧核心123-6(例如Ni)、在弹簧核心123-6上形成的非金属间化合物涂层126-6(例如Ni+Au或者Cu+Ni+Au)、以及在非金属间化合物涂层126-6上形成的金属间化合物涂层124-6(例如Ni3P或Ni3B)。可在金属间化合物涂层124-6上形成另外的非金属间化合物涂层127-6，其中金属间化合物涂层124-6作为涂层123-6和127-6的金属之间的扩散阻挡层(例如Ni3P作为Cu和Au内外涂敷层之间的扩散阻挡层)。可向涂敷层添加另外的合金元素(例如Ni-P-B，Ni-P-Cu)。
尽管已经结合特定的特殊实施例描述了本发明，但是本领域技术人员清楚，本发明的发明特点也可应用于其它实施例，所有这些实施例应落在本发明的范围之内。
权利要求
1.包含安装在衬底上的弹簧指的弹簧结构的制作方法，其中该方法包含形成包含连接到衬底的锚部分和从该锚部分延伸的悬臂部分的所述弹簧指，其中该弹簧指包含金属层，该金属层含有包含金属和至少一种其它元素的固溶体；以及在选定温度下退火该弹簧指，使得该金属层从固溶体转变成金属间化合物。
2.一种弹簧结构，包含细长的弹簧指，该弹簧指具有粘附到衬底的锚部分、从该锚部分延伸的悬臂部分、以及位于悬臂部分的远端的尖端，其中所述弹簧指包含金属层，该金属层包含含有两种或者更多种元素的金属间化合物。
3.一种弹簧结构，包含细长的弹簧核心，该弹簧核心具有粘附到衬底的锚部分、从该锚部分延伸的悬臂部分、以及位于中心部分的远端的尖端；以及在该弹簧核心上形成的金属间化合物涂层。
全文摘要
一种弹簧结构，其中利用金属层从固溶体到金属间化合物的转变，将弹簧指弯曲成弯曲的形状或者增加该弹簧指的屈服点。该弹簧指具有粘附到衬底的锚部分，以及在该衬底表面上延伸的悬臂部分。该金属层形成该弹簧指的至少一部分。该金属层最初被制成为包含主要元素和次要元素的固溶体，退火时该固溶体转变成金属间化合物，由此产生弯曲力，使得该弹簧指的悬臂部分相对于衬底发生弯曲，并且/或者增大弯曲的悬臂部分的屈服点。使用电镀与/或溅射形成该金属层，并在释放该悬臂部分之前与/或之后进行退火。
文档编号H01L21/66GK1734737SQ20051008827
公开日2006年2月15日 申请日期2005年8月3日 优先权日2004年8月4日
发明者T·汉特舍尔, B·S·克鲁索尔 申请人:帕洛阿尔托研究中心公司