专利名称：局部结合的方法和设备的制作方法
局部结合的方法和设备背景技术本发明涉及两个或多个部件的结合(bonding),更具体地涉及两 个或多个部件结合的同时在结合的部件的表面之间维持非常小的、近 乎为零的间隙。结构的正确运行是关4建的。例如，对形成微电子才几械系统(MEMS) 装置的驱动元件的部件与形成受驱(undergoing actuation )的元件的部 件之间的距离进行限定的间隙对于装置的正确工作是关键的。图1是现有技术中已知的静电驱动微镜10的示例性视图。微镜 10被示出为包括可绕着4交接枢转的微机械镜子12,以及位于微机械镜 子12下方并位于衬底16上的静电驱动电极14。通常分别制作微镜和 衬底，并将二者结合在一起以形成最终的装置。向电极施加的电压使 镜子倾斜。因为由电极施加在镜子上的力是镜子与电极之间的间距 (separation)的敏感函数，所以将上述部件之间的间距保持为精密公 差(tight tolerance)是重要的。因此，希望将两个结合的表面之间的 距离尽可能小地维持至例如标称的零间隙。(fusion bonding )、共晶结合和阳极结合。熔融结合一般在接近700°C 的温度下进行，而共晶结合可在300。C下进行。阳极结合被限制于将 半导体材料结合至玻璃。如果部件能够被暴露的最高温度低于300。C, 例如如果部件由在高于300。C的温度处降解的材料构成，或者材料不 适于阳极结合，那么就必须采用其它的技术。可以在比熔融结合或共晶结合低得多的温度下使用粘合剂或焊料 将部件结合在一起。虽然使用粘合剂或焊料一般要求升高的温度，但 是能够根据材料的选择在低于100。C的温度下进行。使用粘合剂或焊 料的困难在于在被结合的部件之间获得可控的间距。如果在待结合的两个部件之间应用结合材料，则获得近似于零间隙的间距是不可能的， 因为需要有限量的材料来维持足够的结合强度。可选地，如果在部件 被配接之后，在外部(例如在部件的边缘)应用结合材料，则整体的 结合强度可能不足够强壮。需要这样一种方法，使用粘合剂或焊料将部件结合在一起的同时， 在部件之间获得近似于零间隙的间距。这样例如会允许以高度可控的方式制作例如如图1所示的MEMS装置，从而使性能均匀性最大。 发明内容根据本发明，通过在待结合的配接元件中的一个、全部或某些配 接元件的结合表面中形成一个或多个空腔，基本上减小了一个或多个 结合的部件的表面之间的距离。这些空腔用作结合材料的容器，并且 位于使结合局部化的位置。空腔具有足够的尺寸和形状使得其容积大 于被分配到所述空腔内的结合材料的体积。这样确保了当元件彼此接 触以配接时，在凝固成结合物(bond)之前能够流动的结合材料流入 空腔中，并且不会阻止部件的分离。这样允许待配接的部件具有标称 的零间距。 一旦凝固，结合材料在每个空腔内形成局部化的结合。可以采用各种空腔形状，如矩形、圓形或可以注入或填充有结合 材料的任何其它形状。在某些实施方式中，结合表面可以平行或垂直 于配接表面。在又一些实施方式中，在空腔中可以包含一个或多个突 起以增加结合的表面积。空腔中可并入一些部件以容纳结合材料的溢 出。结合材料可以是适用于结合的元件的任何类型的粘合剂或焊料。 在结合物硬化前，能够容易地将这种材料嵌入结合空腔中。另外，根 接本发明将可采用各种工艺(例如，蚀刻、电镀或注模)来形成结合 空腔。例如，如果部件中的一个是薄硅晶片或芯片，那么可由深反应 离子蚀刻工艺来形成空腔。光刻胶或二氧化硅层能够用作蚀刻工艺的 掩膜。能够在制作有源器件之前或之后形成空腔，或者将空腔形成整 合在装置制作过程中。在形成空腔以及将部件准备好进行结合之后，将体积受控的结合材料注入到空腔中。可以采用针管分配工艺(needle dispense process ) 或者丝网印刷工艺(screen-print process )。分配工艺必须满足两个重 要条件l)结合材料的体积必须小于其被注入的空腔的容积，以及2) 结合材料必须从配接表面中的一个突出，使得将结合材料和配接部件 压在一起时结合材料足以与配接部件接触。将结合材料注入空腔之后，在部件之间施加压力直到配接表面互 相接触。依据不同的材料要求，结合材料可以在室温或更高的温度下 固化。在固化之后，组合结构就制作完毕或准备好与另一部件结合。 结合附图对本发明进行更详细地解释。
图l是现有技术中已知的静电驱动微镜的立体图；图2A示出了根据本发明的一个实施方式的待结合的一对元件；图2B示出了根据本发明的一个实施方式的、在图2A的元件的一个中形成的空腔；图2C示出了根据本发明的一个实施方式，将结合材料分配到图2B的空腔中；图2D是根据本发明的一个实施方式的、图2C所示的元件在彼此 接触之后的横截面图；图2E是根据本发明的一个实施方式的、图2C所示的具有空腔的 结构的俯视图；图3A是根据本发明的另一个实施方式的、通过多个空腔结合的 一对元件的横截面图；图3B是根据本发明的另一个实施方式的、在其内形成多行和多 列空腔的元件的俯^L图；图3C示出了根据本发明的一个实施方式的、在结合在一起的元 件上形成的有源器件之间的电连接；图4A是根据本发明的另一个实施方式的、被堆叠和结合的三个 元件的横截面图；图4B是根据本发明的另一个实施方式的、通过多个空腔结合的一对元件的横截面图；图4C是根据本发明的又一个实施方式的、通过多个空腔结合的 一对元件的横截面图；图5A和5B是^4居本发明的另一个实施方式的、在元件中形成并 用于结合的对称空腔的横截面图和俯视图；图6A和6B是根据本发明的另一个实施方式的、在元件中形成的 空腔和芯吸隔层(wicking barrier )的横截面图和俯视图；图7是根据本发明的另一个实施方式的、图6A的空腔和芯吸隔 层的放大视图；图8A是根据本发明的另一个实施方式的一对元件的横截面图， 这一对元件被结合以对在元件中的一个的内部区域中形成的一个或多 个装置进行密封；图8B是根据本发明的另一个实施方式的、包括有源器件的图8A 的元件的俯^L图。
具体实施方式
根据本发明，结合在一起的一个或多个部件的表面之间的距离基 本上被减小到基本为零间隙的程度。尽管参考MEMS装置给出了以下 描述，但是本发明同样地适用于其它微结构(例如，半导体芯片、微 流体装置以及其它类型的混合结构)，在这些微结构中，在将部件结合 为使配接表面之间具有近似为零(例如，若干原子层)的间距以及使 结合局部化方面具有实质性的提高或优点。例如，这种技术可用于多 个集成电路芯片的结合以形成混合芯片堆叠(hybrid chip stack )。还应 理解结合表面可以是或不是共面的。因此，只要结合表面具有匹配的 形状并且能够彼此接近，那么就可以实施本发明。为了实现近似为零间隙的结合，在待结合的元件中的一个、全部 或某些元件的结合表面中形成一个或多个空腔。如下文进一步描述， 这些空腔用作结合材料的容器，并且位于使结合局部化的位置。空腔 具有足够的尺寸和适当的形状，使得其容积大于形成结合物的结合材 料的体积。这样确保了当元件彼此接触以配接时，在凝固成结合物之前能够流动的结合材料流入空腔中，并且不会阻止部件的分离。这样 允许待配接部件具有标称为零的间距。 一旦凝固，结合材料在相对的 表面与每个空腔内的壁之间形成局部的结合。图2A示出了根据本发明的一个实施方式的待结合的一对元件100 和102。为了结合元件100和102，首先，如图2B所示，在元件中的 一个(例如，元件102)中形成空腔104。然后，如图2C所示，将材 料106分配到空腔104中。空腔104具有比被分配到其内的结合材料 106的体积大的容积。接着，如图2D所示，使元件100和102彼此接 触。接触行为使元件100和102通过结合材料106形成结合。图2E 是在接纳被分配到空腔104中的结合材料106之后的元件100的俯视 图。如上所述，空腔104具有足够的尺寸和形状，以具有比形成结合 物的结合材料106的体积大的容积，从而确保了当元件100、 102被配 接在一起时，在凝固成结合物之前能够流动的结合材料流入空腔中， 并且不会阻止元件100和元件102的分离。图3A是根据本发明的另一个实施方式的通过多个空腔204结合 的元件200和元件202的4黄截面图。以上文关于图2A-2E描述的相同 方式，在元件202中形成这些空腔，并且这些空腔接纳适当量的结合 材料206。然后，如上所述，使元件200和202彼此接触，以发生结 合行为。图3B是具有被排列为3行和6列的示例性的18个空腔的元 件202的俯^L图。图4A是根据本发明的另一个示例性实施方式的彼此结合的元件 300、 302和320的堆叠的冲黄截面图。元件300和元件302 #皮示出为通 过多个第一空腔304彼此结合，元件302和元件320一皮示出为通过多 个第二空腔314彼此结合。每个空腔用于两个结合的元件之间的局部化的结合。如图3A、 3B 和4A所示，空腔可被分布在部件的表面上以使整体的附接强度最大。 空腔可被随机地排列或分布。有源器件可与空腔相互交错，或者可位于由空腔围绕的集中区域12生在结合的表面上。例如，参照图3C，有源器件270可被电连接至在 元件252中形成的导线266。通过嵌入在沟槽262中的结合材料254 结合元件252和元件250,在垫256与垫258之间形成电连接。由于 垫256与金属线266接触以及垫258与金属线268接触，因此装置270 也与金属线268电连通。可以采用各种不同的空腔形状，例如矩形、圓形或可以注入或填 充有结合材料的任何其它形状。在图2A至2C (共同称为图2)、图 3A至3C (共同称为图3)和图4A所示的实施方式中，结合材料到达 其各个空腔的底面，即，结合表面平行于共面的配接表面。图4B是根据本发明的又一个实施方式的通过多个空腔244结合 的元件240和元件242的4黄截面图。在图4B所示的实施方式中，结 合材料246没有到达各个空腔的底面，即，结合表面垂直于共面的配 接表面248。在又一些实施方式中，待结合的元件中的一个包括设置在空腔中 的一个或多个突起以增加结合的表面积。例如，如图4C所示，元件 260被示出为包括设置在元件262中形成的空腔264中的三个突起 268、 270和272。这些空腔增加了结合材料266的表面积。图5A是通过4皮分配到在元件402中形成的空腔404中的结合材 料406而结合的元件400和元件402的横截面图。图5B是空腔404 和结合材料406的俯视图。空腔404的延伸部(extensions ) 408容纳 结合材料406的溢出。图6A是根据本发明的结合在一起的元件500和502的横截面图。 除了空腔504以外，元件502还包括芯吸隔层(wicking barrier ) 508。 由于公知的毛细力的作用，可能会发生将结合材料吸入分隔两个元件 的极小空间中的现象。芯吸隔层508打破了材料流的表面张力，从而 防止结合材料流出隔层之外。图7是图6A所示的空腔504和芯吸隔层508的》文大^L图。如该 图所示，被吸出空腔504的结合材料506在芯吸隔层508的边缘处被 阻挡。图6B是元件504的俯视图，其中示出了空腔404的外围、芯 吸隔层508和结合材料506。图8A是根据上述实施方式中的任一个，通过嵌入在空腔606中 的结合材料604而结合的元件600和元件602的横截面图。图8B是 元件602的俯视图。如图8B所示，结合材料604和空腔606围绕包 括一个或多个有源器件(未示出)的内部区域608。换言之，内部区 域608由结合物完全密封。这些实施方式可适用于在内部区域608中 形成的有源器件需要被密封或被密封在真空环境中的应用。由于结合 物是连续的，因此形成了防泄漏密封(leak-tight seal )。结合材料可以是适用于与结合的部件一起使用的任何类型的粘合 剂或焊料。能够在结合物变硬之前容易地将这些材料引入结合空腔中。 另外，可采用各种工艺(例如，蚀刻、电镀或注模)来形成结合空腔， 以根据本发明结合两个或多个装置。例如，如果部件中的一个是薄硅 晶片或芯片，那么可由深反应离子蚀刻工艺来形成空腔。光刻胶或二 氧化硅层可用作蚀刻工艺的掩膜。在制作有源器件之前或之后形成空 腔，或者将空腔形成整合到装置的制作过程中。在形成空腔以及将部件准备好进行结合之后，将体积受控的结合 材料注入到空腔中。可以采用针管分配工艺或者丝网印刷工艺。分配 工艺必须满足两个重要条件1 )结合材料的体积必须小于其被注入的 空腔的容积，以及2)结合材料必须从配接表面中的一个突出，使得 如图2C所示当结合材料和配接部件被配接时，结合材料能够接触配 接部件。在分配结合材料之后，在部件之间施加压力直到配接表面互相接 触。根据材料要求，结合材料可以在室温或更高的温度下固化。在固 化之后，组合的结构就制作完毕或准备好与另一部件结合。效是可能的。本发明并不受空腔的高度、宽度或形状的限制。本发明 也不受所述空腔的数目的限制。本发明不受用于形成空腔的任何具体 工艺步骤的限制。本发明不受所使用的结合材料的限制。本发明可用 于MEMS或任何其它的微结构或装置。根据本公开，其它的增加、减 少或修改是显而易见的，并且会落在所附权利要求书的范围内。权利要求
1.一种微结构，包括第一元件；以及第二元件，通过被分配到在所述第二元件中形成的空腔中的结合材料而结合至所述第一元件，其中，所述空腔具有比被分配到其中的所述结合材料的体积大的容积。
2. 如权利要求1所述的微结构，
3. 如权利要求1所述的微结构， 入所述空腔中的一个或多个突起。
4. 如权利要求1所述的微结构， 与所述第二元件的配接表面共面。
5. 如权利要求1所述的微结构， 所述空腔中的一个或多个突起。
6. 如权利要求1所述的微结构， 述空腔的芯吸隔层。其中，所述空腔具有柱形。 其中，所述第一元件包括适于插其中，所述第一元件的配接表面其中，所述第一元件包括设置在其中，所述第二元件包括靠近所
7. —种微结构，包括 第一元件；以及第二元件，通过多个结合材料结合至所述第一元件，每个结合材 料被分配到在所述第二元件中形成的多个空腔的不同一个中，其中， 所述空腔中的每一个具有比被分配到其中的所述结合材料的体积大的容积。
8. 如权利要求7所述的微结构，其中，所述多个空腔沿着行和列
9. 如权利要求7所述的微结构，其中，所述第二元件包括多个芯吸隔层，每个芯吸隔层与所述空腔中的一个靠近且相关联。
10. 如权利要求7所述的微结构，其中，所述第一元件的配接表 面与所述第二元件的配接表面共面。
11. 如权利要求7所述的微结构，其中，所述第一元件包括适于 插入所述第二元件的所述空腔的至少一个中的一个或多个突起。
12. —种微结构，包括 第一元件；第二元件，通过多个第一结合材料而结合至所述第一元件，每个 第一结合材料被分配到在所述第二元件的第一表面上形成的多个第一 空腔的不同一个中；以及第三元件，通过多个第二结合材料结合至所述第二元件的第二表 面，每个第二结合材料被分配到在所述第三元件的第一表面上形成的 多个第二空腔的不同一个中。
13. 如权利要求12所述的微结构，其中，所述多个第一空腔和所 述多个第二空腔中的每一个具有任意的形状。
14. 如权利要求12所述的微结构，其中，所述第二元件包括多个 第一芯吸隔层，所述多个第一芯吸隔层的每一个与所述多个第一空腔 中的一个靠近且相关联，所述第三元件包括多个第二芯吸隔层，所述 多个第二芯吸隔层中的每一个与所述多个第二空腔中的一个靠近且相关联。
15. 如权利要求12所述的微结构，其中，所述第一元件的配接表面与所述第二元件的第一表面共面，以及所述第三元件的配接表面与 所述第二元件的第二表面共面。
16. 如权利要求12所述的微结构，其中，所述第一元件包括适于 插入所述第二元件的所述空腔的至少一个中的一个或多个突起。
17. 如权利要求16所述的微结构，其中，所述第二元件包括适于插入所述第三元件的所述空腔的至少一个中的一个或多个突起。
18. —种微结构，包括第一元件，具有形成于其内的空腔，并围绕一区域；以及 第二元件，通过嵌入所述空腔中的结合材料而结合至所述第一元件。
19. 如权利要求18所述的微结构，其中，被围绕的所述区域包括 一个或多个有源微器件。
20. —种在第一元件与第二元件之间形成结合的方法，所述第一 元件和所述第二元件是微结构元件，所述方法包括在所述第一元件中形成空腔； 在所述空腔中分配结合材料；以及在所述第二元件与所述第一元件之间形成接触，以使得所述结合 材料与所述第一元件和所述第二元件直接接触，其中，所述空腔具有 比被分配到其中的所述结合材料的体积大的容积。
21. 如权利要求20所述的方法，其中，所述空腔具有柱形。
22. 如权利要求20所述的方法，其中，所述空腔具有比被分配到 其内的所述结合材料的体积大的容积。
23. 如权利要求20所述的方法，进一步包括形成与所述空腔邻近的芯吸隔层。
24. 如权利要求20所述的方法，其中，所述第一元件的配接表面 与所述第二元件的配接表面共面。
25. 如权利要求20所述的方法，其中，所述第一元件包括适于插 入所述空腔中的一个或多个突起。
26. —种在第一元件与第二元件之间形成结合的方法，所述第一 元件和所述第二元件是微结构元件，所述方法包括在所述第一元件中形成多个空腔； 在所述多个第一空腔的每一个中分配结合材料；以及 在所述第二元件与所述第 一元件之间形成接触，以使得每个空腔 中的所述结合材料与所述第一元件和所述第二元件直接接触，其中， 所述多个空腔中的每一个具有比被分配到其中的所述结合材料的体积 大的容积。
27. 如权利要求26所述的方法，其中，所述多个空腔沿着行和列 被排列。
28. 如权利要求26所述的方法，进一步包括 形成多个芯吸隔层，每个芯吸隔层与所述多个空腔中的不同一个靠近且相关联。
29. 如权利要求26所述的方法，其中，所述第一元件的配接表面 与所述第二元件的配接表面共面。
30. 如权利要求26所述的方法，其中，所述第一元件包括适于插 入所述空腔中的一个或多个突起。
31. —种在第一元件、第二元件和第三元件之间形成结合的方法，所述方法包括在所述第一元件中形成一个或多个空腔；在所述一个或多个空腔中的每一个中分配结合材料；以及在所述第二元件与所述第 一元件之间形成接触，以使得所述一个 或多个空腔的每一个中的所述结合材料与所述第一元件和所述第二元 件直接接触；在所述第三元件中形成一个或多个空腔；在所述第三元件中的所述一个或多个空腔的每一个中分配结合材 料；以及在所述第三元件与所述第一元件之间形成接触，以使得所述第三 元件的所述一个或多个空腔的每一个中的所述结合材料与所述第一元 件和所述第三元件直接接触。
32.如^L利要求31所述的方法，其中，所述第一元件或所述第三 元件的所述空腔中的每一个具有任意的形状。
33.如权利要求31所述的方法，进一步包括形成与所述第一元件的一个或多个空腔靠近且相关联的一个或多 个第一芯吸隔层；以及形成与所述第三元件的一个或多个空腔靠近且相关联的一个或多 个第二芯吸隔层。
34.如权利要求31所述的方法，其中，所述第一元件的配接表面 与所述第二元件的第 一表面共面，所述第三元件的配接表面与所述第 二元件的第二表面共面。
35.如权利要求31所述的方法，其中，所述第一元件包括适于插 入所述第二元件的所述空腔的至少一个中的一个或多个突起。
36.如权利要求31所述的方法，其中，所述第二元件包括适于插 入所述第三元件的所述空腔的至少一个中的一个或多个突起。
37. —种密封被围绕的区域的方法，所述方法包括 沿着第 一元件的边缘形成空腔，所述空腔限定出待密封的所述被 围绕的区域；以及通过嵌入所述空腔中的结合材料将第二元件结合至所述第一元件。
38.如权利要求37所述的方法，进一步包括在进行结合之前，在所述被围绕的区域中形成一个或多个有源微器件。
全文摘要
在待结合的元件中的一个、全部或某些元件的结合表面中形成一个或多个空腔。这些空腔用作结合材料的容器，并且位于使结合局部化的位置。空腔具有足够的尺寸和形状使得其容积大于形成结合物的结合材料的体积。这样确保了当元件彼此接触以被配接时，在凝固成结合物之前能够流动的结合材料流入空腔中，并且不会阻止部件的分离。这样允许部件被配接为具有标称的零间距。一旦凝固，结合材料在每个空腔内形成局部化的结合。可以采用不同的空腔形状，如矩形、圆形或能够注入或填充有粘合材料的任何其它形状。
文档编号H01L21/00GK101617387SQ200780042408
公开日2009年12月30日 申请日期2007年11月13日 优先权日2006年11月14日
发明者亚历山大·P·金德沃, 安德烈斯·费尔南德斯, 布赖恩·P·斯泰克, 温沙·E·欧文斯 申请人:格雷姆格拉斯网络公司