用于形状记忆合金导线的晶片级集成的方法
【专利说明】用于形状记忆合金导线的晶片级集成的方法
[0001 ] 本申请是申请日为2011年11月22日、申请号为201180066886.4的同名称申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及将形状记忆合金导线附着到基板的方法，以及包括附着到基板的形状记忆合金导线的装置。
【背景技术】
[0003]当需要高的力和功时，形状记忆合金(SMA)是在微机电系统(MEMS)中使用的有吸引力的驱动器材料。因为SMA提供的高功密度，在微尺度，SMA胜过大多数其它驱动原理一个以上的数量级，参见M.Kohl等人的 “Shape memory microactuators”，Springer，pp.23-
24,(2004)。
[0004]传统上主要有两种方法将SMA材料集成到微系统中。第一种方法是拾取和放置方法，其中所述SMA材料和所述微系统被分别制作，并且然后在随后的步骤中被组合，参见K.Skrobanek等人的 “stress-optimized shape memory microvalves，，，MEMS Proc.,PP.256-261，(1997)。这个方法具有允许体SMA材料集成的优点，所述体SMA材料是市售的并且以相对低的材料成本在宽的厚度范围中被提供。然而，SMA集成是基于每个装置级(per-device level)被实施，其产生高组装成本。第二个方法基于直接将薄NiTi膜派射沉积到微结构上，参见P.Krulevitch 等人的 “Thin film shape memory alloymicroactuators，，，J.Microelectromech.Syst., vol.5, n0.4, pp.270-82 (1996)，其具有允许晶片级加工的益处。然而，由于难的沉积可控性，该工艺在变换温度和应变的再生上被限制并且NiTi溅射沉积主要对于小于ΙΟμπι的厚度是可行的，参见S.Miyazaki等人的“Development of high-speed microactuators utilizing sputterdeposited TiN1-base shape memory alloy thin films，，，Actuator Proc.，pp.372-377(2008)。
[0005]SMA导线晶片级集成到硅微结构上具有晶片级集成和使用体SMA材料两者的益处，已经被表明用于具有极好性能的微驱动器，参见D.Clausi等人的“Design and wafer-level fabricat1n of SMA wire microactuators on silicon”，JMEMS, vol.19,n0.4(2010)。然而，还没有建立或者提出标准的制作工艺。导线的放置需要具有手工导线处理、对准和集成的专门设计的工具。相比之下，导线结合是用于电气互连的极其成熟的、节省成本的和广泛可用的后端工艺，参见W.J..Greig等人的“Integrated circuit packaging,assembly and interconnect1ns”，Springer, pp.103-128，(2007)。由于就稳定性、产量和放置准确性而言这种标准技术的非常好的可用性和高性能，以及高达每秒22个结合的速度和2μπι内的放置准确性，使用这种标准技术是非常有吸引力的。然而，由于当与例如金和招的普通导线结合材料相比时，NiTi材料的维氏硬度(Vickers hardness)高出一个数量级，NiTi SMA导线的直接导线结合是不可行的，参见K.Gall等人的“Instrumented micro-1ndentat1n of NiTi shape-memory alloys”，Acta Materialia，vol.49，n0.16,pp.3205-3217(2001)o
【发明内容】
[0006]本发明提出用于通过使用传统导线结合工具将NiTiSMA导线结合到硅基板之上的第一晶片级集成构思。
[0007]使用导线结合器的SMA导线的晶片级集成允许所述导线的快速放置和固定。不需要另外的对准步骤。因为NiTi导线的坚硬，这些导线在标准金或者铝焊盘上的直接导线结合是不可行的。本发明教导所述导线替代地通过在所述晶片上的Si夹持和锚结构被机械地固定。这些机械固定结构通过使用标准的和未修改的导线结合器，使得能够集成所述NiTi导线。
[0008]在一个锚和一个夹持结构的帮助下，所述SMA导线被机械地固定，其中每个固定对被放在所述晶片边缘的相对侧。
[0009]本发明教导虽然使用导线结合器，自由空气球通过电气放电产生，所述球然后被锚定在其锚定结构中，所述SMA导线在整个晶片区域上被馈送和导引到其第二固定结构，并且所述SMA导线被夹持在硅悬臂中间并最终通过由结合毛细管和高结合力截断所述导线而被切断。
[0010]优点
可以与根据本发明的方法和装置最相关联的优点是它提供使用标准导线结合器将SMA导线第一集成到硅基MEMS结构中。这个方法允许Ni Ti基SMA导线的快速和高效的放置、对准以及机械地附着到硅基MEMS。所述导线被机械地锚定并且夹持到晶片上的深蚀刻的硅结构中。所述放置精度是高的，具有4μπι的平均偏差，并且所述机械夹持是坚固的，允许所述SMA导线的成功驱动。
【附图说明】
[0011 ]现在将参照附图详细地描述根据本发明的方法和装置，在附图中:
图1是晶片级集成构思的图示，
图2是集成流程的截面图，
图3是锚结构的SEM图像，所述锚结构是通过在三个步骤中的组合的各向异性和各向同性的深反应离子蚀刻制作的，
图4是夹持固定的SEM图像，具有对一个夹持特征放大的视图，
图5是截断的SMA导线的SEM图像，
图6是针对SMA导线的对准精度的白光干涉测量数据的曲线图，
图7示出提出的导线固定方法的机械稳定性的验证，其中图7a是截面图，红虚线轮廓代表在热状态中的芯片，图7b示出在具有70°C温度的加热板上被轻微驱动的装置的图像，并且图7c示出在90°C时具有增加驱动的装置的图像，
图8是在基板上制备钩入(hook-1n)结构并且用于SMA导线的钩入的构思的示意性图示，
图9是SMA导线末端的挤压配合的示意和简化图示，
图10是将SMA导线末端挤压配合到由各向异性蚀刻制作的硅基板中的V凹槽中的示意和简化图示，
图11是将SMA导线末端挤压配合到弹性可变形结构中的示意和简化图示，
图12是用于机械和电气互连的在基板上具有金属里衬的SMA导线末端挤压配合的示意和简化图示，
图13是用于机械和电气互连的SMA导线末端挤压配合到在基板上具有金属里衬的V凹槽中的示意和简化图示，
图14是用于机械和电气互连的SMA导线末端挤压配合到在基板上具有金属里衬的弹性可变形结构中的示意和简化图示，
图15是自由空气球的粘性固定的示意和简化图示，
图16是将自由空气球粘性固定到V凹槽中的示意和简化的图示，
图17是自由空气球的咬接固定的示意和简化图示，
图18是使用弹簧负载的自由空气球的咬接固定的示意和简化图示，
图19是SMA导线的挤压配合的示意和简化图示，
图20是将SMA导线挤压配合到由各向异性蚀刻制作的硅基板中的V凹槽中的示意和简化图示，
图21是将SMA导线挤压配合到弹性可变形结构中的示意和简化图示，
图22是用于机械和电气互连的在基板上具有金属里衬的SMA导线的挤压配合的示意和简化图示，
图23是用于机械和电气互连的SMA导线挤压配合到在基板上具有金属里衬的V凹槽中的示意和简化图示，
图24是用于机械和电气互连的SMA导线挤压配合到在基板上具有金属里衬的弹性可变形结构中的示意和简化图示，
图25是在金属里衬挤压配合结构和SMA导线上使用球结合的附加固定的示意和简化图示，
图26是在直沟槽中SMA导线的粘性固定的示意和简化图示，
图27是在V形状的凹槽中SMA导线的粘性固定的不意和简化图不，
图28是使用第二基板作为夹持支撑，将SMA导线粘性固定在直的(a)和V形状的(b)沟槽中的示意和简化图示，
图29是使用第二基板的基于金属的结合作为夹持支撑的挤压配合结构的示意和简化图示，
图30是导线的咬接固定的示意和简化图示，
图31是使用弹簧负载的导线的咬接固定的示意和简化图示，
图32是使用导线结合器将SM