(57)【要約】微小電気機械アクチュエータは、ホットアームに金属を使用し、コールドアームの少なくとも可撓部分にシリコンを使用する。シリコンで製作されたコールドアームは、それと共に移動し、そのようなアクチュエータの少なくとも２つがスイッチに形成される場合、切り替えられるべき信号を伝送するために使用される金属ワイヤに結合される。第１のチップ上のそのようなスイッチのアレイは、第１のチップに接合されるフリップチップである第２のチップと協同して構成することができ、第２のチップは、その上に、様々なホットアームを加熱するためのそれらへの電気制御電流、ならびに様々なスイッチによって切り替えられるべき信号を経路選択するワイヤを有する。
2010502465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の微小電気機械アクチュエータを含む装置であって、少なくとも部分的に金属で製作された第１のホットアームと、シリコンで製作される可撓部分を有し、前記第１のホットアームに結合される第１のコールドアームとを含む装置。
【請求項２】
前記第１のホットアームが加熱され、その形状を変化させると、前記第１のコールドアームがその静止位置から変位するように、前記コールドアームが前記ホットアームに結合される、請求項１に記載の発明。
【請求項３】
前記コールドアームが、前記コールドアームの一方の端部で基板に結合され、前記コールドアームが、前記コールドアームの他方の端部で前記ホットアームに結合される、請求項２に記載の発明。
【請求項４】
前記コールドアームと調和して移動するように構成され、その静止位置から移動されるとき本質的に復元力を与えない金属ワイヤを前記アクチュエータがさらに含む、請求項１に記載の発明。
【請求項５】
前記アクチュエータがスイッチの一部であり、前記金属ワイヤが、前記スイッチによって切り替えられるべき信号を伝送するように構成される、請求項４に記載の発明。
【請求項６】
前記金属ワイヤが少なくとも部分的に前記コールドアームに取り付けられる、請求項４に記載の発明。
【請求項７】
前記金属ワイヤが前記コールドアームの前記可撓部分に取り付けられない、請求項６に記載の発明。
【請求項８】
前記第１のホットアームが加熱され、その形状を変化させると、前記第１のコールドアームがその静止位置から変位するように、前記コールドアームが前記ホットアームに結合される、請求項１に記載の発明。
【請求項９】
前記第１のアクチュエータが、前記第１のコールドアームに結合された第１の金属ワイヤをさらに含み、前記装置が第２の微小電気機械アクチュエータをさらに含むスイッチの一部であり、
第２の微小電気機械アクチュエータが、
少なくとも部分的に金属で製作された第２のホットアームと、
シリコンで製作される可撓部分を有し、前記第２のホットアームに結合される第２のコールドアームと、
前記第２のコールドアームに結合される第２の金属ワイヤと
を含み、
前記第１および第２の金属ワイヤが電気接触している少なくともある位置と、電気接触していない別の位置に前記第１および第２の金属ワイヤが維持され得るように、前記第１および第２の微小電気機械アクチュエータが構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項１０】
前記第１および第２のアクチュエータが第１のチップ上に製作され、前記装置が
前記第１のチップに取り付けられた第２のチップフリップチップをさらに含み、前記第２のチップが、（ｉ）各々が前記第１および第２のホットアームのそれぞれのものを加熱するための電流に導電性経路を与えるように構成される複数の制御ワイヤと、（ｉｉ）少なくとも（ｉ）前記第１および第２のホットアームならびに（ｉｉ）前記第１のチップ上の前記第１および第２のワイヤにそれぞれ結合される複数の信号ワイヤとを含み、前記スイッチによって前記第１のチップ上で制御可能に切り替えられる信号に導電性経路を与えるように、前記複数の信号ワイヤの前記各々が構成される、請求項９に記載の発明。
【請求項１１】
前記信号ワイヤの各々が、前記第１のチップ上の前記第１および第２の金属ワイヤのそれぞれのものに結合される、請求項１０に記載の発明。
【請求項１２】
第１のチップ上に第１の微小電気機械アクチュエータを形成する方法であって、
シリコンからコールドアーム可撓部分を形成するステップと、
少なくとも部分的に金属で製作されるホットアームを形成するステップと、
前記コールドアーム部分を前記ホットアームに結合するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リレーなどのマイクロスイッチに特に有用であるマイクロアクチュエータに関し、より詳細には、そのようなマイクロアクチュエータを使用するロッキング・マイクロスイッチのアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は標準半導体プロセスを使用して構築された非常に小さい移動可能な機械構造体である。ＭＥＭＳはアクチュエータとして機能するように構成することができ、それは多くの用途で有用である。これらのアクチュエータは、一般に数百ミクロンの長さと、しばしばわずか数十ミクロンの幅とを有する。ＭＥＭＳアクチュエータは、通常、カンチレバー様式で構成および配置され、カンチレバーは基板に取り付けられた端部と反対側の自由端部とを有し、自由端部は、一方が中立位置であり、他方が湾曲位置である少なくとも２つの位置の間で移動可能である。
【０００３】
ＭＥＭＳアクチュエータの１つの可能な使用法はそれらをスイッチとして構成することである。これらのスイッチはロッキング・スイッチ、すなわちリレーとすることができる。これらのスイッチは少なくとも１つのアクチュエータで製作される。多数のアクチュエータの場合、それらは、アクチュエータを組み合わせることによって、それらのパーツの１つを他方の同様のパーツに接続するかまたは開放するように順に操作される。それらは非常に小さいので、極めて多数のＭＥＭＳスイッチを単一チップ上に設けることができる。
【０００４】
ＭＥＭＳスイッチは多くの利点がある。とりわけ、それらは安価で前述のように非常に小さくすることができる。一般に、それらの電力消費は最小であり、それらの応答時間は非常に短く、例えばＭＥＭＳスイッチを閉じるまたは開くための完全なシーケンスをわずか数ミリ秒とすることができる。
【０００５】
典型的なアクチュエータは１対のアームに基づいており、一方はいわゆる「コールド」アームであり、他方はいわゆる「ホット」アームであり、両方は一方の端部を基板上の層に固定され、反対側の端部を一緒に強固に連結される。ホットアームは、一般に、開端部の２つのアンカーからコールドアームの端部の周りの閉端部まで延びる開放端狭ワイヤ・ループである。さらに、一般に、ホットアームおよびコールドアームは電気的に分離される。スイッチ接点は、一般に、コールドアームに取り付けられ、梁を連結する場所の近くに配置される。
【０００６】
アームの撓みは、ホットアームを基板に固定する「アンカーパッド」と呼ばれる対の端子間に電位差を印加することによって開始される。電位差はアクチュエータ用の制御信号である。電位差は、ホットアームに電流流れを引き起し、ジュール加熱によってその温度を上昇させる。この加熱により、最終的に、使用されている材料に応じてホットアームの部分が収縮または伸長する。現在、ホットアーム用に選択される材料は、大きい熱膨脹係数、妥当な導電性、電気めっき技法による製作の容易さのためニッケル合金である。コールドアームは故意に加熱されず、したがってサイズが変化しない場合は、加熱前に最初は同じサイズであったホットアームおよびコールドアームの梁のサイズにもたらされた差異が、アームが連結されている端部で横変位を生成する。
【０００７】
アクチュエータは、設計に応じて、１つまたは複数のホットアームならびに１つまたは複数のコールドアームを有することができる。そのようなアクチュエータは選択的に開くおよび閉じることができるスイッチを形成するように構成される。
【０００８】
１つの例示的なそのようなアクチュエータが、参照によりあたかも完全に本明細書に記載されているように組み込まれている、２００２年６月１８日にＷｏｏｄらに発行された米国特許第６，４０７，４７８号に開示されている。Ｗｏｏｄらは、温度に反応する１つまたは複数の梁部材を有する微小電気機械デバイスを使用する簡単化されたスイッチおよびスイッチングアレイも開示している。例えば、微小電気機械デバイスは、アンカーに接続されたそれぞれの第１の端部を有し、さらに、例えば、アンカーと反対側の端部の近くで一緒に接続されている第１および第２の梁部材を含む。したがって、それらを一緒に接続することによって、第１および第２の梁部材はループを形成する。第１および第２の梁部材は第１のテザー・アンカーによって誘電体テザーに接続される。微小電気機械デバイスは、アンカーに接続され、第２のテザー・アンカーによって誘電体テザーに接続される第１の端部を有する第３の梁部材をさらに含む。第１および／または第２の梁部材が第３の梁部材の温度よりも高い温度まで加熱されると、第１および第２の梁部材の少なくとも一方が伸長するように構成される。したがって、第１および第２の梁部材はホットアームを形成し、一方、第３の梁部材はコールドアームである。２つの梁部材の一方または両方を加熱するための制御電流を伝送するために２つの梁部材を使用することによって、微小電気機械デバイスは、第１および第２の梁部材によって画定された制御信号経路を第３梁部材によって画定された負荷信号経路から電気的に分離することができる。そのようなアクチュエータは当技術分野で「ヒーチュエータ（ｈｅａｔｕａｔｏｒ）」として知られている。
【０００９】
微小電気機械ラッチング・スイッチ、すなわちリレーは、基板に取り付けられた１対のスイッチ接触部および前述の第１および第２のアクチュエータを使用して形成することができる。第１のアクチュエータは、基板に接続される第１の端部を有し、それに接続される接触部を有する。第１のアクチュエータは、接触部に取り付けられる第１のタブをさらに含む。第１のアクチュエータは電流に応じて撓むように操作できる。第２のアクチュエータは、基板に接続される第１の端部を有し、それに接続される第２のタブを有する。第２のアクチュエータは電流に応じて撓むように操作できる。対のスイッチ接触部と第２のタブとの間で第１のタブが第２のタブに係合するとき、接触部が対のスイッチ接触部を電気的に接続するように第１および第２のアクチュエータは位置決めされる。さらに、対のスイッチ接触部と第１のタブの間で第２のタブが第１のタブに係合するとき、接触部は対のスイッチ接触部を電気的に接続しない。そのようなリレーのアレイを同様に単一の基板上に形成することができる。
【００１０】
参照によりあたかも完全に本明細書に記載されているように組み込まれている、ＩＳＢＮ：０−７８０３−８４６０−１、ＩＮＳＰＥＣ受入番号：８２９１９５７、およびデジタルオブジェクト識別子：１０．１１０９／ＨＯＬＭ．２００４．１３５３１２１を有するＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ，２００４，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ５０ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｈｏｌｍ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ２２ｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ、２２２〜２２５ページ、２００４年９月２０〜２３日で刊行され、２００４年１１月０８日１７：３０：４８．０にオンラインで公表されたＡｇｒａｗａｌによるＡ  Ｌａｔｃｈｉｎｇ  ＭＥＭＳ  Ｒｅｌａｙ  ｆｏｒ  ＤＣ  ａｎｄ  ＲＦ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓも参照されたい。
【００１１】
参照によりあたかも完全に本明細書に記載されているように組み込まれている、２００６年５月２日にＭｅｎａｒｄらに発行された米国特許第７，０３６，３１２号は、基板上に取り付けられたＭＥＭＳカンチレバー・アクチュエータを開示しており、アクチュエータは、２つの隔てられた部分を有する細長いホットアーム部材であって、各部分が基板に接続された対応するアンカーパッドを一方の端部に備え、２つの部分がアンカーパッドの反対側にある共通端部で一緒に接続される細長いホットアーム部材と、ホットアーム部材に隣接し、実質的に平行である細長いコールドアーム部材であって、一方の端部で基板に接続されたアンカーパッドを有し、そのアンカーパッドの反対側にある自由端部を有するコールドアーム部材と、ホットアーム部材とコールドアーム部材とを機械的に結合し、かつそれらを電気的に独立にしておくために、ホットアーム部材の部分の共通端部およびコールドアーム部材の自由端部にわたって取り付けられた誘電体テザーとを含む。
【００１２】
スイッチのアレイで使用されるアクチュエータの様々な要素ならびに切り替えられるべき信号は、基板上に、しかしアクチュエータが形成される層より下に形成された層のワイヤで一般に経路選択される。その結果、アクチュエータは、その処理がワイヤを破壊しない材料で形成されなければならない。残念ながら、高温処理はそのようなワイヤを破壊することになる。したがって、低温処理が一般に使用され、したがって、例えば、Ａｇｒａｗａｌの論文に記載されているように、アクチュエータのホットアームおよびコールドアームは一般に金属、例えばニッケルで、例えばよく知られている成形技法およびめっき技法を使用して形成される。
【００１３】
金属は良好な導電性の性質を有し、したがってそのようなスイッチによって切り替えられるべき信号用の電気導体として使用するのに好適である。さらに、金属の熱膨張は比較的高く、それが加熱の際金属を強く撓ませ、したがってホットアームとして使用するのに極めて好適である。しかし、不利なことには、金属はいわゆる「クリープ」があり、それは、形状を歪ませている金属への力が除去されるとき金属を元の形状に戻すための金属の復元力に関する性質の減退を意味する。
【００１４】
対照的に、シリコンはクリープがないが、比較的高い抵抗を有し、それがそのようなスイッチによって切り替えられるべき信号用の電気導体としてシリコンを使用するのを不適切にしている。さらに、シリコンは、そこから要素を形成する処理に高温を必要とし、そのような高温処理は下にあるワイヤに不利である。結局、シリコンの熱膨張は金属と比較してかなり限定され、シリコンは加熱に際して一般に使用される金属ほど強く撓まず、したがってシリコンはホットアームとして使用に比較的適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
米国特許第６，４０７，４７８号
米国特許第７，０３６，３１２号
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】「Ａ  Ｌａｔｃｈｉｎｇ  ＭＥＭＳ  Ｒｅｌａｙ  ｆｏｒ  ＤＣ  ａｎｄ  ＲＦ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ａｇｒａｗａｌ、ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ，２００４，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ５０ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｈｏｌｍ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ２２ｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ、２２２〜２２５ページ、２００４年９月２０〜２３日、ＩＳＢＮ：０−７８０３−８４６０−１、ＩＮＳＰＥＣ  Ａｃｃｅｓｓｉｏｎ  Ｎｕｍｂｅｒ：８２９１９５７、Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｏｂｊｅｃｔ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ：１０．１１０９／ＨＯＬＭ．２００４．１３５３１２１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記した、金属とシリコンの長所と短所をうまく利用したＭＥＭＳアクチュエータを提供すること。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前述の状況から、本発明者は、本発明の原理により、ホットアームに金属を使用し、コールドアームの少なくとも可撓部分にシリコンを使用することによってそのような従来技術のアクチュエータの制限を避ける微小電気機械アクチュエータを製作することができることを認識した。本発明の態様によれば、シリコンで製作されたコールドアームは、それと共に移動し、そのようなアクチュエータの少なくとも２つがスイッチに形成される場合、切り替えられるべき信号を伝送するために使用される金属ワイヤに結合される。本発明のさらなる原理によれば、第１のチップ上のそのようなスイッチのアレイは、第１のチップに接合されるフリップチップである第２のチップと協同して構成することができ、第２のチップは、その上に、様々なホットアームを加熱するためのそれらへの電気制御電流、ならびに様々なスイッチによって切り替えられるべき信号を経路選択するワイヤを有する。
【００１９】
有利には、例えばホットアームが加熱されるときホットアームはコールドアームを曲げるのに十分な力を与え、さらにホットアームが冷却するとき元の位置にコールドアームが復元するのを妨げないために十分に柔軟であるように適切に設計される場合、そのようなアクチュエータは、ある期間にわたって本質的に変化しないシリコンによって与えられる復元力のためにクリープがない。さらに有利には、１）様々なホットアームを加熱するためのそれらへの電気制御電流、ならびに様々なスイッチによって切り替えられるべき信号を経路選択するための導体は、独立して製作される第２のチップ上にあり、２）各ホットアームを構成するワイヤ、およびコールドアームに結合され、切り替えられるべき信号を伝送する各ワイヤなどの第１のチップ上のいかなるワイヤも、シリコン処理が完了した後に第１のチップ上に製造することができるので、コールドアームを形成するためにのみ必要であるシリコンの高温処理は、スイッチで使用される金属の処理から分離される。さらに有利には、切り替えられるべき信号を伝送するためにコールドアーム自体ではなくコールドアームに関連したワイヤを使用するので、コールドアームをシリコンで製作し、それによってクリープを除去することが可能になるが、さらに信号ワイヤは低いインピーダンスを有することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の原理に従って、ホットアームに金属を使用し、コールドアームの少なくとも可撓部分にシリコンを使用する例示的なＭＥＭＳアクチュエータを形成するのに使用される１つのチップの平面図である。
【図２】本発明の原理に従って、図１のチップに取り付けられ、図１のＭＥＭＳアクチュエータに電気的に結合されるフリップチップである例示的な第２のチップの３次元透視図である。
【図３】本発明の原理に従って、図１のチップに取り付けられ、図１のＭＥＭＳアクチュエータに電気的に結合されるフリップチップである例示的な第２のチップの側面図である。
【図４】スイッチを形成するのに使用される２つのアクチュエータの平面図である。
【図５】単一チップ上に形成された図４のスイッチのアレイを示す図である。
【図６】図１の例示的なＭＥＭＳアクチュエータを形成するために、様々なプロセスのうちの１つが行われた後の平面図である。
【図７】図１の例示的なＭＥＭＳアクチュエータを形成するために、様々なプロセスのうちの１つが行われた後の平面図である。
【図８】図１の例示的なＭＥＭＳアクチュエータを形成するために、様々なプロセスのうちの１つが行われた後の平面図である。
【図９】図１の例示的なＭＥＭＳアクチュエータを形成するために、様々なプロセスのうちの１つが行われた後の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
下記は単に本発明の原理を示す。したがって、本明細書に明白には記述されず図示されていないが、本発明の原理を具現し、その趣旨および範囲内に含まれる様々な構成を当業者が考案できることが理解されよう。さらに、本明細書に記載された例および条件付き用語は全て、主に、明確に、読者が本発明の原理と本発明者によって技術の促進に寄付された概念とを理解するのを援助する教育的な目的のためだけのものであり、そのような詳細に記載された例および条件に限定されることのないものであると解釈されるべきである。さらに、本発明の原理、態様、および実施形態ならびに本発明の特定の例を記載する本明細書の説明は全て本発明の構造的および機能的な等価物を共に包含するものである。さらに、そのような等価物は、現在既知の等価物、ならびに将来開発される等価物、すなわち構造にかかわらず同じ機能を行う開発されたあらゆる要素の両方を含むものである。
【００２２】
したがって、例えば、本明細書のいずれのブロック図も本発明の原理を具現する例示的な回路の概念図を表すことが当業者なら理解されよう。同様に、あらゆる流れ図、フローダイヤグラム、状態遷移図、擬似コードなどは様々なプロセスを表し、それらは、コンピュータ読み取り可能な媒体内で実質的に示され、したがって、コンピュータまたはプロセッサが明白に示されていてもいなくてもコンピュータまたはプロセッサによって実行され得ることが理解されよう。
【００２３】
本出願の特許請求の範囲において、特定の機能を行う手段として示されたいかなる要素もその機能を行うあらゆる方法を包含するものである。これは、例えば、ａ）その機能を行う電気的または機械的な要素の組合せ、またはｂ）機能を行うためのソフトウェアを実行する適切な回路、ならびにもしあればソフトウェア制御型回路に結合された機械的な要素と組み合わせられる任意の形態の、したがってファームウェア、マイクロコードなどを含む、ソフトウェアを含むことができる。そのような特許請求の範囲によって定義される本発明は、様々な記載された手段によって与えられる機能が、特許請求の範囲が要求するように組み合わされ一緒にされるということに帰する。したがって、出願人は、それらの機能性を与えることができるあらゆる手段を本明細書に示されたものの等価物であると見なす。
【００２４】
本明細書で明白な指示がない限り、図は原寸に比例して描かれていない。
【００２５】
本明細書に使用される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスという用語は、ＭＥＭＳデバイスの全体またはそれの任意の一部を意味するものである。したがって、ＭＥＭＳデバイスの一部が機能しない場合、またはＭＥＭＳデバイスの一部が閉塞される場合、それにもかかわらずそのようなＭＥＭＳデバイスは本開示の目的のＭＥＭＳデバイスであると見なされる。
【００２６】
説明では、図の異なるものにおいて全く同様に番号付けされた構成要素は同じ構成要素を指す。
【００２７】
図１は、本発明の原理に従って、ホットアームに金属を使用し、コールドアームの少なくとも可撓部分にシリコンを使用する例示的なＭＥＭＳアクチュエータ１００を形成するのに使用される１つのチップの平面図を示す。さらに、本発明の態様によれば、シリコンで製作されたコールドアームは、それと共に移動し、そのようなアクチュエータの少なくとも２つがスイッチに形成される場合、切り替えられるべき信号を伝送するために使用される金属ワイヤに結合される。図１に、ａ）ホットアーム１０１、ｂ）ホットアーム・アンカー１０３、ｃ）コールドアーム１０５、ｄ）金属信号ワイヤ１０７、ｅ）誘電体テザー１０９、ｆ）アンダーバンプ金属化パッド１１１、ｇ）コールドアーム・アンカー１１３、およびｈ）チップ１１５から構成された例示的なＭＥＭＳアクチュエータ１００が示される。
【００２８】
本発明の一態様によれば、ホットアーム１０１は、それを電流が通過すると加熱する金属ワイヤである。一般に、ホットアーム１０１は、他の材料が使用されてもよいが、ニッケル・ベースの金属で形成される。加熱されると、ニッケル・ベースの金属は伸長する傾向があるが、伸長ではなく収縮する他の材料を使用してもよい。概念的には、ホットアーム１０１は、誘電体テザー１０９の近くで接する２つの部分１０１−１および１０１−２を含む。ホットアーム１０１は、金属の連続的な単一片または様々なセグメントで製作することができることに留意されたい。ホットアーム１０１が加熱されるときそれがコールドアーム１０５を曲げるのに十分な力を与え、さらにホットアーム１０１が冷却するとき元の位置にコールドアーム１０５が復元するのを妨げないために十分に柔軟であるようにホットアーム１０１は設計される。
【００２９】
ホットアーム部分１０１−１はホットアーム・アンカー１０３−１に結合され、同様に、ホットアーム部分１０１−２はホットアーム・アンカー１０３−２に結合される。ホットアーム・アンカー１０３はホットアーム１０１をチップ１１５の層に固定するが、ホットアーム１０１が自由に移動できるようにしておく。ホットアーム・アンカー１０３は、一般に、ホットアーム１０１を製作するのに使用されるものと同じ材料で、例えばニッケル・ベースの材料で製作される。制御および信号ワイヤ（図示せず）を保持しており、アンカー１１１および１１３上のはんだバンプを使用してチップ１１５に接合されるフリップチップとなるはずの第２のチップ上の制御ワイヤからホットアーム１０１にアンダーバンプ金属化パッド１１１およびホットアーム・アンカー１０３を介して、ホットアーム１０１を加熱するための電流が供給されるので、アンダーバンプ金属化パッド１１１はホットアンカー１０３およびはんだによく接合する材料で製作される。
【００３０】
コールドアーム１０５は概念的に４つの電位部分を有する。コールドアーム部分１０５−１は、コールドアーム１０５をチップ１１５に固定するのに使用される支持体である。コールドアーム１０５は、それをチップ１１５に固定するそれのいくらかの部分を有していなければならないが、当業者によって容易に認識されるように、現在のコールドアーム部分１０５のように位置決めされ、形作られる必要はない。可撓性コールドアーム部分１０５−２はコールドアーム１０５の可撓部分である。本発明の一態様によれば、可撓性コールドアーム部分１０５−２はシリコンで製作され、それによって従来技術のアクチュエータのクリープの問題が除去される。
【００３１】
オプションの剛体のコールドアーム部分１０５−３はコールドアーム１０５の剛体部分であり、好ましくは、さらにその幅を使用して、その上に堆積される信号ワイヤ１０７の部分を広くし、したがってより低い抵抗を有するのを可能にする。可撓性コールドアーム部分１０５−２は、剛体のコールドアーム部分１０５−３がないときは誘電体テザー１０９まで延長できることに留意されたい。
【００３２】
ヘッドエンド・コールドアーム部分１０５−４は、コールドアーム１０５をホットアーム１０１に結合するために誘電体テザー１０９を取り付けるコールドアーム１０５の部分である。ヘッドエンド・コールドアーム部分１０５−４は図１に示されるように形作られ、それを従来技術のアクチュエータでは一般に使用して、誘電体テザー１０９の剪断強度への依存を低減し、ホットアーム１０３の長さの変化をコールドアーム１０５の変位によりよく結合する。
【００３３】
金属信号ワイヤ１０７を使用して、アクチュエータ１００を組み込んでいるスイッチによって、切り替えられるべき信号を伝送する。好ましくは、金属信号ワイヤ１０７は高度に導電性であり、任意のよく知られた導電性金属、例えば金、または合金で製作することができる。金属信号ワイヤ１０７は異なる導電率を有する様々なセグメントで製作することができ、異なる材料とすることさえもできる。
【００３４】
金属信号ワイヤ１０７は概念的に４つの電位セグメント、すなわちアンダーバンプ金属化パッド・セグメント１０７−１、自立形セグメント１０７−２、コールドアーム上搭載セグメント１０７−３、およびチップ・セグメント１０７−４から構成される。アンダーバンプ金属化パッド・セグメント１０７−１は、金属信号ワイヤ１０７の自由接続セグメント１０７−２をコールドアーム・アンカー１１３に固定するのに使用される。金属化パッド１０７はさらにコネクタとして使用され、そのコネクタ上に、はんだバンプが、制御ワイヤおよび信号ワイヤを保持している第２のチップ（図示せず）に信号ワイヤ１０７を接続するために配置される。
【００３５】
アクチュエータ１００がスイッチの一部である場合、チップ・セグメント１０７−４を使用して、金属信号ワイヤ１０７を別のアクチュエータ（図示せず）の対応する金属信号ワイヤに制御可能かつ導電的に結合する。スイッチが閉じている場合、各アクチュエータのチップは接触している。スイッチが開いている場合、各アクチュエータのチップは分離している。チップ・セグメント１０７−４は、コールドアーム１０５の完全にオン、完全にオフ、または部分的にオンおよび部分的にオフを形成することができる。
【００３６】
自立形セグメント１０７−２およびコールドアーム上搭載セグメント１０７−３を使用して、アンダーバンプ金属化パッド・セグメント１０７−１をチップ・セグメント１０７−４に接続する。自立形セグメント１０７−２は、コールドアーム可撓部分１０５−２の屈曲運動および復元運動に影響しないような特性で形成されるべきである。当業者には容易に認識されるように、自立形セグメント１０７−２がコールドアーム可撓部分１０５−２の屈曲運動および復元運動に確実に影響しないように材料および寸法の選択だけでなく形状も設計することができる。したがって、例えば、自立形セグメント１０７−２は少なくとも部分的にばねとして形作ることができる。自立形セグメント１０７−２はそれ自体コールドアーム可撓部分１０５−２に取り付けることができるが、これは、自立形セグメント１０７−２がコールドアーム可撓部分１０５−２の屈曲運動および復元運動にある程度影響する恐れがあるのであまり望ましくないことに留意されたい。
【００３７】
コールドアーム上搭載セグメント１０７−３は自立形セグメント１０７−２とチップ・セグメント１０７−４とを電気的に接続する。コールドアーム上搭載セグメント１０７−３が剛体のコールドアーム部分１０５−３の幅を覆う範囲は、高さおよび材料を選ぶのと同様に、実施者の判断である。実際、コールドアーム上搭載セグメント１０７−３は、図１に示されるように、剛体のコールドアーム部分１０５−３の縁部上に延びることさえできる。そうである場合、それは、それが延びているコールドアーム１０５の側壁を下の方に延びることができる。
【００３８】
誘電体テザー１０９は、誘電体で、すなわちホットアームとコールドアームとを一緒に結合する非導電性材料で製作される従来のテザーである。例えば、誘電体テザー１０９は、ポリイミド、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＳＵ８などの感光性エポキシ樹脂、またはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）で製作することができる。
【００３９】
コールドアーム・アンカー１１３はシリコンで製作することができるが、好ましくは、ホットアンカー１０３と同じ材料で製作される。ホットアンカーおよびコールドアンカーは一般に同時に形成されることに留意されたい。しかし、ホットアンカー１０３およびコールドアンカー１１３の材料が堆積されるとき、コールドアーム支持部分１０５−１の材料は既に形成されているので、コールドアーム支持部分１０５−１上にあるコールドアンカー１１３の部分はコールドアンカー１１３およびホットアンカー１０３の他の部分よりも高くなるはずである。
【００４０】
チップ１１５が形成されるウェハは一般にシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）タイプのウェハである。例示的なＳＯＩウェハは３層で製作される。第１の層はいわゆる「ハンドル」ウェハ層であり、それはシリコンである。これは図２でシリコン・ウェハ層２５３として見ることができる。第２の層、「犠牲層」としても知られている埋め込み酸化物層（ＢＯＸ）は絶縁体である。第３の層、「機械」層もシリコンであるが、それは、ａ）一般にハンドル・ウェハ層よりも非常に薄く、ｂ）デバイス層と呼ばれることがある。コールドアーム１０５（図１）がエッチングによって形成されるのはデバイス層のシリコンである。デバイス層がエッチング除去されてコールドアーム１０５が残された後、ホットアーム１０１、ホットアンカー１０３、およびコールドアンカー１１３が犠牲層上に形成される。残りの構造体を形成した後、犠牲層はほとんどあらゆる場所がエッチング除去され、ホットアーム１０１およびコールドアーム１０５は動くように解放される。しかし、ホットアンカー１０３およびコールドアンカー１１３用に適切なサイズを使用することによって、それらより下の酸化物のうちの少なくともいくらかが残り、それにより、アンカーはハンドル・ウェハに堅固に接続されたままになる。これらの残りのもの、例えばアンカー酸化物部分２５３および２５５は図２で見ることができる。
【００４１】
本発明のさらなる原理によれば、チップ１１５上のＭＥＭＳアクチュエータ１００（図１）などのアクチュエータで製作されたアレイスイッチは、第１のチップに接合されたフリップチップである第２のチップと協同的に構成することができ、第２のチップは、その上に、様々なホットアームを加熱するためのそれらへの電気制御電流、ならびに様々なスイッチによって切り替えられるべき信号を経路選択するワイヤを有する。図２は、本発明の原理に従って、チップ１１５に取り付けられ、ＭＥＭＳアクチュエータ１００に電気的に結合されるフリップチップである例示的な第２のチップ２１５の３次元透視図を示す。図２に見える図１のそれらの要素に加えて、１）ワイヤ２０１−１および２０１−２、２）はんだバンプ２１１−１および２１１−２、３）ワイヤ２０７、４）ワイヤ２０７を金属信号ワイヤ１０５に電気的に接続するはんだバンプ２１７、５）はんだシーリング壁２２５、６）第２のチップ２１５、７）第２のチップ相互接続層２６７、ならびに８）アンカー酸化物部分２５３および２５５も示される。図２では、教育的な目的のため、第２のチップ２１５の一部は見やすさを改善するために取り除かれている。特に、相互接続層２６７の一部が取り除かれており、基板２６５のさらに大きい部分が取り除かれている。
【００４２】
ワイヤ２０１−１および２０１−２は、それらの間に、ホットアーム１０１を加熱するためにそれの両端間に供給される電位差を有する。この目的のために、はんだバンプ２１１−１および２１１−２はそれぞれワイヤ２０１−１および２０１−２をホットアーム部分１０１−１および１０１−２に、はんだバンプ２１１をホットアンカー１０３および最終的にホットアーム１０１に接続するのを容易にするアンダーバンプ金属化パッド１１１を介して、電気的に接続する。ワイヤ２０１は、適度に高い導電率を有する金属、例えばアルミニウム、銅、金から製作される。
【００４３】
同様に、ワイヤ２０７は、アクチュエータ１０１がスイッチに組み込まれる場合に切り替えられることになる金属信号ワイヤ１０７に供給されるべき信号を伝送する。はんだバンプ２１７は、ワイヤ２０７を金属信号ワイヤ１０７に、例えばアンダーバンプ金属化パッド・セグメント１０７−１の場所で電気的に接続する。ワイヤ２０１と同様のワイヤ２０７は、適度に高い導電率を有する金属、例えばアルミニウム、銅、金から製作される。
【００４４】
ワイヤ２０１およびワイヤ２０７は、経路選択の必要に応じて、チップ２１５上の同じ層にあっても、異なる層にあってもよいことに留意されたい。チップ２１５は基板層から構成されるように示されている。
【００４５】
外側からチップ上の構造体を分離し、フリップチップ全体のパッケージングを可能にするように、はんだシーリング壁２２５はチップ２１５をチップ１１５に接続するのに使用される。図２に示されたはんだシーリング壁２２５は主として教育的な目的用であり、単なる単一のアクチュエータの周りではなく、スイッチとして構成されたアクチュエータのアレイと可能な他のデバイスも一般に含むチップ全体の周囲の周りに、はんだシーリング壁が一般に延びることに留意されたい。図２に示されたような単一のアクチュエータがはんだシーリング壁によって密封されるべき場合でさえ、前部シーリング壁は、アクチュエータを見ることができるように図２に示されず、後部壁はチップ２１５によって視野から遮られていることにさらに留意されたい。はんだシーリング壁２２５は、アンダーバンプ金属化、はんだ、最上部のワイヤの同じ層と共にホットアンカー１０３と同じ構造を有することができる。したがって、はんだシーリング壁２２５は、ａ）酸化物層壁２３１、ｂ）ニッケル層壁２３３、ｃ）アンダーバンプ金属化、例えば金、層壁２３５、ｄ）はんだ層壁２３７、ｅ）ワイヤ層壁２３９を含む。
【００４６】
アンカー酸化物部分２５３は犠牲層からエッチング除去されなかったチップ１１５の酸化物の部分であり、したがってホットアンカー１０１をハンドル・ウェハ２５１に堅固に接続したままにする。同様に、酸化物部分２５５は、コールドアーム・アンカー１１３の下で、コールドアンカー１１３およびコールドアーム１０５をハンドル・ウェハ２５１に堅固に接続したままにする。同様に、酸化物層壁２３１は犠牲層の酸化物から形成され、犠牲層の残りが他のところでエッチング除去された後、残されている。
【００４７】
第２のチップ２１５は基板２６５と相互接続層２６７とから構成される。基板２６５は一般にシリコンである。相互接続層２６７は、ワイヤ２０１および２０７である様々なワイヤを形成する様々な層から構成される。一般に、絶縁物の層がシリコン基板２６５に堆積され、次に、ワイヤの少なくとも１つの層が絶縁層上に形成される。絶縁物およびワイヤの追加の層を交互に堆積することができ、異なる層のワイヤ間の電気接続は従来の方法でバイアを使用して行われる。
【００４８】
図３は、図２に示されたように、チップ１１５に取り付けられ、ＭＥＭＳアクチュエータ１００に電気的に結合されたフリップチップの第２のチップ２１５を含む例示的なＭＥＭＳアクチュエータ１００の側面図を示す。新しい構成要素は導入されていないが、図２の概観からそれらの全範囲を理解するのが恐らく若干難しかったいくつかの要素が図３でより容易に見られる。
【００４９】
図４は、スイッチ４０１、例えばリレーとしても知られているロッキング・スイッチを形成するのに使用される２つのアクチュエータの平面図を示す。第１のアクチュエータは、図１に示されたような例示的なＭＥＭＳアクチュエータ１００である。ａ）チップ・セグメント１０７−４が垂直に向けられたチップ・セグメント４０７−４と取り替えられたことと、ｂ）コールドアーム上搭載セグメント１０７−３とほとんど同一であるが、ヘッドエンド・コールドアーム部分１０５−４に沿ってチップ・セグメント４０７−４まで延びるコールドアーム上搭載セグメント４０７−３とコールドアーム上搭載セグメント１０７−３が取り替えられたこととを除いて、第２のアクチュエータは、図１に示されたような例示的なＭＥＭＳアクチュエータ１００と同様である例示的なＭＥＭＳアクチュエータ４００である。異なるタイプのチップを使用することができることを当業者なら容易に認識されよう。
【００５０】
図５は、単一チップ上に形成されたスイッチ４０１のアレイを示す。そのようなアレイは電気通信用途のクロスコネクトとしての使用に好適である。様々なアクチュエータのホットアーム用の制御信号ならびに切り替えられるべき信号は上部チップ２１５（図２および図３）などの上部チップから供給されることに留意されたい。図５において、はんだシーリング壁２２５は、前記のような任意の単一のアクチュエータの周りではなくチップの全周囲の周りに延びることにも留意されたい。
【００５１】
図６〜図９は、それぞれ、ＭＥＭＳアクチュエータ１００を形成する例示的な方法に従って、図１の例示的なＭＥＭＳアクチュエータ１００を形成するために、様々なプロセスのうちの１つが行われた後の平面図を示す。図６はコールドアーム１０５を形成した後の結果を示す。コールドアーム１０５は、当業者には容易に理解されるように、ＳＯＩウェハを適切にパターニングおよびエッチングしてデバイス層に所望の形状のコールドアーム１０５を残すことによって形成される。図７は、ホットアーム１０１、ホットアーム・アンカー１０３、およびコールドアーム・アンカー１１３を形成した後の結果を示す。これらの構造体を形成することができる一方法は、１）チップの表面上に金属のシード層を堆積させること、２）金属を成長させるのが望ましい場合、その中に開口を有するフォトレジスト・モールドを堆積およびパターニングすること、３）ａ）シード層と、成長されるべき金属を含む浴とに電極を取り付け、ｂ）浴中にチップを置き、ｃ）浴とシード層との間に電流を通すことによりチップに電気めっきを施すことによる。フォトレジスト・モールドに関連して使用することができる別の技法はいわゆる「無電解」めっきである。
【００５２】
図８は、金属信号ワイヤ１０７およびアンダーバンプ金属化パッド１１１を形成した後の結果を示す。これらの構造体は、図７に関して説明したようなモールディングおよび電気めっきを使用するが、金属信号ワイヤ１０７およびアンダーバンプ金属化パッド１１１に適切な金属、電気めっき浴、および電流を使用して形成することができる。同様に、金属信号ワイヤ１０７およびアンダーバンプ金属化パッド１１１に使用されている金属に利用可能な場合、「無電解」めっきを使用することができる。
【００５３】
図９は誘電体テザー１０９を形成した後の結果を示す。誘電体テザー１０９は、好ましくは、チップ上に感光性誘電体の層をスピンコートし、誘電体テザーを形成したい所に光を照射して現像液に反応しないようにその化学構造を変化させ、現像液にチップを浸して光にさらされなかった誘電体材料の部分を除去することによって形成される。
【００５４】
最終ステップは解放ステップである。解放ステップの間、チップは時間エッチングが行われ、チップはエッチング浴槽、一般にフッ化水素酸（ＨＦ）に所定量の時間浸される。そうすると、元のウェハの残りの酸化物層の大部分がエッチング除去される。しかし、エッチングは所定の期間であり、ホットアンカー１０３、コールドアンカー１１３、およびはんだシーリング壁２２５（図２および図５、図６〜図９には図示せず）の下などのエッチング液が達しにくい区域があるので、酸化物はそれらの構造体をチップ基板に堅固に結び付けたままにする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年5月14日(2009.5.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の微小電気機械アクチュエータを含む装置であって、少なくとも部分的に金属で製作された第１のホットアームと、シリコンで製作される可撓部分を有し、前記第１のホットアームに結合される第１のコールドアームとを含み、
前記第１のホットアームおよび前記第１のコールドアームが前記第１のホットアームの加熱によりそれらの静止位置から変位させられる場合、前記第１のホットアームの前記加熱が停止した後、前記第１のコールドアームが前記第１のホットアームおよび第１のコールドアームをそれらの静止位置に戻すための復元力の全てを与え、前記第１のホットアームが前記復元力を与えない装置。
【請求項２】
前記第１のホットアームが加熱され、その形状を変化させると、前記第１のコールドアームがその静止位置から変位するように、前記コールドアームが前記ホットアームに結合される、請求項１に記載の発明。
【請求項３】
前記コールドアームが、前記コールドアームの一方の端部で基板に結合され、前記コールドアームが、前記コールドアームの他方の端部で前記ホットアームに結合される、請求項２に記載の発明。
【請求項４】
前記コールドアームと調和して移動するように構成され、その静止位置から移動されるとき本質的に復元力を与えない金属ワイヤを前記アクチュエータがさらに含む、請求項１に記載の発明。
【請求項５】
前記アクチュエータがスイッチの一部であり、前記金属ワイヤが、前記スイッチによって切り替えられるべき信号を伝送するように構成される、請求項４に記載の発明。
【請求項６】
前記金属ワイヤが少なくとも部分的に前記コールドアームに取り付けられる、請求項４に記載の発明。
【請求項７】
前記金属ワイヤが前記コールドアームの前記可撓部分に取り付けられない、請求項６に記載の発明。
【請求項８】
前記第１のホットアームが加熱され、その形状を変化させると、前記第１のコールドアームがその静止位置から変位するように、前記コールドアームが前記ホットアームに結合される、請求項１に記載の発明。
【請求項９】
前記第１のアクチュエータが、前記第１のコールドアームに結合された第１の金属ワイヤをさらに含み、前記装置が第２の微小電気機械アクチュエータをさらに含むスイッチの一部であり、
第２の微小電気機械アクチュエータが、
少なくとも部分的に金属で製作された第２のホットアームと、
シリコンで製作される可撓部分を有し、前記第２のホットアームに結合される第２のコールドアームと、
を含み、
前記第１のホットアームおよび前記第１のコールドアームが前記第１のホットアームの加熱によりそれらの静止位置から変位させられる場合、前記第１のホットアームの前記加熱が停止した後、前記第１のコールドアームが前記第１のホットアームおよび第１のコールドアームをそれらの静止位置に戻すための復元力の全てを与え、前記第１のホットアームが前記復元力を全く与えず、
前記第２のコールドアームに結合される第２の金属ワイヤと
を含み、
前記第１および第２の金属ワイヤが電気接触している少なくともある位置と、電気接触していない別の位置に前記第１および第２の金属ワイヤが維持され得るように、前記第１および第２の微小電気機械アクチュエータが構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項１０】
前記第１および第２のアクチュエータが第１のチップ上に製作され、前記装置が
前記第１のチップに取り付けられた第２のチップフリップチップをさらに含み、前記第２のチップが、（ｉ）各々が前記第１および第２のホットアームのそれぞれのものを加熱するための電流に導電性経路を与えるように構成される複数の制御ワイヤと、（ｉｉ）少なくとも（ｉ）前記第１および第２のホットアームならびに（ｉｉ）前記第１のチップ上の前記第１および第２のワイヤにそれぞれ結合される複数の信号ワイヤとを含み、前記スイッチによって前記第１のチップ上で制御可能に切り替えられる信号に導電性経路を与えるように、前記複数の信号ワイヤの前記各々が構成される、請求項９に記載の発明。
【請求項１１】
前記信号ワイヤの各々が、前記第１のチップ上の前記第１および第２の金属ワイヤのそれぞれのものに結合される、請求項１０に記載の発明。
【請求項１２】
第１のチップ上に第１の微小電気機械アクチュエータを形成する方法であって、
ＳＯＩウェハ・デバイス層のシリコンからコールドアーム可撓部分を形成するステップと、
少なくとも部分的に金属で製作されるホットアームを形成するステップと、
前記コールドアーム部分を前記ホットアームに結合するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
シリコンで製作される前記コールドアームの前記可撓部分がＳＯＩウェハ・デバイス層のシリコンで製作される、請求項１に記載の発明。
【国際調査報告】
2010502465.tif 000012
2010502465.tif 000013