KR101148271B1

KR101148271B1 - 마이크로 전자기계 액츄에이터를 포함하는 장치 및 마이크로 전자기계 액츄에이터 형성 방법

Info

Publication number: KR101148271B1
Application number: KR1020097004958A
Authority: KR
Inventors: 플라비오 파르도
Original assignee: 알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2012-05-25
Also published as: US8120133B2; CN101512702A; US20080061387A1; EP2067159A2; JP2010502465A; WO2008033269A2; WO2008033269A3; KR20090057243A

Abstract

본 발명에 따른 마이크로 전자기계 액츄에이터는 핫 암용 금속 및 적어도 콜드 암의 가요성 부분을 위한 실리콘을 이용한다. 실리콘으로 이루어진 콜드 암은 자신과 함께 이동하며 적어도 두 개의 이러한 액츄에이터가 스위치로 형성될 때 스위칭되는 신호를 운반하는데 사용되는 금속 와이어에 결합된다. 제 1 칩 상의 이러한 스위치의 어레이는 제 1 칩에 결합된 플립칩인 제 2 칩과 협력하도록 구성될 수 있으며, 제 2 칩은 전기 제어 전류를 여러 핫 암에 라우팅하여 그들을 가열하는 와이어 및 여러 스위치에 의해 스위칭되는 신호를 포함한다.

Description

마이크로 전자기계 액츄에이터를 포함하는 장치 및 마이크로 전자기계 액츄에이터 형성 방법{MICRO-ACTUATOR AND LOCKING SWITCH}

본 발명은 계전기(relay)와 같은 마이크로 스위치에 특히 유용한 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이러한 마이크로 액츄에이터를 사용하는 록킹(locking) 마이크로 스위치의 어레이에 관한 것이다.

MEMS(Micro-electromechanical systems)는 표준 반도체 공정을 사용하여 제조된 초소형의 가동형 기계 구조물이다. MEMS는 수많은 응용분야에서 유용한 액츄에이터로 기능하도록 구성될 수 있다. 이들 액츄에이터는 통상 수백 마이크론의 길이를 가지며, 흔히 수십 마이크론의 폭을 갖는다. MEMS 액츄에이터는 일반적으로 기판에 부착된 하나의 단부와, 적어도 두 위치, 즉 중립 위치 및 편향된 다른 위치들 사이에서 이동가능한 반대쪽의 자유단을 갖는 캔틸레버 형태로 구성 및 배치된다.

MEMS 액츄에이터들에 대한 하나의 가능한 용도는 이들을 스위치로서 구성하는 것이다. 이들 스위치는 록킹 스위치, 즉 계전기일 수 있다. 이들 스위치는 적 어도 하나의 액츄에이터로 이루어진다. 복수의 액츄에이터의 경우에, 이들은 이들의 한 부분을 다른 짝을 이루는 액츄에이터 상의 유사한 부분에 접속 또는 해제하도록 차례로 동작한다. 이들은 매우 작기 때문에, 매우 많은 수의 MEMS 스위치가 단일 칩 상에 제공될 수 있다.

MEMS 스위치는 많은 장점을 갖는다. 그 중에서도, MEMS 스위치는 저렴하며, 전술한 바와 같이 초소형이다. 통상, 이들의 전력 소비는 최소이며, 그 응답 시간은 예를 들어 MEMS 스위치를 열거나 닫기 위한 완전한 시퀀스가 단지 수 밀리초일 정도로 매우 짧다.

통상의 액츄에이터는 "콜드(cold)" 암과 "핫(hot)" 암이라고 하는 한 쌍의 암에 기초하며, 둘 다 한쪽 단부가 기판 상의 층에 고정되고 반대쪽 단부에서 함께 단단히 연결된다. 핫 암은 통상 개방 단부(open end)에 있는 두 개의 앵커(anchor)로부터 폐쇄 단부에 있는 대략 콜드 암의 단부까지 연장되는 개방 단부의 협소한 와이어 루프이다. 또한, 통상적으로 핫 암 및 콜드 암은 전기적으로 분리된다. 스위치 접촉점은 통상 콜드 암에 부착되며 빔이 연결되어 있는 위치 근방에 위치한다.

암의 편향은 핫 암을 기판에 고정시키는 "앵커 패드(anchor pad)"라고 하는 터미널 쌍 사이에 전위차를 인가함으로써 개시된다. 이것은 액츄에이터에 대한 제어 신호이다. 전위차는 핫 암내에 전류 흐름을 발생시켜 줄 열(Joule heating)에 의해 핫 암의 온도가 상승되도록 한다. 이 열에 의해 결국 핫 암의 일부가 사용 재료에 의존하여 수축 또는 팽창한다. 현재, 큰 열팽창 계수, 적당한 전기 전도도 및 전기 도금 기법에 의한 제조의 용이성을 고려할 때 핫 암에 대한 재료로는 니켈 합금이 선택된다. 콜드 암이 계획적으로 가열되지 않고, 따라서 크기에 변화가 없다고 가정하면, 가열하기 전에 처음에는 크기가 동일했던 핫 암 및 콜드 암의 빔의 크기에 있어서의 결과적인 차이는 암이 연결되는 단부에 측면 변위를 발생시킨다.

액츄에이터는 설계에 따라 하나 이상의 핫 암과 하나 이상의 콜드 암을 가질 수 있다. 이러한 액츄에이터는 선택적으로 개폐될 수 있는 스위치를 형성하도록 구성된다.

그러한 액츄에이터의 일례가 2002년 6월 18일에 Wood 등에게 특허 허여된 미국 특허 제6,407,478호에 개시되어 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 참고로서 포함된다. Wood 등의 특허는 온도에 반응하는 하나 이상의 부재를 갖는 마이크로 전자기계 디바이스를 사용하는 간소화된 스위치 및 스위칭 어레이를 개시하고 있다. 예를 들어, 마이크로 전자기계 디바이스는 앵커에 접속된 제 1 단부를 각각 가지며 예를 들어 앵커 반대쪽의 이들의 단부 근방에 함께 접속되는 제 1 및 제 2 빔 부재를 포함한다. 이들을 함께 접속함으로써, 제 1 및 제 2 빔 부재는 루프를 형성한다. 제 1 및 제 2 빔 부재는 제 1 테더 앵커에 의해 유전체 테더(tether)에 접속된다. 마이크로 전자기계 디바이스는 앵커에 접속되는 제 1 단부를 가지며 제 2 테더 앵커에 의해 유전체 테더에 접속되는 제 3 빔 부재를 더 포함한다. 제 1 및 제 2 빔 부재 중 적어도 하나는 제 1 및/또는 제 2 빔 부재가 제 3 빔 부재의 온도보다 높은 온도까지 가열될 때 팽창하도록 구성된다. 따라서, 제 1 및 제 2 빔 부재는 핫 암을 형성하는 반면에, 제 3 빔 부재는 콜드 암이다. 두 개의 빔 부재 중 하나 또는 둘 모두를 가열하기 위한 제어 전류를 운반하는 2개의 빔 부재를 사용함으로써, 마이크로 전자기계 디바이스는 제 3 빔 부재에 의해 규정된 부하 신호 경로로부터 제 1 및 제 2 빔 부재에 의해 정의된 제어 신호 경로를 전기적으로 격리시킬 수 있다. 이러한 액츄에이터는 당해 분야에서 "헤츄에이터(heatuator)"로 알려져 있다.

마이크로 전자기계 래칭 스위치, 즉, 계전기는 기판에 부착된 한 쌍의 스위치 접촉부와, 제 1 및 제 2 액츄에이터를 사용하여 형성될 수 있다. 제 1 액츄에이터는 기판에 접속되는 제 1 단부를 가지며, 거기에 접속된 접촉부를 갖는다. 제 1 액츄에이터는 접촉부에 부착되는 제 1 탭을 더 포함한다. 제 1 액츄에이터는 전류에 반응하여 편향되도록 동작가능하다. 제 2 액츄에이터는 기판에 접속되는 제 1 단부와 거기에 접속되는 제 2 탭을 갖는다. 제 2 액츄에이터는 전류에 반응하여 편향되도록 동작가능하다. 제 1 및 제 2 액츄에이터는 제 1 탭이 한 쌍의 스위치 접촉부와 제 2 탭 사이에서 제 2 탭에 결합될 때 접촉부가 한 쌍의 스위치 접촉부를 전기적으로 접속시키도록 위치한다. 또한, 접촉부는 제 2 탭이 한 쌍의 스위치 접촉부와 제 1 탭 사이에서 제 1 탭과 결합될 때 한 쌍의 스위치 접촉부를 전기적으로 접속시키지 않는다. 또한, 이러한 계전기의 어레이는 단일 기판 상에 형성될 수 있다.

또한, 2004년 IEEE Electrical Contacts에서 발행된 Agrawal의 A Latching MEMS Relay for DC and RF Applications, 2004년 9월 20 내지 23일자 ISBN: 0-7803-8460-1, INSPEC Accession Number: 8291957의 Proceedings of the 50th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts and the 22nd International Conference on Electrical Contacts 222 내지 225페이지, 2004년 11월 8일 17:30:48.0에 온라인으로 게시된 Digital Object Identifier: 10.1109/HOLM.2004.1353121을 참조하라. 이들은 본 명세서에 참고로서 포함된다.

본 명세서에 참고로서 포함된, 2006년 5월 2일자로 Menard 등에게 허여된 미국 특허 제6,407,478호는 기판 상에 탑재된 MEMS 캔틸레버 액츄에이터에 관한 것으로, 이 액츄에이터는 한 단부에 기판에 접속된 대응 앵커 패드를 각각 가지며 앵커 패드 반대쪽의 공통 단부에 함께 접속되는 2개의 이격된 부분을 갖는 긴 핫 암 부재와, 상기 핫 암 부재와 거의 평행하게 인접해 있으며 한 단부에 기판에 접속된 앵커 패드를 갖고 앵커 패드 반대쪽에 자유단을 갖는 긴 콜드 암 부재와, 핫 암 부재와 콜드 암 부재의 자유단의 일부분의 공통 단부 위에 부착되어 핫 암 부재와 콜드 암 부재를 기계적으로 결합하고 이들을 전기적으로 독립적으로 유지하는 유전체 테더를 포함한다.

스위치의 어레이에 시용된 액츄에이터의 여러 요소들 및 스위칭되는 신호들은 통상 기판 상에 액츄에이터가 형성되는 층 아래에 형성된 층의 와이어에서 라우팅된다. 따라서, 액츄에이터는 공정 중에 와이어를 파괴하지 않을 재료로 형성되어야 한다. 불행히도, 고온 공정들은 이러한 와이어를 파괴할 것이다. 따라서, 저온 처리가 통상적으로 이용되며, 따라서 액츄에이터의 핫 암 및 콜드 암은 예를 들어 Agrawal 논문에 개시되어 있는 바와 같이 공지되어 있는 몰딩 및 도금 기법을 이용하여 예를 들어 니켈로 형성된다.

금속은 양호한 전도성을 가지며, 따라서 그러한 스위치에 의해 스위칭되는 신호를 위한 전도체로서 사용하기에 적합하다. 또한, 금속의 열팽창은 비교적 높아 가열시에 강하게 편향되며, 따라서 핫 암으로 사용하기에 매우 적합하다. 그러나, 금속은 이른 바 "크립(creep)"을 겪는 문제점이 있는데, 이는 형상을 왜곡시킨 금속에 대한 힘이 제거될 때 원 형상으로 되돌아가는 금속의 복원력 특성의 소실을 의미한다.

반면에, 실리콘은 크립을 겪지는 않지만, 비교적 높은 저항을 가지므로, 그러한 스위치에 의해 스위칭되는 신호를 위한 전도체로서 사용하기에 적합하지 않다. 또한, 실리콘은 그로부터 요소들을 형성하기 위해 높은 처리 온도를 요구하며, 그러한 높은 처리 온도는 하부 와이어에 악영향을 줄 수 있다. 마지막으로, 가열시에 실리콘은 통상적으로 이용된 금속만큼 강하게 편향되지 않는다는 점에서 실리콘의 열팽창은 금속의 열팽창에 비해 비교적 제한적이며, 따라서 실리콘은 핫 암으로 사용하기에 상대적으로 적합하지 않다.

전술한 사항을 감안할 때, 본 발명의 원리에 따르면, 핫 암용 금속 및 콜드 암의 적어도 가요성 부분용의 실리콘을 사용함으로써, 이러한 종래기술의 액츄에이터의 한계를 회피하는 마이크로 전자기계 액츄에이터가 제조될 수 있다. 본 발명의 일측면에 따르면, 실리콘으로 제조된 콜드 암은 자신과 함께 움직이며 적어도 2개의 그러한 액츄에이터가 스위치로 형성될 때 스위칭될 신호를 운반하는데 사용되는 금속 와이어에 결합된다. 본 발명의 다른 원리에 따르면, 제 1 칩 상의 그러한 스위치의 어레이는 제 1 칩에 결합된 플립칩인 제 2 칩과 협력하도록 구성될 수 있으며, 제 2 칩은 그 위에 전기 제어 전류를 가열을 위해 여러 핫 암으로 라우팅하는 와이어 및 여러 스위치에 의해 스위칭되는 신호를 갖는다.

예를 들어 핫 암이 가열될 때 핫 암이 콜드 암을 구부리기에 충분한 힘을 제공하되, 핫 암이 냉각되면 콜드 암이 최초 위치로 복원하는 것을 방해하지 않을 정도로 연성이 되도록 적절히 설계되면, 실리콘에 의해 제공된 복원력이 본질적으로 시간이 지나도 변하지 않기 때문에 그러한 액츄에이터는 크립을 겪지 않는다는 장점이 있다. 또한, 1) 여러 스위치에 의해 스위칭되는 신호뿐만 아니라 전기 제어 전류를 가열을 위해 여러 핫 암으로 라우팅하는 도체가 독립적으로 제조되는 제 2 칩 상에 있고, 2) 각각의 핫 암을 구성하는 와이어 및 콜드 암에 결합되어 스위칭되는 신호를 운반하는 각각의 와이어와 같은 제 1 칩 상의 임의의 와이어가 실리콘 처리가 완료된 후에 제 1 칩 상에서 제조될 수 있기 때문에, 콜드 암을 형성하는 데에만 필요한 실리콘의 고온 처리는 스위치에서 사용된 금속의 처리로부터 격리된다는 장점이 있다. 또한, 스위칭되는 신호를 운반하기 위해, 콜드 암과 관련되지만 콜드 암 그 자체는 아닌 와이어의 사용은 신호 와이어가 저 임피던스를 가지면서 콜드 암이 실리콘으로 형성될 수 있게 하고, 따라서 크립을 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 원리에 따른, 핫 암용 금속과 콜드 암의 적어도 가요성 부분용의 실리콘을 채용하는 예시적인 MEMS 액츄에이터를 형성하는데 사용되는 하나 의 칩의 평면도.

도 2는 본 발명의 원리에 따른, 도 1의 칩에 탑재되어 도 1의 MEMS 액츄에이터에 전기적으로 결합된 플립칩인 예시적인 제 2 칩의 3차원 사시도.

도 3은 본 발명의 원리에 따른, 도 1의 칩에 탑재되어 도 1의 MEMS 액츄에이터에 전기적으로 결합된 예시적인 제 2 칩의 측면도.

도 4는 스위치를 형성하는데 사용된 2개의 액츄에이터의 평면도.

도 5는 단일 칩 상에 형성된 도 4의 스위치의 어레이를 도시한 도면.

도 6 내지 9는 도 1의 예시적인 MEMS 액츄에이터를 형성하기 위해 다양한 공정들 중 하나를 수행한 후의 평면도.

이하의 설명은 단지 본 발명의 원리들을 예시하는 것이다. 따라서, 당업자라면 본 명세서에 명시적으로 개시 또는 도시되어 있지는 않더라도 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함되는 본 발명의 원리를 구현하는 다양한 구성을 고안할 수 있을 것이다. 또한, 본 명세서에 개시되어 있는 모든 예들은 원칙적으로 본 발명의 원리를 이해하는 것을 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명은 이들 예에 한정되지 않는 것으로 해석해야 한다. 또한, 본 명세서에서 본 발명의 원리들, 측면들 및 실시예들 및 그 특정 예들을 기술하는 모든 설명은 구조적이고 기능적인 균등물을 포함하는 것으로 해석해야 한다. 또한, 이들 균등물들은 현재 알려져 있는 균등물 뿐만 아니라 장래에 개발되는 균등물, 즉 구조에 관계없이 동일한 기능을 수행하도록 개 발된 어떠한 요소들도 포함한다.

따라서, 예를 들어, 본 명세서에서의 임의의 블록도는 본 발명의 원리를 구현하는 예시적인 회로의 개념도를 나타낸다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 마찬가지로, 임의의 순서도, 흐름도, 상태 추이도(state transition diagram), 의사코드 등은 컴퓨터 판독 가능한 매체로 표현되어 컴퓨터 또는 프로세서(비록 이러한 컴퓨터 또는 프로세서가 명시적으로 도시되어 있지 않다 하더라도)에 의해 실행될 수 있는 다양한 공정을 나타낸다는 것을 알 수 있을 것이다.

청구범위에서 특화된 기능을 수행하는 수단으로서 표현된 임의의 요소는 그 기능을 수행하는 어떠한 방법도 포함하는 것으로 해석해야 한다. 이것은, 예를 들어 a) 그 기능을 수행하는 전기 또는 기계적 요소들의 조합 또는 b) 그 기능을 수행하기 위한 소프트웨어를 실행하는 적절한 회로뿐만 아니라 소프트웨어 제어 회로에 결합된 기계적인 요소들이 존재한다면 이들 요소들과 결합된, 펌웨어, 마이크로코드 등을 포함하는 어떠한 형태의 소프트웨어도 포함할 수 있다. 이들 청구범위에 의해 정의된 본 발명에서, 기재된 다양한 수단에 의해 제공된 기능들은 청구범위가 요구하는 방식으로 결합된다. 따라서, 본 출원인은 이들 기능들을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서에 제시한 바와 동일한 것으로 간주한다.

본 명세서에서 특별히 언급하지 않는 한, 도면은 실제 축척으로 도시되어 있지 않다.

본 명세서에서 사용되는 MEMS(micro-electromechanical system) 디바이스란 용어는 전체 MEMS 디바이스 또는 그 일부분을 의미한다. 따라서, MEMS 디바이스의 일부분이 작동하지 않거나 MEMS 디바이스의 일부분이 차단되면, 그렇다 하더라도 이러한 MEMS 디바이스는 MEMS 디바이스로 간주된다.

이하의 설명에서, 상이한 도면에서 동일한 참조번호를 갖는 구성요소들은 동일한 구성요소를 가리킨다.

도 1은 본 발명의 원리에 따른, 핫 암용 금속과 콜드 암의 적어도 가요성 부분용 실리콘을 채용하는 예시적인 MEMS 액츄에이터(100)를 형성하는데 사용된 하나의 칩의 평면도이다. 또한, 본 발명의 일측면에 따르면, 실리콘으로 이루어진 콜드 암은 자신과 함께 움직이며 적어도 2개의 액츄에이터가 스위치로 형성될 때 스위칭되는 신호를 운반하는데 사용되는 금속 와이어에 결합된다. 핫 암(101), 핫 암 앵커(103), 콜드 암(105), 금속 신호 와이어(107), 유전체 테더(dielectric tether)(109), 언더범프 금속화 패드(111), 콜드 암 앵커(113), 칩(115)으로 이루어진 예시적인 MEMS 액츄에이터(100)가 도 1에 도시되어 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 핫 암(101)은 전류가 흐를 때 가열되는 금속 와이어이다. 통상, 핫 암(101)은 니켈 기반 금속으로 형성되는데, 다른 재료가 사용될 수도 있다. 가열될 때, 니켈 기반 금속은 팽창하는 경향이 있으며, 팽창보다 수축하는 다른 재료를 사용해도 된다. 개념적으로는, 핫 암(101)은 유전체 테더(109) 근방에서 만나는 두 부분(101-1, 101-2)을 포함한다. 핫 암(101)은 하나의 연속적인 금속 또는 여러 조각의 금속으로 이루어질 수 있다. 핫 암(101)은 가열될 때 콜드 암(105)을 휘게 하는 힘을 제공하도록 설계되지만, 핫 암(101)이 냉각될 때 콜드 암(105)을 최초 위치로 복원하는 것을 방해하지 않을 정도로 연성이 다.

핫 암 부분(101-1)은 핫 암 앵커(103-1)에 결합되고, 이와 유사하게, 핫 암 부분(101-2)은 핫 암 앵커(103-2)에 결합된다. 핫 암 앵커(103)는 핫 암(101)이 자유롭게 움직이게 하면서 핫 암(101)을 칩(115)의 층에 고정시킨다. 핫 암 앵커(103)는 통상, 예를 들어 니켈 기반 재료와 같은, 핫 암(101)을 만드는데 사용되는 것과 동일한 재료로 이루어진다. 제어 및 신호 와이어(도시되어 있지 않음)를 갖고 있으며 앵커(111, 113) 상의 솔더 범프(solder bump)를 사용하여 칩(115)에 결합된 플립칩이 되는 제 2 칩 상의 제어 와이어로부터 핫 암(101)을 가열하기 위한 전류가 언더범프 금속화 패드(111) 및 핫 암 앵커(103)를 통해 핫 암(101)으로 공급되기 때문에, 언더범프 금속화 패드(111)는 핫 암 앵커(103) 및 솔더(solder)에 잘 붙는 재료로 이루어진다.

콜드 암(105)은 개념적으로 4개의 잠재적인 부분을 포함한다. 콜드 암 부분(105-1)은 콜드 암(105)을 칩(115)에 고정시키는데 사용되는 지지부이다. 콜드 암(105)은 자신을 칩(115)에 고정시키는 일부분을 가져야 하지만, 당업자들이 쉽게 알 수 있듯이 콜드 암 부분(105)과 같이 위치되고 형성될 필요는 없다. 가요성 콜드 암 부분(105-2)은 콜드 암(105)의 가요성 부분이다. 본 발명의 일측면에 따르면, 가요성 콜드 암 부분(105-2)은 실리콘으로 이루어지며, 따라서 종래기술의 액츄에이터의 크리프(creep)의 문제점이 제거될 수 있다.

선택적인 강성 콜드 암 부분(105-3)은 콜드 암(105)의 강성 부분이고, 그 폭은 그 위에 위치하는 신호 와이어(107)의 부분이 더 넓어지도록 하여 보다 낮은 저 항을 갖도록 하는데 사용된다. 가요성 콜드 암 부분(105-2)은 강성 콜드 암 부분(105-3)이 없이 유전체 테더(109)까지 연장될 수도 있다.

헤드 단의 콜드 암 부분(105-4)은 콜드 암(105)의 일부분으로 콜드 암(105)을 핫 암(101)에 결합시킬 목적으로 유전체 테더(109)가 부착되는 부분이다. 헤드 단의 콜드 암 부분(105-4)의 형상은 도 1에 도시된 방식으로 이루어지는데, 이것은 유전체 테더(109)의 전단 응력(shear strength)에 대한 의존을 감소시키고 핫 암(103)의 길이의 변화를 콜드 암(105)의 변위에 보다 잘 결합하기 위해 종래기술의 액츄에이터에서 일반적으로 사용된다.

금속 신호 와이어(107)는 스위치 포함 액츄에이터(100)에 의해 스위칭되는 신호를 운반하는데 사용된다. 바람직하게는, 금속 신호 와이어(107)가 고 전도성이고, 예를 들어 금 또는 금속 합금과 같은 임의의 잘 알려진 전도성 금속으로 이루어질 수도 있다. 금속 신호 와이어(107)는 상이한 전도성을 갖는 여러 부분들로 이루어질 수 있으며, 심지어 상이한 재료로 이루어질 수도 있다.

금속 신호 와이어(107)는 개념적으로 언더범프 금속화 패드 부분(107-1), 자유 직립 부분(107-2), 콜드 암 탑재 부분(107-3) 및 팁 부분(107-4)의 4개의 잠재적인 부분으로 이루어진다. 언더범프 금속화 패드 부분(107-1)은 금속 신호 와이어(107)의 자유 직립 부분(107-2)을 콜드 암 앵커(113)에 고정시키는데 사용된다. 금속화 패드(107)는 또한 커넥터로서 사용되는데, 이 커넥터 상에 솔더 범프가 배치되어 제어 및 신호 와이어를 운반하는 제 2 칩(도시되어 있지 않음)에 신호 와이어(107)를 접속한다.

액츄에이터(100)가 스위치의 일부분인 경우, 팁 부분(107-4)은 금속 신호 와이어(107)를 다른 액츄에이터(도시되어 있지 않음)의 대응 금속 신호 와이어에 제어가능하게 전도성 결합하는데 사용된다. 스위치가 닫히면, 각각의 액츄에이터의 팁들이 접촉한다. 스위치가 열리면, 각각의 액츄에이터의 팁들이 분리된다. 팁 부분(107-4)은 완전히 콜드 암(105) 상에 형성되거나 완전히 분리되어 형성되거나 또는 부분적으로 콜드 암(105) 상에 형성되고 부분적으로는 분리되도록 형성될 수 있다.

자유 직립 부분(107-2) 및 콜드 암 탑재 부분(107-3)은 언더범프 금속화 패드 부분(107-1)을 팁 부분(107-4)에 접속시키는데 사용된다. 자유 직립 부분(107-2)은 콜드 암 가요성 부분(105-2)의 굽힘 및 복원에 영향을 주지 않도록 하는 특성을 갖도록 형성되어야 한다. 당업자라면 쉽게 알 수 있듯이, 재료의 선택 및 크기 뿐만 아니라 그 형상도, 자유 직립 부분(107-2)이 콜드 암 가요성 부분(105-2)의 굽힘 및 복원에 영향을 주지 않도록 설계될 수 있다. 따라서, 예를 들어 자유 직립 부분(107-2)은 적어도 부분적으로는 스프링 형상으로 형성될 수도 있다. 자유 직립 부분(107-2)은 그 자체가 콜드 암 가요성 부분(105-2) 상에 탑재될 수 있지만, 이것은, 자유 직립 부분(107-2)이 콜드 암 가요성 부분(105-2)의 굽힘 및 복원 운동에 어느 정도 영향을 줄 가능성이 있기 때문에 덜 바람직하다.

콜드 암 탑재 부분(107-3)은 자유 직립 부분(107-2) 및 팁 부분(107-4)을 전기적으로 접속시킨다. 콜드 암 탑재 부분(107-3)이 강성 콜드 암 부분(105-3)의 폭을 커버하는 범위는 그 높이 및 선택된 재료와 마찬가지로 실시자의 재량에 달려 있다. 사실, 콜드 암 탑재 부분(107-3)은 도 1에 도시된 방식으로 강성 콜드 암 부분(105-3)의 에지 위로 연장될 수 있다. 만약 그렇다면, 콜드 암 탑재 부분(107-3)은 콜드 암의 위에서 콜드 암(105)의 측벽 아래로 연장될 수 있다.

유전체 테더(109)는 유전체, 즉 핫 암 및 콜드 암을 함께 결합하는 비전도성 재료로 이루어진 통상의 테더이다. 예를 들면, 유전체 테더(109)는 폴리이미드, MicroChem Corporation's SU8와 같은 광감 에폭시 또는 BCB(benzocyclobutene)로 이루어질 수 있다.

콜드 암 앵커(113)는 실리콘으로 이루어질 수도 있지만, 핫 앵커(103)와 동일한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 핫 앵커 및 콜드 앵커는 일반적으로 동시에 형성된다. 그러나, 핫 앵커(103) 및 콜드 앵커(113)용 재료가 증착될 때 콜드 암 지지부(105-1)용 재료가 이미 형성되어 있으므로, 콜드 암 지지부(105-1) 위에 있는 콜드 앵커(113)의 부분은 콜드 앵커(113) 및 핫 앵커(103)의 다른 부분보다 더 높을 것이다.

칩(115)이 형성되는 웨이퍼는 통상 웨이퍼의 SOI(silicon on insulator)이다. 예시적인 SOI 웨이퍼는 3개의 층으로 이루어진다. 제 1 층은 이른 바 "핸들(handle)" 웨이퍼층으로, 이 층은 실리콘이다. 이것은 도 2에서 실리콘 웨이퍼층(253)으로 표시되어 있다. 제 2 층인 BOX(buried oxide layer)는 "희생층(sacrificial layer)"으로 알려져 있으며, 절연체이다. 제 3 층인 "기계(mechanical)"층 또한 실리콘이며, 통상은 핸들 웨이퍼층보다 훨씬 더 얇고 디바이스층이라고도 한다. 이것은 에칭에 의해 콜드 암(105)(도 1 참고)이 형성되는 디바이스층의 실리콘이다. 핫 암(101), 핫 앵커(103), 콜드 앵커(113)는, 콜드 암(105)을 남겨둔 채 디바이스층이 에칭된 후에, 희생층 상에 형성된다. 나머지 구조물의 형성 후에, 핫 암(101) 및 콜드 암(105)이 자유롭게 이동할 수 있도록 희생층은 거의 전역에서 에칭된다. 그러나, 핫 앵커(103) 및 콜드 앵커(113)의 크기를 적절히 함으로써, 앵커를 핸들 웨이퍼에 단단히 접속되게 하면서 이들 아래의 산화물의 적어도 일부를 유지시킨다. 이들은 도 2에서 예를 들어 앵커 산화물 부분(253, 255)으로 도시되어 있다.

본 발명의 다른 원리에 따르면, 칩(115) 상의 MEMS 액츄에이터(100)(도 1 참고)와 같은 액츄에이터로 이루어진 스위치의 어레이는 제 1 칩에 본딩된 플립칩인 제 2 칩과 협력적으로 정렬될 수 있으며, 제 2 칩은 핫 암을 가열하기 위해 전기 제어 전류를 여러 핫 암으로 라우팅하는 와이어 및 다양한 스위치에 의해 스위칭되는 신호를 갖는다. 도 2는 본 발명의 원리에 따른, 칩(115)에 탑재되어 MEMS 액츄에이터(100)에 전기적으로 결합된 플립칩인 제 2 칩(215)의 3차원 사시도이다. 도 1의 요소들 외에, 도 2에는 와이어(201-1, 201-2), 솔더 범프(211-1, 211-2), 와이어(207), 와이어(207)를 금속 신호 와이어(107)에 전기 접속시키는 솔더 범프(217), 솔더 밀봉벽(225), 제 2 칩(215), 제 2 칩 상호접속층(267) 및 앵커 산화물 부분(253, 255)이 도시되어 있다. 도 2에서는, 잘 알아볼 수 있도록 제 2 칩(215)의 일부분을 제거하였다. 구체적으로는, 상호접속층(267)의 일부분을 제거하였고, 기판(265)의 훨씬 더 많은 부분을 제거하였다.

와이어(201-1, 201-2)는 이들 사이에, 핫 암을 가열하기 위해 핫 암(101) 양 단에 공급되는 전위 차를 갖는다. 이를 위해, 솔더 범프(211-1, 211-2)는 언더범프 금속화 패드(111)를 통해 와이어(201-1, 201-2)를 핫 암 부분(101-1, 101-2)에 각각 전기 접속시키는데, 이는 핫 앵커(103) 및 궁극적으로는 핫 암(101)에 대한 솔더 범프(211)의 접속을 용이하게 한다. 와이어(201)는 예를 들어 알루미늄, 구리 및 금과 같은 상당히 높은 전도도를 갖는 금속으로 이루어진다.

마찬가지로, 와이어(207)는 액츄에이터(101)가 스위치에 포함되면 스위칭되는 금속 신호 와이어(107)에 공급되는 신호를 운반한다. 솔더 범프(217)는 와이어(207)를 예를 들어 언더범프 금속화 패드 부분(107-1)의 위치에서 금속 신호 와이어(107)에 전기 접속시킨다. 와이어(207)는 와이어(201)와 마찬가지로 예를 들어 알루미늄, 구리, 금과 같은 높은 전도도를 갖는 금속으로 이루어진다.

와이어(201) 및 와이어(207)는 라우팅 요구에 따라 칩(215) 상의 동일 층 또는 다른 층 내에 있을 수도 있다. 칩(215)은 기판 층으로 이루어지는 것으로 도시되어 있다.

솔더 밀봉 벽(225)은 칩 상의 구조물을 외부로부터 격리시켜 전체 플립칩을 패키징할 수 있도록 칩(215)을 칩(115)에 접속시키는데 사용된다. 통상 솔더 밀봉 벽은 단순히 단일 액츄에이터 주위로 연장되기보다, 스위치로서 배열된 액츄에이터의 어레이 및 가능한 다른 디바이스를 포함하는 전체 칩의 주위로 연장된다는 점에서, 도 2에 도시된 솔더 밀봉 벽(225)은 주로 설명을 위한 것임에 유의해야 한다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같은 단일 액츄에이터가 솔더 밀봉 벽에 의해 에워싸여지지만, 액츄에이터를 볼 수 있도록 도 2에서 전방 밀봉 벽은 도시하지 않았고, 후방 벽은 칩(215)에 의해 보이지 않는다. 솔더 밀봉 벽(225)은 핫 앵커(103)와 동일한 언더 범프 금속화층, 솔더층 및 맨 위의 와이어층을 갖는 동일한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 솔더 밀봉 벽(225)은 산화물층 벽(231), 니켈층 벽(233), 예를 들어 금과 같은 언더범프 금속화층 벽(235), 솔더층 벽(237), 와이어층 벽(239)을 포함한다.

앵커 산화물 부분(253)은 희생층으로부터 에칭되지 않은 칩(115)의 산화물의 부분이며, 따라서 핫 앵커(103)를 핸들 웨이퍼(251)에 단단히 접속되도록 한다. 마찬가지로, 산화물 부분(255)은 콜드 암 앵커(113) 아래에 남아 콜드 앵커(113) 및 콜드 암(105)이 핸들 웨이퍼(251)에 단단히 접속되도록 한다. 이와 유사하게, 산화물층(231)이 희생층의 산화물로 형성되고 희생층의 잔여부가 에칭된 후에 잔존한다.

제 2 칩(215)은 기판(265) 및 상호접속층(267)으로 이루어진다. 기판(265)은 통상 실리콘이다. 상호접속층(267)은 와이어(201, 207)인 여러 와이어를 형성하는 여러 층들로 이루어진다. 통상적으로, 절연층은 실리콘 기판(265) 상에 증착되고, 그 다음에 적어도 하나의 와이어층이 절연층 상에 형성된다. 부가적인 절연층들 및 와이어들이 교대로 증착될 수 있으며, 여러 층에 위치한 와이어들 간의 전기 접속은 통상의 방식으로 비아를 사용하여 이루어진다.

도 3은 도 2에 도시된 바와 같이, 칩(115)에 탑재되어 MEMS 액츄에이터(100)에 전기적으로 결합된 플립칩인 제 2 칩(215)을 포함하는 예시적인 MEMS 액츄에이터(100)의 측면도이다. 새로운 구성요소는 도입되지 않았지만, 그러나, 도 2로부터 완전한 범위를 감지하기 다소 어려운 몇몇 요소들을 도 3에서는 보다 쉽게 볼 수 있다.

도 4는 예를 들어 계전기로도 알려져 있는 록킹 스위치와 같은 스위치(401)를 형성하는데 사용된 2개의 액츄에이터의 평면도이다. 제 1 액츄에이터는 도 1에 도시되어 있는 예시적인 MEMS 액츄에이터(100)이다. 팁 부분(107-4)이 수직하게 지시하는 팁 부분(407-4)으로 대체되었고, 콜드 암 탑재 부분(107-3)이 콜드 암 탑재 부분(107-3)과 거의 동일하지만 헤드 단 콜드 암 부분(105-4)을 따라 팁 부분(407-4)으로 연장되는 콜드 암 탑재 부분(407-3)으로 대체되었다는 점을 제외하면, 제 2 액츄에이터는 도 1에 도시된 MEMS 액츄에이터(100)와 동일한 예시적인 MEMS 액츄에이터(400)이다. 당업자들은 여러 유형의 팁을 사용해도 된다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 5는 단일 칩 상에 형성된 스위치(401)의 어레이를 도시한 것이다. 이러한 어레이는 통신 응용기기에서 교차 접속으로서 사용하기에 적합하다. 다양한 액츄에이터의 핫 암용 제어 신호 및 스위칭되는 신호들이 상부 칩(215)(도 2 및 도 3 참고)과 같은 상부 칩으로부터 공급된다. 또한, 도 5에서, 솔더 밀봉 벽(225)은 전술한 바와 같이 임의의 단일 액츄에이터 주위가 아니라 칩의 전체 직경 주위로 연장된다.

도 6 내지 9는 각각 MEMS 액츄에이터(100)를 형성하는 방법에 따라 도 1의 MEMS 액츄에이터(100)를 형성하기 위한 여러 공정들 중 하나를 수행한 후의 평면도이다. 도 6은 콜드 암(105)를 형성한 후의 결과를 도시한 것이다. 콜드 암(105)은 SOI 웨이퍼를 적절히 패터닝하고 에칭하여 디바이스 층에 원하는 형상의 콜드 암(105)을 남겨둠으로써 형성된다. 이는 당업자들이 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 도 7은 핫 암(101), 핫 암 앵커(103) 및 콜드 암 앵커(113)를 형성한 후의 결과를 도시한 것이다. 이들 구조물을 형성하는 한 방법은, (1) 칩의 표면 위에 금속 시드층을 증착하고, (2) 포토레지스트 몰드를 증착 및 패터닝하며(포토레지스트는 내부에 개구를 가지며, 여기서 금속이 성장함), (3) a) 전극을 시드층 및 성장하는 금속을 포함하는 조(bath)에 부착하고, b) 조에 칩을 위치시켜, c) 조와 시드층 사이에 전류를 흐르게 함으로써 칩을 전기도금하는 것에 의해 형성될 수 있다. 포토레지스트 몰드와 함께 사용될 수 있는 다른 기법으로는 이른바 "무전해(electroless)" 도금이 있다.

도 8은 금속 신호 와이어(107) 및 언더범프 금속화 패드(111)를 형성한 후의 결과를 도시한 것이다. 이들 구조물은 도 7과 관련하여 설명한 몰딩 및 전기 도금을 이용하여 형성될 수도 있지만, 금속 및 전기도금 조 및 금속 신호 와이어(107) 및 언더범프 금속화 패드(111)에 적절한 전류를 이용해도 된다. 마찬가지로, 금속 신호 와이어(107) 및 언더범프 금속화 패드(111)에 사용되는 금속에 대해 이용가능하다면, 무전해 도금을 이용해도 된다.

도 9는 유전체 테더(109)를 형성한 후의 결과를 도시한 것이다. 유전체 테더(109)는 바람직하게는 칩 상에 광감 유전체층을 스피닝하고, 유전체 테더를 형성하고자 하는 장소에 광을 비추어 현상액에 대해 민감하지 않도록 그 화학적 구조를 변화시키고, 현상액에 베이딩(bathing)하여 광에 노출되지 않은 유전체 재료의 부분들을 제거함으로써 형성된다.

최종 단계는 릴리스 단계이다. 릴리스 단계 동안에, 칩은 타임 에치되고, 규정된 시간 동안 에칭 조에서 통상 HF(hydrofluoric acid)로 베이딩된다. 이렇게 하면, 대부분의 원래의 웨이퍼의 잔여 산화물층이 에칭된다. 그러나, 규정된 기간동안 에칭이 이루어지고, 핫 앵커(103), 콜드 앵커(113) 및 솔더 밀봉 벽(225)(도 2 및 5 참고, 도 6 내지 9에는 도시되어 있지 않음) 아래와 같이 에칭제가 도달하기에 어려운 영역이 존재하기 때문에, 산화물이 남아 이들 구조물들이 칩 기판에 단단히 고정되게 한다.

Claims

제 1 마이크로 전자기계 액츄에이터를 포함하는 장치로서,

적어도 부분적으로 금속으로 제조되는 제 1 핫 암(hot arm)과,

가요성 부분(flexible portion)을 갖는 제 1 콜드 암(cold arm)을 포함하되,

상기 가요성 부분은 실리콘으로 제조되고, 상기 제 1 콜드 암은 상기 제 1 핫 암에 결합되며(coupled),

상기 제 1 핫 암 및 상기 제 1 콜드 암이 상기 제 1 핫 암의 가열로 인해 그들의 정지 위치로부터 변위될 때, 상기 제 1 핫 암의 가열이 중지된 후에, 상기 제 1 콜드 암은 상기 제 1 핫 암 및 제 1 콜드 암을 그들의 정지 위치로 되돌리는 모든 복원력을 제공하고 상기 제 1 핫 암은 상기 복원력을 전혀 제공하지 않는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 콜드 암은 상기 제 1 핫 암에 결합되고, 그 결과 상기 제 1 핫 암이 가열되어 상기 제 1 핫 암의 형상이 변할 때 상기 제 1 콜드 암이 자신의 정지 위치로부터 변위하는

장치.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 콜드 암의 한쪽 단부는 기판에 결합되고 상기 제 1 콜드 암의 다른 쪽 단부는 상기 제 1 핫 암에 결합되는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 마이크로 전자기계 액츄에이터는, 상기 제 1 콜드 암과 함께(congruently) 이동하도록 구성되며 자신의 정지 위치로부터 이동할 때 복원력을 제공하지 않는 금속 와이어를 더 포함하는

장치.
제 4 항에 있어서,

상기 제 1 마이크로 전자기계 액츄에이터는 스위치의 일부분이고, 상기 금속 와이어는 상기 스위치에 의해 스위칭될 신호를 운반하도록 구성되는

장치.
제 4 항에 있어서,

상기 금속 와이어는 적어도 부분적으로 상기 제 1 콜드 암 상에 탑재되는

장치.
제 6 항에 있어서,

상기 금속 와이어는 상기 제 1 콜드 암의 상기 가요성 부분 상에 탑재되지 않는

장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 마이크로 전자기계 액츄에이터는 상기 제 1 콜드 암에 결합된 제 1 금속 와이어를 더 포함하고,

상기 장치는 제 2 마이크로 전자기계 액츄에이터를 더 포함하는 스위치의 일부분이며,

상기 제 2 마이크로 전자기계 액츄에이터는

적어도 부분적으로 금속으로 제조된 제 2 핫 암과,

실리콘으로 제조되는 가요성 부분을 가지며, 상기 제 2 핫 암에 결합되는 제 2 콜드 암과,

상기 제 2 콜드 암에 결합된 제 2 금속 와이어를 포함하고,

상기 제 2 핫 암 및 상기 제 2 콜드 암이 상기 제 2 핫 암의 가열로 인해 그들의 정지 위치로부터 변위될 때, 상기 가열이 중지된 후에, 상기 제 2 콜드 암은 상기 제 2 핫 암 및 제 2 콜드 암을 그들의 정지 위치로 되돌리는 모든 복원력을 제공하고 상기 제 2 핫 암은 상기 복원력을 전혀 제공하지 않으며,

상기 제 1 마이크로 전자기계 액츄에이터 및 상기 제 2 마이크로 전자기계 액츄에이터는 상기 제 1 금속 와이어 및 상기 제 2 금속 와이어가 그들이 전기 접촉하는 적어도 하나의 위치 및 그들이 전기 접촉하지 않는 다른 위치에서 유지될 수 있도록 배열되는

장치.
제 9 항에 있어서,

상기 제 1 마이크로 전자기계 액츄에이터 및 상기 제 2 마이크로 전자기계 액츄에이터는 제 1 칩 상에 제조되고,

상기 장치는 상기 제 1 칩 상에 탑재된 플립칩(flip-chip)인 제 2 칩을 더 포함하되,

상기 제 2 칩은

상기 제 1 핫 암 및 상기 제 2 핫 암 각각을 가열하기 위한 전류를 위한 도전성 경로를 제공하도록 각각 배열되는 복수의 제어 와이어와,

적어도 i) 상기 제 1 핫 암 및 상기 제 2 핫 암과, ii) 상기 제 1 칩 상의 상기 제 1 금속 와이어 및 상기 제 2 금속 와이어에 각각 결합된 복수의 신호 와이어를 포함하며,

상기 복수의 신호 와이어 각각은 상기 스위치에 의해 상기 제 1 칩 상에서 제어가능하게 스위칭되는 신호를 위한 도전성 경로를 제공하도록 배열되는

장치.
제 10 항에 있어서,

각각의 상기 신호 와이어는 상기 제 1 칩 상의 상기 제 1 금속 와이어 및 상기 제 2 금속 와이어의 각각에 결합되는

장치.
제 1 칩 상에 제 1 마이크로 전자기계 액츄에이터를 형성하는 방법에 있어서,

SOI 웨이퍼 디바이스 층의 실리콘으로부터 콜드 암 가요성 부분을 형성하는 단계와,

적어도 부분적으로 금속으로 제조된 핫 암을 형성하는 단계와,

상기 콜드 암 부분을 상기 핫 암에 결합하는 단계를 포함하되,

상기 결합하는 단계 이후에, 상기 핫 암 및 상기 콜드 암이 상기 핫 암의 가열로 인해 그들의 정지 위치로부터 변위될 때, 상기 핫 암의 가열이 중지된 후에, 상기 콜드 암은 상기 핫 암 및 콜드 암을 그들의 정지 위치로 되돌리는 모든 복원력을 제공하고 상기 핫 암은 상기 복원력을 전혀 제공하지 않는

마이크로 전자기계 액츄에이터 형성 방법.
제 1 항에 있어서,

실리콘으로 제조되는 상기 제 1 콜드 암의 상기 가요성 부분은 SOI 웨이퍼 디바이스 층의 실리콘으로 제조되는

장치.