DE69935701T2

DE69935701T2 - Schalterstruktur und Herstellverfahren

Info

Publication number: DE69935701T2
Application number: DE69935701T
Authority: DE
Inventors: William Paul Schenectady Kornrumpf; Robert John Ballston Lake Wojnarowski
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2019-11-13
Also published as: EP1001440A3; US6188301B1; EP1001440B1; DE69935701D1; JP2000190298A; US6655011B1; EP1001440A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf mikroelektromechanische (MEM)-Strukturen und Verfahren zu deren Herstellung.
Mikrobearbeiten ist eine kürzliche Technologie zum Herstellen sich bewegender mikromechanischer Strukturen. Im Allgemeinen werden Techniken zum Herstellen von Halbleiterchargen benutzt, um zu erzielen, was tatsächlich ein dreidimensionales Bearbeiten von einkristallinem und polykristallinem Silizium und Silizium-Dielektrika und Schichten aus mehreren Metallen ist, was solche Strukturen wie Mikromotoren und Mikrosensoren erzeugt. Ausgenommen selektive Abscheidung und Entfernung von Materialien auf bzw. von einem Substrat sind konventionelle Zusammenbau-Operationen nicht eingeschlossen. So ist, beispielsweise, ein Mikrosensor in Haritonides et al., US-PS 4,896,098 und ein elektrostatischer Mikromotor in Howe et al., US-PSn 4,943,750 und 4,997,521 offenbart.
Konventionelles Bearbeiten ist unpraktisch für das rasche Herstellen eines Mehrkontakt-Schaltungssystems, das Submillimeter-Merkmale hat, weil Maschinenwerkzeuge auf größere Abmessungen beschränkt und langsam sind, weil sie nacheinander operieren. Mikroelektromechanische (MEM)-Schalterstrukturen aus Silizum sind etwas beschränkt, da sie hergestellt, in einzelne Schalterstrukturen geschnitten und dann in der Schaltung angeordnet werden müssen. Konventionelle MEMs-Strukturen können wegen der einzigartigen Bearbeitungs-Anforderungen von MEMs-Vorrichtungen auf Si-Grundlage nicht gemeinsam mit Hybrid- und HDI-Schaltungen hergestellt werden.
Während konventionelle MEMS-Strukturen auf Si-Grundlage den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Silizium-, dielektrischen Silizium- und metallischen Schichten nutzen, führt der Einsatz von Formmetalllegierung (SMA) in einer MEMs-Struktur aufgrund der SMA-Übergangswirkung zu einer höheren spezifischen Ausbeute. SMAs sind typischerweise geglühte Legierungen aus hauptsächlich Titan und Nickel, die bei einer Übergangstemperatur einer vorhersehbaren Phasenänderung unterliegen. Während dieses Überganges erfährt das SMA-Material eine große Änderung in den Abmessungen, was in Betätigungs-Einrichtungen für Ventile und Ähnliches benutzt werden kann, siehe Johnson et al., US-PS 5,325,880. Typische dünne Filme aus SMA-Materialien werden unter Einsatz von Zerstäubungs-Techniken gebildet, um Schichten im Bereich von etwa 2.000 Angstroms bis 125 μm abzuscheiden. Diese zerstäubten Filme sind im Allgemeinen polykristallin und erfordern eine Wärmebehandlung (Glühen) in einer sauerstofffreien Umgebung, Kaltbearbeiten oder eine Kombination, um die kristalline Phase zu erzeugen, die in MEMs-Vorrichtungen benutzt wird. Rein thermisches Glühen kann Temperatur in der Größenordnung von 500°C erfordern.
In Beziehung zur Erfindung steht auch, was als hochdichte Verbindungs (HDI)-Technologie für Multichipmodul-Verpackung bekannt ist, wie in Eichelberger et al., US-PS 4,783,695 offenbart. Kurz gesagt, werden in Systemen, die diese hochdichte Verbindungsstruktur benutzen, verschiedene Komponenten, wie integrierte Halbleiter-Schaltungschips, innerhalb von Vertiefungen angeordnet, die in einem Keramiksubstrat ausgebildet sind. Eine Mehrschicht-Decküberzugsstruktur wird dann aufgebaut, um die Komponenten zu einem tatsächlich funktionierenden System zu verbinden. Um die Mehrschicht-Decküberzugsstruktur zu beginnen, wird ein dielektrischer Polyimidfilm, wie KAPTON^TM-Polyimid (erhältlich von E.I. Dupont de Nemours & Company, Wilmington, DE) von etwa 12,7 bis 76 μm (0,5 bis 3 mils) Dicke über das Oberteil der Chips, anderer Komponenten und das Substrat laminiert, wozu ULTEM^TM-Polyetherimidharz (erhältlich von General Electric Company, Pittsfield, MA) oder andere Klebstoffe benutzt werden. Die tatsächlichen Stellen der verschiedenen Komponenten und Kontaktkissen darauf werden durch optisches Anvisieren bestimmt und Durchgangslöcher werden mittels Laser in angepasster Weise in den KAPTON^TM-Film und Klebstoffschichten in Ausrichtung mit den Kontaktkissen auf den elektronischen Komponenten gebohrt. Beispielhafte Laser-Bohrtechniken sind in Eichelberger et al., US-PSn 4,714,516 und 4,894,115 und in Loughran et al., US-PS 4,764,485 offenbart. Solche HDI-Durchgänge haben typischerweise Durchmesser in der Größenordnung von 25 bis 50 μm (1 bis 2 mils). Eine Metallisierungsschicht wird über der KAPTON^TM-Filmschicht abgeschieden und erstreckt sich in die Durchgangslöcher, um elektrischen Kontakt zu den Chip-Kontaktkissen herzustellen. Diese Metallisierungsschicht kann gemustert werden, um während des Abscheidungsverfahrens einzelne Leiter zu bilden, oder sie kann als eine zusammenhängende Schicht abgeschieden und dann unter Benutzung von Fotoresist und Ätzen gemustert werden. Der Fotoresist wird vorzugsweise unter Einsatz eines Lasers freigelegt, der relativ zum Substrat hin und her geführt wird, um ein genau ausgerichtetes Leitermuster nach Abschluss des Verfahrens bereitzustellen. Beispielhafte Techniken zum Mustern der Metallisierungsschicht sind in Wojnarowski et al., US-PSn 4,780,177 und 4,842,677 und in -Eichelberger et al., US-PS 4,835,704 offenbart, die ein "Adaptive Lithography System to Provide High Density Interconnect" offenbart. Irgendeine Fehlposition der einzelnen elektronischen Komponenten und ihrer Kontaktkissen wird durch ein anpassendes Laser-Lithographiesystem kompensiert, wie es in der vorerwähnten US-PS 4,835,704 offenbart ist. Zusätzliche dielektrische und Metallisierungs-Schichten sind, wie erforderlich, bereitgestellt, um all die erwünschten elektrischen Verbindungen zwischen den Chips herzustellen. Dieses Verfahren des Metallmusterns auf Polymeren, Lamination durch Bohren und zusätzliche Metallabscheidung und Mustern kann benutzt werden, um freistehende flexible Präzisionsschaltungen, Rückebenen-Baueinheiten und Ähnliches herzustellen, wenn die erste Polymerschicht nicht über ein Substrat laminiert ist, das Halbleiter-Matrize enthält, wie in Eichelberger et al., US-PS 5,452,182 "Flexible HDI structure and Flexibly Interconnected System".
Eine Struktur gemäß der Präambel von Anspruch 1 ist aus EP-A-0 709 911 bekannt, die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wäre erwünscht, einen integralen Schaltmechanismus innerhalb der HDI-Schaltungsumgebung bereitzustellen. Frühere MEM-basierende Schalter und Betätigungs-Vorrichtungen erforderten die Einführung einzelner MEM-Teile in die HDI-Schaltung und das nachfolgende Leiten von Signalen zur MEM-Struktur, insbesondere, wenn eine große Anzahl von Schaltern erforderlich oder eine hohe Isolation der geschalteten Signale erwünscht war. Der Gebrauch einer integralen MEMS innerhalb einer HDI-Struktur gestattet das Positionieren von Schaltern in erwünschten Stellen mit einem Minimum an Signal-Ablenkung und -Leitung. Zusätzlich wird es nicht erforderlich sein, die zerbrechlichen MEM-Betätigungs-Vorrichtungen zu handhaben und unter Erleiden eines Ausbeuteverlustes dieses Einführungs-Verfahrens in Vertiefungen in der HDI-Schaltung einzuführen. Der Gebrauch integraler Schaltungsmechanismen, innerhalb der HDI-Architektur, führt zu einem System geringerer Kosten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Struktur mit einer Basisoberfläche, einer Kunststoff-Verbindungs schicht, die über der Basisoberfläche liegt und einen Hohlraum aufweist, der sich bis zur Basisoberfläche hindurch erstreckt; einer Formgedächtnis-Legierungs(SMA)schicht, die über der Kunststoff-Verbindungsschicht und dem Hohlraum gemustert ist, und einer gemusterten leitenden Schicht, die über der Kunststoff-Verbindungsschicht und dem Hohlraum ausgebildet ist und über mindestens einem Teil der SMA-Schicht liegt, bereitgestellt, wobei die SMA-Schicht die SMA- und leitenden Schichten weiter weg von der Basisoberfläche bewegt, wenn genügend Elektrizität an die SMA-Schicht angelegt ist.
Die Struktur kann auch einen Schalter umfassen, wobei die SMA- und leitenden Schichten zur Basisoberfläche hin be wegbar sind, und sie kann weiter ein fixiertes Kontaktkissen innerhalb des Hohlraumes und an der Basisoberfläche befestigt, und ein bewegbares Kontaktkissen an einem Teil der gemusterten SMA-Schicht innerhalb des Hohlraumes derart befestigt einschließen, dass bei Bewegung der gemusterten SMA-Schicht und der gemusterten leitenden Schicht zur Basisoberfläche hin das bewegliche Kontaktkissen das fixierte Kontaktkissen berührt und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und fixierten Kontaktkissen herstellt.
Die gemusterte SMA-Schicht und die gemusterte leitende Schicht können eine erste stabile Position, worin das bewegbare Kontaktkissen sich zum fixierten Kontaktkissen hin biegt und dieses berührt und eine zweite stabile Position derart aufweisen, dass sich das bewegbare Kontaktkissen vom fixierten Kontaktkissen weg bewegt.
Die SMA-Schicht kann eine Legierung von TiNi umfassen.
Die Struktur kann auch eine Kraftrückführungs-Vorrichtung einschließen, die das bewegbare Kontaktkissen zum fixierten Kontaktkissen hin drückt, um eine elektrische Ver bindung zwischen dem bewegbaren und fixierten Kontaktkissen bereitzustellen, wenn nicht genügend Elektrizität an die SMA-Schicht gelegt ist.
Die gemusterte leitende Schicht kann eine erste gemusterte leitende Schicht und die gemusterte SMA-Schicht kann eine erste gemusterte SMA-Schicht umfassen. Die Struktur kann weiter eine zweite Kunststoff-Verbindungsschicht einschließen, die über der ersten gemusterten leitenden Schicht und der ersten gemusterten SMA-Schicht liegt, eine zweite gemusterte SMA-Schicht, die über der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht liegt; eine zweite gemusterte leitende Schicht, die über mindestens einem Teil der zweiten SMA-Schicht liegt; ein bewegbares Kontaktkissen, das an der zweiten gemusterten leitenden Schicht angebracht ist, und ein externes Kontaktkissen, das an der Trägeroberfläche derart angebracht ist, dass, wenn sich die erste und zweite gemusterte SMA-Schicht und die erste und zweite gemusterte leitende Schicht von der Basisoberfläche weg bewegen, das bewegbare Kontaktkissen sich zu dem externen Kontaktkissen bewegt und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem beweglichen und externen Kontaktkissen herstellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine bistabile Schalterstruktur bereitgestellt, umfassend: eine Basisoberfläche, eine erste Kunststoff-Verbindungsschicht, die über der Basisoberfläche liegt und einen sich zur Basisoberfläche hindurch erstreckenden Hohlraum aufweist; eine erste gemusterte SMA-Schicht, die über der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht und dem Hohlraum liegt; eine erste gemusterte leitende Schicht, die über mindestens einem Teil der ersten gemusterten SMA-Schicht liegt; eine zweite Kunststoff-Verbindungsschicht, die über der ersten gemusterten leitenden Schicht und der ersten gemusterten SMA-Schicht liegt; eine zweite gemusterte SMA-Schicht, die über der zweiten Kunst stoff-Verbindungsschicht liegt; eine zweite gemusterte leitende Schicht, die über mindestens einem Teil der zweiten SMA-Schicht liegt; ein fixiertes Kontaktkissen innerhalb des Hohlraumes und befestigt an der Basisoberfläche und ein bewegbares Kontaktkissen, befestigt an einem Teil der ersten gemusterten SMA-Schicht innerhalb des Hohlraumes derart, dass, wenn sich die erste und zweite gemusterte SMA-Schicht und die erste und zweite gemusterte leitende Schicht zur Basisoberfläche hin bewegen, das bewegbare Kontaktkissen das fixierte Kontaktkissen berührt und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und fixierten Kontaktkissen schafft.
Die erste und zweite SMA-Schicht kann eine Legierung von TiNi umfassen.
Mindestens ein Teil der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht, der über dem Hohlraum liegt, kann verdünnt sein.
Die erste gemusterte SMA-Schicht, die erste gemusterte leitende Schicht, die zweite gemusterte SMA-Schicht und die zweite gemusterte leitende Schicht können eine erste stabile Position derart aufweisen, dass das bewegliche Kontaktkissen sich nach vorn biegt und das fixierte Kontaktkissen berührt und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und fixierten Kontaktkissen herstellt, sowie eine zweite stabile Position, worin sich das bewegliche Kontaktkissen weg von dem fixierten Kontaktkissen biegt und dadurch eine offene elektrische Verbindung zwischen dem beweglichen und fixierten Kontaktkissen bereitstellt.
Die Schalterstruktur kann weiter ein zweites bewegbares Kontaktkissen, das an einem Teil der zweiten gemusterten leitenden Schicht befestigt ist und ein externes Kontaktkissen einschließen, wobei das bewegbare und externe Kontaktkissen sich berühren und eine elektrische Verbindung bilden, wenn sich die Schalterstruktur in der zweiten Position befindet.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Mikrowellen-Schalterstruktur bereitgestellt, umfassend: eine Trägerschicht, eine erste Kunststoff-Verbindungsschicht, die über der Trägerschicht liegt und einen Hohlraum aufweist, der sich hindurch zur Trägerschicht erstreckt, eine Übertragungsleitung auf der Trägerschicht innerhalb des Hohlraumes, eine erste gemusterte SMA-Schicht, die über der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht und dem Hohlraum liegt, eine erste gemusterte leitende Schicht über mindestens einem Teil der ersten gemusterten SMA-Schicht, eine zweite Kunststoff-Verbindungsschicht, die über der ersten gemusterten leitenden Schicht und der ersten gemusterten SMA-Schicht liegt, eine zweite gemusterte SMA-Schicht, die über der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht liegt, eine zweite gemusterte leitende Schicht, die über der zweiten SMA-Schicht liegt, wobei die Bewegung der ersten gemusterten SMA-Schicht, der ersten gemusterten leitenden Schicht, der zweiten gemusterten SMA-Schicht und der zweiten leitenden Schicht dadurch die Kapazität zwischen der Übertragungsleitung und der ersten SMA- und gemusterten leitenden Schicht ändert.
Die erste und zweite SMA-Schicht können eine Legierung von TiNi umfassen.
Die erste gemusterte SMA-Schicht, die erste gemusterte leitende Schicht, die zweite gemusterte SMA-Schicht und die zweite gemusterte leitende Schicht können in einer ersten stabilen Position derart gebildet werden, dass sie sich zur Übertragungsleitung hin biegen.
Die erste gemusterte SMA-Schicht, die erste gemusterte leitende Schicht, die zweite gemusterte SMA-Schicht und die zweite gemusterte leitende Schicht können, wenn sie selektiv erhitzt sind, eine zweite stabile Position derart bilden, dass sie sich von der Übertragungsleitung weg bewegen.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Schalterstruktur geschaffen, umfassend: Aufbringen einer Kunststoff-Verbindungsschicht, die über einer Basisoberfläche liegt, Bilden eines Hohlraumes, der sich in die Kunststoff-Verbindungsschicht zur Basisoberfläche hin erstreckt, Füllen des Hohlraumes mit einem entfernbaren Füllstoffmaterial, Aufbringen und Mustern einer SMA-Schicht über der Kunststoff-Verbindungsschicht und dem Füllstoffmaterial, Aufbringen und Mustern einer leitenden Schicht über mindestens einem Teil der SMA-Schicht, Entfernen mindestens eines Teiles des entfernbaren Füllstoffmaterials aus dem Hohlraum, Glühen der SMA-Schicht, Formen der SMA-Schicht und der leitenden Schicht, wobei das Glühen und Formen verursacht, dass sich die SMA-Schicht zusammenzieht und die leitende Schicht weiter weg von der Basisoberfläche bewegt, wenn genügend Elektrizität an die SMA-Schicht gelegt ist.
Das Verfahren kann weiter das Aufbringen eines fixierten Kontaktkissens auf der Basisoberfläche innerhalb des Hohlraumes und das Aufbringen eines bewegbaren Kontaktkissens auf der SMA-Schicht innerhalb des Hohlraumes umfassen, wobei das Glühen in einer nicht oxidierenden Atmosphäre ausgeführt wird und das Formen der SMA-Schicht und der leitenden Schicht weiter das Formen der SMA-Schicht und der leitenden Schicht zur Bildung einer ersten stabilen Position umfasst, wobei sich die SMA-Schicht und die leitende Schicht zur Basisoberfläche hin bewegen und das bewegbare Kontaktkissen das fixierte Kontaktkissen berührt, um eine elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und fixierten Kontaktkissen bereitzustellen.
Das Formen der SMA-Schicht und der leitenden Schicht kann eine zweite stabile Position bilden, wobei die SMA-Schicht und die leitende Schicht sich von der Basisoberfläche weg biegen und das bewegbare Kontaktkissen das fixierte Kontaktkissen nicht berührt, wodurch eine offene elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und fixierten Kontaktkissen bereitgestellt ist.
Die leitende Schicht kann eine erste leitende Schicht und die SMA-Schicht kann eine erste SMA-Schicht umfassen und das Verfahren kann weiter einschließen: Aufbringen und Mustern einer zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht, die über der ersten leitenden Schicht und der ersten SMA-Schicht liegt, Aufbringen und Mustern einer zweiten Formgedächtnis-Legierungs(SMA)-Schicht, die über der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht liegt, Aufbringen und Mustern einer zweiten leitenden Schicht, die über der zweiten SMA-Schicht liegt, Glühen der zweiten SMA-Schicht, wobei das Formen der ersten SMA-Schicht und der ersten leitenden Schicht weiter das Formen der zweiten SMA-Schicht und der zweiten leitenden Schicht derart umfasst, dass bei Anlegen von Elektrizität an die zweite SMA-Schicht die zweite SMA-Schicht sich zusammenzieht und die erste leitende Schicht mehr zur Basisoberfläche bewegt.
Das Glühen der ersten und zweiten SMA-Schicht und das Formen der ersten und zweiten SMA- und leitenden Schichten kann eine erste stabile Position erzeugen, wobei die erste SMA-Schicht, die erste leitende Schicht, die zweite SMA-Schicht und die zweite leitende Schicht sich zur Basisoberfläche hin biegen und das bewegbare Kontaktkissen das fixierte Kontaktkissen berührt und eine zweite stabile Position, wobei die erste SMA-Schicht, die erste leitende Schicht, die zweite SMA-Schicht und die zweite leitende Schicht sich weg von der Basisoberfläche biegen.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsstruktur geschaffen, umfassend: Aufbringen einer Übertragungsleitung über einer Trägeroberfläche, Aufbringen einer ersten Kunststoff-Verbindungsschicht, die über der Trägerschicht und der Übertragungsleitung liegt, Bilden eines Hohlraumes innerhalb der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht, die sich hindurch zur Trägerschicht und der Übertragungsleitung erstreckt, Füllen des Hohlraumes mit einem entfernbaren Füllstoffmetall, Aufbringen und Mustern einer ersten SMA-Schicht über der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht und dem gefüllten Hohlraum, Aufbringen und Mustern einer ersten leitenden Schicht über der ersten SMA-Schicht, Aufbringen und Mustern einer zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht, die über der ersten leitenden Schicht und der ersten SMA-Schicht liegt, Aufbringen und Mustern einer zweiten SMA-Schicht, die über der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht liegt, Aufbringen und Mustern einer zweiten leitenden Schicht, die über der zweiten SMA-Schicht liegt, Entfernen von mindestens einem Teil des entfernbaren Füllstoffmetalles aus dem Hohlraum, Glühen der ersten und zweiten SMA-Schicht und Formen der ersten leitenden Schicht, der zweiten SMA-Schicht und der zweiten leitenden Schicht zu einer ersten stabilen Schalterposition, wobei die erste SMA-Schicht, die erste leitende Schicht, die zweite SMA-Schicht und die zweite leitende Schicht sich zur Übertragungsleitung hin biegen, und eine zweite stabile Schalterposition, wobei die erste SMA-Schicht, die erste leitende Schicht, die zweite SMA-Schicht und die zweite leitende Schicht sich von der Übertragungsleitung weg biegen.
Das Glühen kann in einer nicht oxidierenden Atmosphäre ausgeführt werden durch Hindurchleiten von Strom durch die erste und zweite SMA-Schicht, durch Laser-Erhitzen der ersten und zweiten SMA-Schicht oder durch eine Kombination aus Durchleiten von Strom und Laser-Erhitzen der ersten und zweiten SMA-Schicht.
Das Verfahren kann weiter das Verdünnen eines Teiles der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht vor dem Mustern der zweiten SMA-Schicht einschließen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Struktur: eine Basisoberfläche, eine Kunststoff-Verbindungsschicht, die über der Basisoberfläche liegt, einen Hohlraum innerhalb der Kunststoff-Verbindungsschicht, der sich hindurch zur Basisoberfläche erstreckt, eine gemusterte Formgedächtnis-Legierungs(SMA)-Schicht, die über der Kunststoff-Verbindungsschicht und dem Hohlraum gemustert ist, und eine leitende Schicht, die über der SMA-Schicht gemustert ist. die SMA-Schicht zieht sich zusammen und bewegt die gemusterte SMA- und leitende Schicht weiter weg von der Basisoberfläche, wenn Elektrizität an die SMA-Schicht gelegt wird.
Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine Querschnittsansicht einer ersten Kunststoff-Verbindungsschicht ist, die einen über einer Basisoberfläche liegenden gefüllten Hohlraum aufweist,
2 eine Ansicht ähnlich der von 1 ist, die weiter eine erste Formgedächtnis-Legierungs(SMA)-Schicht und eine erste leitende Schicht einschließt,
3 eine Ansicht ähnlich der von 2 ist, die die erste leitende und SMA-Schicht gemustert zeigt,
4 eine Ansicht ähnlich der von 3 ist, die weiter die Hinzufügung einer zweiten Kunststoff-Verbindungs schicht, einer zweiten SMA-Schicht, einer zweiten leitenden Schicht und eines gemusterten Schalterkontaktes und einen HDI-Verbindungsdurchgang zeigen,
5 eine gekrümmte Schnittansicht ähnlich der 4 ist, die weiter die zweite SMA-Schicht gemustert, die zweite leitende Schicht gemustert und die zweite Kunststoff-Verbindungsschicht teilweise entfernt zeigt,
6 eine Draufsicht einer Ausführungsform des Musterns ist, die bei der Ausführungsform von 5 benutzt werden kann und Bereiche für Signal-Verbindung und Betätigungs-Verbindung zeigt,
7 eine Schnittansicht ähnlich 5 ist, die weiter das aus dem Hohlraum entfernte Füllstoffmaterial sowie die erste gemusterte SMA-Schicht, die erste gemusterte leitende Schicht, die zweite gemusterte SMA-Schicht und die zweite gemusterte leitende Schicht verformt zu einer ersten stabilen Position zeigt,
8 eine Schnittansicht ähnlich 7 ist, die weiter die erste gemusterte SMA-Schicht, die erste gemusterte leitende Schicht, die zweite gemusterte SMA-Schicht, die zweite gemusterte leitende Schicht in einer zweiten stabilen Position und das bewegbare Kontaktkissen in Kontakt mit einem externen Kontaktkissen zeigt, was zu einem geschlossenen Schalter führt;
9 eine Querschnittsansicht ähnlich der von 1 ist, die weiter ein vorpositoniertes fixiertes Kontaktkissen, ein wahlweise geformtes entfernbares Material, eine Teilöffnung in einem entfernbaren Füllstoffmaterial und eine bewegbare Kontaktkissen-Metallisierung zeigt,
10 eine Schnittansicht ähnlich der von 9 ist, die weiter die erste gemusterte SMA-Schicht, die zweite gemusterte leitende Schicht und bewegbare Kontaktkissen-Metallisierung zeigt,
11 eine Schnittansicht ähnlich 10 ist, die weiter die erste und zweite gemusterte SMA-Schicht, die erste und zweite leitende Schicht und die zweite Kunststoff-Verbindungsschicht teilweise entfernt, Füllstoffmaterial teilweise entfernt und ein bewegbares Kontaktkissen und ein fixiertes Kontaktkissen zeigt, wobei das bewegbare und das fixierte Kontaktkissen als ein offener Schalter gezeigt sind,
12 eine Draufsicht ist, die eine Ausführungsform für die Arme der ersten und zweiten gemusterten SMA- und leitenden Schicht zeigt,
13 eine Schnittansicht ähnlich der von 11 ist, die weiter das bewegbare Kontaktkissen in Kontakt mit dem fixierten Kontaktkissen als einen geschlossenen Schalter in der ersten stabilen Position zeigt,
14 eine Ansicht ähnlich der 10 ist, die weiter ein erstes bewegbares Kontaktkissen und ein fixiertes Kontaktkissen innerhalb der Schalterstruktur zeigt, wobei das erste bewegbare Kontaktkissen das fixierte interne Kontaktkissen als einen geschlossenen Schalter in der ersten stabilen Position berührt und ein zweites bewegbares Kissen in einer offenen Schalterposition mit einem externen Kontaktkissen ist,
15 eine Ansicht ähnlich 11 ist, die weiter ein erstes bewegbares Kontaktkissen und ein fixiertes Kontaktkissen innerhalb der Schalterstruktur zeigt, worin das bewegbare Kontaktkissen und das fixierte Kontaktkissen einen offenen Schalter in der zweiten stabilen Position und ein zweites bewegbares Kissen einen geschlossenen Schalter mit einem externen Kontaktkissen bildet,
16 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer Kombinations-Schalterstruktur-Ausführungsform mit vier Positionen in einer ersten stabilen Position ist,
17 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der 16 der Kombinations-Schalterstruktur-Ausführungsform mit vier Positionen in einer zweiten stabilen Position ist,
18 eine Querschnittsansicht ist, die eine Ausführungsform eines HF- oder Mikrowellen-Schalters in einer Nebenschluss-Position zeigt,
19 eine Ansicht ähnlich der 18 ist, die weiter die Ausführungsform eines HF- oder Mikrowellen-Schalters in einer offenen Position zeigt, und
20 eine Querschnittsansicht ist, die eine weitere Ausführungsform einer Schalterstruktur in einer geschlossenen Position und weiter eine Kraftrückführungs-Vorrichtung zeigt:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in 1 bis 15 gezeigt sind, kann eine Schalterstruktur auf MEM-Grundlage oder eine Betätigungs-Vorrichtung (die bistabil sein kann) hergestellt werden unter Anwendung traditioneller HDI-Bearbeitungsschritte. Die Schalterstruktur wird durch selektives Hindurchleiten von Strom durch die gemusterten SMA-Schichten betätigt, wodurch ihr Erhitzen auf oberhalb der Übergangstemperatur der SMA-Schicht und eine Verformung der erhitzten Schicht verursacht werden. In 1 bis 8 ist der Schalter mit einem äußeren bewegbaren Kontaktkissen gezeigt; in 9 bis 13 ist der Schalter mit einem inneren bewegbaren Kontaktkissen gezeigt und in 14 bis 15 ist der Schalter mit inneren und äußeren bewegbaren Kontaktkissen gezeigt.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gezeigt in 16 und 17, wird eine Doppelschalterstruktur hergestellt, bei der zwei Schalter in einer Anordnung angeordnet sind, bei der eine bistabile Schalterstruktur direkt über einer zweiten bistabilen Schalterstruktur umgekehrt ist und Kontaktkissen zu jeder bistabilen Schalterstruktur hinzugefügt sind. Eine Doppelschalterstruktur wird gebildeet, wenn beide bistabile Schalterstrukturen in einer Position sind, bei der sich die beiden zusätzlichen Kontaktkissen in direktem Kontakt befinden und eine elektrische Verbindung vervollständigen.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 18 und 19 gezeigt, wird eine HDI-SMA-Betätigungsvorrichtung benutzt, um einen kapazitiven Schalter in einer Nebenanordnung zu betätigen. Diese Ausführungsform ist, z.B., brauchbar als ein Radiofrequenz(RF)- oder Mikrowellen-Schalter.
20 veranschaulicht eine Ausführungsform ähnlich der mit Bezug auf die 1 bis 15 diskutierten, wobei der Schalter nicht bistabil zu sein braucht. In dieser Ausführungsform wird, z.B., eine Kraftrückführungs-Vorrichtung, wie z.B. eine Feder, benutzt und es ist nur eine gemusterte SMA-Schicht erforderlich.
Die SMA-HDI-Schalter-/Betätigungsvorrichtung kann als eine integrale Komponente in einer HDI-Schaltung vorgesehen sein, was ihren Einsatz innerhalb der HDI-Schaltung gestattet. Während die Zeichnungen eine Schalterstruktur zeigen, die der Einfachheit halber auf der untersten HDI-Schicht hergestellt ist, ist es möglich, die Schalterstruktur bei jeder Schicht in einer Vielschicht-HDI-Schaltung oder einem Rückebenen-Verbindungssystem herzustellen. Die Figuren wurden nicht maßstabgerecht gezeichnet, sodass die Schalter detaillierter gesehen werden können.
1 zeigt eine Schnittansicht einer Kunststoff-Verbindungsschicht 12, die über einer allgemein planaren Basisoberfläche 10 liegt. Das Basismaterial 10 kann z.B. irgendeine geeignete Keramik, irgendein geeignetes Metall oder Polymer einschließen. Die Kunststoff-Verbindungsschicht 12 ist ein stabiler Überzug und umfasst ein Material, wie z.B. ein Polyimid oder Siloxan-Polyimid-Epoxy (SPI/Epoxy, wie in Gorczyca et al., US-PS 5,161,093 beschrieben), andere Epoxy-, Siliconkautschuk-Materialien, TEFLON^TM-Polytetrafluorethylen (TEFLON ist eine Marke der E.I. duPont de Nemours and Co.) oder ein gedrucktes Schaltungsplatten-Material. Die Kunststoff-Verbindungsschicht kann gegebenenfalls Füllstoffmaterial, wie z.B. Glas- oder Keramik-Teilchen einschließen. Die Kunststoff-Verbindungsschicht wird in einer Ausführungsform als eine dielektrische HDI-Schicht benutzt. Die Kunststoff-Verbindungsschicht 12 kann mit Wärme und/oder einem Klebstoff (nicht gezeigt) auf Basisoberfläche 10 laminiert oder auf der Basisoberfläche durch Schleuder-, Sprüh- oder chemische Dampfabscheidungs(CVD)-Technik, z.B., abgeschieden sein.
Ein Hohlraum 16 ist in der Kunststoff-Verbindungsschicht 12 durch irgendein geeignetes Mittel ausgebildet. In einer Ausführungsform, wie in der vorerwähnten US-PS 4,894,115 von Eichelberger et al. beschrieben, kann das dielektische Material wiederholt mit einem kontinuierlichen Wellenlaser hoher Energie abgetastet werden, um ein Loch geeigneter Größe und Gestalt zu erzeugen. Andere geeignete Verfahren der Lochbildung schließen, z.B., Fotomustern fotomusterbarer Polyimide und die Benutzung eines Excimer-Lasers mit einer Maske ein. Der Hohlraum wird danach mit einem entfernbaren Material 18, wie Siloxanpolyimid (SPI) gefüllt. SPI ist ein Produkt von MICROSI, Inc., 10028 South 51st Street, Phoenix, AZ 85044. Metallisierte Durchgänge (nicht gezeigt) können gebildet und in dielektrischem Material 12 durch irgendein geeignetes Verfahren gemustert werden und erstrecken sich hindurch zur Verwendung als elektrische Verbindungspfade.
Wie in 2 gezeigt, wird eine erste SMA-Schicht 22 auf Kunststoff-Verbindungsschicht 12 abgeschieden, die sich über das entfernbare Füllstoffmaterial 18 erstreckt. Die erste SMA-Schicht 22 kann irgendeine geeignete Formgedächtnis-Legierung sein und in einer Ausführungsform umfasst sie eine Titan-Nickel-Legierung in einem 50%/50%-Verhältnis. TiNi ist brauchbar, weil es einer signifikanten Verschiebung bei Durchlaufen ihrer Übergangstemperatur unterliegt. Die erste Schicht von SMA 22 kann, z.B., durch Laminieren, Zerstäuben, CVD oder Verdampfung aufgebracht werden.
Eine erste leitende Schicht 20 wird weiter auf der ersten SMA-Schicht 22 über der Kunststoff-Verbindungsschicht 12 und dem gefüllten Hohlraum 16 abgeschieden. Die erste Schicht aus leitendem Material 20 kann Kupfer oder ein anderes derartiges geeignetes Material für die Wärmeabführung und für Extra-Stromhandhabung oder Signalleitung auf der gleichen Schicht sein. Die erste leitende Schicht 20 kann elektroplattiertes Kupfer sein, wenn eine zusätzliche Stromhandhabungs-Fähigkeit erforderlich ist.
3 zeigt die erste SMA- und leitende Schicht gemustert zu einem erwünschten Muster. Das Muster der ersten SMA-Schicht 22 und das Muster der ersten leitenden Schicht 20 kann das gleiche oder können verschiedene Muster sein, wie unten in 6 gezeigt, was von der Verwendung der Struktur abhängt. Das Muster der SMA-Schicht 22 kann eine Verbindung durch einen (nicht gezeigten) HDI-Durchgang zu einer unteren Schicht einschließen, wobei es weiter mit einer Steuerspannung verbunden sein kann. Die vorerwähnte US-PS 4,835,704 von Eichelberger et al. beschreibt ein brauchbares adaptives Lithographie-System, z.B. zum Mustern von Metallisierung. Konventionelle Fotoresist- und Expositions-Masken können ebensogut benutzt werden.
Wie in 4 gezeigt, kann eine zweite Kunststoff-Verbindungsschicht 24 durch Schleuderüberziehen oder Laminieren (Standard-HDI-Verfahren) zur Bildung einer zweiten Ebene abgeschieden werden (Durchgang 30 kann hier unter Benutzung eines Verfahrens ausgebildet werden, wie, z.B., in der vorgenannten US-PS 4,894,115 von Eichelberger et al, beschrieben und sich bis zu einem Abschnitt 141 der gemusterten SMA- und leitenden Schicht 22 und 20 erstrecken, wenn die Bildung von Verbindungen in dieser Weise erwünscht ist) zur Abscheidung einer zweiten SMA-Schicht 26 und einer zweiten leitenden Schicht 28, die z.B. Materialien ähnlich der entsprechenden SMA- und leitenden Schicht 22 und 20 umfassen.
In einer Ausführungsform kann ein verdünnter Abschnitt 25 (wie in der vorgenannten US-Anmeldung 08/781,972 diskutiert und gezeigt, absichtlich in der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht 24 zum Verringern mechanischer Spannung auf Arme (gezeigt in 6), Erstreckungen und/oder leiten- de Pfade der gemusterten SMA- und leitenden Schicht gebildet werden. Der verdünnte Abschnitt 25 kann während oder nach dem Aufbringen der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht 24, z.B., durch Ätzen, Laser-Abschmelzen oder Wärmepressen gebildet werden. Der verdünnte Abschnitt 25 der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht 24 resultiert in einer entsprechen den abwärts weisenden Krümmung der zweiten SMA-Schicht 26 und der zweiten leitenden Schicht 28, wodurch die Nachgiebigkeit der Struktur erhöht wird.
Ebenfalls gezeigt in 4 ist ein Kontaktkissen 70, das über der zweiten leitenden Schicht durch irgendein geeignetes Material aufgebracht wird. In einer Ausführungsform umfasst das Kontaktkissen eine Palladium-geimpfte Schicht, die konventionell beim stromlosen Plattieren benutzt wird, oder eine Palladium-geimpfte Schicht über einem Kunststoff oder anderem geeignet geformten Kissenmaterial, wie, z.B., zweiter leitender Schicht 28, gefolgt von einer Palladiumschicht, die, z.B., mit einer Maske oder einem Fotoresist-Verfahren elektroplattiert sein kann.
Die zweite leitende und zweite SMA-Schicht werden dann gemustert, wie in der gekrümmten Schnittansicht von 5 und der Draufsicht von 6 gezeigt. 5 erstreckt sich, beispielshalber, entlang Linie 5-5 von 6.
In einer Ausführungsform kann die zweite SMA-Schicht 26 auch mit Steuerleitungen 141 durch Durchgang 30 verbunden sein, der in der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht 24 ausgebildet ist. Die zweite Kunststoff-Verbindungsschicht 24 wird dann durch geeignete Mittel vorzugsweise teilweise in einem geeigneten Muster entfernt, wie in den Flächen (gezeigt als Flächen 23 in 6), die über entfernbarem Material 18 liegen. Vorzugsweise werden Flächen 23 der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht 24 über dem Hohlraum entfernt, wobei Schicht 24 unter den Armen und Kontaktkissen 70 in Position belassen wird.
Die Draufsicht von 6 veranschaulicht eine Ausführungsform der Schalterstruktur, die beispielsweise spiral geformte Schalterstrukturarme aus SMA-Legierungsmaterial zeigt.
In einer Ausführungsform sind diese Schalterelemente gemustert, um den nachgiebigen BGA-Strukturen zu ähneln, die von Wojnarowski et al. in der US-Patentanmeldung Serial No. 08/781,972 mit dem Titel "Interface Structures for Electronic Devices" und von Wojnarowski in der US-Patentanmeldung Serial No. 08/922,018 mit dem Titel "Flexible Interface Structures for Electronic Devices", beschrieben sind.
In 6 schließt die Konfiguration 46 die zweite SMA- und leitende Schicht und Kontaktkissen 70, die einen zentralen Abschnitt bilden, der durch Kontaktkissen 70 gezeigt ist, sowie vier Arme 41, 42, 43 und 44 ein. Wie weiter gezeigt, kann in 6 ein Leiter- und Endbereich 45 einen Pfad für den Strom zur Schalterstruktur bereitstellen. Wie in der vorerwähnten US-Anmeldung Serial No. 08/781,972 weiter diskutiert und gezeigt, kann irgendein Anzahl von Armen (ein oder mehr) benutzt werden und die Arme können irgendeine Gestalt haben. In der Ausführungsform von 6 umfassen die Arme SMA-Material, das von der leitenden schicht des Schalters und dem leitenden Pfad isoliert ist und sich vorzugsweise zu (in 5 gezeigten) Abschnitten 47 erstreckt, die die leitende Schicht einschließen. Es ist vorteilhaft, einen Ring 49 zu haben, der die Arme koppelt und sowohl SMA-Material als auch leitendes Material einschließt, um ein gleichmäßiges Erhitzen jedes Armes während der Betätigung bereitzustellen.
Wie in 7 gezeigt, ist mindestens ein Teil des Hohlraum-Füllstoffmaterials 18 von 5 aus dem Hohlraum 16 entfernt. Die Entfernung des Füllstoffmaterials kann durch Öffnungen im Substrat oder durch die dielektrische Oberfläche erfolgen (wenn es nicht vorher entfernt wurde, wie in 5 gezeigt) durch erstes Entfernen des Dielektrikums unter Einsatz eines Lasers oder eine andere Musterungsstufe, wie RIE-Entfernung, und dann Benutzen eines Lasers, RIE, Verdampfung oder Sublimation zur Entfernung des Füllstoffmaterials.7 veranschaulicht weiter den Schalter, nachdem er geglüht und verformt worden ist. Die Glüh- und Verformungs-Verfahren führen zu einer kristallinen Struktur, die die SMA-Materialien in die Lage versetzen, sich zu verformen und ausgewählte Gestalten/Positionen beizubehalten.
Das Glühen der SMA-Schichten kann entweder vor oder nach der Entfernung des Hohlraum-Füllstoffmaterials ausgeführt werden. Das Glühen kann mit irgendeiner einer Anzahl von Techniken bewerkstelligt werden und wird vorzugsweise in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von mindestens etwa 500°C ausgeführt. In einer Ausführungsform werden die SMA-Schichten mit elektrischen Strömen erhitzt. In einer anderen Ausführungsform wird der gesamte Schalter in einem Gasofen erhitzt. In einer anderen Ausführungsform wird, z.B., ein Laser zum selektiven Erhitzen der gemusterten Bereiche eingesetzt. In einer anderen Ausführungsform werden die SMA-Schichten durch eine Kombination von Wärmestufen oder teilweises Erhitzen nach einem Verfahren, wie elektrischem Erhitzen oder Deltaerhitzen, zur Kristallisationsbildung unter Benutzung einer zweiten Quelle, wie eines Lasers oder einer lokalisierten nicht oxidierten Gasquelle, erhitzt. Solche Kombinationen können brauchbar sein, um die maximale Substrat-Temperatur zu minimieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Formen durch Deformation nach dem Glühen. Die zweite dielektrische Schicht und die erste und zweite leitende und SMA-Schicht können durch irgendeine geeignete Technik verformt werden. Diese Schichten können, z.B., unter Benutzung eines Mikrometers oder einer kontrollierten Druckmembran-Technik des Anordnens einer Blase über dem Teil und des Ausübens von Druck zum Verformen der Blase und Schichten in den Hohlraum kalt bearbeitet werden. Diese Verformung resultiert in der Verformung der Schichten in eine erste stabile Position.
Wie in 8 gezeigt, haben die erste SMA-Schicht 22, die erste leitende Schicht 20, die zweite SMA-Schicht 26 und die zweite leitende Schicht 28 eine zweite stabile Position, die aufgrund des mechanischen Designs der geformten Schalterstruktur zulässig ist. Dies resultiert in einer SMA-Schalterstruktur, die zwei stabile Positionen aufweist (wie in den 7 und 8 gezeigt), ähnlich einer "Ölkannen"-Struktur, die in bimetallischen Temperatur-Sensoren benutzt wird.
Die bistabile Schalterstruktur kann von einer ersten stabilen Position zur zweiten stabilen Position durch Hindurchleiten von genügend Elektrizität/Strom durch die erste SMA-Schicht 22, sodass sich das SMA-Material aufheizt und zusammenzieht und das Invertieren der Struktur zur zweiten stabilen Position (der offenen Position) verursacht, bewegt werden. 8 veranschaulicht zusätzlich ein externes Kontaktkissen 75 (befestigt an irgendeiner geeigneten Trägeroberfläche 78), mit dem das bewegbare Kontaktkissen 70 in Kontakt kommt, wenn es sich in der zweiten stabilen Position befindet. Die offene Position der bistabilen Schalterstruktur kann umgekehrt werden durch Hindurchleiten von Strom durch die zweite SMA-Schicht 26 (Erhitzen und dadurch Verursachen einer Kontraktion der Deckschicht), was dazu führt, dasss die bistabile Schalterstruktur in den ersten stabilen Zustand (die geschlossene Position) zurückkehrt. Die Benutzung der Terminologie "erste Position" und "zweite Position" beinhalten nicht, dass eine Position Priorität gegenüber der anderen einnimmt. Nachdem sich die Schalterstruktur in einer der beiden Positionen befindet, wird die Struktur in dieser Position bleiben, bis Strom selektiv angelegt wird, um aufgrund der bistabilen Natur der Struktur die Position zu ändern.
9 ist eine Schnitt-Seitenansicht ähnlich der von 1 und sie zeigt weiter ein vorpositioniertes fixiertes Kontaktkissen 64, eine Teilöffnung 162 in dem entfernbaren Füllstoffmaterial und ein bewegbares Kontaktkissen 60.
Ein fixiertes Kontaktkissen 64 ist auf der Basisoberfläche 10 innerhalb des Hohlraumes 16 durch ein Verfahren gebildet, wie ein stromloses Palladium-Abscheidungsverfahren oder ein Verfahren zum Elektroplattieren von Palladium durch eine Maske oder mit einem Fotoresist-Verfahren. In einer Ausführungsform wird Polymer- oder Fotopolymer-Abscheidung mit einer Palladium-Kristallkeimschicht vor der weiteren stromlosen Abscheidung oder des Elektroplattierens von Palladium benutzt.
Vorzugsweise ist das Kontaktkissen vor dem Aufbringen der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht 12 befestigt. Alternativ kann das Kontaktkissen vor der Einführung von entfernbarem Material 18 in Hohlraum 16 oder nach der zumindest teilweisen Entfernung des entfernbaren Materials aus dem Hohlraum befestigt werden. Es ist auch bevorzugt, einen (nicht gezeigten) elektrischen Verbindungspfad zum fixierten Kontaktkissen auf der Basisoberfläche vor dem Aufbringen der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht auszubilden. Ein (nicht gezeigter) Durchgang kann in der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht gebildet werden, um diesen Pfad zu kontaktieren.
Vorzugsweise erstreckt sich, wie in 9 gezeigt, das entfernbare Füllstoffmaterial oberhalb der Oberfläche der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht 12, um eine Krümmung oder einen anderen erhobenen Teil für die nachfolgend aufgebrachten SMA- und leitenden Schichten zu erzeugen. In dieser Ausführungsform ist es möglich, die Gestalt des Füllstoffmaterials zu entwerfen, sodass die SMA- und leitende Schicht in einer erwünschten Position durch ihre Aufbringung und Muste rung geformt werden und keine separaten Formmaßnahmen erfordern.
Teilöffnung 162 kann nach irgendeinem geeigneten Verfahren gebildet werden. In einer Ausführungsform wird sie, z.B., durch Laserbearbeitung gebildet. Um das bewegbare Kontaktkissen 60 zu bilden, wird in einer Ausführungsform dann eine Kristallkeim-Schicht von Metall, wie Palladium-Zinn-Chlorid, aufgebracht. Die Kunststoff-Verbindungsschicht kann, z.B., in eine Lösung zum stromlosen Aufbringen von Gold eingetaucht werden, um eine (nicht gezeigte) erste Kontaktkissen-Schicht zu bilden, wobei ein Sperrmaterial, wie Nickel, als eine (nicht gezeigte) zweite Kontaktkissen-Schicht aufgebracht wird und ein Material, wie Kupfer, kann benutzt werden, um eine (nicht gezeigte) dickere dritte Kontaktkissen-Schicht zu plattieren. Diese Kontaktkissen-Schichten können geätzt werden, um Kontaktkissen 60 im Bereich der Teilöffnung 162 zu hinterlassen.
10 ist eine Ansicht ähnlich der von 9 und sie zeigt weiter die Hinzufügung gemusterter SMA- und leitender Schichten 22 und 20, die in einer Weise analog zu der gebildet werden können, die mit Bezug auf 1-6 beschrieben ist.
11 ist eine Ansicht ähnlich 10 und sie zeigt weiter die Hinzufügung einer zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht 24, zweiten SMA-Schicht 26 und zweiten leitenden schickt 28. Die SMA-Betätigungsarme 41, 42, 43, 44, 51, 52, 53, 54 (gezeigt in 12) können geglüht werden, nachdem das entfernbare Füllstoffmaterial durch Hindurchführen eines starken Stromes durch die Arme oder selektives Laser-Erhitzen entfernt wurde. 11 zeigt weiter den Schalter in der zweiten stabilen Position, in der der bewegbare Kontakt 60 weg vom fixierten Kontakt 64 positioniert ist.
12 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform für die Arme der ersten und zweiten gemusterten SMA-Schichten zeigt. In der Ausführungsform von 12 sind die zweite SMA- und leitende Schicht 26 (gezeigt durch Arme 41, 42, 43 und 44) und 28 (gezeigt durch den zentralen Abschnitt 28 und leitenden Pfad 45) in einer ähnlichen Weise gemustert, wie mit Bezug auf 5 und 6 diskutiert. Erste leitende und SMA-Schicht 20 und 22 sind zusätzlich vor dem Aufbringen einer zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht 24 in einer ähnlichen Weise mit Armen 51, 52, 53 und 54 gemustert und der leitende Pfad 55 ist gegenüber den Armen 41, 42, 43 und 44 und dem leitenden Pfad 45 versetzt. In einer Ausführungsform, wie gezeigt, ist es nützlich, Bereiche 23 der Kunststoff-Verbindungsschicht 24 zu entfernen, während man Kunststoff-Verbindungsschicht 24 benachbart beiden Sätzen von Armen und dem Kontaktkissen belässt. Einstellen der Länge, Armbreite, Armanzahl und Neigung des SMA-Materials gestatten einen größeren Spielraum in der Leistungsfähigkeit der Schalterstruktur. Größere Arme resultieren in größerer Kontakt-Bewegung, während kürzere und/oder steifere Arme in höherer Kontaktkraft resultieren. Während die Arme spiralförmig gezeigt sind, ist es auch möglich, die Arme gerade oder gerade Liniensegmente für die größere Kontrolle der Nachgiebigtkeit der Schalterstruktur herzustellen, als dies mit auf Silizium beruhenden MEM-Betätigungs-Einrichtungen und -Schaltern der Fall war.
Obwohl in 12 nicht gezeigt, befindet sich das (in 11 und 13 gezeigte) bewegbare Kontaktkissen 60 unterhalb des zentralen Abschnittes 28 und der (in 12 nicht gezeigten) ersten SMA-Schicht 22 und ist am leitenden Verbindungspfad 55 (gezeigt in 12) befestigt, der einen Abschnitt der ersten SMA- und leitenden Schichten einschließt.
Wie in 13 gezeigt, befindet sich das fixierte Kontaktkissen 64, wenn sich die bistabile Schalterstruktur in der ersten stabilen Position befindet, in direktem Kontakt mit dem bewegbaren Kontaktkissen 60 und eine elektrische Verbindung ist hergestellt, die einen geschlossenen Schalter bildet. Die anfängliche Höhe des entfernbaren Füllstoffmaterials 18 (9 und 10), sollte hoch genug sein, sodass es genügend Über-Bewegung gibt, um in der ersten stabilen Position Kontaktdruck zu erzeugen. Wie weiter in 11 gezeigt, befinden sich das fixierte Kontaktkissen 64 und das bewegbare Kontaktkissen 60, wenn sich die bistabile Schalterstruktur in der zweiten stabilen Position befindet, nicht in direktem Kontakt und dadurch ist die elektrische Verbindung offen und ein offener Schalter ist gebildet.
14 und 15 sind Ansichten einer weiteren Ausführungsform der SMA-Schalterstruktur von 11 und 13, worin ein zweites bewegbares Kontaktkissen 70 an der zweiten gemusterten leitenden Schicht 28 angebracht ist. Weiter ist eine externe Schalterstruktur 80 oberhalb des bewegbaren Kontaktkissens 70 derart angeordnet, dass ein zweiter Schalter gebildet ist, der eine offene Position hat, wie in 14, und eine geschlossene Position, wie in 15 gezeigt, wodurch ein Einzelpol-Umschalt-Schaltermechanismus gebildet ist. Bewegende Kontakte 70 und 60 können isoliert werden, wie in 14 und 15 gezeigt, oder mit einem Durchgang 30 durch die zweite dielektrische Schicht 24 verbunden werden, wie in 4 und 5 gezeigt. Externe Schalterstruktur 80 umfasst ein externes Kontaktkissen 75, das an einer Basisschicht 78 befestigt ist.
In einer Ausführungsform können bistabile Schalterstrukturen gebildet werden unter Benutzung von zwei gegenüber liegenden bistabilen Schalterstrukturen, wie in 16 und 17 gezeigt. Wie in 16 gezeigt, befindet sich die bista bile Struktur 90 in der zweiten stabilen Position. Eine weitere bistabile Schalterstruktur 90 hat ein zweites bewegbares Kontaktkissen 70, das auf der gemusterten metallisierten Schicht 28 angeordnet ist. Eine zweite bistabile Schalterstruktur 100 wird direkt oberhalb der ersten bistabilen Schalterstruktur 90 umgekehrt und befindet sich gleicherweise in der zweiten stabilen Position. Das zweite bewegbare Kontaktkissen 71 befindet sich in direktem Kontakt mit dem zweiten bewegbaren Kontaktkissen 70 zur Bildung eines geschlossenen Schalters.
Wie weiter in 17 gezeigt; sind beide bistabile Schalterstrukturen 90 und 100 in ihren ersten stabilen Positionen, wodurch das zweite bewegbare Kontaktkissen für beide bistabile Schalterstrukturen nicht in direktem Kontakt ist und einen offenen Schalter zwischen Kontaktkissen 70 und 71 und geschlossene Schalter zwischen beiden Sätzen von Kontaktkissen 60 und 64 bildet. Während dies nicht gezeigt ist, ist es auch möglich, die Schalterstruktur 90 in der ersten stabilen Position zu halten, die in 17 gezeigt ist, und die zweite Schalterstruktur 100 in der zweiten stabilen Position, die in 16 gezeigt ist, sodass sich nur Kontakte 64 und 60 in Kontakt befinden und einen geschlossenen Schalter bilden. Es ist ersichtlich, dass die Schalterstruktur von 16 und 17 vier stabile Schaltpositonen bilden kann.
In vielen HF-Anwendungen ist es nicht möglich, ein HF-Signal an einen MEMs-Schalter zurückzusenden. Mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Herstellung eines HF-Schalters im HF-Pfad eines Mikrowellen-Multichipmoduls vorteilhafterweise benutzt werden, um eine gleichmäßige charakteristische Impedanz beizubehalten. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, kapazitive oder Mikrowellen-Schalter oder Nebenwege unter Nutzung der Änderung der Kapazität zwischen der ersten SMA-Schicht 22, der ersten leitenden Schicht 20 und einer Übertragungsleitung 80 zu bilden, die innerhalb des Hohlraumes hindurchgeht, wie in den 18 und 19 gezeigt. Eine Übertragungsleitung wird gebildet durch Herstellen eines Leiterstreifens 80 über einer Grundebene 84 unter Benutzung der HDI-Herstellungsmittel oder geeigneter Mehrschichtschaltungs-Herstellungstechniken, wie gemeinsam geglühte Keramik- oder Leiterplatten-Verfahren. Die erste dielektrische Schicht 12 wird dann über der Übertragungsleitungs-Struktur in einer solchen Weise aufgebracht, wie mit Bezug auf 1 beschrieben. Die Struktur von 5 wird dann mit einem entfernbaren Füllstoffmaterial in Hohlraum 16, erster und zweiter SMA-Schicht 22 und 26, erster und zweiter leitender Schicht 20 und 28 hergestellt, der Kontakt 70 von 5 kann jedoch in dieser Ausführungsform weggelassen werden. Für Verbindungszwecke können (nicht gezeigte) wahlweise Durchgänge in der unteren Schicht 86 und/oder, wie durch Durchgang 15 gezeigt, in der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht 12 gebildet werden, wie mit Bezug auf 4 diskutiert, die sich bis zu einem elektrischen Pfad 9 erstreckt, der gleichzeitig mit der Übertragungsleitung vor dem Aufbringen der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht 12 gebildet werden kann.
Eine Kapazität ist zwischen der ersten SMA-Schicht 22, der ersten leitenden Schicht 20 und der Übertragungsleitung 80 eingerichtet.
Wie in 18 gezeigt, befinden sich die erste SMA-Schicht 22, die erste leitende Schicht 20, die zweite SMA-Schicht 26 und die zweite leitende Schicht 28 in der ersten stabilen Position. In der ersten stabilen Position befinden sie sich in geringstem Abstand von der Übertragungsleitung 80, wobei die resultierende Kapazität des HF-Schalters oder Mikrowellen-Nebenweges bei einem ersten Wert liegt und die Struktur 110 einen geschlossenen HF-Schalter oder Mikrowel len-Nebenweg bildet. Obwohl das Diagramm von 18 der Klarheit halber die Dicke der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht 12 als groß mit Bezug auf die Dicke der unteren Schicht 86 zeigt, wird die Dicke der ersten Kunststoff-Verbindungsschicht 12 in einem tatsächlichen Schalter in der Größenordnung von μm liegen und die Dicke der unteren Schicht 86 wird typischerweise in der Größenordnung von hunderten von μm liegen.
Wie in 19 gezeigt, befinden sich die erste SMA-Schicht 22, die erste leitende Schicht 20, die zweite SMA-Schicht 26 und die zweite leitende Schicht 28 in der zweiten stabilen Position. In der zweiten stabilen Position ist der Abstand der ersten SMA-Schicht 22 und der ersten leitenden Schicht 20 von der Übertragungsleitung 80 bei einer maximalen Distanz, die resultierende Kapazität ist bei einem zweiten Wert, der geringer als der erste Wert ist, und die bistabile Struktur 110 bildet einen offenen HF-Schalter oder Mikrowellen-Nebenweg. Die Leistungsfähigkeit von Schaltern, hergestellt unter Benutzung von MEM-Strukturen auf Silizium-Grundlage, ist durch die geringen Verschiebungen (3–5 μm), die mit Silizium-MEM-Strukturen möglich sind, begrenzt. Die Schalterstruktur 110 kann in dem HF-Pfad angeordnet sein, wenn der HF-Signalpfad nicht zurückgeführt werden kann. Die hierin offenbarte Schalterstruktur 110 kann zu einer größeren Verschiebung von 25 μm oder mehr führen, was zu sehr viel größeren An-zu-Aus-Verhältnissen der Kapazität und daher Isolation in HF- und Mikrowellen-Systemen führt. Diese Mikrowellen-Schalter können in Kombination mit den Ausführungsformen der 1 bis 17 benutzt werden, falls erwünscht. Zum Beispiel könnte ein (nicht gezeigtes) Kontaktkissen oberhalb der zweiten leitenden Schicht 28 angeordnet sein.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 20 gezeigt, worin eine Kraftrückführungs- Vorrichtung 74, wie, z.B., eine Feder, aufgebracht ist, um die Schalterstruktur 120 zu betätigen. Es ist manchmal erwünscht, Verbindungen innerhalb der Struktur derart bereitzustellen, dass Steuersignale mit verschiedenen Komponenten des Schaltermechanismus verbunden werden können. In der Ausführungsform von 20 sind metallisierte Verbindungsdurchgänge 15 in der ersten dielektrischen Schicht 12 unter Benutzung einer Verfahrens ausgebildet, wie, z.B., in der vorgenannten US-PS 4,894,115 von Eichelberger et al. beschrieben, und zwar vor der Hinzufügung der ersten SMA-Schicht 22, um Verbindungen von der SMA-Schicht 22 und der Kontaktverbindung 45 bereitzustellen, um eine Schaltung anzutreiben und zu verbinden, die auf Substrat 10 gebildet ist, bevor die Herstellung des Schaltermechanismus begonnen wird. Diese Verbindungs-Einrichtung gestattet das Routen von Signalen zwischen den (nicht gezeigten) Steuerschaltungen und den SMA-Betätigungskissen ebenso wie Verbindungen zu den Kontaktkissen von Schaltern, wie in 5 und 11, 17 und 20 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist nur eine SMA-Schicht erforderlich. 20 veranschaulicht zusätzlich eine Ausführungsform, worin SMA-Schicht 22 vor dem Aufbringen der leitenden Schicht 20 gemustert ist und worin sich die leitende Schicht 20 in Durchgänge 15 und in Kontakt mit dem elektrischen Pfad 9 auf der Basisoberfläche 10 erstreckt.
In einigen Ausführungsformen kann eine (nicht gezeigte) dielektrische Schicht zwischen SMA-Schicht 22 und der Kraftrückführungs-Vorrichtung brauchbar sein, um als ein Puffer zu wirken. In der Ausführungsform von 20 würde es nur einen einzigen nicht mit Energie versehenen Zustand geben. In dieser ersten nicht mit Energie versehenen Position drückt die Kraftrückführungs-Vorrichtung das bewegbare Kontaktkissen zum fixierten Kontaktkissen. Die Schalterstruktur 120 würde sich zu einer offenen zweiten Position verbiegen, wenn die SMA-Schicht 22 erhitzt wird, und in dieser zweiten Position nur so lange verbleiben, wie die SMA-Schicht erhitzt bleibt. In dieser Ausführungsform können andere Kraftrückführungs-Mechanismen, wie, z.B., Luft, Wasser und Druckdifferenzial-Vorrichtungen anstelle der Feder benutzt werden. Während 20 einen Schalter zeigt, der eine Kraftrückführungs-Vorrichtung aufweist, die den Schalter schließt, kann der Fachmann die Kraftrückfürungs-Vorrichtung derart bereitstellen, dass sie in dem nicht mit Energie versehenen Fall die Kontakte in die offene Position drückt.
Die nachgiebigen BGA-Strukturen, die in den vorerwähnten US-Patentanmeldungen 08/781,972 und 08/922,018 von Wojnarowski et al. beschrieben sind, wurden getestet und es zeigte sich, dass sie eine Bewegung von mehr als 25 μm gestatten und Kräften von mehr als 200 Gramm-Kraft widerstehen. Eine große Anzahl von Schaltern/Betätigungs-Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung kann, z.B., in einer einzigen integralen HDI-Multichip-Modulpackung hergestellt werden, ohne den Raum konventioneller Schalter zu erfordern.

Claims

Struktur umfassend eine Basisoberfläche (10), eine Kunststoff-Verbindungsschicht (12), die über der Basisoberfläche liegt und einen Hohlraum (16) aufweist, der sich bis zur Basisoberfläche hindurch erstreckt und eine Formgedächtnis-Legierungs(SMA)schicht (22), die über der Kunststoff-Verbindungsschicht und dem Hohlraum ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine gemusterte leitende Schicht (20), die über der Kunststoff-Verbindungsschicht und dem Hohlraum ausgebildet ist und über mindestens einem Teil der SMA-Schicht liegt, wobei die SMA-Schicht kontrahiert und die SMA-Schicht und die leitende Schicht weiter von der Basisoberfläche weg bewegt, wenn an die SMA-Schicht genügend Elektrizität gelegt ist.
Struktur nach Anspruch 1, worin die Struktur einen Schalter umfasst, wobei die SMA- und die leitende Schicht zur Basisschicht hin bewegbar sind und sie weiter ein fixiertes Kontaktkissen (64) innerhalb des Hohlraumes und an der Basisoberfläche befestigt und ein bewegbares Kontaktkissen (60) befestigt an einem Teil der gemusterten SMA-Schicht innerhalb des Hohlraumes umfasst, derart, dass, wenn sich die gemusterte SMA-Schicht und die gemusterte leitende Schicht zur Basisoberfläche hin bewegen, das bewegbare Kontaktkissen das fixierte Kontaktkissen berührt und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und dem fixierten Kontaktkissen schafft.
Struktur nach Anspruch 1 oder 2, worin die SMA-Schicht eine TiNi-Legierung umfasst.
Struktur nach einem vorhergehenden Anspruch, weiter umfassend eine Kraftrückführungs-Vorrichtung (74), die das bewegbare Kontaktkissen zum fixierten Kontaktkissen hin bewegt, um eine elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und dem fixierten Kontaktkissen bereitzustellen, wenn nicht genügend Elektrizität an die SMA-Schicht gelegt ist.
Struktur nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die gemusterte leitende Schicht eine erste gemusterte leitende Schicht und die gemusterte SMA-Schicht eine erste gemusterte SMA-Schicht umfasst und weiter einschliessend: eine zweite Kunststoff-Verbindungsschicht (24), die über der ersten gemusterten leitenden Schicht und der ersten gemusterten SMA-Schicht liegt, eine zweite gemusterte SMA-Schicht (26), die über der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht liegt, eine zweite gemusterte leitende Schicht (28), die über mindestens einem Teil der zweiten SMA-Schicht liegt, ein bewegbares Kontaktkissen (70), das an der zweiten gemusterten leitenden Schicht befestigt ist und ein externes Kontaktkissen (75), das an der Träger-oberfläche (80) befestigt ist, derart, dass, wenn sich die erste und zweite gemusterte SMA-Schicht und die erste und zweite gemusterte leitende Schicht von der Basisoberfläche weg bewegen, das bewegbare Kontaktkissen sich zum externen Kontaktkissen hin bewegt und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und dem externen Kontaktkissen schafft.
Struktur nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine zweite Kunststoff-Verbindungsschicht (24), die über der ersten gemusterten leitenden Schicht und der ersten gemusterten SMA-Schicht liegt, eine zweite gemusterte SMA-Schicht (26), die über der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht liegt, eine zweite gemusterte leitende Schicht (28), die über mindestens einem Teil der zweiten SMA-Schicht liegt, ein fixiertes Kontaktkissen (64), das innerhalb des Hohlraumes und an der Basisoberfläche befestigt ist, und ein bewegbares Kontaktkissen (60), das an einem Teil der ersten gemusterten SMA-Schicht innerhalb des Hohlraumes befestigt ist, derart, dass, wenn sich die erste und zweite gemusterte SMA-Schicht und die erste und zweite gemusterte leitende Schicht zur Basisoberfläche hin bewegen, das bewegbare Kontaktkissen das fixierte Kontaktkissen berührt und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und dem fixierten Kontaktkissen schafft.
Schalterstruktur nach Anspruch 6, worin mindestens ein Teil der über dem Hohlraum liegenden zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht verdünnt ist.
Struktur nach Anspruch 1 und weiter umfassend: eine Trägerschicht(86) über der Basisoberfläche(10), wobei die Kunststoff-Verbindungsschicht über der Trägerschicht(86) liegt, eine Übertragungsleitung (80) auf der Trägerschicht innerhalb des Hohlraumes, eine zweite Kunststoff-Verbindungsschicht (24), die über der gemusterten leitenden Schicht und der gemusterten SMA-Schicht liegt, eine zweite gemusterte SMA-Schicht (26), die über der zweiten Kunststoff-Verbindungsschicht liegt, eine zweite gemusterte leitende Schicht (28), die über der zweiten SMA-Schicht liegt, worin die Bewegung der ersten gemusterten SMA-Schicht, der ersten gemusterten leitenden Schicht, der zweiten gemusterten SMA-Schicht und der zweiten gemusterten leitenden Schicht die Kapazität zwischen der Übertragungsleitung und der ersten SMA- und gemusterten leitenden Schicht ändert.
Verfahren zum Herstellen einer Schalterstruktur, umfassend: Aufbringen einer über einer Basisoberfläche (10) liegenden Kunststoff-Verbindungsschicht (12), Ausbilden eines sich in der Kunststoff-Verbindungsschicht bis zur Basisoberfläche erstreckenden Hohlraumes (16), Füllen des Hohlraumes mit einem entfernbaren Füllstoffmaterial (18), Aufbringen und Mustern einer SMA-Schicht (22) über der Kunststoff-Verbindungsschicht und dem Füllstoffmaterial, Aufbringen und Mustern einer leitenden Schicht (20) über mindestens einem Teil der SMA-Schicht, Entfernen mindestens eines Teils des entfernbaren Füllstoffmaterials aus dem Hohlraum, Erhitzen der SMA-Schicht, Formen der SMA-Schicht und der leitenden Schicht, wobei das Erhitzen und Formen verursacht, dass sich die SMA-Schicht zusammenzieht und die leitende Schicht weiter weg von der Basisoberfläche bewegt, wenn genügend Elektrizität an die SMA-Schicht gelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend das Aufbringen eines fixierten Kontaktkissens (64) auf die Basisoberfläche innerhalb des Hohlraumes und das Aufbringen eines be wegbaren Kontaktkissens (60) auf die SMA-Schicht innerhalb des Hohlraumes, wobei das Erhitzen in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre ausgeführt wird und das Formen der SMA-Schicht und der leitenden Schicht weiter das Formen der SMA-Schicht und der leitenden Schicht zur Bildung einer ersten stabilen Position umfasst, wobei sich die SMA-Schicht und die leitende Schicht zur Basisoberfläche hin bewegen und das bewegbare Kontaktkissen das fixierte Kontaktkissen berührt, um eine elektrische Verbindung zwischen dem bewegbaren und fixierten Kontaktkissen herzustellen.