專(zhuān)利名稱(chēng)：負(fù)熱膨脹系統(tǒng)器件及微電子封裝中的導(dǎo)電彈性體互連的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體制造中常用的、但用于復(fù)合材料和“智能材料”或“響應(yīng)性材料”的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEM)加工。更具體地，本發(fā)明涉及用于在彈性體或柔性復(fù)合材料中、以及在微電子封裝中的導(dǎo)電彈性體互連(conductive elastomer interconnects)中結(jié)合入負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(negativethermal expansion systemNTEs)器件的方法。
背景技術(shù)：
在眾多技術(shù)領(lǐng)域中，粘接起來(lái)的多個(gè)部分或多個(gè)層之間的熱膨脹系數(shù)(TCE)的差異導(dǎo)致了應(yīng)力，該應(yīng)力非常有問(wèn)題。在諸多情形中，這樣的應(yīng)力成為限制因素，因?yàn)樵跍囟绕七^(guò)程中，材料的強(qiáng)度或材料之間的界面不能抵御該應(yīng)力。當(dāng)受考察的材料具有高彈性模量時(shí)，TCE失配問(wèn)題加劇。當(dāng)它們較柔軟時(shí)，該失配因彈性變形而部分緩解。但是，這并不完全與有關(guān)TCE失配的問(wèn)題相反，實(shí)際上，在技術(shù)上有一類(lèi)彈性體的應(yīng)用，其所考慮的因素非常地不同。此即彈性體被用于在受壓時(shí)提供恢復(fù)力的情形。在此情形下，隨著絕對(duì)溫度的降低，因TCE導(dǎo)致的收縮，該恢復(fù)力將降低。實(shí)際上，如果恢復(fù)力小，且溫度下降大，則彈性體可由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾＿@假設(shè)為粘接結(jié)合。如果不存在這樣的粘接結(jié)合，或者如果在壓縮/拉伸轉(zhuǎn)變過(guò)程中粘接失效，則接觸會(huì)在恢復(fù)力變?yōu)樾∮诹銜r(shí)完全消失。如果彈性體的作用既是提供充足的恢復(fù)力，又是提供傳導(dǎo)性(電的或熱的)，則隨著接觸的喪失，該傳導(dǎo)性將突然中斷。
為了將此問(wèn)題減至最小，通常以多種方式來(lái)設(shè)計(jì)材料，以使之具有低的TCE，同時(shí)具有其它必須的性能。一種這樣的方法是形成在主聚合物基體(host polymer matrix)中具有低TCE材料的復(fù)合物。通常，石英(SiO2)填充在熱固性聚合物中，如環(huán)氧樹(shù)脂。在另一例子中，有機(jī)纖維凱芙拉(Kevlar)被公認(rèn)為(僅)在纖維方向上具有負(fù)的TCE，而且由定向凱芙拉束制成的復(fù)合物在該方向上具有減小的TCE。許多低或負(fù)TCE材料具有不足，這使得它們對(duì)于一些應(yīng)用不具有吸引力，尤其是微電子技術(shù)。
另外，在彈性體(例如橡膠)中對(duì)熱膨脹的控制尤其重要，該彈性體具有限制其在許多高技術(shù)應(yīng)用中的使用的公知的高膨脹系數(shù)。尤其是，近來(lái)的興趣是制造用于高端微電子封裝的小型傳導(dǎo)彈性體互連觸點(diǎn)。在這種觸點(diǎn)的傳統(tǒng)例子中，諸如金屬銀顆粒的導(dǎo)電材料(electrically conductingmaterial)被混合在硅氧烷橡膠中，并被模塑成小型傳導(dǎo)觸點(diǎn)。這些觸點(diǎn)被制成2維陣列，并用作芯片模塊和印刷電路板之間的所謂的面柵陣列(LandGrid ArrayLGA)連接。然而，因?yàn)檫@些觸點(diǎn)具有高TCE，所以它們不可靠，并且不適于在高性能計(jì)算機(jī)中使用，在該高性能計(jì)算機(jī)中，單個(gè)觸點(diǎn)基礎(chǔ)上的可靠性在故障率上必須是以ppm至ppb級(jí)測(cè)量的。此高可靠性要求源自無(wú)冗余信號(hào)觸點(diǎn)的總系統(tǒng)相關(guān)性-即使幾千分之一出了故障，整個(gè)節(jié)點(diǎn)(node)或整臺(tái)計(jì)算機(jī)會(huì)出故障。如果在保持諸如彈性和傳導(dǎo)性的所需性能的同時(shí)可降低這種傳統(tǒng)觸點(diǎn)的TCE，則這將大為提高可靠性。利用LGA互連來(lái)使芯片模塊的現(xiàn)場(chǎng)替換性(field replacibility)成為可能，籍此這又將降低現(xiàn)場(chǎng)替換芯片模塊的成本。
此處，我們討論一種新方法，該方法的基礎(chǔ)是制造具有顯著負(fù)熱膨脹系數(shù)的大量負(fù)熱膨脹系統(tǒng)裝置(NTEs)，以及將這樣的NTEs結(jié)合到彈性體中來(lái)形成凈TCE小的、為零的或?yàn)樨?fù)的復(fù)合物。此方法解決了大量傳統(tǒng)工程技術(shù)關(guān)心的問(wèn)題，例如將TCE導(dǎo)致的應(yīng)力降低至允許制造先前不可能的結(jié)構(gòu)的水平，以及例如擴(kuò)展彈性體復(fù)合物能對(duì)對(duì)立表面保持正的恢復(fù)力的工作條件。尤其是，此處我們公開(kāi)了使用例如導(dǎo)電彈性體的復(fù)合材料制造LGA互連器件的方法。
通過(guò)將NTEs熔合或粘接在一起而沒(méi)有基質(zhì)彈性體，這些NTEs器件也可以用于形成負(fù)熱膨脹泡沫材料。
負(fù)TCE微機(jī)械(micro machines)的基本概念得以公開(kāi)，以及加工技術(shù)和復(fù)合結(jié)構(gòu)。還一般性公開(kāi)了負(fù)TCE復(fù)合物的先前不存在的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明教導(dǎo)了該機(jī)械器件的制造方法，該器件具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)(TCE)，且可選地其作為填料包含在另一材料，諸如柔軟的橡膠材料中。預(yù)計(jì)尺寸級(jí)別主要在微米范圍內(nèi)，雖然該尺寸也可大可小。還說(shuō)明了如何能將這些NTEs作為粉末結(jié)合到主(host)彈性體材料內(nèi)，以形成TCE小、為零或?yàn)樨?fù)的復(fù)合物。還教導(dǎo)了如何能將NTEs顆粒的外層制成導(dǎo)電的，以使得彈性體復(fù)合物能在NTEs填料的數(shù)量超過(guò)滲透閾值(percolation threshold)時(shí)導(dǎo)電。還教導(dǎo)了如何能利用這種復(fù)合物來(lái)有利地制造面柵陣列(LGA)內(nèi)插器(interposer)。還教導(dǎo)了如何由電絕緣層制造外層，以使得彈性體復(fù)合物絕緣。還教導(dǎo)了如何能通過(guò)將這些顆粒熔合或粘接在一起，來(lái)以純的或接近純的形式將這些NTE器件用作固體泡沫。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種微電子封裝中用于彈性體復(fù)合物和導(dǎo)電彈性體互連的TCE補(bǔ)償?shù)呢?fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)器件。(NTEs)器件包括具有內(nèi)層和外層的第一雙層(bilayer)以及具有內(nèi)層和外層的第二雙層，在第一雙層中，外層由具有比內(nèi)層材料低的熱膨脹系數(shù)的材料制成，在第二雙層中，外層由具有比內(nèi)層材料低的熱膨脹系數(shù)的材料制成，其中，第一和第二雙層沿具有更高熱膨脹系數(shù)的內(nèi)層材料的周邊連接在一起。
此外，第一和第二雙層可以沿內(nèi)層材料的周邊直接熔合在一起，從而形成連接部分，且內(nèi)層的剩余的未連接部分能夠隔并彎曲從而形成空腔。
該NTEs器件還可包括用于將第一和第二雙層連接在一起的粘接層，其中，該粘接層是圍繞該空腔的外壁。另外，該粘接層為細(xì)粘接劑線(fine lineof adhesive)或材料層。此外，該粘接層可以是鉻、鈦、或?qū)λ接懙膶佑姓辰有阅芮也粚?duì)該結(jié)構(gòu)有負(fù)面影響的任何材料。
以上器件的第一和第二雙層也可以在預(yù)定的溫度下形成和連接，使得該器件處于低應(yīng)力和幾何形狀平坦的狀態(tài)，且該器件在比預(yù)定溫度低的溫度下變成受力(becomes stressed)，導(dǎo)致第一和第二雙層中在相反方向上的彎曲，這將增加第一和第二雙層之間的空腔容積，并增加器件所占據(jù)的總體積。此外，該預(yù)定溫度是最終工程應(yīng)用(final engineering application)的工作溫度，例如具有約100℃的預(yù)定溫度的半導(dǎo)體芯片(chip)。
再者，第一和第二雙層可以通過(guò)帶直角突出物(right angle projection)的環(huán)形帶在邊緣處連接起來(lái)，以容納這些雙層，防止其彼此之間發(fā)生脫離相對(duì)的取向，從而提高負(fù)熱膨脹行為的系數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)的方法，包括將襯底加熱至所需的參考溫度；在該襯底上沉積一層有機(jī)脫模層(release layer)；在有機(jī)脫模層上沉積第一層材料；沉積第二層材料，其具有比第一層材料大的TCE值；在第二層材料上沉積可分解的聚合物層；將可分解聚合物層構(gòu)圖成圓盤(pán)形狀，其具有自圓盤(pán)輻射出的指狀附屬部分(fingerappendages)；在可分解聚合物層上沉積第三層材料，其具有與第二層材料相同的TCE值；在第三層材料上沉積第四層材料，其具有與第一層材料相同的TCE值；在第四層材料上沉積一層光致抗蝕劑；光刻構(gòu)圖(lithographically patterning)，使得留下圓盤(pán)形抗蝕劑，其覆蓋掩埋于其下并與光致抗蝕劑層同心地取向的可分解聚合物圓盤(pán)；蝕刻通過(guò)所有材料層和有機(jī)脫模層的暴露區(qū)，直至在底部上遇到硅襯底；去除光致抗蝕劑層；將該結(jié)構(gòu)從襯底上脫離(releasing)；以及熱退火，以分解聚合物芯來(lái)形成負(fù)熱膨脹系統(tǒng)器件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造NTEs器件的方法，包括步驟用熱可分解聚合物來(lái)被覆晶片；將該可分解聚合物構(gòu)圖成重復(fù)的圓盤(pán)圖形；將該可分解聚合物從晶片上脫下并形成重復(fù)的圖案化圓盤(pán)的薄片；將脫下的圖案化可分解聚合物薄片懸掛在第一溶液中，該第一溶液具有用于化學(xué)分解的籽化合物(seeding compound)；將該脫下的圖案化可分解聚合物薄片從第一溶液中取出；將該脫下的圖案化可分解聚合物薄片懸掛在第二溶液中，以在該薄片的兩面上化學(xué)沉積第一層材料，其中該脫下的圖案化可分解聚合物薄片保持在預(yù)定溫度；將該脫下的圖案化可分解聚合物薄片從第二溶液中取出；將該脫下的圖案化可分解聚合物薄片懸掛在第三溶液中，以在該脫下的圖案化可分解聚合物薄片兩面上沉積第二層材料，該材料具有比第一層材料低的TCE值；將該圖案化的圓盤(pán)彼此分開(kāi)；以及熱退火該圖案化的圓盤(pán)，以分解該可分解聚合物，并形成空腔以取代可分解聚合物。
此外，圖案化圓盤(pán)可通過(guò)超聲振蕩分開(kāi)，其中，該圓盤(pán)在圓盤(pán)間的指狀部分(finger)中的窄點(diǎn)處斷開(kāi)，露出可分解聚合物，且該聚合物在退火工序中分解，從而完成分離工序。圖案化的圓盤(pán)還可以通過(guò)高的剪切混合來(lái)分離，其中，圓盤(pán)在圓盤(pán)間的指狀部分中的窄點(diǎn)處斷開(kāi)，露出可分解聚合物，且該聚合物在退火工序中分解，從而完成分離工序。此外，可通過(guò)在x和y兩個(gè)方向上拉伸圖案化圓盤(pán)的薄片以使圓盤(pán)之間的細(xì)的指狀部分?jǐn)嗔褋?lái)分離圖案化的圓盤(pán)，并在指狀部分的窄點(diǎn)處露出可分解聚合物，且將圖案化圓盤(pán)薄片浸入適當(dāng)?shù)娜軇﹣?lái)溶解可分解聚合物，這切斷了圓盤(pán)間的連接。再者，可通過(guò)在與x方向成45度的方向上拉伸圖案化圓盤(pán)的薄片以使圓盤(pán)之間的細(xì)的指狀部分?jǐn)嗔褋?lái)分離圖案化的圓盤(pán)，并在指狀部分的窄點(diǎn)處露出可分解聚合物，且將圖案化圓盤(pán)薄片浸入適當(dāng)?shù)娜軇﹣?lái)溶解可分解聚合物，這切斷了圓盤(pán)間的連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種面柵陣列內(nèi)插器中的CTE補(bǔ)償觸點(diǎn)，包括具有多個(gè)接觸孔的內(nèi)插器、以及在該多個(gè)接觸孔中的多個(gè)觸點(diǎn)，其中，觸點(diǎn)通過(guò)將多個(gè)NTEs器件放置在母體彈性體中，并將具有該多個(gè)NTEs器件的母體彈性體形成所需形狀來(lái)形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種(NTEs)器件，包括第一層材料；第二層材料，其具有比第一層材料大的熱膨脹系數(shù)(TCE)值；第三層材料，其具有與第二層材料相同的TCE值，其中第二和第三層沿材料的周邊連接在一起；以及第四層材料，其具有與第一層材料相同的TCE值。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供多個(gè)NTEs器件，其可以以少量的彈性體粘接劑直接連接在一起，而不是結(jié)合在母體媒質(zhì)(host medium)內(nèi)。這將制成泡沫狀固體，其具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，NTEs器件響應(yīng)溫度的變化，其中，空腔容積隨器件溫度降低至預(yù)定溫度之下而增大，且容積隨器件溫度提高至預(yù)定溫度而減小。
本發(fā)明的這些和其它實(shí)施例、方面、目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將參照以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述來(lái)說(shuō)明，或變得清晰，這將結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明。


圖1示出了傳統(tǒng)簡(jiǎn)單金屬雙層的分解圖；圖2a-2b示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的兩個(gè)簡(jiǎn)單金屬雙層的側(cè)部等大圖，所述雙層僅在層的邊緣處背對(duì)背(彼此對(duì)稱(chēng)取向)地連接在一起形成NTEs器件；圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的兩個(gè)簡(jiǎn)單的熔合在一起的雙層的分解圖，所述雙層僅在邊緣處彼此連接以形成NTEs器件；圖3b和3c示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的處于不同溫度下的NTEs器件；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的通過(guò)一種方法制造NTEs器件的一系列不同階段的剖視圖；
圖5a-5f示出了說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的制造NTEs器件的方法的剖視圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的NTEs器件的剖視圖；圖7a-7b示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的多個(gè)NTEs器件的俯視圖；圖7c示出了一組連續(xù)的俯視圖，其說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的NTEs器件的另一制造方法；圖7d示出了圖7c-7d的制造方法的最后兩個(gè)階段的俯視圖和剖面圖；圖8a-8b示出了一組連續(xù)的俯視圖，其說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的NTEs器件的制造方法；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的分隔開(kāi)的多個(gè)NTEs器件的俯視圖；圖10-11示出了一種完成的NTEs器件的俯視圖、剖視圖和透視圖；圖12a示出了通常LGA內(nèi)插器的部分剖視圖；圖12b為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的復(fù)合材料的局部3D視圖，該復(fù)合材料由包括作為填料而隨機(jī)分散的多個(gè)NTEs的立方單元邊界表示；圖13a示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的具有無(wú)約束雙層的高性能NTEs器件的剖視圖；圖13b示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的具有無(wú)約束雙層的高性能NTEs器件的俯視圖；圖14a示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的獨(dú)立NTEs器件的俯視圖；圖14b示出了一組連續(xù)的俯視圖，其說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的用于制造NTEs器件的3D制造方法；以及圖15為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的由多個(gè)NTEs器件制造的固體泡沫的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在該附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以諸多不同的形式實(shí)施，且不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為限于此處所提及的實(shí)施例；更恰當(dāng)?shù)氖?，提供這些實(shí)施例來(lái)使得本公開(kāi)內(nèi)容更透徹和全面，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的構(gòu)思。為了清晰起見(jiàn)，附圖中層的厚度、區(qū)域和器件被放大了。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例，微型器件由一對(duì)對(duì)置的雙層材料構(gòu)成，其中，兩個(gè)雙層僅在周?chē)吘壉舜私雍?，且在由雙層的形成溫度定義的參考溫度下，雙層自身處于最小應(yīng)力條件。這些器件具有與眾不同且技術(shù)上有用的隨溫度降低體積膨脹的性能。根據(jù)可用的光刻(lithographic)和制造分辨率，這些器件可由大(例如25微米直徑)變至非常小(幾百納米)。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的簡(jiǎn)單金屬雙層的分解圖。圖1中，金屬層10在預(yù)定溫度下與TCE值比金屬層10小的金屬層11熔合。結(jié)果是該預(yù)定溫度下的簡(jiǎn)單金屬雙層12和冷卻時(shí)的彎曲雙層13。
圖2a-2b示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的兩個(gè)簡(jiǎn)單雙層的側(cè)部等大圖，所述雙層僅在層的邊緣處背對(duì)背(彼此對(duì)稱(chēng)取向)地連接在一起形成負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)器件。圖2a和2b所示的NTEs器件結(jié)構(gòu)上相同，但顯示的是不同溫度下的其外觀。圖2a-2b說(shuō)明了無(wú)應(yīng)力形式(如圖2a所示)和受應(yīng)力形式(如圖2b所示)下的NTEs器件。NTEs器件在例如100℃的預(yù)定溫度下不受應(yīng)力作用，且隨著器件的溫度降到低于該預(yù)定溫度而開(kāi)始受應(yīng)力作用。參見(jiàn)圖2a，所示的NTEs器件20具有與第二層材料22相連的第一層材料21，該第二層材料22具有比第一層材料21大的TCE值，粘接層23與第二層材料22的周邊相連從而形成空腔26的側(cè)壁，TCE值與第二層材料22相同的第三層材料24通過(guò)粘接層23與第二層材料22相連接，且TCE值與第一層材料21相同的第四層材料25與第三層材料24相連接。粘接層23可以是包括細(xì)線粘接劑(fine line adhesive)的各種材料，例如鉻，或者其它材料，例如鈦。另外，第二層材料22可以直接與第三層材料24的外周邊熔合，兩個(gè)層22和24具有相同的TCE值，從而形成連接部。由于層22和24僅在各層的外周邊相連，所以層22和24的其余未連接部分能分開(kāi)和彎曲從而形成空腔。
圖3a-3c為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的碟(saucer)型負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)器件的透視圖。圖3a-3c示出了無(wú)應(yīng)力形式(如圖3a和3b所示)和受應(yīng)力作用形式(如圖3c所示)下的碟型NTEs器件。NTEs器件在預(yù)定溫度例如100℃下無(wú)應(yīng)力，而隨著器件溫度降至低于預(yù)定溫度則開(kāi)始受應(yīng)力作用。參照?qǐng)D3a，所示的NTEs器件30具有與第二層材料32相連的第一層材料31，該第二層材料32具有比第一層31大的TCE值，粘接層33與第二層材料32的周邊相連從而形成空腔36的側(cè)壁，TCE值與第二層32相同的第三層材料34通過(guò)粘接層(adhesion layer)33與第二層材料32相連接，且TCE值與第一層31相同的第四層材料35與第三層材料34相連接。NTEs器件30的制造可以以圖4所示的方式精確地進(jìn)行，圖4示出了連續(xù)的薄膜沉積和蝕刻步驟。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例通過(guò)一種制造方法制造NTEs器件的一組不同階段的剖視圖。圖4中，硅晶片(未示出)或其它適當(dāng)?shù)呐R時(shí)襯底被加熱到所需的預(yù)定溫度，例如100℃。選擇所需的預(yù)定溫度為大致是最終工程應(yīng)用的工作溫度，例如芯片工作溫度。一旦達(dá)到所需的溫度，則通過(guò)蒸鍍(或其它方法，例如CVD、濺鍍(sputtering)等)全面沉積(blanketdeposited)例如約2μm的薄膜材料40。接著，在第一層材料40的頂部沉積第二層材料41，其具有比第一層材料40高的TCE值，第一層材料40具有比第二層41低的TCE值。然后，聚合物層41得以沉積并被構(gòu)圖成圓盤(pán)形，該聚合物層41由將在升高的退火溫度下分解或解聚的聚合物種類(lèi)構(gòu)成。公知的在適宜的溫度下有效熱解聚的聚合物的一個(gè)例子是聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA。此外，聚合物種類(lèi)可以是聚α-甲基苯乙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚酰亞胺、聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂、各種光致抗蝕劑，但并不限于此。于是，將PMMA用作示例，將其全面被覆在第二層材料41上。利用電子束光刻對(duì)其直接構(gòu)圖、或者用光致抗蝕劑分步光刻、或者其它方式，將PMMA形成為圓盤(pán)形，其具有自圓盤(pán)輻射出的指狀附屬部分，如圖4附圖標(biāo)記46所示，其為俯視圖。接著，TCE值與第二層41相同的第三層材料43全面沉積在PMMA圖案化圓盤(pán)42和第二層材料41的暴露部分上。然后，在第三層材料43上全面沉積具有TCE值與第一層40相同的第四層材料44。然后，在此結(jié)構(gòu)的頂部上，在結(jié)構(gòu)頂部上沉積厚光致抗蝕劑45，例如SU-8。光刻構(gòu)圖光致抗蝕劑45，使得留下圓盤(pán)形抗蝕劑而覆蓋PMMA圓盤(pán)43，PMMA圓盤(pán)43埋在圓盤(pán)形抗蝕劑下方并與之同心取向。光致抗蝕劑45的直徑應(yīng)當(dāng)略大于PMMA圓盤(pán)43的直徑，但略小于輻射的指狀部分，使得指狀突出部分的一小部分留著未被覆蓋。然后，利用反應(yīng)離子蝕刻或離子磨(ion milling)，在受保護(hù)區(qū)域受到影響前，通過(guò)包括被包覆的PMMA的四層材料40、41、43和44的暴露區(qū)域來(lái)蝕刻該晶片結(jié)構(gòu)，如圖4附圖標(biāo)記47所示。然后從圓盤(pán)結(jié)構(gòu)上去除光致抗蝕劑45。圓盤(pán)結(jié)構(gòu)于是從晶片上脫離下來(lái)，并得以熱退火以分解聚合物芯，從而形成負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)器件48。
NTEs通過(guò)上述方法形成后，于是NTEs器件已準(zhǔn)備好被使用。一種應(yīng)用例子是形成一種復(fù)合物，該復(fù)合物包括與彈性體或橡膠材料(例如硅氧烷橡膠)的前體成分(或熔體)混合的大量這種NTEs器件。如果NTEs以適當(dāng)大的體積分?jǐn)?shù)來(lái)混合，則所得橡膠復(fù)合物的總體凈TCE將小于其不含NTEs的值。實(shí)際上，如果混合入足夠多的NTEs，可使得總體TCE接近零，或者甚至為凈的負(fù)值。甚至于復(fù)合物TCE的下降會(huì)提供顯著的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。
圖5a-5d示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的另一種負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)器件在制造過(guò)程中的各種剖視圖，其中，薄膜得以順序沉積和光刻定義。參見(jiàn)圖5a，其示出了硅晶片50上的NTEs器件。該NTEs器件包括下部有機(jī)層51(其將因以后的退火而消失)，沉積在有機(jī)層51上的第一層材料52，沉積在第一層52上的TCE值比第一層52大的第二層材料53，沉積在第二層53上的例如DLC材料或PMMA等的第二有機(jī)層54，沉積在有機(jī)層54上的有機(jī)硬掩模層55，其中有機(jī)層54和硬掩模層55被構(gòu)圖成圖4附圖標(biāo)記46所示的圓盤(pán)形，TCE值與第二層53相同的第三層材料56沉積在可選的有機(jī)硬掩模55和第一高TCE材料53的露出部分上，且第二層低TCE材料57沉積在第二層高TCE材料56上。
參照?qǐng)D5b和5c，其示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的制造器件的過(guò)程中的負(fù)熱膨脹器件的剖視圖。如圖所示，具有襯底50，第一有機(jī)層51沉積在襯底上，第一層材料52沉積在第一有機(jī)層51上，TCE值比第一層52大的第二層材料53沉積在第一層材料52上，第二有機(jī)層54沉積在第二層材料53上，可選的有機(jī)硬掩模層55沉積在第二層有機(jī)層54上，抗蝕劑層59a沉積在有機(jī)硬掩模55上并被構(gòu)圖以定義空腔的x-y尺寸。接下來(lái)，將該結(jié)構(gòu)放入諸如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的蝕刻環(huán)境中，其蝕刻硬掩模和抗蝕劑(59a)直至將硬掩模的暴露部分蝕刻掉。然后，蝕刻連續(xù)進(jìn)入暴露的有機(jī)層和抗蝕劑(59a)直至將有機(jī)層蝕刻掉?，F(xiàn)在抗蝕劑層(59a)變薄了但依然存在。然后，通過(guò)不影響結(jié)構(gòu)的任何其它部分的其它方法(例如通過(guò)溶劑或商業(yè)性抗蝕劑剝離劑)來(lái)將抗蝕劑層去除。圖5c為結(jié)果，其現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好用于層56和之后的57的全面沉積(blanket deposition)。
在圖5d-5e中，示出了部分工藝過(guò)程中的NTEs器件的剖視圖。如圖所示，在確定了空腔的x-y尺寸后，TCE值與第二層53相同的第三層材料56沉積在空腔形成材料(第二有機(jī)層54和有機(jī)硬掩模55)上，低TCE材料層57沉積在高TCE材料層56上。然后，第二層抗蝕劑59b沉積和構(gòu)圖在該低TCE材料57上。在圖5e中，示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的在包括有機(jī)層51的所有層已經(jīng)被蝕刻掉且第二抗蝕劑層已經(jīng)被去除后的NTEs器件的剖視圖。圖5f示出了完成的NTEs器件的剖視圖。仍然得以暗示但未示出的是指狀部分如圖4附圖標(biāo)記46所示那樣輻射狀延伸出，其將提供用于釋放后續(xù)有機(jī)分解步驟中形成的氣體的管狀結(jié)構(gòu)。參見(jiàn)圖5b-5f，制造負(fù)熱膨脹器件的示例性方法如下有機(jī)脫模層51全面沉積在硅晶片50或其它適當(dāng)?shù)呐R時(shí)襯底上，并被加熱至所需參考溫度，例如100℃。(此溫度被選擇為接近最終工程應(yīng)用的工作溫度，例如芯片工作溫度。)有機(jī)層51可以是旋涂、或蒸鍍、或噴射、或?qū)訅?、或通過(guò)任何其它方式涂覆在襯底50上。有機(jī)脫模層可以是PMMA、α-甲基苯乙烯(alphamethyl styrene)、聚苯醚、類(lèi)金剛石碳(DLC)、或任何其它類(lèi)似材料。接著，第一層材料52(例如石英(SiO2))全面沉積在有機(jī)脫模層51上。注意，對(duì)于特定的材料可能需要粘接層。該粘接層非常薄，以致于其不顯著影響器件的機(jī)械操作，例如粘接層可以是200埃的鉻或鈦。粘接層可以通過(guò)真空蒸鍍、真空濺鍍、旋涂或噴射涂覆或其它適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)鍍覆。由于其如此薄，所以這將改善粘接性而不會(huì)對(duì)器件帶來(lái)顯著的機(jī)械影響。根據(jù)需要可在任何層間有類(lèi)似情況。接著，TCE值比第一層材料52大的例如鋁的第二層材料53沉積在第一層材料52上。然后，沉積例如DLC的有機(jī)層54并將其構(gòu)圖成圓盤(pán)形狀，該有機(jī)層由將在升高的退火溫度下分解或解聚的聚合物種類(lèi)構(gòu)成，該圓盤(pán)形狀具有從圓盤(pán)輻射出的指狀附屬部分，如圖4附圖標(biāo)記46所示。接著，在有機(jī)層54上可以沉積可選的有機(jī)硬掩模55并將其構(gòu)圖成圓盤(pán)形狀。接著，TCE值與第二層材料53相同的第三層材料56全面沉積在DLC層54和有機(jī)掩模層55上(如果有該掩模層55的話)。然后，TCE值與第一層52相同的第四層材料57全面沉積在材料層57上。然后，在此結(jié)構(gòu)的頂部沉積厚光致抗蝕劑59b，諸如SU-8。光刻構(gòu)圖該光致抗蝕劑，使得留下圓盤(pán)形抗蝕劑，覆蓋該有機(jī)圓盤(pán)(DLC、PMMA、SiLK、聚α-甲基苯乙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂、各種光致抗蝕劑、或其它類(lèi)似材料)，該有機(jī)圓盤(pán)掩埋在圓盤(pán)形抗蝕劑下方并與之同心取向。其直徑應(yīng)當(dāng)略大于有機(jī)圓盤(pán)，但略小于突出的指狀部分，使得留下指狀突出部分的一小部分不被覆蓋。然后，借助反應(yīng)離子蝕刻或離子磨，在受保護(hù)區(qū)域受影響前，通過(guò)所有材料層51、52、54(僅指狀部分)、55(僅指狀部分)、56和57的暴露區(qū)域蝕刻該晶片結(jié)構(gòu)。然后以不蝕刻或不損傷任何剩余部分或材料的方式去除SU-8抗蝕劑59b。然后，通過(guò)熱退火以分解有機(jī)物(PMMA、DLC、SiLK、聚合物、聚α-甲基苯乙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂、各種光致抗蝕劑、或其它類(lèi)似材料)芯部和有機(jī)底層51，來(lái)將圓盤(pán)結(jié)構(gòu)從晶片上脫離下來(lái)，形成微型膨脹器件500。脫離下來(lái)的NTEs示于圖5f，其位于但未粘附在硅襯底50上。其顯示為受應(yīng)力作用狀態(tài)，該狀態(tài)在冷卻至比處理溫度(例如100℃)低的溫度(例如室溫)時(shí)獲得。
圖6為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的負(fù)膨脹器件的剖視圖。參見(jiàn)圖6，制造該NTEs器件的方法步驟基本上保持與上文參照?qǐng)D5a-5e所述的相同，附加特征在于在第二層高TCE材料56中形成有排氣孔(或通孔(vias))。這需要額外的光刻和蝕刻步驟。更具體地，在沉積第三層材料56后，于是構(gòu)圖該層，并在第三層材料56中形成通孔。于是，在垂直于晶片表面上形成排氣孔，并提供了一途徑以通過(guò)恰好在沉積最終薄膜層(第四層材料57)之前的熱分解來(lái)形成內(nèi)部空洞(或空腔)。于是，第四層材料57將這些排氣孔封閉以在最終的NTEs中提供中空的真空排空室。優(yōu)選地，第二層高TCE材料56為約1至2微米厚，且犧牲的空腔材料可以是光敏聚酰亞胺(PSPI)、DLC、PMMA或任何其它合適的材料，且空腔中的間隙可以大于以上參照?qǐng)D5a-5f所述的實(shí)施例(例如1000nm與100nm相比)。另外，優(yōu)選地，空腔中的壓力應(yīng)當(dāng)為約3乇，但這不是必須的，或者不是所需的。這僅是以此方式制造時(shí)典型的預(yù)期壓力。此外，有機(jī)層51必須由與形成空腔所用的材料不同的材料制造，使得在空腔排空的過(guò)程中器件不會(huì)從襯底上脫離。例如，有機(jī)物54應(yīng)當(dāng)在比有機(jī)層51更低的溫度下解聚，因此可在不同時(shí)刻進(jìn)行這兩個(gè)步驟。例如，第二有機(jī)層54可以是PMMA，有機(jī)層51可以是DLC。
圖7a-7c示出了晶片上呈重復(fù)的圓盤(pán)圖案的多個(gè)負(fù)膨脹器件的俯視圖，該重復(fù)的圓盤(pán)圖案由指狀部分分開(kāi)，指狀部分在圓盤(pán)間逐漸變細(xì)為窄點(diǎn)。參見(jiàn)圖7a，示出了在晶片上具有多個(gè)NTEs器件圖案的晶片的俯視圖。參見(jiàn)圖7b，示出了晶片上多個(gè)NTEs器件的部分俯視圖。在形成這些圖案時(shí)，晶片被覆以熱可分解聚合物，例如PMMA、聚α-甲基苯乙烯(alphamethypolystyrene)、聚苯醚、或某些其它可光刻定義的熱可分解聚合物。優(yōu)選地，圓盤(pán)直徑為約10微米，分隔圓盤(pán)的指狀部分在指狀部分的根部為約2微米寬，在指狀部分的窄的部分處約為0.5微米。
圖7c示出了說(shuō)明用于形成NTEs器件的制造方法的一組連續(xù)平面圖。晶片被覆以類(lèi)似PMMA的熱可分解聚合物，且通過(guò)電子束或光刻(或通過(guò)其它方法)構(gòu)圖成由指狀部分分隔開(kāi)的重復(fù)的圓盤(pán)圖案，該指狀部分在圓盤(pán)之間逐漸變細(xì)為窄點(diǎn)(步驟1)。一旦以此方式構(gòu)圖后，可分解的聚合物薄片從晶片上脫離，并懸掛在具有用于化學(xué)沉積(electroless deposition)的籽化合物的液體溶液中，例如具有Pd籽化合物的涂層或金屬種子的濺射沉積單層(步驟2)。于是，將薄片移至另一液體(或溶液)中，該液體保持在預(yù)定溫度，使得金屬在該溫度(例如100℃)下得以鍍覆，以化學(xué)沉積TCE值比將要沉積的下一層金屬更高的金屬層(或任何其它高TCE材料)，步驟3。于是將該薄片移至另一液體(bath)中，以沉積另一層金屬(或其它低TCE材料)，其具有比步驟3中通過(guò)化學(xué)或電沉積沉積的以上金屬層低的TCE值(步驟4)。鍍覆液體仍應(yīng)當(dāng)保持在預(yù)定溫度。作為選擇地，該圖案薄片在其兩面上可以濺射沉積以第一材料，接著在兩面上濺射沉積以第二材料，第二材料具有比第一材料低的TCE值。兩次沉積依然在同樣的預(yù)定溫度下進(jìn)行。一旦移出，通過(guò)諸如超聲振蕩或高剪切攪拌器的機(jī)械方法將圓盤(pán)彼此分開(kāi)(步驟5)。NTEs將在窄的薄弱點(diǎn)斷開(kāi)。由于在此窄點(diǎn)斷開(kāi)或撕開(kāi)，內(nèi)部的聚合物層在此小截面上露出，如圖7d附圖標(biāo)記71和72所示，使得在退火工序中，聚合物分解從而使圓盤(pán)的內(nèi)部空間變空。NTEs于是如圖7d所示那樣熱退火，以分解內(nèi)部的聚合物(步驟6)，且形成的NTEs在器件的中心具有空腔，如圖7d附圖標(biāo)記71a和71b所示。自分解所得的氣體將通過(guò)敞開(kāi)的通氣指狀部分排出。通氣對(duì)于防止NTEs器件因退火過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)大壓力而破裂非常重要。即使破裂是可避免的，但是氣體的截留(trapping)也會(huì)防止NTEs器件在需要時(shí)的有效收縮。
圖8a和8b是說(shuō)明一制造方法的連續(xù)平面圖，該方法基本上與先前圖7a至7d的情況相同，其不同點(diǎn)在于將金屬化的薄片拆散成分立圓盤(pán)的方法。重復(fù)如上所述的步驟1-4。在此實(shí)施例中，在x和y方向上機(jī)械拉伸金屬化薄片以將圓盤(pán)間的細(xì)指狀部分拉長(zhǎng)，如圖8a所示，或者僅在與x(和y)方向成45度取向的方向上機(jī)械拉伸以拉長(zhǎng)窄的通氣管，且可分解的聚合物在指狀部分的窄點(diǎn)處露出，如代表本發(fā)明另一實(shí)施例的圖9所示。拉長(zhǎng)和機(jī)械屈服主要或僅在薄弱的窄點(diǎn)處發(fā)生。指狀部分的薄弱窄點(diǎn)斷裂，并露出可分解的聚合物芯。這是因?yàn)榻饘賹訒?huì)斷裂且不會(huì)像聚合物層那樣塑性變形。一旦可分解的聚合物露出，則將薄片浸入適當(dāng)?shù)娜軇┲幸匀芙饪煞纸饩酆衔铮A盤(pán)間的連接切斷。作為選擇地，溶劑步驟可以略過(guò)，且將薄片移至退火工藝中，其將燒掉聚合物，同時(shí)將圓盤(pán)分開(kāi)。如果使用溶劑步驟，則在后續(xù)步驟中，NTEs被熱退火以使聚合物芯解聚。參見(jiàn)圖8b，雖然聚合物芯的一部分被溶劑溶解掉，但是在所有可能性下，這僅進(jìn)入通氣管內(nèi)一短的距離。圖8b示出了分離步驟前后的多個(gè)NTEs器件。更具體地，圖8b示出了熱退火工序(步驟6)前(80、81、82)和后(83、81a、82a)將NTEs器件分開(kāi)的指狀部分窄部分處的斷裂。圖8b中，有兩種方式來(lái)進(jìn)行步驟6。一種是使用溶劑，如果采用溶劑步驟，則所示的步驟6實(shí)際上為兩步，即溶劑步驟和熱退火步驟。第二種方式是，如果不采用溶劑步驟，則僅采用熱退火步驟以完成圖8b所示的步驟6。此外，除了退火工序前空腔81內(nèi)具有可分解聚合物的整個(gè)通氣孔(vent utter)處和顯示出可分解聚合物82的拉長(zhǎng)的整個(gè)通氣孔處外，NTEs器件的剖視圖顯示了各種情況。在退火工序(得到83的步驟6)完成后，剖視圖81a示出了NTEs器件的中空空腔，除了通氣孔外(如附圖標(biāo)記82a所示)，該器件在所有側(cè)均被封閉。對(duì)于分解聚合物芯主體并如圖8b所示地在其中形成空腔，熱退火工序依然是必須的。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的分離薄片上的NTEs器件的替代方法。參見(jiàn)圖9，僅在與x方向(以及同時(shí)y方向)成45度的方向上機(jī)械拉伸NTEs器件的薄片，以(單一拉伸地)拉長(zhǎng)窄的通氣管，可分解的聚合物在指狀部分的窄點(diǎn)處露出。一旦露出了可分解聚合物，則將薄片浸入適當(dāng)溶劑中以溶解可分解聚合物并將圓盤(pán)間的連接切斷。替代地，溶劑步驟可以略過(guò)，該薄片移至退火工序中，該工序?qū)艟酆衔锊A盤(pán)分散開(kāi)。
圖10示出了所有制造步驟完成后的NTEs器件的俯視圖和剖視圖。參見(jiàn)圖10，示出了NTEs器件隨溫度變化的動(dòng)作。如圖10所示，NTEs空腔的體積隨著溫度降低至低于例如100℃的預(yù)定加工溫度而增大，且NTEs的空腔體積隨器件溫度提高而減小。由于這與大多數(shù)純材料行為相反，所以其有重要的技術(shù)應(yīng)用。
圖11是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的NTEs器件的透視圖。如圖11所示，NTEs空腔的體積隨器件溫度降低而增加，且NTEs空腔的體積隨器件溫度的升高而減小。
圖12a是通常電內(nèi)插器(interposer)的一部分的剖視圖。內(nèi)插器是一種器件，其例如將多芯片陶瓷模塊與有機(jī)印刷線路板相連。圖12a示出了一種具有承載薄片(carrier sheet)202和接觸鈕200的內(nèi)插器，接觸鈕200由金屬條201支持在適當(dāng)位置。附圖為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的內(nèi)插器組裝件的接觸點(diǎn)或?qū)щ娭姆纸饩植科室晥D。更具體地，圖12b示出了NTEs器件在基質(zhì)彈性體(例如硅氧烷橡膠)中的應(yīng)用。更具體地，圖12b示出了包含隨機(jī)分散成填料的多個(gè)NTEs器件的由立方單元邊界代表的復(fù)合材料。此外，圖12示出了在冷卻時(shí)復(fù)合材料中發(fā)生的變化。例如，以如圖12b所示的內(nèi)插器的大小來(lái)看，其中每個(gè)觸點(diǎn)的大小為毫米數(shù)量級(jí)，NTEs器件小到肉眼不可見(jiàn)。大體積百分?jǐn)?shù)NTEs器件或NTEs粉末與彈性體混合，形成接觸點(diǎn)200。另外，當(dāng)溫度降低時(shí)，橡膠將根據(jù)其熱膨脹系數(shù)而收縮，但NTEs粉末將膨脹。從而，整個(gè)所得的復(fù)合物的膨脹或收縮為彈性體和負(fù)膨脹器件兩者的混合比和熱膨脹系數(shù)值的函數(shù)。此外，某些混合將得到隨溫度變化的凈零體積變化。一些混合將導(dǎo)致隨冷卻的凈的體積膨脹(非常不同尋常的且有用的性能)，且一些混合將導(dǎo)致比缺少NTEs粉末時(shí)出現(xiàn)的降低程度小的凈收縮。圖13a是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的NTEs器件的剖視圖。圖13b是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的NTEs器件的俯視圖。參見(jiàn)圖13a，示出的NTEs具有未受約束(unconstrained)的雙層。密封條(containment band)通過(guò)一系列光刻步驟形成。例如，首先形成條的底部，然后在另一步驟中形成條的剖面的高的部分，接著在另一步驟中形成條的頂部。圖13a和13b中示出的獨(dú)特設(shè)計(jì)通過(guò)消除其它設(shè)計(jì)中由兩個(gè)雙層的周邊連接施加的彎曲應(yīng)變提供了更大的負(fù)熱膨脹值。此設(shè)計(jì)利用了外部限制條，該限制條用于保持兩個(gè)自由浮動(dòng)的雙層正確地彼此取向。此設(shè)計(jì)可以用傳統(tǒng)的MEMs 2-D光刻技術(shù)來(lái)制造，但是其需要更多的光刻步驟數(shù)。
在另一實(shí)施例中(附圖中未示出)，其它類(lèi)型的高性能NTE可通過(guò)將兩個(gè)雙層在邊緣處用鉸鏈型結(jié)構(gòu)連接在一起來(lái)構(gòu)建。這將允許兩個(gè)雙層之間角度的自由變化，而幾乎沒(méi)有應(yīng)力，且仍保持其連接在一起。鉸鏈結(jié)構(gòu)已在MEMs裝置中使用，如能翻轉(zhuǎn)至合適位置的鏡子那樣。此處可采用類(lèi)似的鉸鏈方式來(lái)連接兩個(gè)雙層。
圖14是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的自由置放的NTEs器件的俯視圖。圖14b示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的3-D批量制造技術(shù)的一組連續(xù)平面圖。圖14b是連續(xù)平面圖，其示出與圖7a-7d的先前情形基本相同的制造方法，不同點(diǎn)在于構(gòu)圖圓盤(pán)的方法。如以上參照?qǐng)D7a-7d所述的步驟2-6是相同的。更具體地，圖14b示出了利用金屬鍍覆(metal plating)的3-D批量制造技術(shù)方法，其能通過(guò)消除薄片結(jié)構(gòu)來(lái)改變，該薄片結(jié)構(gòu)因具有通過(guò)逐漸變細(xì)的指狀部分來(lái)連接的圓盤(pán)所致。作為替代地，如圖14a和14b所示，光刻圖案定義了分立的圓盤(pán)，但包括每個(gè)通氣指狀部分的末端處的犧牲端蓋(end-cap)結(jié)構(gòu)(步驟1)。這便于通過(guò)所有金屬化步驟之后的機(jī)械振動(dòng)在薄弱的窄點(diǎn)處撕開(kāi)。此撕開(kāi)對(duì)將聚合物芯暴露至外界環(huán)境以形成無(wú)阻擋的氣體選出通路是必須的，該氣體將在聚合物分解退火步驟中放出。
這些指狀部分的數(shù)目不必是4個(gè)。為了允許適當(dāng)?shù)臍怏w排出，每個(gè)圓盤(pán)僅一個(gè)通氣孔是必須的。成功發(fā)生撕開(kāi)的概率成倍增加。但是，僅一個(gè)是嚴(yán)格必須的。此外，所示的指狀結(jié)構(gòu)的尺寸僅是說(shuō)明性的。對(duì)于大多數(shù)目的，圓盤(pán)與窄點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況盡可能短，以在相對(duì)理想圓盤(pán)形狀變形最小的情況下制造NTEs圓盤(pán)。自窄點(diǎn)指向指狀部分的末端的端蓋結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和形狀應(yīng)當(dāng)?shù)靡詢?yōu)化以在加工的適當(dāng)步驟中撕開(kāi)。它們必須確?；瘜W(xué)或電鍍步驟不受影響，但是之后隨著在高剪切混合或通過(guò)超聲振蕩施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)撕開(kāi)。鉤狀結(jié)構(gòu)傾向于允許懸掛中的圓盤(pán)的纏結(jié)，使得被機(jī)械激發(fā)的通過(guò)鉤子附著在第一圓盤(pán)上的第二圓盤(pán)的動(dòng)量有助于撕開(kāi)薄弱點(diǎn)。
在另一實(shí)施例中(未在附圖中示出)，可設(shè)計(jì)出圓盤(pán)外邊緣上的薄弱點(diǎn)，而不構(gòu)建通氣指狀結(jié)構(gòu)。在此方式中，當(dāng)加熱圓盤(pán)以分解有機(jī)芯時(shí)，形成的壓力將優(yōu)選地突破該薄弱點(diǎn)以提供氣體逸出的機(jī)構(gòu)。
在另一實(shí)施例中，可以將NTEs器件混合入粘接劑(paste)中，而不是混合入熱固性橡膠化合物中。存在粘接劑的技術(shù)應(yīng)用，例如計(jì)算機(jī)封裝中的熱管理，其中維持熱源(例如半導(dǎo)體芯片)的兩個(gè)對(duì)立表面和熱沉(heat sink)之間的良好連接是關(guān)鍵的。減低、消除或顛倒粘接劑的熱膨脹性能可減輕高端計(jì)算中的非常重大的技術(shù)難題。
圖15是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的形成固體泡沫結(jié)構(gòu)的多個(gè)NTEs器件的剖視圖。更具體地，圖15示出了形成固體泡沫結(jié)構(gòu)的多個(gè)NTEs器件，這些器件僅通過(guò)裸露的最少量彈性體彼此連接。此外，NTEs器件之間的最小接合連接允許膨脹移動(dòng)的最大自由度。還可以構(gòu)思將它們以其它方式接合，例如冶金焊合(metallurgical bonding)，使得其形成具有負(fù)膨脹性能的真正金屬泡沫。
在另一實(shí)施例中，材料的任何結(jié)合都是可用的，只要內(nèi)層的TCE高于外層。這可以包括例如金屬、陶瓷、聚合物和玻璃。
在另一實(shí)施例中，可加入其它層以提高層間的粘接性，根據(jù)需要增加或降低應(yīng)力，或改變顆粒的表面性能。
在另一實(shí)施例中，涂覆薄的金屬外層，使得其能賦予表面電導(dǎo)性。薄的外層可以制得足夠薄，使得其不對(duì)NTEs器件的膨脹性能產(chǎn)生副作用。例如，100至1000埃的金或銀。
在另一實(shí)施例中，其中不需要電導(dǎo)性，可鍍敷非金屬薄涂層作為絕緣體。此涂層可以足夠薄，使得其不對(duì)NTEs器件的膨脹性能造成負(fù)面影響。
前述實(shí)施例僅是示例性的，并不是對(duì)本發(fā)明的限制。本發(fā)明的技術(shù)可容易地用于其它類(lèi)型的裝置和其它大小尺寸。本發(fā)明的說(shuō)明是說(shuō)明性的，并不限制權(quán)利要求的范圍。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，各種替換、修改和改動(dòng)均是顯然的。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)器件，包括具有內(nèi)層和外層的第一雙層，其中，外層由具有比內(nèi)層材料低的熱膨脹系數(shù)的材料制成；以及具有內(nèi)層和外層的第二雙層，其中，外層由具有比內(nèi)層材料低的熱膨脹系數(shù)的材料制成，其中，第一和第二雙層沿具有更高熱膨脹系數(shù)的內(nèi)層材料的周邊連接在一起。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，第一和第二雙層沿內(nèi)層高熱膨脹系數(shù)(TCE)材料的周邊直接熔合在一起，形成連接部分，且內(nèi)層的剩余的未連接部分能夠分隔開(kāi)并彎曲從而形成空腔。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括用于將第一和第二雙層連接在一起的粘接層，其中，該粘接層是圍繞該空腔的外壁。
4.如權(quán)利要求3的器件，其中，該粘接層為細(xì)粘接劑線或材料層。
5.如權(quán)利要求1的器件，其中，第一和第二雙層在預(yù)定的溫度下形成和連接，使得該器件處于低應(yīng)力和幾何形狀平坦的狀態(tài)，且該器件在比該預(yù)定溫度低的溫度下變成受力，導(dǎo)致第一和第二雙層中在相反方向上的彎曲，此彎曲將增加第一和第二雙層之間的空腔體積，并增加器件所占據(jù)的總體積。
6.如權(quán)利要求5所述的器件，其中，該預(yù)定溫度是最終工程應(yīng)用的工作溫度。
7.如權(quán)利要求6所述的器件，其中，該應(yīng)用為芯片，且該預(yù)定溫度為約100℃。
8.如權(quán)利要求5所述的器件，其中，器件對(duì)溫度變化作出反應(yīng)，其中空腔體積隨著器件溫度降到該預(yù)定溫度之下而增加，且該體積隨著器件溫度升高到預(yù)定溫度而減小。
9.如權(quán)利要求3所述的器件，其中，空腔具有將外界環(huán)境與負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)的空腔相連的小的開(kāi)口或通孔。
10.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，該器件可以與母體彈性體材料混合，其固化成復(fù)合物橡膠，該橡膠在具有減小的總熱膨脹系數(shù)的同時(shí)保留了彈性體的性能。
11.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，第一和第二雙層通過(guò)帶直角突出物的環(huán)形帶在邊緣處連接起來(lái)，以容納這些雙層，防止其彼此之間發(fā)生脫離相對(duì)的取向，從而提高負(fù)熱膨脹行為的系數(shù)。
12.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，負(fù)熱膨脹系統(tǒng)器件與粘接劑混合，從而減小粘接劑的熱膨脹系數(shù)。
13.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，負(fù)熱膨脹系統(tǒng)器件用少量的彈性體粘接劑直接連接在一起而不是被結(jié)合到母體媒質(zhì)中，這將形成具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的泡沫狀固體。
14.一種制造負(fù)熱膨脹系統(tǒng)器件的方法，包括步驟將襯底加熱至所需的參考溫度；在該襯底上沉積一層有機(jī)脫模層；在有機(jī)脫模層上沉積第一層材料；沉積第二層材料，其具有比第一層材料大的熱膨脹系數(shù)值；在第二層材料上沉積可分解聚合物層；將可分解聚合物層構(gòu)圖成圓盤(pán)形狀，其具有從圓盤(pán)輻射出的指狀附屬部分；在可分解聚合物層上沉積第三層材料，其具有與第二層材料相同的熱膨脹系數(shù)值；在第三層材料上沉積第四層材料，其具有與第一層材料相同的熱膨脹系數(shù)值；在第四層材料上沉積一層光致抗蝕劑；光刻構(gòu)圖，使得留下圓盤(pán)形抗蝕劑，其覆蓋掩埋于其下并與光致抗蝕劑層同心地取向的可分解聚合物圓盤(pán)；蝕刻通過(guò)所有材料層和有機(jī)脫模層的暴露區(qū)，直至在底部遇到硅襯底；去除光致抗蝕劑層；將結(jié)構(gòu)從襯底上脫離；以及熱退火，以分解聚合物芯來(lái)形成負(fù)熱膨脹系統(tǒng)器件。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所需參考溫度由最終工程應(yīng)用的工作溫度確定。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，最終工程應(yīng)用為芯片工作溫度。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，芯片工作溫度為約100℃。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，將襯底加熱到所需參考溫度的加熱步驟在將該層有機(jī)脫模層沉積于襯底之上后進(jìn)行。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括步驟在可分解的聚合物層上沉積有機(jī)硬掩模；以及構(gòu)圖可分解的聚合物層和有機(jī)硬掩模成圓盤(pán)形狀，其具有從圓盤(pán)輻射出的指狀附屬部分。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，沉積第三層材料的步驟還包括步驟構(gòu)圖第三層材料；在第三層材料中形成通孔，其中，通孔形成并垂直于晶片表面；以及在第三層材料上沉積第四層材料以封閉通孔。
21.一種制造多個(gè)負(fù)熱膨脹系統(tǒng)器件的方法，包括步驟用熱可分解聚合物來(lái)被覆晶片；將該可分解聚合物構(gòu)圖成重復(fù)的圓盤(pán)圖形；將該可分解聚合物從晶片上脫下并形成重復(fù)的圖案化圓盤(pán)的薄片；將脫下的圖案化可分解聚合物薄片懸掛在第一溶液中，該第一溶液具有用于化學(xué)分解的籽化合物；將該脫下的圖案化可分解聚合物薄片從第一溶液中取出；將該脫下的圖案化可分解聚合物薄片懸掛在第二溶液中，以在該薄片的兩面上化學(xué)沉積第一層材料，其中該脫下的圖案化可分解聚合物薄片保持在預(yù)定溫度；將該脫下的圖案化可分解聚合物薄片從第二溶液中取出；將該脫下的圖案化可分解聚合物薄片懸掛在第三溶液中，以在該脫下的圖案化可分解聚合物薄片兩面上沉積第二層材料，該材料具有比第一層材料低的熱膨脹系數(shù)值；將該圖案化的圓盤(pán)彼此分開(kāi)；以及熱退火該圖案化的圓盤(pán)，以分解該可分解聚合物，并形成空腔以取代可分解聚合物。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，對(duì)圖案化圓盤(pán)的分離包括以下步驟通過(guò)超聲振蕩分離該圖案化圓盤(pán)，其中，圓盤(pán)在圓盤(pán)之間的指狀部分中的窄點(diǎn)處斷開(kāi)，露出可分解聚合物，該聚合物在退火工序中分解從而完成分離工序。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，對(duì)圖案化圓盤(pán)的分離包括以下步驟通過(guò)高剪切混合分離該圖案化圓盤(pán)，其中，圓盤(pán)在圓盤(pán)之間的指狀部分中的窄點(diǎn)處斷開(kāi)，露出可分解聚合物，該聚合物在退火工序中分解從而完成分離工序。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，對(duì)圖案化圓盤(pán)的分離包括以下步驟通過(guò)在x和y兩個(gè)方向上拉伸圖案化圓盤(pán)的薄片以使圓盤(pán)之間的細(xì)的指狀部分?jǐn)嗔眩⒃谥笭畈糠值恼c(diǎn)處露出可分解聚合物；以及將圖案化圓盤(pán)薄片浸入適當(dāng)?shù)娜軇﹣?lái)溶解可分解聚合物，切斷圓盤(pán)間的連接。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，對(duì)圖案化圓盤(pán)的分離包括以下步驟通過(guò)在x方向上拉伸圖案化圓盤(pán)的薄片(允許在單獨(dú)的一個(gè)步驟中拉伸x指狀部分和y指狀部分兩者)以使圓盤(pán)之間的細(xì)的指狀部分?jǐn)嗔?，并在指狀部分的窄點(diǎn)處露出可分解聚合物；以及將圖案化圓盤(pán)薄片浸入適當(dāng)?shù)娜軇﹣?lái)溶解可分解聚合物，切斷圓盤(pán)間的連接。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，將可分解聚合物構(gòu)圖成重復(fù)的圓盤(pán)圖案還包括通過(guò)指狀部分隔開(kāi)的圓盤(pán)圖案，該指狀部分向圓盤(pán)之間的窄點(diǎn)逐漸變細(xì)。
27.一種面柵陣列內(nèi)插器中的熱膨脹系數(shù)(CTE)補(bǔ)償觸點(diǎn)，包括具有多個(gè)接觸孔的內(nèi)插器；以及在該多個(gè)接觸孔中的多個(gè)觸點(diǎn)，其中，觸點(diǎn)通過(guò)將多個(gè)負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)器件放置在母體彈性體中，并將具有該多個(gè)負(fù)熱膨脹系統(tǒng)器件的母體彈性體形成所需形狀來(lái)形成。
28.一種負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)器件，包括第一層材料；第二層材料，其具有比第一層材料大的熱膨脹系數(shù)(TCE)值；第三層材料，其具有與第二層材料相同的熱膨脹系數(shù)值，其中第二和第三層沿材料的周邊連接在一起；以及第四層材料，其具有與第一層材料相同的熱膨脹系數(shù)值。
29.如權(quán)利要求28所述的器件，其中，第二層和第三層沿第二層和第三層材料的周邊直接熔合在一起，從而形成連接部分，且內(nèi)層的剩余的未連接部分能夠分隔開(kāi)并彎曲從而形成空腔。
30.如權(quán)利要求28所述的器件，還包括用于將第二和第三層連接在一起的粘接層，其中，該粘接層是圍繞該空腔的外壁。
31.如權(quán)利要求30的器件，其中，該粘接層為細(xì)粘接劑線或材料層。
32.如權(quán)利要求28的器件，其中，第二和第三層在預(yù)定的溫度下形成和連接，使得該器件處于低應(yīng)力和幾何形狀平坦的狀態(tài)，且該器件在比該預(yù)定溫度低的溫度下變成受力，導(dǎo)致第一和第二層的組合物以及第三和第四層的組合物在相反方向上的彎曲，此彎曲將增加第二和第三層之間的空腔體積，并增加器件所占據(jù)的總體積。
33.如權(quán)利要求32所述的器件，其中，該預(yù)定溫度是最終工程應(yīng)用的工作溫度。
34.如權(quán)利要求33所述的器件，其中，該應(yīng)用為芯片，且該預(yù)定溫度為約100℃。
35.如權(quán)利要求32所述的器件，其中，器件對(duì)溫度變化作出反應(yīng)，其中空腔體積隨著器件溫度降到該預(yù)定溫度之下而增加，且該體積隨著器件溫度升高到預(yù)定溫度而減小。
36.如權(quán)利要求30所述的器件，其中，空腔具有將外界環(huán)境與負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)的空腔相連的小的開(kāi)口或通孔。
37.如權(quán)利要求28所述的器件，其中，該器件可以與母體彈性體材料混合，其固化成復(fù)合物橡膠，該橡膠在具有減小的總熱膨脹系數(shù)的同時(shí)保留了彈性體的性能。
38.如權(quán)利要求28所述的器件，其中，第二和第三層通過(guò)帶直角突出物的環(huán)形帶在邊緣處連接起來(lái)，以包含這些雙層，防止其彼此之間發(fā)生脫離相對(duì)的取向，從而提高負(fù)熱膨脹行為的系數(shù)。
39.如權(quán)利要求28所述的器件，其中，負(fù)熱膨脹系統(tǒng)(NTEs)器件與粘接劑混合，從而減小粘接劑的熱膨脹系數(shù)。
40.如權(quán)利要求28所述的器件，其中，負(fù)熱膨脹系統(tǒng)器件用少量的彈性體粘接劑直接連接在一起而不是被結(jié)合到母體媒質(zhì)中，這將形成具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的泡沫狀固體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于彈性體復(fù)合物熱膨脹系數(shù)補(bǔ)償?shù)呢?fù)熱膨脹系統(tǒng)器件及微電子封裝中的導(dǎo)電彈性體互連。本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種制造具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的微機(jī)械器件的方法，該器件可做成復(fù)合物以控制材料的熱膨脹系數(shù)。以此器件制成的器件和復(fù)合物屬于稱(chēng)作“智能材料”或“響應(yīng)性材料”的材料種類(lèi)。本發(fā)明的另一方面提供由兩個(gè)對(duì)立雙重材料構(gòu)成的微器件，其中兩個(gè)雙層僅在周邊彼此連接，且雙層自身在由雙層形成時(shí)的溫度定義的參考溫度下處于最小應(yīng)力條件。這些器件具有隨著器件溫度降到參考溫度或加工溫度之下而發(fā)生體積膨脹的技術(shù)上有用的性能。
文檔編號(hào)B81B3/00GK1510742SQ200310120319
公開(kāi)日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者加雷思·G·霍漢姆, S·杰伊·切, 詹姆斯·P·多伊爾, 劉小虎, 克里斯托弗·V·揚(yáng)尼斯, 保羅·A·勞羅, 南?！·拉比安卡, 邁克爾·J·詹克斯, J 詹克斯, P 多伊爾, A 勞羅, C 拉比安卡, 加雷思 G 霍漢姆, 托弗 V 揚(yáng)尼斯, 痢で 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司