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Dokumentenidentifikation DE602004004365T2 10.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001589553
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Flüssigmetallumschalteinrichtung
Anmelder Agilent Technologies, Inc. - a Delaware Corporation -, Santa Clara, Calif., US
Erfinder Fazzio, Ronald Shane, Loveland CO 80538, US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Aktenzeichen 602004004365
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.11.2004
EP-Aktenzeichen 040270969
EP-Offenlegungsdatum 26.10.2005
EP date of grant 17.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.05.2007
IPC-Hauptklasse H01H 29/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01H 29/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B22D 21/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Flüssigmetallvorrichtungen.

Hintergrund

Ein Reed-Relais ist ein typisches Beispiel eines herkömmlichen kleinen mechanischen Kontakttyps einer elektrischen Schaltvorrichtung. Ein Reed-Relais besitzt zwei Kontaktzungen, die aus einer magnetischen Legierung hergestellt sind, die in einem Edelgas im Inneren eines Glasgefäßes abgedichtet ist, das durch eine elektromagnetische Treiberspule umgeben ist. Wenn kein Strom in der Spule fließt, sind die Spitzen der Kontaktzungen vorgespannt, um einen Kontakt zu unterbrechen, und die Vorrichtung wird abgeschaltet. Wenn Strom in der Spule fließt, ziehen die Spitzen der Kontaktzungen einander an, um einen Kontakt herzustellen, und die Vorrichtung wird angeschaltet. Derartige Relaisvorrichtungen sind z. B. aus der EP 1 391 903 A1 bekannt.

Das Reed-Relais hat Probleme, die mit seiner großen Größe und relativ kurzen Dienstlebensdauer zusammenhängen. In Bezug auf das erste Problem erfordern die Kontaktzungen nicht nur einen relativ großen Raum, sondern verhalten sich während eines Hochfrequenzschaltens aufgrund ihrer Größe und eines elektromagnetischen Ansprechens nicht gut. In Bezug auf das zweite Problem bewirkt das Biegen der Kontaktzungen aufgrund vor Vorspannung und Anziehung mechanische Ermüdung, was zu einem Brechen der Kontaktzungen nach ausgedehnter Verwendung führen kann.

In der Vergangenheit wurden die Kontaktzungen für Leitfähigkeit und Widerstand gegenüber einer elektrischen Lichtbogenbildung, wenn ein Kontakt zwischen den Kontaktzungen hergestellt und unterbrochen wurde, mit Spitzenkontakten versehen, die aus Rhodium (Rh) oder Wolfram (W) bestanden, oder wurden mit Rhodium (Rh) oder Gold (Au) plattiert. Diese Kontakte versagten jedoch mit der Zeit. Dieses Problem mit den Kontakten wurde mit einem Typ von Reed-Relais, das ein „Nass"-Relais genannt wird, verbessert. Bei einem Nass-Relais wird ein Flüssigmetall, wie z. B. Quecksilber (Hg), verwendet, um den Kontakt herzustellen. Dies löste das Problem eines Kontaktausfalls, das Problem der mechanischen Ermüdung der Kontaktzungen jedoch blieb ungelöst.

In einer Bemühung, diese Probleme zu lösen, wurden elektrische Schaltvorrichtungen vorgeschlagen, die das Flüssigmetall in einem Kanal zwischen zwei Schaltelektroden nutzen. In den Flüssigmetallvorrichtungen wirkt das Flüssigmetall als der Kontakt, der zwei Schaltelektroden verbindet, wenn die Vorrichtung AN geschaltet wird. Das Flüssigmetall ist zwischen den beiden Schaltelektroden durch einen Fluid-Nichtleiter getrennt, wenn die Vorrichtung AUS geschaltet ist. Das Fluid-Nichtleiter-Fluid ist allgemein hochreiner Stickstoff (N) oder ein weiteres derartiges Edelgas.

In Bezug auf das Größenproblem erzielen die Flüssigmetallvorrichtungen eine Größenreduzierung einer elektrischen Schaltvorrichtung, da keine Kontaktzungen erforderlich sind. Außerdem erzielt die Verwendung des Flüssigmetalls eine längere Dienstlebensdauer und eine höhere Zuverlässigkeit. Mit kleiner werdenden Vorrichtungsgrößen jedoch ist es immer schwieriger geworden, die geeigneten Mengen des Flüssigmetalls in die Hauptkanäle bereitzustellen, wo das Flüssigmetall durch die Anwendung eines unter Druck stehenden Nichtleiter-Fluids getrennt werden kann.

Lösungen für diese Probleme werden seit langem gesucht, haben sich jedoch bisher Fachleuten auf dem Gebiet entzogen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigmetallvorrichtung bereit. Ein Flüssigmetall wird in Festmetallkugeln verfestigt. Die Festmetallkugeln werden benachbart zu einer Öffnung in der Flüssigmetallvorrichtung gesammelt. Die Festmetallkugeln werden in ein Flüssigmetall verflüssigt, um in die Öffnung zu fließen. Dies führt zu einem einfachen und billigen Flüssigmetallerzeugungssystem und einem Abgabesystem zur Herstellung einer Flüssigmetallvorrichtung, die eine kompakte und relativ einfache Struktur aufweist, jedoch auch eine hohe Betriebszuverlässigkeit und eine lange Dienstlebensdauer besitzt.

Bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung besitzen zusätzlich zu oder anstelle der oben erwähnten andere Vorteile. Die Vorteile werden aus einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Wegschnitt-Seitenansicht einer temperaturgesteuerten Kammer;

2A ist eine Wegschnitt-Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer temperaturgesteuerten Kammer;

2B ist ein Grundriss einer Draufsicht einer Schale mit einem Array;

3 ist eine Wegschnitt-Seitenansicht einer temperaturgesteuerten Bewegerkammer;

4 ist eine vereinfachte Querschnittsnahansicht eines Abschnitts einer Flüssigmetallvorrichtung in einer Zwischenstufe einer Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

5 ist die Struktur aus 4 nach der Bildung eines Flüssigmetallabgabereservoirs;

6 ist die Struktur aus 5 mit Festmetallkugeln, die in das Flüssigmetallabgabereservoir geschüttelt sind;

7 ist die Struktur aus 6 nach einer Verflüssigung der Festmetallkugeln und einem Fließen des Flüssigmetalls in die Flüssigmetallvorrichtung;

8 ist die Struktur auf 7 nach der Aufbringung eines Abdichtmittels;

9 ist eine vereinfachte Querschnittsnahansicht eines Abschnitts einer Flüssigmetallvorrichtung in einer Zwischenstufe einer Herstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

10 ist die Struktur aus 9 nach einem Abdichten durch Wafer-Bonden;

11 ist die Flüssigmetallvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

12 ist ein Flussdiagramm 1200 eines Verfahrens zur Herstellung einer Flüssigmetallvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Details gegeben, um für ein gründliches Verständnis der Erfindung zu sorgen. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden könnte. Um eine Verschleierung der vorliegenden Erfindung zu vermeiden, sind bestimmte bekannte Systemkonfigurationen und Verfahrensschritte nicht detailliert beschrieben.

Der Ausdruck „horizontal", wie er hierin verwendet wird, ist als eine Ebene parallel zu der herkömmlichen Ebene oder Oberfläche des ersten Substrats, unabhängig von deren/dessen Ausrichtung, definiert. Der Ausdruck „vertikal" bezieht sich auf eine Richtung senkrecht zu der Horizontalen, wie gerade definiert wurde. Ausdrücke, wie z. B. „auf", oberhalb", „unterhalb", „unten", „oben", „über "und „unter", sind in Bezug auf die horizontale Ebene definiert.

Ähnlich sind die Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, halbschematisch und nicht maßstabsgetreu und insbesondere dienen einige Abmessungen der Klarheit einer Darstellung und sind in den Figuren stark übertrieben gezeigt. Zusätzlich sind, wo mehrere Ausführungsbeispiele offenbart und als mit einigen gemeinsamen Merkmalen beschrieben sind, zur Klarheit und Erleichterung einer Darstellung und Beschreibung derselben gleiche Merkmale normalerweise mit gleichen Bezugszeichen beschrieben.

Bezug nehmend auf 1 ist eine Wegschnitt-Seitenansicht einer temperaturgesteuerten Kammer 100 gezeigt. Die temperaturgesteuerte Kammer 100 weist eine Sprühdüse 102 zum Sprühen eines Flüssigmetalls 104 in flüssiger Form in die Kammer 100 auf. Oberflächenspannung bewirkt, dass das Flüssigmetall 104 sich in Sphären oder Kugeln bildet, und die Temperatur der Kammer 100 und die Entfernung des Sprühens werden gesteuert, um das Flüssigmetall 104 abzukühlen, um Festmetallkugeln zu bilden.

Die temperaturgesteuerte Kammer 100 ist mit einer Anzahl von Sieben versehen, die Öffnungen unterschiedlicher Größen aufweisen. Zum Beispiel sind ein erstes, zweites und drittes Sieb 106, 108 und 110 gezeigt, wobei das erste Sieb 106 die größten Öffnungen aufweist und das dritte Sieb 110 die kleinsten Öffnungen aufweist.

Bei Betrieb wird die temperaturgesteuerte Kammer 100 bei Temperaturen stabilisiert, die kleiner sind als die des Schmelzpunkts des verwendeten Flüssigmetalls, das ein Flüssigmetall, wie z. B. Quecksilber (Hg), Legierungen aus Gallium (Ga), usw., sein könnte. Für Quecksilber z. B. beträgt die Verfestigungstemperatur –38°C.

Die Sprühdüse 102 stellt das Flüssigmetall 104 als feine Tröpfchen bereit, die sich in der Temperatur, die kleiner ist als der Schmelzpunkt, der temperaturgesteuerten Kammer 100 verfestigen. Die feinen Tröpfchen bilden Festmetallkugeln mit einem kleinen Bereich an Größen.

Die Festmetallkugeln fallen auf das erste, zweite und dritte Sieb 106, 108 und 110 in der temperaturgesteuerten Kammer 100.

Jedes Sieb weist Löcher oder Öffnungen auf, die größenmäßig von dem oberen Sieb 106 nach unten zu dem unteren Sieb 110 abnehmen. Dies bedeutet, dass die Festmetallkugeln, die auf einem bestimmten Sieb isoliert sind, einen Bereich von Querschnittsflächen von kleiner als die Querschnittsfläche der Löcher in dem Sieb oberhalb bis zu größer als die Querschnittsfläche der Löcher in dem Sieb unterhalb aufweisen. Außerdem weisen die Festmetallkugeln die gleichen ungefähren Volumina innerhalb jedes Bereichs von Querschnittsflächen auf.

Das erste Sieb 106 hält die größten Festmetallkugeln 112 und das zweite und das dritte Sieb 108 und 110 halten kleinere Festmetallkugeln 114 bzw. 116. Dieser Siebvorgang trennt die Festmetallkugeln in unterschiedlichen Größenbereiche. Es wird zu erkennen sein, dass die Anzahl von Sieben abhängig von den erwünschten Größenbereichen der Festmetallkugeln optional ist. Unterschiedliche Größenbereiche von Festmetallkugeln können in einer einzelnen Vorrichtung zu Zwecken, wie z. B. Füllen von Durchgangslöchern zusätzlich zu Füllen von Kanälen und anderen Öffnungen, verwendet werden.

Bezug nehmend auf die 2A und 2B ist in 2A eine Wegschnitt-Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer temperaturgesteuerten Kammer 200, die in 2A gezeigt ist, gezeigt. Die temperaturgesteuerte Kammer 200 beinhaltet eine Schale 202, die in 2B im Grundriss gezeigt ist, die ein Array einer Metallisierung oder eine Kombination einer Metallisierung und von Schale-/Metallisierungsmerkmalen 204, wie z. B. kleine Punkte oder geätzte Materialmerkmale, auf der Unterseite aufweist, die energiemäßig für ein Unterstützen dessen, dass das Flüssigmetall beim Abkühlen Kugeln bildet, günstig sind. Für Quecksilber z. B. könnte das Array einer Metallisierung oder die Kombination von Metallisierung und Schalenmerkmalen 204 Materialien verwenden, wie z. B. Metalle der Platin- (Pt-) Gruppe, wie z. B. Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin oder eine Kombination derselben.

Das Array einer Metallisierung 204 bei einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte eine Kombination mit einem energiemäßig günstigen Material als eine Basis mit einem Erfassungsmaterialdeckel sein. Das Array der Metallisierung oder die Kombination einer Metallisierung und von Schalenmerkmalen 204 könnte z. B. ein nicht benetzbares geätztes Merkmal in der Schale und Golddeckel aufweisen. Der Golddeckel würde ein Flüssigmetall, wie z. B. Quecksilber, „erfassen". Das Quecksilber würde das Gold lösen und das geätzte Merkmal würde das Quecksilber-/Gold-Amalgam, das eine Kugelbildung unterstützt, einfangen.

Die Schale 202 ist in der Kammer 200 platziert. Wenn die Temperatur auf weniger als den Schmelzpunkt des Flüssigmetalls, z. B. –38°C für Quecksilber (Hg), abgesenkt wird, nimmt die Oberflächenspannung des Flüssigmetalls mit abnehmender Temperatur zu, um Flüssigmetallkugeln zu bilden, die sich dann verfestigen, um Festmetallkugeln 212, 214 und 216 zu bilden. Die Festmetallkugeln 212, 214 und 216 haben im Wesentlichen ähnliche Volumina. Die Festmetallkugeln 212, 214 und 216 jedoch können nachfolgend in noch einheitlichere Größenbereiche getrennt werden, indem sie durch das erste, zweite und dritte Sieb 106, 108 und 110 aus 1 gegossen werden.

Bezug nehmend auf 3 ist eine Wegschnitt-Seitenansicht einer temperaturgesteuerten Bewegerkammer 300, die eine mechanisch bewegte Stufe 302 aufweist, gezeigt.

Ein Wafer 304, der leere Flüssigmetallvorrichtungen 306, wie z. B. mikroelektrische Schalter, die in und auf Vorrichtungssubstraten gebildet sind, beinhaltet, ist auf der mechanisch bewegten Stufe 302 platziert. Die temperaturgesteuerte Bewegerkammer 300 wird unter der Verfestigungstemperatur der Festmetallkugeln gekühlt gehalten.

Schichten von Festmetallkugeln, wie z. B. der Festmetallkugeln 116 (1) oder 212 (2), werden dann auf dem Wafer 304 platziert. Der Wafer 304 wird dann durch ein Verfahren, wie z. B. Vibration oder Hin- und Herbewegung, in Bewegung gebracht, so dass die kleinen Rillen oder andere geätzte Merkmale die Festmetallkugeln 116 oder 212 eingefangen.

Kleine Rillen oder andere geätzte Öffnungen (wie z. B. ein Flüssigmetallabgabereservoir 500, das in 5 gezeigt ist) in dem Wafer 304 sind nach oben gerichtet platziert, um so Festmetallkugeln zu erfassen. Der Größenbereich und die Anzahl von Festmetallkugeln in den Flüssigmetallabgabereservoirs werden durch den Vorrichtungsentwurf bestimmt. Eine Größe (gemeinsam mit einem Vorrichtungsentwurf) kann als ein Kontrollparameter verwendet werden, um sicherzustellen, dass die korrekte Anzahl von Festmetallkugeln in jedem der Flüssigmetallabgabereservoirs platziert ist. Dies erlaubt eine Steuerung der Menge an Flüssigmetall, die in jeder Öffnung oder jedem Kanal in dem Wafer 304 bereitgestellt wird.

Der Wafer 304 mit den eingefangenen Festmetallkugeln 116 oder 212 wird aus der temperaturgesteuerten Bewegerkammer 300 entfernt. Jede der leeren Flüssigmetallvorrichtungen 306 besitzt eine Hauptkammer (wie z. B. die Hauptkammer 410 aus 4), die zumindest teilweise mit Flüssigmetall gefüllt werden soll. Die Hauptkammer ist mit der kleinen Rille oder einem anderen geätzten Merkmal auf dem Wafer 304 verbunden.

Die Festmetallkugeln 116 oder 212 dürfen sich dann verflüssigen oder schmelzen in das Flüssigmetall, indem es ihnen erlaubt wird, auf Umgebungstemperatur zurückzukehren, oder indem dieselben erwärmt werden. Dieses Schmelzen bewirkt, dass das Flüssigmetall in die Hauptkammern der Flüssigmetallvorrichtungen 306 fließt.

Es ist zu erkennen, dass es Variationen gibt, die ein Verwenden unterschiedlicher benetzbarer Mittel, oberflächenaktiver Mittel und/oder Druckunterschiede umfassen, um das Flüssigmetall in den Hauptkanal der Flüssigmetallvorrichtungen 306 zu ziehen; z. B. Aufbringen von Gold (Au) oder einem bestimmten anderen benetzbaren Mittel in die Rillen oder andere geätzte Merkmale oder Geben des Wafers 304 während des Erwärmens in ein Druckgefäß.

Nachdem das Flüssigmetall abgegeben wurde, wird der Hauptkanal durch ein Abdichtmittel abgedichtet und die Substrate durch ein Haftmittel verbunden; ein Haftabdichtmaterial z. B. könnte ein Material sein, wie z. B. eines der Cytop®-Materialien (eine registrierte Marke der Asahi Glass Company, erhältlich bei Bellex International Corp. in Wilmington, Delaware), Aufschleuderglas, Epoxyd, Metall oder ein anderes Material, das als Verbindungsmittel wirkt und eine hermetische Abdichtung bereitstellt.

Bezug nehmend auf 4 ist eine vereinfachte Querschnitts-Nahansicht eines Abschnitts einer exemplarischen Flüssigmetallvorrichtung 400 in einer Zwischenstufe einer Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Flüssigmetallvorrichtung 400 weist ein erstes Substrat 402 auf, das durch Haftabdichtungen 406 mit einem zweiten Substrat 404 verbunden ist. Das erste und das zweite Substrat 402 und 404 sind undurchlässig für Flüssigmetall und die Haftabdichtungen 406 sind undurchlässig für Flüssigmetall.

Die Haftabdichtungen 406 können aus einem Material, wie z. B. Gold, das durch eine Glasschicht geschützt wird, sein, das eine Abdichtung bereitstellt, die undurchlässig für Quecksilber ist, und die sich gut mit Siliziumsubstraten verbindet. Wenn Gold für die Wafer-Verbindung mit Siliziumwafern verwendet wird, wird eine Keimschicht zwischen dem Gold und dem Silizium verwendet, um sicherzustellen, dass das Gold an dem Silizium haftet. Ein Hauptkanal 410 wurde in dem zweiten Substrat 404 gebildet, der eine innere Abdichtung 412 beinhaltet. Die innere Abdichtung 412 kann aus einem Material, wie z. B. Glas, sein. Die innere Abdichtung 412 ist nur um den Hauptkanal 410 herum.

Eine Flüssigmetallabgabekanalmaske 414 wurde auf das zweite Substrat 404 aufgebracht und verarbeitet, um die Bildung einer Rille oder eines anderen geätzten Merkmals zu erlauben. Bei diesem Ausführungsbeispiel bildet das Ätzen eine Öffnung zu dem Hauptkanal 410, die als ein Flüssigmetallabgabekanal 416 bezeichnet wird.

Bezug nehmend auf 5 ist die Struktur aus 4 nach der Bildung eines Flüssigmetallabgabereservoirs 500 gezeigt. Die Flüssigmetallabgabekanalmaske 414 aus 4 ist entfernt und eine Flüssigmetallabgabereservoirmaske 502 ist für die Bildung des Flüssigmetallabgabereservoirs 500 aufgebracht und verarbeitet. Das Flüssigmetallabgabereservoir 500 ist optional, wenn der Flüssigmetallabgabekanal 416 ausreichend groß ist. In vielen Fällen jedoch ist das Flüssigmetallabgabereservoir 500 erforderlich, um ein Sammeln von Festmetall in demselben zu ermöglichen.

Bezug nehmend auf 6 sind Festmetallkugeln 116 mit kleinem Größenbereich, die auf die Struktur aus 5 geschüttelt sind, um durch das Flüssigmetallabgabereservoir 500 erfasst zu werden, gezeigt. Die Flüssigmetallabgabereservoirmaske 502 auf 5 wurde entfernt.

Bezug nehmend auf 7 ist die Struktur aus 6 nach einer Verflüssigung der Festmetallkugeln 116 mit kleinem Größenbereich und einem Fließen des Flüssigmetalls 700 in die Hauptkammer 410 (in 4 gezeigt) der Flüssigmetallvorrichtung 400 gezeigt. Die Flüssigmetallvorrichtung 400 kann auf Raumtemperatur gebracht werden oder ein Flüssigmetallfließbrennen kann durchgeführt werden, um zu bewirken, dass die Festmetallkugeln 116 mit kleinem Größenbereich aus 6 schmelzen und fließen, um den Hauptkanal 410 zumindest teilweise zu füllen.

Bezug nehmend auf 8 ist die Struktur aus 7 nach der Aufbringung eines Abdichtmittels 800 gezeigt. Das Abdichtmittel 800 füllt zumindest teilweise den Flüssigmetallabgabekanal 416 und das Flüssigmetallabgabereservoir 500 aus 5, um das Flüssigmetall 700 vollständig abzudichten.

Bezug nehmend auf 9 ist eine vereinfachte Querschnitts-Nahansicht eines Abschnitts einer exemplarischen Flüssigmetallvorrichtung 900 in einer Zwischenstufe einer Herstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Flüssigmetallvorrichtung 900 weist ein erstes Substrat 902 auf. Ein Hauptkanal 904 wurde in dem ersten Substrat 902 gebildet und Festmetallkugeln 906 mit kleinem Größenbereich auf das erste Substrat 902 geschüttelt, um durch den Hauptkanal 904 erfasst zu werden.

Bezug nehmend auf 10 ist die Struktur aus 9 gezeigt, nachdem der Hauptkanal 904 abgedichtet wurde, indem ein zweites Substrat 1000 mit dem ersten Substrat 402 verbunden wurde. Ein Abdichtmaterial ist in diesem Fall optional. Dieses Verbinden wäre eine Waferbondverbindung, bei der die beiden Wafer frei von Teilchen sind und für ein Niedrigtemperaturverbinden durch Ausheilen, Schweißen oder Thermokompressionsverbindung in Kontakt zueinander platziert sind. Ein Waferbonden könnte optional ein Haftdichtmittel verwenden, wie z. B. das Haftdichtmittel 406, das in 4 gezeigt ist. Das erste und das zweite Substrat 902 und 1000 und die Waferbondverbindung sind undurchlässig für das Flüssigmetall. Die Festmetallkugeln 906 mit kleinem Größenbereich werden dann in das Flüssigmetall 1002 geschmolzen.

Die Flüssigmetallvorrichtung 900 ist nicht notwendigerweise der Flüssigmetallvorrichtung 400 aus 8 vorzuziehen, da Flüssigmetalle relativ niedrige Siedepunkte besitzen. Dies impliziert, dass ein beliebiger Waferbondverbindungsvorgang zum Abdichten der Flüssigmetalle bei einem Niedrigtemperaturvorgang am bequemsten ist. Bei Verwendung von Quecksilber bedeutet ein Abgeben des Quecksilbers vor einem Waferbondverbindungsvorgang außerdem, dass Wafer mit flüssigem Quecksilber auf der Oberfläche in der Herstellungsumgebung für eine nachfolgende Verarbeitung vorsichtig gehandhabt werden müssen, da Quecksilber eine toxische Substanz ist.

Bezug nehmend auf 11 ist die Flüssigmetallvorrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Für ein leichtes Verständnis ist das obere Substrat nicht gezeigt. Eine einpolige Schaltvorrichtung mit zwei Elektroden und einer einzelnen Heizereinheit ist die einfachste Konfiguration, ein komplexeres Ausführungsbeispiel einer zweipoligen Schaltvorrichtung mit drei Elektroden und zwei Heizereinheiten ist jedoch gezeigt. Die Flüssigmetallvorrichtung 400 weist das erste Substrat 402 und Haftabdichtungen 406 auf.

Während unterschiedliche Elemente der vorliegenden Erfindung sich auf unterschiedlichen Substraten befinden können, ist das erste Substrat 402 als einen Hauptkanal 1120 umfassend gezeigt und drei Elektroden 1122, 1124 und 1126 sind in beabstandeter Beziehung entlang der Länge des Hauptkanals 1120 angeordnet.

Unterkanäle 1130 und 1132 sind ebenso in dem ersten Substrat 402 gebildet und sind mit dem Hauptkanal 1120 zwischen den Elektroden 1122 und 1124 bzw. zwischen den Elektroden 1124 und 1126 verbunden. Die Unterkanäle 1130 und 1132 stellen Verbindungen zu Kammern 1134 bzw. 1136, die in dem Substrat 402 gebildet sind, her. Die Kammern 1134 und 1136 befinden sich unter Heizelementen 1138 bzw. 1140.

Die Heizelemente 1138 und 1140 bei einem Ausführungsbeispiel sind resistive Heizelemente, die elektrisch durch die Durchgangslöcher 1142 und 1144 durch das erste Substrat 402 mit Leistung versorgt werden. Die gefüllten Durchgangslöcher sind senkrechte Löcher durch das erste Substrat 402, die mit einem Leiter gefüllt sind, so dass es keine wesentlichen Lecks durch die Löcher gibt.

Bei dem ersten Substrat 402 ist der Hauptkanal 1120 mit einem Flüssigkanal 1150, wie z. B. Quecksilber (Hg), und einem Fluid-Nichtleiter 1152, wie z. B. Argon (Ar) oder Stickstoff (N), gefüllt. Das zweite Substrat 404 aus 4liegt über dem ersten Substrat 402 und das Flüssigmetall 1150 und der Fluid-Nichtleiter 1152 sind in dem Hauptkanal 1120, den Unterkanälen 1130 und 1132 und den Kammern 1134 und 1136 durch Haftabdichtungen 406 abgedichtet. Der Fluid-Nichtleiter 1152 kann sich durch die Heizelemente 1138 und 1140 ausdehnen, um Unterteilungen in dem Flüssigmetall 1150 zu bewirken.

Die Materialien des ersten und des zweiten Substrats 402 und 404 und der Haftabdichtungen 406 sind ausgewählt, um eine chemische Reaktion mit und ein Benetzen durch das Flüssigmetall 1150 zu vermeiden. Chemische Reaktionen könnten dazu führen, dass das Flüssigmetall 1150 nicht in der Lage ist, Strom zu führen, und ein Benetzen könnte eine geeignete Schaltbewegung des Flüssigmetalls 1150 unmöglich machen; d.h. ein AUS-Zustand kann nicht erzielt werden, da der elektrische Pfad zwischen den Elektroden 1122, 1124 und 1126 nicht unterbrochen werden kann. Chemische Reaktionen und ein Benetzen der Substrate oder Abdichtungen können auch zu Leckströmen und Zuverlässigkeitsfehlern führen.

Bei Betrieb kann das Flüssigmetall 1150 in einen ersten, zweiten und dritten Abschnitt 1150A, 1150B und 1150C unterteilt sein, die immer mit den Elektroden 1122, 1124 bzw. 1126 verbunden sind. Die Unterkanäle 1130 und 1132, die Kammern 1134 und 1136 und Abschnitte des Hauptkanals 1120 sind mit dem Fluid-Nichtleiter 1152 gefüllt. Der Fluid-Nichtleiter 1152 ist in der Lage, das Flüssigmetall 1150 in diskrete Abschnitte zu trennen, die entweder die Elektroden 1122 und 1124 oder die Elektroden 1124 und 1126 verbinden, abhängig davon, ob das Heizelement 1140 oder das Heizelement 1138 betätigt ist.

Bezug nehmend auf 12 ist ein Flussdiagramm 1200 des Verfahrens einer Herstellung einer Flüssigmetallvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Verfestigen eines Flüssigmetalls in Festmetallkugeln bei einem Block 1202; Sammeln der Festmetallkugeln benachbart zu einer Öffnung in der Flüssigmetallvorrichtung bei einem Block 1204; und Verflüssigen der Festmetallkugeln in ein Flüssigmetall, um in die Öffnung zu fließen, bei einem Block 1206.

Während die Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, wird darauf verwiesen, dass viele Alternativen, Modifizierungen und Variationen in der Technik angesichts der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sein werden. Entsprechend ist es beabsichtigt, alle derartigen Alternativen, Modifizierungen und Variationen, die in den Schutzbereich der beinhalteten Ansprüche fallen, zu umschließen. Alle Gegenstände, die bisher dargelegt oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, sollen in einem darstellenden und in keinem einschränkenden Sinn interpretiert werden.


Anspruch[de]
Ein Verfahren zum Herstellen einer Flüssigmetallvorrichtung [400], wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Verfestigen eines Flüssigmetalls [104] [700] [1002] in Festmetallkugeln [112] [212];

Sammeln der Festmetallkugeln [112] [212] benachbart zu einer Öffnung [410, 416] in der Flüssigmetallvorrichtung [400]; und

Verflüssigen der Festmetallkugeln [112] [212] in ein Flüssigmetall [104] [700] [1002], um in die Öffnung [410, 416] zu fließen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem:

das Verfestigen des Flüssigmetalls [104] [700] [1002] ein Sprühen des Flüssigmetalls [104] [700] [1002] in einem flüssigen Zustand in eine temperaturgesteuerte Kammer [200], um sich in die Festmetallkugeln [112] [212] zu bilden, umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem:

das Verfestigen des Flüssigmetalls [104] [700] [1002] ein Sammeln des Flüssigmetalls [104] [700] [1002] auf einem Material [204], das eine Kugelbildung in einer temperaturgesteuerten Kammer [200] unterstützt, um sich in die Festmetallkugeln [112] [212] zu bilden, umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem:

das Verfestigen des Flüssigmetalls [104] [700] [1002] ein Sammeln des Flüssigmetalls [104] [700] [1002] auf einem Array des Materials oder einem Material und einem Materialmerkmal [204], das eine Kugelbildung in einer temperaturgesteuerten Kammer [200] unterstützt, um sich in die Festmetallkugeln [112] [212] zu bilden, umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das zusätzlich folgende Schritte aufweist:

Trennen der Festmetallkugeln [112] [212] in unterschiedliche Größenbereiche; und

wobei das Sammeln der Festmetallkugeln [112] [212] benachbart zu der Öffnung [410, 416] Festmetallkugeln [112] [212] eines Größenbereichs benachbart zu der Öffnung [410, 416] platziert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das zusätzlich folgenden Schritt aufweist:

in Bewegung Bringen der Festmetallkugeln [112] [212], um ein Flüssigmetallabgabereservoir [500] benachbart zu der Öffnung [410, 416] zu füllen.
Ein Flüssigmetallschaltvorrichtungsherstellungssystem, das folgende Merkmale aufweist:

temperaturgesteuerte Ausrüstung zum Verfestigen eines Flüssigmetalls [104] [700] [1002] in Festmetallkugeln [112] [212];

Siebausrüstung zum Trennen der Festmetallkugeln [112] [212] in unterschiedliche Größenbereiche; und

einen Trenner [500] zum Sammeln der Festmetallkugeln [112] [212] eines Größenbereichs benachbart zu einer Öffnung [410, 416], die in der Flüssigmetallvorrichtung [400] vorgesehen ist.
Das System gemäß Anspruch 7, bei dem:

die temperaturgesteuerte Ausrüstung eine Kühlkammer und eine Sprühdüse zum Sprühen des Flüssigmetalls [104] [700] [1002] in einem flüssigen Zustand in die temperaturgesteuerte Kammer [200], um sich in die Festmetallkugeln [112] [212] zu bilden, aufweist.
Das System gemäß Anspruch 7, bei dem:

die temperaturgesteuerte Ausrüstung folgende Merkmale aufweist:

eine Schale [202] mit einem Array eines Materials oder einem Material und einem Schalenmerkmal [204], das eine Kugelbildung des Flüssigmetalls [104] [700] [1002] unterstützt; und

eine temperaturgesteuerte Kammer [200] zum Kühlen des Flüssigmetalls [104] [700] [1002], das auf dem Array platziert ist, in die Festmetallkugeln [112] [212].
Das System gemäß Anspruch 7, das zusätzlich folgende Merkmale aufweist:

einen Beweger zum in Bewegung Bringen der Festmetallkugeln [112] [212] und der Flüssigmetallschaltvorrichtung, um ein in derselben vorgesehenes Flüssigmetallabgabereservoir [500] zu füllen;

eine Einrichtung zum Schmelzen der Festmetallkugeln [112] [212] zum Füllen einer Hauptkammer [410] in der Flüssigmetallvorrichtung [400], die die Öffnung [410, 416] aufweist; und

eine Abdichtung zum Abdichten des Flüssigmetallabgabereservoirs [500] und des Flüssigmetalls [104] [700] [1002] in der Hauptkammer [410].






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
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