CN101035738A - 微机电系统中的非晶态挠曲件 - Google Patents

微机电系统中的非晶态挠曲件 Download PDF

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CN101035738A CNA2005800339946A CN200580033994A CN101035738A CN 101035738 A CN101035738 A CN 101035738A CN A2005800339946 A CNA2005800339946 A CN A2005800339946A CN 200580033994 A CN200580033994 A CN 200580033994A CN 101035738 A CN101035738 A CN 101035738A
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Abstract

一种微机电系统(100，200，300，400，500)包括挠曲件(120)；其中所述挠曲件(120)由非晶态材料制成。相似地，一种形成微机电系统(100，200，300，400，500)的方法，所述方法包括以下步骤：形成衬底(110，210)；以及形成非晶态挠曲件(120)，所述非晶态挠曲件(120)被联接到所述衬底(110，210)上。

Description

微机电系统中的非晶态挠曲件
背景技术
已公知存在多种类型的微机电系统(MEMS)。这些装置执行许多功能，所述功能包括，但不限于，开关、致动器和光调制器。起到空间光调制器(SLMs)作用的微机电系统包括由可电寻址的可偏转反射镜或反射器形成的像素。空间光调制器是能够将入射光相应地调制成电输入和/或光输入的换能器。空间光调制器能够在相位、强度、偏振和/或方向方面对入射光进行调制。
另外，微机电系统可起到Fabry-Perot光调制器的作用。Fabry-Perot光调制器包括平行的反射镜。对平行反射镜中的一个反射镜进行调制从而改变反射镜之间的间隙。反射镜之间的所述间隙决定了被允许从装置中射出的波长。
通常，微机电系统典型地包括通过弹性可变形构件例如挠曲件或弹簧与衬底相联的可偏转或可移动的物质或表面。该弹性可变形构件典型地将可偏转或可移动的物质例如反射表面或反射镜定位在中性位置处。所述中性位置可平行于或不平行于联接在一起的衬底。该弹性可变形构件保持可偏转或可移动的物质处于中性位置，直至由于一些其它的装置导致其产生偏转而选择性地施加静电吸引力或排斥力。对于空间光调制器而言，反射镜或其它反射器即便是发生微小的偏转也可能强烈地改变对入射到其上面的光的调制。
可移动物质的移动使得弹性可变形构件发生形变，将势能存储在其中。一旦去掉静电力，所储存的势能趋向于使可偏转或可移动的物质返回其中性位置。该弹性可变形构件已公知以悬臂方式、以扭转方式或以公知为挠曲方式的两种方式的组合方式发生形变。
传统的弹性可变形构件的反复偏转导致产生被称作蠕变的现象。蠕变是弹性可变形构件产生松弛和形变，由此导致微机电系统的不正常运行。例如，在去掉静电力时，得到松弛的弹性可变形构件可能不能使可偏转或可移动的物质返回其中性位置，从而导致微机电系统随时间产生性能改变或下降，例如对光线的非计划调制。
发明内容
一种微机电系统包括挠曲件，其中所述挠曲件由非晶态材料制成。
类似地，一种形成微机电系统的方法，所述方法包括形成衬底，以及形成非晶态挠曲件，所述非晶态挠曲件被联接到所述衬底上。
附图说明
以下附图示出了本发明的系统和方法的多个实施例并且构成了本发明的一部分。如图所示的实施例仅是本发明的系统和方法的多个实例并且不是对本发明范围的限制。通过阅读下面的详细描述并参见附图，发明内容部分以及本发明的系统和方法的其它特征和方面将更为明显。
图1是示出了根据本发明的一个典型实施例的蛇形挠曲件微机电系统的顶视图；
图2是示出了根据本发明的一个典型实施例的结合了简单柱状(simple post)挠曲件微机电系统的空间光调制器的部件的侧视图；
图3是示出了根据本发明的一个典型实施例的结合了扭转挠曲件微机电系统的空间光调制器的顶视图；
图4A、4B和4C是根据本发明的一个典型实施例的结合了针状轮挠曲件微机电系统的空间光调制器的不同视图；
图5是示出了根据本发明的一个典型实施例的结合了悬臂式挠曲件微机电系统的振簧式传感器的侧视图；
图6是示出了根据本发明的一个典型实施例的形成非晶态挠曲构件的方法的流程图。
在所有附图中，使用相同的附图标号表示相似的，但不一定是相同的元件。
具体实施方式
本说明书中描述了一种用于减少微机电系统装置中存在的蠕变路径的系统和方法。更具体而言，通过形成具有非晶态挠曲件的微机电系统，从所述挠曲结构上去掉了晶体滑移面和晶界，由此消除了两条发生蠕变的有效路径。下面的说明书和权利要求书中披露了用于在微机电系统装置中形成非晶态挠曲件的系统和方法的多个典型实施例。
在本说明书和所附的权利要求书中所使用的术语“微机电系统”或“MEMS”应被广义地理解为描述的是可典型地被构造在一个或多个半导体芯片上的且可以采用集成电路(IC)批量处理工艺制造出的任何非常小的(微型)机械装置。微机电系统大致可被分类为传感器、致动器、传感器和致动器的组合件、光调制器或用于进行处理或控制的附加电路。对于本说明书和所附的权利要求书来说，术语“微机电系统”指的是如上面所述的任何一类。
另外，在本说明书和所附的权利要求书中所使用的术语“晶体”应被理解为金属和金属合金的传统结构，其特征在于，可能导致产生大量晶体滑移面或晶界的大量的重复构型。“晶体滑移面”是一种晶面，在重复的三维原子或分子阵列之间沿所述晶面产生位错运动，这常常会导致构件产生蠕变。相似地，术语“晶界”指的是分开在多晶体金属或陶瓷中具有不同晶向的两个邻接晶粒的界面。
此外，术语“非晶态”应被理解为指的是具有大体上非晶的原子结构的任何固态材料。具有非晶态原子结构的材料中基本上没有晶体滑移面和晶界，由此与相似的晶体材料相比，具有非晶态原子结构的材料的材料特性得到增强。
在下面的说明书中，为了解释说明的目的，对多个具体细节进行了阐述，从而提供了对本发明的用于在微机电系统装置中形成非晶态挠曲件的系统和方法的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员来说明显的是，可不采用这些具体细节而实践本发明的方法。在说明书中所指的“一个实施例”或“实施例”意味着结合被包括在至少一个实施例中的所述实施例进行描述的特定功能部件、结构或特征。在说明书中多个地方出现的用语“在一个实施例中”不一定都指的是相同的实施例。
下面参见附图，图1-5示出了多种微机电系统结构，所述多种微机电系统结构中包括使用按照惯例已受到蠕变的影响作用的一个或多个挠曲件。因此，本发明的系统和方法可被结合到如图1-5所示出的微机电系统结构中。虽然附图和下面的说明书是与光调制微机电系统相关的，但是本发明的系统和方法可被结合到对蠕变敏感的任何微机电系统构型中。
图1是示出了根据本发明的一个典型实施例的蛇形挠曲件微机电系统(100)的顶视图。如图1中所示，本发明的典型蛇形挠曲件微机电系统(100)包括联接到呈蛇形构型的多个非晶态挠曲件(120)的第一端上的衬底(110)。非晶态挠曲件(120)分别在第二端处被联接到步进电机平台(130)上。根据如图1所示的典型实施例，步进电机平台(130)通过非晶态挠曲件(120)而被悬在衬底(110)上面。另外，如图1中所示，非晶态挠曲件(120)允许步进电机平台(130)进行受控的面内运动。换句话说，如图1所示的非晶态挠曲件(120)允许步进电机平台(130)沿平行于衬底(110)的平面选择性地进行平动。在一个或更多个非晶态挠曲件(120)中引入蠕变可使步进电机平台(130)进行面外运动。另外，在一个或更多个非晶态挠曲件(120)中发生的蠕变可防止步进电机平台(130)返回到其在平面中的原始位置。
与如图1所示的微机电系统的面内运动相比，图2是示出了根据本发明的一个典型实施例的结合了提供面外运动的简单柱状挠曲件微机电系统(200)的空间光调制器(SLM)的部件的侧视图。如图2中所示的典型实施例，该简单柱状挠曲件微机电系统(200)包括具有垂直联接到其上的非晶态挠曲件(120)的第一端(122)的衬底(210)。另外，非晶态挠曲件(120)的第二端(124)随后被联接到光调制器(230)上，由此最初相对于衬底(210)平行定位光调制器(230)。根据一个典型实施例，许多控制电极(图中未示出)产生导致光调制器(230)围绕非晶态挠曲件(120)进行面外移动的静电力，由此使非晶态挠曲件产生形变并且将能量储存在其中。当静电力被去掉时，储存在非晶态挠曲件(120)内的能量使光调制器(230)返回到平行于衬底(210)的其中性位置。向非晶态挠曲件(120)引入蠕变通过阻碍光调制器(230)正确定位，从而可能会导致如图2所示的空间光调制器(SLM)不正常运行或发生故障。
图3是示出了根据本发明的一个典型实施例的结合了扭转挠曲件微机电系统(300)的空间光调制器的顶视图。与图2相类似，如图3中所示的扭转挠曲件微机电系统(300)包括联接到位于光调制器(230)相对端部上的多个非晶态挠曲件(120)上的光调制器(230)。该光调制器被联接到每个非晶态挠曲件(120)的第二端(124)上。每个非晶态挠曲件(120)的第一端(122)被联接到锚柱(310)上。在多个控制电极(图中未示出)产生静电力时，如图3中所示的典型构型允许光调制器(230)通过非晶态挠曲件(120)的扭转挠曲件选择性地倾斜到面外。将会围绕非晶态挠曲件(120)与光调制器(230)的连接点产生光调制器(230)的面外倾斜。因此，光调制器(230)的倾斜是可受控变化的，从而对入射至光调制器的光线进行调制。光调制的固有敏感度使得蠕变对于空间光调制器的正常运行而言是特别危险的。如果将蠕变引入到空间光调制器的挠曲件(120)中，那么像素图像的位置可能发生改变。
图4A和4B分别是结合了可起到Fabry-Perot光调制器作用的针状轮挠曲件微机电系统(400)的空间光调制器的顶视图和局部剖切侧视图。如图4B中所示，起到Fabry-Perot光调制器作用的针状轮挠曲件微机电系统(400)是包括被联接到衬底(210)上的反射率较高的固定反射镜(410)的反射装置。反射率较低的光调制器(230)借助从衬底(210)中挤出成形的多个锚柱(310)而悬在固定反射镜(410)附近。另外，在如图4A所示的针状轮构型中，多个非晶态挠曲件(120)将反射率较低的光调制器(230)联接到锚柱(310)上。
在工作过程中，如图4C中所示，入射到光调制器(230)上的光束(450)部分反射离开位于前面的光调制器，继之反射离开位于后面的固定反射镜(410)。通过空腔(420)的每一次来回行程导致产生一些穿过反射率较低的顶部光调制器的透射。可借助多个控制电极(图中未示出)执行光调制器(230)的静电偏转从而选择性地改变空腔(420)的尺寸。空腔(420)的这种选择性变化还改变了被允许射出空腔的波长，从而导致选择性地去除部分的反射光束(450)。由于需要严格控制空腔(420)的尺寸，因此针状轮挠曲件微机电系统(400)中的非晶态挠曲件(120)上发生的蠕变可通过不适当地改变显示图像的颜色而防碍Fabry-Perot光调制器的适当或总体功能。
图5是示出了根据本发明的一个典型实施例的结合了悬臂式挠曲件微机电系统(500)的振簧式传感器的侧视图。如图5中所示，标准物质(530)被联接到悬臂式非晶态挠曲件(120)上，所述悬臂式非晶态挠曲件(120)进而被联接到衬底(210)上。标准物质(530)是在测量装置或测量机器中，例如在加速测量设备中，所使用的用作待测量的量的基准物质的预定测试物质。与上面所述的典型实施例相类似地，向非晶态挠曲件(120)引入蠕变将会防碍标准物质(530)的正确定位。
如上面所述，如图1-5中所示出的微机电系统结构中包括非晶态挠曲件(120)。取代了传统挠曲件的非晶态挠曲件(120)的应用减小了在挠曲件中发生蠕变的可能性，由此减小了挠曲件的中性位置产生移动的可能性并且保持住光调制器的性能。
多种机制已被确定为有助于产生蠕变现象，这些机制包括，应力诱发的空位扩散、位错运动、晶界扩散和晶界滑移。形成非晶态材料的挠曲件通过消除导致产生蠕变的晶体结构从而将如上面所述的蠕变现象传播产生的挠曲件蠕变量减至最小程度。
图6是示出了一种典型的形成微机电系统的方法的流程图，其中微机电系统挠曲件由非晶态材料形成。虽然图6示出了一种典型方法，但是这些步骤仅是示例性的，且在微机电系统的实际制造过程中，如在本技术领域中已公知地，多个步骤可重叠、组合和/或重新排序。根据如图6所示的典型实施例，通过形成包括电极的下层衬底(步骤600)开始实施所述方法。一旦已形成所述衬底，锚柱和/或其它支架可被形成在衬底上(步骤610)。随后，在形成非晶态挠曲件(步骤620)之后，可形成任何光调制器和/或电机平台(步骤630)。一旦形成完毕，可除去非必要材料(步骤640)，进而结束所需微机电系统结构的成形。下面将给出上述方法的其它细节。
如图6中所示，通过形成包括电极的衬底(步骤600)开始实施所述典型方法。可采用已公知的成形方法中的任一种方法成形出所述衬底和电极，所述成形方法包括，但不限于，在硅衬底上生长出一层热氧化物和/或在热氧化物层上溅射沉积铝合金或铝铜合金(Al-Cu)，之后形成图案并进行等离子蚀刻工艺从而限定出电极。
接下来，根据如图6所示的典型实施例，形成锚柱和/或其它支架(步骤610)。根据一个典型实施例，可采用本技术领域当前公知的多种沉积方法中的任何一种方法形成锚柱和/或其它支架，所述方法包括，但不限于，溅射铝合金或铝铜合金(Al-Cu)。此外，通过使用光致抗蚀剂和/或任何数量的牺牲性支架材料，可有助于锚柱和/或支架的形成。
一旦形成锚柱和/或支架，可形成非晶态挠曲件(步骤620)。根据第一典型实施例，通过溅射沉积铝的原子百分含量在1％与99％之间的钽铝合金(TaAl)形成非晶态挠曲件。根据一个典型实施例，所述钽铝合金(TaAl)中包含原子百分含量在35％与65％之间的钽。非晶态是与淬火液相类似的材料混合物状态，在X射线或电子束衍射测试下不具有可辩别的结构。
另一种可选方式是，可使用多种非晶态金属合金或金属玻璃合金并采用沉积方法形成非晶态挠曲件。当前已公知的可用于形成非晶态挠曲件的多种沉积方法包括，但不限于，物理气相沉积(PVD)方法例如共溅射、反应溅射、反应共溅射、蒸发、脉冲激光沉积、离子束方法、电子束方法、化学气相沉积(CVD)方法、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法和原子层沉积(ALD)方法。此外，可用于形成非晶态挠曲件的非晶态薄膜包括，但不限于，锆钒铁合金(ZrVFe)、锆钒钛合金(ZrVTi)、钴金合金(CoAu)或金硅合金(AuSi)以及整体固化的非晶态合金，例如商业上已公知的由Liquidmetal Technologies生产的名为LIQUIDMETAL的那些合金。
此外，可通过沉积多个呈单层或多层堆叠形式的晶体薄膜，然后退火处理所述堆叠以形成非晶态材料从而形成采用如图6所示的典型方法形成的非晶态挠曲件。与镍锆(Ni-Zr)和硅钛(Si-Ti)体系一样，该非晶态材料可由晶体薄膜通过固态反应而形成。
一旦形成非晶态挠曲件(步骤620)，光调制器、标准物质、电机平台或被构造用以与非晶态挠曲件相互作用的其它所需部件可在其上面形成(步骤630)。
在已形成所有所需部件之后，通过除去非必要材料(步骤640)继续如图6所示的典型方法。在整个成形工艺中，可以使用多种脱模剂、抗蚀剂、垫片和/或保护层。可采用多种已公知的方法从最后得到的结构上除去这些材料，所述方法包括，但不限于，化学溶解、蚀刻、热去除等。
总之，本发明的系统和方法减少了微机电系统装置中存在的蠕变路径。更具体而言，通过形成具有非晶态挠曲件的微机电系统，从所述挠曲结构上去掉了晶体滑移面和晶界，由此消除了两条发生蠕变的有效路径。影响微机电系统挠曲件的蠕变的可能性的降低使得许多微机电系统应用的可靠性和精度得到改进。
前述描述仅旨在用于解释说明和描述本发明的系统和方法的典型实施例。以上描述不是旨在是穷举性的或者旨在使本发明的系统和方法受限于在此所披露的任何具体形式。根据以上教导，可对本发明作出多种变型和改动。本发明的系统和方法的范围旨在由下面的权利要求书进行限定。

Claims (20)

1、一种微机电系统(100，200，300，400，500)，包括：
挠曲件(120)；
其中所述挠曲件(120)由非晶态材料制成。
2、根据权利要求1所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，进一步包括光调制器(230)。
3、根据权利要求2所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述光调制器(230)包括Fabry-Perot光调制器。
4、根据权利要求1所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述非晶态材料包括非晶态金属、非晶态金属合金或多个非晶态金属合金层中的一种。
5、根据权利要求1所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述非晶态材料包括钽铝合金(TaAl)。
6、根据权利要求5所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述钽铝合金中包含原子百分含量在1％与99％之间的铝。
7、根据权利要求5所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述钽铝合金中包含原子百分含量在35％与65％之间的钽。
8、根据权利要求1所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述非晶态材料中基本上没有晶体滑移面和晶界。
9、根据权利要求1所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述挠曲件(120)进一步包括非晶态薄膜。
10、根据权利要求9所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述非晶态薄膜包括锆钒铁合金(ZrVFe)、锆钒钛合金(ZrVTi)、钴金合金(CoAu)或金硅合金(AuSi)中的一种。
11、根据权利要求9所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述非晶态薄膜包括整体固化的非晶态合金。
12、根据权利要求1所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述非晶态材料包括已进行退火处理的先前的晶体薄膜。
13、根据权利要求1所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述挠曲件(120)包括蛇形挠曲件、柱状挠曲件、扭转挠曲件或针状轮挠曲件中的一种。
14、根据权利要求1所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述挠曲件(120)被联接到光调制器(230)上。
15、根据权利要求14所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述挠曲件(120)被进一步联接到支架挤出成形部上。
16、一种微机电系统(100，200，300，400，500)，包括：
衬底(110，210)；
被联接到所述衬底(110，210)上的挠曲件(120)；和
被联接到所述挠曲件(120)上的光调制器(230)；
其中所述挠曲件(120)为一种基本上没有晶体滑移面和晶界的非晶态材料。
17、根据权利要求16所述的微机电系统(100，200，300，400，500)，其中所述非晶态材料包括非晶态金属、非晶态金属合金、多个非晶态金属合金层或多个非晶态金属层中的一种。
18、一种包括非晶态材料的挠曲件(120)；
所述挠曲件(120)被构造用以与微机电系统(100，200，300，400，500)相连。
19、一种形成微机电系统(100，200，300，400，500)的方法，所述方法包括以下步骤：
形成衬底(110，210)；以及
形成非晶态挠曲件(120)，所述非晶态挠曲件(120)被联接到所述衬底(110，210)上。
20、根据权利要求25所述的方法，其中所述形成非晶态挠曲件(120)的步骤包括：
在所述衬底(110，210)上沉积多个晶体薄膜；以及
对所述晶体薄膜进行退火处理，从而在所述晶体薄膜中诱发产生固态反应；
其中所述固态反应导致所述晶体薄膜呈现非晶态结构。
CNA2005800339946A 2004-10-05 2005-08-30 微机电系统中的非晶态挠曲件 Pending CN101035738A (zh)

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