CN1185487A - 改进的微型机械装置的弹性元件 - Google Patents
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Abstract
一个用于微型机械装置(12)的改进的弹性元件(24)。该微型机械装置(12)包括一个静止元件(28)和一个运动元件(26),由一个弹性元件(24)所连结。由于运动元件(26)的反复和频繁的运动,弹性元件(24)会变得永久地弯曲和变形,从而导致装置的不良作业。渗氮的铝或非铝合金能用来形成一个多晶的或非晶的金属膜,该弹性元件(24)由该金属膜形成。这些合金具有各向同性的弹性、高的拉伸强度并在溅镀时形成一个平的膜。
Description
本发明涉及微型机械装置，更特别地涉及微型机械装置的铰链和杠杆元件。
微型机械装置通常包括制造在基片上的带有运动部件的微型化装置。这样的装置的一个例子是数字微型反射器装置，或DMD。另一个例子包括微型加速度计、微型马达和传动装置。某些这类结构包括一个例如为铰链或杠杆的支持元件，该微型机械的另一个元件被悬挂在该支持元件上。
被悬挂元件的往复运动需要铰链或杠杆有弹性且结实。还需有柔韧性，以便于被悬挂元件的运动。如果铰链或杠杆不结实，它就会在运动方向上永久地弯曲，或有塑性变形，从而改变其尺寸。
已有各种的理论来解释这种现象，包括错位的微滑移、晶粒边界的一边比另一边过度氧化，或甚至表面膜的产生等理论。
已有人建议采用铝与氮或其它元素的合金以形成有序化合物的混合物。对于这种类型的化合物的一个例子，请参考共同受让的专利申请08/339,363，其名为“具有改进的杠杆的微型机械装置”。这种工艺的目的是开发某些类型的金属间的化合物，其滑移阻力比面心立方体(FCC)晶体结构的大。然而，除了要考虑到制造缺陷如可在非晶形的A1-N合金中可观察到的晶须和小丘之外，需要进一步改善上述的问题。
本发明的一个方面是一种改进了的微型机械装置的弹性元件。该装置包括一个用该弹性元件连结的静止元件和运动元件。该元件是通过采用渗氮铝或非铝合金以形成一个金属膜来形成的，由该金属膜也形成了弹性元件。该膜既可以是非晶形，也可以是多晶形。
本发明的一个优点在于提供了一种具有各向同性的弹性性能的弹性元件。
本发明的另一个优点在于提供了一种高抗拉强度的弹性元件。
本发明的另一个优点在于提供了一种平的镀膜。
本发明的另一个优点在于提供了一种弹性元件，该弹性元件由容易干蚀刻的元素所组成。
为了更完整地理解本发明及其优点，现请联系以下附图参考下面的详细说明，其中：
图1显示了一个微型机械装置的平面视图；
图2显示的是采用铝合金铰链和杠杆的制造过程中该微型机械装置大体沿图1中的线2-2的侧视图；图3a至3f显示的是采用铝合金铰链和杠杆的制造过程中一种多层微型机械装置的侧视图；
图4显示的是从一种TiAl3靶用活性溅镀获得的镀膜的应力作为几种不同气体成份的总Ar-(N)压力的函数的情况。
在图1中显示了一个微型机构的空间光调制器的平面视图。一组这样的装置被单片地制造在一块基片10上。每一个象素12由一个可偏转的物体组成，在此情况下该物体就是反射器14，该反射器通过铰链20a和20b，被悬挂在两个相对的角部上。铰链20a和20b通常由一个金属的“杠杆”连在一起，该杠杆在形成铰链的同一金属上形成图案，而在金属层上溅镀反射金属。在反射器以下的基片表面上是两个沿线18a和18b寻址的寻址电极。反射器14是电导通的并保持在一定的偏压。
当偏压加在电极18a或者18b上时，由于相吸的静电力而使得反射器被吸向电极并向着该电极偏转。铰链20a和20b允许该偏转运动，因其弯曲和变形使反射器物体能够运动。该反射器运动到它到达着陆电极16a和16b其中之一的挡块为止。电极16a或16b与反射器保持的偏压一致，以防止电流产生。
该微型机械的空间光调制器的例子是一个数字微型反射器装置(DMD，以前称之为可变形的反射装置)。然而，反射器的铰链和其它部件的允许自由运动的应力和参数特性也可应用于所有类型的用弹性元件连结锚定在静止元件上的移动元件的微型机械装置。
这些装置产生于一种单片式制造工艺，该工艺已在US专利5,061,049及其所包括的参考文献中有详细的描述。为了讨论的目的对该工艺加以简述。一个装置的侧视图如图2所示。
在其上建有一组装置的基片10上必须首先以CMOS加工出寻址电路。然后将一个通常称之为M3的金属层喷膜到CMOS晶片上以形成电极。然后将一层光阻材料编织上，以作为间隔材料，并在该材料中形成通道。一个厚度为500-700埃(A)的金属薄膜24被镀到该间隔材料上。然后该金属薄膜被形成图案并被蚀刻以形成铰链和连结着每一个反射器的两个铰链的杠杆。然后将最后一层金属层镀上，该金属层几乎完全填充了间隔材料中的通道，以形成支持墩28。该层被形成图案并被蚀刻以便使反射器在下面由一个连结铰链的金属杠杆所悬挂，而该铰链又是与支持墩相连的。
为了使反射器能自由移动，该间隔材料被蚀刻掉，一般是用等离子体进行这种蚀刻的，以便留出一个空气间隙22，使反射器悬吊于该间隙之上。整个装置组都制造在该晶片上，从而产生了一组微型化的可移动的反射器，用途之一是每一个反射器控制一个显示或打印的图像的象素。例如，为了形成一个图像，可控制反射器使光线对着显示表面或偏离该表面。每个反射器使多少光线对着该表面决定了该象素的亮度。通过以这种方式控制整个装置组就形成了图像。
然而，反射器的向着和偏离显示表面的转动需要铰链对应于相应的寻址信号重复地弯曲。这会引起铰链在一个方向上或另一个方向上的永久地弯曲或变形，由于无论对着或偏离屏幕反射器都会对着一小部分光线，从而导致了图像质量下降。
这个问题甚至存在于另外的结构中，例如如图3a-3f所示的多层面DMD装置。形成该多层面的DMD所用的步骤与形成单层DMD的初始的步骤相同。图3a显示了在保护性氧化物32顶部上最初所形成的间隔层34，该氧化物覆盖着电极层30。电极层30在基片10上。正如单层装置那样，在间隔层34中切出通道35。
然后，如图3b所示，金属薄膜24被镀在间隔材料上，并被镀在通道36中以形成支持墩28。完全如以前一样，该膜将形成装置的铰链和杠杆，但在此实施例中，它们将在装置的电活性层上，而反射器装置形成在它们以上的一层。在下一步骤中，镀上一层较厚的金属，将其形成图案并加以蚀刻以形成铰链和支持套36以及支架38，如图3c所示。
在图3d中，这个金属支架层被盖上一层间隔材料40。在支架38正上方在间隔材料中形成一个通道42。在图3e中，显示了在最后的金属层镀上后被形成图案并被蚀刻以形成反射器44，该反射器被悬挂在形成于通道46中的支持墩上。最后，间隔材料被蚀刻掉，留下了在基片和活动支架之间的间隙22a，以及在活动支架和反射器之间的间隙22b，如图3f所示。在此实施例中，铰链和杠杆金属膜24仍然弯曲，以允许支架在两个方向上都能偏转。当支架弯曲时，反射器如所希望的那样移动。然而，还是有永久弯曲或变形的问题产生。
以前对该问题的解决方法在于探索用于铰链和杠杆的金属膜的形成。反射器一般是某种类型的高反射率的铝合金。铰链和杠杆由搀杂或不搀杂的钛钨合金所形成。这些类型的合金的例子可在共有的US专利申请08/395562中发现。另外，在铰链的永久变形和弯曲是由微滑移所引起的这一理论的指导下，使用了如氮这样的杂质以增强合金，使之产生更好的滑移阻力。这些合金的例子可在共有的专利申请US-08/339363中发现。
非晶材料被定义为缺乏长距离的原子顺序或原子周期，如象玻璃所表现的那样。虽然它们能在相邻原子之间的短距离范围内有顺序，原子的有序度随距离而减小，所以对于最靠近的第三个原子的位置有很大的不确定性，对于最靠近的第四个原子的位置有更大的不确定性。非晶材料可以以各种方法表示其特征，这些方法包括X-线衍射、电子衍射及发射电子显微镜检查法(或TEM)。在以下的图中显示了非晶的渗氮铝酸钛膜以及多晶的X-线衍射光谱。非晶膜表现出单个的宽峰，而多晶膜显示一个在相同位置上的尖峰和多个另外的较小的次级峰或次级反射。非晶材料试样的X-线和电子衍射图形都是以一个或两个强度一致的散射环图案为突出特点，而晶体材料表现为单个的点状图案或在宽度上更窄的点环。TEM微观图象显示了一个有均匀的、不随偏斜而变化的对比度的层，并没有晶粒边界或错位的存在。
(此处插入附表)
原来认为通过加入氮杂质，一个晶体结构是理想的。然而，根据实验还发现了其它的结构具有超过原所期望的非-FCC多晶结构的几个优点。发现非晶和渗氮多晶的多成份合金，而不是铝或钛/钨更为优秀。
采用铝合金的活性渗氮产生了固溶体的、硬化颗粒分散的或非晶的合金。活性渗氮还可用来产生非铝材料的非晶合金，例如，在真空溅镀时采用硅-钛靶。这些合金的改进看来会产生更结实的小晶粒合金铰链，并且会比以前所使用的钛-钨-氮更容易被蚀刻。
采用Al-Si(％)-Ti(0.2％)和Al-Ti(0.5％)的铝合金真空溅镀靶，对于每一种靶将各种百分比的氮加入到用于真空溅镀金属膜的氩气中，便会产生一系列的渗氮合金膜。在这两种系统中，在氩真空溅镀气体中用大约10％的低氮百分比含量，多晶结构看起来象变形的Al。与无氮的Al膜大约1000-10000A的晶粒尺寸相比较，该膜的晶粒尺寸很小(约等于100-1000A)。
在高的含氮百分比的情况下，会发生进一步的变形直到Al的晶格结构不再占主要地位且观察到非晶金属。当真空溅镀气体中的氮含量达到非常高的50％时，可以看出膜是Al-N的多晶，正如光学透明而导致的着色所证实的那样。这些膜的晶粒尺寸的范围在100-200A之间。对于上述的Ti-Si(1％at)-Ti(0.2％at)(原子)的合金，从FCC晶格结构到非晶晶格结构的变化发生于氮在氩溅镀气体中的含量约为15％的时候，而对于Al-Ti(0.5％at)的合金，该变化发生于氮在氩溅镀气体中的含量约为20％-30％的时侯这。种转变似乎产生于后一合金中缺乏1％的硅。
采用Al-Si(1％at)-Ti(0.2％at)，以氮在溅镀气体氩中大约为10％的含量所镀的低氮合金产生可用的很少缺陷的DMD装置。在溅镀气体中氮含量为22％的一次尝试导致在退火工艺中晶须的产生。在退火温度为125-200℃时，为非晶的渗氮铝合金的退火会产生晶须，而不是非晶的合金却不是这样。
为了克服非晶合金中晶须的形成，改变用于溅镀的合金靶。采用一CeracRM Al-Ti(25％atTi)靶，并使氮在溅镀气体中的含量为10％到50％。这些渗氮合金为非晶，包括那些看上去显色并透光的高氮合金含量的非晶合金。没有观察到任何这样的非晶合金在200℃的24小时退火时形成了晶须。采用没有故意加入氮的这种靶，非晶合金膜也可由低温溅镀所产生。成份分析显示残余的氧和氮含量在大约1-3％。这些杂质产生于制造CerarTM靶时所采用的粉剂。
另外，由于不再有滑动面或滑动的错位，故通过将其制成非晶似乎可以改善这些膜的拉伸强度。在间隔材料上的Al合金的应力分布可以控制挠度，而该应力分布是随溅镀条件而改变的。溅镀在间隔材料上的金属膜中高的压缩应力会引起弯曲，而拉应力则会防止弯曲。通过制造非晶膜，拉伸强度得以增加。在氮含量为0-10％的氩气中溅镀的Al-Ti(25％atTi)合金，当被溅镀到光阻材料上时会有拉伸应力并且通常不会弯曲。图4中显示了金属膜中的应力作为溅镀气体的总压力的函数的曲线，其正值代表拉应力。由此可见，含氮0-10％的膜只有很小或没有压应力，从而导致了平的铰链。
TiAl3溅镀膜通常显示出由粉末制的靶所产生的残留氧和氮含量。这可通过采用熔铸的靶来减少这些残留。氮在膜中的浓度远比它在溅镀气体中的浓度高。例如，在氩气中10％的氮在活性溅镀膜中产生了超过18％的浓度的氮。确切地成份依赖于溅镀的参数和条件。
因此，理想的是采用含氮浓度在0.1-45％at的TiAl3(N)合金用于下列装置的机械构件，如数字微反射装置或其它的需要在静止和运动部件之间有弹性连结元件的装置。全渗氮的合金也有潜在的用处。
同样可以期望的是对铝氮合金中加入杂质，如硅、硼、锗、氧或共价键的碳。以便帮助非晶合金稳定在一个可能高的再结晶温度上。另外，其它的杂质可能也是需要的，如镍、锌、镁或钛，以便材料为多晶时形成金属间化合物来得以加强。这些化合物的例子是AlNy、(Al3Ti)Ny、(Al∶SiTi)N、(Al∶(Q，Z)Ny，其中Y可在0到1.0之间变化而Q和Z是以上列出的杂质。
另外，可以期望的是采用铝和氮(从0.0到50.0at％N)和一种或多种的杂质的非晶合金。这些非晶的合金没有周期的晶格，借助错位抵抗滑滑移，将产生更平的溅镀膜并且有各向同性的弹性。还有，这些合金可以由氮和任何除铝以外的杂质组成。其例子可以是TiN、SiN、(TiSi)N和(TiSi(1-X)Ny，其中X和Y可在0到1之间变化。例如，一种Ti∶Si：N大约为1∶2∶3的合金通过从一个纯的钛靶进行的活性溅镀被镀上，其中覆盖的Si盖住了大约50％的Ti靶表面，而在氩溅镀气中有10％的氮。
通过控制氮和钛的浓度，可以设定膜相对于多晶而变成非晶的百分比。采用一个Al-1/2％Ti的靶和溅镀气体氩，当氮从0到20％，以3KW的能量真空溅镀时该膜是多晶。氮在20％-30％之间时，膜变成了非晶。当氮的百分比浓度超过35％时，该膜变成了多晶。在使膜变成非晶这一点上，Ti的百分浓度好像成反比例地影响着膜转变成非晶时的氮的百分浓度。较高的钛的百分浓度导致膜转变成非晶时的氮的百分浓度较低。
然而，多晶材料似乎还是有用的。这种类型的合金的例子为Al+AlN以及AlN和Al(＜15at％N)。利用上述的杂质也可以形成多晶合金。对于微型机械装置中的弹性元件来说，在可用时用多晶膜，不如用非晶膜那样有益。非晶膜表现出较高的屈服强度，有各向同性的弹性，从而生成更平的溅镀膜。
这样，虽然在此描述了一个改进了的弹性微型机械元件的具体实施例，除了以下的权利要求所规定的范围之外，这种具体的说明书并不是想限制该发明的范围。
Claims (14)
1.一种改进的用于微型机械装置的弹性元件，它在该装置的一个部件运动时弯曲，其中的改进包括：
该元件由一种或多种导电的非晶合金所构成。
2.根据权利要求1的改进的弹性元件，其特征在于：所说合金包括一种或多种杂质。
3.根据权利要求2的改进的弹性元件，其特征在于：所说的杂质是从由硅、硼、锗、氧、碳、镍、锌、镁和钛所组成的组中选择出来的。
4.根据权利要求1的改进的弹性元件，其特征在于：所说合金具有的通式为AlNy、(Al3Ti)Ny、(Al∶(Si，Ti)可以N或(Al∶(Q，Z)Ny，其中Q和Z是另外的元素。
5.根据权利要求4的改进的弹性元件，其特征在于：Y在0.0和1.0之间变化。
6.根据权利要求5的改进的弹性元件，其特征在于：Q和Z可以是从由硅、硼、锗、氧、碳、镍、锌、镁、和钛所组成的组中选择出来的。
7.根据权利要求1的元件，其特征在于：所说的非晶合金是用TiAl3溅射靶所形成的。
8.根据权利要求1的元件，其特征在于：所说的非晶合金是用Al∶Ti溅射靶所形成的，其中Ti能从1at％到50at％变化。
9.根据权利要求8的元件，其特征在于：所说非晶合金通过有意地加入氮而形成。
10.根据权利要求1的元件，其特征在于：所说非晶合金由钛所形成。
11.根据权利要求10的元件，其特征在于：所说元件由Ti∶Si∶N所形成。
12.根据权利要求10的元件，其特征在于：所说元件也由至少一种附加的杂质所形成，该杂质是从由硅、硼、锗、氧、碳和氮所组成的组中选择出来的。
13.一个用于微型机械装置的改进的弹性元件，在所说的装置的一个部件运动时弯曲，其中的改进包括：
该元件由一个导电的多晶膜构成。
14.根据权利要求13的元件，其特征在于：所说多晶膜主要由Al和N组成。
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