TW472118B - Microelectromechanical valve having single crystalline components and associated fabrication method - Google Patents

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五、發明說明（1 發明範疇 本發月關1微型電氣機械裝置及相關製造方法，特別是 具有單-結晶化元件之微型電氣機械閥及相關製造方法。 發明背景 見今著眼：j、微型電氣機械結構（MEMS)及其他微型設計裝 所k (、（尺寸 '成本和可靠性等優點針對廣泛應用進行 開發。過去開發出微型電氣機械裝置之許多不同種類，其 中包括微型齒輪组、微型電動機、以及其他能夠運動或施 加：量之微型機械裝置。此等微型電氣機械裝置能應用於 4多万面’其中包括使用微型電氣機械栗或閥之水力學應 用，使用微型電氣機械光闕和快門之光學應用，以及使用 微型電氣機械繼電器之電氣應用。 微型電氣機械裝置依靠各種技術提供在此等微型結構内 產生期望運動所需的力。舉例來説，過去使用—致動器之 爻控熱膨脹或其他微型電氣機械元件引動微型電氣機械裝 置。例如參見美國專利第5,9〇9,〇78號及美國專利申請案第 08/936,598號和08/965,277號（皆讓渡予MCNC ,亦即本發明 之丈讓人）’以上專利提出具有熱促動微型致動器之微型電 氣機械裝置，各案之内容在此以提及方式併入。 種械型电氣機械裝置之熱促動微型致動器的實例包含 一或多個拱樑在一對相隔支撑件之間延伸。微型致動器之 熱促動使拱樑更爲彎拱造成可用機械力和位移。此等拱裸 通常以鎳利用高縱横比（aspect ratl0)微影技術構成縱橫比高 達5 : 1之拱樑。儘管利用高縱橫比微影技術成形，眞實的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 装---- 訂--------r線- 經濟部智慧財產局員工消費·合作社印製

五、發明說明（2 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 鎳拱樑具有相當適度的縱橫比，因此在某些情況下具有較 低面外勁度（0ut-0f_plane stiffness)且不如預期堅固。此外， 用於形成鎳拱樑之微影技術可能導致拱樑離得相當遠，從 而因限制相鄰换樑相互加熱之拱樑數量而增加要加熱拱揉 所需的電力。再者，完成的微型致動器可能因拱樑間距而 具有超乎預期之觸地面積（footprint)。因此，目前存在對具 有較高縱橫比之拱樑的需求以提高微型電氣機械裝置之微 型致動器的面外勁度和堅固度。此外，期望微型致動器具 有較爲緊密間隔之拱樑以進行更有效率的加熱和縮小尺寸。 鎳微型致動器通常爲間接加熱，例如經由配置在致動器 下万相鄰之一多晶矽加熱器加熱，因爲鎳之電阻低使得鎳 結構之直接加熱（例如以一電流通過）的效率低。然而，微型 電氣機械裝置之微型致動$的間接加熱會因微型致動器與 加熱器間之必要間隔使加熱器產生的熱有一些損失於環境 中，使得並非所有熱傳導至微型致動器且導致低效率。 鎳並不具備促進拱樑膨脹之大熱膨脹係數。無論如何， 仍然必須供應大量能量以產生讓鎳拱樑因其密度達到期望 棋形所需之熱。因此，儘管具備鎳拱樑之微型致動器的微 型電氣機械裝置提供顯著超越習知致動技術之進步，仍期 :發展出具有能用更有效率之方式熱促動之微型致動器的 微型電氣機械裝置以限制必需輸入功率要求。 具有鎳拱樑致動器之熱促動微型電氣機械閥結構通常也 有鎳製閥片。由於對鎳可獲得之有限縱橫比使得結構物相 似地在面外勁度和堅固度受到限制，具有鎳閥片之微型電 - -------— II--^ imlll^< —-------r (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁)

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 内之開口的一個關閉位置與一開放位置之間移動。在 氣機械閥通常侷限於齡柄厭 w 術、較低壓成體系統以讓閥用可接受密封 電氣機械閥之容許壓力.，二：“助於提高-微型 种m始 午堡力通韦難以利用習知半導體處理技 t ~闕片.之微型電氣機械閥建構止動件。因此，尚 需要更堅固、具備加大面外 以藤田甸外，力度〈閥片的微型電氣機械閥 乂應輪_體系、统。此外，期望 ，促進闕構造中之面外止動件的形成’其中：;= 件有助於閥片的安定性和密封能力。 發明概述 B以上及其他需求由本發明解決，在本發明之—實施例中 ，出2微型電氣機械（MEMS)閥包含—微電子基體定義至 =、-穿透開口 ’―熱促動微型致動器配置於該基體上且由 單:結晶化材料（例如石夕）構成，及至少一間片由單一結晶化 =料構成且有至少—閥座。該閥片可操作地與該微型致動 器接合且適於使閥座在相對於該微電子基體内之相應開口 的一個脱離開放位置與一接合關閉位置之間移動。更明確 也説肩微型致動益之熱促動使該閥座因該閥片與微型致 動器間义可操作接觸而與該基體内之開口接合且/或脱離。 該微型致動态較佳包含一對相隔支撑件配置於該基體上 以及至少一拱樑在該對支撑件間延伸。該微型致動器亦可 包括一致動件可操作地與該至少一拱樑耦接且自此向外延 伸。该微型致動器更包括加熱機構甩來加熱該至少—拱樑 使其更爲彎拱’從而使該致動件將該閥片在相關於該基體 關 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） 裒--------訂---------r線， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 472118 A7 B7 五、發明說明（4 閉位置，該閥片定位爲以該閥座與該微電子基體内之開口 相鄰使該閥座接合並密封該開口。在一開放位置，該閥座 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 至少局邶脱離該開口使該開口未密封。因此，本發明之微 型電氣機械閥可以一常態關閉構造或一常態開放構造提供 。此外，該微型電氣機械閥可包含至少—機械止動件配置 爲與孩閥片相鄰以對閥片提供相對於該基體之面外約束且 促進其對準。此外，該微型電氣機械閥亦可包含至少一閂 鎖配置於該基體上且能在該閥片因該微型致動器之熱促動 而有一預定位移之後與該閥片交互作用，從而將該閥片約 束在與孩開口相關之一預定位置内而不需要該微型致動器 連績促動。在某些實施例中，該閂鎖舉例來説可爲熱促動 型或靜電促動型。 ，如下文所將詳述，微型致動器之每一拱棣由一半導體材 料構成且具有與各支撑件鄰近之相向末稍部分及在該二末 稍p刀間延伸之一中間邵分。依據一較佳實施例，在拱樑 义末稍部分上配置一金屬層，留下拱樑之中間部分大致没 有五屬。因此，在該等支撑件間通過之—電流優先加熱拱 樑之中間部分且使其更爲彎拱。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 泰本％明之另一觀點包含一種具有單一結晶化元件之微型 、氧機械閥的相關製造方法。依據一較佳實施例，起始形 成—微電予基體定義至少一穿透開口包含閥門口。然後在 =—單一結晶化材料構成之第一晶圓黏附於一基體表面之 ';忒第—晶圓上形成至少一閥座（使用相同之單一結晶化 材料或另一適當材料）使該閥座與基體相鄰。在此之後，將

χ 297公釐） 472118 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5 ) 該第：晶圓拋光成—期望厚度。然後形成至少—機械止動 件與孩閥片相鄰以對閥片提供一相對於該基體之面外約束 且促：其對準。然後由該第—晶圓形成至少—熱促動微型 致動器及至少一閥片使該微型致動器與閥片之部分可相對 於孩微電子基體運動且使該微型致動器可操作地與該閥片 接合。在某些實施例中，該微型致動器及閥片可能至少局 邵在孩第-晶圓黏附於該基體之前自該第—晶圓形成。因 此，微型致動器之熱促動導致該微型致動器將該閥片（及閥 座）在相關於由該微電子基體定義之開口的—個關閉位置與 一開放位置之間移動以藉此形成閥件。此外，亦可在該基 體上形成至少一閂鎖能在該閥片因該微型致動器之熱促動 而有一預定位移之後與該闕片交互作用，從而可將該闕片 約束在與該開口相關之一預定位置内。 因此，能依據本發明形成一種微型電氣機械閥，其包括 以單曰Θ矽構成之拱樑和閥片。由單晶矽製造拱樑和閥片讓 此等元件能以達到至少10: i之縱橫比形成，特別是利用一 深度反應離子蝕刻法。拱樑和閥片之較大縱橫比提高其面 外勁度且構成一具有較大強度和勁度之較堅固裝置。舉例 來説，一較大縱橫比閥片可依此容許一微型電氣機械閥在 一較南壓流體系統内運作。本發明之製造技術亦許可拱樑 和其他兀件較爲緊密地相隔。相鄰矽拱樑間之較小間距舉 例來説使熱在相鄰拱樑間較有效率地傳導。此外，能對單 晶矽微型致動器直接加熱，例如以一電流通過。如下文所 將詳述，直接加熱微型致動器整體上比間接加熱更有效率 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1------------ ^--------訂--------- 線"· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 472118 A7 B7

。再者，儘管矽的熱膨脹係數 比鎳鬆散，因此就—給定功率而^(例如鎳)小，但彻 -相對應鎳拱樑接受加教 二矽拱樑整體上能^ 發昍+淋刑兩尸μ …、更久且因而更爲彎拱。因此，本 ，二;=大面外勁度，爲堅固 電氣機械致動器更有屬化㈣之微型 圖式簡單説明 所附圖=二發明 <邵分優點，其他優點會由以下參照 二：比例物之詳細説明闊明，圖式中： 面^本發明實施例之代表性㈣電氣機械闕的平 - H明2Jr沿圖1中線2-2取得之橫剖面圖，圖切出依據 順序只施例在—微型電氣機械闕之製程中進行的作業 圖3A-3D爲沿圖i中線3_3取得之橫剖面圖，+ 圖中緣出依據 順^發明f施例在—微型電氣機械閥之製程中進行的作業 圖4A-4C爲依據本發明另一實施例之平面圖及橫剖面圖， 圖中' 3出微型電氣機械閥在微型電氣機械致動器上使 一防護罩；. 圖5爲依據本發明另一實施例之微型電氣機械致動器的平 面圖； 圖6爲依據本發明之一較佳實施例之微型電氣機械闕的平 面圖，其中包括—熱閂鎖。 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 Μ 訂----------線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五·、發明說明（ 發明詳細説明 以下參照顯示本發明較佳實施例之所 〜 說明本發明。然而本發明 -式更n細地 釋肖μ μ、y 心*同^實施且不應解 %局侷限杜本鱿明書所提出之實 ^ ^ A, m 1 ]，尽軋明書所提出之 A施例係用於使本説明書透徹 4 —人播、古士， 且會對習於此技藝 者元全傳達本發明之範圍。所有 元件。 目同數字代表相同 圖工顯示一微型電氣機械裝置之實施例，更明確地説爲一 包括本發明特徵之閥，其整體以數字1〇代表。整體來説， ㈣包含至少-微型致動器2〇及至少—閥片3〇，該至少一 闕片用來與由-相鄰微電子基體⑽義之相應閥門口轉 合。雖然微電子基體50得由許多材料構成，基體5〇較佳包 含-微電子材料（例如單一）之晶圓。雖然微型致動器2〇得 有各種形狀，—有利實施例之微型致動器20包括一對相隔 支撑件22固定於基㈣以及至少—個（更佳爲數個）拱揉抑 該對相隔支撑件22之間延伸。依據本發明.，支撑件22、拱 操24以及至少—閥片3_佳由單—結晶化材料（例如單晶石夕） 構成，且更佳爲由相同單晶矽晶圓形成爲—單元化結構。 依據本發明之一有利觀點，拱樑24由熱膨脹係數相當低 (2.5X10-V°'K，約爲鎳的五分之一）之單晶矽構成。然而令 人驚奇的是，與相同大小和形狀之鎳拱樑相比，將矽拱樑 加熱至相同溫度所需的能量通常較少。加熱矽拱樑所需能 量的減少有郅份肇因於矽的密度（2 33克/立方公分，僅約爲 鎳的四分之一）。此外’能直接對梦梹樑加熱，因此比鎳拱 -10- 本紙張尺度過用节國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） ------I!--裝.------—訂------！r 線- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 472118 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（8 ) 栗通常所用之間接加熱提供更有效率的加熱。 夕毛、权24的另一個優點爲並不需要—高縱橫比微影技術 (其目前將鎳拱樑之縱橫比限制在5 : υ。代之爲使用—深度 反應離子㈣法製造#拱樑，其中⑽刻法能常規地產生 1的..從橫比。矽拱樑之咼縱橫比提高拱樑的面外勁度並 構成更Α堅固（裝置，例如能在較高壓力運作之閥。此外 ’深度反應離子㈣法許可拱樑比鎳拱樑更爲接近，從而 因提升相㈣拱樑間之熱傳導使微型致動器20的能量效率 提高。舉例來説，本發明微型電氣機械閥1()之縱橫幻〇: ι 石夕拱樑的樑心距得爲10微米且相鄰拱操間的間隙爲5微米。 基於上述理由，具有矽拱樑之微型致動器遠比習知具有鎳 拱樑之微型致動器更有效率地加熱，因爲矽拱樑可放置爲 與相鄰拱樑較爲接近。舉例來説，在一實施例中，藉由一 1 〇 : 1縱橫比料樑構造從棣,d 2 2微米且相鄰拱樑間隙i 2 微米縮減爲樑心距i 〇微米且相鄰拱樑間隙5微米得到加熱矽 拱樑所需能量減少40%的成果。 微型致動器20亦包括加熱拱樑24之機構。在—本發明實 施例中’微型致動态20由直接加熱拱樑24而熱促動。舉例 來説，可在配置於相隔支撑件22上之電極之間施加一電位 差使一電流通過拱樑24。拱樑24的電阻率導致拱樑μ内因 電流而生熱，從而提供所需熱促動。另一種選擇，拱樑Μ 得經間接加熱產生微型致動器2〇之熱促動，例如以拱樑Μ 周遭之環境溫度變化或由與拱樑相鄰之一外部多晶矽加熱 器間接加熱。如圖1所示，拱樑24以一方向彎拱，此方向較 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） . ^---------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 似118 A7 B7 五、發明說明（9 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 社 印 製 佳以微型致動器20之期望或預定運動方向平行於基體別延 伸。因此，加熱接樑24使其更以預定方向彎#，從而造成 可用位移和機械力。 微土政動命20亦可包括一長向延伸致動件％與拱樑μ耦 接且自拱揉向外延伸。因此致動件26作爲以機械方式麵接 在相隔支撑件22間之複數個拱樑24的輕接器，如圖】所示。 因此、，拱樑24在預定方向内之進_步彎接使致動件^以相 间預足万向移動。藉由以機械方式概接複數個棋操2植致 動件26,完成的微型致動件2〇提供比單一拱揉更太幅的受 控位移和力。 如圖蟖示，本發明之至少—微型致動器2()較佳 至少-閥片30可操作地與至少—微型致動器扣接合（例如透 過致動件26)且由該微型致動器促動。又如圖所示，至心― 微型致動器20例如包括二個微型致動器28和29 : 致咖配置於闕片3。之—側且以一預定方向伸離闕心 於拉動.構造），而另一微型致動器29配置於間片％之 相反侧且以相同預定方向朝閥片3〇延伸（處於―"推動 。㈣致動器28和29藉此合作控制闕片30之位移。雖：） 片30侍以不同万式、構造和形狀構成，圖示實施例 3〇包括臂件他垂直伸離致動件_應且適於覆蓋= 闕門口 4〇。儘管支撑件22係固定於基體5〇,間片 年 動件26及拱樑24—體成形且能㈣於基㈣運動。因^ 閥片由單—結晶化材料（例如單晶#)構成。 在作業時’微型_器28和29之歧動使致動件％以預 閥 片 致

II Μ .—-----訂----------線‘ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ______ - 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規;^ (21〇 x 297公楚ϋ~~ 472118 A7 五、發明說明（10 定=向（拱樑24之-棋方向）移動，從而亦移動閥片3〇。因此 ”尤—常態開放閥10而t ’在微型致動器28和29處於—未 促動或環境狀態之前提下，閥片3〇可與微電子基體5〇内之 相應間門口 40有.所間隔或不完全覆蓋相應閥門口。炊而， 在微型致動器28和29熱促動（例如直接加熱拱樑Μ)之後，闕 片30較佳受推與微電子基體5〇内之相應閥接合。爲 了由㈣正確密封，㈣3ϋ_ησ4{)相鄰之表面較佳包 括闕厓（未示於圖υ以在閥片3〇安置於閥門口4〇上時密封闕 門口。因此，本實施例之微型電氣機械裝置可藉由可控制 地開放及關閉穿透微電子基體5〇之閥門口 4〇而作爲一闕1〇 ’其中孩微電子基體構成閥1(3之體部。藉由適切地將閥1〇 連接於—液力系統内，能藉由選擇性熱促動微型致動器28 泮29而“制系統内之液流。此外，一依據本發明之閥1 〇可 形成爲數種不同構造，例如一常態開放閥 ' —常態關閉閥 、或是部份閥門口40可藉由熱促動微型致動器28和29而開 放且同時其他閥門口 40爲關閉之組合式構造。就一常態關 閉閥而言，處於一環境狀態之閥的前提爲閥片3〇與閥門口 40接合密封。在微型致動器28和29熱促動之後，該閥進入 一促動狀態，其中拱樑24彎拱且移動閥片3〇使臂件3〇&脱離 閥門口 40，從而開放閥門口 4〇。 如下文所將説明，微型致動器28和29及閥片3〇通常形成 於一基體50上，該基體可由許多材料構成，例如矽、破璃 或石英。儘管對本發明之施行而言並非必要，微型致動器 28和29及閥片30較佳由以一晶圓形式供應之單一結晶化材 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） (請先閲讀背面之涑意事項再填寫本頁〕 裝.--- 訂-----.—-線_ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 472118 A7 五、發明說明（11 料（例如碎）形成爲—單元化結構。微型致動器^和29及閥片 30通吊以沈積在基體5Q上之—氧化物層及/或其他中間層（圖 中未丁）”基5G 開。該中間氧化物層通常經選擇性去除 使其局部留下，.例如留在支撑件22下方，但可能不在料^ 24或致動件26或閥片町方以促進該等元件相對於基體50 之運動。 在有一（或多個）分隔層配置於基體5〇與微型致動器抑 29/閥片则之結構的前提y，可能因支撑件㈣基體㈣ 此等中間層隔開而在閥片30與閥門口4〇之間存在—間隙。 因此，閥1〇必須設計爲使閥片3〇能夠與閥門口 40密封接合 。舉例來説，在基體50之表面上可能需要環繞間門口 附加表面特徵以提供閥門口4〇與閥片3〇間之正確安裝。又 ，依據本發明之-特別有利實施例，闕片3Q與基體5〇相鄰 (側可有至少-閥座（圖中未示）形成於其上以提供閥片獅 基體版間對闕門口 40的有效密封。該闕座舉例來説可由 線 與閥片3〇相同之單一結晶化材料構成或例如以氮切或多 晶碎形成爲一獨立結構。 濟 部 智 慧 員 工 消 費 由於依據本發明之微型電氣機械閥1 〇的閥片3 〇必須可相 對於基體50運動，其與基體5〇間之僅有連接舉例來説爲將 拱操24固定於基體50之相隔支撑件22。因此，微型致動器 28和29及閥片3〇之此項整體結構特性通常會限制微型電= 機械闕1〇的作業壓力。然而’例如可經由使用以深度反應 離子钱刻法形成之單晶碎元件獲得的較高縱橫比結構增強 此等元件之面外勁度且容許微型電氣機械闕1〇於較高壓力 本紙^尺度適用中國國家標準（CNS)A4 ϋ(21〇 X 297 4髮) -14 472118 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（12 ) 作業。此外，依據一本發明較佳實施例之微型電氣機械閥 10更可包括-系列面外機械止動件45配置爲與閥片3〇相鄭 且可操作地與基㈣連接。較佳來説，止動件45設計爲有 一凸出部分覆蓋.至少局部閥片以約束闕片30相料基體5〇 之面外撓曲並促進閥片對準。是以止動件45更可提高微型 電氣機械閥10之作業壓力限制。 依據本發明，可使用數種相關方法製造具有單一結晶化 元件之微型電氣機械裝置（例如閥10)。如圖2A所示且依據 一有利万法，首先製造一微電子基體5〇，該基體具備至少 一濕蝕刻或乾蝕刻渠溝52爲微型致動器2〇之拱樑Μ做隔熱 且具備至少一部份閥門口 42。然後基體5〇做氧化處理使— 絕緣氧化物層54形成於其上，如圖2β所示。再來如圖2匸所 不，選擇性去除氧化物層54 (例如以濕蝕刻方式去除)且進 一步蝕刻基體50以形成閥門口 4〇。 如圖2D所示，然後使一由單一結晶化材料（例如矽）構成 ;第一晶圓31形成圖案以定羲至少一閥座36與微電子基體 50内之閥門口 40相對應。此時亦可使第一晶圓3丨形成圖案 且至少局部蝕刻以定義至少—微型致動器2〇及閥片結構 ’不過最終微型致動器20及閥片30結構通常是在第一晶圓 31黏附於基體50之後形成。此外，亦可在此時對第一晶圓 3 1做選擇性摻雜以產生期望導電率特性，例如約爲拱樑24 。—旦製備好微電子基體50和第一晶圓3 1，將此二晶圓黏 合在—起（例如以熔融膠合方式黏合），如圖2Ε所示。此二 晶圓黏合在一起使得至少—閥片3〇在常態開放條件或常態 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） ------------..裝--------訂--------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 472118 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（13 ) 關閉條件下（視需要而定）皆能夠經由閥座36與閥門口 4〇接合 。在此黏合程序之後，第一晶圓31通常抛光至—期望厚度 ，如圖2 F所示。 如圖2G所示第一晶圓31可在其内形成對應於止動件45 位置之孔45a之後經氧化處理於其上形成—氧化層38。止動 件45之孔45a的形成以及後續氧化處理程序特別顯示於圖3 a 中，因爲止動件45通常垂直於圖2(}所示橫剖面配置。接下 來，如圖3B所示，、經由蚀刻去除部份氧化物層咖形成止 動件45之錨定點47。然後在氧化物層38上沈積—多晶矽層 49 (舉例來説），如圖2;«和3(：所示，然後以此形成止動件仏 。圖21和3D進一步顯示在多晶矽層49沈積之後，使多晶矽 層49形成圖案並蝕刻以在氧化物層38經濕蝕刻去除之前形 成止動件45。因此止動件45在錨定點叼固定於第一晶圓门 且延伸至隨後經處理形成閥片30之第—晶圓31部分=邊緣 。然後如HI2T所示，可藉由自單晶碎第—晶圓3ι钱刻出各 元件（例如支撑件22、拱樑24、致動件26、臂件3〇& )而構成 微型致動器28和29及閥片30。如圖所示，微型電氣機械闕 10更可包括在至少—微型致動器2〇和至少i片3〇形成之 前或之後經金屬化和蝕刻處理構成之金屬墊39，其中金屬 墊39促成與微型致動器28和29之電接觸。在某些實施例中 ，金屬墊39可促成閥片3〇之靜電夾持作用作爲將閥片川約 束在相對於閥門口 40之一預定位置的方法。 更詳細地説，可藉由開始時在單晶石夕第—晶圓3玉上沈積 一遮罩層而由該單晶矽晶圓構成至少一微型致動器2〇和至 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐)~" --- ------------- ^----------------r線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 472118 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（14 ) 少一閥片3〇。習於此技藝者會了解到當本説明書提及—層 或元件在另一層或元件"上，，（"〇n" an〇ther layer 〇r element) ，前者可爲直接形成於後者上在後者之頂面、底面或侧表 面區域，或可在各層之間提供—或多個中介層。該遮罩層 通苇爲一光阻或光敏聚合物。該遮軍層_旦沈積於晶圓3 1 上就使其形成圖案讓留在晶圓3丨上之光阻定義微型致動件 28和29 (母Μ型致動！§大致包含一對相隔支撑件22、至少 一拱樑24及一致動件26)及閥片3〇。一旦光阻形成圖案，蝕 刻晶圓31以形成微型致動器28和29及閥片3〇結構。較佳來 説，晶圓31由能夠使晶圓3丨形成縱橫比達1〇 :丨級之薄矽結 構的深度反應離子蝕刻法蝕刻。矽拱樑24和閥片3〇之高縱 検比提向此等結構之面外勁度並構成更爲堅固之裝置。此 外本嗇明之製造技術容許特徵及/或元件更爲相近。舉例 來説丄相鄰矽拱樑Μ間之較小間距因相鄰拱樑以間之傳熱 率提高而提高拱樑24之加熱效率。一旦晶圓叫刻完畢’，' 即去除光阻。此時更可摻雜第―晶圓31 (選擇性摻雜或總體 摻#)。舉例來説，利用選擇性掺雜使導電區與不導電區隔 開。更明確地説’可利用選擇性摻雜構成交替之加敎和不 加熱拱樑24或拱樑部份(舉例來説)。藉由接雜交替拱樑24以 抑制其導電率，僅有交替之拱操24由直接加熱機構加 …促動’例如以-電流通過。不導電且不加熱换㈣隨後 可由其相都熱拱樑24產生之熱的環境溫度促動。因此，可 因較J拱杧24需要用電流加熱提供所需促動程度而在效 万面獲得額外好處且降低耗能。 Μ--------^——---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中賴家標準（CNS)A4規格（210 X 2Θ7公爱） 4，?2118 A7 B7 五、發明說明（15 ) 如圖4A-4C所示，且依據本發明之一有利實施例，可提出 種械型電氣機械閥410 (其爲另一型.構造，具備一個微型 致動杂420及—個閥片430)有一第二晶圓460與其黏合。第 —曰9圓4601明顯特徵舉例來説可包括一適當蚀刻空腔 配置於微型致動器.420上方以形成一防護罩。如圖4B所示， 空腔462會在致動器420上方延伸，覆蓋拱樑424及局部致動 件426。又如圖4C所示，第二晶圓46〇更可在空腔462之末端 包括一適當姓刻管道464使第二晶圓460與微型致動器420之 致動件426有所間隔以容許該致動件運動作業。圖4B亦顯示 第一晶圓460更可設計爲提供通路（vias) 466 (適當地取間隔 以對應閥410之閥部分）以對閥41 〇控制之流體提供適當導管 。然後將第二晶圓460黏附於第—晶圓43 i (例如以熔融膠合 或陽極膠合方式黏合）以許可閥41〇如本文所述運作。由於 黏合於第一晶圓43 1 ,第二晶圓460亦可作爲微型致動器420 之一面外機械止動件。 本説明書所述之本發明另一觀點包括用於定義有關微型 電氣機械閥10之X聯接觸墊的金屬化步驟。如圖5所示，亦 可利用金屬化方式更爲明確定義並控制拱樑24之加熱特性 。一典型拱樑24係由一半導體材料構成且包含末稍端23 (每 一末稍端配置爲與相應支撐件22相鄰）及一中間部分25在末 稍端23之間延伸。因此，一金屬化層或軌線7〇蒸鍍於支撑 件2 2上作爲可操作地連接於其間之一電流源（圖中未示）的接 觸墊。在支撑件22之間以及跨拱樑24施加一電流會因拱樑 24的電阻率而在内邵產生熱促動拱樑24所需的熱。蒸鍍通 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂-----.—-線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 472118 A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（16 ) 常涉及在期望表面上沈積一金屬，例如鎳、銅或金。然後 例如以濕蝕刻方式去除部份金屬以在微型致動器2〇結構上 形成期望金屬構造。另一種選擇，可使用剝離法（lift_〇ff process)建構蒸鍍金屬，其中可將一光阻施加於微型致動器 20結構並形成圖案使光阻留在微型致動器2〇上不要金屬的 4伤上。在金屬态鍍程序之後去除光阻，如此亦去除不要 的金屬而在微型致動器20結構上留下期望金屬構造。 令人驚奇的是，經發現蒸鍍金屬層70從支撑件Μ延伸至 棋樑24之末稍邵分23使拱樑24之加熱區集中在中間部分25 。延伸至拱樑24末稍部分23上之金屬化軌線72提供一低電 阻路徑讓電流通過。然後電流在軌線72末端受迫流經矽拱 樑24之較尚電阻中間部分25。因此，拱樑24之中間部分25 因電流而經歷超過末稍部分23之加熱效果，如此在拱樑24 之中間邯分25達到較大熱促動作用使微型致動器2〇產生期 望位移。減少拱樑24之加熱區更可對加熱拱樑24以達所需 位移所需之能量提供一相應減少量。 圖ό顯示本發明之另一有利實施例，其與圖1所示實施例 相似，但更包含至少—閂鎖680設計爲與可操作地連接閥片 63 0之至少一相應接合構件682交互作用。依據一本發明實 施例’微型電氣機械閥610可有一閂鎖680及配置於閥片630 任一側上之相應接合構件682。閂鎖680更可設計爲熱作用 。易言之’舉例來説，閂鎖680之每一側可包含兩條矽帶 684和686，其中有一矽帶比另一矽帶窄。施加一電流通過 問鎖6 8 0使得問鎖6 8 〇因珍帶 6 8 4和6 8 6之電阻而加熱。由於 -19 - -------- ------------ - - 訂·-------1 線， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐〉 472118 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（17 ) 較窄矽帶686通常因其截面積較小而具有一較大電阻，其會 比較寬矽帶684加熱更多。因此，如圖6所示，較窄矽帶686 會比較寬矽帶684膨脹較多且使閂鎖680之側面叉開。微型 致動器628和629隨後之促動導致閥片63〇 (及接合構件682) 朝閃鎖680移動。一旦接合構件682移動至一在相應閂鎖680 側面之間的位置’通過閂鎖680之電流會中斷，從而使閂鎖 680之側面冷卻並收斂回其原始構造而將相應接合構件682 困在其間。然後可停止促動閥610使閥片630藉由閂鎖680維 持在期望位置，從而使閥6 10留置在一"促動"位置而不用依 靠微型致動益628和629之一電氣致動來源。隨後藉由顚倒 前述步驟使閥610回復其"停止促動”位置。因此熱閂鎖68〇 藉由提供一閥可維持於一促動位置而不需要對微型致動器 628或629或熱閂鎖680供應一連續能量輸入使其有助於爲— 微型電氣機械閥6 1 0做額外節能。 因此，能依據本發明製造一種微型電氣機械裝置（例如閥 1 〇)，其包括由單晶硬形成爲一單元化結構之棋樑和至少 一閥片3 0。以單晶矽製造拱樑24和閥片3 〇使接樑24和閥片 30能精確成形。更明確地説，拱樑24和閥片3〇可形成爲縱 橫比達到至少10 : 1 ,特別是利用一深度反應離子蝕刻法。 該等元件之較高縱橫比提高其面外勁度且構成一更1爲堅固 的裝置。本發明之製造技術亦許可閥10之元件更爲相近。 舉例來説，相鄰矽拱樑24間之較小間距使相鄰拱樑24間之 傳熱更爲有效。此外，單晶矽微型致動器2〇能夠直接加熱 (例如以一電流通過），.此通常比間接加熱更有效率。再者， -20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------M.--------訂--------:線* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

五、發明說明（18 因此就一给定功率 矽拱樑整體上能比一相對應 :…恥脹係數比金屬(例如鎳)小，但矽明顧比鎳鬆散 鎳拱樑受埶更多。罗可.茲上 /''' 更了措由在矽拱樑上擴展金屬化軌線以 : 制爾之熱促動部分的尺寸而增強加熱效果 =熱叫更可提高微型電氣機械闕之效率，因爲如此 σ竭片維持在（動位置而不需要對任—微型致動器或 =供連續能量輸人。因此，本發明之微型電氣機械 具有較大面外勁度’能更爲堅固，且能比習知且有金 屬化拱樑之微型電氣機械裝置更可控制且有效率地加熱及 促動。 對習於此技藝者而言會知曉許多從屬於本發明之許多修 ，型及本發明（其他實施例具有前述説明及相關圖式中所 呈現之優點。因此，應了解到本發明不偈限於本說明書所 揭示之特定實施例且各種修改及其他實施例皆涵蓋於附屬 申请專利$ϋΐ項之範圍以内^雖^本説明書中使用特定字 '司，其僅以一般説明性方式使用且不具限制意義。 丨— — ----丨1丨^1--ί —丨訂·丨丨！ ！ 1線， (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 472118 六、申請專利範圍 .一種微型電氣機械閥，其包含： 极私子基體，其定義至少一穿透開口； —熱促動微型致動器，其配置於該基體上且由—單一 結晶化材料構成；及 至>一閥片，其由—單—結晶化材料構成且具有至少 一閥座，該至少一閥片可操作地與該微型致動器接合且 L γ在4；彳政型致動器熱促動之後使該至少一閥座在相對 於孩至少一開口之一脱離開放位置與—接合關閉位置間 移動。 2’如申请專利範圍第丨項之微型電氣機械閥，其中該微型致 動器更包含： 相隔夫撑件，其配置於該基體上；及 至少一拱樑，其在該等相隔支撑件之間延伸且可操作 地與該至少一閥片接合。 3. 如申請專利範圍第2項之微型電氣機械閥，其中該微型致 動备更包含加熱機構用來加熱該至少—拱樑使其更爲彎-拱，使知该閥座在一第一位置與—第二位置間移動，其 中該第一位置爲該閥座與該至少—開口接合且關閉該閥 ，該第二位置爲該閥座脱離該至少—開口且開放該閥。 4. 如申請專利範圍第2項之微型電氣機械閥，其中該微型致 動器更包含一致動件將複數個拱樑耦接在一起。 5·如申請專利範圍第1項之微型電氣機械閥，其中該閥片處 於一相對於忒開口爲常態關閉之位置使得該微型致動器 之熱促動移動该.閥片且導致該閥座脱離並開放該開口。 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 ϋ) ^ -----^-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員Μ消費合作社印製 4，^u8

   '申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如申請專利範圍第丨項之微型電氣機械閥，其中該閥片處 於—相對於該開π爲常態開放之位置使得該微型致動器 7 ^熱促動移動該閥片且導致該閥座接合並關閉該開口。 .::請專利範圍第丨項之微型電氣機械閥，其中該微型致 動态由其内部加熱作用熱促動。 g 如申凊專利範圍第1項之微型電氣機械閥 動器由其外部加熱作用熱促動。 如申请專利範圍第1項之微型電氣機械閥 動器由單晶矽構成。 〇.如申請專利範圍第1項之微型電氣機械閥 闕片由單晶矽構成。 1 ’如申请專利範圍第1項之微型電氣機械閥 —機械止動件配置爲與該閥片相鄰以對該閥片提供相對 於。亥基體之—面外約束。 12. 如申請專利範圍第i項之微型電氣機械閥，其中該至少一 閥座由單晶矽、氮化矽及多晶矽中至少一者構成。 13. =申請專利範圍第i項之微型電氣機械闕，其更包含至少 —問鎖配置於該基體上且能在該閥片因該微型致動哭之 熱促動而有一預定位移之後與該閥片交互作用，從而可 將該閥片約束在與該開口相關之—預定位置内。 如申請專利範圍第13項之微型電氣機械闕，其中該問鎖 爲一熱促動閂鎖及一靜電促動閂鎖中至少一者。 15. —種製造微型電氣機械閥之方法，其包含： 提供一微電子基體，其定義至少—穿透開口； 9 其中該微型致 其中該微型致 其中該至少 其更包含至少 ----I — ------I ^ ----ml ^<ln---- ·.線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 23 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐 472118 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 將由一單一晶體化材料構成之一第一晶圓黏合於該微 電子基體上，·及 以該由單—晶體化材料構成之第一晶圓形成一熱促動 微型致動器及至少一閥片，使該微型致動器適於可操作 地接合孩閥片且使該微型致動器及閥片之局部可相對於 菽微電子基體運動，該閥片更具有至少一閥座可回應該 微型致動器之熱促動在相對於該微電子基體所定義之至 少一開口的一個脱離開放位置與一個接合關閉位置間運 動。 16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該提供—微電子基 體步驟更包含以下步驟：在該微電子基體上沈積一光阻 層；使該光阻層'形成圖案以對該微電子基體打開至少一 έ 口相S於至少一閥門口；及局部蚀刻由該光阻層定義 於戎微電子基體内之窗口以藉此局部形成該閥開口。 17. 如申請專利範圍第16項之方法，其更在局部蝕刻該微電 子基體之後包括對該微電子基體氧化處理以在其上形成' —熱氧化物層之步驟。 18. 如申請專利範園第17項之方法，其更包括在該局部成形 閥門口附近蝕刻該熱氧化物層及微電子基體以完成該閥 門口之成形的步驟。 1 9.如申請專利範圍第15項之方法，其更在該黏合步驟之前 包括在該第一晶圓上形成至少一閥座之步驟。 20.如申請專利範圍第15項之方法，其更在該黏合步驟之前 包括在該第一晶圓上至少局部形成—微型致動器及至少 •24· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------- --- 裝-----丨丨丨訂-----丨— — -Ϊ 1 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 472118 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 、申睛專利範圍 —閥片之步驟。 21.如申請專利範圍第19項之方法，其中該黏合步驟更包含 .以熔融膠合方式黏合該第—晶圓與該微電子基體使該至 少一閥座與該微電子基體相鄰。 22·如申請專利範圍第15項之方法，其更在黏合步驟之後包 括將該第一晶圓拋光至一期望厚度之步驟。 23.如申請專利範園第15項之方法，其更在該黏合步驟之後 包括形成至少一機械止動件配置爲與該閥片相鄰以對該 閥片提供一相對於該基體之面外約束。 4.如申叫專利範圍第1 5項之方法，其中該形成一熱促動微 型致動态及一閥片之步驟更包含以下步驟·在該第一晶 圓上沈積一光阻層；使該光阻層形成圖案使得留下的光 阻定義該微型致動器及可操作地接合之至少一閥片；及 蝕刻該第一晶圓以形成該微型致動器及該至少一閥片。 乃·如申請專利範圍第15項之方法，其更在該黏合步驟之後 包括從孩第一晶圓形成至少—閂鎖之步驟，該閂鎖爲一. 熱促動閂鎖及一靜電促動閂鎖中至少一者且能夠在該閥 片因该微型致動器之熱促動而有一預定位移之後與該閥 片父互作用，從而將該閥片約束在與該開口相關之一預 定位置内。 A 26. 如申請專利範圍第15項之方法，其更包括以下步驟：從 一第二晶圓形成一防護罩使該防護罩適於罩住並保護該 微型致動器同時爲該微型致動器提供一面外機械止動件。 27. 如申請專利範圍第26項之方法，其更在該微型致動器形 I n n H ·ϋ ϋ a— 1· t·· ^1- I n n n I n n 訂---------線* rif先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -25- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 472118 A8 B8 C8 ____ D8 六、申請專利範圍 成步驟之後包括將該第二晶圓黏附於該第一晶圓上以至 少局部覆蓋該微型致動器之步驟。 28. 如申請專利範圍第丨5項之方法，其更在該微型致動器形 成步驟之前包括摻雜該第一晶圓以改變該微型致動器之 預定部分之導電率的步驟。 29. —種微型致動器，其包含： 一微電子基體； 相隔支撑件，其配置於該微電子基體上； 至少一拱樑，其由一半導體材料構成且在該等相隔支 撑件之間延伸，且具有與相應支撑件鄰近之相向末稍部 分及在該二末稍部分間延伸之一中間部分；及 一金屬層，其配置於該至少一棋樑之末稍部分上，其 中拱樑之中間部分大致沒有該金屬使得在該等支撑件間 通過之一電流優先加熱拱樑之中間部分且使其更爲彎棋。 3〇.如申請專利範圍第29項之微型致動器，其更包括—致動 件可操作地耦接該至少一拱樑且自拱樑向外延伸。 31. 如申請專利範圍第29項之微型致動器，其中該至少—棋 樑由單晶矽構成。 32. 如申請專利範圍第29項之微型致動器，其中該蒸鍍金屬 由鎳、金和鉑中至少一者構成。 _ _ -26- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------^--------^--------. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)