專利名稱：改進(jìn)的微型機(jī)械裝置的彈性元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微型機(jī)械裝置，更特別地涉及微型機(jī)械裝置的鉸鏈和杠桿元件。
微型機(jī)械裝置通常包括制造在基片上的帶有運(yùn)動(dòng)部件的微型化裝置。這樣的裝置的一個(gè)例子是數(shù)字微型反射器裝置，或DMD。另一個(gè)例子包括微型加速度計(jì)、微型馬達(dá)和傳動(dòng)裝置。某些這類結(jié)構(gòu)包括一個(gè)例如為鉸鏈或杠桿的支持元件，該微型機(jī)械的另一個(gè)元件被懸掛在該支持元件上。
被懸掛元件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)需要鉸鏈或杠桿有彈性且結(jié)實(shí)。還需有柔韌性，以便于被懸掛元件的運(yùn)動(dòng)。如果鉸鏈或杠桿不結(jié)實(shí)，它就會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向上永久地彎曲，或有塑性變形，從而改變其尺寸。
已有各種的理論來(lái)解釋這種現(xiàn)象，包括錯(cuò)位的微滑移、晶粒邊界的一邊比另一邊過度氧化，或甚至表面膜的產(chǎn)生等理論。
已有人建議采用鋁與氮或其它元素的合金以形成有序化合物的混合物。對(duì)于這種類型的化合物的一個(gè)例子，請(qǐng)參考共同受讓的專利申請(qǐng)08/339,363，其名為“具有改進(jìn)的杠桿的微型機(jī)械裝置”。這種工藝的目的是開發(fā)某些類型的金屬間的化合物，其滑移阻力比面心立方體(FCC)晶體結(jié)構(gòu)的大。然而，除了要考慮到制造缺陷如可在非晶形的A1-N合金中可觀察到的晶須和小丘之外，需要進(jìn)一步改善上述的問題。
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種改進(jìn)了的微型機(jī)械裝置的彈性元件。該裝置包括一個(gè)用該彈性元件連結(jié)的靜止元件和運(yùn)動(dòng)元件。該元件是通過采用滲氮鋁或非鋁合金以形成一個(gè)金屬膜來(lái)形成的，由該金屬膜也形成了彈性元件。該膜既可以是非晶形，也可以是多晶形。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種具有各向同性的彈性性能的彈性元件。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種高抗拉強(qiáng)度的彈性元件。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種平的鍍膜。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種彈性元件，該彈性元件由容易干蝕刻的元素所組成。
為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)請(qǐng)聯(lián)系以下附圖參考下面的詳細(xì)說明，其中

圖1顯示了一個(gè)微型機(jī)械裝置的平面視圖；圖2顯示的是采用鋁合金鉸鏈和杠桿的制造過程中該微型機(jī)械裝置大體沿圖1中的線2-2的側(cè)視圖；圖3a至3f顯示的是采用鋁合金鉸鏈和杠桿的制造過程中一種多層微型機(jī)械裝置的側(cè)視圖；圖4顯示的是從一種TiAl3靶用活性濺鍍獲得的鍍膜的應(yīng)力作為幾種不同氣體成份的總Ar-(N)壓力的函數(shù)的情況。
在圖1中顯示了一個(gè)微型機(jī)構(gòu)的空間光調(diào)制器的平面視圖。一組這樣的裝置被單片地制造在一塊基片10上。每一個(gè)象素12由一個(gè)可偏轉(zhuǎn)的物體組成，在此情況下該物體就是反射器14，該反射器通過鉸鏈20a和20b，被懸掛在兩個(gè)相對(duì)的角部上。鉸鏈20a和20b通常由一個(gè)金屬的“杠桿”連在一起，該杠桿在形成鉸鏈的同一金屬上形成圖案，而在金屬層上濺鍍反射金屬。在反射器以下的基片表面上是兩個(gè)沿線18a和18b尋址的尋址電極。反射器14是電導(dǎo)通的并保持在一定的偏壓。
當(dāng)偏壓加在電極18a或者18b上時(shí)，由于相吸的靜電力而使得反射器被吸向電極并向著該電極偏轉(zhuǎn)。鉸鏈20a和20b允許該偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因其彎曲和變形使反射器物體能夠運(yùn)動(dòng)。該反射器運(yùn)動(dòng)到它到達(dá)著陸電極16a和16b其中之一的擋塊為止。電極16a或16b與反射器保持的偏壓一致，以防止電流產(chǎn)生。
該微型機(jī)械的空間光調(diào)制器的例子是一個(gè)數(shù)字微型反射器裝置(DMD，以前稱之為可變形的反射裝置)。然而，反射器的鉸鏈和其它部件的允許自由運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力和參數(shù)特性也可應(yīng)用于所有類型的用彈性元件連結(jié)錨定在靜止元件上的移動(dòng)元件的微型機(jī)械裝置。
這些裝置產(chǎn)生于一種單片式制造工藝，該工藝已在US專利5,061,049及其所包括的參考文獻(xiàn)中有詳細(xì)的描述。為了討論的目的對(duì)該工藝加以簡(jiǎn)述。一個(gè)裝置的側(cè)視圖如圖2所示。
在其上建有一組裝置的基片10上必須首先以CMOS加工出尋址電路。然后將一個(gè)通常稱之為M3的金屬層噴膜到CMOS晶片上以形成電極。然后將一層光阻材料編織上，以作為間隔材料，并在該材料中形成通道。一個(gè)厚度為500-700埃(A)的金屬薄膜24被鍍到該間隔材料上。然后該金屬薄膜被形成圖案并被蝕刻以形成鉸鏈和連結(jié)著每一個(gè)反射器的兩個(gè)鉸鏈的杠桿。然后將最后一層金屬層鍍上，該金屬層幾乎完全填充了間隔材料中的通道，以形成支持墩28。該層被形成圖案并被蝕刻以便使反射器在下面由一個(gè)連結(jié)鉸鏈的金屬杠桿所懸掛，而該鉸鏈又是與支持墩相連的。
為了使反射器能自由移動(dòng)，該間隔材料被蝕刻掉，一般是用等離子體進(jìn)行這種蝕刻的，以便留出一個(gè)空氣間隙22，使反射器懸吊于該間隙之上。整個(gè)裝置組都制造在該晶片上，從而產(chǎn)生了一組微型化的可移動(dòng)的反射器，用途之一是每一個(gè)反射器控制一個(gè)顯示或打印的圖像的象素。例如，為了形成一個(gè)圖像，可控制反射器使光線對(duì)著顯示表面或偏離該表面。每個(gè)反射器使多少光線對(duì)著該表面決定了該象素的亮度。通過以這種方式控制整個(gè)裝置組就形成了圖像。
然而，反射器的向著和偏離顯示表面的轉(zhuǎn)動(dòng)需要鉸鏈對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的尋址信號(hào)重復(fù)地彎曲。這會(huì)引起鉸鏈在一個(gè)方向上或另一個(gè)方向上的永久地彎曲或變形，由于無(wú)論對(duì)著或偏離屏幕反射器都會(huì)對(duì)著一小部分光線，從而導(dǎo)致了圖像質(zhì)量下降。
這個(gè)問題甚至存在于另外的結(jié)構(gòu)中，例如如圖3a-3f所示的多層面DMD裝置。形成該多層面的DMD所用的步驟與形成單層DMD的初始的步驟相同。圖3a顯示了在保護(hù)性氧化物32頂部上最初所形成的間隔層34，該氧化物覆蓋著電極層30。電極層30在基片10上。正如單層裝置那樣，在間隔層34中切出通道35。
然后，如圖3b所示，金屬薄膜24被鍍?cè)陂g隔材料上，并被鍍?cè)谕ǖ?6中以形成支持墩28。完全如以前一樣，該膜將形成裝置的鉸鏈和杠桿，但在此實(shí)施例中，它們將在裝置的電活性層上，而反射器裝置形成在它們以上的一層。在下一步驟中，鍍上一層較厚的金屬，將其形成圖案并加以蝕刻以形成鉸鏈和支持套36以及支架38，如圖3c所示。
在圖3d中，這個(gè)金屬支架層被蓋上一層間隔材料40。在支架38正上方在間隔材料中形成一個(gè)通道42。在圖3e中，顯示了在最后的金屬層鍍上后被形成圖案并被蝕刻以形成反射器44，該反射器被懸掛在形成于通道46中的支持墩上。最后，間隔材料被蝕刻掉，留下了在基片和活動(dòng)支架之間的間隙22a，以及在活動(dòng)支架和反射器之間的間隙22b，如圖3f所示。在此實(shí)施例中，鉸鏈和杠桿金屬膜24仍然彎曲，以允許支架在兩個(gè)方向上都能偏轉(zhuǎn)。當(dāng)支架彎曲時(shí)，反射器如所希望的那樣移動(dòng)。然而，還是有永久彎曲或變形的問題產(chǎn)生。
以前對(duì)該問題的解決方法在于探索用于鉸鏈和杠桿的金屬膜的形成。反射器一般是某種類型的高反射率的鋁合金。鉸鏈和杠桿由攙雜或不攙雜的鈦鎢合金所形成。這些類型的合金的例子可在共有的US專利申請(qǐng)08/395562中發(fā)現(xiàn)。另外，在鉸鏈的永久變形和彎曲是由微滑移所引起的這一理論的指導(dǎo)下，使用了如氮這樣的雜質(zhì)以增強(qiáng)合金，使之產(chǎn)生更好的滑移阻力。這些合金的例子可在共有的專利申請(qǐng)US-08/339363中發(fā)現(xiàn)。
非晶材料被定義為缺乏長(zhǎng)距離的原子順序或原子周期，如象玻璃所表現(xiàn)的那樣。雖然它們能在相鄰原子之間的短距離范圍內(nèi)有順序，原子的有序度隨距離而減小，所以對(duì)于最靠近的第三個(gè)原子的位置有很大的不確定性，對(duì)于最靠近的第四個(gè)原子的位置有更大的不確定性。非晶材料可以以各種方法表示其特征，這些方法包括X-線衍射、電子衍射及發(fā)射電子顯微鏡檢查法(或TEM)。在以下的圖中顯示了非晶的滲氮鋁酸鈦膜以及多晶的X-線衍射光譜。非晶膜表現(xiàn)出單個(gè)的寬峰，而多晶膜顯示一個(gè)在相同位置上的尖峰和多個(gè)另外的較小的次級(jí)峰或次級(jí)反射。非晶材料試樣的X-線和電子衍射圖形都是以一個(gè)或兩個(gè)強(qiáng)度一致的散射環(huán)圖案為突出特點(diǎn)，而晶體材料表現(xiàn)為單個(gè)的點(diǎn)狀圖案或在寬度上更窄的點(diǎn)環(huán)。TEM微觀圖象顯示了一個(gè)有均勻的、不隨偏斜而變化的對(duì)比度的層，并沒有晶粒邊界或錯(cuò)位的存在。
(此處插入附表)原來(lái)認(rèn)為通過加入氮雜質(zhì)，一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)是理想的。然而，根據(jù)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了其它的結(jié)構(gòu)具有超過原所期望的非-FCC多晶結(jié)構(gòu)的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)非晶和滲氮多晶的多成份合金，而不是鋁或鈦/鎢更為優(yōu)秀。
采用鋁合金的活性滲氮產(chǎn)生了固溶體的、硬化顆粒分散的或非晶的合金?；钚詽B氮還可用來(lái)產(chǎn)生非鋁材料的非晶合金，例如，在真空濺鍍時(shí)采用硅-鈦靶。這些合金的改進(jìn)看來(lái)會(huì)產(chǎn)生更結(jié)實(shí)的小晶粒合金鉸鏈，并且會(huì)比以前所使用的鈦-鎢-氮更容易被蝕刻。
采用Al-Si(％)-Ti(0.2％)和Al-Ti(0.5％)的鋁合金真空濺鍍靶，對(duì)于每一種靶將各種百分比的氮加入到用于真空濺鍍金屬膜的氬氣中，便會(huì)產(chǎn)生一系列的滲氮合金膜。在這兩種系統(tǒng)中，在氬真空濺鍍氣體中用大約10％的低氮百分比含量，多晶結(jié)構(gòu)看起來(lái)象變形的Al。與無(wú)氮的Al膜大約1000-10000A的晶粒尺寸相比較，該膜的晶粒尺寸很小(約等于100-1000A)。
在高的含氮百分比的情況下，會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的變形直到Al的晶格結(jié)構(gòu)不再占主要地位且觀察到非晶金屬。當(dāng)真空濺鍍氣體中的氮含量達(dá)到非常高的50％時(shí)，可以看出膜是Al-N的多晶，正如光學(xué)透明而導(dǎo)致的著色所證實(shí)的那樣。這些膜的晶粒尺寸的范圍在100-200A之間。對(duì)于上述的Ti-Si(1％at)-Ti(0.2％at)(原子)的合金，從FCC晶格結(jié)構(gòu)到非晶晶格結(jié)構(gòu)的變化發(fā)生于氮在氬濺鍍氣體中的含量約為15％的時(shí)候，而對(duì)于Al-Ti(0.5％at)的合金，該變化發(fā)生于氮在氬濺鍍氣體中的含量約為20％-30％的時(shí)侯這。種轉(zhuǎn)變似乎產(chǎn)生于后一合金中缺乏1％的硅。
采用Al-Si(1％at)-Ti(0.2％at)，以氮在濺鍍氣體氬中大約為10％的含量所鍍的低氮合金產(chǎn)生可用的很少缺陷的DMD裝置。在濺鍍氣體中氮含量為22％的一次嘗試導(dǎo)致在退火工藝中晶須的產(chǎn)生。在退火溫度為125-200℃時(shí)，為非晶的滲氮鋁合金的退火會(huì)產(chǎn)生晶須，而不是非晶的合金卻不是這樣。
為了克服非晶合金中晶須的形成，改變用于濺鍍的合金靶。采用一CeracRMAl-Ti(25％atTi)靶，并使氮在濺鍍氣體中的含量為10％到50％。這些滲氮合金為非晶，包括那些看上去顯色并透光的高氮合金含量的非晶合金。沒有觀察到任何這樣的非晶合金在200℃的24小時(shí)退火時(shí)形成了晶須。采用沒有故意加入氮的這種靶，非晶合金膜也可由低溫濺鍍所產(chǎn)生。成份分析顯示殘余的氧和氮含量在大約1-3％。這些雜質(zhì)產(chǎn)生于制造CerarTM靶時(shí)所采用的粉劑。
另外，由于不再有滑動(dòng)面或滑動(dòng)的錯(cuò)位，故通過將其制成非晶似乎可以改善這些膜的拉伸強(qiáng)度。在間隔材料上的Al合金的應(yīng)力分布可以控制撓度，而該應(yīng)力分布是隨濺鍍條件而改變的。濺鍍?cè)陂g隔材料上的金屬膜中高的壓縮應(yīng)力會(huì)引起彎曲，而拉應(yīng)力則會(huì)防止彎曲。通過制造非晶膜，拉伸強(qiáng)度得以增加。在氮含量為0-10％的氬氣中濺鍍的Al-Ti(25％atTi)合金，當(dāng)被濺鍍到光阻材料上時(shí)會(huì)有拉伸應(yīng)力并且通常不會(huì)彎曲。圖4中顯示了金屬膜中的應(yīng)力作為濺鍍氣體的總壓力的函數(shù)的曲線，其正值代表拉應(yīng)力。由此可見，含氮0-10％的膜只有很小或沒有壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致了平的鉸鏈。
TiAl3濺鍍膜通常顯示出由粉末制的靶所產(chǎn)生的殘留氧和氮含量。這可通過采用熔鑄的靶來(lái)減少這些殘留。氮在膜中的濃度遠(yuǎn)比它在濺鍍氣體中的濃度高。例如，在氬氣中10％的氮在活性濺鍍膜中產(chǎn)生了超過18％的濃度的氮。確切地成份依賴于濺鍍的參數(shù)和條件。
因此，理想的是采用含氮濃度在0.1-45％at的TiAl3(N)合金用于下列裝置的機(jī)械構(gòu)件，如數(shù)字微反射裝置或其它的需要在靜止和運(yùn)動(dòng)部件之間有彈性連結(jié)元件的裝置。全滲氮的合金也有潛在的用處。
同樣可以期望的是對(duì)鋁氮合金中加入雜質(zhì)，如硅、硼、鍺、氧或共價(jià)鍵的碳。以便幫助非晶合金穩(wěn)定在一個(gè)可能高的再結(jié)晶溫度上。另外，其它的雜質(zhì)可能也是需要的，如鎳、鋅、鎂或鈦，以便材料為多晶時(shí)形成金屬間化合物來(lái)得以加強(qiáng)。這些化合物的例子是AlNy、(Al3Ti)Ny、(Al∶SiTi)N、(Al∶(Q，Z)Ny，其中Y可在0到1.0之間變化而Q和Z是以上列出的雜質(zhì)。
另外，可以期望的是采用鋁和氮(從0.0到50.0at％N)和一種或多種的雜質(zhì)的非晶合金。這些非晶的合金沒有周期的晶格，借助錯(cuò)位抵抗滑滑移，將產(chǎn)生更平的濺鍍膜并且有各向同性的彈性。還有，這些合金可以由氮和任何除鋁以外的雜質(zhì)組成。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之間變化。例如，一種Ti∶SiN大約為1∶2∶3的合金通過從一個(gè)純的鈦靶進(jìn)行的活性濺鍍被鍍上，其中覆蓋的Si蓋住了大約50％的Ti靶表面，而在氬濺鍍氣中有10％的氮。
通過控制氮和鈦的濃度，可以設(shè)定膜相對(duì)于多晶而變成非晶的百分比。采用一個(gè)Al-1/2％Ti的靶和濺鍍氣體氬，當(dāng)?shù)獜?到20％，以3KW的能量真空濺鍍時(shí)該膜是多晶。氮在20％-30％之間時(shí)，膜變成了非晶。當(dāng)?shù)陌俜直葷舛瘸^35％時(shí)，該膜變成了多晶。在使膜變成非晶這一點(diǎn)上，Ti的百分濃度好像成反比例地影響著膜轉(zhuǎn)變成非晶時(shí)的氮的百分濃度。較高的鈦的百分濃度導(dǎo)致膜轉(zhuǎn)變成非晶時(shí)的氮的百分濃度較低。
然而，多晶材料似乎還是有用的。這種類型的合金的例子為Al+AlN以及AlN和Al(＜15at％N)。利用上述的雜質(zhì)也可以形成多晶合金。對(duì)于微型機(jī)械裝置中的彈性元件來(lái)說，在可用時(shí)用多晶膜，不如用非晶膜那樣有益。非晶膜表現(xiàn)出較高的屈服強(qiáng)度，有各向同性的彈性，從而生成更平的濺鍍膜。
這樣，雖然在此描述了一個(gè)改進(jìn)了的彈性微型機(jī)械元件的具體實(shí)施例，除了以下的權(quán)利要求所規(guī)定的范圍之外，這種具體的說明書并不是想限制該發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的用于微型機(jī)械裝置的彈性元件，它在該裝置的一個(gè)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)彎曲，其中的改進(jìn)包括該元件由一種或多種導(dǎo)電的非晶合金所構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)的彈性元件，其特征在于所說合金包括一種或多種雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的改進(jìn)的彈性元件，其特征在于所說的雜質(zhì)是從由硅、硼、鍺、氧、碳、鎳、鋅、鎂和鈦所組成的組中選擇出來(lái)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)的彈性元件，其特征在于所說合金具有的通式為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.根據(jù)權(quán)利要求4的改進(jìn)的彈性元件，其特征在于Y在0.0和1.0之間變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的改進(jìn)的彈性元件，其特征在于Q和Z可以是從由硅、硼、鍺、氧、碳、鎳、鋅、鎂、和鈦所組成的組中選擇出來(lái)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的元件，其特征在于所說的非晶合金是用TiAl3濺射靶所形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的元件，其特征在于所說的非晶合金是用Al∶Ti濺射靶所形成的，其中Ti能從1at％到50at％變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的元件，其特征在于所說非晶合金通過有意地加入氮而形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的元件，其特征在于所說非晶合金由鈦所形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的元件，其特征在于所說元件由Ti∶Si∶N所形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的元件，其特征在于所說元件也由至少一種附加的雜質(zhì)所形成，該雜質(zhì)是從由硅、硼、鍺、氧、碳和氮所組成的組中選擇出來(lái)的。
13.一個(gè)用于微型機(jī)械裝置的改進(jìn)的彈性元件，在所說的裝置的一個(gè)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)彎曲，其中的改進(jìn)包括該元件由一個(gè)導(dǎo)電的多晶膜構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的元件，其特征在于所說多晶膜主要由Al和N組成。
全文摘要
一個(gè)用于微型機(jī)械裝置(12)的改進(jìn)的彈性元件(24)。該微型機(jī)械裝置(12)包括一個(gè)靜止元件(28)和一個(gè)運(yùn)動(dòng)元件(26),由一個(gè)彈性元件(24)所連結(jié)。由于運(yùn)動(dòng)元件(26)的反復(fù)和頻繁的運(yùn)動(dòng),彈性元件(24)會(huì)變得永久地彎曲和變形,從而導(dǎo)致裝置的不良作業(yè)。滲氮的鋁或非鋁合金能用來(lái)形成一個(gè)多晶的或非晶的金屬膜,該彈性元件(24)由該金屬膜形成。這些合金具有各向同性的彈性、高的拉伸強(qiáng)度并在濺鍍時(shí)形成一個(gè)平的膜。
文檔編號(hào)G02B26/08GK1185487SQ9612272
公開日1998年6月24日 申請(qǐng)日期1996年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月1日
發(fā)明者J·H·特雷吉爾蓋斯, T·W·奧倫特, 吉原秀一, R·L·奈普 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司