專利名稱：具有單晶部件和金屬部件的微型機電裝置,以及相關制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微型機電裝置及相關制造方法，更具體地說，涉及具有單晶部件和金屬部件兩者的微型機電裝置，以及相關制造方法。
鑒于微型機電結構(MEMS)和其他微型設計的裝置所提供的尺寸、成本和可靠性優(yōu)點，目前正在研制這些裝置，以用于各種各樣的應用。已經(jīng)產(chǎn)生了許多不同種類的MEMS裝置，包括微型齒輪、微型電動機和其他能夠移動或施加力的微型機制裝置。這些MEMS裝置能用于各種各樣的應用，包括液壓應用，其中利用MEMS泵或閥，光學應用，其包括MEMS光閥或光閘，和電學應用，其包括MEMS繼電器。
MEMS裝置依靠各種技術，以提供在這些微型結構之內(nèi)引起希望移動所必要的力。例如，靜電致動器用來使MEMS裝置致動。例如，參見U.S.Patent Application Serial No.09/320,891，轉(zhuǎn)讓給也是本發(fā)明的受讓人的MCNC，它敘述了具有靜電微型致動器的MEMS裝置，其內(nèi)容這里參考引入。另外，致動器或其他MEMS部件的受控熱膨脹是提供必要的力，以在MEMS結構之內(nèi)引起希望移動的技術的另一例。例如，參見U.S.Patent No.5,909,078及U.S.Patent ApplicationSerial No.08/936,598和No.08/965,277，轉(zhuǎn)讓給也是本發(fā)明的受讓人的MCNC，它敘述了具有熱致動微型致動器的MEMS裝置，其內(nèi)容這里參考引入。
用于MEMS裝置的熱致動微型致動器的一例包括一個或多個拱形梁，在一對隔開的支持件之間延伸。微型致動器的熱致動引起拱形梁的進一步起拱，這樣結果產(chǎn)生可用的機械力和位移。拱形梁一般使用高縱橫比平板印刷術由鎳而形成，它產(chǎn)生具有達到5∶1縱橫比的拱形梁。雖然用高縱橫比平板印刷術形成，但是實際的鎳拱形梁具有相當適度的縱橫比，并且因此在某些情況下，可能具有較小的出平面剛性，而且不及希望堅固。此外，用來形成鎳拱形梁的平板印刷術可能產(chǎn)生隔開相當遠的拱形梁，從而由于限制相鄰拱形梁相互加熱的量，而使加熱拱形梁所要求的功率增加。另外，結果形成的微型致動器由于拱形梁的間隔而引起，可能具有比希望較大的足跡。因此，需要具有較高縱橫比的拱形梁，以便增加MEMS裝置的微型致動器的出平面剛性和堅固性。另外，希望具有更密集隔開的拱形梁的微型致動器，以能夠更有效地加熱，并且減小尺寸。
鎳微型致動器典型地例如通過一個安排在致動器鄰近和之下的多晶硅加熱器而非直接地加熱，因為鎳結構的直接加熱(例如通過其中傳送電流)由于鎳的低電阻率而效率低。然而，MEMS裝置的微型致動器的非直接加熱結果帶來低效率，因為在微型致動器與加熱器之間由于必要的間隔，這樣引起加熱器所產(chǎn)生的熱中的有些損失到周圍，而使得并不是全部熱傳遞到微型致動器。
鎳不具有使得拱形梁的膨脹容易的相對大的熱膨脹系數(shù)。然而，仍必須供給相當大的能量，以產(chǎn)生由于其密度而引起鎳拱形梁的希望起拱所必要的熱。照這樣，雖然具有鎳拱形梁的微型致動器的MEMS裝置相對現(xiàn)有致動技術提供相當大的進展，但是仍然希望研制具有微型致動器的MEMS裝置，它能以更有效方式熱致動，以便限制必需的輸入功率要求。
上述和其他需要由本發(fā)明來滿足，在一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明提供一種微型機電裝置，它包括一個微電子襯底，一個安排其上并由單晶材料例如硅組成的微型致動器，和至少一個金屬結構，以和微型致動器隔開關系，并且優(yōu)選地和微型致動器在相同平面安排在襯底上，以便微型致動器能在其熱致動時接觸金屬結構。特別是，由于和微型致動器的可操作接觸，微型致動器的致動引起所述至少一個金屬結構嚙合和移動。在一個有利實施例中，MEMS裝置可以包括兩個相鄰的金屬結構，使金屬結構中的一個固定，而另一個金屬結構可移動。在本實施例中，MEMS裝置可以是微型繼電器，以便微型致動器的致動使微型致動器與可移動金屬結構可操作地接觸，從而允許金屬結構響應微型致動器的致動而選擇地接觸。
根據(jù)一個有利實施例，微型致動器熱致動。在本實施例中，微型致動器優(yōu)選地包括一對安排在襯底上的隔開的支持件，和至少一個在它們之間延伸的拱形梁。微型致動器還可以包括一個致動器部件，它可操作地與至少一個拱形梁耦合，并且由此向外延伸。微型致動器還包括加熱所述至少一個拱形梁，以使其進一步起拱的裝置，其中致動器部件在一個第一位置與一個第二位置之間移動，在第一位置，致動器部件與所述至少一個金屬結構隔開，而在第二位置，致動器部件可操作地與所述至少一個金屬結構嚙合。
在本發(fā)明的另一個實施例中，微型致動器靜電致動。在本實施例中，靜電微型致動器例如可以包括一個微電子襯底，其上安排至少一個定子。優(yōu)選地，定子具有多個由此橫向突出的指狀件。此外，靜電微型致動器包括至少一個鄰近定子安排的梭子，其中梭子相對襯底可移動，并且具有多個由此橫向突出的指狀件。從梭子突出的指狀件優(yōu)選地與從定子突出的指狀件相互交叉。一個致動器部件與梭子耦合，由此向外突出，并且在一對隔開的支持件之間延伸。定子相對梭子的電偏置引起梭子的移動，以便致動器部件響應靜電致動器的致動而可操作地嚙合金屬結構。
本發(fā)明的另一個有利方面包括相關方法，以形成具有單晶部件和金屬部件兩者的微型機電裝置。根據(jù)一個優(yōu)選方法，由單晶材料所組成的晶片形成微型致動器，例如熱致動微型致動器或靜電微型致動器。在一個襯底的表面上，還形成至少一個金屬結構，以便該至少一個金屬結構相對襯底可移動。然后把微型致動器結合在襯底的表面上，以便微型致動器的部分相對襯底也可移動，以便微型致動器響應其熱致動而可以操作地嚙合金屬結構。
制造根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的具有單晶部件和金屬部件兩者的微型機電裝置的一個選擇方法，包括在襯底的表面上結合由單晶材料組成的晶片。在把晶片拋光成希望布置之后，可以通過晶片延伸到襯底限定至少一個窗口。用晶片作為模板，然后可以在晶片所限定的所述至少一個窗口之內(nèi)，并且在襯底的表面上，形成至少一個金屬結構。然后能蝕刻掉在至少一個金屬結構周圍的晶片的一部分，以允許金屬結構相對襯底可移動。在形成金屬結構之前或之后，由晶片形成微型致動器，以便微型致動器的部分相對襯底可移動，并且能夠響應其熱致動而可操作地嚙合金屬結構。
制造根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的具有單晶部件和金屬部件兩者的微型機電裝置的又一個選擇方法，包括在襯底的表面上結合由單晶材料組成的晶片。在把晶片拋光成希望布置之后，能蝕刻掉晶片的一部分，并且在襯底的表面上形成至少一個金屬結構，以便金屬結構相對襯底可移動。在形成金屬結構之前或之后，由晶片形成微型致動器，以便微型致動器的部分相對襯底可移動，并且能夠響應其熱致動而可操作地嚙合金屬結構。
因此，根據(jù)本發(fā)明，能形成一種MEMS裝置，例如微型繼電器，它包括由單晶硅形成的致動器，而MEMS裝置的其他部件由金屬例如鎳形成。例如，由單晶硅制造熱致動微型致動器的拱形梁，或靜電微型致動器的相互交叉指狀件，特別是通過使用深度活性離子蝕刻過程，允許所形成的器件具有至少達10∶1的縱橫比。器件和部件的較高縱橫比增加了它們的出平面剛性，并且構成更堅固裝置。本發(fā)明的制造技術還有利地允許器件和部件的較近間隔。例如，熱致動微型致動器的相鄰硅拱形梁的較近間隔，結果在相鄰拱形梁之間產(chǎn)生更有效的熱傳遞。另外，單晶硅微型致動器例如通過其中傳送電流而能直接加熱。如將會顯而易見，微型致動器的直接加熱一般比非直接加熱更有效。此外，雖然硅的熱膨脹的系數(shù)小于金屬例如鎳的熱膨脹的系數(shù)，但是硅遠沒有鎳密集，以便對于給定量的功率，硅拱形梁一般能比對應的鎳拱形梁更多地加熱。因此，與具有金屬部件的常規(guī)MEMS微型致動器比較，本發(fā)明的MEMS裝置能具有較大的出平面剛性，能更為堅固，并且更有效地加熱。
已經(jīng)敘述了本發(fā)明的一些優(yōu)點，當連同附圖加以考慮時，其他優(yōu)點將隨著敘述進行而顯而易見，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MEMS裝置，特別是微型繼電器的平面圖。
圖2A至圖2E是說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在制造MEMS裝置，例如微型繼電器期間所執(zhí)行的操作順序的斷面圖。
圖3A至圖3F是說明根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，在制造MEMS裝置，例如微型繼電器期間所執(zhí)行的選擇操作順序的斷面圖。
圖4A至圖4F是說明根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，在制造MEMS裝置，例如微型繼電器期間所執(zhí)行的選擇操作順序的斷面圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的靜電微型致動器的平面圖。
現(xiàn)在參考附圖，將在下文更完全地敘述本發(fā)明，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明可以用許多不同的形式實施，并且不應該如這里所述實施例那樣限制構造，而是，提供這些實施例，以便本公開將是徹底的和完全的，并且將把本發(fā)明的范圍完全地傳達給本領域技術人員。相同標號始終指的是同樣元件。
圖1公開MEMS裝置，特別是微型繼電器的一個實施例，總體上用標號10指示，它包括本發(fā)明的器件。微型繼電器10一般地包括一個微型致動器20，和至少一個相鄰金屬結構30。雖然襯底40能用各種各樣的材料形成，但是襯底40優(yōu)選地包括單晶材料例如硅的晶片。雖然微型致動器如這里進一步所述可以具有各種各樣的形式，但是一個有利實施例的微型致動器20為熱致動，并且包括一對隔開的支持件22，固定在襯底40上，和至少一個，更優(yōu)選地幾個拱形梁24，在隔開的支持件22之間延伸。根據(jù)本發(fā)明，支持件22和拱形梁24優(yōu)選地由單晶材料例如單晶硅形成，并且更優(yōu)選地作為由相同的單晶硅晶片所形成的單一結構。
根據(jù)本發(fā)明的一個有利方面，拱形梁24由單晶硅組成，它具有2.5×10-6/°K的相對低的熱膨脹系數(shù)，約為鎳的五分之一。然而，令人驚奇地，與相同尺寸和形狀的鎳拱形梁比較，硅拱形梁一般要求較少的能量，以加熱到相同溫度。加熱硅拱形梁所要求的能量的減小，部分是由于2.33g/cm3的硅的密度所引起，它約為鎳的四分之一。另外，硅拱形梁能直接加熱，這樣比典型地用于鎳拱形梁的非直接加熱提供更有效的加熱。
硅拱形梁24的另一個優(yōu)點是不要求高縱橫比平板印刷過程(這樣目前使鎳拱形梁的縱橫比限制為5∶1)。代之以，在形成硅拱形梁時，使用深度活性離子蝕刻過程，其中這種蝕刻過程按慣例能產(chǎn)生10∶1的縱橫比。硅拱形梁的高縱橫比增加拱形梁的出平面剛性，并且促成更堅固的裝置。另外，深度活性離子蝕刻過程允許拱形梁比鎳拱形梁更接近地隔開，因此由于相鄰硅拱形梁之間的熱傳遞而增加微型致動器20的能量效率。例如，本發(fā)明具有10∶1縱橫比的MEMS裝置的硅拱形梁能具有10μm的中心到中心間隔，和5μm的相鄰拱形梁之間的間隙。由于上述原因，具有硅拱形梁的微型致動器因此比具有鎳拱形梁的常規(guī)微型致動器更為有效地加熱，因為梁可以布置在與相鄰梁極為接近。例如，在一個實施例中，通過減小具有10∶1縱橫比的硅拱形梁的布置，使22μm的中心到中心間隔及12μm的相鄰拱形梁之間的間隙，減小到10μm的中心到中心間隔及5μm的相鄰拱形梁之間的間隙，則獲得使加熱硅拱形梁所要求的能量減小40％。
微型致動器20還包括加熱拱形梁24的裝置。在本發(fā)明的一個實施例中，微型致動器20通過拱形梁24的直接加熱而熱致動。例如，能在隔開的支持件22上安排的電極之間應用電位差，這樣引起電流流過拱形梁24。拱形梁24的電阻率引起拱形梁24中由于電流而產(chǎn)生熱，從而提供必要的熱致動?？蛇x擇地，拱形梁24能非直接地加熱，以例如通過改變拱形梁24的周圍溫度，或利用與其鄰近安排的外部多晶硅加熱器，產(chǎn)生微型致動器20的熱致動。如圖1所示，拱形梁24優(yōu)選地以和襯底平行的方向，沿微型致動器20的希望或預定移動方向起拱。因此，拱形梁24的加熱引起其沿預定方向的進一步起拱，從而產(chǎn)生可用的位移和機械力。
微型致動器20還可以包括一個縱向延伸的致動器部件26，它與拱形梁24耦合，并且由此沿移動方向向外延伸。因此如圖1所示，致動器部件26用作一個耦合器，以機械耦合隔開的支持件22之間的多個拱形梁24。照這樣，拱形梁24沿預定方向的進一步起拱，使致動器部件26沿相同預定方向位移。通過使多個拱形梁與致動器部件26機械耦合，結果形成的微型致動器20將會比單拱形梁提供較高程度的控制位移和力。
如圖1進一步所示，優(yōu)選地設計本發(fā)明的微型致動器20，以使鄰近微型致動器20并且和微型致動器在相同平面安排的至少一個金屬結構30致動。還如所示，該至少一個金屬結構30能包括兩個金屬結構32和34，金屬結構中的一個32可移動，而另一個金屬結構34相對襯底或可移動，或固定。雖然金屬結構以不同方式形成，但是說明的實施例的金屬結構各包括一個金屬部件，通過一對系繩從各自錨件懸掛。雖然錨件固定在襯底上，但是金屬部件能相對襯底移動。雖然對于本發(fā)明的實踐不必要，但是金屬部件的面可以具有互補形狀，以使金屬部件的配合容易。在非致動或周圍狀態(tài)下，致動器部件26可以與可移動金屬結構32或隔開或接觸。然而，在微型致動器20例如通過拱形梁24的直接加熱而熱致動時，致動器部件26優(yōu)選地推動與可移動金屬結構32嚙合。由于金屬結構32相對襯底可移動，所以微型致動器20的進一步致動將推動可移動金屬結構32與另一個金屬結構34接觸。照這樣，通過可控制地建立第一與第二金屬部件之間的接觸，使第一和第二金屬部件形成微型繼電器的電接觸對，則本實施例的MEMS裝置可用作微型繼電器。通過使各自電路或其他類似部分與第一和第二金屬結構適當?shù)仉娺B接，能通過選擇地熱致動微型致動器而控制地連接電路。
如下所述，金屬結構30典型地在襯底40上形成，襯底40可以由各種材料，例如硅、玻璃或石英構成。金屬結構30優(yōu)選地通過電鍍過程，由淀積在和微型致動器相同平面的襯底40上的金屬例如鎳形成。金屬結構30典型地通過一個釋放層(未示出)與襯底40分開。在形成金屬結構之后，例如通過濕蝕刻釋放層，移去釋放層，金屬結構于是能夠相對襯底40移動。
根據(jù)本發(fā)明，可以使用幾種相關方法，以生產(chǎn)具有單晶部件和金屬部件兩者的MEMS裝置，例如微型繼電器10。這里敘述的相關方法公開了在生產(chǎn)MEMS裝置時，與熱致動微型致動器的一個實施例相關的制造步驟。本領域技術人員將會理解，這里公開的制造步驟也可用于(應用適當更改)由單晶材料例如單晶硅所組成的各種其他微型致動器，例如靜電微型致動器。因此，這里敘述的相關方法當然可以用于生產(chǎn)具有金屬部件和單晶部件兩者的MEMS裝置，包括各種類型的單晶微型致動器，例如熱致動微型致動器和靜電微型致動器。
如圖2所示，并且根據(jù)一個有利方法，可以在一個晶片上形成至少一個金屬結構30，而硅微型致動器部件可以由另一個晶片制造。一旦形成結構，例如通過陽極結合過程，或另一種低溫結合，例如低溫共熔結合，使兩個晶片結合在一起。
更具體地說，微型致動器20是通過從單晶硅晶片蝕刻部件，例如支持件和拱形梁而形成。相反，所述至少一個金屬結構30是通過在另一個晶片上電鍍金屬例如鎳而形成，該另一個晶片例如由硅或石英組成。然后把兩個晶片結合在一起，以便微型致動器20鄰近金屬結構30安排，并且能夠與其嚙合。用其形成微型致動器20的晶片然后被拋光或蝕刻，以至少釋放硅部件中的某些，更具體地說，允許拱形梁24相對襯底可移動。
如圖2A更詳細所示，通過最初在單晶硅晶片襯底50上淀積掩飾層52，可以由單晶硅晶片形成微型致動器20。本領域技術人員將會理解，當這里把一個層或元件敘述在另一個層或元件“之上”時，它可以直接在層上，在頂部、底部或側(cè)面積形成，或可以在層之間設置一個或多個插入層。掩飾層52典型地是光致抗蝕劑或光敏聚合物材料。一旦淀積在晶片50上，就使掩飾層52形成圖形，以便保留在晶片50上的光致抗蝕劑限定一個空腔53(它將如下所述安放金屬部件)，和微型致動器20，一般由一對隔開的支持件22、至少一個拱形梁24和一個致動器部件26組成。一旦使光致抗蝕劑形成圖形，就蝕刻晶片50，以便形成微型致動器結構20和空腔53。優(yōu)選地，通過能夠從具有約10∶1縱橫比的晶片50形成薄硅結構的深度活性離子蝕刻，蝕刻晶片50。硅拱形梁的高縱橫比增加了結構的出平面剛性，并且促成更堅固裝置。另外，深度活性離子蝕刻允許硅拱形梁的較近間隔，例如10μm的中心到中心間隔，由于相鄰硅拱形梁之間的熱傳遞增加，使拱形梁加熱的效率增加。
為了制造所述至少一個金屬結構30，如圖2B所示，在一個分開襯底60上淀積一個犧牲鍍底62。犧牲鍍底62可以是本領域技術人員已知的各種鍍底中的任何一種，例如由鈦(鄰近襯底)、銅和鈦形成的三層結構，或其中在選擇位置代替鈦而在相鄰襯底上淀積鉻部分，而由鈦(鄰近襯底)、銅和鈦形成的三層結構。鍍底62的鉻部分限定面積，其中部件不從襯底釋放，并且例如可用在金屬結構30的錨件之下的鍍底62中。在淀積鍍底62之后，淀積一厚層光致抗蝕劑64，并且平板印刷形成圖形，以對犧牲鍍底62打開若干窗口66。在光致抗蝕劑64之內(nèi)打開的窗口66對應并限定所述至少一個金屬結構30，例如包括微型繼電器的接觸。其后，在光致抗蝕劑64所限定的窗口66之內(nèi)，電鍍金屬68，例如鎳、銅或金，以產(chǎn)生圖2C所示的金屬結構30。雖然能利用任何種類的能夠電鍍的金屬，但是鎳特別有利，因為鎳能用低內(nèi)部應力淀積，以便使結果形成的結構出平面偏轉(zhuǎn)進一步硬化。用低內(nèi)部應力電鍍鎳層，在“The Properities of ElectroplatedMetals and Alloys，”H.W.Sapraner，American Electroplaters andSurface Technology Society，PP.295-315(1986)中敘述，其內(nèi)容這里參考引入。
一旦電鍍了金屬68，就移去光致抗蝕劑64。優(yōu)選地，然后例如使用濕蝕刻，通過鍍底62中的預定開口，在襯底60中形成空腔62?？涨?3安排在微型致動器20的拱形梁24之下，以便使拱形梁相對襯底的移動容易，而同時有助于拱形梁與襯底的熱隔離。剩余鍍底62然后也可以移去，以便使金屬結構30的部分從襯底60釋放，以例如生產(chǎn)可移動金屬結構32。根據(jù)本發(fā)明的這個實施例，優(yōu)選地控制鍍底62的蝕刻的持續(xù)時間，或使用由鉻-銅-鈦的選擇面積所組成的鍍底62，以便在金屬部件和系繩下面的鍍底62的部分被移去，而不移去在對應錨件下面的鍍板62的相當大部分。因此，金屬結構30保持錨定在任一端或兩端。一旦形成微型致動器20和所述至少一個金屬結構30，如圖2D所示，通過低溫結合過程，例如通過低溫共熔結合或陽極結合過程，使晶片50和襯底60結合在一起。如圖2E所示，然后拋光和蝕刻晶片50，以使微型致動器20，特別是拱形梁，從晶片50的剩余部分釋放。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的制造MEMS裝置例如微型繼電器的一個選擇方法。根據(jù)本方法，并且如圖3A所示，最初在襯底160上淀積犧牲鍍底162。如上所述，襯底典型地限定一個空腔163，它將位于結果形成的微型致動器的硅拱形梁之下。然后通過低溫結合過程，例如低溫共熔結合或陽極結合過程，把一個晶片150例如單晶硅晶片結合到襯底160上，并且然后使晶片150拋光成希望厚度。如圖3B所示，對單晶硅晶片150應用一個光致抗蝕劑層152，并且形成圖形，以通過晶片150形成若干窗口154。然后例如通過深度活性離子蝕刻過程，蝕刻窗口154之內(nèi)的晶片150的面積，以進一步使窗口延伸過晶片150，以便暴露襯底160上的犧牲鍍底162。根據(jù)本發(fā)明的這個實施例，晶片150因此有利地包括一個敷鍍模板，以使金屬部件的敷鍍?nèi)菀?。如圖3C所示，然后在通過晶片150形成的窗口154之內(nèi)，電鍍金屬168，以便制造例如與繼電器的接觸對應的金屬結構130。因此，本實施例的方法特別有利，因為單晶片150實際用作敷鍍模板，從而相對由單晶片形成的微型致動器，精確地定位金屬部件。由于晶片150可以通過深度活性離子蝕刻過程蝕刻，所以可以生產(chǎn)具有約10∶1縱橫比的窗口154，從而允許高縱橫比的電鍍金屬168，并且因此生產(chǎn)比用常規(guī)平板印刷過程所能達到較高的縱橫比的金屬結構130。如圖3D所示，晶片150涂有光致抗蝕劑170，并且蝕刻形成微型致動器結構120，優(yōu)選地鄰近先前創(chuàng)建的金屬結構130安排。然后蝕刻掉在金屬結構130周圍的晶片150的一部分，以便金屬結構130獨立式地在襯底160上，如圖3E所示。如圖3F所示，本方法的實施例還包括與上述類似的適當?shù)奈g刻步驟，以從下面的襯底釋放拱形梁124和金屬結構130，以完成微型繼電器10。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的制造MEMS裝置例如微型繼電器的又一個選擇方法。如圖4A所示，設置一個典型地具有如上所述空腔的襯底260，并且在其上安排一個單晶硅晶片250，而且例如使用低溫共熔結合過程，陽極結合過程，或熔化結合過程，使其結合。如圖4B所示，在對晶片250應用光致抗蝕劑251之前，使晶片250拋光成希望厚度。然后蝕刻掉晶片250的部分，以暴露襯底260，從而限定至少一個窗口254，其中要形成所述至少一個金屬結構230，如圖4C所示。如果必要，在窗口254涂以光致抗蝕劑264之前，在窗口254之內(nèi)淀積鍍底262，隨后使光致抗蝕劑264形成圖形，以在光致抗蝕劑中限定與所述至少一個金屬結構230對應的孔256，如圖4D所示。然后通過電鍍過程，在孔256之內(nèi)形成至少一個金屬結構230，其中在孔256之內(nèi)淀積金屬，例如鎳。如圖4E所示，然后移去光致抗蝕劑，以便僅保留金屬結構230。
另外，在形成至少一個金屬結構230之前或之后，把其上安排了鍍底262的晶片250涂以光致抗蝕劑(未示出)。隨后使光致抗蝕劑形成圖形，并且蝕刻，以形成一個微型致動器結構220，它與所述至少一個金屬結構230鄰近，并且能共同操作。此外，如上所述，并且如圖4F所示，本方法的本實施例優(yōu)選地還包括蝕刻步驟，以移去晶片250上的過剩鍍底262，并且使拱形梁224和金屬結構230從下面襯底260釋放。
本發(fā)明的MEMS裝置除熱致動微型致動器外，還能包括其他類型的單晶微型致動器。例如，圖5表示本發(fā)明的又一個有利方面，并且包括一個靜電微型致動器320，作為熱致動微型致動器320的一個選擇機構，以致動MEMS裝置，例如微型繼電器310。靜電微型致動器320優(yōu)選地由單晶材料，例如單晶硅組成，它安排在襯底340上。如前所述，在鄰近微型致動器320的襯底340上，并且大致在和其相同的平面上，還安排至少一個金屬結構330。此外，微型致動器320適應在其致動時，可操作地接觸至少一個金屬結構330。
更具體地說，并且根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，如圖5所示的靜電微型致動器320例如可以包括一個微電子襯底340，其上安排至少一個定子350，并且與其錨定。各定子350具有多個指狀件355，由此橫向突出。此外，靜電微型致動器320包括至少一個梭子360，對應地鄰近至少一個定子350安排。優(yōu)選地，梭子360相對襯底340可移動，并且具有多個指狀件365，由此橫向突出，并且與從定子350突出的指狀件355相互交叉。一個致動器部件370與至少一個梭子360耦合，由此向外指向至少一個金屬結構330突出，并且在一對隔開的支持件380和390之間延伸。各支持件380和390包括至少一個，更典型地一對錨件400，錨定在襯底340上，和一個彈簧部件410，與各錨件400耦合。各彈簧部件410相對襯底340可移動，并且與致動器部件370可操作地耦合。
為了提供微型致動器320的必要致動，例如通過固定在錨件400和定子350的電極(未示出)，在至少一個定子350與至少一個梭子360之間應用電偏置。在定子350與梭子360之間應用電偏置，例如電壓偏置，則在相互交叉指狀件355和365周圍產(chǎn)生相對極性的電場，從而引起指狀件355和356相互吸引。由所應用電壓偏置產(chǎn)生的吸引力因此引起梭子360向定子350的移動，以便致動器部件370可操作地與金屬結構330中的一個嚙合，從而響應靜電致動器320的致動而閉合微型繼電器310的接觸。在移去電壓偏置下，定子350與梭子360之間的吸引力消散，并且彈簧部件380和390使致動器部件370返回到與金屬結構330脫開的靜止位置，從而打開微型繼電器310的接觸。
根據(jù)以上所述的各種制造方法，能制造包括除熱致動微型致動器以外的微型致動器的MEMS裝置，其中微型致動器由單晶材料例如單晶硅組成，而其他部件由和微型致動器位于相同平面的金屬形成。例如，根據(jù)上述制造技術，能制造包括如圖5所示并且如上所述的靜電微型致動器的MEMS裝置。在本例中，優(yōu)選地將和上述方法的實施例中，由單晶材料形成熱致動微型致動器20的隔開支持件22、致動器部件26和拱形梁24那樣相同方式，由單晶材料形成靜電微型致動器的定子350、梭子360和隔開支持件380、390。另外，也如以上所述那樣，例如通過電鍍，能形成靜電致動的MEMS裝置的金屬部件330，以便與靜電微型致動器位于相同平面。
因此，根據(jù)本發(fā)明，能形成MEMS裝置，例如微型繼電器，它包括由單晶硅形成的微型致動器，而MEMS裝置的其他部件由金屬例如鎳形成，安排在和微型致動器鄰近的襯底上，并且與其大致在相同平面上。由單晶硅制造微型致動器的器件和/或部件，特別是通過使用深度活性離子蝕刻過程，允許器件和/或部件以至少達到10∶1的縱橫比形成。部件的較高縱橫比增加了它們的出平面剛性，并且構成更堅固裝置。本發(fā)明的制造技術還允許器件和/或部件更接近地隔開。例如，在熱致動微型致動器中相鄰硅拱形梁之間的較近間隔，結果在相鄰拱形梁之間產(chǎn)生更有效的熱傳遞。另外，例如通過其中傳送電流，能直接加熱熱致動微型致動器中的單晶硅微型致動器，這樣一般比非直接加熱更為有效。此外，雖然硅的熱膨脹系數(shù)小于金屬例如鎳的熱膨脹系數(shù)，但是硅遠沒有鎳密集，因此對于給定量的功率，硅拱形梁一般能比對應的鎳拱形梁更多地加熱。因此，與具有金屬拱形梁的常規(guī)MEMS微型致動器比較，本發(fā)明的MEMS裝置能具有較大的出平面剛性，能更為堅固，并且能更有效地加熱。
本領域技術人員將會想到本發(fā)明的許多變更和其他實施例，為此本發(fā)明適合具有以上敘述和相關附圖所提出的教導的優(yōu)點。因此，應該理解，本發(fā)明不限于公開的特定實施例，并且各種變更和其他實施例打算包括在所附權利要求的范圍之內(nèi)。雖然這里使用了特定術語，但是它們僅用于一般性和說明性意義，而不是為了限定目的。
權利要求
1.一種微型機電裝置，包括一個微電子襯底；一個熱致動微型致動器，安排在所述襯底上，并且由單晶材料組成；和至少一個金屬結構，安排在所述襯底上，并且與所述微型致動器隔開，其中所述微型致動器適應于響應其熱致動，可操作地接觸所述至少一個金屬結構。
2.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中所述至少一個金屬結構包括兩個金屬結構。
3.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中至少一個金屬結構由所述微型致動器在其熱致動時嚙合和移動。
4.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中所述至少一個金屬結構包括多個金屬結構，其中多個金屬結構中的至少一個可移動，以便所述微型致動器的熱致動使所述微型致動器與可移動金屬結構可操作地接觸，從而允許可移動金屬結構接觸多個金屬結構中的至少一個，以便使金屬結構響應所述微型致動器的熱致動而可以有選擇地接觸。
5.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中微型機電裝置是繼電器，并且所述至少一個金屬結構包括兩個金屬結構，其中一個金屬結構固定，而另一個金屬結構可移動，以便所述微型致動器的熱致動使所述微型致動器與可移動金屬結構可操作地接觸，從而允許可移動金屬結構接觸固定金屬結構，以便使金屬結構響應所述微型致動器的熱致動而可以有選擇地接觸。
6.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中微型致動器還包括隔開的支持件，安排在所述襯底上；至少一個拱形梁，在所述隔開的支持件之間延伸；一個致動器部件，可操作地與所述至少一個拱形梁耦合，并且由此向外延伸；和使所述至少一個拱形梁加熱，以引起其進一步起拱的裝置，以便使所述致動器部件在一個第一位置與一個第二位置之間移動，在第一位置，所述致動器部件與所述至少一個金屬結構隔開，而在第二位置，所述致動器部件可操作地嚙合所述至少一個金屬結構。
7.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中所述微型致動器通過其內(nèi)部加熱而熱起動。
8.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中所述微型致動器通過其外部加熱而熱起動。
9.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中所述微型致動器包括多個耦合在一起的拱形梁。
10.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中所述微型致動器由單晶硅組成。
11.根據(jù)權利要求1的微型機電裝置，其中所述至少一個金屬結構由鎳和金中的至少一種組成。
12.一種制造微型機電結構的方法，該微型機電結構具有單晶材料形成的部件，和金屬材料形成的部件，所述方法包括步驟由單晶材料所組成的晶片，形成一個微型致動器；在一個襯底的第一主要表面上，形成至少一個金屬結構，以便該金屬結構相對襯底可移動；以及在所述形成步驟之后，在襯底的第一主要表面上結合微型致動器，以便微型致動器的部分相對襯底可移動，以便響應其致動而可操作地嚙合金屬結構。
13.根據(jù)權利要求12的方法，其中形成微型致動器的步驟還包括形成熱致動微型致動器和靜電致動器中的至少一個。
14.根據(jù)權利要求12的方法，其中形成微型致動器的步驟還包括由單晶硅晶片形成微型致動器。
15.根據(jù)權利要求12的方法，其中形成微型致動器的步驟包括在晶片上淀積光致抗蝕劑層，使光致抗蝕劑形成圖形，以便保留的光致抗蝕劑限定微型致動器，以及蝕刻晶片，以形成微型致動器。
16.根據(jù)權利要求12的方法，其中形成所述至少一個金屬結構的步驟包括在一個襯底上淀積一個犧牲鍍底，在鍍底上淀積光致抗蝕劑，使光致抗蝕劑形成圖形，以對鍍底打開至少一個窗口，限定所述至少一個金屬結構的形狀，以及在所述至少一個窗口之內(nèi)電鍍金屬，以形成所述至少一個金屬結構。
17.根據(jù)權利要求12的方法，其中形成至少一個金屬結構的步驟還包括由鎳形成所述至少一個金屬結構。
18.根據(jù)權利要求12的方法，其中結合步驟還包括使用低溫結合過程，把微型致動器結合到襯底上，低溫結合過程還包括低溫共熔結合過程和陽極結合過程中的至少一個。
19.一種制造微型機電結構的方法，該微型機電結構具有單晶材料形成的部件，和金屬材料形成的部件，所述方法包括步驟在一個襯底的第一主要表面上，結合由單晶材料組成的晶片；通過晶片限定至少一個窗口；在由晶片限定的所述至少一個窗口之內(nèi)，形成至少一個金屬結構；以及在所述結合步驟之后，由晶片形成一個微型致動器，以便微型致動器的部分相對襯底可移動，以便響應其致動而可操作地嚙合金屬結構。
20.根據(jù)權利要求19的方法，還包括在結合步驟之前，在襯底的表面上淀積一個犧牲鍍底的步驟。
21.根據(jù)權利要求19的方法，其中結合步驟還包括在一個襯底的第一主要表面上，結合一個單晶硅晶片。
22.根據(jù)權利要求19的方法，其中結合步驟還包括使用低溫結合過程，把微型致動器結合到襯底上，低溫結合過程還包括低溫共熔結合過程和陽極結合過程中的至少一個。
23.根據(jù)權利要求19的方法，其中限定步驟還包括在晶片上淀積一個光致抗蝕劑層，使光致抗蝕劑形成圖形，以對晶片打開至少一個窗口，限定所述至少一個金屬結構的形狀，以及蝕刻晶片，以通過所述至少一個窗口暴露鍍底。
24.根據(jù)權利要求19的方法，其中形成至少一個金屬結構的步驟包括在晶片中的所述至少一個窗口之內(nèi)，電鍍金屬，以形成所述至少一個金屬結構。
25.根據(jù)權利要求19的方法，其中形成至少一個金屬結構的步驟包括由鎳形成所述至少一個金屬結構。
26.根據(jù)權利要求19的方法，其中形成微型致動器的步驟還包括形成熱致動微型致動器和靜電致動器中的至少一個。
27.根據(jù)權利要求19的方法，其中形成微型致動器的步驟還包括在晶片上淀積一個光致抗蝕劑層，使光致抗蝕劑形成圖形，以便保留的光致抗蝕劑限定微型致動器，以及蝕刻晶片，以形成微型致動器。
28.一種制造微型機電結構的方法，該微型機電結構具有單晶材料形成的部件，和金屬材料形成的部件，所述方法包括步驟在一個襯底的第一主要表面上，結合由單晶材料組成的晶片；在所述結合步驟之后，在襯底的第一主要表面上，形成至少一個金屬結構，以便該金屬結構相對襯底可移動；以及在所述結合步驟之后，由晶片形成一個微型致動器，以便微型致動器的部分相對襯底可移動，以便響應其致動而可操作地嚙合金屬結構。
29.根據(jù)權利要求28的方法，其中結合步驟還包括使用低溫共熔結合過程、陽極結合過程和熔化結合過程中的至少一個，把微型致動器結合到襯底上。
30.根據(jù)權利要求28的方法，其中結合步驟還包括在襯底的第一主要表面上，結合單晶硅晶片。
31.根據(jù)權利要求28的方法，其中形成至少一個金屬結構的步驟包括在襯底上淀積一個犧牲鍍底，在鍍底上淀積光致抗蝕劑，使光致抗蝕劑形成圖形，以對鍍底打開至少一個窗口，限定所述至少一個金屬結構的形狀，以及在所述至少一個窗口之內(nèi)電鍍金屬，以形成所述至少一個金屬結構。
32.根據(jù)權利要求28的方法，其中形成至少一個金屬結構的步驟還包括由鎳形成所述至少一個金屬結構。
33.根據(jù)權利要求28的方法，其中形成微型致動器的步驟還包括形成熱致動微型致動器和靜電致動器中的至少一個。
34.根據(jù)權利要求28的方法，其中形成微型致動器的步驟包括在晶片上淀積一個光致抗蝕劑層，使光致抗蝕劑形成圖形，以便保留的光致抗蝕劑限定微型致動器，以及蝕刻晶片，以形成微型致動器。
35.一種微型機電裝置，包括一個微電子襯低；一個微型致動器，安排在所述襯底上，并且由單晶材料組成；和至少一個金屬結構，安排在鄰近所述微型致動器的所述襯底上，并且大致在相同平面上，其中所述微型致動器適應于響應其致動，可操作地接觸所述至少一個金屬結構。
36.根據(jù)權利要求35的微型機電裝置，其中微型致動器是熱致動微型致動器和靜電微型致動器中的至少一個。
37.根據(jù)權利要求35的微型機電裝置，其中至少一個金屬結構由所述微型致動器在其致動時嚙合和移動。
38.根據(jù)權利要求35的微型機電裝置，其中所述至少一個金屬結構包括多個金屬結構，其中多個金屬結構中的至少一個可移動，以便所述微型致動器的致動使所述微型致動器與可移動金屬結構可操作地接觸，從而允許可移動金屬結構與多個金屬結構中的至少一個接觸，以便金屬結構響應所述微型致動器的致動而可以有選擇地接觸。
39.根據(jù)權利要求35的微型機電裝置，其中微型機電裝置是繼電器，并且其中所述至少一個金屬結構包括兩個金屬結構，其中一個金屬結構固定，而另一個金屬結構可移動，以便所述微型致動器的致動使所述微型致動器與可移動金屬結構可操作地接觸，從而允許可移動金屬結構接觸固定金屬結構，以便金屬結構響應所述微型致動器的致動而可以有選擇地接觸。
40.根據(jù)權利要求35的微型機電裝置，其中微型致動器還包括隔開的支持件，安排在所述襯底上；至少一個拱形梁，在所述隔開的支持件之間延伸；一個致動器部件，可操作地與所述至少一個拱形梁耦合，并且由此向外延伸；和使所述至少一個拱形梁加熱，以使其進一步起拱的裝置，以便所述致動器部件在一個第一位置與一個第二位置之間移動，在第一位置，所述致動器部件與所述至少一個金屬結構隔開，而在第二位置，所述致動器部件可操作地嚙合所述至少一個金屬結構。
41.根據(jù)權利要求35的微型機電裝置，其中微型致動器還包括至少一個定子，具有多個由此突出，并且安排在所述襯底上的指狀件；至少一個梭子，鄰近定子安排，并且相對其可移動，該梭子具有多個由此突出的指狀件，這些指狀件與從定子突出的指狀件相互交叉；至少一個支持件，安排在襯底上；一個致動器部件，可操作地與所述至少一個梭子和所述至少一個支持件耦合；和使所述至少一個定子相對所述至少一個梭子電偏置，以引起梭子的移動的裝置，以便所述致動器部件在一個第一位置與一個第二位置之間移動，在第一位置，所述致動器部件與所述至少一個金屬結構隔開，而在第二位置，所述致動器部件可操作地嚙合所述至少一個金屬結構。
42.根據(jù)權利要求35的微型機電裝置，其中所述微型致動器由單晶硅組成。
43.根據(jù)權利要求35的微型機電裝置，其中所述至少一個金屬結構由鎳和金中的至少一種組成。
全文摘要
提供一種微型機電(MEMS)裝置(10),它包括一個微電子襯底(40),一個微型致動器(20),安排在該襯底(40)上,并且由單晶材料形成,和至少一個金屬結構(30),安排在鄰近微型致動器(20)的襯底(40)上,以便該金屬結構(30)和微型致動器(20)大致在相同平面上,并且由此致動。例如,該MEMS裝置可以是微型繼電器(10)。照這樣,微型繼電器(10)可以包括一對金屬結構(32,34),它們由微型致動器的選擇致動而可控制地成為接觸。雖然MEMS裝置能包括各種各樣的微型致動器,但是微型致動器的一個實施例是熱致動的微型致動器,它有利地包括一對安排在襯底上的隔開的支持件,和至少一個在它們之間延伸的拱形梁(24)。通過加熱微型致動器(20)的至少一個拱形梁(24),拱形梁(24)將進一步起拱。在一個選擇實施例中,微型致動器是靜電微型致動器,它包括一個靜止的定子和一個可移動的梭子。在定子與梭子之間施加電偏置,引起梭子相對定子移動。因此,在致動時,微型致動器在一個第一位置與一個第二位置之間移動,在第一位置,微型致動器與至少一個金屬結構隔開,而在第二位置,微型致動器可操作地嚙合至少一個金屬結構。還提供了幾種制造具有單晶部件和金屬部件兩者的MEMS裝置的有利方法。
文檔編號H01H61/02GK1321323SQ00801790
公開日2001年11月7日 申請日期2000年8月7日 優(yōu)先權日1999年8月25日
發(fā)明者維賈亞庫馬爾·R·德胡勒 申請人:克羅諾斯集成微系統(tǒng)公司