微機電系統裝置內結構的機電行為的控制的製作方法

2023-04-28 04:40:46 2

專利名稱：微機電系統裝置內結構的機電行為的控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及微機電系統裝置。具體地，本發明涉及微機電系統裝置內薄膜結構並涉及這樣的薄膜結構的機電和光學響應。
背景技術：
現在，廣泛的微機電系統(MEMS)裝置可用微製造技術製造。這些MEMS裝置的例子包括馬達，泵，閥門，開關，傳感器，像素，等。
通常這些MEMS裝置利用不同領域，如光學、電氣和機械領域的原理和現象。這些原理和現象雖然在宏觀上看起來難於利用，但在MEMS裝置的微觀世界中是十分有用的，在MEMS裝置中這些現象被放大。例如，雖然通常在宏觀世界被認為太微弱而無法利用的靜電力在MEMS裝置的微觀世界足以以高速和低功率消耗來驅動這些裝置。
用在MEMS裝置中的材料通常是基於它們光學、電氣、和機械領域的本徵特性和對如激勵或驅動電壓(actuation voltage)的輸入的特徵響應選擇的。
影響MEMS裝置製造的一個問題是在某些情形中，對輸入，如對入射光的光學響應具有高度需要的響應的材料也對輸入，例如，對驅動或激勵電壓的機電響應有不需要的響應。為了克服或至少減少不需要的響應，必須以大的成本發現或開發新材料。
MEMS裝置的製造的另一個問題是有時根據其特徵響應選擇的材料可能由於暴露於化學試劑而被損傷，該化學試劑是在具體的微製造過程中使用。這引起材料對輸入的特徵響應減弱。

發明內容
在一個實施例中，本發明提供一種用於製造微機電系統裝置的方法。該方法包括製造第一層，該第一層包括具有特徵機電響應，和特徵光學響應的膜或結構化膜，其中特徵光學響應是需要的，而特徵機電響應是不需要的；和通過操縱在微機電系統裝置驅動期間第一層上累積的電荷而修改第一層的特徵機電響應。


圖1和圖2分別示出未驅動狀態的和驅動狀態的MEMS裝置的方框圖；圖3示出圖1和2中用於MEMS裝置的驅動和釋放電壓的圖；圖4示出按照本發明的一個實施例用於MEMS裝置的薄膜疊層的實施例；圖5示出MEMS裝置的滯後曲線，該MEMS裝置包括示於圖4中的薄膜疊層；圖6示出用於MEMS裝置的薄膜疊層的另一個實施例；圖7示出MEMS裝置的滯後曲線，該MEMS裝置包括示於圖6中的薄膜疊層；圖8a示出按照本發明的一個實施例的MEMS裝置中靜電流流動系統的方框圖；圖8b示出圖8a中靜電流流動系統的示意圖，說明系統的操作原理；以及圖9示出按照本發明的MEMS裝置的另一個實施例。
具體實施例方式
微機電系統(MEMS)裝置內的具體結構或層對於其對入射光形式的輸入的光學響應是需要的，但同時，對驅動或激勵電壓形式的輸入有不需要的機電響應。本發明公開用於操縱或控制這種結構或層的機電響應的技術，因此至少減少不需要的機電響應。
作為MEMS裝置的說明性的而非限制性的例子，考慮示於圖1中的幹涉調製器(IMOD)裝置10。參考圖1，可以看到為了說明的目的，IMOD裝置10被極大地簡化以便使本發明的方案更清楚。
IMOD裝置10包括透明層12和反射層14，反射層14通過空氣間隙16與透明層12隔開。透明層14由支柱18支撐並可朝透明層12靜電偏移從而靠近空氣間隙16。連接至驅動機構22上的電極20用來引起反射層14的靜電偏移。圖1示出未驅動或未偏移狀態下的反射層14，而圖2示出驅動或偏移狀態下的反射層14。反射層14通常被選擇用來在其與透明層12接觸時產生需要的對入射光的光學響應。在一種IMOD設計中，透明層12可包括SiO2。電極20和透明層12在襯底24上形成。襯底24，和其上的電極20，和透明層12被稱為「薄膜疊層」。
通常，多個IMOD裝置10被製造成大陣列以便在反射性顯示器中形成像素。在這樣反射性顯示器中，每個IMOD裝置10基本定義一個像素，其在未驅動狀態時具有特徵光學響應，並在驅動狀態時具有特徵光學響應。可選擇透明層12和空氣間隙16的大小以便在未驅動狀態時反射性顯示器的IMOD可反射紅，藍，或綠光，且在驅動狀態時吸收光。
可以理解在反射性顯示器操作過程中，IMOD裝置10被快速激勵，並被去激勵以傳輸信息。IMOD裝置10的反射層14被向透明層12靜電驅動，且當IMOD 10被去激勵時，允許反射層14返回至未驅動狀態。為了將反射層14保持在驅動的狀態下，向每個IMOD裝置10施加偏壓。
如果驅動電壓Vactuation等於釋放電壓Vrelease，那麼選擇適當的偏壓Vbias就會變得極度困難，其中驅動電壓被定義為靜電驅動IMOD裝置的反射層14至如圖2所示的其驅動狀態所需的電壓，釋放電壓被定義為反射層14返回至如圖1所示的其未偏移狀態的電壓，而偏壓可施加至反射性顯示器中所有IMOD 10以將反射性顯示器內各個IMOD裝置10的反射層14保持在驅動狀態。其原因是反射性顯示器內每個IMOD10可具有稍微的變化，例如，層12，14等的厚度的變化，實際上這導致每個IMOD 10的釋放電壓Vrelease不同。進一步，由於線電阻，基於在顯示器內的位置，實際施加至每個IMOD 10上的電壓也將有變化。這使得為Vbias選擇值，即使不是不可能，但也很困難，該偏壓將各個IMOD 10的反射性層14保持在反射性顯示器內處於驅動的狀態。這可參考圖3得到解釋，圖3示出觀察到的IMOD 10的反射層14的滯後行為，其中透明層12包括SiO2。
參考圖3，示出了對於包括SiO2透明層的IMOD 10的曲線30，其X軸表示施加的電壓(以伏特表示)，Y軸以伏特表示測量的光學響應。如可看到的那樣，反射層14的驅動發生在12.5伏特，即Vactuation等於12.5伏特，且當施加的電壓落到12.5伏特以下，即Vrelease等於12.5伏特時，反射層14返回至其未驅動的狀態。因此IMOD裝置10中的反射層14沒有顯示出滯後，IMOD裝置10中透明層僅包括SiO2。因此，如果反射性顯示器是用IMOD裝置10製造的，每個IMOD裝置10包括僅具有SiO2的透明層12，為Vbias選擇值將是不可能的。例如，如果Vbias被選擇為12.5伏特，由於反射性顯示器中IMOD裝置10中的變化，對於至少某些IMOD裝置10，12.5伏特的Vbias將不能保持IMOD裝置10中的反射層14處於驅動狀態。
為了選擇Vbias，該Vbias足夠保持反射性顯示器中各個IMOD裝置10的反射層14處於驅動狀態，反射性顯示器中各個IMOD裝置10的每個反射層14顯示某種程度的滯後是需要的，該滯後被定義為Vactuation和Vrelease之間的非零差。
可以理解，每個IMOD裝置10的反射層14的機電響應是由反射層14的機電特性和透明層12的電氣特性決定的。在一個特殊的IMOD裝置設計中，透明層12包括SiO2，其在反射層14與其接觸時給出所需的光學響應。然而，包括SiO2的透明層12具有一定的電氣特徵或特性(SiO2捕獲負電荷)，該特性影響反射層14的滯後行為。因此，除了影響反射層14的滯後行為的不需要的對驅動或驅動電壓的機電響應，透明層12還具有需要的光學響應。
按照本發明的一個實施例，透明層12的機電行為可通過添加另外的層至薄膜疊層而改變。這另外的層至少最小化或補償透明層12對反射層14的滯後行為的影響。
在本發明的一個實施例中，另外的層包括Al2O3，其是按照公知的沉積技術沉積於透明層12上。這導致如圖4所示的薄膜疊層40，該薄膜疊層包括襯底42、電極44、SiO2反射層46、和用作電荷捕獲層的Al2O3層48。
圖5示出包括薄膜疊層40的IMOD裝置10的滯後曲線50。如滯後曲線30所示，X軸繪出所施加的以伏特表示的電壓，而Y軸繪出以伏特表示的光學響應。滯後曲線50顯示由Vactuation(7.8伏特)和Vrelease(5.0伏特)之間的差定義的2.8伏特的滯後窗口(hysteresis window)。當反射性顯示器中各個IMOD 10每個都具有反射層14時，可以看到可以為Vbias在5伏特和7.8伏特之間選擇值，該反射層14按照滯後曲線50顯示滯後，該Vbias有效地執行保持反射性顯示器中每個IMOD裝置10的反射層14於其驅動狀態的功能。在本發明的另一個實施例中，薄膜疊層可被進一步修改以包括在反射層12上或下的Al2O3層。該實施例示於圖6中，其中可以看到薄膜疊層60包括襯底62，電極64，第一Al2O3層66，SiO2透明層68和第二Al2O3層70。
圖7示出IMOD裝置10的透明層14的滯後曲線80，該IMOD裝置10具有示於圖6中的薄膜疊層60。如可看到的那樣，滯後窗口現在更寬，即4.5伏特，其是Vactuation(9伏特)和Vrelease(4.5伏特)之間的差。
然而，可使用具有高電荷密度的其它材料。這些材料包括AlOx，其是偏離化學計量形式的Al2O3、偏離化學計量形式氮化矽(Si3N4)、偏離化學計量形式的(SiNx)、偏離化學計量形式的五氧化二鉭(Ta2O5)及偏離化學計量形式的(TaOx)。所有這些材料具有比SiO2高几個數量級的電荷捕獲密度，並傾向於捕獲任一種極性的電荷。與SiO2相比，因為這些材料具有高電荷捕獲密度，其相對容易讓電荷進出這些材料，SiO2具有低電荷捕獲密度並且僅具有用於捕獲負電荷的親合勢(affinity)。
具有高電荷捕獲密度的材料的其它例子包括稀土金屬氧化物(如，氧化鉿)，和聚合物材料。進一步，經攙雜以捕獲負或正電荷的半導體材料也可用來形成另外的層在SiO2透明層12之上，和可選地在SiO2透明層12之下。
至此，已經描述了用於操縱MEMS裝置的機電行為的方法，其中在MEMS裝置中累積的電荷是通過使用電荷捕獲層而控制的，該電荷捕獲層具有高電荷捕獲密度。然而，將會理解本發明涵蓋任何電荷捕獲層的使用以改變或控制MEMS裝置的機電行為，而無論其中的電荷捕獲密度的大小。自然地，電荷捕獲層的選擇將由所需的MEMS裝置的機電行為決定，而無論其電荷捕獲密度的高，低，或適中等。
在某些實施例中，金屬的使用，以薄層或聚集的形式，提供用於操縱MEMS裝置中主膜的電荷捕獲密度的另一種機制。通過製造空穴或產生偏差或其材料特徵的周期性而構建主膜也可以用來改變電荷捕獲特徵。
根據本發明的另一個實施例，IMOD裝置10包括化學阻擋層，其沉積於反射層12上，以便保護反射層12免受由於暴露至微製造工藝中化學蝕刻劑而造成的損壞或退化。例如，在一個實施例中，包括SiO2的透明層12是由其上的包括Al2O3的覆蓋層保護的，該覆蓋層用作如XeF2蝕刻劑的化學阻擋層。在這樣的實施例中，已經發現當透明SiO2層12被保護免受蝕刻劑的損傷時，SiO2中的不一致性和機電行為中伴隨的不一致性被消除，因此使每個IMOD裝置10中的透明層14顯示滯後。
圖8a和圖8b示出MEMS裝置中另一個應用，其中電荷捕獲層用來控制MEMS裝置中結構的電磁行為。
參考圖8a，附圖標記90總體表示部分靜電流流動系統。該靜電流流動系統包括襯底92，其中形成有一般為U形的溝道94。溝道94包括第一材料的內層96，該第一材料是這樣選擇的，例如，根據其化學和機械特性，例如，該材料是耐磨損的，並且由於溝道內流動有流體，因此其具有小的退化趨勢。該溝道94也包括外部層98，其是由於其電荷捕獲特性而選擇的，這將在下面更詳細地解釋。
靜電流流動系統90也包括成對的電極100和102，其被選擇性地激勵或通電以引起電荷粒子在溝道94內的流體中沿圖8b中的箭頭104指示的方向偏移。在一個實施例中，外層98捕獲流動中的電荷從而提供對系統101中流體流動的更強的控制。在另一個實施例中，層98也可捕獲電荷以便消除或減少滯後效應。
現參考圖9，圖9示出了使用電荷捕獲層以改變所示的MEMS裝置中結構的機電行為的另一個應用。在圖9中，附圖標記120總體指示包括轉子122的馬達，轉子122軸向與定子124對齊並與其隔開。如看到的那樣，定子124形成於襯底126上，並包括電極128，其在使用中被驅動機構(未示出)通電或激勵。轉子122包括圓柱形部分130，其和中軸132一樣快。轉子122可以是一種材料，該材料是根據其機械特性包括耐磨損性而選擇的，但可能有響應輸入的不需要的電氣特性，如當電極128被通電或激勵以引起轉子122旋轉時。為了補償這些不需要的電氣特性，層134和136沉積於轉子122上，以便有效地用作電荷捕獲層以改變轉子122的機電行為。
雖然本發明是參考特定的示例性實施例進行說明的，顯然可以對這些實施例做不同的修改和變化，而不偏離所附權利要求所提出的更廣泛的精神。因此，說明書和附圖被看作是說明性的而非限制性的。
權利要求
1.一種用於製造微機電系統裝置的方法，該方法包括製造第一層，其包括具有特徵機電響應和特徵光學響應的至少一種膜，其中所述特徵光學響應是需要的，而所述特徵機電響應是不需要的；以及通過控制在所述微機電系統裝置驅動過程中所述第一層上電荷的累積而修改所述第一層的所述特徵機電響應。
2.如權利要求1所述的方法，其中控制電荷累積包括，製造至少一層第二層在所述第一層上或附近，所述第二層具有捕獲電荷的材料。
3.如權利要求2所述的方法，其中製造所述至少一層第二層包括製造兩層第二層，以便所述第一層被夾在所述兩層第二層之間。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述第一層包括SiO2而所述第二層包括Al2O3。
5.如權利要求1所述的方法，進一步包括，製造可偏移層，其可從未驅動狀態靜電偏移至驅動狀態，在該未驅動狀態，其與所述第一層通過間隙隔開，在該驅動狀態，所述間隙至少部分地減小，其中所需的偏移所述可偏移層至其驅動狀態的驅動電壓大於所需的保持所述可偏移層於其驅動狀態的偏壓。
6.一種微機電系統裝置，其包括第一層；和至少一層第二層，該至少一層第二層在所述第一層上或附近，其中每層第二層具有的材料具有電荷捕獲密度，以操縱累積於所述第一層上的電荷。
7.如權利要求6所述的微機電系統裝置，其中每層第二層具有的所述電荷捕獲密度使其可以用作電荷陷阱以至少減少在所述第一層上累積的電荷。
8.如權利要求6所述的微機電系統裝置，其包括兩層第二層，所述兩層第二層設置成將所述第一層置於其間。
9.如權利要求6所述的微機電系統裝置，其中所述第一層包括SiO2，而所述第二層包括Al2O3。
10.如權利要求9所述的微機電系統裝置，其中所述第一層和第二層定義膜疊層，且所述裝置進一步包括可偏移層，該可偏移層可從未驅動狀態靜電偏移至驅動狀態，在該未驅動狀態，其與所述膜疊層通過間隙隔開，在該驅動狀態，所述間隙至少部分地減小，其中所需的偏移所述可偏移層至其驅動狀態的驅動電壓大於所需的保持所述可偏移層於其驅動狀態的偏壓。
11.如權利要求10所述的微機電系統裝置，其中所述膜疊層和所述可偏移層定義幹涉調製器中的元件。
12.如權利要求6所述的微機電系統裝置，其中所述至少一層第二層用作阻擋層以保護所述第一層免受蝕刻劑的損傷。
13.一種微機電系統裝置，其包括包括SiO2的層；和包括Al2O3的至少一個層，其在包括SiO2的層上或附近。
14.如權利要求13所述的微機電系統裝置，其包括兩層Al2O3，所述兩層Al2O3設置成可以將包括SiO2的層置於其間。
15.一種微機電系統裝置，其包括多個部件，每個部件包括可在未驅動狀態和驅動狀態之間靜電偏移的元件；以及驅動機構，其施加驅動電壓至每個部件以將其各個元件從未驅動狀態偏移至驅動狀態，並施加偏壓至每個部件以保持各個元件處於驅動狀態，其中所述驅動電壓大於所述偏壓。
16.如權利要求15所述的微機電系統裝置，其中每個部件包括定義為[Vactuation-Vrelease]×100的至少20％的滯後窗口，其中Vactuation是驅動電壓，而Vrelease是釋放電壓，在Vrelease時所述可偏移層返回至其未驅動狀態。
17.如權利要求15所述的微機電系統裝置，其中所述多個部件中的每個部件都定義一幹涉調製器，所述幹涉調製器可操作以反射一定波長的光。
18.一種微機電系統裝置，其包括多個幹涉調製器，每個幹涉調製器包括反射層和透明層，該透明層一般與所述反射層以一定的間隙隔開，這對應於幹涉調製器的未驅動狀態，所述反射層可被靜電向所述透明層驅動以至少降低所述間隙的高度，這對應於所述幹涉調製器的驅動狀態；以及驅動機構，其驅動每個幹涉調製器至其驅動狀態，其中所需的驅動每個透明層至其驅動狀態的驅動電壓大於保持每個透明層處於其驅動狀態所需的偏壓。
19.如權利要求18所述的微機電系統裝置，其中每個幹涉調製器包括電荷捕獲層，該電荷捕獲層被設置在所述透明層和所述反射層之間。
20.如權利要求18所述的微機電系統裝置，其中每個幹涉調製器包括兩層電荷捕獲層，所述電荷捕獲層被設置成可以將所述反射層置於其間。
21.如權利要求18所述的幹涉調製器，其中所述透明層包括SiO2而所述電荷捕獲層包括Al2O3。
全文摘要
在一個實施例中，本發明提供一種製造微機電系統裝置的方法。該方法包括製造第一層(14)，該層包括具有特徵機電響應，和特徵光學響應的膜，其中該特徵光學響應是需要的而特徵機電響應是不需要的；並通過至少降低在微機電系統裝置驅動(activation)期間其上形成的電荷而修改第一層的特徵機電響應。
文檔編號H01L21/00GK1723571SQ03821986
公開日2006年1月18日 申請日期2003年9月18日 優先權日2002年9月20日
發明者M·W·邁爾斯, J·貝蒂, C·徐, M·科塔裡 申請人:Idc公司