專利名稱：微機(jī)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及機(jī)電裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及通過微機(jī)械加工形成壓電裝置的方法。
背景技術(shù)：
圖1表示常規(guī)的機(jī)電裝置101，例如壓電裝置。壓電裝置通常包括支承構(gòu)件102，其具有布置在支承構(gòu)件至少一個(gè)表面上的壓電陶瓷元件104a-b。支承構(gòu)件102通過將金屬板沖壓、彎曲和/或模塑成適當(dāng)?shù)男螤疃纬?。壓電元?04a-b布置在支承構(gòu)件上。
壓電薄膜淀積在金屬支承構(gòu)件的表面上。但是，金屬部件在加工壓電薄膜所需的氧化環(huán)境中升高的溫度下很容易氧化。而且，用于生產(chǎn)壓電薄膜的加工必須適于降低金屬部件的氧化。因而，壓電薄膜采用例如水熱生長在更低溫度下被生產(chǎn)。這種方法生產(chǎn)的薄膜具有比通過例如濺射、MOCVD或溶膠凝膠法利用高溫退火生產(chǎn)的薄膜更差的屬性和機(jī)械粘著力。而且，構(gòu)件被侵入在腐蝕性溶液中以實(shí)現(xiàn)水熱生長，這樣導(dǎo)致嚴(yán)重的污染和加工相容性問題。
因此，從以上論述中可以看出，需要提供可靠的機(jī)電裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總體涉及機(jī)電裝置。在一種實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及一種制造機(jī)電裝置的方法。所述方法包括通過設(shè)置第一、第二和第三層形成機(jī)電裝置的支承構(gòu)件。第二和第三層的內(nèi)表面連接在第一層上以形成具有至少一個(gè)空腔的支承構(gòu)件。在形成支承構(gòu)件之后，在第二和第三層中的至少一個(gè)的外表面上設(shè)置機(jī)電式活動(dòng)元件。
在一種實(shí)施方式中，由單晶硅形成第一、第二和第三層。在另一實(shí)施方式中，第一層由玻璃形成并且第二和第三層由單晶硅形成。機(jī)電式活動(dòng)元件包括由壓電薄膜分隔的第一和第二電極。此外，機(jī)電裝置借助微機(jī)械加工和成批處理，以便于小型化并降低制造成本。


圖1表示常規(guī)的機(jī)電裝置；圖2表示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的機(jī)電裝置；圖3-6表示根據(jù)本發(fā)明多種實(shí)施方式的機(jī)電裝置；圖7a-g表示用于根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式制造機(jī)電裝置的過程；圖8表示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的基片的布置圖；圖9a-c表示用于根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式制造機(jī)電裝置的過程的一部分；以及圖10-12表示用于形成支承構(gòu)件的多種空腔結(jié)構(gòu)的過程。
具體實(shí)施例方式
圖2表示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的機(jī)電裝置201。該機(jī)電裝置包括支承構(gòu)件210，其具有支承構(gòu)件的第一和第二主外表面224a-b。主外表面位于構(gòu)件的相對(duì)兩側(cè)，由空腔250分隔。機(jī)電裝置借助并行制造技術(shù)以提高生產(chǎn)能力并降低制造成本。在一種實(shí)施方式中，機(jī)電裝置通過例如在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中采用的微機(jī)械加工技術(shù)形成。
在一種實(shí)施方式中，主外表面通過第一和第二主支承元件220a-b提供。在一種實(shí)施方式中，主支承元件連接在通過至少一個(gè)次支承元件230提供的支承構(gòu)件的中心部分上。如圖所示，第一和第二次支承元件230a-b被設(shè)置成與主支承元件相連。在一種實(shí)施方式中，次支承元件的形狀限定了空腔的形狀。空腔的形狀應(yīng)該被選定為使構(gòu)件具有足夠的柔韌性以產(chǎn)生所需量值的彎曲變形或振動(dòng)。在一種實(shí)施方式中，空腔包括矩形形狀。根據(jù)設(shè)計(jì)要求還可以采用其他幾何形狀。例如，空腔350可以是由次元件330a-b的形狀形成的H形，如圖3所示。
在另一實(shí)施方式中，支承構(gòu)件包括多于一個(gè)的空腔?？涨豢梢杂扇我鈹?shù)量的次支承元件形成。例如，參照圖4，第一和第二空腔450a-b由單個(gè)支承元件430形成。備選地，第一和第二空腔550a-b可以由第一、第二和第三次支承元件530a-c形成，如圖5所示。盡管空腔被示出是矩形形狀的，但如以上所述應(yīng)該認(rèn)識(shí)到還可以采用其他幾何形狀。此外，不同空腔的形狀可以是相同、不同或相互鏡像的。
返回參照圖2，可采用多種類型的材料形成支承構(gòu)件。在一種實(shí)施方式中，支承構(gòu)件包括可以承受用于制造機(jī)電裝置的各種加工條件的材料。例如，在主動(dòng)機(jī)電元件例如壓電薄膜直接形成在主表面224a-b上的情況下，支承構(gòu)件的材料不應(yīng)該由于在加工過程中經(jīng)受較寬溫度范圍變化而表現(xiàn)出明顯的膨脹、收縮或變形。
多種支承元件可以由相同或不同材料形成。在一種實(shí)施方式中，次支承元件包括第一材料同時(shí)主支承元件包括第二材料。在一種實(shí)施方式中，支承元件的第一材料來自更大的第一基片以便于多個(gè)裝置同時(shí)并行加工。兩個(gè)主支承元件的第二材料來自與第一基片相連的兩個(gè)更大的第二基片。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到兩個(gè)主支承元件不需要由相同的材料形成，第一和第二材料也不需要由不同材料形成。
支承元件的材料例如包括硅或玻璃。還可以采用其他類型的材料例如陶瓷、玻璃陶瓷、其他結(jié)晶體、單晶或非結(jié)晶材料、或者它們的組合。在一種實(shí)施方式中，第一和第二材料包括結(jié)晶材料。在一種實(shí)施方式中，第一和第二材料包括單結(jié)晶硅。還可以采用其他類型的結(jié)晶材料。所述硅通過硅晶片提供以便于裝置的并行加工。
在一種實(shí)施方式中，提供次支承元件的第一結(jié)晶硅晶片定位在與連接晶片方向(即z方向)相平行的<110>結(jié)晶方向上。連接在第一硅晶片相對(duì)主表面上以形成主支承元件的第二和第三硅晶片定位在與z方向相平行的<100>或<110>方向上。還可以采用其他結(jié)晶片定位方式。在一種實(shí)施方式中，晶片采用升溫過程被連接。該過程例如包括硅與硅的熔合粘結(jié)。還可以根據(jù)所采用材料的類型采用其他連接技術(shù)例如采用便于粘附的中間層、激光輔助粘結(jié)以及陽極粘結(jié)。
在一種實(shí)施方式中，機(jī)電式活動(dòng)元件設(shè)置在支承構(gòu)件的第一和第二主外表面中的至少一個(gè)上。在一種實(shí)施方式中，機(jī)電式活動(dòng)元件260a-b設(shè)置在支承構(gòu)件的第一和第二主外表面上。還可以設(shè)置比第一和第二機(jī)電式活動(dòng)元件更多的元件，例如包括在主外表面以外的表面上。
在一種實(shí)施方式中，機(jī)電式活動(dòng)元件包括用于形成壓電裝置的壓電疊層。還可以采用其他類型的機(jī)電式活動(dòng)元件。壓電疊層包括夾在第一和第二電極266和268中間的活動(dòng)材料或薄膜264。在一種實(shí)施方式中，活動(dòng)薄膜包括壓電薄膜。還可以采用其他類型的活動(dòng)薄膜。第一電極是下電極并且第二電極是上電極。還可以采用其他類型的多層壓電疊層，例如具有兩個(gè)以上的電極并且每個(gè)由活動(dòng)薄膜分隔。
可以采用多種類型的壓電材料形成活動(dòng)薄膜。在一種實(shí)施方式中，壓電材料包括壓電陶瓷材料。壓電陶瓷材料例如包括鈦酸鉛(PT)、鋯鈦酸鉛(PZT)、鎂鈮酸鉛(PMN)，鋅鈮酸鉛(PZN)或它們的組合。還可以采用其他類型的壓電陶瓷。在一種實(shí)施方式中，壓電陶瓷包括繞相變邊界(MPB)的組合物，例如Pb(Zr0.52Ti0.48)O3或者0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3。如上所述，還可以采用其他類型的材料形成活動(dòng)薄膜。這些材料例如是包括電致伸縮陶瓷、鐵電陶瓷或反鐵電陶瓷的電致伸縮材料。
在一種實(shí)施方式中，電極由室溫下為固態(tài)的導(dǎo)電材料形成。導(dǎo)電材料包括與壓電材料穩(wěn)定相處的材料。例如，導(dǎo)電材料包括貴金屬或其合金。還可以材料導(dǎo)電材料例如導(dǎo)電陶瓷。還可以采用其他類型的導(dǎo)電材料。在一種實(shí)施方式中，下電極包括鉑并且上電極包括金。還可以采用用于不同電極的材料的其他組合。例如，兩個(gè)電極可以由相同材料或不同類型的材料形成。
在一種實(shí)施方式中，絕緣層270設(shè)置在下電極和主支承表面之間，從而使下電極與主支承元件絕緣和/或提高它們之間的粘附力。絕緣層的采用對(duì)支承構(gòu)件由非絕緣材料形成的應(yīng)用特別有利。絕緣層例如包括電介質(zhì)材料例如SiO2。還可以采用其他類型的絕緣或電介質(zhì)材料。
如圖所示，上電極包括至少一個(gè)接觸焊盤269。在一種實(shí)施方式中，接觸焊盤定位在主支承元件第一端221或向著主支承元件第一端221定位。為了進(jìn)入下電極，設(shè)置接觸開口或窗口274。在一種實(shí)施方式，接觸窗口位于主支承元件的第一端。在接觸焊盤和窗口之間應(yīng)該設(shè)置足夠大的空間以避免出現(xiàn)短路問題。還可以將接觸焊盤和接觸窗口定位在其他位置。例如，接觸焊盤和窗口不需要相互接近地定位。
在備選實(shí)施方式中，上電極被分成第一和第二上電極668a-b，如圖6所示。每個(gè)電極與接觸焊盤(669a或669b)相聯(lián)合。在一種實(shí)施方式中，接觸焊盤定位在主支承元件的第一端或向著主支承元件第一端定位。還可以將接觸焊盤定位在主支承元件的其他位置。還可以將上電極分成多于兩個(gè)電極。采用多個(gè)電極能夠更精密地控制主支承元件的移動(dòng)以改善或優(yōu)化壓電裝置的性能。
在一種實(shí)施方式中，設(shè)置粘結(jié)加強(qiáng)層來提高下電極和絕緣層之間的粘附力。還可以在上電極和壓電薄膜之間設(shè)置另一粘結(jié)加強(qiáng)層(未示出)以提高兩個(gè)層之間的粘附力。粘結(jié)加強(qiáng)層例如包括鈦。還可以采用其他類型的粘結(jié)加強(qiáng)層。
在一種實(shí)施方式中，采用薄膜淀積技術(shù)形成壓電疊層的多個(gè)層。這些技術(shù)如包括濺射、脈沖激光淀積(PLD)、蒸發(fā)、CVD、MOCVD、旋涂以及浸涂。在一種實(shí)施方式中，通過薄膜加工形成的層包括小于大約5μm的厚度(例如壓電薄膜)。備選地，壓電疊層采用例如粘結(jié)劑預(yù)先形成并安裝在支承構(gòu)件上。還可以采用用于設(shè)置壓電疊層的其他技術(shù)。
圖7a-g表示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式用于制造壓電裝置的過程的橫截面圖。參照圖7a，設(shè)置第一基片703。在一種實(shí)施方式中，第一基片被用于形成多個(gè)平行的裝置。第一基片被用于制造包括次元件的壓電裝置支承構(gòu)件的中心部分。在一種實(shí)施方式中，第一基片包括單晶材料例如硅。例如，基片包括4英寸硅晶片。還可以設(shè)置其他尺寸的晶片。還可以采用其他類型的單晶材料以及非單晶材料。例如，可以采用一些材料例如玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷或它們的組合。
第一基片的厚度限定了次支承構(gòu)件的寬度，這影響了支承構(gòu)件的總體厚度。硅晶片的通常厚度是大約200μm-900μm。還可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用其他厚度值。在一種實(shí)施方式中，第一基片在兩側(cè)得到拋光。對(duì)基片表面進(jìn)行拋光例如可以提高粘結(jié)質(zhì)量。當(dāng)基片被拋光時(shí)，應(yīng)該考慮由于拋光所導(dǎo)致的厚度減小。在一種實(shí)施方式中，基片的結(jié)晶取向<110>是基片的厚度方向(z方向)。
參照圖7b，示出了定型之后形成支承構(gòu)件的次支承元件(例如中間部分)的基片的一部分。示意性地，基片的所述部分代表了第一和第二壓電裝置的制造。在一種實(shí)施方式中，第一基片被定型以形成貫穿槽752a-b。這些槽與每個(gè)壓電裝置的單個(gè)矩形空腔相關(guān)聯(lián)。還可以根據(jù)所需的空腔型式或空腔數(shù)量采用其他形式的圖案。
在一種實(shí)施方式中，次支承元件通過微機(jī)械加工技術(shù)形成。這些技術(shù)例如包括濕或干蝕刻技術(shù)。還可以采用其他技術(shù)。在一種實(shí)施方式中，采用用于<110>定向的硅晶片的濕蝕刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)第一基片的定型。
制備基片以用于定型加工。在一種實(shí)施方式中，硬質(zhì)掩模755被用于對(duì)基片進(jìn)行定型。還可以采用其他技術(shù)對(duì)基片進(jìn)行定型。硬質(zhì)掩模形成在第一基片的第一和第二主表面706和707上。在一種實(shí)施方式中，硬質(zhì)掩模包括二氧化硅。還可以采用其他類型的硬質(zhì)掩模材料。例如，可以采用氮化硅作為硬質(zhì)掩模。在一種實(shí)施方式中，氧化硅硬質(zhì)掩模通過熱氧化形成，所述熱氧化包括在大約900℃-1200℃溫度的氧化環(huán)境中對(duì)基片加工大約10小時(shí)。還可以采用其他技術(shù)形成硬質(zhì)掩模例如化學(xué)氣相淀積或?yàn)R射。硬質(zhì)掩模的厚度應(yīng)該足以承受定型加工。在一種實(shí)施方式中，硬質(zhì)掩模大約為2μm厚。還可以采用其他厚度值。
在形成硬質(zhì)掩模后，在其上形成軟質(zhì)掩模(未示出)。在一種實(shí)施方式中，軟質(zhì)掩模包括感光材料例如光致抗蝕劑。還可以采用其他感光材料。軟質(zhì)掩模采用常規(guī)光刻技術(shù)定型以選擇性地使硬質(zhì)掩模的多個(gè)部分露出。例如，軟質(zhì)掩模通過具有所需圖案的石印掩模選擇性地暴露在適當(dāng)波長的輻射下。在一種實(shí)施方式中，一次露出一個(gè)軟質(zhì)掩模。露出之后，根據(jù)采用的正向或負(fù)向感光材料，軟質(zhì)掩模得到顯影以移去露出或未露出的部分。這樣在軟質(zhì)掩模上形成與在基片上形成的槽相對(duì)應(yīng)的窗口或開口。軟質(zhì)掩模的圖案優(yōu)選是相同的。
隨后執(zhí)行濕蝕刻以將硬質(zhì)掩模中由軟質(zhì)掩模露出的部分移去。例如通過浸入濕蝕刻溶液執(zhí)行濕蝕刻。在一種實(shí)施方式中，蝕刻溶液包括氫氟酸和水性氟化胺。還可以采用其他類型的濕蝕刻溶液。當(dāng)兩個(gè)硬質(zhì)掩模同時(shí)定型時(shí)更適宜采用濕蝕刻技術(shù)。還可以采用其他技術(shù)對(duì)硬質(zhì)掩模進(jìn)行定型，例如干蝕刻。
在硬質(zhì)掩模被定型后，軟質(zhì)掩模被移去。隨后基片得到濕蝕刻以形成貫穿其中的槽752a-b。例如通過將基片浸沒在濕蝕刻溶液中來執(zhí)行濕蝕刻。在一種實(shí)施方式中，用于對(duì)基片進(jìn)行蝕刻的濕蝕刻溶液包括水性氫氧化鉀溶液。還可以采用其他類型的蝕刻溶液。例如，(110)定向的硅晶片在30％重量百分比的蝕刻溶液中的蝕刻速率是60℃下每小時(shí)大約13μm。蝕刻時(shí)間可以得到控制以確?；耆晃g刻貫穿，從而產(chǎn)生槽。
在一種實(shí)施方式中，基片的結(jié)晶方向被定位成產(chǎn)生基本上各向異性的濕蝕刻加工。(110)硅晶片在前向(110)和側(cè)向(111)之間的濕蝕刻比率是大約200∶1-300∶1。因此，通過將硅基片定位在<110>方向(例如與上表面和下表面706和707平行的(110)平面)，濕蝕刻將會(huì)產(chǎn)生基本上各向異性的蝕刻，從而能夠在基本上抑制側(cè)向蝕刻的同時(shí)形成槽。
備選地，可以采用干蝕刻例如深度反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)或者包括濺射蝕刻和氣相蝕刻的其他干蝕刻技術(shù)形成次支承元件?？梢詮幕囊粋€(gè)或兩個(gè)主表面執(zhí)行蝕刻。例如，干蝕刻通過從上或下表面進(jìn)行蝕刻或者先從上表面進(jìn)行蝕刻并隨后從下表面進(jìn)行蝕刻來形成槽。僅有得到蝕刻的表面需要硬質(zhì)掩模。還可以采用其他技術(shù)對(duì)基片進(jìn)行定型。所采用的用于對(duì)基片進(jìn)行定型的技術(shù)還取決于基片的材料。
在基片被定型之后，硬質(zhì)掩模被移去?？梢酝ㄟ^濕蝕刻實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)掩模的去除。濕蝕刻例如包括氫氟酸蝕刻溶液。而后為了隨后的加工基片要經(jīng)受預(yù)處理。所述預(yù)處理例如可以包括用于提高基片表面的表面粗糙度的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。在拋光之后，基片隨后得到清洗。在一種實(shí)施方式中，基片利用標(biāo)準(zhǔn)RCA1和RCA2溶液得到清洗并且利用去離子水得到漂洗。還可以采用其他清洗過程。
返回參照圖7c，第二和第三基片721a-b連接在第一定型基片上。在一種實(shí)施方式中，第二和第三基片包括硅。還可以采用其他類型的材料，例如玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷。另外，第二和第三基片無需由相同材料形成。在一種實(shí)施方式中，第二和第三基片定位在<100>方向上。還可以采用其他結(jié)晶定向。
在一種實(shí)施方式中，第二和第三基片通過升溫過程例如熔合粘結(jié)連接在定型的第一基片703上。還可以采用其他技術(shù)連接基片，例如陽極粘結(jié)、膠合粘結(jié)、或熱壓粘結(jié)。
在一種實(shí)施方式中，第二和第三基片在熔合粘結(jié)之前得到預(yù)處理。預(yù)處理例如可以包括對(duì)基片兩側(cè)進(jìn)行拋光以提高表面粗糙度并在RCA2和RCA1溶液中對(duì)它們進(jìn)行清洗，接著在去離子水中進(jìn)行漂洗。在RCA1溶液中處理基片加強(qiáng)了基片上的親水性表面。利用具有親水性表面的基片有利之處在于在高溫熔合粘結(jié)之前能夠進(jìn)行低溫預(yù)粘結(jié)。備選地，基片表面還可以利用等離子得到處理以提供親水性表面。
第二基片連接在第一基片上并在片結(jié)合器中經(jīng)受預(yù)粘結(jié)處理。預(yù)粘結(jié)處理例如包括施加壓力和/或適度地升高溫度。優(yōu)選在基片表面為親水性表面的同時(shí)執(zhí)行預(yù)粘結(jié)處理。在預(yù)粘結(jié)處理之后，第一和第二基片隨后在大約900℃-1200℃下通過退火粘結(jié)在一起大約2個(gè)小時(shí)。預(yù)粘結(jié)和粘結(jié)工序重復(fù)用于第三基片，由此完成基片的粘結(jié)。
通常，基片大約為幾百微米厚。該厚度可以比所需的尺寸更大。如果是這樣，第二和第三基片的厚度可以減小。在一種實(shí)施方式中，第二和第三基片的厚度被減小到大約1μm-60μm。還可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用其他厚度值?？刹捎枚喾N技術(shù)例如機(jī)械研磨、化學(xué)濕蝕刻或等離子蝕刻來減小基片的厚度。還可以采用其他技術(shù)。在一種實(shí)施方式中，通過機(jī)械研磨減小基片厚度。為了在減薄過程之后提高表面粗糙度，基片表面例如可以通過CMP得到拋光。
在備選實(shí)施方式中，第二和第三基片包括SOI基片。通常，SOI基片包括由第一(例如塊)和第二(例如表面)硅晶片夾在當(dāng)中的絕緣層。通常，硅晶片中的一個(gè)(例如表面)比另一個(gè)更薄。在一種實(shí)施方式中，更薄的硅晶片粘結(jié)在形成支承構(gòu)件中心部分的第一基片上。采用SOI晶片例如可以消除或減小硅減薄過程的持續(xù)時(shí)間。
通過濕蝕刻去除不粘結(jié)在第一基片上的硅晶片。例如，基片疊層被浸入在溶解硅的濕蝕刻溶液內(nèi)，例如水性氫氧化鉀溶液。還可以采用其他技術(shù)去除SOI基片的上硅晶片?？梢圆捎帽Ｗo(hù)涂層或機(jī)械夾盤保護(hù)第一基片的外周以及SOI基片粘結(jié)在第一基片上的下硅晶片。
在去除SOI基片的上硅晶片之后，采用濕蝕刻剝?nèi)OI基片的二氧化硅絕緣層。濕蝕刻例如包括HF酸溶液。還可以采用其他技術(shù)或化學(xué)處理去除二氧化硅層。例如，可以通過干蝕刻去除二氧化硅層。
參照圖7d，絕緣層771a-b淀積在第二和第三基片721a-b的外表面上。在一種實(shí)施方式，絕緣層包括二氧化硅。還可以采用其他類型的電介質(zhì)或絕緣材料。例如通過化學(xué)氣相淀積(CVD)技術(shù)淀積所述層?？梢圆捎枚喾N類型的CVD或其他技術(shù)。在一種實(shí)施方式中，在大約280℃的溫度下采用等離子增強(qiáng)CVD(PECVD)淀積絕緣層。絕緣層的厚度大約為0.5μm。還可以采用其他厚度值。
參照圖7e，壓電疊層760a-b的多個(gè)層淀積在絕緣層上。在一種實(shí)施方式中，疊層的多個(gè)層一次在基片疊層的兩側(cè)形成一個(gè)，一次在側(cè)面形成一個(gè)。例如，下電極形成在基片疊層的一側(cè)，接著翻轉(zhuǎn)基片疊層并在另一側(cè)形成下電極。還可以采用其他布置形式形成疊層。
在一種實(shí)施方式中，下電極層766、壓電層764以及上電極層768依次淀積在絕緣層上?？梢栽诮^緣層上設(shè)置粘結(jié)加強(qiáng)層以增加其與下電極層之間的粘附力?？梢圆捎枚喾N技術(shù)淀積壓電疊層的層。在一種實(shí)施方式中，通過薄膜淀積技術(shù)形成壓電疊層的層。這些技術(shù)例如包括濺射、脈沖激光淀積、蒸發(fā)、CVD、旋涂以及浸涂。薄膜加工淀積了具有每個(gè)小于大約5μm厚度的層。還可以采用其他技術(shù)形成不同的層。優(yōu)選但不是必須地，疊層多個(gè)相應(yīng)的層相同或相似。
在一種實(shí)施方式中，粘結(jié)加強(qiáng)層包括大約50nm厚的鈦。粘結(jié)加強(qiáng)層通過濺射得到淀積。下電極層包括貴金屬。在一種實(shí)施方式中，下電極層包括鉑。下電極層例如大約為0.3μm。Ti和Pt層優(yōu)選在一個(gè)濺射循環(huán)內(nèi)淀積在基片疊層的每側(cè)。
壓電層包括PZT。優(yōu)選地，PZT包括繞MPB的目標(biāo)組合物，例如Pb(Zr0.52Ti0.48)O3。還可以采用其他目標(biāo)組合物。壓電層的厚度是大約0.3μm-20μm。優(yōu)選地，壓電層的厚度小于大約5μm。例如通過旋涂諸如溶膠凝膠或金屬有機(jī)物分解(MOD)來淀積PZT層。還可以采用其他技術(shù)例如CVD、脈沖激光淀積以及濺射。
在一種實(shí)施方式中，包含壓電層組合成分的前體溶液被旋涂在下電極上并被加熱以形成壓電層。濕層在大約110℃的溫度下被干燥大約2分鐘，并隨后在大約410℃下經(jīng)受熱解加工大約10分鐘。在所述層在560℃左右被加熱20分鐘之前，旋涂、干燥以及熱解加工重復(fù)大約三次。在一種實(shí)施方式中，上述過程被另外重復(fù)兩次，之后在大約700℃下退火5分鐘。該加工之后壓電層優(yōu)選完全結(jié)晶不具有裂縫。
上電極層淀積在壓電層上。在一種實(shí)施方式中，上電極包括貴金屬。在一種實(shí)施方式中，上電極包括金。還可以采用其他類型的貴金屬或?qū)щ姴牧?。上電極的厚度大約是0.2μm。還可以設(shè)置具有其他厚度值的上電極。在一種實(shí)施方式中，通過濺射淀積上電極層。還可以采用其他淀積技術(shù)形成上電極層。
還可以在上電極層之前形成粘結(jié)加強(qiáng)層以增加上電極層對(duì)壓電層的粘附。粘結(jié)加強(qiáng)層例如包括鈦。還可以采用其他類型的粘結(jié)加強(qiáng)層。在一種實(shí)施方式中，粘結(jié)加強(qiáng)層的厚度大約是20nm。還可以采用其他厚度值。
參照圖7f，基片表面上的層按照需要被定型以形成壓電疊層760a-b?？梢圆捎酶鞣N掩模、蝕刻以及升離技術(shù)(lift-off techniques)形成壓電疊層。例如，可以采用濕或干蝕刻技術(shù)對(duì)壓電疊層的多個(gè)層進(jìn)行定型。
在一種實(shí)施方式中，多個(gè)層采用濕蝕刻技術(shù)被定型。光致抗蝕劑層被形成并定型以在上電極層上形成掩模層?？梢圆捎每刮g劑掩模對(duì)壓電疊層進(jìn)行定型?？梢詫?duì)不同的層采用不同的化學(xué)處理。例如，上電極層在水性碘溶液和水性碘化鉀溶液中被蝕刻，而壓電層在HNO3和HF酸溶液中被蝕刻。還可以采用其他蝕刻溶液對(duì)多個(gè)層進(jìn)行定型。
在一種實(shí)施方式中，采用掩模對(duì)上電極層進(jìn)行定型以形成單個(gè)上電極，例如圖2所示。還可以設(shè)置被用于形成兩個(gè)(如圖6所示)或多個(gè)上電極的掩模。隨后，可以采用另一掩模形成下電極的接觸窗口。
如上所述，所述層采用濕蝕刻技術(shù)被定型。當(dāng)在第二和第三基片兩個(gè)上表面上的壓電疊層的多個(gè)層同時(shí)被定型時(shí)濕蝕刻是優(yōu)選的。備選地，所述層可以采用干蝕刻、濕蝕刻和升離技術(shù)的組合被定型。例如，上電極層可以采用升離過程被定型，下電極層可以通過濕蝕刻過程形成，以及壓電層可以通過干蝕刻過程被定型。在一種實(shí)施方式中，干蝕刻包括采用CHF3/Ar的等離子蝕刻。還可以采用其他構(gòu)造對(duì)所述層進(jìn)行定型。
在備選實(shí)施方式中，壓電疊層的多個(gè)層采用濕蝕刻或干蝕刻技術(shù)分別得到蝕刻。還可以采用對(duì)壓電疊層的多個(gè)層進(jìn)行蝕刻的其他組合。
在另一備選實(shí)施方式中，如果定型過程導(dǎo)致下電極的一部分露出，則可以省去下電極的接觸窗口。例如，下電極可以在電極疊層的至少一端延伸。還可以采用無需接觸窗口而使下電極露出的其他構(gòu)造。
在一種實(shí)施方式中，壓電疊層的定型使絕緣層留在第二和第三基片的表面上，如圖7f所示。在一些情況下，下電極還可以如虛線789所示保留在第二和第三基片的表面上。為了便于基片的切割，可以在基片上形成切割槽。切割槽例如位于兩個(gè)電極疊層之間的區(qū)域783上。為了形成切割槽，下電極和絕緣層的多個(gè)部分被去除(如果存在)。在一種實(shí)施方式中，下電極采用離子研磨得到蝕刻而絕緣層采用CF4得到等離子蝕刻。還可以采用其他技術(shù)對(duì)所述層進(jìn)行定型。
基片疊層隨后被切成單個(gè)裝置701a-b，如圖7g所示。在一種實(shí)施方式中，在疊層上臨時(shí)涂敷保護(hù)層以防止下層在切割過程中損壞。例如，在切割之前光致抗蝕劑層可以旋涂在疊層的每一側(cè)，接著進(jìn)行硬焙燒。在完成切割之后，光致抗蝕劑可以利用例如丙酮溶液被去除。裝置隨后通過施加電場(例如180kv/cm)被啟動(dòng)以將壓電薄膜通電接電極。在接電極之后，薄膜表現(xiàn)出壓電特性。
在另一實(shí)施方式中，首先通過例如對(duì)第一基片進(jìn)行定型并結(jié)合第二和第三基片形成支承構(gòu)件，如圖7a-c所示。在晶片疊層形成之后，預(yù)先形成的壓電疊層采用粘結(jié)劑例如膠合劑或膠帶被安裝在基片上。對(duì)于這種應(yīng)用，預(yù)先形成的壓電疊層同樣還可以包括絕緣層。如果需要，可以在安裝預(yù)先形成的壓電疊層之前形成切割槽。此后，切割晶片以形成單獨(dú)的壓電裝置。備選地，晶片疊層在分別安裝預(yù)先形成的壓電疊層之前被切割。
圖8表示被用于形成多個(gè)壓電裝置的基片疊層808的頂視圖?；B層包括夾在第二和第三基片中間的第一基片。槽852形成在第一基片上。這些槽與支承構(gòu)件的空腔相對(duì)應(yīng)。如圖8所示，槽的長度在x方向。在一種實(shí)施方式中，具有(110)定向的單晶硅晶片被用作第一基片，并且槽的長度方向排列在單晶硅晶片的(111)平面內(nèi)。壓電疊層形成在第二和第三基片(未示出)的上表面上。沿x方向815和y方向816執(zhí)行基片的切割。壓電裝置801定位切割線的交叉點(diǎn)。盡管在每個(gè)方向僅示出了兩個(gè)切割線，但可以認(rèn)識(shí)到在兩個(gè)方向有更多的切割線。
如圖所示，每個(gè)槽可被用于形成多個(gè)裝置。這些槽可以布置在第一基片上以使在基片上形成的裝置的數(shù)量最優(yōu)。通過由基片疊層形成多個(gè)裝置，可以在一個(gè)加工循環(huán)中產(chǎn)生許多裝置。因此顯著提高了生產(chǎn)一致性和效率，降低了制造成本。
圖9a-c表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式用于形成壓電裝置的部分過程。參照圖9a，設(shè)置第一基片903。優(yōu)選地，第一基片被用于平行地形成多個(gè)裝置，第一基片被用于制造包括次元件的壓電裝置支承構(gòu)件的中心部分。在一種實(shí)施方式中，第一基片包括非結(jié)晶材料，例如玻璃。還可以采用其他類型的非結(jié)晶材料。在一種實(shí)施方式中，玻璃基片是4英寸硼硅酸耐熱玻璃7740的玻璃基片。
第一基片被定型以形成壓電裝置支承構(gòu)件的次支承元件。在一種實(shí)施方式中，第一基片被定型以形成槽952a-b。基片可以通過多種技術(shù)例如激光切割、超聲切割、深度反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)被定型。還可以采用其他定型技術(shù)。在一種實(shí)施方式中，玻璃基片利用DRIE被定型。在表1中描述了DRIE過程的參數(shù)。還可以采用其他DRIE過程的參數(shù)。
表1

參照圖9b，設(shè)置第二和第三基片921a-b。第二和第三基片連接在第一定型基片上。優(yōu)選地，基片的材料具有精密匹配的膨脹系數(shù)。通過具有精密匹配的膨脹系數(shù)，通過形成壓電裝置的多個(gè)工序引起的作用在支承構(gòu)件上的應(yīng)力被降低，因?yàn)樗械脑蛎浐褪湛s大致相同的量。這樣使應(yīng)力降至最小，由此提高了支承構(gòu)件的可靠性。
在一種實(shí)施方式中，第二和第三基片包括硅。還可以采用SOI基片或具有類似膨脹系數(shù)的其他類型的材料作為第一基片。另外，第二和第三基片無需由相同材料形成。在一種實(shí)施方式中，第二和第三硅基片定位在<100>方向上。
在一種實(shí)施方式中，利用與第一基片上槽的位置相對(duì)應(yīng)的凹槽923a-b和924a-b制備第二和第三基片。在一種實(shí)施方式中，凹槽的深度大約為2μm-20μm。還可以采用其他深度值可以采用多種掩模和蝕刻技術(shù)例如濕蝕刻或干蝕刻形成凹槽。
在一種實(shí)施方式中，硬質(zhì)掩模被用于對(duì)硅基片進(jìn)行蝕刻。硬質(zhì)掩模例如包括二氧化硅。還可以采用其他類型的硬質(zhì)掩模材料。在一種實(shí)施方式中，通過熱氧化形成硬質(zhì)掩模材料。還可以采用其他技術(shù)例如CVD形成硬質(zhì)掩模。
軟質(zhì)掩模層例如光致抗蝕劑淀積并定型在硬質(zhì)掩模上。不受軟質(zhì)掩模保護(hù)的硬質(zhì)掩模層例如通過濕蝕刻被去除。在一種實(shí)施方式中，濕蝕刻溶液包括氫氟酸和水性氟化胺溶液。還可以采用其他類型的濕蝕刻溶液。備選地，還可以采用干蝕刻例如RIE對(duì)硬質(zhì)掩模進(jìn)行蝕刻?？梢圆捎美鏑HF3/O2(100sccm/2s sccm)以大約100W-150W以及30mT-40mT執(zhí)行RIE。對(duì)硬質(zhì)掩模進(jìn)行蝕刻形成開口，其露出待蝕刻的硅基片的多個(gè)部分以形成凹槽。
第二和第三基片隨后被定型以形成凹槽。在一種實(shí)施方式中，采用濕蝕刻對(duì)基片進(jìn)行定型。濕蝕刻溶液包括KOH溶液?？梢栽诨膬蓚?cè)淀積保護(hù)層以使它們免受蝕刻溶液的作用。備選地，通過干蝕刻例如利用C4F8/SF6的DRIE對(duì)基片進(jìn)行蝕刻。還可以采用其他類型的蝕刻技術(shù)。在對(duì)基片進(jìn)行定型之后，硬質(zhì)掩模利用采用氫氟酸的濕蝕刻被去除。濕蝕刻還去除非蝕刻表面上任何天然的氧化物。
參照圖9c，第二和第三基片921a-b連接在定型的第一基片903上。在一種實(shí)施方式中，基片通過陽極粘結(jié)被連接。為了制備用于粘結(jié)的基片，所有的基片都得到清洗。在一種實(shí)施方式中，基片在NH4OH∶H2O2∶H2O(1∶1∶5)和HCL∶H2O2∶H2O(1∶1∶5)槽中得到清洗。在清洗之后，基片在大約350℃-400℃下利用施加的大約1000V電壓被粘結(jié)。在基片被粘結(jié)之后，繼續(xù)所述過程以形成壓電裝置，如圖7c-g中所述。
圖10-12表示對(duì)第一基片進(jìn)行定型以形成支承構(gòu)件不同空腔構(gòu)造的多種實(shí)施方式。設(shè)置第一基片1003。第一基片例如包括硅。還可以采用其他類型的材料。在一種實(shí)施方式中，硅基片定位在(110)方向上。
參照圖10，基片被定型以形成槽1052a-b?？刹捎枚喾N定型技術(shù)以形成槽，例如結(jié)合圖7a-b所描述的那些技術(shù)。在一種實(shí)施方式中，采用濕蝕刻形成槽。還可以采用其他技術(shù)例如干蝕刻。例如采用在一個(gè)或兩個(gè)基片表面上的硬質(zhì)掩模執(zhí)行蝕刻。第一基片提供用于壓電裝置支承構(gòu)件的第一、第二和第三次支承元件。當(dāng)?shù)诙偷谌?021a-b連接在第一基片上時(shí)，設(shè)置具有由槽1052a-b形成的第一和第二空腔的支承構(gòu)件。該支承構(gòu)件與圖5所述的支承構(gòu)件類似。
參照圖11，第一基片1003被定型以從由基片中間元件1154分隔的上表面和下表面1004a-b形成凹槽1152a-b。在一種實(shí)施方式中，通過濕蝕刻形成凹槽。硬質(zhì)掩模形成在基片的上表面和下表面二者上。對(duì)濕蝕刻定時(shí)使得它不會(huì)蝕刻貫穿基片，由此留出分隔凹槽的中間元件1154。備選地，可以從上表面和下表面執(zhí)行干蝕刻，一次一個(gè)。干蝕刻從上表面和下表面部分地對(duì)基片進(jìn)行蝕刻，在留出中間元件1154的同時(shí)形成凹槽。還可以采用其他技術(shù)形成凹槽。
當(dāng)?shù)诙偷谌?221a-b連接在第一基片上時(shí)，設(shè)置具有由單個(gè)次支承元件形成的第一和第二空腔的支承構(gòu)件，例如在圖4中所述。
參照圖12，示出第一基片1003。在一種實(shí)施方式中，第一基片首先被定型以形成凹槽，如在圖11中所述。在形成凹槽之后，中間元件的一部分被去除以形成間斷1204?？梢圆捎枚喾N技術(shù)例如濕蝕刻或干蝕刻形成間斷。如果采用濕蝕刻，則掩模層形成在上表面和下表面二者上。備選地，如果采用干蝕刻，則僅需要在一個(gè)表面上的一個(gè)掩模。當(dāng)?shù)诙偷谌?221a-b連接在第一基片上時(shí)，形成具有H形空腔的支承構(gòu)件，例如在圖3中所述。
如上所述，可以采用不同掩模型式以及另外的石印工序很容易地形成多種空腔構(gòu)造。還可以通過采用多個(gè)石印和蝕刻工序形成更復(fù)雜的型式。
盡管已經(jīng)參照多種實(shí)施方式具體示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下做出修改和變化。因此本發(fā)明的范圍不是參照以上描述而是參照附加權(quán)利要求連同它們整個(gè)的等效范圍得到確定。
權(quán)利要求
1.一種用于制造機(jī)電裝置的方法，所述方法包括形成支承構(gòu)件，其包括設(shè)置第一層，設(shè)置第二和第三層，每一層具有內(nèi)表面和外表面，將第二和第三層的內(nèi)表面連接在第一層上以形成支承構(gòu)件，其中支承構(gòu)件包括至少一個(gè)在第二和第三層之間的空腔；以及在第二和第三層中的至少一個(gè)的外表面上設(shè)置機(jī)電式活動(dòng)元件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在將第二和第三層連接在第一層上之后并在設(shè)置機(jī)電式活動(dòng)元件之前減小第二和第三層中的至少一個(gè)的厚度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，連接第二和第三層包括在升高溫度下將第二和第三層連接在第一層上。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，減小第二和第三層中的至少一個(gè)的厚度至少包括機(jī)械拋光。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，第二和第三層每個(gè)包括多層基片，并且減小第二和第三層的厚度包括從多層基片上去除至少一層材料。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，第二和第三層的多層基片包括絕緣層上外延硅晶片，其具有由絕緣層分隔的塊硅層和表面硅層，并且減小第二和第三層的厚度包括從絕緣層上外延硅晶片上去除至少塊硅層。
7.如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，第二和第三層包括單晶材料。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述單晶材料包括單晶硅。
9.如權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，第一層包括單晶材料。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，第一層的單晶材料包括單晶硅。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，第一層的單晶硅包括與第一、第二和第三層夾層的夾層方向平行的<110>結(jié)晶方向。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述空腔包括至少一個(gè)垂直于夾層方向的邊緣。
13.如權(quán)利要求7-12所述的方法，其特征在于，第一、第二以及第三層包括單晶硅并且第二和第三層在高溫下通過硅熔合粘結(jié)連接在第一層上。
14.如權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，第一層包括玻璃。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，第二和第三層包括單晶硅并且第二和第三層在升高溫度下通過陽極粘結(jié)連接在第一層上。
16.如權(quán)利要求1-15中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，機(jī)電式活動(dòng)元件包括具有壓電或電致伸縮材料的活動(dòng)薄膜。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，機(jī)電式活動(dòng)元件還包括將活動(dòng)薄膜夾在中間的上電極和下電極。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括在機(jī)電式活動(dòng)元件和第二或第三層中至少一個(gè)的外表面之間的至少一個(gè)中間層。
19.如權(quán)利要求1-18中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，活動(dòng)薄膜采用薄膜淀積技術(shù)被淀積。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，壓電材料包括圍繞相變邊界(MPB)的組合物。
21.如權(quán)利要求1-20中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對(duì)第一、第二和第三層設(shè)置第一、第二和第三晶片，并且還包括在第一晶片上形成空腔排列；將第二和第三晶片的內(nèi)表面連接在第一晶片上以形成晶片疊層；在第二和第三晶片中的至少一個(gè)的外表面上設(shè)置機(jī)電式活動(dòng)元件；以及切割晶片疊層以在單個(gè)制造循環(huán)中平行地形成多個(gè)機(jī)電式裝置。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，空腔排列包括細(xì)長槽，用于在位于切割線和細(xì)長槽交叉點(diǎn)的各個(gè)機(jī)電裝置上提供至少一個(gè)空腔。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，第一晶片包括(110)定向的單晶硅晶片并且細(xì)長槽的長度方向排列在單晶硅晶片的(111)平面內(nèi)。
24.如權(quán)利要求21-23中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括涂敷晶片疊層的至少一側(cè)以防止機(jī)電裝置在切割過程中受到破壞。
25.一種機(jī)電裝置，包括包括第一層、第二和第三層的支承構(gòu)件，每層具有內(nèi)表面和外表面，第二和第三層的內(nèi)表面連接在第一層上，其中支承構(gòu)件包括至少一個(gè)空腔；以及布置在第二和第三層中至少一個(gè)的外表面上的機(jī)電式活動(dòng)元件。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，機(jī)電式活動(dòng)元件包括厚度小于大約5μm的壓電或電致伸縮薄膜。
全文摘要
一種機(jī)電裝置(201)包括通過將第二和第三基片(220a－b)的內(nèi)表面連接在第一基片(230)上而形成的支承構(gòu)件(210)。支承構(gòu)件(210)包括至少一個(gè)在第二和第三基片(220a－b)之間的空腔。在第二或第三層(220a－b)中至少一個(gè)的外表面上設(shè)置機(jī)電式活動(dòng)元件(220a－b)。
文檔編號(hào)H03H3/02GK101069293SQ200480043097
公開日2007年11月7日 申請日期2004年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月23日
發(fā)明者姚奎, 唐小松, 高鵬, 何旭江, 張健, 桑迪拉讓-山內(nèi)格拉斐 申請人:新加坡科技研究局, 索尼株式會(huì)社