專利名稱：組合物以及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及機(jī)械裝置，并且更特別地，涉及基于微機(jī)電(MEMs)和納米-機(jī)電(NEMs)技術(shù)的裝置。
背景技術(shù)：
用于包括斷路器以及高電壓、高電流開關(guān)的設(shè)置的眾多用途的機(jī)械裝置具有大的尺寸，并且經(jīng)常需要大的動力來激活開關(guān)機(jī)構(gòu)。這種傳統(tǒng)的開關(guān)還以相對慢的速度來工作。它們通常很復(fù)雜，制造成本高。而且，當(dāng)開關(guān)機(jī)構(gòu)的觸點(diǎn)在物理上分離時(shí)，已知會產(chǎn)生電弧，以及有時(shí)需要布置特殊電路來阻止電弧電流持續(xù)流經(jīng)開關(guān)。與電弧相關(guān)的能量可能會使開關(guān)觸點(diǎn)降級，或者引發(fā)危險(xiǎn)情況。已經(jīng)將固態(tài)開關(guān)用于高速應(yīng)用，以通過受控的電壓施加來在導(dǎo)電狀態(tài)和非導(dǎo)電狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)楫?dāng)它們處于非導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)，固態(tài)開關(guān)不提供觸點(diǎn)之間的物理的間隙，通常會存在漏電流。由于裝置的內(nèi)部電阻，在導(dǎo)電狀態(tài)下固態(tài)開關(guān)還存在電壓降。在正常的工作條件下，電壓降和漏電流導(dǎo)致功率耗散，并且產(chǎn)生熱。這些對開關(guān)的性能以及開關(guān)的壽命有不利作用。與固態(tài)開關(guān)相關(guān)的固有漏電流使其在斷路器應(yīng)用中的使用不盡理想?；谖C(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的開關(guān)裝置對某些應(yīng)用被認(rèn)為是大型機(jī)電開關(guān)和固態(tài)開關(guān)的潛在的替代物。這是因?yàn)榛贛EMS的開關(guān)傾向于在設(shè)為導(dǎo)電時(shí)具有低電阻，并且在設(shè)為非導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)能夠展現(xiàn)出沒有漏電流。進(jìn)一步，期望基于MEMS的開關(guān)會展現(xiàn)出比傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)更快的響應(yīng)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
在方法的一系列實(shí)施例中，提供襯底，并且在襯底上形成可移除層。包括至少五十原子百分?jǐn)?shù)金屬的金屬層形成在可移除層上。該金屬層被圖案化并且刻蝕，以在可移除層上限定出結(jié)構(gòu)。移除可移除層，并且將金屬層加熱一段時(shí)間，該時(shí)間超過在其上接合氣密封蓋所需的時(shí)間。在另外一系列實(shí)施例中，裝置包括襯底以及使用沉積過程形成在襯底上的金屬層，對于該沉積過程，導(dǎo)電層的特征是具有預(yù)定的沉積態(tài)缺陷密度。作為制造過程的結(jié)果，導(dǎo)電層的缺陷密度相對于該同一層的預(yù)定的沉積態(tài)缺陷密度或者具有類似成分(composition)并且在相似的沉積條件下形成的另一層中的預(yù)定的沉積態(tài)缺陷密度來說減小了。


當(dāng)參考附圖來閱讀下文的詳細(xì)描述時(shí)將能更好地理解本發(fā)明的這些以及其它的特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是根據(jù)示例的實(shí)施例配置的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖2是圖I的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖3是圖I的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性分解透視圖；圖4是圖I的開關(guān)結(jié)構(gòu)在斷開位置的示意性側(cè)視圖；圖5是圖I的開關(guān)結(jié)構(gòu)在閉合位置的示意性側(cè)視圖；圖6A C是圖I的開關(guān)結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，示出梁在接觸和非接觸位置之間的移動；圖7是根據(jù)另一個示例的實(shí)施例配置的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖8是圖7的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖9是圖7的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性分解透視圖；圖IOA IOF是表示用于制造根據(jù)示例的實(shí)施例配置的開關(guān)結(jié)構(gòu)的過程的示意性側(cè)視圖；圖11是根據(jù)另一個示例的實(shí)施例配置的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖12是圖11的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖13是圖11的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性分解透視圖；圖14是根據(jù)又另一個示例的實(shí)施例配置的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖15是圖14的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖16是圖14的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性分解透視圖；圖17是根據(jù)再另一個示例的實(shí)施例配置的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖18是根據(jù)又另一個示例的實(shí)施例配置的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖19A是晶界的過濾TEM圖像，其中示出了取向不一致的原子面相遇形成晶界；圖19B是經(jīng)過相對低溫的熱處理后的、類似于與圖19A中示出的晶界的過濾的TEM圖像；以及圖20A和20B示出了應(yīng)力松弛(stress relaxation)測試的結(jié)果,其示出了經(jīng)過熱處理后樣品中提高的抗變形性。整個附圖中，相似的參考數(shù)字指代相似的特征。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖來描述示例的實(shí)施例。這些實(shí)施例中的一些可解決以上的和其它的需求。參考圖I 3,示出了根據(jù)示例的實(shí)施例配置的開關(guān)結(jié)構(gòu)100的幾個視圖。示例的開關(guān)結(jié)構(gòu)100包括觸點(diǎn)102，其至少部分地包括導(dǎo)電材料(例如，金屬)。開關(guān)結(jié)構(gòu)100還包括導(dǎo)電元件，示出為懸臂梁104，其包括導(dǎo)電材料(例如金屬)。梁的懸臂部104a延伸到觸點(diǎn)102之上。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電元件還可包括其它的特征,諸如,例如,在梁104上的保護(hù)涂層(且可能是非導(dǎo)電的)，或者沿著計(jì)劃將與觸點(diǎn)102進(jìn)行接觸的梁的部分布置的接觸盤。梁104可由錨106和基座107支撐，懸臂部104a從二者延伸，并且二者與梁成為一體。錨和基座用于將梁的懸臂部104a與下面的支撐結(jié)構(gòu)、諸如示出的襯底108連接在一起。在圖I 3所示的開關(guān)結(jié)構(gòu)100的實(shí)施例中，使用傳統(tǒng)的微制造技術(shù)(例如，電鍍、氣相沉積、光刻、濕法和/ 或干法刻蝕，等等)將觸點(diǎn)102和錨106形成在襯底108上。開關(guān)結(jié)構(gòu)100可構(gòu)成微機(jī)電或者納米機(jī)電裝置或者微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的一部分。例如，觸點(diǎn)102和梁104可具有幾個或者幾十納米或微米級的尺寸。在一個實(shí)施例中，梁104可具有大于或者等于IO8HT1的表面積-體積比率，而在另一個實(shí)施例中，該比率可能更接近IOV1。集成電路可形成在襯底108上，例如包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)以及用于在多種部件之間提供電連接的圖案化的導(dǎo)電層(未示出)。這種圖案化的導(dǎo)電層還可提供連接至觸點(diǎn)102和梁104的電連接(與后者的連接，例如通過錨106進(jìn)行)，這些連接在圖I和2中示意性地示出，并在下文描述。半導(dǎo)體裝置和導(dǎo)電層，與開關(guān)結(jié)構(gòu)100的特征類似，也可使用傳統(tǒng)的微制造技術(shù)來制造。在一個實(shí)施例中，襯底108可以是已經(jīng)過加工以包括一個或者多個MOSFETs的單晶半導(dǎo)體晶圓的一部分，其中開關(guān)結(jié)構(gòu)100和其它的電路形成在晶圓的表面上。開關(guān)結(jié)構(gòu)100可布置在MOSFETs的一個上(例如，沿著垂直于晶圓表面的線)，并且可以能夠與該MOSFET —起工作。還參考圖4和5，梁104可配置成在圖4中示出的第一位置和圖5中示出的第二位置之間能選擇性地移動，該第一位置是非接觸的或者“斷開”的位置，其中梁與觸點(diǎn)102隔開有分離距離d，該第二位置是接觸的或者“閉合”的位置，其中梁與觸點(diǎn)102電接觸。例如，梁104可配置成當(dāng)在接觸和非接觸位置之間移動時(shí)進(jìn)行變形，使得梁自然地(也就是沒有外加力)布置于非接觸位置，且梁可發(fā)生變形以占據(jù)接觸位置，同時(shí)在其中存儲機(jī)械能。在其它的實(shí)施例中，梁104的未變形配置可以是接觸位置。開關(guān)結(jié)構(gòu)100還可包括電極110，當(dāng)適當(dāng)充電時(shí)，其在電極和梁104之間提供電位差，產(chǎn)生將梁拉向電極且抵靠觸點(diǎn)102的靜電作用力。在電極110上施加足夠的電壓時(shí)，靜電作用力使梁104變形，因此將使梁從圖4中示出的非接觸(也就是斷開，或者非導(dǎo)電的)位置移位到圖5中示出的接觸(也就是閉合的或者導(dǎo)電的)位置。因此，電極110可用作關(guān)于開關(guān)結(jié)構(gòu)100的“柵”，施加到電極110上的電壓(稱為“柵壓”)用于控制開關(guān)結(jié)構(gòu)的斷開或閉合。電極110可與柵壓源112通信，從而柵壓\可以選擇性地施加到電極110上。觸點(diǎn)102和梁104是電路114的部件。示例性的電路114具有第一側(cè)116和第二側(cè)118，當(dāng)互相切斷時(shí)，二者相對于彼此處于不同的電位(因?yàn)槠渲兄挥幸粋?cè)與電源120連接)。觸點(diǎn)102和梁104可分別與電路114的兩側(cè)116、118中的任一個連接，這樣在第一位置和第二位置之間的梁的變形起著分別使其電流通過和阻斷電流的作用。梁104可以在由使用開關(guān)結(jié)構(gòu)100的應(yīng)用所確定的頻率(可以是均勻的，或者非均勻的)下重復(fù)地移動至與觸點(diǎn)102接觸或者脫離與之接觸。當(dāng)觸點(diǎn)102和梁104互相分離時(shí)，觸點(diǎn)和梁之間的電壓差叫做“分離電壓(stand-offvoltage) ”。在一個實(shí)施例中，梁104可與電源120通信(例如通過錨106)，并且觸點(diǎn)102可與具有負(fù)載電阻&的電力負(fù)載122通信。電源120可作為為電壓源或者電流源而工作。梁104起著電觸點(diǎn)的作用，當(dāng)梁在接觸位置時(shí)，允許負(fù)載電流(例如具有大于或者等于大約ImA的幅度以及大約IkHZ或者更小的振蕩頻率)從電源120流過梁104，流入觸點(diǎn)102和電力負(fù)載122，或者相反，當(dāng)梁位于非接觸位置時(shí)，阻斷電路徑，以及阻止電流從電源流到負(fù)載。上面指出的電流和轉(zhuǎn)換頻率可能用于相對較高的配電應(yīng)用中。在其它的實(shí)施例中，諸如開關(guān)結(jié)構(gòu)100將用于信令環(huán)境中的應(yīng)用(通常在相對較低的功率下工作)，電源120可提供具有IOOmA或者更小的幅度(下界到IuA的范圍)的電流，并且具有大于IkHz的振蕩頻率的電流。為了增加整個電路的電流和電壓容量，上述的開關(guān)結(jié)構(gòu)100可用做包括在設(shè)計(jì)上可以是相似的或者不相似的其它開關(guān)結(jié)構(gòu)的電路的一部分。這樣的開關(guān)結(jié)構(gòu)可以配置成串聯(lián)或者并聯(lián)，以便在開關(guān)結(jié)構(gòu)是斷開時(shí)促進(jìn)分離電壓的均勻分布，而當(dāng)開關(guān)結(jié)構(gòu)是閉合時(shí)促進(jìn)電流的均勻分布。在開關(guān)結(jié)構(gòu)100的工作期間，梁104可能經(jīng)受外加力，諸如由上文中提及的電極110產(chǎn)生的靜電力，其引起梁在第一位置和第二位置之間變形(也就是與觸點(diǎn)102接觸以及脫離接觸)。開關(guān)結(jié)構(gòu)100可在室溫下工作，以及在高達(dá)40°C或高于40°C的溫度下工作，但是通常在低于形成梁的主要材料的熔化溫度的50%或者30%的溫度下工作。進(jìn)一步，對于預(yù)期開關(guān)結(jié)構(gòu)100擁有大約若干年的有用壽命的應(yīng)用中(例如，相對較高的配電應(yīng)用)，梁104可保持與觸點(diǎn)102接觸長達(dá)至少IO4秒的累計(jì)時(shí)間，并且在一些情況下超過IO6秒，或者甚至IO9秒的累計(jì)時(shí)間。進(jìn)一步，當(dāng)發(fā)生變形從而實(shí)現(xiàn)與觸點(diǎn)102的電連接或者物理接觸時(shí)，梁104可能經(jīng)歷相對高的應(yīng)力。應(yīng)力的幅度部分地依賴于開關(guān)結(jié)構(gòu)100的幾何形狀以及梁的材料成分。作為上述的一個示例，開關(guān)結(jié)構(gòu)100的懸臂梁104可以是含有鎳(Ni)_12原子百分?jǐn)?shù)的鎢(W)，或者鎳(Ni)-20原子百分?jǐn)?shù)的鎢(W)的層，具有大約100 的長度L，縱橫比(長度L比厚度t)大約為25到1，以及與觸點(diǎn)102的分隔距離d大約為I 3 y m，其中觸點(diǎn)定位在梁的自由端的對側(cè)，并且與梁重疊距離U。對于這樣的幾何形狀，當(dāng)梁變形以與觸點(diǎn)102接觸時(shí)，在錨106或者梁104的主要部分中可能存在大于IOOMPa (例如600MPa或者更大)的應(yīng)力。梁104或者錨106在正常的使用條件下可能需要承受該應(yīng)力長達(dá)IO4秒以上，或者IO9秒以上，而沒有失效。這些應(yīng)力可區(qū)別于更局部化并且通常是瞬時(shí)的應(yīng)力，該更局部化并且通常是瞬時(shí)的應(yīng)力可存在于應(yīng)力集中的區(qū)域周圍，諸如在幾何不規(guī)則、表面凹凸以及缺陷的周圍。為了包括懸臂梁(或者其它的可變形的接觸結(jié)構(gòu))以及相關(guān)觸點(diǎn)的開關(guān)結(jié)構(gòu)(諸如開關(guān)結(jié)構(gòu)100)的恰當(dāng)工作，通常期望梁選擇性地位于由促使梁與觸點(diǎn)物理接觸的外力的存在與否來決定(例如，由與電極Iio相關(guān)的柵壓的施加引起的靜電力)的接觸位置或者非接觸位置。然而，許多的研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，包括金屬的、微米尺度的懸臂梁(或者其它的可變形的接觸結(jié)構(gòu))的開關(guān)結(jié)構(gòu)傾向于發(fā)生故障，這樣開關(guān)結(jié)構(gòu)的性能不如預(yù)期。這些故障通常歸因于表面粘附相關(guān)的問題。特別地，根據(jù)存在于微米尺度的梁(或者其它的可變形的接觸結(jié)構(gòu))中的大的表面積-體積比率，與自由表面(在自由表面，梁與關(guān)聯(lián)的接觸盤相接觸)的去除相關(guān)的能量降低可能是影響因素，并且其甚至相對于梁在變形期間存儲的機(jī)械能較大。因此，懸臂梁以及相關(guān)的觸點(diǎn)在外力(反而促使二者接觸)移除后，可能保持互相粘附，因?yàn)榱旱膬?nèi)部的應(yīng)變能不足以引起梁從觸點(diǎn)上分離。與主流的理論對比，申請人已有的觀察表明包括金屬的、小尺度的懸臂梁的開關(guān)結(jié)構(gòu)的失效經(jīng)常并不是主要由于梁和相關(guān)的觸點(diǎn)之間的粘附，反而主要是歸因于梁的未變形配置的改變。也就是，當(dāng)施加外力促使梁與相關(guān)的觸點(diǎn)接觸時(shí)，梁經(jīng)受永久的時(shí)間相關(guān)的 塑性變形，也叫做“蠕變”或者應(yīng)力松弛。在梁經(jīng)受塑性變形時(shí)，在將梁移動至接觸配置的外力不存在時(shí)，梁的形狀變得與梁位于接觸位置時(shí)的梁的形 狀更相似。相似地，當(dāng)梁在接觸位置時(shí)最初與梁相關(guān)的機(jī)械應(yīng)變能減小了，在一些情況下接近于零。最后，開關(guān)結(jié)構(gòu)可能由于梁和關(guān)聯(lián)的觸點(diǎn)之間的粘附而失效，但是這一失效機(jī)制可能是次要的，并且可能是由于與處于接觸位置的梁相關(guān)的機(jī)械應(yīng)變能的減小。換句話說，在企圖斷開開關(guān)(釋放梁)時(shí)，梁由于經(jīng)過一段時(shí)間后材料的永久變形而保持在相同的閉合位置，致使開關(guān)不能工作。在開關(guān)結(jié)構(gòu)梁中時(shí)間相關(guān)的塑性變形的程度是令人驚訝的，因?yàn)檫@些裝置典型地是在低于形成梁的金屬材料的熔化溫度的50%，例如低于該熔化溫度的30%的環(huán)境溫度下工作的。典型地需要高于熔化溫度的至少30 %到50 %的溫度才能弓I起塊體材料可測的蠕變。本文使用的術(shù)語“金屬材料”指的是一層或者多層的材料，其中一層含有至少50原子百分?jǐn)?shù)的金屬，其可能是合金。本文使用的術(shù)語“抗蠕變性”指的是當(dāng)材料經(jīng)受持續(xù)的負(fù)載或者應(yīng)力時(shí)，材料抵抗時(shí)間相關(guān)的塑性變形的能力。相似地，術(shù)語抗蠕變性還用來描述當(dāng)材料經(jīng)受恒定的應(yīng)變(例如在應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)中)時(shí)抵抗時(shí)間相關(guān)的應(yīng)力松弛的能力。蠕變可以以多種方式自身出現(xiàn)，包括在恒定的負(fù)載下形狀的改變，或者在恒定的變形下應(yīng)力的改變?？紤]到上述的發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本文提出的實(shí)施例，梁104可以主要由金屬材料，例如超過50的原子百分?jǐn)?shù)的金屬材料形成，其具有提高的抗蠕變性。也就是，材料可配置成或者處理成諸如在范圍從室溫上至40°C或者超過40°C，或者更通常地低于形成梁的主要材料的熔化溫度的50%的溫度下抑制時(shí)間相關(guān)的變形。如果梁是由多種離散的金屬材料形成的，該范圍可能低于構(gòu)成梁的主要部分的金屬中的一種的最低的熔化溫度的50%。配置成抑制時(shí)間相關(guān)的變形的材料，在本文指的是“抗蠕變”材料，當(dāng)經(jīng)受持續(xù)的負(fù)載或者應(yīng)力時(shí)，展現(xiàn)出相對小的穩(wěn)態(tài)塑性應(yīng)變率。構(gòu)成“小的”塑性應(yīng)變率的情況可依賴于蠕變在其中可能產(chǎn)生的環(huán)境。為了當(dāng)前的目的，抗蠕變材料通常是如下的材料針對該材料，在低于蠕變材料的熔化溫度的一半(例如低于形成梁的主要的材料的熔化溫度的一半)的溫度下，對高達(dá)材料的屈服強(qiáng)度的大約25%的應(yīng)力，穩(wěn)態(tài)塑性應(yīng)變率小于或者等于大約KT12S'如果蠕變材料是由多種離散的金屬材料形成的，該范圍可低于組成蠕變材料的主要部分的金屬中的一種的最低熔化溫度的50%。進(jìn)一步，當(dāng)梁的機(jī)械性能通?；蛘咧饕蓸?gòu)成的抗蠕變金屬材料的機(jī)械性能決定的時(shí)候，梁104可被認(rèn)為“主要由”配置成抑制時(shí)間相關(guān)的變形的金屬材料“形成”。多種化學(xué)化合物當(dāng)在低于材料的熔化溫度的大約一半，例如低于材料的熔化溫度的三分之一的溫度范圍內(nèi)的最高溫度下使用時(shí)可以作為抗蠕變金屬材料，。這些材料可通過多種方式來合成，從而產(chǎn)生多種可工作的微結(jié)構(gòu)。例如，抗蠕變性可通過熔化溫度的增大而產(chǎn)生，這在給定的工作條件下，將減慢基于擴(kuò)散的恢復(fù)過程。抗蠕變性還可以是微結(jié)構(gòu)處理的結(jié)果。例如，晶體材料可以由小晶粒尺寸形成，因此在適中的溫度下(例如，低于金屬材料的熔點(diǎn)溫度的70%的溫度下)限制了與位錯運(yùn)動相關(guān)的蠕變。添加劑可以熔解在晶格中，因此導(dǎo)致固溶強(qiáng)化(solid solution strengthening),或者可形成另一相(例如,通過在晶界或者在晶格內(nèi)部析出)。添加劑可作為離散的微粒，用于阻止位錯運(yùn)動，抑制擴(kuò)散，或者在晶格中用作空穴的陷阱。在一些實(shí)施例中，可以用氧化物或者碳化物作為添加劑。通常地，抗蠕變材料的示例包括超合金，包括Ni基的和/或鈷(Co)基的超合金，Ni-W合金，Ni-Mn合金，含有少量的Ni和/或Co的金(“硬金”)，W，金屬間化合物，經(jīng)受了固溶和/或第二相強(qiáng)化的材料，以及具有抑制塑性變形的諸如六方結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)的材料，或者具有低堆垛層錯能的材料。
通過主要使用具有相對高的熔化溫度的抗蠕變材料來形成梁104，申請人觀察到在使用期間明顯的蠕變可被避免，這樣在梁和觸點(diǎn)102之間的分離距離d例如在使用時(shí)間長達(dá)I年、在一些情況下超過20年后可維持相當(dāng)恒定，例如其初始數(shù)值的20 40%之內(nèi)。換句話說，對每個例子，其中梁104被施加的力從非接觸位置(這里梁與觸點(diǎn)102隔開距離
d)促使朝著接觸位置靠近，并且然后移除施加的力，梁將基本上回到非接觸的位置，這樣梁與觸點(diǎn)分離的距離為山這里d的值的變化小于40%，在一些情況下小于20%。一種示例性的抗蠕變材料是含有Ni和W的合金。申請人發(fā)現(xiàn)含有至少65原子百分?jǐn)?shù)的Ni以及至少I原子百分?jǐn)?shù)的W的合金傾向于展示出增強(qiáng)的抗蠕變性。申請人觀察的展示出這樣的抗蠕變性的合金的特定的一個示例是Ni-20原子百分?jǐn)?shù)的W，也就是含有Ni和W的材料，其中W分量占材料的20原子百分?jǐn)?shù)。然而，如上文指出的，主要含有Ni以及低至大約I原子百分?jǐn)?shù)的W(范圍可高達(dá)或者高于30%原子百分?jǐn)?shù)的W)的合金，預(yù)期會顯示出提高的抗蠕變性，并且蠕變被抑制的程度將與W的含量成比例。根據(jù)幾個實(shí)施例的Ni和W的合金(例如，當(dāng)在直流條件下電鍍時(shí))，具有小于或者等于大約I U m的平均晶粒尺寸，并且在一些情況下尺寸減小到大約10nm。例如,可通過電沉積形成含有80原子百分?jǐn)?shù)的Ni以及20原子百分?jǐn)?shù)的W的合金，來生產(chǎn)具有大約10 IOOnm的平均晶粒尺寸的Ni-W材料的膜。Ni-W膜隨后被暴露在提高的溫度下，例如通過在300 450°C下退火30分鐘或者更長時(shí)間，來進(jìn)一步增強(qiáng)材料的抗蠕變性。通常地，申請人發(fā)現(xiàn)在相對低的溫度下對Ni-W膜進(jìn)行退火，但是這些溫度高于使用條件下將要經(jīng)歷的溫度(在較高的配電應(yīng)用中，傾向于低于或者等于大約250°C )，對限制由退火的Ni-W膜形成的結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的時(shí)間相關(guān)的變形的程度是有作用的。如上文指出的，與上述的主要由配置成抑制時(shí)間相關(guān)的變形的金屬材料形成的開關(guān)結(jié)構(gòu)100的生產(chǎn)相關(guān)的過程溫度是適中的，并且可低于450°C，但更高的退火溫度，例如范圍高達(dá)700°C或者更高也是合適的。在相對低的溫度下，例如在250°C到500°C之間，執(zhí)行有效的退火來慢慢增強(qiáng)抗蠕變特性的能力，與由硅形成導(dǎo)體所需的大體上較高的溫度(例如，當(dāng)采用傳統(tǒng)的摻雜程序時(shí)典型地高于900°C)形成對比。與開關(guān)結(jié)構(gòu)100的退火相關(guān)的較低的處理溫度有利于開關(guān)結(jié)構(gòu)與熱敏部件(諸如，例如，MOSFETs)的集成。梁104的抗蠕變材料可包括其它的二元合金，包括Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ag、Ta和W的任意組合。梁104的抗螺變材料還可包括非晶金屬。合適的非晶金屬的示例包括至少Ni、W和鐵(Fe)的合金，其中合金包括大約80原子百分?jǐn)?shù)或者更多的Ni，大約I到20原子百分?jǐn)?shù)之間的W，以及大約I原子百分?jǐn)?shù)或者更少的Fe。這些材料的特點(diǎn)是它們?nèi)狈﹂L程原子有序性，以及通常被認(rèn)為是相對具有抗塑性變形性。通過混合多種不同的通常具有各種原子大小的元素可形成多種非晶合金，這樣在從液態(tài)冷卻期間，組成原子不能自身調(diào)整而進(jìn)入平衡晶態(tài)。非晶金屬的其它示例包括，但是不限于，含有55原子百分?jǐn)?shù)的鈀(Pd) ,22. 5原子百分?jǐn)?shù)的鉛，以及22. 5原子百分?jǐn)?shù)的銻的合金；含有41. 2原子百分?jǐn)?shù)的鋯(Zr)、13. 8原子百分?jǐn)?shù)的鈦、12. 5原子百分?jǐn)?shù)的銅、10原子百分?jǐn)?shù)的Ni以及22. 5原子百分?jǐn)?shù)的鈹?shù)暮辖?；以及基于Zr、Pd、Fe、Ti、Cu或鎂的非晶合金?？谷渥儾牧系闹鲗?dǎo)組成可以是非磁性的金屬材料。例如，梁104可由鋁、鉬、銀和/或Cu形成。由非磁性的材料形成梁104可有利于將開關(guān)結(jié)構(gòu)100用于這樣的環(huán)境中，其中開關(guān)結(jié)構(gòu)預(yù)期在有強(qiáng)磁場存在的情況下工作，諸如在磁共振成像應(yīng)用中。進(jìn)一步考慮到申請人的發(fā)現(xiàn)，梁104可配置成在使用條件下限制由于形成梁的主要的金屬材料的時(shí)間相關(guān)的塑性變形而發(fā)生的梁的永久變形，其中使用條件包括低于構(gòu)成梁的主要部分的金屬中的一種所關(guān)聯(lián)的最低熔化溫度的50%或者甚至低于30%的溫度。在限制梁104的永久變形的實(shí)施例中，當(dāng)梁的機(jī)械性能基本上或者主要由組成的金屬材料的機(jī)械性能決定時(shí)，梁可以被認(rèn)為是由金屬材料“主要形成”。梁可能有時(shí)布置于斷開位置，其中梁與觸點(diǎn)102隔開分 離距離d。在其它時(shí)候，梁104可布置于閉合位置，其中梁與觸點(diǎn)102進(jìn)行接觸。在開關(guān)結(jié)構(gòu)100的工作期間，其中梁104的永久變形被限制，在室溫與金屬材料的熔化溫度(或者在金屬材料包括多種離散的金屬材料的情況下，指的是形成梁的主要的金屬材料中的一種的熔化溫度)的大約一半之間的溫度下,梁104可經(jīng)過至少IO7秒的累計(jì)時(shí)間而變形到閉合位置?？稍趲缀涡螤钌吓渲昧?04，這樣繼這種變形之后，梁104和觸點(diǎn)102之間的分離距離d，在不存在外力的情況下，在累計(jì)時(shí)間上的變化量小于20%。這就是說，在累計(jì)時(shí)間上的任何時(shí)間得到的d的測量值將產(chǎn)生變化不超過20%的結(jié)果。例如，參考圖6A 6C，在時(shí)間tQ < 0時(shí)，梁104布置于第一、非接觸的位置，其中梁與觸點(diǎn)102隔開分離距離d =屯。為了使梁變形至第二、接觸的位置，然后可在時(shí)間h =0時(shí)在梁104上施加力F，這樣梁與觸點(diǎn)102進(jìn)行接觸。然后梁104可維持在第二位置直到時(shí)間t2 = IO7秒，在此時(shí)間點(diǎn)力F可被移除。當(dāng)力F被移除時(shí)，梁104可重新回到非接觸位置，即與觸點(diǎn)102隔開分離距離d = d10當(dāng)梁104經(jīng)歷的應(yīng)力小于引起形成梁的主要的金屬材料的永久塑性變形所必須的應(yīng)力時(shí)，也就是當(dāng)梁完全不存在時(shí)間相關(guān)的塑性變形的效應(yīng)時(shí)，Cltl = Cl10在不導(dǎo)致永久塑性變形的條件下，預(yù)計(jì)維持梁104在第二位置所需要的力F的幅度，以及當(dāng)布置于第二位置時(shí)存儲在梁中的機(jī)械能的量分別作為時(shí)間的函數(shù)都保持不變。然而，在適度的時(shí)間相關(guān)的塑性變形的條件下，Cl1小于dQ，并且梁104能夠配置成保證觸點(diǎn)102和梁之間的分離距離d在預(yù)定的時(shí)間段上保持足夠的量，來使開關(guān)結(jié)構(gòu)100適當(dāng)發(fā)揮作用。例如，梁104可配置成保證Cl1 ^ 0. Sd00梁104可在變形期間存儲足夠的能量來引起梁在不存在外力時(shí)基本處于第一位置(例如，在20%以內(nèi))。梁104和錨107可在二者間定義一個角度9，梁104可配置成使得由于梁在第一位置和第二位置之間變形而在沒有作用于梁的外力存在的情況下角度e的變化量小于0.5%，并且在一些情況下小于0.1 %。申請人:進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，對于包含了懸臂梁的開關(guān)結(jié)構(gòu)，例如，圖I中示出的開關(guān)結(jié)構(gòu)，梁的錨(或者使梁以另一方式從結(jié)構(gòu)上懸臂式安置的該結(jié)構(gòu))中的時(shí)間相關(guān)的塑性變形可能是導(dǎo)致整個梁配置的永久改變的重要原因。在Cl1 >0. 8 d0的實(shí)施例中，梁104可配置成使得當(dāng)梁變形至第二位置時(shí)，在錨中的最大的、非局部的、穩(wěn)態(tài)的應(yīng)變率保持在小于大約KT12s'梁104可配置成使得錨106經(jīng)歷的總塑性應(yīng)變保持小于在梁進(jìn)入接觸位置的最初變形時(shí)(先于梁內(nèi)的任何明顯蠕變)在錨中引起的彈性應(yīng)變的某個百分?jǐn)?shù)。例如，如果梁104進(jìn)入第二位置的最初的變形在錨106中引起第一彈性應(yīng)變，并且其后梁變形至第二位置長達(dá)至少IO7秒的累計(jì)時(shí)間，梁可配置成使得錨經(jīng)歷小于第一彈性應(yīng)變的大約一半的最大的、非局部的總塑性應(yīng)變。梁104可被設(shè)計(jì)成限制在梁的變形期間在錨106中實(shí)現(xiàn)的應(yīng)力低于一個閾值，若高于該閾值則將實(shí)現(xiàn)過多的塑性變形。該閾應(yīng)力取決于以下中的一個或者多個梁104變形時(shí)的溫度，在應(yīng)用中能夠承受的梁的形狀改變的量，以及形成梁的主要的材料，包括材料的成分以及微結(jié)構(gòu)中。例如，對于開關(guān)結(jié)構(gòu)100在低于形成梁104的主要材料的熔化溫度的大約一半的溫度下工作的應(yīng)用，申請人發(fā)現(xiàn)，在梁包括是具有至少65原子百分?jǐn)?shù)的鎳以及至少I原子百分?jǐn)?shù)的鎢的合金的組成金屬材料時(shí)，當(dāng)在錨的非局部部分(也就是遠(yuǎn)離高度局部化應(yīng)力集中區(qū)域)的應(yīng)力小于IOOOMpa時(shí)，能達(dá)到可接受的性能(例如，當(dāng)經(jīng)過IO7秒或者甚至高達(dá)IO8秒的變形累計(jì) 時(shí)間時(shí)，梁和觸點(diǎn)之間的分離距離的變化小于20% )。作為其它示例，申請人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨的非局部部分(也就是遠(yuǎn)離高度局部化應(yīng)力集中區(qū)域)中的應(yīng)力小于45MPa時(shí)，經(jīng)過一年時(shí)間間隔能夠達(dá)到可接受的性能；當(dāng)錨的非局部部分(也就是遠(yuǎn)離高度局部化應(yīng)力集中區(qū)域)中的應(yīng)力小于20MPa時(shí)，經(jīng)過二十年時(shí)間間隔，能夠達(dá)到可接受的性能。在這些實(shí)施例中，組成金屬材料可包括80原子百分?jǐn)?shù)的金和20原子百分?jǐn)?shù)的鎳。申請人還發(fā)現(xiàn)，對于由純金形成的梁，當(dāng)錨的非局部部分中的應(yīng)力小于25MPa時(shí)，經(jīng)過一年時(shí)間間隔，能夠達(dá)到可接受的性能?？傮w來說，梁104可設(shè)計(jì)成在錨106中限制應(yīng)力和/或塑性應(yīng)變。例如，參考圖7 9，開關(guān)結(jié)構(gòu)200可包括觸點(diǎn)202和導(dǎo)電元件，諸如主要由導(dǎo)電材料(例如，金屬)形成的懸臂梁204。梁204可通過錨206和基座207支撐，二者可與梁集成在一起，并且可用于將梁與下面的支撐結(jié)構(gòu)，諸如襯底208連接在一起。觸點(diǎn)202也可以由襯底208支撐。開關(guān)結(jié)構(gòu)200還可包括配置成致動梁204的電極210。各種物理和/或設(shè)計(jì)參數(shù)可影響錨206中的應(yīng)力。開關(guān)結(jié)構(gòu)200的特征例如可以由下述的任意量表征梁長Lb，梁寬wB，梁厚tB，觸點(diǎn)長度Lc，觸點(diǎn)寬度^，觸點(diǎn)厚度tc，梁-觸點(diǎn)分離距離(在不存在外力時(shí))dBC，梁-電極重疊距離Le (從梁204的端部205開始測量)，電極寬度wE，梁-電極分離距離(在不存在外力時(shí))dBE，梁成分的材料性質(zhì)，以及梁和電極210之間的最大電壓差V_?；谶@些參數(shù)的值的選擇，結(jié)合期望的工作溫度，可生產(chǎn)出開關(guān)結(jié)構(gòu)，其在錨206的區(qū)域具有足夠低的應(yīng)力，使開關(guān)結(jié)構(gòu)200的工作壽命能夠大于一年，并且甚至大于20年。在一些實(shí)施例中，梁204的厚度tB能夠至少為I U m。大約I ii m或者更大的厚度tB可限制梁的后續(xù)變形(由于在提高的溫度下的后續(xù)處理)。梁204的長度Lb能夠至少為大約20 u m。觸點(diǎn)202可布置成在由重疊長度Ltl限定的區(qū)域上與梁204相對，其中長度Ltl在梁的自由端205的20%以內(nèi)。電極210可布置成在梁204的自由端205的50%以內(nèi)，并且在一些實(shí)施例中在自由端的20%到30%以內(nèi)。梁204可具有小于厚度tB的大約200倍的長度LB，并且該長度Lb小于梁和相關(guān)的觸點(diǎn)202之間的分離距離dB。的大約1000倍。在梁204具有較大的縱橫比或者與觸點(diǎn)202隔開較小的距離的情況下，當(dāng)梁變形達(dá)到接觸位置時(shí)在梁中引起的應(yīng)力可能相對較低。然而，當(dāng)梁204的長度增加時(shí)，在給定的區(qū)域能夠布置的梁的數(shù)量會降低。進(jìn)一步，當(dāng)分離距離dB。減小時(shí)，除了蠕變相關(guān)的變形之外其他的失效機(jī)制可能變成重要的。例如，當(dāng)梁204和觸點(diǎn)202互相接近時(shí)，對于給定的電壓差，它們之間的吸引力增加，并且這種吸引力可變得足夠大，引起梁無意中處于接觸位置(例如，甚至在電極210上沒有電壓存在的情況下)。而且，梁204和觸點(diǎn)202之間的區(qū)域可更有可能由于例如場致發(fā)射而經(jīng)歷電擊穿。
通過配置梁104、204來避免使用期間的明顯的蠕變，在經(jīng)過了長達(dá)一年并且在一些情況下高達(dá)20年(是一些應(yīng)用中的需求)的使用時(shí)間，梁和觸點(diǎn)102、202之間的分離距離dB?？删S持相當(dāng)?shù)睾愣ǎ簿褪钦f，在其最初值的20%以內(nèi)。換句話說，對每一個實(shí)例，其中梁104、204被施加的力促使離開非接觸位置(其中梁與觸點(diǎn)102、202隔開距離dBC)并且朝向接觸位置，并且隨后施加的力被移除，梁將基本上回到非接觸位置，這樣梁與觸點(diǎn)隔開距離dB。，這里dB。的值的變化小于20%?；陂_關(guān)結(jié)構(gòu)200的上述參考的設(shè)計(jì)參數(shù)的值的選擇，包括選擇梁的材料和工作溫度，申請人發(fā)現(xiàn)能夠生產(chǎn)開關(guān)結(jié)構(gòu)，其中錨206的區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力足夠低，以使開關(guān)結(jié)構(gòu)200的工作壽命(例如，梁204和觸點(diǎn)202之間的分離距離的改變小于20%，也就是，Cl1 ^ 0. Sd0)能夠達(dá)到至少I年，并且大于20年。下面的表格提供了申請人觀察到這種可接受的性能的參數(shù)值、工作溫度，以及梁的材料的幾種組合。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括 提供襯底(308)； 在所述襯底(308)上形成可移除層(330)； 在所述可移除層(330)上沉積金屬層(336)，其包括至少50原子百分?jǐn)?shù)的金屬； 圖案化并且刻蝕所述金屬層(336)以在所述可移除層(330)上限定結(jié)構(gòu)； 移除所述可移除層(330);以及 加熱所述金屬層(336)長達(dá)超過在其上接合氣密封蓋(340)必需的時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中 所述金屬層(336)是導(dǎo)電的，并且在執(zhí)行所述加熱前以第一缺陷密度為特征； 所述加熱提高所述金屬層(336)的時(shí)間相關(guān)塑性變形特性；以及所述加熱在最小溫度下持續(xù)最小時(shí)間段而執(zhí)行，其中該最小溫度和最小時(shí)間段分別是足以減小所述金屬層(336)中的缺陷密度的最小溫度和最小時(shí)間段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述加熱以后，所述缺陷密度減小超過50%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述加熱以后，所述缺陷密度減小超過70%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述加熱在移除所述可移除層(330)之后執(zhí)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中圖案化和刻蝕以后，所述結(jié)構(gòu)是懸臂梁(104)的形式，其上能夠形成用于氣密密封所述結(jié)構(gòu)的蓋(340)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法，進(jìn)一步包括 在所述襯底(308)上形成觸點(diǎn)(102)和電極(110)，并且在沉積所述金屬層(336)之前使用所述可移除層(330)將所述觸點(diǎn)(102)和所述電極(110)都封裝，從而在移除所述可移除層(330)之后，通過在所述金屬層(336)上施加力，所述金屬層(336)的一部分能被移位以與所述觸點(diǎn)(102)實(shí)現(xiàn)物理接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中沉積所述金屬層(338)包括 在所述襯底(308)上形成粘附層(332);以及 在所述粘附層(332)上沉積種子層(334)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述金屬層(336)是使用電鍍過程沉積的。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述金屬層(336)包括包含有Ni和W的合金的金屬層(336) 。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法制造的結(jié)構(gòu)，所述方法包括 提供襯底(308)； 在所述襯底(308)上形成可移除層(330)； 在所述可移除層(330)上沉積金屬層(336)，其包括至少50原子百分?jǐn)?shù)的金屬； 圖案化并且刻蝕所述金屬層(336)以在所述可移除層(330)上限定結(jié)構(gòu)； 移除所述可移除層(330);以及 加熱所述金屬層(336)長達(dá)超過在其上接合氣密封蓋(340)所必需的時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及組合物以及制造方法。一種裝置，包括襯底(308)和用沉積過程形成在所述襯底(308)上的金屬層(336)，對于沉積過程的該金屬層的特征是具有預(yù)定的沉積態(tài)缺陷密度。作為制造過程的結(jié)果，金屬層(336)相對于同樣的層(336)或者具有相同的成分以及在相同的沉積條件下形成的另一層的預(yù)定的沉積態(tài)缺陷密度來說，其缺陷密度減小了。在相關(guān)的方法中，提供襯底(308)并且在所述襯底(308)上形成可移除層(330)。在可移除層(330)上形成金屬層(336)，并且進(jìn)行圖案化和刻蝕以在可移除層(330)上限定結(jié)構(gòu)?？梢瞥龑?330)被移除，并且將所述金屬層(336)加熱長達(dá)超過在其上接合氣密封蓋(340)所必需的時(shí)間。
文檔編號H01H59/00GK102623221SQ20111046334
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者A·J·德托爾, C·基梅爾, M·艾米, R·科爾德曼 申請人:通用電氣公司