DE102021128880B3

DE102021128880B3 - Integriertes energy-harvesting-system

Info

Publication number: DE102021128880B3
Application number: DE102021128880.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Grille; Elmar Aschauer; Ulf Bartl; Christoph Kovatsch; Matic Krivec; Thomas Ostermann; Lukas Praster; Gerald Stocker
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2041-11-06
Also published as: US20230148014A1

Abstract

Im Folgenden wird ein MEMS-Bauelement beschrieben, welches, gemäß einem Ausführungsbeispiel folgendes aufweist: einen Halbleiterkörper; eine auf dem Halbleiterkörper angeordnete Isolationsschicht; eine auf der Isolationsschicht angeordnete Begrenzungsstruktur wobei der Halbleiterkörper unterhalb der Begrenzungsstruktur eine Öffnung aufweist; zwei auf der Isolationsschicht angeordnete strukturierte Elektroden; und eine von der Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzte und auf der Isolationsschicht und auf den Elektroden angeordnete piezoelektrische Schicht aus einem Thermoplast.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft das Gebiet der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS), insbesondere ein integriertes MEMS für das Energy Harvesting.
HINTERGRUND
Als Energy Harvesting bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen, die in der Umgebung zur Verfügung stehen, wie z.B. Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen. Energy Harvesting kann z.B. zur Versorgung autarker elektrischer Systeme verwendet werden oder auch zur Verlängerung der Batterielebensdauer.
Für das Energy Harvesting können sogenannte MEMS verwendet werden. Beispielsweise beschreibt die Publikation US 2017/0 213 955 A1 ein MEMS mit piezoelektrischem Transducer, der auf einer Leiterplatte (printed circuit board, PCB) angeordnet ist, und für Micro Energy Harvesting in Frage kommt. Es sind auch in Siliziumsubstrate integrierte MEMS bekannt. Beispielsweise beschreibt die Publikation DE 43 38 433 C2 ein Mikro-Betätigungsglied mit piezoelektrischem Material. Bei dem in der Publikation US 2021/0 135 601 A1 beschriebenen MEMS kommt ein SOI (Silicon on Insulator) Substrat zum Einsatz, auf dem piezoelektrisches Material (Aluminiumnitrid) abgeschieden ist. In der Publikation US 2003/0 175 062 A1 ist ein Bauelement mit einem keramischen Substrat und einer keramischen Verbindung als piezoelektrisches Material beschrieben. Die Publikation DE 199 28 807 B4 betrifft ein piezoelektrisches Mikro-Stellglied und deren Herstellung.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, ein verbessertes integriertes Energy-Harvesting-System zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere einfach und vergleichsweise günstig herzustellen ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben genannte Aufgabe wird durch das MEMS-Bauelement, gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Folgenden wird ein MEMS-Bauelement beschrieben, welches, gemäß einem Ausführungsbeispiel folgendes aufweist: einen Halbleiterkörper; eine auf dem Halbleiterkörper angeordnete Isolationsschicht; eine auf der Isolationsschicht angeordnete Begrenzungsstruktur wobei der Halbleiterkörper unterhalb der Begrenzungsstruktur eine Öffnung aufweist; zwei auf der Isolationsschicht angeordnete strukturierte Elektroden; und eine von der Begrenzungsstruktur zumindest teilweise begrenzte und auf der Isolationsschicht und auf den Elektroden angeordnete piezoelektrische Schicht aus einem Thermoplast.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Bauelements. Demnach umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Halbleiterkörpers; das Herstellen einer Isolationsschicht auf dem Halbleiterkörper; das Herstellen einer Materialschicht auf der Isolationsschicht und Strukturieren der Materialschicht, sodass eine Begrenzungsstruktur entsteht; das Herstellen zweier strukturierte Elektroden auf der Isolationsschicht; das Herstellen einer piezoelektrischen Schicht aus einem Thermoplast innerhalb der Begrenzungsstruktur auf der Isolationsschicht und (zumindest teilweise) auf den Elektroden; und das Herstellen einer Öffnung in dem Halbleiterkörper unterhalb der Begrenzungsstruktur.
Figurenliste
Verschiedene Implementierungen werden nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den dargestellten Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen.

1 illustriert ein erstes Beispiel eines MEMS-Bauelements anhand einer Querschnittsdarstellung.
2 ist eine zu 1 korrespondierende Draufsicht.
3 illustriert in den Diagrammen (a) bis (d) mehrere Teile eines Verfahrens zur Herstellung des MEMS-Bauelements aus 1.
4 illustriert ein weiteres Beispiel eines MEMS-Bauelements anhand einer Querschnittsdarstellung.
5 illustriert ein weiteres Beispiel eines MEMS-Bauelements mit modifiziertem Massenelement.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines MEMS-Bauelements. 2 ist eine korrespondierende Draufsicht. In dem dargestellten Beispiel umfasst das MEMS-Bauelement einen Halbleiterkörper 100 (z.B. ein Siliziumsubstrat), auf dem eine Isolationsschicht 110 angeordnet ist. Auf der Isolationsschicht 110 ist eine Begrenzungsstruktur 120 angeordnet, wobei der Halbleiterkörper 100 im Bereich unterhalb der Begrenzungsstruktur 120 eine Öffnung 101 aufweist. In dem dargestellten Beispiel bildet jener Teil der Isolationsschicht 110, der die Öffnung 101 abdeckt, eine schwingungsfähige Membran. Das MEMS-Bauelement weist weiter zwei auf der Isolationsschicht 110 angeordnete strukturierte Elektroden 300 und 301 auf sowie eine von der Begrenzungsstruktur 120 zumindest teilweise umgebene und auf der Isolationsschicht 110 und zumindest teilweise auf den Elektroden 300, 301 angeordnete piezoelektrische Schicht 200 aus einem Thermoplast. Innerhalb der Begrenzungsstruktur (d.h. von dieser umgeben) ist ein Massenelement 130 auf der Isolationsschicht angeordnet. Alternativ (in 1 nicht dargestellt) kann das Massenelement 130 (oder ggf. ein weiteres, zusätzliches Massenelement) innerhalb der Öffnung 101 (d.h. auf der Unterseite der Isolationsschicht 110) auf der Isolationsschicht 110 angeordnet sein.
Die Isolationsschicht 110 kann aus mehreren Teilschichten hergestellt sein, sodass diese die gewünschte Steifigkeit aufweist. Im dargestellten Beispiel umfasst die Isolationsschicht 110 eine Oxidschicht 111 (z.B. Siliziumoxid) und eine Nitridschicht 112. Die Oxidschicht kann beispielsweise zwischen 700 und 2300 nm dick sein. Die Nitridschicht ist dünner und kann z.B. 60-300 nm dick sein. Die Dicke des Siliziumsubstrats kann im Bereich von 250-600 µm liegen.
Gemäß dem in 1 und 2 dargestellten Beispiel sind das Massenelement 130 und die Begrenzungsstruktur 120 Teil derselben strukturierten Materialschicht. Geeignete Materialien sind z.B. polykristallines oder amorphes Silizium oder TEOS (Tetraethylorthosilicat). Die Begrenzungsstruktur 120 kann eine geschlossene Kurve (z.B. ein Kreis wie in 2 dargestellt, ein Oval, ein geschlossener Polygonzug, etc.) auf der Oberseite der Isolationsschicht 110 bilden. Die Begrenzungsstruktur 120 kann eine Strukturbreite b (siehe 2) kleiner als 30µm, insbesondere im Bereich von 5-30µm (siehe 2) aufweisen, und sie begrenzt teilweise oder vollständig die piezoelektrische Schicht. Das Massenelement 130 ist nicht notwendigerweise aus demselben Material wie die Begrenzungsstruktur 120. In anderen Ausführungsbeispielen, kann das Massenelement 130 auch in einem separaten Verfahrensschritt auf der Isolationsschicht 110 abgeschieden werden. Das Massenelement 130 kann auch aus Metall bestehen.
Wie erwähnt kann alternativ das Massenelement 130 ein (beispielsweise isolierter) Teil des Halbleiterkörpers 100 im Inneren der Öffnung sein. Manche Ausführungsbeispiele weisen mehrere Massenelemente auf. Das heißt, die beiden Varianten (Massenelement auf der Oberseite und auf der Unterseite der Isolationsschicht 110) lassen sich kombinieren. In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist kein separates Massenelement 130 nötig.
Die piezoelektrische Schicht umfasst PVDF (Polyvinylidenfluorid) als Piezoelektrisches Polymer. Die piezoelektrische Schicht kann aus einem Copolymer bestehen, das PVDF und TFE (Trifluorethylen) aufweist.
Die Elektroden 300, 301 können Teil einer strukturierten Metallisierungsschicht sein. Die beiden Elektroden 300, 301 können eine Vielzahl von verschachtelt (interleaved) angeordneten Stichleitungen (stubs) aufweisen. In anderen Worten, die Elektroden 300, 301 können eine kammartige Struktur/Topologie aufweisen, wobei die „Zinken“ der Kammstrukturen verschachtelt angeordnet sind. Ein vereinfachtes Beispiel ist in 2 dargestellt. In dem in 2 dargestellten Beispiel verlaufen die Stichleitungen der beiden Elektroden im Wesentlichen in einem Abstand a parallel zueinander und die Breite der Stichleitungen ist mit w bezeichnet. Der Abstand a kann beispielsweise 1 µm betragen, die Breite w der Leiterbahnen ist beispielsweise 6µm. Es versteht sich, dass die Zahlenwerte lediglich illustrative Beispiele sind und in verschiedenen Ausführungsbeispielen diese Zahlenwerte auch anders sein können.
Im Folgenden wird exemplarisch ein mögliches Herstellungsverfahren beschrieben, mit dem das MEMS-Bauelement aus 1 hergestellt werden kann. Die Diagramme (a) bis (d) der 3 zeigen verschiedene Zwischenzustände des Produkts im Laufe des Verfahrens.
In einem ersten Teil des Verfahrens wird auf einem Halbleiterkörper 100 (z.B. ein Siliziumwafer) eine Isolationsschicht 110 erzeugt und anschließend wird auf dieser Isolationsschicht 110 eine Materialschicht abgeschieden. Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung einer Isolationsschicht auf einem Halbleitersubstrat bekannt. In dem dargestellten Beispiel wird auf der Oberfläche des Siliziumwafers eine Oxidschicht 111 und darüber eine Nitridschicht 112 erzeugt. Die Isolationsschicht 110 kann also aus mehreren verschiedenen Lagen bestehen. Die auf der Isolationsschicht 110 angeordnete Materialschicht 113 kann z.B. eine Schicht aus polykristallinem oder amorphem Silizium sein. In manchen Ausführungsbeispielen besteht die Materialschicht 113 aus TEOS, insbesondere PETEOS (plasma enhanced TEOS), was mittels eines CVD-Prozesses abgeschieden wird (CVD = Chemical Vapour Deposition, chemische Gasphasenabscheidung). Das Ergebnis dieses Teils des Verfahrens ist in Diagramm (a) der 3 dargestellt.
Durch Strukturieren der Materialschicht 113 (z.B. mittels Fotolithografie und Ätzen) wird eine Begrenzungsstruktur 120 und - optional - ein Massenelement 130 auf der Oberseite der Isolationsschicht 110 hergestellt. Die Begrenzungsstruktur 120 kann wie erwähnt die Form einer geschlossenen Kurve wie z.B. eines Kreises (siehe 2), eines Ovals, oder eines geschlossenen Polygonzugs aufweisen. Die Begrenzungsstruktur 120 bildet jedoch nicht notwendigerweise eine geschlossene Kurve, sondern sie kann auch Unterbrechungen aufweisen. Diagramm (b) zeigt das Ergebnis dieses Teils des Verfahrens, nachdem aus der Materialschicht 113 die Begrenzungsstruktur 120 und das Massenelement 130 hergestellt wurde, wobei das Massenelement 130 von der Begrenzungsstruktur 120 umgeben ist.
Im nächsten Schritt werden zwei strukturierte Elektroden 300, 301 auf der Isolationsschicht 110 hergestellt (z.B. aus Aluminium oder Kupfer). Die Elektroden 300, 301 können auch über die Begrenzungsstruktur 120 hinweg verlaufen. Techniken zur Herstellung strukturierter Elektroden auf einem Halbleiterwafer sind an sich bekannt und werden hier nicht weiter diskutiert. Die kammartige, verschachtelte (interleaved) Struktur der Elektroden 300, 301 wurde weiter oben mit Bezug auf 2 erläutert. Das Ergebnis dieses Teils des Verfahrens ist in Diagramm (c) der 3 dargestellt. Im Anschluss kann die Unterseite (oft auch als Rückseite bezeichnet) des Wafers geschliffen werden, bis der Halbleiterkörper die gewünschte Dicke von 250-600 µm (z.B. 400µm) aufweist. Das Schleifen (grinding) bzw. Dünnen (thinning) des Wafers ist ein Standard-Prozess und nicht explizit dargestellt.
Vor oder nach dem Schleifen/Dünnen des Wafers wird auf der Isolationsschicht 110 und auf den Elektroden 300, 301 und innerhalb der Begrenzungsstruktur 120 eine piezoelektrische Schicht 200 aus einem Thermoplast hergestellt. Des Weiteren wird in dem Halbleiterkörper 100 unterhalb der Begrenzungsstruktur 120 eine Öffnung 101 hergestellt (z.B. mittels Fotolithografie und Ätzen). Das Ergebnis ist in Diagramm (d) der 3 dargestellt. Durch das Erzeugen der Öffnung wird in dem dargestellten Beispiel eine schwingungsfähige Membran erzeugt, die im Wesentlichen die Isolationsschicht 110 und das Massenelement 130 umfasst. An dieser Stelle sei betont, dass die geometrische Form des Massenelements 130 nicht notwendigerweise rund sein muss. Das Massenelement 130 kann eine beliebige Form aufweisen, mit der der gewünschte Effekt erreicht wird, nämlich die Anpassung/Einstellung der mechanischen Eigenschaften der Membran, d.h. der Schwingungsmoden und der dazugehörigen Eigenfrequenzen der Membran. Des Weiteren können die die mechanischen Eigenschaften der Membran auch durch die Anzahl der Lagen (Teilschichten) der Isolationsschicht 110 und das dafür eingesetzte Material beeinflusst werden. In manchen Ausführungsbeispielen können auch andere Materialien verwendet werden als das erwähnte Oxid- und Nitrid.
Es versteht sich, dass die Reihenfolge der Verfahrensschritte nicht notwendigerweise in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden muss. Je nach verwendeter Halbleitertechnologie kann beispielsweise die piezoelektrische Schicht 200 vor oder nach dem Herstellen der Öffnung 101 hergestellt werden. Des Weiteren versteht sich, dass hier nur die für das Verständnis der Ausführungsbeispiele notwendigen oder hilfreichen Schritte diskutiert und andere (an sich bekannte) Schritte, die für die Herstellung einer integrierten Schaltung notwendig sein können, weggelassen werden. Nach der Herstellung der MEMS-Bauelemente auf einem Wafer, kann dieser in einzelne Chips vereinzelt werden, die anschließend in geeignete Chip-Gehäuse gepackt werden können.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das als Alternative zu dem Beispiel aus 1 betrachtet werden kann. In diesem Beispiel wurde das Massenelement nicht auf der Oberseite der Isolationsschicht 110 aus derselben Materialschicht wie die Begrenzungsstruktur 120 hergestellt, sondern stattdessen wurde ein Massenelement 113' auf der Unterseite der Isolationsschicht 110 hergestellt. Beispielsweise kann mittels eines mehrstufigen Ätzprozesses das Herstellen der Öffnung 101 so ausgestaltet werden, dass ein Stück Silizium als Massenelement 130' in der Öffnung 101 übrig bleibt. Das Massenelement 130 kann isoliert von dem Halbleiterkörper 100 sein. In manchen Ausführungsbeispielen können zwei oder mehr Massenelemente 130, 130' auf beiden Seiten der Isolationsschicht 110 hergestellt werden (also eine Kombination der Beispiele aus 1 und 4).
Wie erwähnt bildet jener Teil der Isolationsschicht 110, der die Öffnung 101 abdeckt, eine schwingfähige Membran. Die Größe des Massenelements 130 (und/oder 130') hat Einfluss auf die Schwingungsmoden und die Eigenfrequenz der Membran. Wie bereits erwähnt, können durch geeignetes Design des Massenelements in Bezug auf Größe und Form, die mechanischen Eigenschaften der Membran, insbesondere die Schwingungsmoden und die dazugehörigen Eigenfrequenzen der Membran (in gewissen Grenzen) eingestellt und an die Anwendung angepasst werden.
Das Massenelement 113' muss auch nicht notwendigerweise von dem übrigen Halbleiterkörper 100 vollständig abgetrennt sein. 5. illustriert eine Modifikation des Beispiels aus 4, bei dem ein zentraler Teil 130a des Massenelements 130' über mehrere Stege 130b, 130c mit dem umgebenden Halbleiterkörper verbunden ist. Die Stege 130b, 130c können beispielsweise in radialer Richtung von Teil 130a zum Rand der Öffnung 101 verlaufen. Die Die Stege 130b, 130c können auch eine Netz- oder Gitterstruktur bilden. Die Dicke der Stege beeinflussen die Steifigkeit und die Stabilität der Membran.
Eine mechanische Bewegung des MEMS-Bauelements führt zu einem Schwingen der Membran und aufgrund des piezoelektrischen Effekts zu einer Spannung zwischen den Elektroden 300, 301, oder zu einer entsprechenden Verschiebung von elektrischen Ladungen. Die resultierende elektrische Energie kann in an sich bekannter Weise dazu genutzt werden, einen Energiespeicher (Kondensator oder Batterie) aufzuladen oder eine elektronische Schaltung zu betreiben.

Claims

Ein MEMS-Bauelement, das folgendes aufweist: einen Halbleiterkörper (100); eine auf dem Halbleiterkörper (100) angeordnete Isolationsschicht (110); eine auf der Isolationsschicht (110) angeordnete Begrenzungsstruktur (120) wobei der Halbleiterkörper (100) unterhalb der Begrenzungsstruktur (120) eine Öffnung (101) aufweist; zwei auf der Isolationsschicht (110) angeordnete strukturierte Elektroden (300, 301); und eine von der Begrenzungsstruktur (120) zumindest teilweise begrenzte und auf der Isolationsschicht (110) und auf den Elektroden (300, 301) angeordnete piezoelektrische Schicht (200) aus einem Thermoplast.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1, das weiter aufweist: ein auf der Isolationsschicht (110) innerhalb der Begrenzungsstruktur (120) angeordnetes Massenelement (130, 130'), oder ein auf der Isolationsschicht (110) innerhalb der Öffnung (101) angeordnetes Massenelement (130').
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Begrenzungsstruktur (120) eine geschlossene Kurve bildet.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 2 oder 3 wenn rückbezogen auf Anspruch 2, wobei das Massenelement (130) und die Begrenzungsstruktur (120) Teile derselben strukturierten Materialschicht sind.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder 4, wenn rückbezogen auf Anspruch 2, wobei das Massenelement (130') im Inneren der Öffnung aus einem Teil des Halbleiterkörpers (100) gebildet ist oder wobei das Massenelement (130) von der Begrenzungsstruktur (120) umschlossen ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Isolationsschicht (110) einen Oxidschicht (111) und eine Nitridschicht (112) auf umfasst.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 6, wobei die die Oxidschicht (111) auf dem Halbleiterkörper (100) und die Nitridschicht (112) auf der Oxidschicht (111) angeordnet ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Thermoplast Polyvinylidenfluorid aufweist.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 8, wobei das Thermoplast ein Kopolymer aus Polyvinylidenfluorid und einem weiteren Bestandteil, insbesondere Trifluorethylen ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Begrenzungsstruktur (120) die piezoelektrische Schicht (200) begrenzt.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Begrenzungsstruktur eine strukturierte Schicht aus Silizium oder Tetraethylorthosilicat ist.
Ein Verfahren, das folgendes aufweist: Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (100); Herstellen einer Isolationsschicht (110) auf dem Halbleiterkörper (100); Herstellen einer Materialschicht auf der Isolationsschicht und Strukturieren der Materialschicht, sodass eine Begrenzungsstruktur (120) entsteht,; Herstellen zweier strukturierte Elektroden (300, 201) auf der Isolationsschicht (110); Herstellen einer piezoelektrischen Schicht (200) aus einem Thermoplast innerhalb der Begrenzungsstruktur (120) auf der Isolationsschicht (110) und auf den Elektroden (300, 201); und Herstellen einer Öffnung in dem Halbleiterkörper (100) unterhalb der Begrenzungsstruktur (120).
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei auf der Isolationsschicht (110) innerhalb der Begrenzungsstruktur (120) ein Massenelement (130) hergestellt wird, oder wobei auf der Isolationsschicht (110) innerhalb der Öffnung (101) ein Massenelement (130') hergestellt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Massenelement (130) ein Teil der strukturierten Materialschicht ist oder wobei das Massenelement (130') ein isolierter Teil des Halbleiterkörpers (100) ist.