JP2017510999A - 対称二重圧電スタック微小電気機械圧電デバイス - Google Patents
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Abstract
本発明は、第1の端と第2の端の間に延出している細長い共振器ビームを備えるデバイスに関する。1つのベースは、前記第1の端で共振器ビームに接続されており、第2の端は、前記ベースから構造層として延出している。前記細長い共振器ビームは、(1)第3の酸化物層上の第2の圧電スタック層を覆う第2の酸化物層上の構造層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層、または、(2)第4の酸化物層を覆う第2の圧電スタック上の第3の酸化物層を覆う構造層上の第2の酸化物層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層のいずれかを含む。機器と前記デバイスとを備えるシステム、ならびに、前記デバイスを製造及び使用する方法も開示される。
Description
本出願は、2014年3月7日出願の米国特許出願第14/201,293号の優先権を主張し、その全体を参照により本明細書に組み込むものとする。
発明の分野
本発明は、二重圧電スタック微小電気機械圧電デバイスに関する。より具体的には、本発明は、センサ及びアクチュエータとして使用する二重圧電スタック微小電気機械デバイスに関する。
本発明は、二重圧電スタック微小電気機械圧電デバイスに関する。より具体的には、本発明は、センサ及びアクチュエータとして使用する二重圧電スタック微小電気機械デバイスに関する。
発明の背景
集積回路のサイズと消費電力の両方が減少することによって、低電力のセンサ及び無線技術が急速に広まった。例えば、タブレット;スマートフォン;携帯電話;ラップトップコンピュータ;MP3プレイヤ;電話ヘッドセット;ヘッドフォン;ルータ、ゲームコントローラ;モバイルインターネットアダプタ;無線センサ;タイヤ圧センサモニタ;タブレット、PC、及び/またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ;家畜を監視するための装置;医療用装置;人体監視装置;おもちゃ等を含む、低電力センサ、電子機器、及び、無線送信機を、別個にまたは組み合わせて備える多種多様な装置がある。これらの装置は、多くの異なる機能を提供する様々な微小電気機械デバイスを含み得る。例えば、微小電気機械デバイスは、圧力、振動、流量、歪み、力(すなわち、重力)に関する物理的移動、衝撃移動、または音等の環境条件を監視及び検出するための様々なセンサを含み得る。このようなセンサの例は、加速度計、ジャイロスコープ、圧力センサ、歪みセンサ、流量センサ、及び、マイクロホンを含む。これらの装置は、装置内のシステムを機械的に駆動するエネルギーを供給するアクチュエータをさらに含み得る。さらに、装置は、運動(例えば、振動エネルギー)を基本的に電気エネルギーに変えるエネルギーハーベスタを含み得る。微小電気機械デバイスの設計及び製造工程は、用途に応じて変わる。さらに、様々な微小電気機械デバイスが、非効率的に装置内に分散していることがある。
集積回路のサイズと消費電力の両方が減少することによって、低電力のセンサ及び無線技術が急速に広まった。例えば、タブレット;スマートフォン;携帯電話;ラップトップコンピュータ;MP3プレイヤ;電話ヘッドセット;ヘッドフォン;ルータ、ゲームコントローラ;モバイルインターネットアダプタ;無線センサ;タイヤ圧センサモニタ;タブレット、PC、及び/またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ;家畜を監視するための装置;医療用装置;人体監視装置;おもちゃ等を含む、低電力センサ、電子機器、及び、無線送信機を、別個にまたは組み合わせて備える多種多様な装置がある。これらの装置は、多くの異なる機能を提供する様々な微小電気機械デバイスを含み得る。例えば、微小電気機械デバイスは、圧力、振動、流量、歪み、力(すなわち、重力)に関する物理的移動、衝撃移動、または音等の環境条件を監視及び検出するための様々なセンサを含み得る。このようなセンサの例は、加速度計、ジャイロスコープ、圧力センサ、歪みセンサ、流量センサ、及び、マイクロホンを含む。これらの装置は、装置内のシステムを機械的に駆動するエネルギーを供給するアクチュエータをさらに含み得る。さらに、装置は、運動(例えば、振動エネルギー)を基本的に電気エネルギーに変えるエネルギーハーベスタを含み得る。微小電気機械デバイスの設計及び製造工程は、用途に応じて変わる。さらに、様々な微小電気機械デバイスが、非効率的に装置内に分散していることがある。
大きな関心が寄せられている他の無線技術は、無線センサ及び無線センサネットワークである。このようなネットワークにおいては、無線センサは、特定の環境に分散されて、測定データを中央ハブに中継するアドホックネットワークを形成する。特定の環境は、例えば、自動車、航空機、工場、または、建物を含む。無線センサネットワークは、距離を超えたマルチホップ伝送を用いて動作する何千から何万もの無線センサ「ノード」を備え得る。各無線ノードは、一般的に、センサ、無線電子機器、及び、電源を備える。これらの無線センサネットワークを用いて、環境条件に対応するインテリジェントな環境を作り出すことができる。
シリコン構造層を備える微小電気機械(「MEMS」)圧電デバイスは、典型的に、少なくとも酸化物/構造層/圧電スタック/酸化物(酸化物は、典型的には、堆積させた二酸化シリコンである)からなる断面を有する。構造層に使用されるシリコン材料は、典型的に、シリコン・オン・インシュレータ(「SOI」)ウェハの単結晶シリコンデバイス層から形成される。第2の圧電スタックは、デバイスから出力される信号を増加させるために、デバイス構造に置かれて、二重圧電スタックを形成することが多い。この追加の圧電スタックは、少なくとも酸化物/構造層/圧電スタック/酸化物/圧電スタック/酸化物の形で、シリコン構造層の第1の圧電スタックと同じ側に(または、第1の圧電スタックの上に)置かれる。SOIウェハの加工に使用されるプロセス中、2枚のシリコンウェハの高温での直接接合と、それに続く研削及び研磨ステップによって、デバイスとハンドルウェハの間に圧電スタックを配置するのが極めて困難になるため、追加の圧電スタックはこのように配置される。
追加の圧電スタックをシリコン構造層の第1の圧電スタックと同じ側に配置することによって、圧電スタックに関する断面の対称性を欠くので、構造層を平坦にするために、圧電スタックの残留応力を調整する必要がある。層の残留応力への処理不良による構造層の巻きまたは平坦性の不足は、MEMSデバイスの性能に影響を与えることがある。圧電スタックの残留応力の調整は、固有の圧電特性、ひいては、デバイス性能に影響を与え得る。よって、構造層の平坦性及び高品質圧電応答に必要な応力において妥協がなされなければならない。
本発明は、当技術分野におけるこれら及び他の欠点を克服することに関する。
本発明の一態様は、第1の端と第2の端との間に延出している細長い共振器ビームを備えるデバイスに関する。ベースは、第1の端で共振器ビームに接続されており、第2端が構造層としてベースから延出している。細長い共振器ビームは、(1)第3の酸化物層上の第2の圧電スタック層を覆う第2の酸化物層上の構造層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層、または、(2)第4の酸化物層を覆う第2の圧電スタック上の第3の酸化物層を覆う構造層上の第2の酸化物層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層のいずれかを含む。
本発明の別の態様は、機器とその機器に連結された本発明のデバイスとを備えるシステムに関する。
本発明のさらに別の態様は、環境条件を測定する方法に関する。この方法は、本発明のシステムを提供するステップと、第1の圧電スタック層及び/または第2の圧電スタック層からの電気エネルギーを生成するための運動または振動を生成する1つまたは複数の環境条件にそのシステムを供するステップとを含む。環境条件は、第1の圧電スタック層及び/または第2の圧電スタック層から生成された電気エネルギーに基づいて測定される。
本発明のさらに別の態様は、機械的な作動力を供給するための方法に関する。この方法は、本発明のシステムを提供するステップと、デバイスに電気的に接続している電圧源を提供するステップとを含む。電圧は、電圧源からデバイスに印加され、印加された電圧によって細長い共振器ビームの移動が開始される。機械的な作動力は、細長い共振器ビームの移動に基づいて供給される。
本発明の別の態様は、対称二重スタック微小電気機械圧電デバイスを製造する方法に関する。この方法は、第1の表面と第2の表面とを有するシリコンウェハを供給するステップを含む。シリコンウェハの第1の表面に第1の二酸化シリコン層を堆積させる。第1の二酸化シリコン層上に第1の圧電スタック層を堆積させて、パターニングする。パターニングされた第1の圧電スタック層を覆って第2の二酸化シリコン層を堆積させる。堆積された第2の二酸化シリコン層を覆って構造層を堆積させ、パターニングする。パターニングされた構造層を覆って第2の圧電スタック層を堆積させ、この第2の圧電スタック層をパターニングしてデバイスを製造する。
デバイスは、センサ及びアクチュエータ等の広範な微小電気機械構造を高性能に作るのに利用できる標準マイクロマシニング加工で製造してよい。複数のユーザが、別々に、デバイスの設計を行い、デバイスを同じチップまたはウェハ上で一体化することができる。本発明のデバイスは、金属、シリコン、または、構造層に適する他のCMOS材料の厚い堆積層と、その構造層の両側の面に1つの圧電スタックを用いて作られた対称的な断面を有する二重圧電スタックデバイスをさらに提供する。この構造によって、デバイスの運動検出感度を向上させ、圧電層材料の特性と圧電スタックの応力(ひいては、ビームの全体的な平坦性)をほぼ独立的に制御する利点を提供し、それによって、デバイス性能を向上させ、より堅牢な製造工程を提供する。
発明の詳細な説明
本発明は、対称二重圧電スタックMEMS圧電デバイスと、当該デバイスを備えるシステムと、当該デバイスを使用及び製造する方法とに関する。
本発明は、対称二重圧電スタックMEMS圧電デバイスと、当該デバイスを備えるシステムと、当該デバイスを使用及び製造する方法とに関する。
本発明の一態様は、第1の端と第2の端の間に延出している細長い共振器ビームを備えるデバイスに関する。ベースは、第1の端で共振器ビームに接続されており、第2端が構造層としてベースから延出している。細長い共振器ビームは、(1)第3の酸化物層上の第2の圧電スタック層を覆う第2の酸化物層上の構造層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層、または、(2)第4の酸化物層を覆う第2の圧電スタック上の第3の酸化物層を覆う構造層上の第2の酸化物層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層のいずれかを含む。
図1は、本発明のデバイス10の第1の実施形態の垂直断面図である。デバイス10は、ほんの一例として、加速度計、移動センサ、振動センサ、ジャイロスコープ、圧力センサ、または歪みセンサ等のセンサであってよい。デバイス10は、あるいは、バルブ、ポンプ、またはスピーカ等の装置を作動させるアクチュエータであってよい。
デバイス10は、細長い共振器ビーム12を備える。共振器ビーム12は、第1の端14と第2の端16との間に延出している。第1のベース部18Aは、第1の端14で共振器ビーム12に接続されており、第2のベース部18Bは、第2の端16で共振器ビーム12に接続されている。第2の端16は、第1のベース部18Aからカンチレバーとして自由に延出しており、第2のベース部18Bは、共振器ビーム12の端で、ひとかたまりとして働く。
共振器ビーム12は、複数の層によって形成された積層体を含む。一実施形態によると、共振器ビーム12は少なくとも、第3の酸化物層32上の第2の圧電スタック層30を覆う第2の酸化物層28上の構造層26を覆う第1の圧電スタック層24上の第1の酸化物層22を含む。他の層の非限定的な例には、図8〜21Cに示す本発明のデバイスを形成する方法に関して以下に記載する層が含まれるが、それらに限らない。
一実施形態による第1の酸化物層22は、厚さ約1μmのシリコン酸化物層であってよい。別の実施形態によると、第1の酸化物層が任意であり、その存在により、摩耗に対する堅牢性が構造に与えられる。第2の酸化物層28は、一実施形態によると、プラズマ化学蒸着(PECVD)によって堆積された厚さ約1μmの酸化物層である。この層は、第2の圧電スタック層30を電気的に遮蔽する。第3の酸化物層32は、熱酸化物層であってよい。一実施形態においては、第3の二酸化物層32は、約0.25μm〜約2μmの厚さを有する。
構造層26は、シリコン、ポリシリコン、金属(例えば、Cu若しくはNi)、もしくは、金属酸化物半導体(CMOS)に適した他の材料等の任意の適切な非結晶材料、カーボンナノファイバ(CNF)、またはポリイミド等の高温ポリマーであってよい。一実施形態においては、構造層26は、約10μm〜約200μm、約10μm〜約75μm、または、約10μm〜約50μmの厚さを有する。
共振器ビーム12の第1の圧電スタック24及び第2の圧電スタック30は、圧電材料を含む。適切な圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、PVDF、及び、チタン酸ジルコン酸鉛ベースの化合物を含むが、これらに限らない。圧電材料は、機械的な歪みにさらされると、電気的に分極される。分極の程度は、加えられた歪みに比例する。圧電材料は、周知であり、多くの形態で入手可能である。それらの形態には、単結晶(例えば、石英)、圧電セラミック(例えば、チタン酸ジルコン酸鉛またはPZT)、薄膜(例えば、スパッタ酸化亜鉛)、圧電セラミック粉末に基づいたスクリーン印刷可能な厚膜(例えば、Baudry, "Screen―printing Piezoelectric Devices," Proc. 6th European Microelectronics Conference (London, UK) pp. 456―63 (1987)、及び、White & Turner, "Thick―film Sensors: Past, Present and Future," Meas. Sci. Technol. 8:1―20 (1997)を参照。これらは参照によりその全体を本明細書に組み込む)、及び、ポリフッ化ビニリデン(「PVDF」)等のポリマー材料(例えば、Lovinger, "Ferroelectric Polymers," Science 220:1115―21 (1983)を参照。この全体を参照により本明細書に組み込む)が含まれる。
圧電材料は、典型的には、異方性特性を呈する。従って、材料の特性は、力の方向と、分極及び電極の向きとに応じて異なる。材料の圧電活性のレベルは、回転の軸と共に使用される一連の定数として定義される。圧電歪み定数dは、
として定義される。(Beeby et al., "Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications," Meas. Sci. Technol. 17:R175―R195 (2006)。この全体を参照により本明細書に組み込む)。
として定義される。(Beeby et al., "Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications," Meas. Sci. Technol. 17:R175―R195 (2006)。この全体を参照により本明細書に組み込む)。
共振器ビーム12の第1の圧電スタック24及び第2の圧電スタック30は、第1の圧電スタック層24及び/または第2の圧電スタック層30と電気的に接触している、1つまたは複数の電極34も備える。一実施形態によると、電極34は、モリブデンとプラチナからなるグループから選択された材料を含むが、電極構造の形成に適した他の材料も使用してよい。また、デバイス10は、1つまたは複数の電極34と電気的に接続している回路もさらに備えてよい。一実施形態においては、回路は、圧電材料から電気エネルギーを受け取り、機器に出力を提供して、圧力、振動、流量、歪み、力(すなわち、重力)に関する物理的移動、衝撃移動、または音等の、共振器ビーム12にたわみまたは変形を生じさせる環境条件を測定する。例えば、出力は、環境条件の強さを示すものとして、電気エネルギーの強さを表示してよい。別の実施形態においては、回路は、圧電材料から生成されかつ機器に供給された電力を供給するために電動式機器に電気的に連結することができる電気ハーベスト回路であってよい。別の実施形態においては、圧電材料にたわみを生じさせるために、回路は、電圧源に連結されて、電圧を印加することができる。
本発明のデバイスのこの実施形態においては、共振器ビーム12は、第2の端16を有し、第2の端16は、カンチレバーとして、第1のベース部18Aから自由に延出している。圧電材料を含むカンチレバー構造を曲げモードで動作するように設計することによって、圧電材料を歪ませて、d効果により電荷を生成する(Beeby et al., "Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications," Meas. Sci. Technol. 17:R175―R195 (2006)。この全体を参照により本明細書に組み込む)。カンチレバーは、低い共振周波数を提供し、共振周波数は共振器ビーム12の第2の端16に接着された第2のベース部18Bの存在によってさらに低減される。
本発明のデバイス10の共振器ビーム12の動作中の共振周波数は、約50Hz〜約4000Hz、約100Hz〜約3000Hz、約100Hz〜約2000Hz、または、約100Hz〜約1,000Hzの周波数を含んでよい。
共振器ビーム12は、共振器ビーム12の調整を助けるため及び構造的な支持を提供するための様々な形状及び構成を有する側壁を備えてよい。一実施形態によると、共振器ビーム12は、内容全体を参照により本明細書に組み込む米国仮特許出願第61/780,203号に記載されるように、共振器ビーム12の平面内で連続的に曲がった側壁を有する。
本発明のデバイス10は、共振器ビーム12の第2の端16に第2のベース部18Bを備え、第2のベース部18Bは、共振器ビーム12の第2の端16が第1のベース部18Aから自由に延出している場合、ひとかたまりとして働く。第2のベース部18Bは、共振器ビーム12の周波数を低下させ、共振器ビーム12の(すなわち、圧電材料によって生成された)電力出力を増加させるために備えられる。第2のベース部18Bは、1つの材料または複数の材料(例えば、材料層)で構成されてよい。一実施形態によると、第2のベース部18Bは、シリコンウェハ材料で形成される。他の適切な材料は、電気メッキまたは熱蒸発によって堆積された銅、金、及び、ニッケルを含むが、それらに限らない。
一実施形態においては、第2のベース部18Bは、1つの共振器ビーム12につき1つのかたまりとして備えられる。しかしながら、2つ以上のかたまりを共振器ビーム12に接着してもよい。図2に示す実施形態等の他の実施形態においては、第2のベース部18Bは、例えば、共振器ビーム12に沿った異なる位置に備えられる。
当業者は容易に分かるように、共振器ビーム12は、共振器ビーム12の断面形状、共振器ビーム12の断面寸法、共振器ビーム12の長さ、第2のベース部18Bのかたまり、第2のベース部18Bの共振器ビーム12上の位置、及び、共振器ビーム12を作製するのに使用される材料等、多くのパラメータの任意の1つまたは複数を変えることによって調整することができる。
動作中、1つまたは複数の電極34は、共振器ビーム12が共振器ビーム12の一部のたわみまたは変形等の運動を受けると、共振器ビーム12の圧電材料からの電気信号を出力する。共振器ビーム12の運動は、環境条件に、例えば、圧力、振動、流量、歪み、力(すなわち、重力)に関する物理的移動、衝撃移動、または音に応答してよいが、共振器ビーム12の一部のたわみまたは変形を生じさせる他の環境条件に関連するものでもよい。従って、電極34は、共振器ビーム12の圧電材料に電気的に接続している。共振器ビーム12の圧電材料から集められた電気エネルギーは、次に、追加の回路に伝えられる。一実施形態においては、追加の回路は、デバイス10上に電極34にまたは電極34の近くに形成される。別の実施形態においては、回路は、別個のチップまたは基板であってもよいか、または、別個のチップまたは基板の上に存在する。別の実施形態においては、電圧を1つまたは複数の電極34に印加して、共振器ビーム12をたわませ、バルブ、ポンプまたはスピーカ等のアクチュエータとして機能させる。
図2は、本発明のデバイス10の代替実施形態の垂直断面図を示す。デバイス10の構造は、第1のベース部18A及び第2のベース部18Bに関して以下に記載すること以外は、図1に関して記載した構造と同じである。第2のベース部18Bは、共振器ビーム12の第2の端16に配置され、共振器ビーム12の第2の端16を超えて延出している。共振器ビーム12は、第1のベース部18A及び第2のベース部18Bに完全または部分的にクランプされる。
図3は、本発明のデバイス10の別の代替の第2の実施形態の垂直断面図を示す。デバイス10の構造は、ベース18に関して以下に記載すること以外は、図1に関して記載した構造と同じである。ベース18は、共振器ビーム12の第1の端14から第2の端16まで延出しているが、第2の端16では、細長い共振器ビーム12から間隔をあけて配置されている。
図4は、本発明のデバイスの代替実施形態を示す。具体的には、デバイス110は、細長い共振器ビーム112を備える。共振器ビーム112は、第1の端114と第2の端116との間に延出している。第1のベース部118Aは、第1の端114で共振器ビーム112に接続されている。第2のベース部118Bは、第2の端116で共振器ビーム112に接続されている。一実施形態においては、第2の端116は、ベース118Aからカンチレバーとして自由に延出している。デバイス110は、共振器ビーム112に関して以下に記載すること以外は、図1に関して記載したデバイス10と同じである。具体的には、デバイス110は、共振器ビーム112を備え、共振器ビーム112は、図2に関して以下に記載する異なる積層の材料を含む。
共振器ビーム112は、複数の層から形成される積層体を含む。一実施形態によると、共振器ビーム112は、第4の酸化物層134を覆う第2の圧電スタック132上の第3の酸化物層130を覆う構造層128上の第2の酸化物層126を覆う第1の圧電スタック層124上の第1の酸化物層122を含む。他の層の非限定的な例には、図22〜37Cに示す本発明のデバイスを形成する方法に関して以下に記載する層を含むが、それらに限らない。
共振器ビーム112の層は、図4に関して以下に記載する以外は、共振器ビーム12の層とほぼ同じである。具体的には、共振器ビーム112は、第1の圧電スタック層124と構造層128との間に追加の第2の酸化物層126を含む。第2の酸化物層126は、一実施形態によると、厚さ約1μmの高温酸化物層である。この層は、第1の圧電スタック層124を電気的に遮蔽する。第3の酸化物層130及び第4の酸化物層134は、図1に関して上に記載したように、第2の酸化物層28及び第3の酸化物層32とそれぞれ同じである。
共振器ビーム112の第1の圧電スタック124及び第2の圧電スタック132は、第1の圧電スタック層124及び/または第2の圧電スタック層132と電気的に接触している、1つまたは複数の電極136も備える。一実施形態によると、電極136は、モリブデン及びプラチナからなるグループから選択された材料を含むが、電極構造の形成に適した他の材料を使用してもよい。また、デバイス110は、共振器ビーム112の圧電材料からの電気エネルギーを出力するための1つまたは複数の電極136と電気的に接触している回路をさらに備えてよい。
図5は、本発明のデバイス110の代替実施形態の垂直断面図を示す。デバイス110の構造は、第1のベース部118A及び第2のベース部118Bに関して以下に記載する以外は、図4に関して記載した構造と同じである。第2のベース部118Bは、共振器ビーム112の第2の端116に配置され、共振器ビーム112の第2の端116を超えて延出している。共振器ビーム112は、第1のベース部118A及び第2のベース部118Bに、完全または部分的にクランプされる。
図6は、本発明のデバイス110の別の代替実施形態の垂直断面図を示す。デバイス110の構造は、ベース118に関して記載した以外は、図4に関して記載した構造と同じである。ベース118は、共振器ビーム12の第1の端14から第2の端16に延出しているが、第2の端16では、細長い共振器ビーム12から間隔をあけて配置されている。
本発明の別の態様は、機器と本発明のデバイスを備えるシステムに関する。一実施形態においては、デバイスは、機器に電気的に連結されている。別の実施形態においては、デバイスは、機器内でアクチュエータとして働くために電圧源に電気的に連結されている。
ここで図7に目を向けると、機器(スマートフォン)36は、(その外部筐体内に)デバイス10を備えることが示されている。一実施形態によると、デバイス10は、センサとして働き、圧力、振動、流量、歪み、力(すなわち、重力)に関する物理的移動、衝撃移動、または音等の、スマートフォン36に関連する1つまたは複数の環境条件を検出する。デバイス10は、環境条件に関してスマートフォン36に表示される出力をさらに提供してよい。別の実施形態によると、デバイス10は、スマートフォン36に電力を供給するスタンドアローンのエネルギー源を提供してよく、別のスタンドアローンのエネルギー源(例えば、電池)に替えて、または併用して用いられる。別の実施形態においては、電圧がデバイス10に印加されてデバイス10が環境と機械的相互作用をするように、デバイス10は電圧源に接続されている。デバイス10は、これらの様々な機能を1つの基板上で一体化してよい。代替実施形態においては、機器は、例えば、腕時計型デバイスまたはネックレス等、タブレット、PC、及び/または、スマートフォンと電子的に通信する、ウェアラブルデバイスである。
機器と本発明のデバイスとを備える本発明の他のシステムは、ラップトップコンピュータ;タブレットコンピュータ;携帯電話;eリーダ;MP3プレイヤ;電話ヘッドセット;ヘッドフォン;ルータ;ゲームデバイス;ゲームコントローラ;モバイルインターネットアダプタ;カメラ;無線センサ;タブレット、PC、及び/またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサ;(工業、鉄道、建物、農業等を監視するネットワークのための)無線センサモート;タイヤ圧センサモニタ、(例えば、電動工具上の)電子ディスプレイ;家畜を監視するための農業用装置;医療用装置;人体監視装置;及びおもちゃであるが、これらに限らない。
本発明のデバイスは、図7のスマートフォン36に示すのとほぼ同じ方法でこのようなデバイスに接続できる。
例えば、一実施形態によると、本発明のシステムは、例えば、任意の1つまたは複数の様々な環境特性(温度、湿度、光、音、振動、風、運動等)を監視する本発明のデバイスを備える無線センサデバイスである。
本発明のさらなる態様は、環境条件を測定する方法に関する。この方法は、本発明のシステムを提供するステップと、第1の圧電スタック層及び/または第2の圧電スタック層から電気エネルギーを生成するための運動または振動を生成する1つまたは複数の環境条件にそのシステムを供するステップとを含む。環境条件は、第1の圧電スタック層及び/または第2の圧電スタック層からの電気エネルギーに基づいて測定される。また、システムは、図1に示すように、共振器ビーム12の第1の圧電スタック層及び/または第2の圧電スタック層からの電気エネルギーを出力及び測定するための1つまたは複数の電極34と電気的に接続している回路をさらに備えてよい。回路は、圧電材料から生成され機器に供給される信号を供給するために、図7に示すようなスマートフォン36等の機器に電気的に連結されることができる。一実施形態においては、測定された環境条件が、スマートフォン36のディスプレイに表示されてよい。
本発明のさらに別の態様は、機械的な作動力を供給するための方法に関する。この方法は、本発明によるシステムを提供するステップと、デバイスと電気的に接続している電圧源を提供するステップとを含む。電圧が電圧源からデバイスに印加され、印加された電圧によって、細長い共振器ビームの移動が開始される。機械的な作動力は、細長い共振器ビームの移動に基づいて供給される。一例として、機械的な作動力を用いて、バルブ、ポンプ、またはスピーカを動作させてよい。
本発明の別の態様は、対称二重スタック微小電気機械圧電デバイスを製造する方法に関する。この方法は、第1の表面と第2の表面とを有するシリコンウェハを供給するステップを含む。第1の二酸化シリコン層をシリコンウェハの第1の表面に堆積させる。第1の二酸化シリコン層上に第1の圧電スタック層を堆積させ、パターニングする。パターニングされた第1の圧電スタック層を覆って第2の二酸化シリコン層を堆積させる。堆積させた第2の二酸化シリコン層を覆って構造層を堆積させ、パターニングする。パターニングされた構造層を覆って第2の圧電スタック層を堆積させ、この第2の圧電スタック層をパターニングしてデバイスを製造する。
ここで図8を参照すると、本発明のデバイスを製造する方法の第1の実施形態は、層状材料スタック50の形成を含む。層状材料スタック50は、パターニングされて、本明細書に記載の対称二重スタック微小電気機械圧電デバイスを形成する層状になった材料のスタックである。層状材料スタック50は、以下の層状の材料を含む:シリコンウェハ52(第1の表面51と第2の表面53を有する)、第1の二酸化シリコン層32、接着層54(これは任意であり、そのため、図9〜21Cに存在してよいが、図8にのみ示している)、圧電スタック層30(第1の導電材料層56と、圧電材料層58と、第2の導電材料層60とを含む)。
図8に示すように、一実施形態においては、本発明のデバイスを形成する方法は、第1の表面51及び第2の表面53を有するシリコンウェハ52を提供すること、シリコンウェハ52の第1の表面51上に第1の二酸化シリコン層32(層の数字表示は、図1に示す本発明のデバイスの実施形態に関すると理解されたい)を堆積させること、第1の二酸化シリコン層32上に任意の接着層54を堆積させること、及び、接着層54が存在する場合、接着層54上に(存在しない場合、第1の二酸化シリコン層32上に)第1の圧電スタック層30を堆積させることによって、層状材料スタック50を形成するステップを含む。
シリコンウェハ52は、一実施形態によると、単結晶の両面研磨シリコンウェハである。一実施形態において、シリコンウェハ52は、約400μm〜約1000μm、約500μm〜約900μm、約600μm〜約800μm、または、約700μmの厚さを有する。1つの具体的な例においては、シリコンウェハ52は、約725μm(+/−15μm)の厚さを有する両面研磨のシリコンウェハ(すなわち、標準的厚さ200mmのウェハ)である。あるいは、シリコンウェハ52の代わりに、本発明の方法は、二酸化シリコンの堆積層の上に層状材料スタック50の次の層が形成される二酸化シリコンの堆積層で開始してもよい。
第1の二酸化シリコン層32は、一実施形態によると、熱酸化物層である。一実施形態においては、第1の二酸化シリコン層32は、約0.25μm〜約2μmの厚さを有する。シリコンウェハ52の第1の表面51上への第1の二酸化シリコン層32の堆積は、当技術分野で既知の方法で行うことができる。例えば、二酸化シリコンを熱成長させて、次に、シリコンウェハ上に堆積させてよい。1つの特定の例においては、1μm(+/−0.05μm)の熱成長させたSiO2をシリコンウェハ52上に堆積させて、二酸化シリコン層32を形成する。
第1の圧電スタック層30を第1の二酸化シリコン層32に堆積させて、導電材料/圧電材料/導電材料の層を形成する。一実施形態によると、圧電スタック層30は、約0.5μm〜約6μm、または、約2μm〜約5μmの厚さを有する。第1の圧電スタック層30は、第1の導電材料層56、第2の導電材料層60、及び、圧電層58を含む。第1の導電材料層56及び第2の導電材料層60は、電極として機能するのに十分な任意の適切な導電材料によって形成されてよい。一実施形態によると、これらの層は、モリブデンまたはプラチナ等の同じ材料で形成される。しかしながら、両方の層を同じ材料で形成する必要はない。圧電材料層58は、上記のように、任意の適切な圧電材料で形成される。一実施形態によると、この層は、窒化アルミニウム(AlN)から形成される。
第1の圧電スタック層30の堆積は、当技術分野で標準的であるように、薄い接着層54を下に用いて行われてよい。適切な接着層54は、約0.02μm〜約0.05μmの層厚さのチタン、AlN、Al:Cu、またはAl等の材料を含んでよい。
本発明のデバイスを製造する方法の一実施形態は、図9〜21Cに示すように進行する。
まず、図9に示すように、圧電スタック層30をパターニングする。詳細には、圧電材料層58の一部及び第2の導電材料層60の一部(例えば、部分62及び64)をスタック50から取り除いて、第1の導電材料層56を露出させる。本発明の方法による第1の圧電スタック層30をパターニングするステップは、導電材料層に対するリン酸と水酸化テトラメチルアンモニウムを用いたウェットエッチングと組み合わせて、リソグラフィ技術を使用して行ってよい。層のウェットエッチングまたはドライエッチングの他の適切な化学反応も当業者によって一般的に用いられ、本発明の方法の実行に使用されてよい。
次に、図10に示すように、一実施形態によると、第1の圧電スタック層30をパターニングすることは、第1の導電材料層56をパターニングしてその一部(例えば、部分66)を取り除きかつその反対側の部分を電極として露出させたままにすることを含む。電極をパターニングすることは、塩素ガスまたはフッ素ガスを用いたリン酸ウェットエッチングまたはプラズマ(ドライ)エッチングを使用して行われてよい。接着層が存在する場合、接着層は、(例えば、チタン接着層に対しては)アンモニア過水ベースのウェットエッチングで取り除かれてよい。
次に、図11に示すように、パターニングされた第1の圧電スタック層30と第1の二酸化シリコン層32とを覆って第2の二酸化シリコン層28を堆積させる。第2の二酸化シリコン層28は、一実施形態によると、酸化物層である。この層は、第1の圧電スタック層30を電気的に遮蔽する。一実施形態によると、このステップは、シラン(シリコン源)のプラズマ化学蒸着を用いて行われて、パッシベーション層のシリコン酸化物を堆積させる。この層は、約1μmの厚さに堆積させてよい。
図12に示す次の方法ステップにおいて、堆積された第2の二酸化シリコン層28を覆って構造層26を堆積させる。構造層26は、シリコン、ポリシリコン、金属(例えば、Cu若しくははNi)または金属酸化物半導体(CMOS)に適した他の材料等の任意の適切な非結晶材料、カーボンナノファイバ(CNF)、または、ポリイミド等の高温ポリマーであってよい。一実施形態においては、構造層26は、約10μm〜約200μm、約10μm〜約75μm、または、約10μm〜約50μmの範囲の厚さで、化学蒸着によって第2の二酸化シリコン層28上に堆積される。堆積後、例えば、化学的機械的研磨によって、構造層26の表面を平滑化するのが望ましい場合がある。
次に、構造層26をパターニングする。この方法ステップを図13に示す。一実施形態によると、このパターニングは、全てドライプロセスで行われてよい。例えば、酸化物の場合、フッ素CHF3/CF4ガス及び反応性イオンエッチング、ポリシリコンの場合SF6/C4F8深掘反応性イオンエッチングがある。Cu、Au、またはNi等の金属の場合、当技術分野において周知のウェットエッチングプロセスを使用できる。
図14は、次の方法ステップを示す。このステップは、構造層26を覆って第2の圧電スタック層24を堆積させて、第2の導電材料/圧電材料/導電材料の層を形成することを含む。一実施形態によると、第2の圧電スタック層24は、約0.5μm〜約6μmまたは約2μm〜約5μmの厚さを有する。一実施形態によると、第2の圧電スタック層24は、任意の第1の導電材料層68、圧電材料層70、及び、第2の導電材料層72を含む。別の実施形態においては、第2の圧電スタック層24は、パターニングされた構造層26の上にある圧電材料層70を覆う第2の導電材料層72を含む。この構成においては、構造層26は、電極として有用である。
第1の導電材料層68(存在する場合)及び第2の導電材料層72は、電極として十分に機能する任意の適切な導電材料から形成されてよい。一実施形態によると、これらの層は、モリブデンまたはプラチナ等の同じ材料で形成される。しかしながら、両方の層を同じ材料で形成する必要はない。圧電材料層70は、上記のように、任意の適切な圧電材料から形成される。一実施形態によると、この層は、窒化アルミニウム(AlN)で形成される。
第2の圧電スタック層24の堆積は、当技術分野で標準的なように、薄い接着層74を下に用いて行ってよい。適切な接着層74は、約0.02μm〜約0.05μmの層厚さのチタン、AlN、Al:Cu、またはAl等の材料を含んでよい。
次に、図15に示すように、第2の圧電スタック層24をパターニングする。詳細には、圧電材料層70の一部及び第2の導電材料層72の一部(例えば、部分76及び78)を第2の圧電スタック層24から取り除いて、第1の導電材料層68(存在する場合)または、構造層26を露出させる。
本発明の方法による第2の圧電スタック層24をパターニングするステップは、導電材料層に対するリン酸及び水酸化テトラメチルアンモニウムを用いたウェットエッチングと組み合わせた、リソグラフィ技術を用いて行われてよい。層のウェットエッチングまたはドライエッチングのための他の適切な化学反応も当業者によって一般的に使用され、本発明の方法を行うのに用いられてよい。
一実施形態によると、本発明の方法は、パターニングされた第2の圧電スタック層、パターニングされた構造層、及び、パターニングされた第1の圧電スタック層に、パッシベーション層を塗布するステップと、シリコンウェハの第2の側面をエッチングする前に、パッシベーション層をパターニングするステップとをさらに含んでよい。別の実施形態によると、本発明の方法は、シリコンウェハの表面をエッチングする前に、パターニングされたパッシベーション層上に金属ボンドパッド層を堆積させるステップをさらに含んでよい。
別の実施形態においては、図13に示す構造層26のパターニングは、図14及び15に示す第2の圧電スタック層24の堆積及びパターニング後に行われる。
次の方法ステップにおいて、図16に示すように、パターニングされた第2の圧電スタック層24と、パターニングされた構造層26と、第2の二酸化シリコン層28とを覆って第3の二酸化シリコン層22を堆積させる。一実施形態によると、このステップは、シラン(シリコン源)のプラズマ化学蒸着を用いて行われて、パッシベーション層のシリコン酸化物を堆積させる。この層は、約1μmの厚さに堆積されてよい。別の実施形態によると、第3の二酸化シリコン層の堆積は、摩耗に対する堅牢性を構造に与える任意のステップである。
図17に示す方法ステップにおいて、第1の二酸化シリコン層32、第2の二酸化シリコン層28、及び、第3の二酸化シリコン層22がパターニングされて、構造層26は、裏面エッチングの後、解放される。一実施形態によると、このステップは、第1の二酸化シリコン層32の一部、第2の二酸化シリコン層28の一部、及び、第3の二酸化シリコン層22の一部を取り除いて、シリコンウェハ52の第1の表面51を露出することを含む。一実施形態によると、このパターニングは、CHF3反応性イオンエッチングプロセスを用いて行われる。
次に、図18に示すように、第3の二酸化シリコン層22がパターニングされる。一実施形態によると、このステップは、第3の二酸化シリコン層22の一部を取り除いて、第1の圧電スタック層30の部分80及び82と、第2の圧電層24の部分84及び86とを露出させたままにすることを含む。一実施形態によると、このパターニングは、CHF3反応性イオンエッチングプロセスを用いて行われる。一実施形態において、図17及び18に示すパターニングは、1つのステップで行われる。
さらなる(任意の)方法ステップを図19に示す。図19は、パターニングされた第3の二酸化シリコン層22と、第1の圧電スタック層30の部分80及び82と、第2の圧電スタック層24の部分84及び86とを覆って堆積させた金属ボンドパッド層88を示す。ボンドパッド層88は、デバイスへの堅牢なワイヤボンドの形成を可能にする表面を提供して、良好な電気的接続を確実にする。一実施形態によると、金属ボンドパッド層88は、約1μmの厚さに堆積され、金属材料(例えば、Al)である。この層は、ワイヤボンドの信頼性向上のために堆積される。
図20は、金属ボンドパッド層88が存在する場合、金属ボンドパッド層88をパターニングすることを含む次の方法ステップを示す。一実施形態によると、金属ボンドパッド層88は、最上部及び底部の電極接続のための開口部より少し長くパターニングされる。一実施形態においては、金属ボンドパッド層88のパターニングは、リン酸ベースのウェットエッチング化学反応を用いて行われる。しかしながら、他の方法を用いてもよい。
次に、図21A〜21Cに示す方法ステップにおいて、シリコンウェハ52に、任意でエッチングを行って、デバイスの異なる実施形態を製造する。一実施形態においては、図21Aに示すように、シリコンウェハ52の表面53をエッチングして、共振器ビーム12、第1のベース部18A、及び、第2のベース部18Bを作製することによって、本発明のデバイスの一実施形態を製造する。言い換えると、シリコンウェハ52の一部をエッチングによって取り除いて、作製された共振器ビーム12の下に空洞90Aを作製し、第1のベース部18Aになったシリコンウェハ52の部分と、第2のベース部18Bになったシリコンウェハ52の部分の間を分ける。一実施形態によると、シリコンウェハ52のエッチングは、リソグラフィ技術とSF6/C4F8化学反応を用いた深堀反応性イオンエッチングを使用して行われる。
別の実施形態において、図21Bに示すように、シリコンウェハ52は、表面53でエッチングされて、共振器ビーム12、第1のベース部18A、及び、第2のベース部18Bを作製することによって、本発明のデバイスの一実施形態を製造する。言い換えると、シリコンウェハ52の一部をエッチングで取り除いて、作製された共振器ビーム12の下に空洞90Bを作製して、第1のベース部18Aになったシリコンウェハ52の部分と、第2のベース部18Bになったシリコンウェハ52の部分とを分ける。第2のベース部18Bは、共振器ビーム12の第2の端16を超えて延出している。一実施形態によると、シリコンウェハ52のエッチングは、リソグラフィ技術と、SF6/C4F8化学反応を用いた深堀反応性イオンエッチングとを使用して行われる。
さらに別の実施形態においては、図21Cに示すように、シリコンウェハ52は、表面51でエッチングされて、共振器ビーム12とベース18を作製することによって、本発明のデバイスの一実施形態を製造する。言い換えると、シリコンウェハ52の一部をエッチングで取り除いて、作製された共振器ビーム12の下に空洞90Cを作製して、ベース18になったシリコンウェハ52の部分と、共振器ビーム12の第2の端16との間を分ける。ベース18は、共振器ビーム12の第1の端14から第2の端16まで延出しているが、第2の端16では、細長い共振器ビーム12から間隔をあけて配置されている。一実施形態によると、シリコンウェハ52のエッチングは、フッ化キセノン等のドライエッチングまたはKOH等のウェットエッチングを用いて行われる。
本発明のさらなる態様は、デバイスを製造する方法に関する。この方法は、第1の表面と第2の表面とを有するシリコンウェハを供給するステップを含む。第1の二酸化シリコン層を、シリコンウェハの第1の表面上に堆積させる。第1の二酸化シリコン層上に、第1の圧電スタック層を堆積させて、パターニングする。パターニングされた第1の圧電スタック層を覆って第2の二酸化シリコン層を堆積させる。堆積された第2の二酸化シリコン層を覆って構造層を堆積させる。堆積された構造層を覆って第3の二酸化シリコン層を堆積させる。構造層を覆って第2の圧電スタック層を堆積させ、パターニングする。第3の二酸化シリコン層及び構造層がパターニングされる。シリコンウェハをエッチングして、デバイスを製造する。
ここで図22を参照すると、本発明のデバイスを製造する方法の別の実施形態は、層状材料スタック150を形成するステップを含む。層状材料スタック150は、パターニングされて本明細書に記載の対称二重スタック微小電気機械圧電デバイスを形成する層状の材料のスタックである。層状材料スタック150は、シリコンウェハ152(第1の表面151と第2の表面153を有する)、第1の二酸化シリコン層134、接着層154(これは任意であり、そのため、図23〜37Cに存在してもよいが、図22のみに示す)、圧電スタック層132(第1の導電材料層156、第2の導電材料層158、及び、圧電材料層160を含む)の層上材料を含む。
図22に示すように、本発明のデバイスを形成する方法の別の実施形態は、第1の表面151及び第2の表面153を有する(上記のような)シリコンウェハ152を提供すること、第1の二酸化シリコン層134(層の数字表示は、図4に示す本発明のデバイスの実施形態に関連することを理解されたい)をシリコンウェハ152の第1の表面151上に堆積させること、任意の接着層154を第1の二酸化シリコン層134上に堆積させること、及び、第1の圧電スタック層132を、接着層154が存在すれば接着層154上に(存在しなければ、第1の二酸化シリコン層134上に)堆積させることによって、層状材料スタック150を形成するステップを含む。
第1の二酸化シリコン層134は、一実施形態によると、熱酸化物層である。一実施形態においては、第1の二酸化シリコン層134は、約0.25μm〜約2μmの厚さを有する。シリコンウェハ52の第1の表面51上への第1の二酸化シリコン層134の堆積は、当分野で既知の方法によって行うことができる。例えば、二酸化シリコンを熱成長させ、シリコンウェハ上に堆積させてよい。1つの特定の例においては、1μm(+/−0.05μm)の熱成長させたSiO2をシリコンウェハ52上に堆積させて、二酸化シリコン層134を形成する。
第1の圧電スタック層132を第1の二酸化シリコン層134上に堆積させて、導電材料/圧電材料/導電材料の層を形成する。一実施形態によると、圧電スタック層134は、約0.5μm〜約6μmまたは約2μm〜約5μmの厚さを有する。第1の圧電スタック層132は、第1の導電材料層156、第2の導電材料層158、及び、圧電層160を含む。第1の導電材料層156及び第2の導電材料層158は、電極として十分に機能する任意の適切な導電材料で形成されてよい。一実施形態によると、これらの層は、モリブデンまたはプラチナ等の同じ材料で形成される。しかしながら、両方の層を同じ材料で形成する必要はない。圧電材料層160は、上記のように、任意の適切な圧電材料で形成される。一実施形態によると、この層は、窒化アルミニウム(AlN)で形成される。
第1の圧電スタック層132の堆積は、当技術分野で標準的であるように、薄い接着層154を下に用いて行われてよい。適切な接着層154は、約0.02μm〜約0.05μmの層厚さのチタン、AlN、Al:Cu、またはAl等の材料を含んでよい。
本発明のデバイスを製造する方法の一実施形態は、図23〜37Cに示すように進行する。まず、図23に示すように、圧電スタック層132がパターニングされる。詳細には、圧電材料層160の一部及び第2の導電材料層158の一部(例えば、部分162及び164)が、スタック50から取り除かれて第1の導電材料層156を露出させる。本発明の方法による第1の圧電スタック層132をパターニングするステップは、導電材料層に対するリン酸と、水酸化テトラメチルアンモニウムを用いたウェットエッチングと組み合わせて、リソグラフィ技術を使用して行ってよい。層のウェットエッチングまたはドライエッチングに適した他の化学反応も当業者によって一般的に用いられ、本発明の方法を行うのに用いられてよい。
次に、図24に示すように、一実施形態によると、第1の圧電スタック層132をパターニングすることは、第1の導電材料層156をパターニングして、その一部(例えば、部分166)を取り除きかつその反対側の部分を電極として露出させたままにすることを含む。電極をパターニングすることは、リン酸ウェットエッチングまたは塩素ガスまたはフッ素ガスを用いたプラズマ(ドライ)エッチングを使用して行ってよい。接着層が存在する場合、接着層は、(例えば、チタン接着層の場合)アンモニア過水ベースのウェットエッチングで取り除かれてよい。
次に、図25に示すように、パターニングされた第1の圧電スタック層132と第1の二酸化シリコン層134とを覆って第2の二酸化シリコン層130を堆積させる。第2の二酸化シリコン層130は、一実施形態によると、高温酸化物層である。この層は、第1の圧電スタック層132を電気的に遮蔽する。一実施形態によると、このステップは、シラン(シリコン源)のプラズマ化学蒸着を用いて行われ、パッシベーション層のシリコン酸化物を堆積させる。この層は、約1μmの厚さに堆積されてよい。
図26に示す次の方法ステップにおいては、堆積された第2の二酸化シリコン層130を覆って構造層128を堆積させる。構造層128は、シリコン、ポリシリコン、金属(例えば、Cu若しくはNi)、または、金属酸化物半導体(CMOS)に適した他の材料等の任意の適切な非結晶材料、カーボンナノファイバ(CNF)、または、ポリイミド等の高温ポリマーでよい。一実施形態においては、構造層128は、第2の二酸化シリコン層130上に化学蒸着によって、約10μm〜約200μm、約10μm〜約75μm、または、約10μm〜約50μmの範囲の厚さで堆積される。堆積の後、例えば、化学的機械的研磨によって、構造層128の表面を平滑化するのが望ましい場合がある。
次に、図27に示すように、構造層128を覆って第3の二酸化シリコン層126を堆積させる。第3の二酸化シリコン層126は、一実施形態によると、高温酸化物層である。一実施形態によると、このステップは、シラン(シリコン源)のプラズマ化学蒸着を用いて行われて、パッシベーション層のシリコン酸化物を堆積させる。この層は、約1μmの厚さに堆積されてよい。
図28は、次の方法ステップを示す。このステップは、第3の二酸化シリコン層126を覆って第2の圧電スタック層124を堆積させて第2の導電材料/圧電材料/導電材料の層を形成することを含む。一実施形態によると、第2の圧電スタック層124は、約0.5μm〜約6μmまたは約2μm〜約5μmの厚さを有する。一実施形態によると、第2の圧電スタック層124は、第1の導電材料層168、圧電材料層170、及び、第2の導電材料層172を含む。
第1の導電材料層168及び第2の導電材料層172は、電極として十分に機能する任意の適切な導電材料から形成されてよい。一実施形態によると、これらの層は、モリブデンまたはプラチナ等の同じ材料から形成される。しかしながら、両方の層を同じ材料で形成する必要はない。圧電材料層170は、上記のように、任意の適切な圧電材料で形成される。一実施形態によると、この層は、窒化アルミニウム(AlN)で形成される。
第2の圧電スタック層124の堆積は、当分野で標準的な薄い接着層174を下に用いて行われてよい。適切な接着層174は、約0.02μm〜約0.05μmの層厚さのチタン、AlN、Al:Cu、またはAl等の材料を含んでよい。
次に、図29に示すように、第2の圧電スタック層124がパターニングされる。詳細には、圧電材料層170の一部及び第2の導電材料層172の一部(例えば、部分176及び178)を第2の圧電スタック層124から取り除いて、第1の導電材料層168を露出させる。本発明の方法による第2の圧電スタック層124をパターニングするステップは、導電材料層に対するリン酸と水酸化テトラメチルアンモニウムを用いたウェットエッチングに組み合わせて、リソグラフィ技術を使用して行ってよい。層のウェットエッチングまたはドライエッチングのための他の適切な化学反応も当業者によって一般的に用いられ、本発明の方法を行うのに使用されてよい。
次に、図30に示すように、一実施形態によると、第2の圧電スタック層124をパターニングすることは、第1の導電材料層168をパターニングしてその一部(例えば、部分179)を取り除きかつその反対側の部分を電極として露出させたままにすることを含む。電極をパターニングすることは、リン酸ウェットエッチングまたは塩素ガス若しくはフッ素ガスを用いたプラズマ(ドライ)エッチングを使用して行ってよい。接着層が存在する場合、接着層は、(例えば、チタン接着層の場合)、アンモニア過水ベースのウェットエッチングを用いて取り除かれてよい。
次に、構造層128及び第3の二酸化シリコン層126をパターニングする。この方法ステップは、図31に示す。一実施形態によると、このパターニングは、全て、ドライプロセスで行われてよい。例えば、酸化物の場合はフッ化CHF3/CF4ガス及び反応性イオンエッチング、ポリシリコンの場合は、SF6/C4F8深堀反応性イオンエッチングがある。Cu、AuまたはNi等の金属の場合、当技術分野で周知のウェットエッチングプロセスを使用できる。
一実施形態によると、本発明の方法は、パターニングされた第2の圧電スタック層、パターニングされた構造層、及び、パターニングされた第1の圧電スタック層に、パッシベーション層を塗布するステップと、シリコンウェハをエッチングする前に、そのパッシベーション層をパターニングするステップとをさらに含んでよい。別の実施形態によると、本発明の方法は、シリコンウェハをエッチングする前に、パターニングされたパッシベーション層上に金属ボンドパッド層を堆積させるステップをさらに含んでよい。
別の実施形態においては、図31に示す構造層128のパターニングは、図28〜30に示す第2の圧電スタック層124の堆積及びパターニングの前に行われる。
次の方法ステップにおいて、図32に示すように、パターニングされた第2の圧電スタック層124と、第2の二酸化シリコン層130とを覆って第4の二酸化シリコン層122を堆積させる。一実施形態によると、このステップは、シラン(シリコン源)のプラズマ化学蒸着を用いて行われて、パッシベーション層のシリコン酸化物を堆積させる。この層は、約1μmの厚さに堆積されてよい。別の実施形態によると、第3の二酸化シリコン層の堆積は、摩耗に対する堅牢性を構造に与える任意のステップである。
図33に示す方法ステップにおいて、第1の二酸化シリコン層134、第2の二酸化シリコン層130、及び、第4の二酸化シリコン層122がパターニングされて、構造層128が裏面エッチング後に解放される。一実施形態によると、このステップは、第1の二酸化シリコン層134の一部、第2の二酸化シリコン層130の一部、及び、第4の二酸化シリコン層122の一部を取り除いて、シリコンウェハ152の第1の表面151を露出させる。一実施形態によると、このパターニングは、CHF3反応性イオンエッチングプロセスを用いて行われる。
次に、図34に示すように、第4の二酸化シリコン層122がパターニングされる。一実施形態によると、このステップは、第4の二酸化シリコン層122の一部を取り除いて、第1の圧電スタック層132の部分180及び182と、第2の圧電層124の部分184及び186を露出させたままにすることを含む。一実施形態によると、このパターニングは、CHF3反応性イオンエッチングプロセスを使用して行われる。一実施形態においては、図33及び34に示すパターニングは1つのステップで行われる。
さらなる(任意の)方法ステップを図35に示す。図35は、パターニングされた第4の二酸化シリコン層122と、第1の圧電スタック層132の部分180及び182と、第2の圧電スタック層124の部分184及び186とを覆って堆積された金属ボンドパッド層188を示す。ボンドパッド層188は、デバイスへの堅牢なワイヤボンドの形成を可能にする表面を提供して、良好な電気的接続を確実にする。一実施形態によると、金属ボンドパッド層188は、約1μmの厚さに堆積され、金属材料(例えば、Al)である。この層は、ワイヤボンドの信頼性向上のために堆積される。
図36は、次の方法ステップを示す。ステップは、金属ボンドパッド層188が存在する場合は金属ボンドパッド層188のパターニングを含む。一実施形態によると、金属ボンドパッド層188は、最上部及び底部の電極接続のための開口部より少し長くパターニングされる。一実施形態においては、金属ボンドパッド層188のパターニングは、リン酸ベースのウェットエッチング化学反応を用いて行われる。しかしながら、他の方法を用いてもよい。
次に、図37A〜37Cに示す方法ステップにおいて、シリコンウェハ52は、任意でエッチングされて、デバイスの異なる実施形態を製造する。一実施形態においては、図37Aに示すように、シリコンウェハ152は、表面153がエッチングされて共振器ビーム112、第1のベース部118A、及び、第2のベース部118Bを作製して、本発明のデバイスの一実施形態を製造する。言い換えると、シリコンウェハ152の一部をエッチングで取り除いて、作製された共振器ビーム112の下に空洞190Aを作製して、第1のベース部118Aになったシリコンウェハ152の部分と第2のベース部118Bになったシリコンウェハ152の部分との間を分ける。一実施形態によると、シリコンウェハ152のエッチングは、リソグラフィ技術と、SF6/C4F8化学反応を用いた深堀反応性イオンエッチングとを用いて行われる。
別の実施形態においては、図37Bに示すように、シリコンウェハ152は、表面153がエッチングされて、共振器ビーム112、第1のベース部118A、及び、第2のベース部118Bを作製して、本発明のデバイスの一実施形態を製造する。言い換えると、シリコンウェハ152の一部がエッチングで取り除かれて、作製された共振器ビーム112の下に空洞190Bを作製して、第1のベース部118Aになったシリコンウェハ152の部分と第2のベース部118Bになったシリコンウェハ152の部分を分ける。第2のベース部118Bは、共振器ビーム112の第2の端116を超えて延出している。一実施形態によると、シリコンウェハ152のエッチングは、リソグラフィ技術と、SF6/C4F8化学反応を用いた深堀反応性イオンエッチングを使用して行われる。
さらに別の実施形態においては、図37Cに示すように、シリコンウェハ152は、表面151がエッチングされて、共振器ビーム112及びベース118が作製され、本発明のデバイスの一実施形態を製造する。言い換えると、シリコンウェハ152の一部がエッチングによって取り除かれて、作製された共振器ビーム112の下に空洞190Cを作製して、ベース118になったシリコンウェハ152の部分と、共振器ビーム112の第2の端116とを分ける。ベース118は、共振器ビーム112の第1の端114から第2の端116まで延出しているが、第2の端116では、細長い共振器ビーム112から間隔をあけて配置されている。一実施形態によると、シリコンウェハ152のエッチングは、フッ化キセノン等のドライエッチングまたはKOH等のウェットエッチングを用いて行われる。
ここで図38A〜42Bを参照して、共振器ビーム12を異なるベース部分に全体的にまたは部分的にクランプし得る様々な方法を記載する(クランプは、図1〜3に示す本発明のデバイスの実施形態に関して記載したが、図4〜6に示す本発明の実施形態にも同様に適用されてよい)。
図38A及び38Bは、それぞれ、図1に示す本発明のデバイスの実施形態の上面斜視図と底面斜視図である。共振器ビーム12は、図38Bに示すクランプ領域Cで第1のベース部18Aにクランプされる。この実施形態においては、共振器ビーム12は、第1のベース部18Aからカンチレバーとして自由に延出しており、ベース部18Bは、カンチレバーの端部でひとかたまりとして働く。
図39A及び39は、それぞれ、図2に示す本発明のデバイスの実施形態の上面斜視図と底面斜視図である。共振器ビーム12は、図39Bに示すクランプ領域C1及びC2で、第1のベース部18A及び第2のベース部18Bにクランプされる。
図40A及び40Bは、それぞれ、図2に示す本発明のデバイスの別の実施形態の上面斜視図と底面斜視図である。この実施形態においては、第1のベース部18A及び第2のベース部18Bでのクランプに加えて、共振器ビーム12が、共振器ビーム12の側面に沿ってさらにクランプされるように、空洞90Bをベース18に形成する。クランプは、図40Bのクランプ領域C1〜C4によって示される。
図41A及び42Bは、それぞれ、図3に示す本発明のデバイスの実施形態の上面斜視図と底面斜視図である。この実施形態においては、共振器ビーム12は、クランプ領域Cでベース18の一端にクランプされ、共振器ビーム12は、カンチレバーとして空洞90Cを覆って自由に延出している。
図42A及び42Bは、本発明の記載の任意の実施形態に適用し得る部分クランプを示す。図42Aを参照すると、共振器ビーム12は、クランプ領域Cで、第1のベース部18Aに部分的にクランプされる。共振器ビーム12と第1のベース部18Aの間のクランプは、孔92によって妨げられる。孔92は、共振器ビーム12の様々な層をエッチングして本明細書に記載のデバイスを作製する方法の最中に、共振器ビーム12の層に形成されてよい。図42Bを参照すると、追加の数の孔92が、異なる領域に配置されて、共振器ビーム12とベース18の間のクランプ領域Cで部分クランプを行ってよい。
好ましい実施形態を本明細書に詳細に図示及び記載したが、本発明の精神を逸脱することなく様々な修正、追加、代替等を行ってよく、これらは、添付の特許請求の範囲で規定する本発明の範囲内とみなされることは、当業者には明らかであろう。
Claims (48)
- 第1の端と第2の端との間に延出している細長い共振器ビームと、
前記第1の端で前記細長い共振器ビームに接続されており、前記第2の端がベースから構造層として延出している、前記ベースと
を備え、前記細長い共振器ビームが、(1)第3の酸化物層上の第2の圧電スタック層を覆う第2の酸化物層上の構造層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層、または、(2)第4の酸化物層を覆う第2の圧電スタック上の第3の酸化物層を覆う構造層上の第2の酸化物層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層のいずれかを含む、デバイス。 - 前記細長い共振器ビームが、第3の酸化物層上の第2の圧電スタック層を覆う第2の酸化物層上の構造層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層を含む、請求項1に記載のデバイス。
- 前記細長い共振器ビームが、第4の酸化物層を覆う第2の圧電スタック上の第3の酸化物層を覆う構造層上の第2の酸化物層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層を含む、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第2の圧電スタック層が、導電材料層を覆う圧電材料層を覆う導電材料層を含む、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第1の圧電スタック層が、圧電材料層を覆う導電材料層を含み、かつ前記構造層が電極として有用である、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第1の圧電スタック層が、導電材料層上の圧電材料層を覆う導電材料層を含む、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層と電気的に接触している、1つまたは複数の電極
をさらに備える、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。 - 前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層からの測定値を取得するための前記1つまたは複数の電極と電気的に接続しているディスプレイ
をさらに備える、請求項7に記載のデバイス。 - 前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層が導電材料層を含み、前記導電材料層が、モリブデン、プラチナ、及び、ポリシリコンからなるグループから選択される、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層が、圧電材料の層を含み、前記圧電材料が、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビリニデン、及び、チタン酸ジルコン酸鉛化合物からなるグループから選択される、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記構造層が、電気メッキされた銅またはニッケル、及び、ポリシリコンからなるグループから選択される材料から作製されている、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記ベースが、前記第1の端から前記第2の端まで途切れることなく延出している、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記ベースが、前記第1の端に接続された第1のベース部と、前記第2の端に接続された第2のベース部とを含み、前記第1のベース部が前記第2のベース部と接触していない、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記ベースが、前記第1の端から前記第2の端まで延出していているが、前記第2の端では前記細長い共振器ビームから間隔をあけて配置されている、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- センサを備える、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記センサが、加速度計、ジャイロスコープ、圧力センサ、歪みセンサ、流量センサ、またはマイクロホンからなるグループから選択される、請求項15に記載のデバイス。
- アクチュエータを備える、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、バルブ、ポンプ、またはスピーカからなるグループから選択される、請求項17に記載のデバイス。
- チップ上で一体化された1つまたは複数のセンサと1つまたは複数のアクチュエータとを備える、前記請求項のいずれか1項に記載のデバイス。
- 機器と、
前記機器に電気的に連結された、請求項1〜19のいずれか1項に記載のデバイスと
を備える、システム。 - 前記機器が、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯電話、スマートフォン、eリーダ、MP3プレイヤ、電話ヘッドセット、ヘッドフォン、ルータ、ゲームデバイス、ゲームコントローラ、モバイルインターネットアダプタ、カメラ、無線センサ、無線センサモート、タイヤ圧センサモニタ、電動工具上の電動簡易ディスプレイ(powering simple display)、家畜飼育用装置、医療用装置、人体監視装置、及び、おもちゃからなるグループから選択される、請求項20に記載のシステム。
- 前記細長い共振器ビームが、第3の酸化物層上の第2の圧電スタック層を覆う第2の酸化物層上の構造層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層を含む、請求項20または請求項21に記載のシステム。
- 前記細長い共振器ビームが、第4の酸化物層を覆う第2の圧電スタック上の第3の酸化物層を覆う構造層上の第2の酸化物層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層を含む、請求項20〜22のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層と電気的に接触している、1つまたは複数の電極
をさらに備える、請求項20〜23のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層からの電気エネルギーを出力及び測定するための前記1つまたは複数の電極と電気的に接続している回路
をさらに備える、請求項24に記載のシステム。 - 請求項20〜25のいずれか1項に記載のシステムを提供するステップと、
前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層からの電気エネルギーを生成するための運動または振動を生成する1つまたは複数の環境条件に前記システムを供するステップと、
前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層からの前記電気エネルギーに基づいて前記環境条件を測定するステップと
を含む、環境条件を測定する方法。 - 前記機器が、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯電話、スマートフォン、eリーダ、MP3プレイヤ、電話ヘッドセット、ヘッドフォン、ルータ、ゲームデバイス、ゲームコントローラ、モバイルインターネットアダプタ、カメラ、無線センサ、無線センサモート、タイヤ圧センサモニタ、電動工具上の電動簡易ディスプレイ、家畜飼育装置、医療用装置、人体監視装置、及び、おもちゃからなるグループから選択される、請求項26に記載の方法。
- 前記細長い共振器ビームが、第3の酸化物層上の第2の圧電スタック層を覆う第2の酸化物層上の構造層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層を含む、請求項26または27に記載の方法。
- 前記細長い共振器ビームが、第4の酸化物層を覆う第2の圧電スタック上の第3の酸化物層を覆う構造層上の第2の酸化物層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層を含む、請求項26〜28のいずれか1項に記載の方法。
- 前記システムが、前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層と電気的に接触している1つまたは複数の電極をさらに備える、請求項26〜29のいずれか1項に記載の方法。
- 前記システムが、
前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層からの電気エネルギーを出力するための前記1つまたは複数の電極と電気的に接続している回路
をさらに備える、請求項30に記載の方法。 - 前記環境条件が、圧力、振動、流量、歪み、力に関する物理的移動、衝撃移動、または、音のうちの1つまたは複数を含む、請求項26〜31のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項1〜19のいずれか1項に記載のデバイスを提供するステップと、
前記デバイスと電気的に接続している電圧源を提供するステップと、
印加された電圧によって前記細長い共振器ビームの移動が開始される、前記電圧を前記電圧源から前記デバイスに印加するステップと、
前記細長い共振器ビームの前記移動に基づいて、機械的な作動力を供給するステップと
を含む、機械的な作動力を供給するための方法。 - 前記細長い共振器ビームが、第3の酸化物層上の第2の圧電スタック層を覆う第2の酸化物層上の構造層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層を含む、請求項33に記載の方法。
- 前記細長い共振器ビームが、第4の酸化物層を覆う第2の圧電スタック上の第3の酸化物層を覆う構造層上の第2の酸化物層を覆う第1の圧電スタック層上の第1の酸化物層を含む、請求項33または34に記載の方法。
- 前記システムが、前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層と電気的に接触している1つまたは複数の電極をさらに備える、請求項33〜35のいずれか1項に記載の方法。
- 前記システムが、
前記第1の圧電スタック層及び/または前記第2の圧電スタック層に前記電圧を与えるための前記電圧源及び前記1つまたは複数の電極と電気的に接続している回路
をさらに備える、請求項36に記載の方法。 - 第1の表面と第2の表面とを有するシリコンウェハを供給するステップと、
前記シリコンウェハの前記第1の表面上に第1の二酸化シリコン層を堆積させるステップと、
前記第1の二酸化シリコン層上に第1の圧電スタック層を堆積させるステップと、
前記第1の圧電スタック層をパターニングするステップと、
パターニングされた前記第1の圧電スタック層を覆って第2の二酸化シリコン層を堆積させるステップと、
堆積された前記第2の二酸化シリコン層を覆って構造層を堆積させるステップと、
前記構造層をパターニングするステップと、
パターニングされた前記構造層を覆って第2の圧電スタック層を堆積させるステップと、
前記第2の圧電スタック層をパターニングして、対称二重スタック微小電気機械圧電デバイスを製造するステップと
を含む、対称二重スタック微小電気機械圧電デバイスを製造する方法。 - 前記第1の圧電スタック層が、前記第1の二酸化シリコン層上にある第2の導電層を覆う圧電材料層を覆う第1の導電材料層を含む、請求項38に記載の方法。
- 前記第1の圧電スタック層をパターニングするステップが、
前記第1の導電材料層の一部及び前記圧電材料層の一部を取り除くことと、
前記第2の導電材料層をパターニングして、その一部を取り除きかつその反対側の部分を電極として露出させたままにすることと
を含む、請求項39に記載の方法。 - 前記第2の圧電スタック層が、パターニングされた前記構造層上にある圧電材料層を覆う第1の導電層を含み、前記構造層が電極として有用である、請求項38〜40のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第2の圧電スタック層をパターニングするステップが、
前記第2の圧電スタック層の前記第1の導電層の一部及び前記圧電材料層の一部を取り除くこと
を含む、請求項41に記載の方法。 - 前記第2の圧電スタック層が、パターニングされた前記構造層上にある第3の二酸化シリコン層を覆う第2の導電材料層上の圧電材料層を覆う第1の導電材料層を含む、請求項38〜42のいずれか1項に記載の方法。
- パターニングされた前記第2の圧電スタック層、パターニングされた前記構造層、及び、パターニングされた前記第1の圧電スタック層に、パッシベーション層を塗布するステップと、
前記シリコンウェハをエッチングする前に、前記パッシベーション層をパターニングするステップと
をさらに含む、請求項38〜43のいずれか1項に記載の方法。 - 前記シリコンウェハをエッチングする前に、パターニングされた前記パッシベーション層上に金属ボンドパッド(metal bond pad)層を堆積させるステップ
をさらに含む、請求項44に記載の方法。 - 前記シリコンウェハをエッチングして前記デバイスを製造するステップ
をさらに含む、請求項38〜45のいずれか1項に記載の方法。 - 前記エッチングが、前記シリコンウェハの第2の側面をエッチングして前記デバイスを製造することを含む、請求項46に記載の方法。
- 前記エッチングが、前記シリコンウェハの第1の側面をエッチングして前記デバイスを製造すること含む、請求項46または47に記載の方法。
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