KR20150129658A - 대칭 이중 압전 스택 마이크로일렉트로미캐니컬 압전 캔틸레버 에너지 하베스터 - Google Patents
대칭 이중 압전 스택 마이크로일렉트로미캐니컬 압전 캔틸레버 에너지 하베스터 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 제 1 단부 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 기다란 공진자 빔을 포함하는 에너지 하베스터 디바이스에 관한 것이다. 기저부가 제 1 단부에서 공진자 빔에 연결되고, 제 2 단부는 캔틸레버로 기저부로부터 자유롭게 연장된다. 동체가 기다란 공진자 빔의 제 2 단부에 부착된다.
Description
본 출원은 2013년 3월 13일자로 출원된 미국특허가출원 제61/780,176호의 우선권을 주장하며, 그 내용 전체는 본 발명에 참고자료로 포함된다.
기술분야
본 발명은 대칭 이중 압전 스택 마이크로일렉트로미캐니컬 압전 캔틸레버 에너지 하베스터에 관한 것이다.
집적 회로의 크기 및 전력 소모 감소는 저전력 센서 및 무선 기술의 활황을 이끌어냈다. 예를 들어, 태블릿, 스마트폰, 셀 폰, 랩탑 컴퓨터, MP3 플레이어, 전화 헤드셋, 헤드폰, 라우터, 게임 조종기, 모바일 인터넷 어댑터, 무선 센서, 압력 센서 모니터, 그리고 태블릿, PC, 및/또는 스마트폰과 통신하는 착용식 센서, 의료 디바이스, 인체 모니터링 디바이스, 장난감, 등을 포함한, 저전력 센서, 전자 장치, 및 무선 송신기를 이용하는 폭넓고 다양한 디바이스들이 존재한다. 이러한 디바이스들 각각은 작동을 위해 독립형 전력 공급원을 필요로한다. 통상적으로, 이러한 디바이스들에 대한 전력 공급원은 전기 배터리이며, 종종 교환가능한 배터리다.
상당한 관심을 모으는 다른 무선 기술은 무선 센서 및 무선 센서 네트워크다. 이러한 네트워크에서, 무선 센서가 특정 환경 전체에 분포되어, 중앙 허브에 측정 데이터를 중계하는 ad hoc 네트워크를 형성한다. 특정 환경은 예를 들어, 자동차, 항공기, 공장, 또는 건물을 포함한다. 무선 센서 네트워크는 긴 거리에 걸쳐 멀티-홉 전송을 이용하여 작동하는 수천 내지 수만개의 무선 센서 "노드"들을 포함할 수 있다. 각각의 무선 노드는 센서, 무선 전자 장치, 및 전력원을 일반적으로 포함할 것이다. 이러한 무선 센서 네트워크는 환경적 조건들에 응답하는 지능형 환경을 생성하는데 이용될 수 있다.
앞서 언급한 나머지 무선 디바이스들과 유사한, 무선 센서 노드는 상기 노드의 전자 장치를 작동시키기 위해 독립형 전력을 필요로한다. 리튬-이온 배터리, 아연-에어 배터리, 리튬 배터리, 니켈-금속-하이드라이드 배터리, 및 니켈-카드뮴 배터리와 같은 기존 배터리들이 사용될 수 있다. 그러나, 무선 센서 노드가 이러한 배터리의 통상적인 수명을 넘어 기능하는 것이 유리할 수 있다. 추가적으로, 배터리 교체는 특히, 많은 노드들을 갖는 대형 네트워크에서, 성가실 수 있다.
대안의 독립형 전력 공급원은 주변 환경으로부터 에너지의 포집(scavenging)(또는 "회수"(harvesting))에 의존한다. 예를 들어, 전력-종동 디바이스가 충분한 광에 노출될 경우, 적절한 대안의 독립형 전력 공급원이 광전 또는 솔라 셀을 포함할 수 있다. 대안으로서, 전력-종동 디바이스가 충분한 에어 환경에 노출될 경우, 적절한 대안의 독립형 전력 공급원이, 운동하는 에어로부터 동력을 회수하기 위한 터빈 또는 마이크로-터빈을 포함할 수 있다. 다른 대안의 독립형 전력 공급원은 온도 변동, 압력 변동, 또는 다른 환경적 영향에 또한 기초할 수 있다.
일부 환경은 특정 디바이스에 전력을 공급하기에 충분한 양의 광, 에어 운동, 온도 변동, 및/또는 압력 변동을 포함하지 않는다. 이러한 환경 하에서, 디바이스는 그럼에도 불구하고, 구조적 지지체로부터 나타나는 어느 정도 예측가능한 및/또는 일정한 진동을 받을 수 있고, 이는 복수 주파수를 지닌 임펄스 진동 또는 일정 주파수의 진동의 형태를 취할 수 있다. 이러한 경우에, 본질적으로 운동(가령, 진동 에너지)을 전기 에너지로 변환하는 스캐빈저(또는 하베스터)가 사용될 수 있다.
한가지 특정 타입의 진동 에너지 하베스터는 주변 진동(구동력)에 의해 야기되는 빔의 공진 중 응력변형될 때 전하를 발생시키는 압전 물질을 포함하는 공진 빔을 이용한다.
실리콘 캔틸레버를 지닌 마이크로일렉트로미캐니컬("MEMS") 압전 에너지 하베스터는 통상적으로, 적어도 옥사이드/캔틸레버 물질/압전 스택/옥사이드(옥사이드는 통상적으로 증착되는 실리콘 다이옥사이드임)를 지니는 단면을 가진다. 캔틸레버에 사용되는 실리콘 물질은 실리콘-온-인설레이터(SOI) 웨이퍼의 단결정 실리콘 디바이스층으로부터 형성되는 것이 일반적이다. 제 2 압전 스택은 에너지 하베스터로부터 전력 출력을 증가시키기 위해 이중 압전 스택을 형성하도록 종종 디바이스 구조체에 위치한다. 추가적인 압전 스택은 적어도 옥사이드/캔틸레버 물질/압전 스택/옥사이드/압전 스택/옥사이드의 포맷으로 제 1압전 스택과 동일 측 상에(또는 제 1 압전 스택의 위에) 배치된다. 추가적인 압전 스택은, SOI 웨이퍼 제조에 사용되는 프로세스 중, 고온에서 2개의 실리콘 웨이퍼의 직접 본딩에 이은 그라인딩 및 폴리싱 단계로 인해, 디바이스와 취급 웨이퍼 간에 압전 스택을 배치하기가 매우 어려워지기 때문에, 이러한 방식으로 배치된다.
제 1 압전 스택과 동일 측의 캔틸레버 상의 추가적인 압전 스택 배치는 압전 스택의 단면과 관련하여 대칭 결여를 생성하여, 캔틸레버의 평탄성을 가공하기 위해 압전 스택 잔류 응력을 조정해야만 한다. 층 내 잔류 응력의 관리 불량으로 인한 캔틸레버의 평탄성 부족 또는 컬(curl)은 MEMS 에너지 하베스터의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 압전 스택의 잔류 응력을 조정함으로써, 내재적 압전 성질에, 따라서, 디바이스 성능에, 또한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 캔틸레버 평탄성을 위해, 그리고 품질 압전 응답을 위해, 요구되는 응력에 절충이 이루어져야 한다.
본 발명은 당 분야의 이러한 결점 및 기타 결점들을 극복하는 것을 지향한다.
본 발명의 일 형태는 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 연장되는 기다란 공진자 빔을 포함하는 에너지 하베스터 디바이스에 관한 것이다. 기저부가 제 1 단부에서 공진자 빔에 연결되고, 제 2 단부는 캔틸레버로 기저부로부터 자유롭게 연장된다. 동체가 기다란 공진자 빔의 제 2 단부에 부착된다. 기다란 공진자 빔은, (1) 제 3 옥사이드층 상에 제 2 압전 스택층 위에 제 2 옥사이드층 상에 캔틸레버층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하거나, 또는, (2) 제 4 옥사이드층 위에 제 2 압전 스택 상에 제 3 옥사이드층 위에 캔틸레버층 상에 제 2 옥사이드층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함한다.
본 발명의 다른 형태는 전력 피공급 장치와, 전력 피공급 장치에 전기적으로 연결되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 시스템에 관련된다.
본 발명의 추가적 형태는 전력 피공급 장치에 전력을 공급하는 방법에 관련된다. 이 방법은 본 발명에 따른 시스템을 제공하는 단계와, 제 1 및/또는 제 2 압전 스택층으로부터 전기 에너지를 발생시키도록 상기 시스템을 운동 또는 진동시키는 단계를 포함한다. 전기 에너지가 상기 제 1 및/또는 제 2 압전 스택층으로부터 상기 장치로 전달되어, 상기 장치에 전력을 제공한다.
본 발명의 다른 형태는 에너지 하베스트 디바이스를 생산하는 방법에 관련된다. 이 방법은 제 1 및 제 2 표면을 가진 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 실리콘 다이옥사이드층이 실리콘 웨이퍼의 제 1 표면 상에 증착된다. 제 1 실리콘 다이옥사이드층 상에 제 1 압전 스택층이 증착되어 패턴처리된다. 패턴처리된 제 1 압전 스택층 위에 제 2 실리콘 다이옥사이드층이 증착된다. 증착된 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 캔틸레버 물질이 증착되고 패턴처리된다. 패턴처리된 캔틸레버 물질 위에 제 2 압전 스택층이 증착되고, 제 2 압전 스택층이 패턴처리된다. 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면은 에칭되어, 에너지 하베스트 디바이스를 생성한다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스는 캔틸레버용으로 금속, 실리콘, 또는 다른 CMOS 양립성 물질의 두꺼운 증착층을 이용하여 제조되는 대칭 단면과, 캔틸레버층의 표면에 하나의 압전 스택을 가진, 이중 압전 스택 에너지 하베스터를 제공한다. 이 구조는 캔틸레버 평탄성으로부터 압전층 응력(및 그러므로 압전 성질)의 거의 독립적인 제어를 장점으로 갖는 하베스터로부터 증가된 전력을 제공하여, 더 우수한 디바이스 성능 및 더욱 견고한 제조 프로세스를 가능하게 한다. 압전 에너지 하베스터의 전력 출력은, 캔틸레버 평탄성에 대한 더 우수한 제어로 증가될 수 있고, 결과적으로, 전체 성능이 개선된다.
도 1은 제 3 옥사이드층 상에 제 2 압전 스택층 위에 제 2 옥사이드층 상에 캔틸레버층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는 기다란 공진자 빔을 가진, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 제 1 실시예의 측면도다.
도 2는 제 4 옥사이드층 위에 제 2 압전 스택층 상에 제 3 옥사이드층 위에 캔틸레버층 상에 제 2 옥사이드층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는 기다란 공진자 빔을 가진, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 제 2 실시예의 측면도다.
도 3은 스마트폰에 전력 공급을 위한 전기 에너지를 제공하기 위해 스마트 폰에 전기적으로 연결되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 지닌, 전력 피공급 스마트 폰을 포함하는 본 발명의 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 제 1 실시예를 생성하기 위한 층상 물질 스택의 측면도다. 층상 물질 스택은 실리콘 웨이퍼, 제 1 실리콘 다이옥사이드층, 선택적 접착층, 및 제 1 압전 스택층을 포함하며, 제 1 압전 스택층은 제 1 금속층, 압전 물질층, 및 제 2 금속층을 포함한다.
도 5는 스택으로부터 압전 물질층 및 금속층의 일부분을 제거하기 위해, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 패턴처리된 도 4의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 6은 층상 물질 스택으로부터 일부분 제거를 위해 제 1 금속층을 패턴처리하는, 도 5의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 7은 패턴처리된 압전 스택층 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층 위에 제 2 실리콘 다이옥사이드층이 증착된, 도 6의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 8은 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 캔틸레버 물질층이 증착된, 도 7의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라, 층상 물질 스택으로부터 일부분 제거를 위해 기존 물질층을 패턴처리한, 도 8의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 10은 패턴처리된 캔틸레버층 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 압전 물질층 및 금속층을 포함하는 제 2 압전 스택층을 증착한, 도 9의층상 물질 스택의 측면도다.
도 11은 층상 물질 스택으로부터 제 2 압전 스택층의 일부분 제거를 위해 제 2 압전 스택층을 패턴처리한, 도 10의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 12는 패턴처리된 제 2 압전 스택층, 패턴처리된 캔틸레버층, 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 제 3 실리콘 다이옥사이드층을 증착한, 도 11의층상 물질 스택의 측면도다.
도 13은 제 3 실리콘 다이옥사이드층, 제 2 실리콘 다이옥사이드층, 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층의 일부분 제거를 위해 패턴처리된 도 12의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 14는 노출된 제 2 압전 스택층의 일부분, 캔틸레버 물질층의 일부분, 제 1 압전 스택층의 일부분, 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층의 일부분의 제거를 위해 패턴처리된 도 13의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 15는 패턴처리된 제 3 실리콘 다이옥사이드층과, 패턴처리된 제 2 압전 스택층, 패턴처리된 캔틸레버층, 및 패턴처리된 제 1 압전 스택층의 일부분들 위에 금속 본드패드층을 증착한, 도 14의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 16은 금속 본드패드층의 일부분 제거를 위해 패턴처리된 도 15의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 17은 공진자 빔, 기저부, 및 동체의 생성을 위해 실리콘 웨이퍼의 일부분을 에칭하여, 이중 압전 스택을 갖는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 생성하는, 도 16의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 18은 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 제 2 실시예를 생산하기 위한 층상 물질 스택의 측면도다. 층상 물질 스택은 실리콘 웨이퍼, 제 1 실리콘 다이옥사이드층, 선택적 접착층, 및 제 1 압전 스택층을 포함하며, 제 1 압전 스택층은 제 1 금속층, 압전 물질층, 및 제 2 금속층을 포함한다.
도 19는 스택으로부터 압전 물질층 및 금속층의 일부분을 제거하기 위해, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 패턴처리된 도 18의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 20은 층상 물질 스택으로부터 일부분 제거를 위해 제 1 금속층을 패턴처리하는, 도 19의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 21은 패턴처리된 압전 스택층 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층 위에 제 2 실리콘 다이옥사이드층이 증착된, 도 20의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 22는 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 캔틸레버 물질층이 증착된, 도 21의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 23은 캔틸레버 물질층 위에 제 3 실리콘 다이옥사이드층을 증착한, 도 22의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 24는 캔틸레버 물질층 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에, 제 1 금속층, 압전 물질층, 및 제 2 금속층을 포함하는 제 2 압전 스택층을 증착한, 도 23의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 25는 제 2 압전 스택층으로부터 압전 물질층 및 금속층의 일부분 제거를 위해 제 2 압전 스택층을 패턴처리한, 도 24의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 26은 층상 물질 스택의 제 2 압전 스택층으로부터 일부분 제거를 위해 제 1 금속층을 패턴처리하는, 도 25의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 27은 층상 물질 스택으로부터 일부분 제거를 위해 제 3 실리콘 다이옥사이드층 및 캔틸레버 물질층을 패턴처리한, 도 26의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 28은 패턴처리된 제 2 압전 스택층 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 제 4 실리콘 다이옥사이드층을 증착한, 도 27의층상 물질 스택의 측면도다.
도 29는 제 4 실리콘 다이옥사이드층, 제 3 실리콘 다이옥사이드층, 제 2 실리콘 다이옥사이드층, 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층의 일부분 제거를 위해 패턴처리된 도 28의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 30은 노출된 제 2 압전 스택층의 일부분, 제 2 실리콘 다이옥사이드층의 일부분, 및 제 1 압전 스택층의 일부분의 제거를 위해 패턴처리된 도 29의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 31은 패턴처리된 제 4 실리콘 다이옥사이드층과, 패턴처리된 제 2 압전 스택층, 패턴처리된 제 2 실리콘 다이옥사이드층, 및 패턴처리된 제 1 압전 스택층의 일부분 위에 금속 본드패드층을 증착한, 도 30의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 32는 금속 본드패드층의 일부분 제거를 위해 패턴처리된 도 31의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 33은 공진자 빔, 기저부, 및 동체의 생성을 위해 실리콘 웨이퍼의 일부분을 에칭하여, 이중 압전 스택을 갖는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 생성하는, 도 32의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 2는 제 4 옥사이드층 위에 제 2 압전 스택층 상에 제 3 옥사이드층 위에 캔틸레버층 상에 제 2 옥사이드층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는 기다란 공진자 빔을 가진, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 제 2 실시예의 측면도다.
도 3은 스마트폰에 전력 공급을 위한 전기 에너지를 제공하기 위해 스마트 폰에 전기적으로 연결되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 지닌, 전력 피공급 스마트 폰을 포함하는 본 발명의 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 제 1 실시예를 생성하기 위한 층상 물질 스택의 측면도다. 층상 물질 스택은 실리콘 웨이퍼, 제 1 실리콘 다이옥사이드층, 선택적 접착층, 및 제 1 압전 스택층을 포함하며, 제 1 압전 스택층은 제 1 금속층, 압전 물질층, 및 제 2 금속층을 포함한다.
도 5는 스택으로부터 압전 물질층 및 금속층의 일부분을 제거하기 위해, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 패턴처리된 도 4의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 6은 층상 물질 스택으로부터 일부분 제거를 위해 제 1 금속층을 패턴처리하는, 도 5의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 7은 패턴처리된 압전 스택층 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층 위에 제 2 실리콘 다이옥사이드층이 증착된, 도 6의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 8은 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 캔틸레버 물질층이 증착된, 도 7의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라, 층상 물질 스택으로부터 일부분 제거를 위해 기존 물질층을 패턴처리한, 도 8의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 10은 패턴처리된 캔틸레버층 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 압전 물질층 및 금속층을 포함하는 제 2 압전 스택층을 증착한, 도 9의층상 물질 스택의 측면도다.
도 11은 층상 물질 스택으로부터 제 2 압전 스택층의 일부분 제거를 위해 제 2 압전 스택층을 패턴처리한, 도 10의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 12는 패턴처리된 제 2 압전 스택층, 패턴처리된 캔틸레버층, 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 제 3 실리콘 다이옥사이드층을 증착한, 도 11의층상 물질 스택의 측면도다.
도 13은 제 3 실리콘 다이옥사이드층, 제 2 실리콘 다이옥사이드층, 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층의 일부분 제거를 위해 패턴처리된 도 12의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 14는 노출된 제 2 압전 스택층의 일부분, 캔틸레버 물질층의 일부분, 제 1 압전 스택층의 일부분, 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층의 일부분의 제거를 위해 패턴처리된 도 13의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 15는 패턴처리된 제 3 실리콘 다이옥사이드층과, 패턴처리된 제 2 압전 스택층, 패턴처리된 캔틸레버층, 및 패턴처리된 제 1 압전 스택층의 일부분들 위에 금속 본드패드층을 증착한, 도 14의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 16은 금속 본드패드층의 일부분 제거를 위해 패턴처리된 도 15의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 17은 공진자 빔, 기저부, 및 동체의 생성을 위해 실리콘 웨이퍼의 일부분을 에칭하여, 이중 압전 스택을 갖는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 생성하는, 도 16의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 18은 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 제 2 실시예를 생산하기 위한 층상 물질 스택의 측면도다. 층상 물질 스택은 실리콘 웨이퍼, 제 1 실리콘 다이옥사이드층, 선택적 접착층, 및 제 1 압전 스택층을 포함하며, 제 1 압전 스택층은 제 1 금속층, 압전 물질층, 및 제 2 금속층을 포함한다.
도 19는 스택으로부터 압전 물질층 및 금속층의 일부분을 제거하기 위해, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 일 실시예에 따라 패턴처리된 도 18의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 20은 층상 물질 스택으로부터 일부분 제거를 위해 제 1 금속층을 패턴처리하는, 도 19의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 21은 패턴처리된 압전 스택층 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층 위에 제 2 실리콘 다이옥사이드층이 증착된, 도 20의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 22는 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 캔틸레버 물질층이 증착된, 도 21의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 23은 캔틸레버 물질층 위에 제 3 실리콘 다이옥사이드층을 증착한, 도 22의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 24는 캔틸레버 물질층 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에, 제 1 금속층, 압전 물질층, 및 제 2 금속층을 포함하는 제 2 압전 스택층을 증착한, 도 23의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 25는 제 2 압전 스택층으로부터 압전 물질층 및 금속층의 일부분 제거를 위해 제 2 압전 스택층을 패턴처리한, 도 24의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 26은 층상 물질 스택의 제 2 압전 스택층으로부터 일부분 제거를 위해 제 1 금속층을 패턴처리하는, 도 25의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 27은 층상 물질 스택으로부터 일부분 제거를 위해 제 3 실리콘 다이옥사이드층 및 캔틸레버 물질층을 패턴처리한, 도 26의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 28은 패턴처리된 제 2 압전 스택층 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 제 4 실리콘 다이옥사이드층을 증착한, 도 27의층상 물질 스택의 측면도다.
도 29는 제 4 실리콘 다이옥사이드층, 제 3 실리콘 다이옥사이드층, 제 2 실리콘 다이옥사이드층, 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층의 일부분 제거를 위해 패턴처리된 도 28의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 30은 노출된 제 2 압전 스택층의 일부분, 제 2 실리콘 다이옥사이드층의 일부분, 및 제 1 압전 스택층의 일부분의 제거를 위해 패턴처리된 도 29의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 31은 패턴처리된 제 4 실리콘 다이옥사이드층과, 패턴처리된 제 2 압전 스택층, 패턴처리된 제 2 실리콘 다이옥사이드층, 및 패턴처리된 제 1 압전 스택층의 일부분 위에 금속 본드패드층을 증착한, 도 30의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 32는 금속 본드패드층의 일부분 제거를 위해 패턴처리된 도 31의 층상 물질 스택의 측면도다.
도 33은 공진자 빔, 기저부, 및 동체의 생성을 위해 실리콘 웨이퍼의 일부분을 에칭하여, 이중 압전 스택을 갖는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스의 일 실시예를 생성하는, 도 32의 층상 물질 스택의 측면도다.
본 발명은 대칭 이중 압전 스택 MEMS 압전 캔틸레버 에너지 하베스터 디바이스, 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 시스템, 및 에너지 하베스터 디바이스의 이용 및 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 형태는 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 연장되는 기다란 공진자 빔을 포함하는 에너지 하베스터 디바이스에 관한 것이다. 기저부가 제 1 단부에서 공진자 빔에 연결되고, 제 2 단부는 캔틸레버로 기저부로부터 자유롭게 연장된다. 동체가 기다란 공진자 빔의 제 2 단부에 부착된다. 기다란 공진자 빔은, (1) 제 3 옥사이드층 상에 제 2 압전 스택층 위에 제 2 옥사이드층 상에 캔틸레버층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하거나, 또는, (2) 제 4 옥사이드층 위에 제 2 압전 스택 상에 제 3 옥사이드층 위에 캔틸레버층 상에 제 2 옥사이드층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스(10)의 제 1 실시예의 측면도다. 에너지 하베스터 디바이스(10)는 기다란 공진자 빔(12)을 포함한다. 공진자 빔(12)은 제 1 단부(14)와 제 2 단부(16) 사이에서 연장된다. 기저부(18)는 제 1 단부(14)에서 공진자 빔(12)에 연결되고, 제 2 단부(16)는 캔틸레버로 기저부(18)로부터 자유롭게 연장된다. 에너지 하베스터 디바이스(10)는 공진자 빔(12)의 제 2 단부(16)에 부착되는 동체(20)를 또한 포함한다.
공진자 빔(12)은 복수의 층에 의해 형성되는 적층부를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 공진자 빔(12)은 적어도 제 3 옥사이드층(32) 상에 제 2 압전 스택층(30) 위에 제 2 옥사이드층(28) 상에 캔틸레버층(26) 위에 제 1 압전 스택층(24) 상에 제 1 옥사이드층(22)을 포함한다. 다른 층들의 비제한적 예는 도 4-17에 도시되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스 형성 방법과 관련하여 아래에서 설명된다.
일 실시예에 따르면, 제 1 옥사이드층(22)은 약 1 μm의 두께를 가진 실리콘층이다. 다른 실시예에 따르면, 제 1 옥사이드층은 선택적이고, 그 존재는 내마모성과 관련된 견고성을 구조체에 제공한다. 일 실시예에 따르면, 제 2 옥사이드층(28)은 약 1 μm의 두께를 가진 고온 옥사이드층이다. 이 층은 제 2 압전 스택층(30)을 전기적으로 분리시킨다. 제 3 옥사이드층(32)은 열 옥사이드층이다. 일 실시예에서, 제 3 다이옥사이드층(32)은 약 0.25 μm 내지 약 2 μm의 두께를 가진다.
캔틸레버 물질층(26)은 실리콘, 폴리실리콘, 금속(가령, Cu 또는 Ni), 또는 다른 금속 옥사이드 반도체(CMOS) 양립성 물질, 또는 폴리이미드와 같은 고온 폴리머와 같이, 임의의 적절한 물질일 수 있다. 일 실시예에서, 캔틸레버 물질(26)은 약 10 μm 내지 약 200 μm, 약 10 μm 내지 약 75 μm, 또는 약 10 μm 내지 약 50 μm의 두께 범위를 가진다.
공진자 빔(12)의 제 1 및 제 2 압전 스택(24, 30)은 압전 물질을 포함한다. 적절한 압전 물질은 알루미늄 나이트라이드, 징크 옥사이드, PVDF, 및 리드 지르코네이트 티타네이트-계 화합물을, 제한없이, 포함한다. 압전 물질은 기계적 응력변형을 받을 때 탄성적으로 분극되는 물질이다. 분극 정도는 가해지는 응력변형예 비례한다. 압전 물질은 단결정(가령, 쿼츠), 피조세라믹(가령, 리드 지르코네이트 티타네이트 또는 PZT), 박막(가령, 스퍼터링된 징크 옥사이드), 피조세라믹 분말에 기초한 스크린 인쇄가능 후막(가령, Baudry, “Screen-printing Piezoelectric Devices,” Proc. 6th European Microelectronics Conference (London, UK) pp. 456-63 (1987) and White & Turner, “Thick-film Sensors: Past, Present and Future,” Meas. Sci. Technol. 8:1-20 (1997) 참조, 그 내용 전체는 본 발명에 참고자료로 포함됨), 및 폴리비닐리덴플로라이드("PVDF")(가령, Lovinger, “Ferroelectric Polymers,” Science 220:1115-21 (1983), 그 내용 전체는 본 발명에 참고자료로 포함됨)을 포함하는, 여러 형태로 가용하며, 잘 알려져 있다.
압전 물질은 통상적으로 이방성 특성을 나타낸다. 따라서, 물질의 성질은 전극 및 분극의 배향과 힘의 방향에 따라 다르다. 물질의 압전 활동 레벨은 표기법의 축과 연계하여 사용되는 일련의 상수에 의해 규정된다. 압전 응력변형 상수 d는 d = (발생한 응력변형/인가 전계) m/V로 규정될 수 있다(Beeby et al., “Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications,” Meas. Sci. Technol. 17:R175-R195 (2006), 그 내용 전체는 본 발명에 참고자료로 포함된다).
공진자 빔(12)의 제 1 및 제 2 압전 스택(24, 30)은 제 1 및/또는 제 2 압전 스택층(24, 30)과 전기적으로 접촉하는 하나 이상의 전극(34)을 또한 포함한다. 일 실시예에 따르면, 전극(34)은 몰리브덴 및 플라티늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하지만, 전극 구조체 형성에 적합한 다른 물질도 또한 사용될 수 있다. 추가적으로, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 공진자 빔(12)의 압전 물질로부터 전기 에너지를 회수하기 위해 하나 이상의 전극(34)과 전기적으로 연결되는 전기 하베스트 회로를 더 포함할 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전기 하베스트 회로는 전력 피공급 장치에 전기적으로 연결되어, 압전 물질로부터 발생되는, 그리고 장치에 공급되는, 전력을 제공할 수 있다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스에서, 공진자 빔(12)은 캔틸레버로 기저부(18)로부터 자유롭게 연장되는 제 2 단부(16)를 가진다. 압전 물질을 포함하는 캔틸레버 구조체는, 휨 모드로 작동하도록 설계되어, 압전 물질을 응력변형시키고 d 효과로부터 전하를 발생시킨다(Beeby et al., “Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications,” Meas. Sci. Technol. 17:R175-R195 (2006), 그 내용 전체는 본 발명에 참고자료로 포함된다). 캔틸레버는 공진자 빔(12)의 제 2 단부(16)에 부착되는 동체(20)의 존재에 의해 더 감소되는, 낮은 공진 주파수를 제공한다.
작동되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스(10)의 공진자 빔(12)의 공진 주파수는 약 50Hz 내지 4,000Hz, 약 100Hz 내지 약 3,000Hz, 약 100Hz 내지 약 2,000Hz, 또는 약 100Hz 내지 약 1,000Hz의 주파수를 포함할 수 있다.
공진자 빔(12)은 공진자 빔(12)의 조정을 돕고 구조적 지지체를 제공하기 위해 다양한 형상 및 구조를 취하는 측벽을 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 공진자 빔(12)은 미국특허가출원 제61/780,203호(그 내용 전체가 본원 발명에 참고자료로 포함됨)에 기재된 바와 같이, 공진자 빔(12)의 조정을 돕기 위한 다양한 형상 및 구조를 취하는 측벽을 가질 수 있다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스(10)는 공진자 빔(12)의 제 2 단부(16)에 부착되는 동체(20)를 포함한다. 동체(20)는 공진자 빔(12)의 진동수를 낮추도록 제공되고, 또한 (즉, 압전 물질에 의해 발생되는) 공진자 빔(12)의 전력 출력을 증가시키도록 제공된다. 동체(20)는 단일 물질 또는 복수 물질(가령, 물질층들)로 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 동체(20)는 실리콘 웨이퍼 물질로 형성된다. 다른 적절한 물질은 전기도금 또는 열증착법에 의해 증착되는 구리, 금, 및 니켈을, 제한없이, 포함한다.
일 실시예에서, 단일 동체(20)가 공진자 빔(12)별로 제공된다. 그러나, 2개 이상의 동체(20)가 공진자 빔(12)에 부착될 수도 있다. 다른 실시예에서, 동체(20)는 예를 들어, 공진자 빔(12)을 따라 서로 다른 위치에 제공된다.
당 업자가 쉽게 이해할 수 있듯이, 공진자 빔(12)은 공진자 빔(12)의 단면 형상, 공진자 빔(12)의 단면 치수, 공진자 빔(12)의 길이, 동체(20)의 질량, 공진자 빔(12) 상의 동체(20) 위치, 및 공진자 빔(12) 제조에 사용되는 물질과 같이, 다수의 파라미터 중 하나 이상을 변화시킴으로써 조정될 수 있다.
작동 시, 하나 이상의 전극(34)은 공진자 빔(12)이 운동하게 됨에 따라 공진자 빔(12)의 압전 물질로부터 전하를 회수한다. 따라서, 전극(34)은 공진자 빔(12)의 압전 물질과 전기적으로 연결된다.
공진자 빔(12)의 압전 물질로부터 수집되는 전기 에너지는 전극(34)에 또는 그 주위에 위치한 에너지 하베스터 디바이스(10) 상에 또한 형성되는 전기 하베스트 회로에 전달된다.
도 2는 에너지 하베스터 디바이스의 대안의 실시예를 도시한다. 구체적으로, 에너지 하베스터(110)는 기다란 공진자 빔(112)을 포함한다. 공진자 빔(112)은 제 1 단부(114)와 제 2 단부(116) 사이에서 연장된다. 기저부(118)는 제 1 단부(114)에서 공진자 빔(112)에 연결되고, 제 2 단부(116)는 캔틸레버로 기저부(118)로부터 자유롭게 연장된다. 에너지 하베스터 디바이스(110)는 공진자 빔(112)의 제 2 단부(116)에 부착되는 동체(120)를 또한 포함한다. 에너지 하베스터(110)는, 공진자 빔(112)과 관련하여 아래 설명되는 점을 제외하곤, 도 1을 참조하여 앞서 설명한 에너지 하베스터(10)와 동일하다. 구체적으로, 에너지 하베스터(110)는, 도 2와 관련하여 아래 설명되는 물질들의 서로 다른 층상 배열을 포함하는 공진자 빔(112)을 포함한다.
공진자 빔(112)은 복수의 층에 의해 형성되는 적층부를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 공진자 빔(112)은 적어도 제 4 옥사이드층(134) 위에 제 2 압전 스택(132) 상에 제 3 옥사이드층(130) 위에 캔틸레버층(128) 상에 제 2 옥사이드층(126) 위에 제 1 압전 스택층(124) 상에 제 1 옥사이드층(122)을 포함한다. 다른 층들의 비제한적 예는 도 18-33에 도시되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스 형성 방법과 관련하여 아래에서 설명되는 사항들을 포함한다.
공진자 빔(112)의 층들은 도 2와 관련하여 아래 설명되는 점을 제외하곤, 공진자 빔(12)의 층들과 실질적으로 동일하다. 구체적으로, 공진자 빔(112)은 제 1 압전 스택층(124) 및 캔틸레버층(128) 사이에 제 2 옥사이드층(126)의 추가를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 제 2 옥사이드층(126)은 약 1 μm의 두께를 가진 고온 옥사이드층이다. 이 층은 제 1 압전 스택층(124)을 전기적으로 분리시킨다. 제 3 옥사이드층(130) 및 제 4 옥사이드층(134)은 도 1을 참조하여 앞서 설명한 제 2 옥사이드층(28) 및 제 3 옥사이드층(32)과 각각 동일하다.
공진자 빔(112)의 제 1 및 제 2 압전 스택(124, 132)은 제 1 및/또는 제 2 압전 스택층(1124, 132)과 전기적으로 접촉하는 하나 이상의 전극(136)을 또한 포함한다. 일 실시예에 따르면, 전극(136)은 몰리브덴 및 플라티늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하지만, 전극 구조체 형성에 적합한 다른 물질도 또한 사용될 수 있다. 추가적으로, 에너지 하베스터 디바이스(110)는 공진자 빔(112)의 압전 물질로부터 전기 에너지를 회수하기 위해 하나 이상의 전극(136)과 전기적으로 연결되는 전기 하베스트 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 형태는 전력 피공급 장치와, 전력 피공급 장치에 전기적으로 연결되는 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 시스템에 관련된다.
이제 도 3을 살펴보면, 전력 피공급 장치(스마트폰)(36)가 에너지 하베스터 디바이스(10)를 (외부 하우징 내에) 수용하도록 도시된다. 본 실시예에 따르면, 에너지 하베스터 디바이스(10)는 스마트폰(36)에 전력 공급을 위한 독립형 에너지원을 제공하며, 이는 다른 독립형 에너지원(가령, 배터리) 대신에 또는 연계하여 사용된다. 대안의 실시예에서, 전력 피공급 장치는 예를 들어, 태블릿, PC, 및/또는 스마트폰과 전자적으로 통신하는 손목시계-형 디바이스 또는 목걸이와 같은 착용형 장치다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스는 전력 피공급 장치와 연관된 배터리를 충전함으로써 전력 피공급 장치에 전력을 또한 공급할 수 있다. 예를 들어, 에너지 하베스터 디바이스는 전력 피공급 장치에 전력을 공급하는 배터리에 트리클 충전을 제공할 수 있다.
전력 피공급 장치 및 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는 본 발명의 다른 시스템은, 제한없이, 랩탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 셀 폰, e-리더, MP3 플레이어, 전화 헤드셋, 헤드폰, 라우터, 게임 디바이스, 게임 조종기, 모바일 인터넷 어댑터, 카메라, 무선 센서, 태블릿, PC, 및/또는 스마트폰과 통신하는 착용형 센서, (산업용, 철도, 건물, 농업, 등를 모니터링하흔 네트워크를 위한) 무선 센서 모트, 압력 센서 모니터, (가령, 파워 툴 상의) 전자 디스플레이, 가축 모니터링용 농업 디바이스, 의료 디바이스, 인체 모니터링 디바이스, 및 장난감이다.
본 발명의 에너지 하베스터는 도 3의 스마트폰(36)에 도시되는 것과 실질적으로 동일한 방식으로 이러한 디바이스에 연결될 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에 따르면, 본 발명의 시스템은 가령, 하나 이상의 다양한 환경적 성질(온도, 습도, 광, 소리, 진동, 바람, 움직임, 등)을, 모니터링할 센서를 수용하는 무선 센서 디바이스다. 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스는 센서에 연결되어, 전력을 센서에 제공한다.
일례에 따르면, 본 발명의 시스템은 압력을 모니터링할 센서를 지닌 타이어-압력 모니터링 시스템이다. 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스는 센서에 연결되어, 전력을 제공한다. 이러한 시스템은 가령, 자동차의 타이어 또는 휠 상에 장착되는 소형 디바이스로 형성될 수 있다.
다른 예에 따르면, 본 발명의 시스템은 가정용 또는 상업용 의류 건조기의 전자 제어부와 통신하는 습도 센서다. 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스는 센서에 연결되어, 전력을 제공한다. 이러한 시스템은 가령, 의류 건조기의 습도 레벨에 기초하여 의류의 건조도를 모니터링하기 위해 의류 건조기의 내부에, 장착되는 소형 디바이스로 형성될 수 있다. 그 후 센서는 가령, 일 사이클의 종점을 결정하기 위해 의류 건조기의 전자 제어부와 통신할 수 있다.
본 발명의 추가적 형태는 전력 피공급 장치에 전력을 공급하는 방법에 관련된다. 이 방법은 본 발명의 시스템을 제공하는 단계와, 압전 물질로부터 전기 에너지를 발생시키도록 시스템을 운동 또는 진동시키는 단계와, 압전 물질로부터 장치에 전기 에너지를 전달하여 장치에 전력을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 형태는 에너지 하베스트 디바이스를 생산하는 방법에 관련된다. 이 방법은 제 1 및 제 2 표면을 가진 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 실리콘 다이옥사이드층이 실리콘 웨이퍼의 제 1 표면 상에 증착된다. 제 1 실리콘 다이옥사이드층 상에 제 1 압전 스택층이 증착되어 패턴처리된다. 패턴처리된 제 1 압전 스택층 위에 제 2 실리콘 다이옥사이드층이 증착된다. 증착된 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 캔틸레버 물질이 증착되고 패턴처리된다. 패턴처리된 캔틸레버 물질 위에 제 2 압전 스택층이 증착되고, 제 2 압전 스택층이 패턴처리된다. 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면은 에칭되어, 에너지 하베스트 디바이스를 생성한다.
이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스를 생성하는 방법의 제 1 실시예는, 층상 물질 스택(50)을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 스택은 여기서 설명되는 에너지 하베스터 디바이스를 형성하기 위해 패턴처리되는 층상 물질들의 스택이다. 층상 물질 스택(50)은 다음의 층상 물질들, 즉, 실리콘 웨이퍼(52)(제 1 표면(51) 및 제 2 표면(53)을 가짐), 제 1 실리콘 다이옥사이드층(32), 접착층(54)(선택적임), 압전 스택층(30)(제 1 금속층(56), 압전 물질층(58), 및 제 2 금속층(60)을 포함)을 포함한다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 일 실시예에서, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스 형성 방법은, 제 1 표면(51) 및 제 2 표면(53)을 가진 실리콘 웨이퍼(52)를 제공하는 단계, 실리콘 웨이퍼(52)의 제 1 표면(51) 상에 (층들의 부호는 도 1에 도시되는 본 발명의 에너지 하베스터의 실시예와 관련됨) 제 1 실리콘 다이옥사이드층(32)을 증착하는 단계, 제 1 실리콘 다이옥사이드층(32) 상에 선택적인 접착층(54)을 증착하는 단계, 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층(32) 상에 제 1 압전 스택층(30)을 증착함으로써, 층상 물질 스택(50)을 형성하는 단계를 포함한다.
실리콘 웨이퍼(52)는 일 실시예에 따르면, 단결정 양면 폴리싱 실리콘 웨이퍼다. 일 실시예에서, 실리콘 웨이퍼(52)는 약 400 μm 내지 1,000 μm, 약 500 μm 내지 약 900 μm, 약 600 μm 내지 약 800 μm, 또는 약 700 μm의 두께를 가진다. 구체적 일례에서, 실리콘 웨이퍼(52)는 대략 725 μm(+/- 15 μm)의 두께(즉, 8인치 웨이퍼의 표준 두께)를 가진 양면 폴리싱 실리콘 웨이퍼다. 대안으로서, 실리콘 웨이퍼(52) 대신에, 본 발명의 방법은 실리콘 다이옥사이드의 증착층으로 시작하여, 그 위에 층상 물질 스택(50)의 후속 층들이 형성된다.
일 실시예에 따르면, 제 1 실리콘 다이옥사이드층(32)은 열 옥사이드층이다. 일 실시예에서, 제 1 실리콘 다이옥사이드층(32)은 약 0.25 μm 내지 약 2 μm의 두께를 가진다. 실리콘 웨이퍼(52)의 제 1 표면(51)에 제 1 실리콘 다이옥사이드층(32)의 증착은, 당 분야에 알려져 있는 방법들에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 다이옥사이드는 열적으로 성장할 수 있고, 그 후, 실리콘 웨이퍼 상에 증착될 수 있다. 일 특정 예에서, 1 μm(+/-0.05 μm)의 열성장 SiO2가 실리콘 웨이퍼(52)에 증착되어, 실리콘 다이옥사이드층(32)을 형성한다.
제 1 실리콘 다이옥사이드층(32) 상에 제 1 압전 스택층(30)이 증착되어, 금속/압전 물질/금속층을 형성한다. 일 실시예에 따르면, 압전 스택층(30)은 약 0.5 μm 내지 약 6 μm, 또는 약 2 μm 내지 약 5 μm의 두께를 가진다. 제 1 압전 스택층(30)은 제 1 금속층(56), 제 2 금속층(60), 및 압전층(58)을 포함한다. 제 1 금속층(56) 및 제 2 금속층(60)은 전극으로 적절히 기능하는 임의의 적절한 금속으로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이러한 층들은 몰리브덴 또는 플라티늄과 같은 동일 물질로 형성된다. 그러나, 두 층들이 반드시 동일 물질로 형성될 필요는 없다. 압전 물질층(58)은 앞서 논의한 바와 같이, 임의의 적절한 압전 물질로 형성된다. 일 실시예에 따르면, 이러한 층은 알루미늄 나이트라이드(AlN)으로부터 형성된다.
제 1 압전 스택층(30)의 증착은, 당 분야에 표준인, 아래의 얇은 접착층(54)을 이용하여 수행될 수 있다. 적절한 접착층(54)은 약 0.02 μm 내지 약 0.05 μm의 층 두께로 티타늄, AlN, Al:Cu, 또는, Al과 같은 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스 제조 방법의 일 실시예가 도 5-17에 예시된 바와 같이 진행된다.
첫번째로, 도 5에 도시되는 바와 같이, 압전 스택층(30)이 패턴처리된다. 특히, 스택(50)으로부터 압전 물질층(58) 및 제 2 금속층(60)의 일부분(가령, 일부분(62, 64))들이 제거되어 제 1 금속층(56)을 노출시킨다. 본 발명의 방법에 따라 압전 스택층(30)을 패턴처리하는 단계는, 테트라메틸암모늄하이드록사이드 및 금속층에 대한 인산을 이용한 습식 에칭과 조합된 리소그래피 기술을 이용하여 실현될 수 있다. 층의 습식 또는 건식 에칭을 위한 다른 적절한 화학 물질 또한 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 흔히 사용되며, 본 발명의 방법을 수행하는데 사용될 수 있다.
다음에 도 6에 도시되는 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 제 1 압전 스택층(30)을 패턴처리하는 단계는, 제 1 금속층(56)을 패턴처리하여 그 일부분(가령, 일부분(66))을 제거하고 노출되는 추가적 부분을 전극으로 남기는 단계를 포함한다. 전극을 패턴처리하는 단계는 염소 또는 플로린 가스로 플라즈마 (건식) 에칭 또는 인산 습식 에칭을 이용하여 수행될 수 있다. 접착층이 존재할 경우, 접착층은 습식 에칭 기반 암모니아 페록사이드(가령, 티타늄 접착층의 경우)로 제거될 수 있다.
그 다음, 도 7에 도시되는 바와 같이, 제 2 실리콘 다이옥사이드층(28)이 패턴처리된 제 1 압전 스택층(30) 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층(32) 위에 증착된다. 일 실시예에 따르면, 제 2 실리콘 다이옥사이드층(28)은 고온 옥사이드층이다. 이 층은 제 1 압전 스택층(30)을 전기적으로 분리시킨다. 일 실시예에 따르면, 이 단계는 실레인(실리콘 소스)의 플라즈마-강화 화학적 기상 증착을 이용하여 부동태층을 위한 실리콘을 증착시킨다. 이 층은 약 1 μm의 두께로 증착될 수 있다.
도 8에 예시되는 다음 방법 단계에서, 증착된 제 2 실리콘 다이옥사이드층(28) 위에 캔틸레버 물질(26)이 증착된다. 캔틸레버 물질층(26)은 실리콘, 폴리실리콘, 금속(가령, Cu 또는 Ni), 또는 다른 금속 옥사이드 반도체(CMOS) 양립성 물질, 또는 폴리이미드와 같은 고온 폴리머와 같이, 임의의 적절한 물질일 수 있다. 일 실시예에서, 캔틸레버 물질(26)은 약 10 μm 내지 약 200 μm, 약 10 μm 내지 약 75 μm, 또는 약 10 μm 내지 약 50 μm의 두께로 화학적 기상 증착에 의해 제 2 실리콘 다이옥사이드층(28) 상에 증착된다. 증착에 이어, 가령, 화학적 기상 증착에 의해, 캔틸레버 물질(26)의 표면을 평활화(smoothing)하는 것이 바람직할 수 있다.
다음에, 캔틸레버 물질(26)이 패턴처리된다. 이 방법 단계가 도 9에 도시된다. 일 실시예에 따르면, 이러한 패턴처리 단계는 전적으로 건식 프로세스를 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 플로린 CHF3/CF4 가스와, 옥사이드의 반응성 이온 에칭과, 폴리실리콘에 대한 SF6/C4F8 심도 반응성 이온 에칭. Cu, Au, 또는 Ni와 같은 금속의 경우, 당 분야에 잘 알려져 있는 습식 에칭 프로세스가 사용될 수 있다.
도 10은 제 2 금속/압전 물질/금속층을 형성하기 위해 캔틸레버층(26) 위에 제 2 압전 스택층(24)을 증착하는 단계를 포함하는 다음 방법 단계를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 제 2 압전 스택층(24)은 약 0.5 μm 내지 약 6 μm, 또는 약 2 μm 내지 약 5 μm의 두께를 가진다. 일 실시예에 따르면, 제 2 압전 스택층(24)은 선택적인 제 1 금속층(68), 압전 물질층(70), 및 제 2 금속층(72)을 포함한다. 다른 실시예에서, 제 2 압전 스택층(24)은 패턴처리된 캔틸레버 물질(26) 상에 놓이는 압전 물질층(70) 위에 제 2 금속층(72)을 포함한다. 이러한 구조에서, 캔틸레버 물질(26)이 전극으로 유용하다.
제 1 금속층(68)(존재시) 및 제 2 금속층(72)은 전극으로 적절히 기능하는 임의의 적절한 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이러한 층들은 몰리브덴 또는 플라티늄과 같은 동일 물질로 형성된다. 그러나, 두 층들이 반드시 동일 물질로 형성될 필요는 없다. 압전 물질층(70)은 앞서 논의한 바와 같이, 임의의 적절한 압전 물질로 형성된다. 일 실시예에 따르면, 이러한 층은 알루미늄 나이트라이드(AlN)로부터 형성된다.
제 2 압전 스택층(24)의 증착은, 당 분야에 표준인, 아래의 얇은 접착층(74)을 이용하여 수행될 수 있다. 적절한 접착층(74)은 약 0.02 μm 내지 약 0.05 μm의 층 두께로 티타늄, AlN, Al:Cu, 또는, Al과 같은 물질을 포함할 수 있다.
그 후, 도 11에 도시되는 바와 같이, 제 2 압전 스택층(24)이 패턴처리된다. 특히, 제 2 압전 스택층(24)으로부터 압전 물질층(70) 및 제 2 금속층(72)의 일부분(가령, 일부분(76, 78))들이 제거되어 제 1 금속층(68)(존재할 경우) 또는 캔틸레버 물질층(26)을 노출시킨다.
본 발명의 방법에 따라 제 2 압전 스택층(24)을 패턴처리하는 단계는, 테트라메틸암모늄하이드록사이드 및 금속층에 대한 인산을 이용한 습식 에칭과 조합된 리소그래피 기술을 이용하여 실현될 수 있다. 층의 습식 또는 건식 에칭을 위한 다른 적절한 화학 물질 또한 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 흔히 사용되며, 본 발명의 방법을 수행하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은, 제 2 패턴처리된 압전 스택층, 패턴처리된 캔틸레버 물질, 및 제 1 패턴처리 압전 스택층에 부동태층을 도포하고, 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면의 에칭 이전에, 부동태층을 패턴처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은, 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면의 에칭 이전에, 패턴처리된 부동태층 상에 금속 본드패드층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그 다음 방법 단계에서, 도 12에 도시되는 바와 같이, 제 3 실리콘 다이옥사이드층(22)이 패턴처리된 제 2 압전 스택층(24), 패턴처리된 캔틸레버 물질층(26), 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층(28) 위에 증착된다. 일 실시예에 따르면, 이 단계는 실레인(실리콘 소스)의 플라즈마-강화 화학적 기상 증착을 이용하여 수행되어, 부동태층을 위한 실리콘을 증착시킨다. 이 층은 약 1 μm의 두께로 증착될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 제 3 실리콘 다이옥사이드층의 증착은, 내마모성과 관련된 견고성을 구조체에 제공하는, 선택적 단계다.
도 13에 도시되는 방법 단계에서, 제 1, 2, 3 실리콘 다이옥사이드층(32, 28, 22)은 패턴처리되어, 캔틸레버가 후면 에칭 후 릴리스되게 된다. 일 실시예에 따르면, 이 단계는 제 1, 2, 3 실리콘 다이옥사이드층(32, 28, 22)의 일부분을 제거하여, 실리콘 웨이퍼(52)의 제 1 부분(51)을 노출시키는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 이러한 패턴처리는 CHF3 반응성 이온 에칭 프로세스를 이용하여 수행된다.
다음에, 도 14에 도시되는 바와 같이, 제 3 실리콘 다이옥사이드층(22)이 패턴처리된다. 일 실시예에 따르면, 이 단계는 제 3 실리콘 다이옥사이드층(22)의 일부분을 제거하여, 제 1 압전 스택층(30)의 일부분(80, 82)과, 제 2 압전층(24)의 일부분(84, 86)을 노출된 채로 남기는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 이러한 패턴처리는 CHF3 반응성 이온 에칭 프로세스를 이용하여 수행된다.
추가적인 (선택적) 방법 단계가 도 15에 도시되며, 이는 패턴처리된 제 3 실리콘 다이옥사이드층(22), 제 1 압전 스택층(30)의 일부분(80, 82), 및 제 2 압전 스택층(24)의 일부분(84, 86) 위에 증착되는 금속 본드패드층(88)을 도시한다. 본드패드층(88)은 디바이스에 견고한 와이어본드를 형성시키는 표면을 제공하여, 우수한 전기적 연결을 보장한다. 일 실시예에 따르면, 금속 본드패드층(88)은 약 1 μm의 두께로 증착되고, 금속 물질(가령, Al)이다. 이 층은 와이어 본드의 신뢰도를 개선시키도록 증착된다.
도 16은 존재시 금속 본드패드층(88)을 패턴처리하는 단계를 포함하는 다음 방법 단계를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 금속 본드패드층(88)은 상부 및 하부 전극 연결을 위한 개구부보다 약간 길게 패턴처리된다. 일 실시예에서, 금속 본드패드층(88)의 패턴처리는 인산에 기초한 습식 에칭 화학 물질을 이용하여 수행된다. 그러나, 다른 방법도 또한 사용될 수 있다.
다음 방법 단계가 도 17에 도시되며, 이 경우 실리콘 웨이퍼(52)가 표면(53)에서 에칭되어, 공진자 빔(12), 기저부(18), 및 동체(20)를 생성하고, 따라서, 본 발명의 에너지 하베스트 디바이스의 일 실시예를 생성한다. 다시 말해서, 실리콘 웨이퍼(52)의 일부분이 에칭되어 사라져서, 공진자 빔(12)이 된 곳 아래에 공동(90)을 생성하여, 동체(20)가 된 실리콘 웨이퍼(52)의 일부분과 기저부(18)가 된 실리콘 웨이퍼(52)의 일부분 사이에 유격을 생성한다. 일 실시예에 따르면, 실리콘 웨이퍼(52)의 에칭은 SF6/C4F8 화학 물질을 이용한 심도 반응성 이온 에칭 및 리소그래피 기술을 이용하여 수행된다.
본 발명의 추가적 형태는 에너지 하베스터 디바이스 생성 방법에 관한 것이다. 이 방법은 제 1 및 제 2 표면을 가진 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 실리콘 다이옥사이드층이 실리콘 웨이퍼의 제 1 표면 상에 증착된다. 제 1 실리콘 다이옥사이드층 상에 제 1 압전 스택층이 증착되어 패턴처리된다. 패턴처리된 제 1 압전 스택층 위에 제 2 실리콘 다이옥사이드층이 증착된다. 증착된 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 캔틸레버 물질이 증착된다. 증착된 캔틸레버 물질 위에 제 3 실리콘 다이옥사이드층이 증착된다. 캔틸레버 물질 위에 제 2 압전 스택층이 증착되고, 패턴처리된다. 제 3 실리콘 다이옥사이드층 및 캔틸레버 물질이 패턴처리된다. 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면은 에칭되어, 에너지 하베스트 디바이스를 생성한다.
도 18에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 에너지 하베스터 디바이스 형성 방법의 다른 실시예는, 제 1 표면(151) 및 제 2 표면(153)을 가진 (앞서 설명한 바의) 실리콘 웨이퍼(152)를 제공하는 단계, 실리콘 웨이퍼(152)의 제 1 표면(151) 상에 (층들의 부호는 도 2에 도시되는 본 발명의 에너지 하베스터의 실시예와 관련됨) 제 1 실리콘 다이옥사이드층(134)을 증착하는 단계, 제 1 실리콘 다이옥사이드층(134) 상에 선택적인 접착층(154)을 증착하는 단계, 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층(134) 상에 제 1 압전 스택층(132)을 증착함으로써, 층상 물질 스택(150)을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제 1 실리콘 다이옥사이드층(134)은 열 옥사이드층이다. 일 실시예에서, 제 1 실리콘 다이옥사이드층(134)은 약 0.25 μm 내지 약 2 μm의 두께를 가진다. 실리콘 웨이퍼(52)의 제 1 표면(51)에 제 1 실리콘 다이옥사이드층(134)의 증착은, 당 분야에 알려져 있는 방법들에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 다이옥사이드는 열적으로 성장할 수 있고, 그 후, 실리콘 웨이퍼 상에 증착될 수 있다. 일 특정 예에서, 1 μm(+/-0.05 μm)의 열성장 SiO2가 실리콘 웨이퍼(52)에 증착되어, 실리콘 다이옥사이드층(134)을 형성한다.
제 1 실리콘 다이옥사이드층(134) 상에 제 1 압전 스택층(132)이 증착되어, 금속/압전 물질/금속층을 형성한다. 일 실시예에 따르면, 압전 스택층(134)은 약 0.5 μm 내지 약 6 μm, 또는 약 2 μm 내지 약 5 μm의 두께를 가진다. 제 1 압전 스택층(132)은 제 1 금속층(156), 제 2 금속층(158), 및 압전층(160)을 포함한다. 제 1 금속층(156) 및 제 2 금속층(158)은 전극으로 적절히 기능하는 임의의 적절한 금속으로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이러한 층들은 몰리브덴 또는 플라티늄과 같은 동일 물질로 형성된다. 그러나, 두 층들이 반드시 동일 물질로 형성될 필요는 없다. 압전 물질층(160)은 앞서 논의한 바와 같이, 임의의 적절한 압전 물질로 형성된다. 일 실시예에 따르면, 이러한 층은 알루미늄 나이트라이드(AlN)로부터 형성된다.
제 1 압전 스택층(132)의 증착은, 당 분야에 표준인, 아래의 얇은 접착층(154)을 이용하여 수행될 수 있다. 적절한 접착층(154)은 약 0.02 μm 내지 약 0.05 μm의 층 두께로 티타늄, AlN, Al:Cu, 또는, Al과 같은 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 에너지 하베스터 디바이스 제조 방법의 일 실시예가 도 19-33에 예시된 바와 같이 진행된다. 첫번째로, 도 19에 도시되는 바와 같이, 압전 스택층(132)이 패턴처리된다. 특히, 스택(50)으로부터 압전 물질층(160) 및 제 2 금속층(158)의 일부분(가령, 일부분(162, 164))들이 제거되어 제 1 금속층(156)을 노출시킨다. 본 발명의 방법에 따라 압전 스택층(132)을 패턴처리하는 단계는, 테트라메틸암모늄하이드록사이드 및 금속층에 대한 인산을 이용한 습식 에칭과 조합된 리소그래피 기술을 이용하여 실현될 수 있다. 층의 습식 또는 건식 에칭을 위한 다른 적절한 화학 물질 또한 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 흔히 사용되며, 본 발명의 방법을 수행하는데 사용될 수 있다.
다음에, 도 20에 도시되는 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 제 1 압전 스택층(132)을 패턴처리하는 단계는, 제 1 금속층(156)을 패턴처리하여 그 일부분(가령, 일부분(166))을 제거하고 노출되는 추가적 부분을 전극으로 남기는 단계를 포함한다. 전극을 패턴처리하는 단계는 염소 또는 플로린 가스로 플라즈마 (건식) 에칭 또는 인산 습식 에칭을 이용하여 수행될 수 있다. 접착층이 존재할 경우, 접착층은 습식 에칭 기반 암모니아 페록사이드(가령, 티타늄 접착층의 경우)로 제거될 수 있다.
그 다음, 도 21에 도시되는 바와 같이, 제 2 실리콘 다이옥사이드층(130)이 패턴처리된 제 1 압전 스택층(132) 및 제 1 실리콘 다이옥사이드층(134) 위에 증착된다. 일 실시예에 따르면, 제 2 실리콘 다이옥사이드층(130)은 고온 옥사이드층이다. 이 층은 제 1 압전 스택층(132)을 전기적으로 분리시킨다. 일 실시예에 따르면, 이 단계는 실레인(실리콘 소스)의 플라즈마-강화 화학적 기상 증착을 이용하여 수행되어, 부동태층을 위한 실리콘을 증착시킨다. 이 층은 약 1 μm의 두께로 증착될 수 있다.
도 22에 예시되는 다음 방법 단계에서, 증착된 제 2 실리콘 다이옥사이드층(130) 위에 캔틸레버 물질(128)이 증착된다. 캔틸레버 물질층(128)은 실리콘, 폴리실리콘, 금속(가령, Cu 또는 Ni), 또는 다른 금속 옥사이드 반도체(CMOS) 양립성 물질, 또는 폴리이미드와 같은 고온 폴리머와 같이, 임의의 적절한 물질일 수 있다. 일 실시예에서, 캔틸레버 물질(128)은 약 10 μm 내지 약 200 μm, 약 10 μm 내지 약 75 μm, 또는 약 10 μm 내지 약 50 μm의 두께로 화학적 기상 증착에 의해 제 2 실리콘 다이옥사이드층(130) 상에 증착된다. 증착에 이어, 가령, 화학적 기상 증착에 의해, 캔틸레버 물질(128)의 표면을 평활화(smoothing)하는 것이 바람직할 수 있다.
다음에, 도 23에 도시되는 바와 같이, 제 3 실리콘 다이옥사이드층(126)이 캔틸레버층(128) 위에 패턴처리된다. 일 실시예에 따르면, 제 3 실리콘 다이옥사이드층(126)은 고온 옥사이드층이다. 일 실시예에 따르면, 이 단계는 실레인(실리콘 소스)의 플라즈마-강화 화학적 기상 증착을 이용하여 수행되어, 부동태층을 위한 실리콘을 증착시킨다. 이 층은 약 1 μm의 두께로 증착될 수 있다.
도 24는 제 2 금속/압전 물질/금속층을 형성하기 위해 제 3 실리콘 다이옥사이드층(126) 위에 제 2 압전 스택층(124)을 증착하는 단계를 포함하는 다음 방법 단계를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 제 2 압전 스택층(124)은 약 0.5 μm 내지 약 6 μm, 또는 약 2 μm 내지 약 5 μm의 두께를 가진다. 일 실시예에 따르면, 제 2 압전 스택층(124)은 제 1 금속층(168), 압전 물질층(170), 및 제 2 금속층(172)을 포함한다.
제 1 금속층(168) 및 제 2 금속층(172)은 전극으로 적절히 기능하는 임의의 적절한 금속으로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이러한 층들은 몰리브덴 또는 플라티늄과 같은 동일 물질로 형성된다. 그러나, 두 층들이 반드시 동일 물질로 형성될 필요는 없다. 압전 물질층(170)은 앞서 논의한 바와 같이, 임의의 적절한 압전 물질로 형성된다. 일 실시예에 따르면, 이러한 층은 알루미늄 나이트라이드(AlN)로부터 형성된다.
제 2 압전 스택층(124)의 증착은, 당 분야에 표준인, 아래의 얇은 접착층(174)을 이용하여 수행될 수 있다. 적절한 접착층(174)은 약 0.02 μm 내지 약 0.05 μm의 층 두께로 티타늄, AlN, Al:Cu, 또는, Al과 같은 물질을 포함할 수 있다.
그 후, 도 25에 도시되는 바와 같이, 제 2 압전 스택층(124)이 패턴처리된다. 특히, 제 2 압전 스택층(124)으로부터 압전 물질층(170) 및 제 2 금속층(172)의 일부분(가령, 일부분(176, 178))들이 제거되어 제 1 금속층(168)을 노출시킨다. 본 발명의 방법에 따라 제 2 압전 스택층(124)을 패턴처리하는 단계는, 테트라메틸암모늄하이드록사이드 및 금속층에 대한 인산을 이용한 습식 에칭과 조합된 리소그래피 기술을 이용하여 실현될 수 있다. 층의 습식 또는 건식 에칭을 위한 다른 적절한 화학 물질 또한 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 흔히 사용되며, 본 발명의 방법을 수행하는데 사용될 수 있다.
다음에, 도 26에 도시되는 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 제 2 압전 스택층(124)을 패턴처리하는 단계는, 제 1 금속층(168)을 패턴처리하여 그 일부분(가령, 일부분(179))을 제거하고 노출되는 추가적 부분을 전극으로 남기는 단계를 포함한다. 전극을 패턴처리하는 단계는 염소 또는 플로린 가스로 플라즈마 (건식) 에칭 또는 인산 습식 에칭을 이용하여 수행될 수 있다. 접착층이 존재할 경우, 접착층은 습식 에칭 기반 암모니아 페록사이드(가령, 티타늄 접착층의 경우)로 제거될 수 있다.
다음에, 캔틸레버 물질(128) 및 제 3 실리콘 다이옥사이드층(126)이 패턴처리된다. 이 방법 단계가 도 27에 도시된다. 일 실시예에 따르면, 이러한 패턴처리 단계는 전적으로 건식 프로세스를 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 플로린 CHF3/CF4 가스와, 옥사이드의 반응성 이온 에칭과, 폴리실리콘에 대한 SF6/C4F8 심도 반응성 이온 에칭. Cu, Au, 또는 Ni와 같은 금속의 경우, 당 분야에 잘 알려져 있는 습식 에칭 프로세스가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은, 제 2 패턴처리된 압전 스택층, 패턴처리된 캔틸레버 물질, 및 제 1 패턴처리 압전 스택층에 부동태층을 도포하고, 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면의 에칭 이전에, 부동태층을 패턴처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은, 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면의 에칭 이전에, 패턴처리된 부동태층 상에 금속 본드패드층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다음 방법 단계에서, 도 28에 도시되는 바와 같이, 제 4 실리콘 다이옥사이드층(122)이 패턴처리된 제 2 압전 스택층(124) 및 제 2 실리콘 다이옥사이드층(130) 위에 증착된다. 일 실시예에 따르면, 이 단계는 실레인(실리콘 소스)의 플라즈마-강화 화학적 기상 증착을 이용하여 수행되어, 부동태층을 위한 실리콘을 증착시킨다. 이 층은 약 1 μm의 두께로 증착될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 제 3 실리콘 다이옥사이드층의 증착은, 내마모성과 관련된 견고성을 구조체에 제공하는, 선택적 단계다.
도 29에 도시되는 방법 단계에서, 제 1, 2, 4 실리콘 다이옥사이드층(134, 130, 122)은 패턴처리되어, 캔틸레버가 후면 에칭 후 릴리스되게 된다. 일 실시예에 따르면, 이 단계는 제 1, 2, 4 실리콘 다이옥사이드층(134, 130, 122)의 일부분을 제거하여, 실리콘 웨이퍼(152)의 제 1 표면(151)을 노출시키는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 이러한 패턴처리는 CHF3 반응성 이온 에칭 프로세스를 이용하여 수행된다.
그 후, 도 30에 도시되는 바와 같이, 제 4 실리콘 다이옥사이드층(122)이 패턴처리된다. 일 실시예에 따르면, 이 단계는 제 4 실리콘 다이옥사이드층(122)의 일부분을 제거하여, 제 1 압전 스택층(132)의 일부분(180, 182)과, 제 2 압전층(124)의 일부분(184, 186)을 노출된 채로 남기는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 이러한 패턴처리는 CHF3 반응성 이온 에칭 프로세스를 이용하여 수행된다.
추가적인 (선택적) 방법 단계가 도 31에 도시되며, 이는 패턴처리된 제 4 실리콘 다이옥사이드층(122)과, 제 1 압전 스택층(132)의 일부분(180, 182), 및 제 2 압전 스택층(124)의 일부분(184, 186) 위에 증착되는 금속 본드패드층(188)을 도시한다. 본드패드층(188)은 디바이스에 견고한 와이어본드를 형성시키는 표면을 제공하여, 우수한 전기적 연결을 보장한다. 일 실시예에 따르면, 금속 본드패드층(188)은 약 1 μm의 두께로 증착되고, 금속 물질(가령, Al)이다. 이 층은 와이어 본드의 신뢰도를 개선시키도록 증착된다.
도 32는 존재시 금속 본드패드층(188)을 패턴처리하는 단계를 포함하는 다음 방법 단계를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 금속 본드패드층(188)은 상부 및 하부 전극 연결을 위한 개구부보다 약간 길게 패턴처리된다. 일 실시예에서, 금속 본드패드층(188)의 패턴처리는 인산에 기초한 습식 에칭 화학 물질을 이용하여 수행된다. 그러나, 다른 방법도 또한 사용될 수 있다.
다음 방법 단계가 도 33에 도시되며, 이 경우 실리콘 웨이퍼(152)가 표면(153)에서 에칭되어, 공진자 빔(112), 기저부(118), 및 동체(120)를 생성하고, 따라서, 본 발명의 에너지 하베스트 디바이스의 일 실시예를 생성한다. 다시 말해서, 실리콘 웨이퍼(152)의 일부분이 에칭되어 사라져서, 공진자 빔(112)이 된 곳 아래에 공동(190)을 생성하여, 동체(120)가 된 실리콘 웨이퍼(152)의 일부분과 기저부(118)가 된 실리콘 웨이퍼(152)의 일부분 사이에 유격을 생성한다. 일 실시예에 따르면, 실리콘 웨이퍼(152)의 에칭은 SF6/C4F8 화학 물질을 이용한 심도 반응성 이온 에칭 및 리소그래피 기술을 이용하여 수행된다.
선호되는 실시예들이 여기서 세부적으로 묘사 및 설명되었으나, 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변형, 추가, 치환, 등이 이루어질 수 있고, 따라서, 이들은 다음의 청구범위에 규정되는 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
Claims (31)
- 에너지 하베스터 디바이스에 있어서,
제 1 단부 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 기다란 공진자 빔과,
상기 제 1 단부에서 상기 기다란 공진자 빔에 연결되는 기저부 - 상기 제 2 단부는 캔틸레버로 기저부로부터 자유롭게 연장됨 - 와,
상기 기다란 공진자 빔의 제 2 단부에 부착되는 동체를 포함하며, 상기 기다란 공진자 빔은, (1) 제 3 옥사이드층 상에 제 2 압전 스택층 위에 제 2 옥사이드층 상에 캔틸레버층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하거나, 또는, (2) 제 4 옥사이드층 위에 제 2 압전 스택 상에 제 3 옥사이드층 위에 캔틸레버층 상에 제 2 옥사이드층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스. - 제 1 항에 있어서, 상기 기다란 공진자 빔은 제 3 옥사이드층 상에 제 2 압전 스택층 위에 제 2 옥사이드층 상에 캔틸레버층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기다란 공진자 빔은 제 4 옥사이드층 위에 제 2 압전 스택 상에 제 3 옥사이드층 위에 캔틸레버층 상에 제 2 옥사이드층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 압전 스택층은 금속층 위에 압전 물질층 위에 금속층을 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 압전 스택층은 압전 물질층 위에 금속층을 포함하고, 상기 캔틸레버층은 전극으로 사용되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 압전 스택층은 금속층 위에 압전 물질층 위에 금속층을 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나와 전기적으로 접촉하는 하나 이상의 전극을 더 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나로부터 전기 에너지를 회수하기 위해 상기 하나 이상의 전극과 전기적으로 연결되는 전기 하베스트 회로를 더 포함하는, 에너지 하베스터 디바이스. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나는 금속층을 포함하고, 상기 금속은 몰리브덴, 플라티늄, 또는 폴리실리콘으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나는 압전 금속층을 포함하고, 상기 압전 금속은 알루미늄 나이트라이드, 징크 옥사이드, 및 리드 지르코네이트 티타네이트 화합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 제 1 항에 있어서, 캔틸레버는 전기도금된 구리 또는 니켈, 또는 폴리실리콘으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 물질로 제조되는, 에너지 하베스터 디바이스.
- 시스템에 있어서,
전력 피공급 장치와,
상기 전력 피공급 장치에 전기적으로 연결되는, 청구항 제 1 항에 따른 에너지 하베스터 디바이스를 포함하는, 시스템. - 제 12 항에 있어서, 상기 전력 피공급 장치는, 랩탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 셀 폰, 스마트 폰, e-리더, MP3 플레이어, 전화 헤드셋, 헤드폰, 라우터, 게임 디바이스, 게임 조종기, 모바일 인터넷 어댑터, 카메라, 무선 센서, 무선 센서 모트, 타이어 압력 센서 모니터, 파워 툴 상의 파워링 간단 디스플레이, 가축 성장용 디바이스, 의료 디바이스, 인체 모니터링 디바이스, 및 장난감으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
- 제 12 항에 있어서, 상기 기다란 공진자 빔은 제 3 옥사이드층 상에 제 2 압전 스택층 위에 제 2 옥사이드층 상에 캔틸레버층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는, 시스템.
- 제 12 항에 있어서, 상기 기다란 공진자 빔은 제 4 옥사이드층 위에 제 2 압전 스택층 상에 제 3 옥사이드층 위에 캔틸레버층 상에 제 2 옥사이드층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는, 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나와 전기적으로 접촉하는 하나 이상의 전극을 더 포함하는, 시스템. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나로부터 전기 에너지를 회수하기 위해 상기 하나 이상의 전극과 전기적으로 연결되는 전기 하베스트 회로를 더 포함하는, 시스템. - 전력 피공급 장치에 전력을 공급하기 위한 방법에 있어서,
제 12 항에 따른 시스템을 제공하는 단계와,
상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나로부터 전기 에너지를 발생시키도록 상기 시스템을 운동 또는 진동시키는 단계와,
상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나로부터 상기 장치로 전기 에너지를 전달하여 상기 장치에 전력을 제공하는 단계를 포함하는, 전력 공급 방법. - 제 18 항에 있어서, 상기 장치는, 랩탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 셀 폰, 스마트 폰, e-리더, MP3 플레이어, 전화 헤드셋, 헤드폰, 라우터, 게임 디바이스, 게임 조종기, 모바일 인터넷 어댑터, 카메라, 무선 센서, 무선 센서 모트, 압력 센서 모니터, 파워 툴 상의 파워링 간단 디스플레이, 가축 성장용 디바이스, 의료 디바이스, 인체 모니터링 디바이스, 및 장난감으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 전력 공급 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 기다란 공진자 빔은 제 3 옥사이드층 상에 제 2 압전 스택층 위에 제 2 옥사이드층 상에 캔틸레버층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는, 전력 공급 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 기다란 공진자 빔은 제 4 옥사이드층 위에 제 2 압전 스택 상에 제 3 옥사이드층 위에 캔틸레버층 상에 제 2 옥사이드층 위에 제 1 압전 스택층 상에 제 1 옥사이드층을 포함하는, 전력 공급 방법.
- 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나와 전기적으로 접촉하는 하나 이상의 전극을 더 포함하는, 전력 공급 방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 압전 스택층 중 적어도 하나로부터 전기 에너지를 회수하기 위해 상기 하나 이상의 전극과 전기적으로 연결되는 전기 하베스트 회로를 더 포함하는, 전력 공급 방법. - 에너지 하베스트 디바이스 생성 방법에 있어서,
제 1 및 제 2 표면을 가진 실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계와,
상기 실리콘 웨이퍼의 제 1 표면 상에 제 1 실리콘 다이옥사이드층을 증착하는 단계와,
상기 제 1 실리콘 다이옥사이드층 상에 제 1 압전 스택층을 증착하는 단계와,
상기 제 1 압전 스택층을 패턴처리하는 단계와,
패턴처리된 제 1 압전 스택층 위에 제 2 실리콘 다이옥사이드층을 증착하는 단계와,
증착된 제 2 실리콘 다이옥사이드층 위에 캔틸레버 물질을 증착하는 단계와,
상기 캔틸레버 물질을 패턴처리하는 단계와,
패턴처리된 캔틸레버 물질 위에 제 2 압전 스택층을 증착하는 단계와,
상기 제 2 압전 스택층을 패턴처리하는 단계와,
상기 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면을 에칭하여 에너지 에너지 하베스트 디바이스를 생성하는, 에너지 하베스트 디바이스 생성 방법. - 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 압전 스택층은 상기 제 1 실리콘 다이옥사이드층 위에 놓인 제 2 금속층 위에 압전 물질층 위에 제 1 금속층을 포함하는, 에너지 하베스트 디바이스 생성 방법.
- 제 25 항에 있어서, 상기 제 1 압전 스택층을 패턴처리하는 단계는,
상기 제 1 금속층 및 압전 물질층의 일부분을 제거하는 단계와,
상기 제 2 금속층을 패턴처리하여 그 일부분을 제거하고, 다른 부분은 노출된 채 전극으로 남겨두는 단계를 포함하는, 에너지 하베스트 디바이스 생성 방법. - 제 24 항에 있어서, 상기 제 2 압전 스택층은 패턴처리된 캔틸레버 물질 상에 있는 압전 물질층 위에 제 1 금속층을 포함하고, 상기 캔틸레버 물질은 전극으로 사용되는, 에너지 하베스트 디바이스 생성 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 제 2 압전 스택층을 패턴처리하는 단계는,
상기 제 2 압전 스택층의 압전 물질층 및 제 1 금속층의 일부분을 제거하는 단계를 포함하는, 에너지 하베스트 디바이스 생성 방법. - 제 24 항에 있어서, 상기 제 2 압전 스택층은 패턴처리된 캔틸레버 물질 상에 놓인 제 3 실리콘 다이옥사이드층 위에 제 2 금속층 위에 압전 물질층 위에 제 1 금속층을 포함하는, 에너지 하베스트 디바이스 생성 방법.
- 제 24 항에 있어서,
패턴처리된 제 2 압전 스택층, 패턴처리된 캔틸레버 물질, 및 패턴처리된 제 1 압전 스택층에 부동태층을 도포하는 단계와,
상기 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면의 에칭 이전에, 상기 부동태층을 패턴처리하는 단계를 더 포함하는, 에너지 하베스트 디바이스 생성 방법. - 제 30 항에 있어서,
상기 실리콘 웨이퍼의 제 2 측부 표면의 에칭 이전에, 상기 부동태층 상에 금속 본드 패드층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 에너지 하베스트 디바이스 생성 방법.
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