KR20200135392A - 강유전성 재료, 강유전성 재료를 포함하는 mems 컴포넌트, 제 1 mems 컴포넌트를 포함하는 mems 장치, mems 컴포넌트의 제조 방법 및 cmos 호환 가능 mems 컴포넌트의 제조 방법 - Google Patents

강유전성 재료, 강유전성 재료를 포함하는 mems 컴포넌트, 제 1 mems 컴포넌트를 포함하는 mems 장치, mems 컴포넌트의 제조 방법 및 cmos 호환 가능 mems 컴포넌트의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

강유전성 재료는 AlN 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물을 포함하는 혼합 결정을 포함한다. 전이 금속의 질화물의 비율은 전환 전압을 인가함으로써 강유전성 재료의 초기 또는 자연적 극성의 방향이 전환 가능하도록 선택된다. 전환 전압은 강유전성 재료의 항복 전압보다 낮다.

Description

강유전성 재료, 강유전성 재료를 포함하는 MEMS 컴포넌트, 제 1 MEMS 컴포넌트를 포함하는 MEMS 장치, MEMS 컴포넌트의 제조 방법 및 CMOS 호환 가능 MEMS 컴포넌트의 제조 방법
본 발명에 따른 실시예는 강유전성 재료, 강유전성 재료를 포함하는 MEMS 컴포넌트, 제 1 MEMS 컴포넌트를 포함하는 MEMS 장치, MEMS 컴포넌트의 제조 방법 및 CMOS 호환 가능 MEMS 컴포넌트의 제조 방법에 관한 것이다.
압전 MEMS 액추에이터는, 예를 들어 정전기적으로 구동하는 컴포넌트에 비해 훨씬 더 큰 힘을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 힘은, 특히 비공명 운동의 경우에는 종종 불충분하다. 그러나, 압전형 다층(multilayers)을 사용하면 이론적으로 어떠한 크기의 힘도 각각 컴포넌트에 결합할 수 있다. 그러나, 예를 들어 납 지르코네이트 티타네이트(PZT) 또는 알루미늄 질화물(AlN)과 같이 현재까지 사용 가능한 압전체는 압전 MEMS 다층 시스템에 제한적으로만 적합하므로 대응하는 컴포넌트의 상업적 사용으로의 전환은 아직 유망하지 않다.
강유전성 재료는 공간적으로 회전 가능한 전기적 분극(P)을 특징으로 하는 압전 재료의 변형으로, 그 방향은 외부 전기장(E)에 의해 결정될 수 있다. 유효한 전기장에 대한 분극의 방향에 따라 재료는 팽창하기도 하고 수축하기도 한다(압전 효과). 이 효과는 액추에이터에 사용될 수 있다. 마이크로시스템 기술에서, 예를 들어 강유전성 유전체를 갖는 플레이트 커패시터가 수동층에 증착되고 구조화(패턴화)된다. 수동층은 초음파 변환기의 멤브레인 또는 스피커의 멤브레인일 수 있다. 전압(U)이 인가될 때 강유전체 재료의 가로 방향 수축 또는 팽창의 결과로, 분극 방향에 따라 기판 내에 압축 또는 인장 응력이 발생되므로, 기판이 변형된다. 변형의 기본이 되는 기계적 힘은 재료의 압전 계수, 그 분극 방향 및 사용 가능한 전압에 의해 발생한다[1].
일정한 전압에 대해 힘을 증가시킬 수 있는 한 가지 방법은 다층 시스템을 사용하는 것이다. 크기가 같은 압전 계수를 갖는 n층의 압전 재료를 사용하고, 그 위에 사용 가능한 전압이 인가되면, 발생하는 힘은 n배까지 증가될 수 있다[2]. 실제로 달성 가능한 힘은 인가된 전기장에 대한 재료 분극의 각각의 방향에 따라 다르다. 이상적인 것은, 모든 압전층에서 전기장과 분극이 층 시스템의 중립면(또한 중립 섬유라고도 지칭됨)의 동일한 면 상에서 서로 평행하거나 또는 반-평행하도록 정렬되는 것이다. 이 경우 모든 층이 하나의 방향으로 전체 힘에 기여하므로, 전체 힘은 최대가 된다.
육안으로 보이는(macroscopic) 강유전성 다층 액추에이터는 이미 연료 분사 펌프에 산업적으로 사용되고 있다[3]. 마이크로시스템 액추에이터에서는, 강유전성 다층 시스템이 분명한 장점을 가짐에도 불구하고 지금까지 학계에서만 연구되어 왔다(예를 들어, [4], [5]). 이는 강유전성 단일 층(일반적으로 PZT로 제조됨)을 MEMS 생산에 통합하는 것조차도, 예를 들어 확산, 온도 버짓(temperature budget) 및 재료의 구조화와 관련하여 상당한 기술적 노력이 있어야만 해결할 수 있는 과제이기 때문이다. 향후 MEMS 기술에 다층 PZT를 통합할 수 있게 되더라도, 단점들이 존재할 것인데, 특히 재료는 여전히 CMOS 호환 가능하지 않고 전기적으로 바이폴라 액추에이션에 적합하지 않을 것이다.
압전 계수가 상당히 낮음에도 불구하고, AlN과 같은 비-강유전성 재료는 때때로 압전 액추에이터에 적용되는 것이 고려되었다(예를 들어, [6], [7], [20], [21], [22], [23]). AlN은 초유전성 재료, 즉 강유전체와 마찬가지로 자연적인 전기적 분극을 보인다. 그러나, 강유전성 재료와 달리 AlN의 분극은 외부 전기장에 의해 공간적으로 회전할 수 없다. 그러나, 압전 다층에 이 재료를 적용하는 것은 추가 절연층 및 전극을 필요로 하므로 이는 추가 제조 비용이 정당화되기 어렵다는 것을 의미한다. 또는, 이론적으로는 재료 분극을 일회적으로 조정할 수 있기는 하다. 이를 위한 방법이 초보적인 형태로 존재하기는 하지만, 예를 들어 추가 증착 공정이 필요하기 때문에 여기에도 상당한 추가 제조 노력이 필요하다.
이하에서는, 간략하게 소개된 해법에 대한 이전의 접근 방식에 대해 자세히 설명하고, 마지막으로 AlN 및 전이 금속 질화물 기반의 강유전성 혼합 결정의 개발이 고전적인 강유전체 또는 초유전체의 단점을 수용할 필요 없이 압전 다층 컴포넌트를 가능하게 할 수 있다는 점에 대해 설명한다. [24]와 [25]에서, 압전 특성을 향상시키기 위한 AlScN 혼합 결정은 이미 개시되었지만, 이들은 스칸듐을 사용하여 강유전성 혼합 결정을 제조하는 방법에 대해서는 아무런 설명을 제공하지 않는다.
강유전성 다층의 또 다른 생각될 수 있는 분야는 컴포넌트에 고유한 전하 증폭인데, 이는 입력 변수를 (전압으로 변환하는 대신) 전하로 압전적으로 변환하는 센서 개념에서 중요하다. 따라서, 외부 전하 증폭기에 대한 요구 사항이 줄어들 수 있다. 이러한 전하 증폭은 마이크로 발전기에서 또한 효과적일 수 있다. 후술되는 액추에이터에 대한 접근 방식은 또한 전술된 전하 증폭에 직접 적용될 수도 있다. 두 개념의 병존은 압전 효과의 두 방향(직접 및 역)을 반영한다.
마이크로시스템 기술에서 액추에이터를 위한 압전 다층 시스템을 구현하기 위해 4가지 일반적인 접근 방식이 생각될 수 있는데, 이는 필수 측면에서 다르다. 목표는 각 개별 층에 최대 가용 전자장 강도(= UE/단일 층의 두께)를 인가하고 중립면의 같은 쪽에 있는 모든 층이 동일한 부호를 가진 힘에 기여하도록 하는 것이다. 후술되는 해법에 대한 이전의 접근 방식은, 예를 들어 [2]에서 고려된 사항으로부터 직접 도출된 것이다.
압전 센서 및 발전기의 경우 여러 개의 동일한 압전 커패시터 구조를 직렬로 연결하거나 또는 압전체의 층 두께를 늘림으로써 전압 증폭의 가능성이 있다. 그러나, 이 접근 방식은 전하 증폭기를 사용하여 센서의 출력 신호를 판독하는 개념을 평가하는 데는 직접적인 이점이 없다. 그러나, 직렬 연결이 컴포넌트 고유의 전압 증폭을 제공하는 것과 같은 방식으로, 병렬로 연결된 압전 커패시터를 통해서도 고유한 전하 증폭을 구현할 수 있다. 그러나, 이를 다층 시스템에서 구현하기 위해서는 후술되는 접근 방식은 각각의 단점을 가지는 상태로 적용되어야 한다. 여기서 목표는 인접한 커패시터 사이의 전하 보상을 방지하는 것이다. 이것은 결국 압전 재료의 분극 방향을 필요로 한다.
예를 들어, PZT와 같은 고전적인 강유전체는, 이 종류의 재료가 외부 전기장의 필드 방향을 따라 전기적 분극이 고유하게 정렬되기 때문에, 추가 절연층이 없더라도 결합되어 효과적인 다층 액추에이터를 형성할 수 있다. 수동층의 양쪽에 능동 압전층을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 단순하게 하기 위해 한 쪽에만 코팅하거나 또는 전극을 구비한 압전 다층만을 기반으로 하는 구조, 즉, 수동층이 없는 구조를 설계하는 것이 유리할 수 있다. 두 경우 모두 적절한 분극을 선택할 때 중립면의 위치를 고려해야 한다. 휨 움직임이 유도되어야 하는 경우, 이 면 위 쪽의 층은 각각 아래에 위치한 층의 경우와 반대 부호의 힘을 결합해야 한다.
가능한 한 단순한 이러한 설계에도 불구하고, 지금까지 마이크로시스템 기술에 사용되어 온 본질적으로 PZT 기반의 강유전체는 몇 가지 결정적인 단점이 있다.
ㆍ 500℃ 를 넘는 필요한 증착 온도와 포함된 납으로 인해, 재료가 CMOS 제조와 호환 가능하지 않다.
ㆍ 전기적 항복의 위험으로 인해, 사용 가능한 최대 전기장 강도가 제한되고 결과적으로 힘이 제한된다.
ㆍ 힘과 인가된 전기장 사이의 관계는 필드의 영점 주변에서 매우 비선형적이다. 힘 또는 압력(strain)은 또한 긴 거리에 걸쳐 동일한 부호를 갖는다. 근사적으로 구동력의 조화 진동(harmonious oscillation)을 보장하기 위해 전압 오프셋이 필요하다. 이는 낮은 항복 전기장 강도와 함께 구동력의 최대 가용 진폭을 더욱 제한한다.
ㆍ 강유전성 층의 고유한 기계적 응력은 제한된 범위까지만 영향을 받을 수 있다.
ㆍ 동작 중 발생하는 유전체 손실과 누설 전류는 AlN과 같은 다른 유전체보다 상당히 높다.
순수 초전기, 즉 순수 AlN과 같은 확실하게 비-강유전성인 재료는 CMOS 호환 가능한 방식으로 증착될 수 있다. 이는 전기적 항복 전기장 강도가 고전적인 강유전체보다 훨씬 더 높은 값에 도달하고 또한 작은 전기적 손실만이 발생하는 방식으로 제조될 수 있다. 또한, 전기장과 결과적인 힘 사이의 관계는 근사치에서 충분히 선형적이다. 특히, 이것은 바이폴라 전압으로 효율적인 여기를 허용한다. 그러나, 분극은 추후 변경할 수 없기 때문에 재료의 제조 중에만 정의된다. 하나의 동일한 공정으로 제조되는 다층 시스템에서, 모든 층의 분극은 기판에 이상적으로는 수직인 동일한 방향을 향한다. 따라서, 효과적인 구동을 보장하기 위해, 여기 전기장은 또한 모든 개별 층에 대해 동일한 방향을 향해야 한다. 따라서, 다층의 개별 커패시터 구조를 전기적으로 분리할 필요가 있다. 강유전체를 사용하는 경우와 비교할 때 이것의 가장 큰 단점은 압전층당 최소 2개의 추가 층, 즉 절연체와 추가 전극이 필요하다는 것이다. 이들의 증착 및 구조화는 상당히 더 많은 제조 노력을 의미한다. 대응하는 절연층이 누락되거나 또는 절연층 전체에 단락이 발생하면 컴포넌트는 완전히 고장날 수 있다. 원칙적으로, 이 접근 방식은 또한 양쪽에 능동적으로 코팅된 수동층 또는 수동층이 없는 층 시스템을 제조하는 데 사용될 수 있다.
바이모프(bimorph)를 사용하면 추가 전기적 절연 없이 비-강유전성 이중층을 사용할 수 있다. 효율적인 구동을 위한 전제 조건은 2개의 압전층이 액추에이터의 중립면의 양쪽에 각각 위치하는 것이다. 층은 전극 층을 공유하거나 또는 중간 수동층에 의해 공간적으로 분리될 수 있다. 압전층의 개수는 n=2로 제한된다.
AlN과 같은 비-강유전성 초전기체의 분극은 재료의 제조 중에 영구적으로 정해진다. 최적의 압전 동작은 전기적 분극이 기판에 완전히 수직으로 정렬될 때 달성된다. 서로 역평행 분극을 가진 층이 교대로 제조되어 사용될 수 있다면 다층의 개별 커패시터 유닛 사이에 절연층에 대한 필요성은 제거된다. 이러한 목적에 필요한 분극의 비가역적 조정은 적절한 중간층 또는 시작층을 제공함으로써 달성될 수 있다[8]. 또한, 예를 들어 산소 또는 규소[9, 10]로 도핑하여 분극 방향을 또한 조정할 수 있다. 그러나, 이러한 접근 방식은 아직 적용할 준비가 되어 있지 않다. 또한, 최적의 기능을 위해서는 완전한 분극 반전이 달성되어야 하는데, 이는 추후에 조정될 수 없기 때문이다. 이로 인한 복잡성과 다층 시스템을 위한 추가 공정 개발의 필요성은 이 접근 방식의 주요 단점으로 보일 것이다. 그러나, PZT와 달리, 분극의 공간적 방향은 높은 전기장 강도에서도 일정하게 유지된다.
이를 고려하면, CMOS 호환성 및 전압과 결과적인 힘 사이의 선형성을 가능하게 하면서도, 더 큰 힘, 필요한 절연층과 전극층의 개수의 최소화 및 다층의 압전층을 증착하는 데 필요한 공정의 감소 사이의 개선된 절충을 제공하는 개념이 필요하다.
이하에서 강유전성 층은 또한 압전층이라고도 지칭될 것이다. 그러나, 실시예에 따른 층이 반드시 모두 강유전성일 필요는 없고, 예를 들어 압전층의 일부(예를 들어, 격층)가 강유전성 재료를 포함하고 다른 층은 모두 압전성 재료만을 포함하는 것으로 충분하다. 예를 들어, 일부 층은 편차가 있는 TM 비율 또는 편차가 있는 기계적 응력을 가지므로 강유전성이 아닌 것으로 생각할 수 있다.
일 실시예는 AlN 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물을 포함하는 혼합 결정을 포함하는 강유전성 재료에 관한 것이다. 전이 금속의 질화물의 비율은 전환 전압(switchover voltage)을 인가하여 강유전성 재료의 초기 극성 또는 자연적 극성의 방향이 전환될 때까지, 그리고 전환 전압이 강유전성 재료의 항복 전압 미만이 될 때까지 증가되어야 한다.
혼합 결정을 포함하는 강유전성 재료의 이 실시예는 강유전성 재료의 혼합 결정에서 전이 금속의 질화물의 비율이 증가하면 전환 전압을 인가함으로써 강유전성 재료의 초기 또는 자연적 극성이 전환되고, 따라서 강유전성 재료의 초기 또는 자연적 극성의 방향은 제조 공정에 의해 결정되지 않고 추후에 변경될 수 있다는 발견에 기초한다. 예를 들어, 혼합 결정은 초기에 초기 또는 자연적 극성을 갖는데, 전환 전압을 인가함으로써 이 극성의 방향이 변경될 수 있다. 예를 들어, 극성의 방향은 180° 회전되거나, 또는 초기 극성의 방향이 전환 전압에 의해 유발된 전기장과 평행하게 정렬될 수 있다.
강유전성 재료가 다층 시스템에 사용되는 경우, 예를 들어 분극 방향의 현장 조작이 필요하지 않기 때문에 다층의 강유전성 층이 단일 공정으로 증착될 수 있다. 대신, 모든 강유전성 층은 초기에 동일한 분극으로 증착될 수 있고, 개별적으로 선택된 강유전성 층의 각각의 분극은 전환 전압을 인가함으로써 추후에 전환될 수 있다. 제조 공정 이후 전환 전압을 인가함으로써 강유전체 재료의 극성을 전환할 수 있는 가능성은 강유전체 재료의 다층 시스템에 필요한 절연층 및 전극층의 개수를 최소화하는데, 이는 예를 들어 강유전성 재료의 2개 층은 이들에 의해 공유되면서 이들 사이에 위치하는 하나의 전극 층만 가지면 되도록, 전환 전압의 도움으로 강유전성 재료의 개별 층의 분극이 조정될 수 있기 때문이다.
따라서, 강유전성 재료가 다층 시스템에서 사용될 때 다층의 강유전성 층이 단일 공정으로 증착될 수 있고 개별 강유전성 층의 극성을 전환함으로써 절연층 및 전극층의 필요한 개수가 최소화될 수 있다고 할 수 있다.
일 실시예에서, 강유전성 재료는 기계적 스트레스를 보인다. 기계적 응력은, 예를 들어 제조 중에 사용되는 가스의 조성에 의해 또는 제조 중에 전압을 인가함으로써 조정될 수 있다. 기계적 응력은 압축 응력의 제 1 값과 인장 응력의 제 2 값 사이에 있으며, 제 1 값의 절대값은 제 2 값의 절대값보다 낮다. 이는, 예를 들어 강유전성 재료를 포함하는 강유전성 층 내의 기계적 응력이 더 큰 인장 응력 또는 더 작은 압축 응력의 쪽으로 조정되어 전환 전압이 강유전성 재료의 항복 전압보다 낮음을 의미한다. TM 비율(전이 금속의 비율)과 기계적 응력은 긴 거리에 걸쳐 서로 독립적으로 조정될 수 있지만 둘 다 전환 전압의 크기에 영향을 미친다. TM 비율과 기계적 응력 사이의 상호 작용으로 인해, 예를 들어 강유전성 재료를 포함하는 강유전성 층의 인장 응력이 증가하는 경우 전이 금속의 질화물의 필요한 비율이 감소하고, 압축 응력이 증가하는 경우, 예를 들어 전이 금속의 질화물의 필요한 비율이 증가할 수 있다. .
일 실시예에서, 기계적 응력은 -600MPa(압축 응력의 제 1 값)에서 2000MPa(인장 응력의 제 2 값)까지의 범위 내에 있는데, 음의 값은 압축 응력을 의미하고 양의 값은 인장 응력을 의미한다. 기계적 응력이 -550MPa 내지 1500MPa, -500MPa 내지 1000MPa 또는 -450MPa 내지 900MPa의 범위와 같이 -600MPa 내지 2000MPa의 범위에 있고, TM 비율(전이 금속의 비율)이 특정 한도를 넘으면, 예를 들어 전환 전압이 항복 전압보다 낮으므로 전환 전압이 인가될 때 강유전성 재료가 손상되지 않도록 할 수 있다. 예를 들어, -600MPa 내지 2000MPa의 범위는 전환 전압이 인가될 때 강유전체 재료의 극성의 방향이 전환되도록 압축 응력과 인장 응력의 비율이 최적화되는 범위를 포함한다.
일 실시예에서, 강유전성 재료의 극성 방향은 인가되는 전환 전압이 제거된 후에도 오랜 기간 동안 유지된다. 이것은, 예를 들어 강유전성 재료의 극성 방향이 변경된 후에도 분극의 방향이 오랫동안 일정하게 유지된다는 것을 의미한다. 그러나, 전환 전압을 인가하기 이전의 강유전체 재료의 원래 분극의 방향을 원하는 경우에는, 이전의 전환 전압의 전기장과 반대의 전기장을 갖는 전환 전압이 강유전성 재료에 다시 한 번 인가되어야 한다. 강유전성 재료의 극성의 방향은 강유전성 재료를 통과하고 전환 전압으로 인해 발생하는 전기장을 따라 스스로 정렬한다.
일 실시예에서, 전이 금속의 질화물의 선택된 비율은 혼합 결정이 강유전성이 되도록 한다. 혼합 결정의 강유전성 특성으로 인해, 혼합 결정의 극성은 무엇보다도, 예를 들어 전환 전압을 인가함으로써 전기적으로 전환될 수 있다. 극성 전환이란, 예를 들어, 전환 전압이 인가되기 이전에 혼합 결정의 극성이 혼합 결정 내에서 한 방향을 향하고, 전환 전압이 인가된 이후에 혼합 결정의 극성이 전환 전압이 인가되기 이전의 분극 방향과 반대 방향을 향하는 것을 의미한다. 따라서, 예를 들어 극성이 반전된다. 그러나, 강유전성 재료의 극성을 전환한다는 것은 또한, 예를 들어 혼합 결정의 쌍극자 모멘트의 많은 비율(예를 들어, 쌍극자의 90%와 같은 쌍극자의 50% 내지 100%, 쌍극자의 70% 내지 100% 또는 쌍극자의 80% 내지 100%)이 혼합 결정에 전환 전압을 인가함으로써 생성된 전기장 방향을 따라 배향되고, 혼합 결정에 전환 전압을 인가하기 이전에는 혼합 결정의 쌍극자 모멘트의 대부분이 추후에 인가되는 전환 전압의 필드 방향에 대해 반대 방향으로 배향되어 있었음을 의미한다.
일 실시예에서, 전이 금속 원자의 개수와 알루미늄 원자의 개수의 합에 대한 전이 금속 원자의 개수의 비율은 0.2 이상 0.5 이하의 범위 내에 있다. 예를 들어, 전이 금속 원자의 개수와 알루미늄 원자의 개수의 합에 대한 전이 금속 원자의 개수의 비율은, 예를 들어 0.36과 같이 0.25 내지 0.43 또는 0.30 내지 0.36의 범위 내에 있을 수 있다. 비율은, 예를 들어 전이 금속에 따라 다르다. 그러나, 비율은 또한 강유전성 재료의 기계적 응력에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 인장 응력을 받는 강유전성 재료의 층에서는, 전이 금속의 질화물의 필요한 비율은 감소되고 압축 응력의 경우 이것은 증가될 것이다. 또한, 강유전성 재료는 500℃ 미만의 온도(예를 들어, 200℃, 240℃, 300℃, 360℃, 400℃ 또는 470℃와 같은 0℃ 내지 500℃ 사이의 온도)에서 무엇보다도 무연 방식으로 증착될 수 있고, 이는 CMOS 호환 가능하도록 한다.
일 실시예에서, 전이 금속은 스칸듐, 이트륨, 티타늄, 크롬, 니오븀 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 이러한 특정 전이 금속의 도움으로, 예를 들어 혼합 결정에 전환 전압을 인가함으로써 강유전성 재료의 극성을 전환할 수 있다.
일 실시예는 초기 또는 자연적 극성을 보이는 혼합 결정을 제공하는 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다. 혼합 결정은 AlN 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물을 포함한다. 전이 금속의 질화물의 비율은, 예를 들어 전환 전압을 인가함으로써 강유전성 재료의 초기 또는 자연적 극성의 방향이 전환될 수 있도록 선택된다. 전환 전압은, 예를 들어 강유전성 재료의 항복 전압보다 낮다. 방법은 혼합 결정의 초기 또는 자연적 극성의 방향이 반전되도록 혼합 결정에 전환 전압을 인가하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예는 강유전성 재료를 포함하는 MEMS 컴포넌트에 관한 것이다. 예를 들어, 실시예 중 하나에 따르면 강유전성 재료를 사용함으로써 강유전성 재료의 특성, 즉 전환 전압을 인가함으로써 극성을 전환할 수 있는 특성이 활용될 수 있는 다양한 MEMS 컴포넌트가 제조될 수 있다. 또한, 예를 들어 여러 층의 강유전성 재료로 구성된 MEMS 컴포넌트의 제조는, 모든 층이 동일한 공정을 사용하여 제조될 수 있고 추후에 개별 층의 극성이 전환될 수 있기 때문에 또는 전환 전압을 인가함으로써 여러 층의 극성을 동시에 또는 연속적으로 전환할 수 있기 때문에 강유전성 재료에 의해 단순화된다.
일 실시예에서, MEMS 컴포넌트는 강유전성 재료를 포함하는 제 1 강유전성 층, 제 1 강유전성 층의 제 1 표면 상에 배치된 제 1 전극, 및 제 1 강유전성 층의 제 2 표면 상에 배치된 제 2 전극을 포함한다. 예를 들어, 제 2 표면은 제 1 표면의 반대 쪽이다. 이것은 강유전체 재료로 제조된 다층 시스템의 예이다. 전환 전압은 제 1 전극 및 제 2 전극을 통해 제 1 강유전성 층에 인가될 수 있다. 전환 전압을 인가함으로써 제 1 강유전성 층의 극성이 전환될 수 있다. 이 MEMS 컴포넌트가 전환 전압보다 낮은 전압에서 동작하는 경우 제 1 강유전성 층의 극성 방향이 변경되지 않을 것이다. MEMS 컴포넌트가 전환 전압보다 낮은 전압에서 동작하는 경우, 이것은, 예를 들어 액추에이터의 기능을 가질 수 있고, 예를 들어 제 1 전극 또는 제 2 전극에 전압을 인가함으로써 공급된 전류를 기계적인 움직임으로 변환할 수 있고, 예를 들어, 공간에서 한 방향에서의 팽창 정도를 줄이거나 또는 늘릴 수 있다.
일 실시예에서, MEMS 컴포넌트는 제 1 전극 상에서 제 1 강유전성 층의 반대 쪽에 배치된 제 2 강유전성 층 및 제 2 강유전성 층의 제 1 표면 상에 배치된 제 3 전극을 갖는다. 제 2 강유전성 층의 제 1 표면은 제 1 전극으로부터 멀리 향하도록 배열된다. 즉, 제 2 전극 및 제 3 전극은 대향하는 쪽에 제 1 강유전성 층, 제 1 전극 및 제 2 강유전성 층으로 구성된 블록을 표시하되, 제 1 전극은 제 1 강유전성 층과 제 2 강유전성 층 사이에 배치되어 제 2 강유전성 층은 제 1 전극을 제 3 전극으로부터 분리하고, 제 1 강유전성 층은 제 1 전극을 제 2 전극으로부터 분리시킨다. 제 1 강유전성 층 및 제 2 강유전성 층은 여기에 기재된 것과 같이 강유전성 재료를 포함한다. 다층 MEMS 컴포넌트를 위한 제 1 강유전성 층 및 제 2 강유전성 층의 증착은 단일 공정으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극은 먼저 전도성 재료의 입방체의 형태로 제조될 수 있고, 이후 제 1 강유전성 층은 제 1 강유전성 층의 극성이 제 2 전극의 표면에 수직이 되도록 제 2 전극의 표면에 증착될 수 있다. 예를 들어, 제 1 강유전성 층의 극성은 제 2 전극과 제 1 강유전성 층 사이에 위치하거나 또는 이 표면으로부터 멀리 떨어진 제 2 전극의 표면을 향할 수 있다. 예를 들어, 제 1 강유전성 층은 입방체의 형상일 수 있다. 제 1 강유전성 층의 표면 상에서 제 2 전극의 반대 쪽에, 예를 들어 제 1 전극은 전기 전도성 재료의 입방체 형태로 도포될 수 있고, 제 1 전극의 표면 상에서 제 1 강유전성 층과 접촉하는 표면의 반대 쪽에, 예를 들어 제 2 강유전성 층을 나타내는 강유전체 재료의 입방체가 도포될 수 있다. 이 제 2 강유전성 층의 극성은 제 1 전극과 제 2 강유전성 층 사이의 표면에 수직이어야 한다. 제 2 강유전성 층은 제 1 강유전성 층과 동일한 공정에 의해 또는 동일한 공정에서 증착될 수 있기 때문에, 예를 들어 제 2 강유전성 층은 제 1 강유전성 층과 동일한 극성을 가질 것이다. 제 2 강유전성 층의 표면 상에서 제 1 전극 반대 쪽에 제 3 전극이 증착된다. 제 1 전극, 제 2 전극 및/또는 제 3 전극에 의해, 예를 들어, 제 1 강유전성 층 및/또는 제 2 강유전성 층에 전압이 인가될 수 있다. 이것은, 예를 들어 제 1 전극 및 제 3 전극에 전환 전압을 인가함으로써 제 2 강유전성 층의 극성이 전환될 수 있다는 이점을 갖는다. 제 2 강유전성 층의 극성을 전환함으로써, 제 2 강유전성 층의 극성은 제 1 강유전성 층의 극성과 반대 방향을 향한다. 이 경우, 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 전환 전압보다 낮은 전압이 인가되면, 두 강유전성 층이 동시에 수축하거나 팽창할 수 있다. 제 1 강유전성 층과 제 2 강유전성 층의 극성이 반대이기 때문에 MEMS 컴포넌트가 휘어질 수 있는 힘이, 예를 들어 증가한다. 또한, 추가 전극이 필요하고 2개의 전극이 절연층으로 분리되어야 하는, 순수 압전 재료를 사용하는 다층 시스템의 공지된 실시예와는 달리, 제 1 강유전성 층과 제 2 강유전성 층 사이에 하나의 전극(예를 들어, 제 1 전극)만이 필요하다. 따라서, 이 MEMS 컴포넌트를 사용하면 절연층과 전극의 개수를 최소로 줄일 수 있다.
일 실시예에서, MEMS 컴포넌트의 제 1 전극은 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 갖는다. 제 1 전극층 및 제 2 전극층은 그 사이에 배치되고 그 안에 위치하는 중립면을 갖는 절연층을 갖는다. 이 MEMS 컴포넌트에서는 제 1 강유전성 층과 제 2 강유전성 층이 하나의 공정으로 증착될 수 있고, 다층 시스템으로 인해 MEMS 컴포넌트의 힘이 증가한다. 절연층을 도입함으로써, 제 1 강유전성 층은 제 2 강유전성 층과 독립적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 제 1 강유전성 층은 제 2 전극과 제 2 전극층에 전압을 인가함으로써 제어될 수 있고, 제 2 강유전성 층은 제 3 전극과 제 1 전극층에 전압을 인가함으로써 제어될 수 있다. 또한, 추가 층(절연층)은, 예를 들어 제조 중에 캐리어 재료로 사용될 수 있다.
일 실시예에서, MEMS 컴포넌트의 제 1 전극은 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 갖는다. 제 1 전극층 및 제 2 전극층은 그 사이에 배치되고 그 안에 위치하는 중립면을 갖는 수동층을 갖는다. 수동층으로 인해, 예를 들어 중립면의 한 쪽에 있는 제 2 강유전성 층은 MEMS 컴포넌트에 대해 중립면의 다른 쪽에 있는 제 1 강유전성 층과는 다른 힘 효과를 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어, MEMS 컴포넌트의 휨(bending) 및 이에 따른 MEMS 컴포넌트의 휨력(bending force)이 향상될 수 있다.
일 실시예에서, MEMS 컴포넌트는 제 3 전극 상에서 제 2 강유전성 층의 반대 쪽에 배치된 제 3 강유전성 층, 제 3 전극으로부터 멀리 향하도록 배치된 제 3 강유전성 층의 제 1 표면 상에 배치된 제 4 전극, 제 2 전극 상에서 제 1 강유전성 층의 반대 쪽에 배치된 제 4 강유전성 층 및 제 4 강유전성 층의 제 1 표면 상에 배치된 제 5 전극을 포함한다. 제 4 강유전성 층의 제 1 표면은 제 2 전극으로부터 멀리 향하도록 배열된다. 이 MEMS 컴포넌트는 4개의 강유전성 층을 포함한다. MEMS 컴포넌트가 더 많은 층을 포함할수록 MEMS 컴포넌트의 힘은 증가할 것이다. 여기에 구체적으로 설명된 강유전성 재료를 사용함으로써, 개별 강유전성 층의 극성은 전환 전압을 인가함으로써 전환될 수 있으므로 개별 강유전성 층의 힘이 상호 작용하여 MEMS 컴포넌트의 전체 힘이 매우 커질 것이다. 또한, 이 다층 시스템에는 추가 절연층이 필요하지 않다. 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극은 각각 2개의 강유전성 층에 의해 사용될 수 있다. 개별 강유전성 층의 극성은 MEMS 컴포넌트가 제조된 이후에도 변경될 수 있기 때문에, 다층의 강유전성 층은 단일 공정에 의해 또는 단일 공정으로 증착될 수 있다.
일 실시예에서, 수동층은 MEMS 컴포넌트의 제 2 전극에 배열된다. 이 다층 시스템을 사용함으로써, 개별 강유전성 층의 개별적인 힘의 결합된 힘이 수동층에서 결합될 수 있다. 이로 인해 수동층이 편향될 수 있다.
일 실시예에서, MEMS 컴포넌트의 수동층은 적어도 한 쪽에서 기판에 연결된다. 따라서, 예를 들어 수동층은 한 쪽에서는 단단히 고정되고 반대 쪽에서는 자유롭게 움직일 수 있다. 이 설계는, MEMS 컴포넌트의 편향이 이제는 수동층의 자유롭게 움직일 수 있는 쪽에서만 발생하고 따라서 MEMS 컴포넌트가 양쪽에서 편향되는 경우에 비해 더 뚜렷한 편향이 달성될 수 있으므로, MEMS 컴포넌트의 효과를 더욱 증가시킨다. 또한, (MEMS 컴포넌트를 기판에 연결하는) 고정은, 예를 들어 컴포넌트를 공간적으로 고정시킨다.
일 실시예에서, MEMS 컴포넌트는 다층 MEMS 액추에이터, 다층 MEMS 센서 또는 다층 MEMS 발전기를 포함한다. 다층 MEMS 액추에이터, 다층 MEMS 센서 또는 다층 MEMS 발전기에서 강유전성 재료를 사용함으로써 강유전성 층이 단일 공정으로 또는 단일 공정에 의해 증착될 수 있고 개별 강유전성 층의 원하는 극성이 추후에 조정될 수 있으므로, 이들이 비용 효과적이고 효율적으로 제조될 수 있다. MEMS 컴포넌트가 다층 MEMS 액추에이터, 다층 MEMS 센서 또는 다층 MEMS 발전기를 포함하는 경우, MEMS 컴포넌트는 또한, 예를 들어 적어도 하나의 서스펜션, 기판에 대한 적어도 하나의 연결부, 멤브레인에 대한 적어도 하나의 연결부 등 및/또는 이들의 조합과 같은 다른 구조적 설계 및 연결 기술(패키징 기술)을 가질 수 있다.
일 실시예에서, MEMS 장치는 기판 및 제 1 MEMS 컴포넌트를 갖는다. MEMS 컴포넌트의 수동층은 기판 상에 편향 가능하게 배열된다. 이것은 수동층이, 예를 들어 한 쪽에서 단단히 고정되고 반대 쪽에서 자유롭게 움직일 수 있음을 의미한다. 이 설계는, MEMS 컴포넌트의 편향이 이제 수동층의 자유롭게 움직일 수 있는 쪽에서만 일어나고 따라서 MEMS 컴포넌트가 양쪽에서 편향되는 경우에 비해 이쪽에서 더 높은 편향이 달성될 수 있으므로, MEMS 컴포넌트의 효과를 더욱 증가시킨다.
일 실시예에서, MEMS 장치는 제 2 MEMS 컴포넌트를 포함한다. 제 1 및 제 2 수동층은 공유체(community)를 형성하고, 제 1 MEMS 컴포넌트 및 제 2 MEMS 컴포넌트의 전극 및 강유전성 층은 평행하게 배열된다. 이 MEMS 장치에 의해, 이 MEMS 장치에서 서로 평행하게 배열된 제 1 MEMS 컴포넌트와 제 2 MEMS 컴포넌트는 협력하여 공통 수동층에 더 큰 휨력을 인가하여 MEMS 장치의 편향 가능한 쪽이 강한 편향을 겪게 되므로, 제 1 MEMS 컴포넌트와 제 2 MEMS 컴포넌트의 공통 수동층의 편향이 더 뚜렷해진다. 또한, 이러한 설정은, 예를 들어 전압을 인가함으로써 제 1 MEMS 컴포넌트가, 역시 전압이 인가된 제 2 MEMS 컴포넌트에 대해 역위상(antiphase)으로 여기될 때 공통 수동층의 비틀림을 유발할 수 있다.
추가 실시예는 MEMS 컴포넌트를 제조하는 공정을 제공한다. 방법은 제 1 전극, 제 1 강유전성 층, 제 2 전극, 제 2 압전층 및 제 3 전극을 이 순서로 적층하는 것을 포함한다. 제 1 강유전성 층 및 제 2 압전층은 동일한 분극 방향을 갖고, 제 1 강유전성 층은 AlN과 적어도 하나의 전이 금속의 질화물을 포함하는 혼합 결정을 포함하는 강유전성 재료를 포함한다. 전이 금속의 질화물의 비율은 전환 전압을 인가함으로써 강유전성 재료의 극성을 전환할 수 있도록 선택된다. 전환 전압은 강유전성 재료의 항복 전압보다 낮다. 방법은 전환 전압을 제 1 전극 및 제 2 전극에 인가하는 단계를 더 포함한다. 이에 의해, 제 1 강유전성 층의 분극 방향이 역전(예를 들어, 제 2 압전층의 분극 방향과 반대)된다.
다른 실시예는 제 1 전극, 제 1 강유전성 층, 제 2 전극, 제 2 압전층 및 제 3 전극이 기판 상에 적층된 MEMS 컴포넌트의 제조 방법을 제공하고, 방법은 제 1 전극, 제 1 강유전성 층, 제 2 전극, 제 2 압전층 및 제 3 전극을 적층하기 이전 또는 이후에 CMOS 공정을 사용하여 기판에 집적 회로의 하나 이상의 회로 컴포넌트를 집적하는 단계를 더 포함한다.
이들 방법은 전술된 강유전성 재료, MEMS 컴포넌트 및 MEMS 장치에 대한 것과 동일한 고려 사항을 기초로 한다.
부수적으로, 방법은 발명적인 강유전성 재료, MEMS 컴포넌트 및 MEMS 장치와 관련하여 여기에 설명된 모든 특징 및 기능에 의해 더 보충될 수 있다.
본 발명의 실시예를 도면을 기초로 하여 이하에서 상세하게 설명하기 전에, 동일하거나, 기능적으로 동일하거나, 작용이 유사한 요소, 대상 및/또는 구조에는 다른 도면에서 동일한 참조 번호가 부여되어 다른 실시예에서 미리 제시된 상기 요소의 설명은 교환 가능하고 및/또는 서로 적용할 수 있다는 것에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전성 재료의 개략도를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라 전환 전압이 인가된 강유전성 재료의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 컴포넌트의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 강유전성 층을 포함하는 MEMS 컴포넌트의 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 전극이 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 포함하는 MEMS 컴포넌트의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 4개의 강유전성 층을 포함하는 MEMS 컴포넌트의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 기판을 포함하는 MEMS 컴포넌트의 개략도를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 임의의 개수의 강유전성 층 및 기판을 포함하는 MEMS 컴포넌트의 개략도를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 임의의 개수의 강유전성 층, 기판 및 전극의 전기적 접촉을 포함하는 MEMS 컴포넌트의 개략도를 도시한다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따라 임의의 개수의 강유전성 층을 포함하는 MEMS 컴포넌트의 개략도를 도시한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 장치의 개략도를 도시한다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 MEMS 컴포넌트를 포함하는 MEMS 장치의 개략도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 MEMS 컴포넌트를 제조하는 방법의 블록도를 도시한다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따라 CMOS 공정을 사용하여 집적 회로를 갖는 기판에 연결된 MEMS 컴포넌트를 제조하는 방법의 블록도를 도시한다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라 CMOS 공정을 사용하여 집적 회로를 갖는 기판에 연결된 MEMS 컴포넌트를 제조하는 방법의 블록도를 도시한다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따라 강유전성 재료의 전기적 분극에 대해 도시한다.
도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 강유전성 층의 기계적 응력에 대한 측정된 항전기장의 평균량을 도시한다.
도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따라 AlScN 층의 Sc 함량에 대한 측정된 항전기장의 평균량을 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극 표면을 갖는 강유전성 층의 강유전력을 도시한다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따라 음의 극성을 갖는 강유전성 재료의 우르자이트(wurtzite)의 단위 셀의 개략도를 도시한다.
도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따라 극성이 없는 강유전성 재료의 육각형 구조의 단위 셀의 개략도를 도시한다.
도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따라 양의 극성을 갖는 강유전성 재료의 우루자이트의 단위 셀의 개략도를 도시한다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전성 액추에이터의 개략도를 도시한다.
도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따라 양의 외부 전기장이 인가된 강유전성 액추에이터의 개략도를 도시한다.
도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따라 음의 외부 전기장이 인가된 강유전성 액추에이터의 개략도를 도시한다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따라 편향이 없는 강유전성 이중층 액추에이터의 개략도를 도시한다.
도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따라 편향된 강유전성 이중층 액추에이터의 개략도를 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 고전적인 강유전체를 사용하여 제조된 다층 액추에이터의 개략도를 도시한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 비-강유전성 초전기체를 사용할 때의 다층 액추에이터의 개략도를 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 강유전성 바이모프의 층 시퀀스의 개략도를 도시한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합 결정(110)을 포함하는 강유전성 재료(100)의 개략도를 도시한다. 혼합 결정(110)은 AlN(120) 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물(TMN)(130)을 포함한다. AlN(120)은 전이 금속의 질화물(TMN)(130)과 함께 화합물(AlTMN)을 형성한다. 도 1a는 개략적인 스케치일 뿐이고, 도 1a에서 AlN(120)과 전이 금속의 질화물(TMN)(130)이 공간적으로 분리되어 있는 것으로 도시되어 있더라도 실제로는 그렇지 않다. 혼합 결정(110)에서는, 예를 들어 화합물(AlTMN)이 균일하게 분포되어 있다. 전이 금속의 질화물(TMN)(130)의 비율이 조정될 수 있다. 전이 금속의 질화물(TMN)(130)의 전이 금속 원자의 개수와 AlN(120)의 알루미늄 원자의 개수의 합에 대한 전이 금속의 질화물(TMN)(130)의 전이 금속 원자(TM)의 개수의 비율은, 예를 들어 0.36과 같이, 0.2 이상 0.5 이하의 범위에 있고, 또한 비율은 0.25 이상 0.43 이하의 범위, 0.30 이상 0.38 이하의 범위 또는 0.32 이상 0.36 이하의 범위에 있을 수 있다. 따라서, AlN(120)과 전이 금속의 질화물(TMN)(130) 사이의 화학적 결합은 Al1 - xTMxN으로 표현될 수 있는데, 여기서 x는 전이 금속의 질화물(TMN)(130)의 전이 금속 원자의 개수와 AlN(120)의 알루미늄 원자의 개수의 합에 대한 전이 금속의 질화물(TMN)(130)의 전이 금속 원자(TM)의 개수의 비율이다. 예를 들어, 전이 금속의 질화물(TMN)(130)의 비율을 증가시키면 혼합 결정(110)은 강유전성이 된다. 전이 금속의 질화물(TMN)(130)의 전이 금속(TM)은, 예를 들어 스칸듐(SC), 이트륨(Y), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 크롬(Cr)일 수 있다. 혼합 결정(110)은 극성(140)을 갖는다.
강유전성 재료(100)의 경우, 예를 들어 고유한 기계적 응력이 조정될 수 있다. 또한, 혼합 결정(110)의 유전 손실은 PZT와 같은 고전적인 강유전체에서보다 낮다.
예로서 Al1-xScxN을 사용하면, 강유전성 재료는 400℃의 낮은 증착 온도에서 제조될 수 있으므로, 순수 AlN과 마찬가지로 CMOS 호환 가능하다. 순수 AlN(> 400V/μm)의 높은 전기적 강도는 Al1-xScxN에서 또한 유지된다. 일반적으로 1% 미만의 낮은 유전 손실[12]과 강유전성 재료의 고유한 기계적 응력을 조정할 가능성도 유지된다[11]. 강유전성 재료는 CMOS 호환 가능하다.
도 1b는 도 1a의 강유전성 재료(100)에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 강유전성 재료(100)를 도시한다. 강유전성 재료(100)는 혼합 결정(110)을 포함한다. 혼합 결정(110)은 AlN(120) 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물(130)을 포함한다. 전환 전압(150)이 강유전성 재료(100)에 인가되어 극성(142)을 설정한다. 이는, 예를 들어 전환 전압(150)을 인가함으로써, 원래의 극성(140)(도 1a 참조)이 전환되어 새로운 극성(142)이 이전 극성(140)과 반대가 될 수 있음을 의미한다. 이를 위해, 전환 전압(150)은 강유전성 재료(100)의 항복 전압 미만이어야 한다. 강유전성 재료(100)에 전환 전압(140)보다 낮은 전압이 인가되면, 극성(140)의 방향은 변하지 않을 것이다.
현재 지식 상태에 따르면, AlN(120) 기반의 강유전성 재료의 존재는 아직까지 실험적으로 입증된 적이 없다. AlScN[13, 14], AlYN[15, 16] 또는 AlTiN[17, 18]과 같은 AlN(120)과 전이 금속의 질화물(130)의 혼합 결정(110)에 대한 실험적인 과학적 발표 및 특허는 전이 금속 비율의 함수로서 압전 계수 및 탄성과 같은 재료 특성에만 관련된다. 강유전성에 대한 증거에 대해서는 아무도 발표하지 않았다. 강유전성 재료(100)는 이제, 전이 금속의 질화물(130)의 비율을 증가시키고 더 작은 압축 응력 또는 더 큰 인장 응력을 갖도록 기계적 응력을 조정함으로써 강유전성 재료(100)의 극성(140)이 전환 전압(140)의 인가에 의해 전환될 수 있는 것으로 변경되었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 강유전성 재료를 포함하는 제 1 강유전성 층(210)을 포함하는 MEMS 컴포넌트(200)를 도시한다. 또한, MEMS 컴포넌트는 제 1 강유전성 층(210)의 제 1 표면(220) 상에 배치된 제 1 전극(230) 및 제 1 강유전성 층(210)의 제 2 표면(221) 상에 배치된 제 2 전극(232)을 포함한다. 제 2 표면(221)은 제 1 표면(220)의 반대 쪽이다. 예를 들어, 제 1 전극(230) 및 제 2 전극(232)은 전기 전도성 재료로 제작된다. 전압이 제 1 전극(230) 및 제 2 전극(232)을 통해 강유전성 층(210)에 인가될 수 있다. 인가된 전압이 전환 전압보다 낮은 경우 강유전성 층(210)의 극성 방향은 변하지 않을 것이다. 그러나, 전압이 필요한 전환 전압만큼 높은 경우, 강유전성 층(210)의 극성이 전환될 수 있다. 이 MEMS 컴포넌트가 전환 전압보다 낮은 전압에서 동작되면, 예를 들어 강유전성 층(210)의 3개의 공간 방향 중 하나로의 팽창이 변경될 것이다. 이 MEMS 컴포넌트를 사용하여 공급된 전압을 기계적 움직임으로 변환하는 것은 여러 가지 방법으로 사용될 수 있다. 그러나, 역변환이 감지될 수도 있다. 예를 들어, 강유전성 층(210)의 적어도 하나의 공간 방향으로의 팽창이 변경될 수 있고, 그 결과 발생하는 전기적 신호는 제 1 전극(230)과 제 2 전극(232)을 통해 측정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 강유전성 층(210), 제 2 강유전성 층(212), 제 1 강유전성 층(210)과 제 2 강유전성 층(212) 사이에 위치한 제 1 전극(230), 제 1 강유전성 층(210)의 제 2 표면(221)에 부착된 제 2 전극(232) 및 제 2 강유전성 층(212)의 제 1 표면(222)에 부착된 제 3 전극(234)을 포함하는 MEMS 컴포넌트(200)를 도시한다. 제 1 전극(230)은 제 1 강유전성 층(210)의 제 1 표면(220) 상에 배치된다. 제 1 강유전성 층(210)의 제 2 표면(221)은 제 1 강유전성 층(210)의 제 1 표면(220)에 대해 반대이다. 제 1 전극(230) 상에서 제 1 강유전성 층(210)의 반대 쪽에 배치된 제 2 강유전성 층(212)은 강유전성 재료를 포함한다. 제 3 전극(234)은 제 2 강유전성 층(212)의 표면(222) 상에 배치된다. 제 2 강유전성 층(212)의 제 1 표면(222)은 제 1 전극(230)으로부터 멀리 향하도록 배열된다. 제 1 강유전성 층(210)은 또한 강유전성 재료를 포함한다.
발명적인 강유전성 혼합 결정(강유전성 재료)에 기초하여, 가능한 한 단순한 (MEMS 컴포넌트(200)와 같은) 다층 액추에이터는 고전적인 강유전체의 특정 단점을 수용하지 않고도 구현될 수 있다. 유사하게, 고유한 전하 증폭에 대한 가능한 가장 간단한 개념은 이러한 단점 없이 구현될 수 있다. 이들은 또한 MEMS 컴포넌트(200)로 구현될 수 있다. 재료 및 그 집적, 이에 따른 MEMS 컴포넌트는 강유전성 재료가 500℃ 미만의 온도에서 증착될 수 있으므로 CMOS 호환 가능하다. 다층의 강유전성 층은 분극 방향을 현장에서 조작할 필요가 없기 때문에 단일 공정으로 증착될 수 있지만, 제조 이후에도 전환 전압을 인가함으로써 개별 층의 분극이 변경될 수 있다. 따라서, 증착 공정 중에 특정 분극 방향을 설정하는 추가 층이 필요하지 않다. 개별 강유전성 층(예를 들어, 제 1 강유전성 층(210) 및 제 2 강유전성 층(212))의 분극 반전이 가역적이고 제어 가능하기 때문에 필요한 절연층 및 전극층의 개수가 최소화된다.
AlN과 같은 강유전성 재료는 MEMS 공정 흐름에 쉽게 통합될 수 있지만(예를 들어, 공정 재설계가 필요하지 않을 수 있음), 적용 범위는 강유전성 재료의 강유전성 특성에 의해 크게 확장된다. 스피커, 초음파 변환기, 스위치 또는 미러와 같은 강유전성에 의해 동작하는 MEMS 컴포넌트는 특히 CMOS 구조와 집적되는 경우 종래 기술에 비해 향상된 성능을 가질 수 있다. 고유한 전하 증폭의 이점을 얻을 수 있는 마이크 또는 가속도계와 같은 센서 시스템과 마이크로발전기에도 동일하게 적용된다.
MEMS 컴포넌트(200)의 제조에 있어서, 예를 들어 제 1 강유전성 층(210)과 제 2 강유전성 층(212)은 동일한 극성을 갖는다. 예를 들어, 극성은 제 1 강유전성 층의 제 2 표면(221)에 수직이 되도록 배열되어야 한다. 제 1 강유전성 층(210)에 제 1 전극(230) 및 제 2 전극(232)으로 전환 전압이 인가되는 경우, 제 1 강유전성 층(210)의 극성이 전환될 것이다. 따라서, 제 1 강유전성 층(210)의 극성은 제 2 강유전성 층(212)의 극성과 반대 방향을 향한다. 예를 들어, MEMS 컴포넌트(200)가 동일한 전압(예를 들어, 제 2 전극(232) 및 제 3 전극(234)은 동일한 전압 레벨을 갖고, 제 1 전극(230)은 반대 부호의 동일한 전압 레벨을 가짐)에서 동작하는 경우, 전기장(제 1 강유전성 층(210)을 통과하는 제 1 전기장 및 제 2 강유전성 층(212)을 통과하는 제 2 전기장)은 반대 방향을 향한다. 각각의 강유전성 층(제 1 강유전성 층(210) 및 제 2 강유전성 층(212))에 인가되는 전기장의 극성과 방향이 각각 다른 강유전성 층에 대해 반대 방향이기 때문에, 두 강유전성 층은 전기 신호에 대해 동일한 힘 반응을 갖게 될 것이다. 예를 들어, 제 1 강유전성 층의 전기장의 극성 및 방향이 모두 동일한 제 1 방향을 향하고, 제 2 강유전성 층의 전기장의 극성 및 방향이 동일한 제 2 방향을 향하는데, 제 1 방향은 제 2 방향과 반대이다. 따라서, MEMS 컴포넌트(200)의 힘이 증가한다. 또한, 강유전성 재료로 제작된 강유전성 층(예를 들어, 제 1 강유전성 층(210) 및/또는 제 2 강유전성 층(212))에 높은 전환 전압이 주어지면, MEMS 컴포넌트(200)는 높은 바이폴라 전압, 즉 한 시점에서 양이고 다른 시점에서 음인 전압에서 동작될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제 1 강유전성 층(210), 제 2 강유전성 층(212), 제 1 전극(230), 제 2 전극(232) 및 제 3 전극(234)을 포함하는 MEMS 컴포넌트(200)를 도시한다. MEMS 컴포넌트(200)의 제 1 전극(230)은 제 1 전극층(231a) 및 제 2 전극층(231b)을 갖는다. 예를 들어, 제 1 전극층(231a)은 제 2 강유전성 층(212)과 접촉하고, 제 2 전극층(231b)은, 예를 들어 제 1 강유전성 층(210)과 접촉한다. 제 1 전극층(231a)은 중간층(231c)에 의해 제 2 전극층(231b)과 분리된다. 층(231c)은, 예를 들어 중앙에서 MEMS 컴포넌트(200)를 분할하는 그 내부에 위치한 중립면을 갖는다. 따라서, 중립면의 한 쪽에는 제 1 전극층(231a), 제 2 강유전성 층(212) 및 제 3 전극(234)이 있다. 중립면의 다른 쪽에는 제 2 전극층(231b), 제 1 강유전성 층(210) 및 제 2 전극(232)이 있다. 층(231c)은, 예를 들어 절연층 또는 수동층일 수 있다. 층(231c)은 제 1 강유전성 층(210)이 제 2 강유전성 층(212)과 독립적으로 사용될 수 있도록 한다. 층(231c)은 또한 전극 및 강유전성 층의 증착 동안 이들을 위한 캐리어 재료로서 기능할 수 있다.
도 5는 도 3의 MEMS 컴포넌트(200)와 같이 본 발명의 실시예에 따라 제 1 강유전성 층(210), 제 2 강유전성 층(212), 제 1 전극(230), 제 2 전극(232) 및 제 3 전극(234)을 포함하는 MEMS 컴포넌트(200)를 도시한다. 또한, 도 5의 MEMS 컴포넌트(200)는 제 3 전극(234) 상의 제 2 강유전성 층(212)의 반대 쪽에 배치된 제 3 강유전성 층(214), 제 3 강유전성 층(212)의 제 1 표면(223) 상에 배치된 제 4 전극(236), 제 2 전극(232) 상의 제 1 강유전성 층(210)의 반대 쪽에 배치된 제 4 강유전성 층(216) 및 제 4 강유전성 층(216)의 제 1 표면(224) 상에 배치된 제 5 전극(238)을 갖는다. 제 3 강유전성 층(214)의 제 1 표면(223)은 제 3 전극(234)으로부터 멀리 향하도록 배열된다. 제 4 강유전성 층(216)의 제 1 표면(224)은 제 2 전극(232)으로부터 멀리 향하도록 배열된다. MEMS 컴포넌트(200)는 4개의 강유전성 층(제 1 강유전성 층(210), 제 2 강유전성 층(212), 제 3 강유전성 층(214) 및 제 4 강유전성 층(216))을 갖고, 이로써 다층 MEMS 컴포넌트를 형성한다. MEMS 컴포넌트(200)가 더 많은 강유전성 층을 가질수록, MEMS 컴포넌트(200)의 힘 또는 고유한 전하 증폭이 더 커질 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 전극(2301 내지 230n), 강유전성 층(2101 내지 210n-1), 기판(240) 및 전원(250)을 포함하는 MEMS 컴포넌트(200)를 도시한다. 여기서 인덱스(n)는 2보다 크거나 같은 자연수이다(예를 들어, n = 1253과 같이 n≥10, n≥100 또는 n≥1000). 기판(240)은 제 1 전극(2301)에 배열된다. 전원(250)은 전극(2301 내지 230n)에 연결된다. 각각의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)은 극성(2601 내지 260n-1)을 갖는다. 전원(250)은 전극(2301 내지 230n)을 통해 강유전성 층(2101 내지 210n-1)에 연결되어, 전기장의 방향(개별 강유전성 층(2101 내지 210n-1)을 통과하고 각각의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)에 대해 다른 방향을 가질 수 있음)이 각각의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)의 각각의 분극(2601 내지 260n-1)과 평행하고 동일한 방향으로 배향되거나 또는 각각의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)의 각각의 분극(2601 내지 260n-1)과 평행하고 반대 방향으로 배향된다. 따라서, 각각의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)에서, 예를 들어 극성(2601 내지 260n-1)의 방향은 전원(250)에 의해 제공되는 전기장의 방향과 평행하거나, 또는 각각의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)에서 극성(2601 내지 260n-1)의 방향은 전원(250)에 의해 제공되는 전기장의 방향과 반대이다. 따라서, 모든 강유전성 층(2101 내지 210n-1)은 동일한 힘 효과를 갖고, 따라서 MEMS 컴포넌트(200)의 힘은 (예를 들어, n/8 층, n/4 층, 또는 심지어 n/2 층과 같이) 더 적은 층을 갖는 경우보다 더 강하다.
MEMS 컴포넌트(200)의 동작 동안, 전원(250)에 의해 제공되는 전압은 전환 전압보다 낮다. 따라서, MEMS 컴포넌트(200)의 동작 동안, 각각의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)의 극성(2601 내지 260n-1)의 방향은 변경되지 않는다. 하나 이상의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)의 극성(2601 내지 260n-1)이 전환되어야 하는 경우, 전원(250)은 전환 전압을 제공할 수 있다. 이를 위해, 사이에 끼워진 강유전성 층을 갖는 적어도 2개의 전극에 전환 전압이 공급되어야 한다. 예를 들어, 전환 전압이 전극(2301) 및 전극(2302)에 인가될 수 있고, 따라서 강유전성 층(2101)의 극성(2601)을 반전시켜 이전에 설정된 극성(2601)과 반대 방향을 향할 것이다. 그러므로, 적용 분야에 따라서 극성(2601 내지 260n-1)은 가역적으로 제어 가능하게 설정될 수 있다.
분극이 반전된 다층을 사용하여 센서 및 마이크로발전기 분야에서 전하 증폭을 구현할 수 있다. 강유전성 재료를 기반으로 가장 간단한 다층 액추에이터가 설계될 수 있다. 각각의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)에 사용되는 강유전성 재료는 높은 전기 항복 필드 강도를 갖고, 이에 따라 큰 힘이 발생될 수 있다.
다층의 강유전성 층은 분극 방향의 현장 조작이 필요하지 않기 때문에 단일 공정으로 증착될 수 있다. 증착 공정 중에 특정 분극 방향을 조정하는 추가 층 또는 추가적인 화학적 요소의 추가는 필요하지 않다. 필요한 절연층과 전극층의 개수가 최소화된다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 전극(230-j 내지 230n), 강유전성 층(2101-j 내지 210n-1), 기판(240) 및 전원(250)을 포함하는 MEMS 컴포넌트(200)를 도시한다. 인덱스(n 및 j)는 2이상의 임의의 자연수일 수 있다. 각각의 강유전성 층(2101-j 내지 210n-1)은 극성(2601-j 내지 260n-1)을 갖는다. 기판(240)은 중립면을 포함한다. 중립면은 MEMS 컴포넌트(200)를, 예를 들어 중앙에서 분할할 수 있는데, 이는 (예를 들어, n=j인 경우) 동일한 개수의 동일한 층이 중립면의 양쪽에서 발견될 수 있음을 의미한다. 본 실시예에서 기판(240)의 양쪽에서 동일한 개수의 강유전성 층(2101-j 내지 210n- 1)이 도시되어 있다고 해서, 이것이 MEMS 컴포넌트가 기능하는 데 꼭 필요한 조건임을 의미하는 것은 아니다. 또한, 기판(240)의 다른 쪽(반대 쪽)보다 기판(240)의 한 쪽에 더 많은 강유전성 층이 있을 수 있다(예를 들어, n>j 또는 n<j). 도 6의 MEMS 컴포넌트(200)는 극단적인 예로서, 기판(240)의 한 쪽에서는 강유전성 층이 존재하지 않지만 기판(240)의 다른 쪽에서는 임의의 개수의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)이 존재할 수도 있다.
도 7b의 MEMS 컴포넌트(200)는 도 7a의 MEMS 컴포넌트(200)와 동일한 구성을 갖되, 본 발명의 일 실시예에 따라 강유전성 층(2101-j 내지 210-1)의 극성(2601-j 내지 260-1)은 반대 방향을 향하고, 전원(250)은 전극(230-j 내지 230n)과 다른 방식으로 연결된다. 기판(240)은, 예를 들어 수동층 또는 절연층을 나타낼 수 있다. 도 7a에서는, 예를 들어 2개의 전극(230-1, 2301)이 전원(250)의 동일한 전압 레벨에 연결되기 때문에 기판(240)이 절연층인지 수동층인지는 중요하지 않다. 따라서, 기판(240)은 또한, 예를 들어 전기적으로 전도성 재료로 제조될 수 있다. 이와 달리, 도 7b에 도시된 MEMS 컴포넌트(200)에서 전극(230-1 및 2301)은 전원(250)의 상이한 전압 레벨에 연결되고, 이는, 예를 들어 기판(240)이 전극(230-1)과 전극(2301) 사이의 단락 회로를 방지하기 위해 절연층이어야 함을 의미한다
도 7a의 MEMS 컴포넌트(200)와 도 7b의 MEMS 컴포넌트(200) 사이에서 극성(2601-j 내지 260-1)의 방향과 전원(250)에 대한 전극(230-j 내지 230-1)의 연결이 반전되었기 때문에, 도 7a의 MEMS 컴포넌트(200) 및 도 7b의 MEMS 컴포넌트(200)는 동일한 동작 모드를 갖는다. 도 7a의 MEMS 컴포넌트(200) 및 도 7b의 MEMS 컴포넌트(200)의 2개의 실시예에서, 기판(240)의 한 쪽에 대한 힘은 기판(240)의 다른 쪽에 대한 힘에 반대된다. 예를 들어, 강유전성 층(2101 내지 210n-1)은 한 공간 방향으로 크기가 감소할 수 있고, 강유전성 층(210-1 내지 2101-j)은 동일한 공간 방향으로 크기가 증가하여 MEMS 컴포넌트(200)가 휠 수 있다. 또한, 중립면의 한 쪽으로부터의 힘이 중립면의 다른 쪽에 위치한 층 시스템(각각의 강유전성 층(2101-j 내지 210n-1) 및 전극(230-j 내지 230n))에 대해 수정되는 수평 액추에이터를 생각할 수 있다.
즉, 도 7a의 MEMS 컴포넌트(200) 및 도 7b의 MEMS 컴포넌트(200)는 양쪽에 능동적으로 코팅된 수동층(기판(240))을 갖는 설계를 나타낸다. 전기적 접촉의 2가지 구현예가 도시되어 있는데, 도 7a의 MEMS 컴포넌트(200)는 수동층(기판(240))의 절연체 특성에 아무런 요구도 하지 않는다.
또한, 전극(2301)은 제 1 전극층으로 간주될 수 있고, 전극(230-1)은 전극(230a)의 제 2 전극층으로 간주될 수 있다. 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에는 다른 층(기판(240))이 있으며, 이 층은, 예를 들어 수동층 또는 절연층일 수 있다.
도 7c에는 본 발명의 실시예에 따라 강유전성 층(2101-j 내지 210n-1), 전극(230-j 내지 230n) 및 전원(250)을 포함하는 MEMS 컴포넌트(200)가 도시된다. 각각의 강유전성 층(2101-j 내지 210n-1)은 극성(2601-j 내지 260n-1)을 갖는다. 전극(2301)은 MEMS 컴포넌트(200)를 제 1 다층 층 시스템(모든 강유전성 층(2101 내지 210n-1)) 및 제 2 다층 층 시스템(강유전성 층(210-1 내지 2101-j)으로 구성됨)으로 분할하는 중립면을 포함한다. 전원(150)에 전환 전압보다 낮은 전압이 인가되는 경우, 이 예의 경우, 예를 들어 강유전성 층(2101 내지 210n-1)이 팽창하고, (중립면의 다른 쪽의) 강유전성 층(210-1 내지 2101-j)은 수축한다. 이 메커니즘은 MEMS 컴포넌트(200)의 휨을 초래한다. MEMS 컴포넌트(200)가 더 많은 강유전성 층을 가질수록, 전원(250)에 의해 전압이 전극(230-j 내지 230n)에 인가될 때 MEMS 컴포넌트(200)의 휨력이 더 커질 것이다.
즉, 도 7c의 MEMS 컴포넌트(200)는 수동층이 없는 MEMS 컴포넌트(200)의 버전이다. 예를 들어, 중립면(전극(2301)) 위 쪽의 강유전성 층(2101 내지 210n-1)은 아래 쪽에 위치한 층(강유전성 층(210-1 내지 2101-j))과 반대 방향으로 팽창한다.
수동층(기판 자체일 수도 있음)의 역할과 관련하여 3가지 일반적인 설계, 한 쪽에 능동적으로 코팅된 수동층(도 6의 MEMS 컴포넌트(200) 참조), 양쪽에 코팅된 수동층(도 7a의 MEMS 컴포넌트(200) 및 도 7b의 MEMS 컴포넌트(200) 참조) 및 수동층이 없는 순수 능동 다층 시스템(도 7c의 MEMS 컴포넌트(200) 참조)를 생각할 수 있다. 모든 실시예는 일반적으로 역 재료 분광으로 구현될 수도 있다. AlTMN은 AlN과 전이 금속(TM)의 질화물을 기반으로 하는 강유전성 혼합 결정을 의미하고, 이는 재료 분극 설정의 기본이다. 여기에서 강유전성으로 설명되는 (도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7a, 도 7b 및 도 7c의) MEMS 컴포넌트(200)의 적어도 하나의 층은 강유전성 재료를 포함한다. 그러나, 여기에서 강유전성으로 설명된 개별 층은, 예를 들어 강유전성 재료를 포함하지 않기 때문에 순수 압전체일 수도 있다. 강유전성 재료를 포함하는 최소 개수의 강유전성 층(예를 들어, 격층)이 있는 한, 컴포넌트(200)의 기능은 변경되지 않을 수 있다. 실시예는 액츄에이션 및 고유한 전하 증폭(후자의 경우, 예를 들어 전원(250)을 제외) 모두와 관련된다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따라 기판(310) 및 제 1 MEMS 컴포넌트(200)를 포함하는 MEMS 장치(300)의 개략도를 도시한다. MEMS 컴포넌트(200)는 수동층(240) 및 강유전성 다층(320)을 갖는다. MEMS 컴포넌트(200)의 수동층(240)은, 예를 들어 기판(310) 상에 편향 가능하게 배열된다. 도 8a에 도시된 것과 같이, 수동층(240)은 기판(310)의 한 쪽에 배열될 수 있다. 예를 들어, 수동층(240)이 기판(310)과 만나는 표면은 수동층(240)이 강유전성 다층(320)에서 배열되는 표면의 반대 쪽에 위치한다. 그러나, 강유전성 다층(320)은 수동층(240)이 기판(310)과 만나는 표면과 동일한 표면에 또는 수동층(240)의 양쪽 표면(수동층(240)이 기판(310)과 만나는 표면 및 그 반대 쪽 표면)에 배열될 수도 있다.
도 8a의 MEMS 장치(300)는 수직 휨 액추에이터의 실시예이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 MEMS 컴포넌트(200) 및 제 2 MEMS 컴포넌트(201)를 포함하는 MEMS 장치(300)를 도시한다. 제 1 MEMS 컴포넌트(200)는 제 1 수동층을 갖고, 제 2 MEMS 컴포넌트(201)는 제 2 수동층을 가지며, 제 1 수동층 및 제 2 수동층은 공유체이며 수동층(240)으로 표시된다. 예를 들어, 제 1 MEMS 컴포넌트(200) 및 제 2 MEMS 컴포넌트(201)는 동일한 설계 및 기능을 보일 수 있다. 제 1 MEMS 컴포넌트(200)의 제 1 강유전성 다층(320)은 제 2 MEMS 컴포넌트(201)의 제 2 강유전성 다층(322)과 평행하게 배열된다. 즉, 제 1 MEMS 컴포넌트(200) 및 제 2 MEMS 컴포넌트(201)의 강유전성 층(제 1 강유전성 다층(320) 및 제 2 강유전성 다층(322))은 평행하게 배열된다. 수동층(240)은 기판(310)에 편향 가능하게 배열된다. 도 8b에 도시된 MEMS 장치(300)는 (예를 들어, 2개의 다층(제 1 강유전성 다층(320) 및 제 2 강유전성 다층(322))이 반대 위상에서 여기되는) 수평 또는 비틀림 액추에이터의 실시예이다.
도 8a의 강유전성 다층(320) 및 도 8b의 강유전성 다층(320, 322)은 강유전성 재료를 포함한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 컴포넌트 제조 방법의 블록도를 도시한다. 방법의 일 단계에서, 예를 들어, 제 1 전극, 제 1 강유전성 층, 제 2 전극, 제 2 압전층 및 제 3 전극이 이 순서로 적층된다(400). 이 단계는, 예를 들어 도 3의 MEMS 컴포넌트(200) 또는 도 4의 MEMS 컴포넌트(200)와 같은 MEMS 컴포넌트를 제조한다. 제 1 강유전성 층 및 제 2 압전층은, 예를 들어 동일한 분극 방향을 갖고, 제 1 강유전성 층은 강유전성 재료를 포함한다. 강유전성 재료는 AlN 및 하나 이상의 전이 금속의 질화물을 포함하는 혼합 결정을 포함한다. 전이 금속의 질화물의 비율은, 예를 들어 전환 전압을 인가함으로써 강유전성 재료의 극성의 한 방향이 전환될 수 있도록 선택된다. 전환 전압은 강유전성 재료의 항복 전압보다 낮다. 방법은, 제 1 전극 및 제 2 전극에 전환 전압을 인가하는 단계(410)를 더 포함하고, 제 1 강유전성 층의 분극 방향이 반전(예를 들어, 제 2 압전층의 분극 방향과 반대)된다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따라 CMOS 공정을 사용하여 집적 회로를 갖는 기판에 연결된 MEMS 컴포넌트를 제조하는 방법의 블록도를 도시한다. 제 1 단계에서, 방법은 기판 상에 제 1 전극, 제 1 강유전성 층, 제 2 전극, 제 2 압전층 및 제 3 전극을 적층하는 것(400)을 포함한다. 방법의 제 2 단계는 전환 전압을 제 1 전극 및 제 2 전극에 인가하는 것(410)을 포함하고, 제 1 강유전성 층의 분극 방향이 반전된다. 방법의 추가 단계에서, 집적 회로의 하나 이상의 회로 컴포넌트는 CMOS 공정을 사용하여 기판에 집적된다(420). 적층하는 단계(400) 및 인가하는 단계(410)는 도 9에 도시된 방법의 적층하는 단계(400) 및 인가하는 단계(410)와 유사하다.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따라 CMOS 공정을 사용하여 집적 회로를 포함하는 기판에 연결된 MEMS 컴포넌트를 제조하는 방법의 블록도를 도시한다. 방법은 제 1 단계에서, 기판에서 CMOS 공정을 사용하여 집적 회로의 하나 이상의 회로 컴포넌트를 집적하는 것(420)을 포함한다. 방법의 제 2 단계는 기판 상에 제 1 전극, 제 1 강유전성 층, 제 2 전극, 제 2 압전층 및 제 3 전극을 적층하는 것(400)을 포함한다. 방법의 추가 단계에서, 전환 전압이 제 1 전극 및 제 2 전극에 인가되고(410), 제 1 강유전성 층의 분극 방향이 반전된다. 적층하는 단계(400) 및 인가하는 단계(410)는 도 9에 도시된 방법의 적층하는 단계(400) 및 인가하는 단계(410)와 유사하다.
제 1 전극, 제 1 강유전성 층, 제 2 전극, 제 2 압전층 및 제 3 전극으로 구성된 도 10a 및 도 10b의 MEMS 컴포넌트는, 예를 들어 도 3의 MEMS 컴포넌트(200) 또는 도 4의 MEMS 컴포넌트이다. 또한, 이 방법을 사용하여 3개 이상의 전극층과 2개 이상의 강유전성 층을 적층할 수 있고, 이에 의해, 예를 들어 도 5의 MEMS 컴포넌트(200), 도 6의 MEMS 컴포넌트(200), 도 7a의 MEMS 컴포넌트(200), 도 7b의 MEMS 컴포넌트(200), 도 7c의 MEMS 컴포넌트(200), 도 8a의 MEMS 컴포넌트(200) 및/또는 도 8b의 MEMS 컴포넌트(200)를 기판 상에 적층할 수 있다. 또한, 이 방법을 사용하여, 예를 들어 추가 비-강유전성 층이 기판 상에 적층될 수 있고 및/또는 전환 전압을 인가함으로써 제 1 강유전성 층 보다 많은 층에서 극성의 방향이 전환될 수 있다.
제 1 강유전성 층은 여기에 설명된 것과 같은 강유전성 재료를 포함한다(그러나, 제 2 압전층은 강유전성 재료를 포함할 수도 있고 또는 포함하지 않을 수도있다). 예로서 Al1-xScxN을 사용할 때, 강유전성 재료는 400℃의 낮은 증착 온도에서 제조될 수 있으므로 순수 AlN과 마찬가지로 CMOS 호환 가능하다. 순수 AlN의 높은 전기 강도(>400V/㎛)는 Al1-xScxN에서도 유지된다. 일반적으로 1% 보다 충분히 낮은 유전 손실[12] 및 강유전성 층의 고유한 기계적 응력을 설정할 가능성도 유지된다[11]. 강유전성 재료와 그 집적, 그에 따른 MEMS 컴포넌트는 CMOS 호환 가능하다.
도 11a는 본 발명의 실시예에 따라 전기장에 걸쳐 강유전체 Al0.57Sc0.43N 및 PZT 52/48에서 측정된 전기적 분극(P-E 루프)이 도시된 도면이다. 세로 좌표에는 분극이 표시되고, 가로 좌표에는 전기장이 표시된다. 제 1 P-E 루프(600)는 강유전성 재료 Al0.57Sc0.43N의 전기장에 대한 분극의 상관 관계를 나타내고, 제 2 P-E 루프(610)는 PZT 52/48의 전기장에 대한 전기적 분극의 상관 관계를 나타낸다. 강유전성 재료 Al0.57Sc0.43N은 AlN과 적어도 하나의 전이 금속의 질화물을 포함하는 혼합 결정으로 구성된 강유전성 재료의 예이며, 이 경우 전이 금속은 스칸듐이다.
Al1-xScxN(강유전성 재료의 예인, AlN과 전이 금속의 질화물 ScN의 혼합 결정)의 예를 사용하여, AlN과 전이 금속의 질화물로 구성된 혼합 결정이 특정 조건에서 강유전성임을 발견하였다. 강유전성은 먼저 재료(강유전성 재료)의 항복 필드 강도를 초과하지 않고 재료의 2개의 분극 상태 사이의 에너지 장벽을 극복하는 데 외부 전기장이 사용될 수 있을 때 발생한다. 순수 AlN에 대해 측정된 항복 필드 강도는 문헌마다 매우 다양한데, 그 값은 50V/㎛ 내지 600V/㎛이다. 연구에 따르면, 400V/㎛ 초과의 필드 강도에서 전기적 브레이크쓰루(breakthroughs)가 발생한다. 분극의 공간적 변화가 발생하는 필드 강도는 P-E 루프의 항전기장 강도(Ec)에 의해 결정될 수 있다. P-E 루프는 재료의 분극(P)을 여기 전기장(E)의 함수로서 나타낸다.
400V/㎛ 미만의 전계 강도에서 분극의 공간적 변화가 가능한지 여부는 주로 고려 중인 재료(강유전성 재료)에 대한 2가지 요소, 첫 번째로 전이 금속 원자의 개수에 대한 Al 원자의 개수의 비율(도 11c 참조)과, 두 번째로 강유전성 층이 압축 또는 인장 응력을 겪는 정도(도 11b 참조)에 의해 결정된다.
도 11b에는 본 발명의 예에 따른 Al0.73Sc0.27N 층의 기계적 응력에 걸쳐 측정된 항전기장(Ec)의 평균량이 도시되어 있다. 도면의 세로 좌표는 측정된 항전기장((Ec,+-Ec,-)/2)의 평균량을 표시하고, 기계적 응력은 가로 좌표에 표시된다. (강유전성 재료의) 높은 인장 응력을 받는 층의 경우, 필요한 Sc 비율(전이 금속의 비율)은 감소하고, 압축 응력의 경우에는 이것이 증가한다. Sc 함량, 기계적 응력을 설정하는 방법 및 일반적인 층의 제조 방법은 [11, 12]에서 저자에 의해 설명되었다. 강유전성 재료 Al0.73Sc0.27N은 AlN과 적어도 하나의 전이 금속의 질화물을 포함하는 혼합 결정을 포함하는 강유전성 재료의 예이다.
도면에서, 도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 AlScN 층의 Sc 함량에 걸쳐 측정된 항전기장의 평균량을 도시한다. 세로 좌표에는 측정된 항전기장((Ec,+-Ec,-)/2)의 평균량이 표시되고, 가로 좌표에는 Al1-xScxN의 x가 표시된다. 강유전성 층의 기계적 응력은 항상 [0 200MPa]의 범위 내에 있고(그러나, 범위는 -1000MPa 내지 600MPa, -400MPa 내지 +400MPa 또는 -200MPa 내지 200MPa일 수도 있다), 따라서 비교 가능하다.
이 맥락에서 Al1-xScxN에 대해 행해진 측정은 층(강유전성 층)의 기계적 응력이 인장 응력에서 압축 응력으로의 전이에 가깝다면, 예를 들어 약 x=0.27의 Sc 함량에서 분극의 강유전성 전환이 가능함을 보여주었다. 더 강한 인장 응력을 받는 강유전성 층의 경우, 필요한 Sc 함량은 도 11b에 도시된 것과 같이 감소하고 압축 응력의 경우 이것은 증가한다. Al0.73Sc0.27N 층의 경우, 예를 들어 기계적 응력은 -300MPa 내지 2000MPa 또는 -200MPa 내지 1000MPa의 범위 내에 있어야 하고, 여기서 음의 값은 압축 응력에 대응하고 양의 값은 인장 응력에 대응한다. 도 11c의 관계로 인해 Al0.64Sc0.36N에 대해 더 많은 압축 응력, 예를 들어 -600MPa 내지 2000MPa 또는 -500MPa 내지 1000MPa의 범위 내의 기계적 응력이 허용될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 강유전체 Al0.57Sc0.43N(강유전성 재료의 예) 및 PZT(CMOS 호환 가능하지 않고 비선형성이 높고 또한 낮은 항복 전압을 갖는 종래 기술의 강유전성 재료의 예)에 대해 전극 표면적이 1㎟인 기판에 수직으로 작용하는 압전력을 비교하여 도시하는 도면이다. 힘은 세로 좌표에 표시되고 전기장은 가로 좌표에 표시된다. 강유전력은 레이저 이중 빔 간섭계로 측정된 층의 신장률로부터 계산되었다. 제 1 곡선(620)은 강유전체 AlScN의 전기장에 대한 힘의 거동을 표시하고, 제 2 곡선(630)은 PZT 재료의 전기장에 대한 힘의 상관 관계를 표시한다.
강유전성 재료의 또 다른 뛰어난 특성은 인가된 전기장으로부터 유발된 힘이 상기 필드에 대해 선형인 범위가 매우 넓다는 것이다(도 12의 제 1 곡선(620) 참조). 그 결과, 50V/㎛ 보다 큰 필드 강도를 가진 선형 바이폴라 구동이 가능한다. 강유전성 재료는 전기장과 유발되는 힘 사이의 관계가 선형인 넓은 범위를 가진다(이 재료를 기반으로 하는 n층 액추에이터에도 동일하게 적용됨). 이것은 항전기장(Ec-)과 항전기장(Ec+) 사이의 매우 넓은 범위 내에서 바이폴라 전압으로 동작할 수 있도록 한다.
도 13a 및 도 13c는 본 발명의 실시예에 따라 Al1-xScxN의 예를 사용하여 우르차이트(wurtzite)의 단위 셀의 개략도를 도시하고, 도 13b는 본 발명의 실시예에 따라 Al1-xScxN의 예를 사용하여 육각형 구조의 단위 셀의 개략도를 도시한다. 전기적 분극 P(640)는 결정의 c축(광축)과 평행하게 배열된다. 금속(650) 및 질소(652) 평면의 상대적인 위치에 따라 분극(640)의 부호가 변한다. 도 13a에서 단위 셀은 음의 분극(640)을 가지며, 도 13b에서는 두 평면(금속(650) 및 질소(652) 평면)이 합동(육각형 구조)이므로 전기적 분극이 사라지고, 도 13c에서는 분극(640)이 양이다.
발견된 강유전성 거동의 이유는 공개된 이론적 계산을 통해 추적할 수 있다[19]. 예를 들어, Al1-xScxN에서 Sc의 비율이 증가함에 따라 AlN의 우루차이트 결정 구조는 활동적으로 육각형 위상, 즉 금속과 질소 원자가 하나의 평면 내에 배열되는 구조(도 13b 참조)에 근접한다. 이 구조는 우루차이트 구조의 2개의 가능한 분극 방향(도 13a 및 도 13c 참조) 사이의 전이 구조 기능을 할 수 있다.
이에 대한 전제 조건은, 대응하는 전이 금속의 비율과 재료의 대응하는 기계적 응력을 선택함으로써, 2개의 결정 구조가, 극 방향에 반대되는 전기장을 사용하여 육각형 구조의 에너지 최대값을 활동적으로 극복하도록 서로 충분히 가까운 것이다. 이후 분극은 즉시 필드의 방향으로 전환된다. 이 전환 공정은 전기장을 반전시킴으로써 되돌릴 수 있다(reversible). 따라서, 재료는 강유전성이다.
이 메커니즘은 이전에 GaScN에 대해서 이론적으로만 계산되었다[19]. 그러나, 동일한 효과가 설명된 AlN 기반 혼합 결정의 강유전성 거동에도 해당할 가능성이 높다. AlN 및 ScN의 혼합 결정에 더하여, 예를 들어 YN, TiN, NbN 또는 CrN과 같은 다른 전이 금속 원소의 질화물과의 화합물 또는 이들의 혼합물도 생각할 수 있다.
강유전성 재료는 공간적으로 회전 가능한 전기적 분극(P)을 특징으로 하고, 그 방향은 외부 전기장(E)에 의해 결정될 수 있다. 유효 전기장에 대한 분극의 배향에 따라 재료가 추가적으로 팽창하거나 또는 수축한다(압전 효과). 이 효과는 액추에이터에서 사용될 수 있다. 마이크로시스템 기술에서, 예를 들어 강유전성 유전체를 포함하는 판 커패시터는 이를 위해 수동층 상에 증착되고 구조화된다(도 14a 참조).
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 전극(720)을 갖는 수동층(710)이 증착된 기판(700)을 도시한다. 제 2 전극(722)을 포함하는 강유전성 층(730)이 제 1 전극(720) 상에 증착된다. 층(730)은 극성(740)을 갖는다. 이 구성은 또한 강유전성 층(730) 내에 여기에 설명된 강유전성 재료로 구현될 수 있다.
즉, 도 14a는 수동층(710) 상에 강유전성 유전체(강유전성 층(730))를 갖는 평행판 커패시터로 구성된 압전 액추에이터의 스케치를 도시한다. 수동층(710)은, 예를 들어 초음파 변환기의 막이거나 또는 스피커의 막일 수 있다.
도 14b 및 도 14c는 또한 본 발명의 일 실시예에 따라 액추에이터로서 강유전성 층을 사용하는 예를 도시한다. 도 14a에서와 동일한 구성(기판(700), 수동층(710), 제 1 전극(720), 강유전성 층(730) 및 제 2 전극(722))이 사용된다. 도 14b의 강유전성 층(730)과 도 14c의 강유전성 층(730)은 모두 양극(740)을 갖는다. 그러나, 도 14b에서는, 도 14c의 제 1 전극(720) 및 제 2 전극(722)에 인가된 것과 다른 전압이 제 1 전극(720) 및 제 2 전극(722)에 인가되고, 그 결과 도 14c의 전기장 방향(752)을 포함하는 전기장(750)과 다른 도 14b의 전기장 방향(752)을 포함하는 전기장(750)이 발생된다.
도 14b에서, 강유전성 층(730)의 극성(740)은 전기장 방향(752)으로 수정되어 강유전성 층(730)이 압축(760)되도록 한다.
도 14c에서, 강유전성 층(730)의 극성(740)은 전기장 방향(752)과 반대이므로 강유전성 층(730)이 신장(762)되도록 한다.
전압(U)이 인가될 때, 강유전성 재료의 가로 수축(압축) 또는 팽창(신장)의 결과로, 분극의 방향(740)에 따라 기판(700) 내에 압축 또는 인장 응력이 발생되어 상기 기판(700)을 변형시킨다(도 14b 및 도 14c 참조). 변형의 기본이 되는 기계적 힘은 재료(강유전성 재료)의 압전 계수, 그 분극 방향(740) 및 사용 가능한 전압[1]에 의해 유발된다.
도 14b 및 도 14c는 종래의 액추에이터로서 강유전성 층을 사용하는 예를 도시하고, 이는 또한 여기에 설명된 강유전성 재료에도 적용될 수 있다. 즉, 도 14b 및 도 14c는 강유전성 층(730)이 외부 전기장(750)의 결과로서 변형될 것임을 도시한다. 재료 분극에 대한 전기장(750)의 배향(전기장 방향(752))에 따라, 능동층(강유전성 층(730))의 신장(도 14c 참조, 신장(762)) 또는 압축(도 14b, 압축(760) 참조)이 발생하고, 이는 결과적으로 능동층과 수동층(710)이 기계적으로 결합되어 있기 때문에 수동층(710)을 압축 또는 신장시킨다. 강유전성 층(730)은 수동층(710)에 결합된다.
고정 전압에 대해 힘을 증가시키는 하나의 방법은 다층 시스템을 사용하는 것이다. 동일한 크기의 강유전 계수를 갖는 강유전성 재료의 n층을 사용할 때, 그 위로 사용 가능한 전압이 가해지면 유발되는 힘이 n배까지 증가될 수 있다[2].
도 15a 및 도 15b에는, 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 다층 시스템이 도시되어 있다. 강유전성 다층 시스템은 기판(700), 수동층(710), 제 1 전극(720), 제 2 전극(722), 제 3 전극(724), 제 1 강유전성 층(730) 및 제 2 강유전성 층(732)을 포함한다.
도 15a에서, 제 1 강유전성 층(730)에서 분극(740)은 전기장 방향(752)으로 수정되고, 이에 따라 제 1 강유전성 층(730)은 압축(760)되고, 제 2 강유전성 층(732)에서 분극(740)은 전기장 방향(752)과 반대이고, 이에 따라 제 2 강유전성 층(732)은 신장(762)된다. 따라서, 제 2 강유전성 층(732)의 신장(762)은 제 1 강유전성 층(730)의 압축(760)에 의해 상쇄되어 수동층(710)에는 변화가 발생하지 않는다. 따라서, 도 15a는 도시된 설계에서 강유전성 층의 분극을 확인해야 할 필요성을 도시한다.
도 15b에서, 제 1 강유전성 층(730)의 분극(740)은 전기장 방향(752)으로 수정되고, 제 2 강유전성 층(732)의 분극(740)은 전기장 방향(752)으로 수정된다. 따라서, 제 1 강유전성 층(730) 및 제 2 강유전성 층(732)은 모두 압축(760)된다.
즉, 도 15a 및 도 15b는 공통 전극(722)을 갖는 2개의 판 커패시터로 구성된 간단한 압전 이중층 액추에이터의 구조를 도시한다. 중립면은 수동층(710) 내에 있다고 가정된다.
도 15a에서, 2개의 강유전성 층은 동일한 분극 방향(740)을 갖는다. 작용력(F)(압축(760) 및 신장(762))의 결과로, 상부 층(제 2 강유전성 층(732))은 팽창하고 하부 층(제 1 강유전성 층(730))은 압축되어야 한다. 전체적으로, 2가지 효과(압축(760) 및 신장(762))는 서로를 크게 상쇄하므로 움직임이 발생되지 않는다.
도 15b에서, 2개의 강유전성 층(제 1 강유전성 층(730) 및 제 2 강유전성 층(732))은 반대 방향으로 분극(740)된다. 따라서, 둘 모두 외부 전기장의 결과로서 압축된다. 전압이 같다고 가정할 때, 단일 층의 힘의 2배가 수동층에 작용한다.
도 15a 및 도 15b에 도시된 것과 같은 이중층 액추에이터의 2가지 설계가 종래 기술로부터 알려져 있지만, 여기에 설명된 본 발명에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 15a 및 도 15b의 제 1 강유전성 층(730) 및 제 2 강유전성 층(732)은 강유전성 재료를 포함할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 다층 액추에이터의 가능한 구현예를 도시한다. 다층 액추에이터(800)는 수동층(710), 강유전성 층(730j 내지 730n), 전극(720j-1 내지 720n+1) 및 전원(770)을 갖는다.
도 16은 교대로 정렬된 분극(780j 내지 780n)을 갖는 강유전성 다층 액추에이터(n-j개의 강유전성 층, j<0, n>0)의 층의 가능한 시퀀스를 도시한다. 강유전체의 경우, 충분히 큰 전기장을 인가한 이후에 모든 능동 분극 도메인(분극(780j 내지 780n)이 인가된 전기장을 따라 정렬된다. 여기에 도시된 것은 수동층(710)의 양쪽에 능동 강유전성 층(730j 내지 730n)을 갖는 구현예이다. 일반적으로, 수동층(710)은 또한 생략되거나 또는 한 쪽만이 코팅될 수 있다(예를 들어, j=0). 어느 경우에도, 각각의 힘의 가능한 보상을 피하기 위해 중립면(수동층(710) 내에 위치함) 위의 강유전성 층(730j 내지 730n)의 작용력은 아래 쪽 층의 작용력과 부호가 반대이어야 한다. 이 실시예에서 사용될 수 있는 전형적인 강유전체의 예는 PZT이다. 도 16에 도시된 다층 액추에이터(800)의 실시예는 적어도 하나의 층(730j 내지 730n)이 강유전성 재료를 포함한다는 점에서 또한 여기에 설명된 강유전성 재료(AlN 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물을 포함하는 혼합 결정으로 구성됨)로 구현될 수 있다.
Al1-xScxN과 같은 강유전체는, 이러한 종류의 재료는 외부 전기장의 방향을 따라 자신의 전기적 분극의 고유한 정렬을 갖기 때문에, 예를 들어 추가 절연층 없이 결합되어 도 16에 도시된 것과 같은 효과적인 다층 액추에이터를 형성할 수 있다. 도 16에 도시된 개별 전극(720j-1 내지 720n+1)의 전기적 접촉에 따라, 모든 강유전성 층(730j 내지 730n)은 이상적인 부호를 갖는 전체 힘에 기여한다. 수동층(710)의 양쪽에 능동 강유전성 층(730j 내지 730n)을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 단순함을 위해 수동층의 한 쪽(j=0)에만 강유전성 층을 코팅하는 것 또는 전극(720j-1 내지 720n+1)과 함께 강유전성 다층으로만 구성된 구조, 즉 수동층(710)이 없는 구조로 설계하는 것이 효과적일 수 있다. 어느 경우에도, 적절한 분극(780j 내지 780n)의 선택에 있어서 중립면의 위치가 고려되어야 한다. 이 평면의 위 쪽의 층은 아래 쪽의 층과는 반대 기호의 힘을 결합해야 한다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 전기적으로 절연된 개별 층을 사용한 압전 다층 액추에이터(800)의 층의 가능한 시퀀스의 구현예를 도시한다. 다층 액추에이터(800)는 수동층(710), 압전층(7301 내지 730n), 전극(7201 내지 7202n), 절연체(7901 내지 790n-1) 및 전원(770)을 포함한다. 절연체(7901 내지 790n-1)를 사용하여 절연함으로써 각각의 분극(7801 내지 780n)이 동일한 방향을 향하는 비-강유전성 초전기체(예를 들어, AlN)를 효과적으로 사용할 수 있다. 단순함을 위해, 한 쪽이 코팅된 수동층(710)의 경우만이 도시된다. 원칙적으로, 논의된 모든 원리(양쪽이 코팅된 수동층, 수동층이 생략)는 추가 절연체(7901 내지 790n-1)를 사용하여 구현될 수 있다.
AlN과 같은 비-강유전성 초전기체의 분극(7801 내지 780n)은 추후에 변경될 수 없으므로, 이는 재료를 제조하는 동안에만 정의된다. 따라서, 하나의 동일한 공정에 의해 제조된 다층 시스템에서, 모든 층(모든 압전층(7301 내지 730n))의 분극은 동일한 방향을 향하고, 이상적으로는 기판(수동층(710))에 수직이다. 따라서, 효과적인 구동을 보장하기 위해, 여기 전기장이 모든 개별 층에 대해 동일한 방향을 향해야 한다. 따라서, 다층의 개별 커패시터 구조를 전기적으로 분리할 필요가 있다(도 17 참조). 종래 기술에서 알려진 것과 같이, 도 17의 다층 액추에이터(800)가 강유전체를 사용하는 것에 비해 단점(예를 들어, 적어도 2개의 추가 층, 즉 절연체 및 강유전성 층 당 추가 전극이 필요함)이 있지만, 다층 액추에이터(800)도 또한 여기에 설명된 본 발명의 실시예일 수 있다. 이는 압전층(7301 내지 730n) 중 적어도 하나가 강유전성 재료를 포함한다는 점에서 달성된다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 바이모프(900)의 층의 가능한 시퀀스의 구현예를 도시한다. 바이모프(900)는 수동층(710), 제 1 압전층(730), 제 2 압전층(732), 제 1 전극(720), 제 2 전극(722), 제 3 전극(724), 제 4 전극(726) 및 전원(770)을 갖는다. 수동층(710)은 선택적이다. 압전층의 개수는 n=2로 제한되고, 제 1 압전층(730)은 극성(740a)을 갖고 제 2 압전층(732)은 극성(740b)을 갖는다. 압전 바이모프의 층의 이러한 시퀀스는, 예를 들어 종래 기술에 따라 AlN에 대해 이미 사용되었다. 그러나, 여기에 설명된 강유전성 재료가 사용되는 것도 가능하다. 따라서, 도 18의 바이모프(900)는 또한 2개의 압전층(제 1 압전층(730) 및/또는 제 2 압전층(732)) 중 적어도 하나가 AlN 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물을 포함하는 혼합 결정을 갖는 강유전성 재료를 포함한다는 점에서, 여기에 설명된 본 발명에 따른 실시예일 수 있다.
일부 측면이 장치와 관련하여 설명되었지만, 이러한 측면은 또한 대응하는 방법의 설명을 나타내는 것으로 이해되어야 하므로, 장치의 블록 또는 컴포넌트는 또한 대응하는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징으로서 이해된다. 유사하게, 방법 단계와 관련하여 또는 방법 단계로서 설명된 측면은 또한 대응하는 블록의 설명 또는 대응하는 장치의 세부 사항 또는 특징을 나타낸다.
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Figure pct00001
nner Film, piezoelektrisches Material und Herstellungsverfahren f
Figure pct00002
r piezoelektrischen d
Figure pct00003
nnen Film und piezoelektrisches Material, und piezoelektrischer Resonator, Schalterelement und physikalischer F
Figure pct00004
hler, die piezoelektrischen d
Figure pct00005
nnen Film verwenden," DE102008025691A1, 2008.

Claims (21)

  1. 강유전성 재료(100)로서,
    AlN(120) 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물(130)을 포함하는 혼합 결정(110)을 포함하되,
    상기 전이 금속의 질화물(130)의 비율은 전환 전압(150)을 인가함으로써 상기 강유전성 재료(100)의 초기 또는 자연적 극성(140, 142, 260, 640, 740, 740a, 740b, 780)의 방향이 전환 가능하도록 선택되고, 상기 전환 전압(150)은 상기 강유전성 재료(100)의 항복 전압보다 낮은,
    강유전성 재료(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전성 재료(100)는 압축 응력의 제 1 값과 인장 응력의 제 2 값 사이에 있는 기계적 응력을 포함하고, 상기 제 1 값의 절대값은 상기 제 2 값의 절대값보다 작은,
    강유전성 재료(100).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기계적 응력은 -600MPa 내지 2000MPa의 범위 내에 있고, 여기서 음의 값은 압축 응력을 나타내고 양의 값은 인장 응력을 나타내는,
    강유전성 재료(100).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전성 재료(100)의 극성(140, 142, 260, 640, 740, 740a, 740b, 780)의 상기 방향은 상기 인가된 전환 전압(150)을 제거한 이후에 유지되는,
    강유전성 재료(100).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전이 금속 원자의 개수와 알루미늄 원자의 개수의 합에 대한 전이 금속 원자의 상기 개수의 비율은 0.2 이상 0.5 이하인,
    강유전성 재료(100).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전이 금속은 스칸듐, 이트륨, 티타늄, 니오븀 및/또는 크롬을 포함하는,
    강유전성 재료(100).
  7. AlN(120) 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물(130)을 포함하고, 소정의 초기 또는 자연적 극성을 갖는 혼합 결정(110)을 제공하는 것과,
    상기 혼합 결정에 전환 전압(150)을 인가하여 상기 혼합 결정(110)의 상기 초기 또는 자연적 극성(140, 142, 260, 640, 740, 740a, 740b, 780)의 방향이 반전되도록 하는 것을 포함하되,
    상기 전이 금속의 질화물(130)의 비율은 상기 전환 전압(150)을 인가함으로써 강유전성 재료(100)의 초기 또는 자연적 극성(140, 142, 260, 640, 740, 740a, 740b, 780)의 방향이 전환 가능하도록 선택되고, 상기 전환 전압(150)은 상기 강유전성 재료(100)의 항복 전압 보다 낮은,
    방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나에 기재된 강유전성 재료(100)를 포함하는
    MEMS 컴포넌트(200).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 강유전성 재료(100)를 포함하는 제 1 강유전성 층(210, 730)과,
    상기 제 1 강유전성 층(210, 730)의 제 1 표면(220) 상에 배치된 제 1 전극(230, 722)과,
    상기 제 1 강유전성 층(210, 730)의 제 2 표면(221) 상에 배치된 제 2 전극(232, 720)을 포함하되,
    상기 제 2 표면(221)은 상기 제 1 표면(220)의 반대 쪽인,
    MEMS 컴포넌트(200).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(230, 722) 상의 상기 제 1 강유전성 층(210, 730)의 반대 쪽에 배치된 제 2 강유전성 층(212, 732)과,
    상기 제 2 강유전성 층(212, 732)의 제 1 표면(222) 상에 배치된 제 3 전극(234)을 포함하되,
    상기 제 2 강유전성 층(212, 732)의 상기 제 1 표면(222)은 상기 제 1 전극(230, 722)으로부터 멀리 향하도록 배치되는,
    MEMS 컴포넌트(200).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(230, 722)은 제 1 전극층(231a, 724) 및 제 2 전극층(231b, 722)을 포함하고,
    상기 제 1 전극층(231a, 724)과 상기 제 2 전극층(231b, 722) 사이에는 내부에 중립면이 있는 절연층(231c, 240, 710)이 배치되는,
    MEMS 컴포넌트(200).
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(230, 722)은 제 1 전극층(231a, 724) 및 제 2 전극층(231b, 722)을 포함하고,
    상기 제 1 전극층(231a, 724)과 상기 제 2 전극층(231b, 722) 사이에는 내부에 중립면이 있는 수동층(231c, 240, 710)이 배치되는,
    MEMS 컴포넌트(200).
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 3 전극(234)에서 상기 제 2 강유전성 층(212, 732)의 반대 쪽에 배치된 제 3 강유전성 층(214)과,
    상기 제 3 강유전성 층(214)의 제 1 표면(223) 상에 배치된 제 4 전극(236)과,
    제 2 전극(232, 720) 상의 상기 제 1 강유전성 층(210, 730)의 반대 쪽에 배치된 제 4 강유전성 층(216)과,
    상기 제 4 강유전성 층(216)의 제 1 표면(224) 상에 상기 제 2 전극(232, 720)으로부터 멀리 향하도록 배치된 제 5 전극(238)을 포함하되,
    상기 제 3 강유전성 층(214)의 상기 제 1 표면(223)은 상기 제 3 전극(234)으로부터 멀리 향하도록 배치되는,
    MEMS 컴포넌트(200).
  14. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 전극(232, 720) 상에 배치된 수동층(231c, 240, 710)을 포함하는,
    MEMS 컴포넌트(200).
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수동층(231c, 240, 710)은 적어도 한 쪽에서 기판(310)에 연결되는,
    MEMS 컴포넌트(200).
  16. 제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MEMS 컴포넌트(200)는 다층 MEMS 액추에이터, 다층 MEMS 센서 또는 다층 MEMS 발전기를 포함하는,
    MEMS 컴포넌트(200).
  17. MEMS 장치(300)로서,
    기판(310)과,
    청구항 12 내지 청구항 14 중 어느 하나에 기재된 제 1 MEMS 컴포넌트(200)를 포함하되,
    상기 제 1 MEMS 컴포넌트(200)의 상기 수동층(231c, 240, 710)은 상기 기판(310) 상에 편향 가능하게 배치되는,
    MEMS 장치(300).
  18. 제 17 항에 있어서,
    청구항 12 내지 청구항 14 중 어느 하나에 기재된 제 2 MEMS 컴포넌트(200)를 포함하고, 제 1 수동층 및 제 2 수동층(231c, 240, 710)은 공유체(community)이고, 상기 제 1 MEMS 컴포넌트 및 제 2 MEMS 컴포넌트(200)의 상기 전극 및 강유전성 층은 평행하게 배열되는,
    MEMS 장치(300).
  19. MEMS 컴포넌트(200)를 제조하는 방법으로서,
    제 1 전극(232, 720), 제 1 강유전성 층(210, 730), 제 2 전극(230, 722), 제 2 압전층(212, 732) 및 제 3 전극(234)을 이 순서로 적층하는 것을 포함하되,
    상기 제 1 강유전성 층(210, 730) 및 상기 제 2 압전층(212, 732)은 동일한 분극(140, 142, 260, 640, 740, 740a, 740b, 780)의 방향을 갖고,
    적어도 상기 제 1 강유전성 층(210, 730)은 AlN(120) 및 적어도 하나의 전이 금속의 질화물(130)을 포함하는 혼합 결정(110)을 포함하는 강유전성 재료(100)를 포함하고,
    상기 전이 금속의 질화물(130)의 비율은 전환 전압(150)을 인가함으로써 상기 강유전성 재료(100)의 분극(140, 142, 260, 640, 740, 740a, 740b, 780)의 방향이 전환 가능하도록 선택되고,
    상기 전환 전압(150)은 상기 강유전성 재료(100)의 항복 전압보다 낮고,
    상기 방법은,
    상기 전환 전압(150)을 상기 제 1 전극(232, 720) 및 상기 제 2 전극(230, 722)에 인가하여, 상기 제 1 강유전성 층(210, 730)의 상기 분극(140, 142, 260, 640, 740, 740a, 740b, 780)의 방향이 반전되도록 하는 것을 더 포함하는,
    방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(232, 720), 상기 제 1 강유전성 층(210, 730), 상기 제 2 전극(230, 722), 상기 제 2 압전층(212, 732) 및 상기 제 3 전극(234)은 기판(310) 상에 적층되고,
    상기 방법은, 상기 제 1 전극(232, 720), 상기 제 1 강유전성 층(210, 730), 상기 제 2 전극(230, 722), 상기 제 2 압전층(212, 732) 및 상기 제 3 전극(234)을 적층하기 이전 또는 이후에 상기 기판(310)에 CMOS 공정을 사용하여 집적 회로의 하나 이상의 회로 컴포넌트를 집적하는 것을 더 포함하는,
    방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제 1 전극 또는 상기 제 3 전극 중 하나에 인접하는,
    방법.
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