(57)【要約】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。2017510999.tif 000004
2017510999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【請求項２３】
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。
【請求項２４】
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。
【請求項２５】
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２６】
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。
【請求項２７】
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。
【請求項２８】
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。
【請求項２９】
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。
【請求項３０】
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。
【請求項３１】
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。
【請求項３２】
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３３】
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。
【請求項３４】
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。
【請求項３５】
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。
【請求項３６】
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。
【請求項３７】
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。
【請求項３８】
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。
【請求項３９】
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。
【請求項４０】
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。
【請求項４１】
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。
【請求項４２】
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。
【請求項４３】
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。
【請求項４４】
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。
【請求項４５】
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。
【請求項４６】
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。
【請求項４７】
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。
【請求項４８】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【背景技術】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【発明の概要】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図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の酸化物層を含む細長い共振器ビームを有する、本発明のデバイスの第１の実施形態の垂直断面図である。
【図２】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の酸化物層を含む細長い共振器ビームを有する、本発明のデバイスの第２の実施形態の垂直断面図である。
【図３】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の酸化物層を含む細長い共振器ビームを有する、本発明のデバイスの第３の実施形態の垂直断面図である。
【図４】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の酸化物層を含む細長い共振器ビームを有する、本発明のデバイスの第４の実施形態の垂直断面図である。
【図５】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の酸化物層を含む細長い共振器ビームを有する、本発明のデバイスの第５の実施形態の垂直断面図である。
【図６】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の酸化物層を含む細長い共振器ビームを有する、本発明のデバイスの第６の実施形態の垂直断面図である。
【図７】本発明のデバイスを備えるスマートフォンを含む、本発明のシステムの一実施形態を示す。
【図８】本発明のデバイスの第１の実施形態を製造するための層状材料スタックの垂直断面図である。層状材料スタックは、シリコンウェハと、第１の二酸化シリコン層と、任意の接着層と、第１の導電材料層、圧電材料層、及び第２の導電材料層を含む第１の圧電スタック層とを含む。
【図９】圧電材料層の一部及び導電材料層の一部をスタックから取り除くために、本発明のデバイスを製造する方法の一実施形態によってパターニングされている、図８の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１０】第１の導電材料層が、その一部を層状材料スタックから取り除くためにパターニングされている、図９の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１１】パターニングされた圧電スタック層と第１の二酸化シリコン層とを覆って第２の二酸化シリコン層を堆積させた、図１０の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１２】第２の二酸化シリコン層を覆って構造層を堆積させた、図１１の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態によって、構造層が、その一部を層状材料スタックから取り除くためにパターニングされている、図１２の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１４】圧電材料層と導電材料層を含む第２の圧電スタック層を、パターニングされた構造層と第２の二酸化シリコン層を覆って堆積させた、図１３の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１５】層状材料スタックから第２の圧電スタック層の一部を取り除くために第２の圧電スタック層がパターニングされている、図１４の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１６】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、第２の二酸化シリコン層を覆って、第３の二酸化シリコン層を堆積させた、図１５の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１７】第３の二酸化シリコン層の一部、第２の二酸化シリコン層の一部、及び、第１の二酸化シリコン層の一部を取り除くためにパターニングされている、図１６の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１８】第３の二酸化シリコン層の一部を取り除いて第２の圧電スタック層の一部、第１の圧電スタック層の一部、及び、第２の二酸化シリコン層の一部を露出させたままにするためにパターニングされている、図１７の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図１９】パターニングされた第３の二酸化シリコン層と、パターニングされた第２の圧電スタック層の一部と、パターニングされた構造層の一部と、パターニングされた第１の圧電スタック層の一部とを覆って金属ボンドパッド（ｍｅｔａｌ  ｂｏｎｄｐａｄ）層を堆積させた、図１８の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２０】金属ボンドパッド層の一部を取り除くためにパターニングされている、図１９の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２１Ａ】シリコンウェハの一部をエッチングして、共振器ビームと１つまたは複数のベース部とを作製することによって、二重圧電スタックを有する本発明のデバイスの一実施形態を作製する、図２０の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２１Ｂ】シリコンウェハの一部をエッチングして、共振器ビームと１つまたは複数のベース部とを作製することによって、二重圧電スタックを有する本発明のデバイスの一実施形態を作製する、図２０の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２１Ｃ】シリコンウェハの一部をエッチングして、共振器ビームと１つまたは複数のベース部とを作製することによって、二重圧電スタックを有する本発明のデバイスの一実施形態を作製する、図２０の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２２】本発明のデバイスの第２の実施形態を製造する層状材料スタックの垂直断面図である。層状材料スタックは、シリコンウェハと、第１の二酸化シリコン層と、第１の導電材料層、圧電材料層、及び第２の導電材料層を含む第１の圧電スタック層とを含む。
【図２３】圧電材料層の一部及び導電材料層の一部をスタックから取り除くために、本発明のデバイスを製造する方法の一実施形態によってパターニングされている、図２２の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２４】第１の導電材料層が、その一部を層状材料スタックから取り除くためにパターニングされている、図２３の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２５】パターニングされた圧電スタック層と第１の二酸化シリコン層とを覆って第２の二酸化シリコン層を堆積させた、図２４の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２６】第２の二酸化シリコン層を覆って構造層を堆積させた、図２５の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２７】構造層を覆って第３の二酸化シリコン層を堆積させた、図２６の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２８】構造層と第２の二酸化シリコン層を覆って、第１の導電材料層、圧電材料層、及び、第２の導電材料層を含む第２の圧電スタックを堆積させた、図２７の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図２９】圧電材料層の一部及び導電材料層の一部を第２の圧電スタック層から取り除くために第２の圧電スタック層がパターニングされている、図２８の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３０】第１の導電材料層が、その一部を層状材料スタックの第２の圧電スタック層から取り除くためにパターニングされている、図２９の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３１】第３の二酸化シリコン層と構造層が、それらの一部を層状材料スタックから取り除くためにパターニングさている、図３０の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３２】パターニングされた第２の圧電スタック層と第２の二酸化シリコン層を覆って第４の二酸化シリコン層を堆積させた、図３１の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３３】第４の二酸化シリコン層の一部、第２の二酸化シリコン層の一部、及び、第１の二酸化シリコン層の一部を取り除くためにパターニングされている、図３２の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３４】第４の二酸化シリコン層の一部を取り除いて、第２の圧電スタック層の一部、第２の二酸化シリコン層の一部、及び、第１の圧電スタック層の一部を露出させたままにするためにパターニングされている、図３３の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３５】パターニングされた第４の二酸化シリコン層、パターニングされた第２の圧電スタック層の一部、パターニングされた第２の二酸化シリコン層の一部、及び、パターニングされた第１の圧電スタック層の一部を覆って、金属ボンドパッド層を堆積させた、図３４の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３６】金属ボンドパッド層の一部を取り除くためにパターニングされている、図３５の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３７Ａ】シリコンウェハの一部をエッチングして、共振器ビームと、１つまたは複数のベース部とを作製することによって、二重圧電スタックを有する本発明のデバイスの一実施形態を作製する、図３６の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３７Ｂ】シリコンウェハの一部をエッチングして、共振器ビームと、１つまたは複数のベース部とを作製することによって、二重圧電スタックを有する本発明のデバイスの一実施形態を作製する、図３６の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３７Ｃ】シリコンウェハの一部をエッチングして、共振器ビームと、１つまたは複数のベース部とを作製することによって、二重圧電スタックを有する本発明のデバイスの一実施形態を作製する、図３６の層状材料スタックの垂直断面図である。
【図３８】図３８Ａおよび３８Ｂは、それぞれ、図１に示す本発明のデバイスの、上面斜視図と、底面の一部透視斜視図である。
【図３９】図３９Ａおよび３９Ｂは、それぞれ、図２に示す本発明のデバイスの上面斜視図と底面の一部透視斜視図である。
【図４０】図４０Ａおよび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の一部透視斜視図である。
【図４１】図４１Ａおよび４１Ｂは、それぞれ、図３に示す本発明のデバイスの上面斜視図と底面の一部透視斜視図である。
【図４２】図４２Ａおよび４２Ｂは、共振器ビームとベースとの間に部分クランプを有する本発明のデバイスの実施形態の底面の一部透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、
2017510999.tif 000003
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）。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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）。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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）。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【図１】
2017510999.tif 000005
【図２】
2017510999.tif 000006
【図３】
2017510999.tif 000007
【図４】
2017510999.tif 000008
【図５】
2017510999.tif 000009
【図６】
2017510999.tif 000010
【図７】
2017510999.tif 000011
【図８】
2017510999.tif 000012
【図９】
2017510999.tif 000013
【図１０】
2017510999.tif 000014
【図１１】
2017510999.tif 000015
【図１２】
2017510999.tif 000016
【図１３】
2017510999.tif 000017
【図１４】
2017510999.tif 000018
【図１５】
2017510999.tif 000019
【図１６】
2017510999.tif 000020
【図１７】
2017510999.tif 000021
【図１８】
2017510999.tif 000022
【図１９】
2017510999.tif 000023
【図２０】
2017510999.tif 000024
【図２１Ａ】
2017510999.tif 000025
【図２１Ｂ】
2017510999.tif 000026
【図２１Ｃ】
2017510999.tif 000027
【図２２】
2017510999.tif 000028
【図２３】
2017510999.tif 000029
【図２４】
2017510999.tif 000030
【図２５】
2017510999.tif 000031
【図２６】
2017510999.tif 000032
【図２７】
2017510999.tif 000033
【図２８】
2017510999.tif 000034
【図２９】
2017510999.tif 000035
【図３０】
2017510999.tif 000036
【図３１】
2017510999.tif 000037
【図３２】
2017510999.tif 000038
【図３３】
2017510999.tif 000039
【図３４】
2017510999.tif 000040
【図３５】
2017510999.tif 000041
【図３６】
2017510999.tif 000042
【図３７Ａ】
2017510999.tif 000043
【図３７Ｂ】
2017510999.tif 000044
【図３７Ｃ】
2017510999.tif 000045
【図３８】
2017510999.tif 000046
【図３９】
2017510999.tif 000047
【図４０】
2017510999.tif 000048
【図４１】
2017510999.tif 000049
【図４２】
2017510999.tif 000050
【国際調査報告】
2017510999.tif 000051
2017510999.tif 000052
2017510999.tif 000053