(57)【要約】本発明は、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームを備える、エネルギー回収器デバイスに関する。基部は、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している。塊体は、細長共振器ビームの第２の端部に取り付けられている。2016511628.tif 000004
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームと、
前記第１の端部で前記細長共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして前記基部から自由に延在している、基部と、
前記細長共振器ビームの前記第２の端部に取り付けられた塊体と
を備え、
前記細長共振器ビームは、（１）第３の酸化物層上の第２の圧電スタック層の上の第２の酸化物層上のカンチレバー層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層、または（２）第４の酸化物層の上の第２の圧電スタック上の第３の酸化物層の上のカンチレバー層上の第２の酸化物層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層のいずれかを備える、エネルギー回収器デバイス。
【請求項２】
前記細長共振器ビームは、第３の酸化物層上の第２の圧電スタック層の上の第２の酸化物層上のカンチレバー層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層を備える、請求項１に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項３】
前記細長共振器ビームは、第４の酸化物層の上の第２の圧電スタック上の第３の酸化物層の上のカンチレバー層上の第２の酸化物層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層を備える、請求項１に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項４】
前記第２の圧電スタック層は、金属層の上の圧電材料層の上の金属層を備える、請求項１に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項５】
前記第１の圧電スタック層は、圧電材料層の上の金属層を備え、カンチレバー層は、電極として有用である、請求項１に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項６】
前記第１の圧電スタック層は、金属層上の圧電材料層の上の金属層を備える、請求項１に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項７】
前記第１および／または第２の圧電スタック層と電気的に接触した１つ以上の電極をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項８】
前記第１および／または第２の圧電スタック層から電気エネルギーを回収するための、前記１つ以上の電極と電気的に接続された電気回収回路をさらに備える、請求項７に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項９】
前記第１および／または第２の圧電スタック層は、金属の層を備え、前記金属は、モリブデン、白金、またはポリシリコンからなる群から選択される、請求項１に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項１０】
前記第１および／または第２の圧電スタック層は、圧電材料の層を備え、前記圧電材料は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、およびチタン酸ジルコン酸鉛化合物からなる群から選択される、請求項１に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項１１】
前記カンチレバーは、電気めっき銅もしくはニッケル、またはポリシリコンからなる群から選択される材料で作製される、請求項１に記載のエネルギー回収器デバイス。
【請求項１２】
電動装置と、
前記電動装置に電気的に結合された請求項１に記載のエネルギー回収器デバイスと
を備える、システム。
【請求項１３】
前記電動装置は、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、スマートフォン、電子書籍リーダー、ＭＰ３プレーヤー、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、無線センサー、無線センサーモート、タイヤ圧センサーモニタ、電動ツール上の電力供給用簡易ディスプレイ、家畜飼育用デバイス、医療デバイス、人体監視デバイス、および玩具からなる群から選択される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記細長共振器ビームは、第３の酸化物層上の第２の圧電スタック層の上の第２の酸化物層上のカンチレバー層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層を備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記細長共振器ビームは、第４の酸化物層の上の第２の圧電スタック上の第３の酸化物層の上のカンチレバー層上の第２の酸化物層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層を備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１および／または第２の圧電スタック層と電気的に接触した１つ以上の電極をさらに備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１および／または第２の圧電スタック層から電気エネルギーを回収するための、前記１つ以上の電極と電気的に接続された電気回収回路
をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
請求項１２に記載のシステムを提供することと、
前記第１および／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に、前記システムを運動または振動に供することと、
電動装置に電力を提供するために、前記第１および／または第２の圧電スタック層から前記装置に前記電気エネルギーを伝達することと
を含む、電動装置に電力供給する方法。
【請求項１９】
前記装置は、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、スマートフォン、電子書籍リーダー、ＭＰ３プレーヤー、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、無線センサー、無線センサーモート、タイヤ圧センサーモニタ、電動ツール上の電力供給用簡易ディスプレイ、家畜飼育用デバイス、医療デバイス、人体監視デバイス、および玩具からなる群から選択される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記細長共振器ビームは、第３の酸化物層上の第２の圧電スタック層の上の第２の酸化物層上のカンチレバー層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記細長共振器ビームは、第４の酸化物層の上の第２の圧電スタック上の第３の酸化物層の上のカンチレバー層上の第２の酸化物層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１および／または第２の圧電スタック層と電気的に接触した１つ以上の電極
をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１および／または第２の圧電スタック層から電気エネルギーを回収するための、前記１つ以上の電極と電気的に接続された電気回収回路
をさらに備える、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することと、
前記シリコンウェハの前記第１の表面上に第１の二酸化ケイ素層を堆積させることと、
前記第１の二酸化ケイ素層上に第１の圧電スタック層を堆積させることと、
前記第１の圧電スタック層をパターニングすることと、
前記パターニングされた第１の圧電スタック層の上に第２の二酸化ケイ素層を堆積させることと、
前記堆積した第２の二酸化ケイ素層の上にカンチレバー材料を堆積させることと、
前記カンチレバー材料をパターニングすることと、
前記パターニングされたカンチレバー材料の上に第２の圧電スタック層を堆積させることと、
前記第２の圧電スタック層をパターニングすることと、
エネルギー回収デバイスを製造するために、前記シリコンウェハの第２の側面をエッチングすることと
を含む、エネルギー回収デバイスを製造する方法。
【請求項２５】
前記第１の圧電スタック層は、前記第１の二酸化ケイ素層上にある第２の金属層の上の圧電材料層の上の第１の金属層を備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の圧電スタック層をパターニングすることは、
前記第１の金属層および圧電材料層の一部を除去することと、
前記第２の金属層の一部を除去するためおよびさらなる部分を電極として露出したままとするために、前記第２の金属層をパターニングすることと
を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の圧電スタック層は、前記パターニングされたカンチレバー材料上にある圧電材料層の上の第１の金属層を備え、前記カンチレバー材料は、電極として有用である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の圧電スタック層をパターニングすることは、
前記第１の金属層と前記第２の圧電スタック層の前記圧電材料層との一部を除去すること
を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２の圧電スタック層は、前記パターニングされたカンチレバー材料上にある第３の二酸化ケイ素層の上の第２の金属層上の圧電材料層の上の第１の金属層を備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２のパターニングされた圧電スタック層、前記パターニングされたカンチレバー材料、および前記第１のパターニングされた圧電スタック層に、パッシベーション層を付加することと、
前記シリコンウェハの前記第２の側面をエッチングすることの前に、前記パッシベーション層をパターニングすることと
をさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
前記シリコンウェハの前記第２の側面をエッチングすることの前に、前記パターニングされたパッシベーション層上に金属接着パッド層を堆積させること
をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１３年３月１３日出願の米国仮特許出願第６１／７８０，１７６号に対する利益を主張するものであり、この出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、対称二重圧電スタック微小電気機械圧電カンチレバーエネルギー回収器に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
集積回路のサイズおよび電力消費の両方の削減は、低電力センサーおよび無線技術の急増をもたらした。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プレーヤー、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、無線センサー、タイヤ圧センサーモニタ、タブレット、ＰＣ、および／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサー、家畜を監視するためのデバイス、医療デバイス、人体監視デバイス、玩具等を含む、低電力センサー、電子機器、および無線送信機を別個に、または組み合わせて使用した多種多様なデバイスが存在する。これらのデバイスはそれぞれ、動作するために独立電源を必要とする。典型的には、これらのデバイス用の電源は電池であり、多くの場合交換式電池である。
【０００４】
高い関心の対象となる他の無線技術は、無線センサーおよび無線センサーネットワークである。そのようなネットワークにおいて、無線センサーは、特定の環境全体に分布し、測定データを中央ハブに伝えるアドホックネットワークを形成する。具体的な環境は、例えば、自動車、飛行機、工場、または建物を含む。無線センサーネットワークは、ある距離にわたりマルチホップ伝送を使用して動作する数千から数万の無線センサー「ノード」を含み得る。各無線ノードは、一般に、センサー、無線電子機器、および電源を含む。これらの無線センサーネットワークは、環境条件に応じて知的環境を形成するために使用され得る。
【０００５】
上述の他の無線デバイス等の無線センサーノードは、そのノードの電子機器を作動させるために独立電源を必要とする。リチウムイオン電池、亜鉛空気電池、リチウム電池、アルカリ電池、ニッケル水素電池、およびニッケルカドミウム電池等の従来の電池が使用され得る。しかしながら、無線センサーノードに関しては、そのような電池の典型的な寿命よりも長く機能することが有利であり得る。さらに、電池交換は、特に多くのノードを有するより大きなネットワークにおいては負担が大きくなり得る。
【０００６】
代替の独立電源は、周囲環境からエネルギーを捕集（または「回収」）することに依存する。例えば、電力駆動デバイスが十分な光に曝露される場合、好適な代替の独立電源は、光電池または太陽電池を含み得る。代替として、電力駆動デバイスが十分な空気の運動に曝露される場合、好適な代替の独立電源は、動く空気から電力を回収するためのタービンまたはマイクロタービンを含み得る。また、他の代替の独立電源は、温度変動、圧力変動、または他の環境の影響に基づくことができる。
【０００７】
いくつかの環境は、特定のデバイスに電力供給するのに十分な光の量、空気の運動、温度変動、および／または圧力変動を含まない。そのような環境下であっても、デバイスは、例えば、一定周波数の振動、または多数の周波数を含む衝撃振動の形態となり得る、構造支持体から発生する極めて予測可能および／または一定の振動に供され得る。そのような場合、運動（例えば振動エネルギー）を電気エネルギーに本質的に変換する捕集器（または回収器）が使用され得る。
【０００８】
１つの特定の種類の振動エネルギー回収器は、周囲の振動（駆動力）により引き起こされるビームの共振の間変形されると電荷を生成する圧電材料を組み込んだ共振ビームを利用する。
【０００９】
シリコンカンチレバーを有する微小電気機械（「ＭＥＭＳ」）圧電エネルギー回収器は、典型的には、少なくとも、酸化物／カンチレバー材料／圧電スタック／酸化物（酸化物は、典型的には堆積二酸化ケイ素である）からなる断面を有する。カンチレバーに使用されるシリコン材料は、典型的には、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。エネルギー回収器から出力される電力を増加させるために、しばしば、二重圧電スタックを形成するように第２の圧電スタックがデバイス構造内に設置される。追加的な圧電スタックが、第１の圧電スタックと同じカンチレバーの面上に（または第１の圧電スタックの上に）、少なくとも酸化物／カンチレバー材料／圧電スタック／酸化物／圧電スタック／酸化物の形式で設置される。ＳＯＩウェハの製造に使用されるプロセス中、高温での２つのシリコンウェハの直接的結合に続く研削および研磨ステップによって、圧電スタックをデバイスとハンドルウェハとの間に設置することが極めて困難となるため、このようにして追加的圧電スタックが設置される。
【００１０】
第１の圧電スタックと同じカンチレバーの面上への追加的圧電スタックの設置により、圧電スタックに対する断面の対称性の欠落が生じ、これにより、カンチレバーの平坦性を設計するために圧電スタック残留応力が調整されることが必要となる。層における残留応力への対応不足による、カンチレバーの巻きおよび平坦性の欠落は、ＭＥＭＳエネルギー回収器の性能に影響し得る。また、圧電スタックの残留応力の調整は、その固有の圧電特性、ひいてはデバイス性能に影響し得る。したがって、カンチレバー平坦性およ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。
【００１１】
本発明は、当該技術分野におけるこれらの、および他の欠陥を克服することを目的とする。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の一態様は、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームを備える、エネルギー回収器デバイスに関する。基部は、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している。塊体は、細長共振器ビームの第２の端部に取り付けられている。細長共振器ビームは、（１）第３の酸化物層上の第２の圧電スタック層の上の第２の酸化物層上のカンチレバー層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層、または（２）第４の酸化物層の上の第２の圧電スタック上の第３の酸化物層の上のカンチレバー層上の第２の酸化物層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層のいずれかを備える。
【００１３】
本発明の別の態様は、電動装置と、電動装置に結合された本発明のエネルギー回収器デバイスとを備えるシステムに関する。
【００１４】
本発明のさらなる態様は、電動装置に電力供給する方法に関する。この方法は、本発明によるシステムを提供することと、第１および／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に、システムを運動または振動に供することとを含む。電気エネルギーは、第１および／または第２の圧電スタック層から装置に伝達され、装置に電力を提供する。
【００１５】
本発明の別の態様は、エネルギー回収器デバイスを製造する方法に関する。この方法は、第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することを含む。シリコンウェハの第１の表面上に、第１の二酸化ケイ素層を堆積させる。第１の二酸化ケイ素層上に第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の圧電スタック層の上に、第２の二酸化ケイ素層を堆積させる。堆積した第２の二酸化ケイ素層の上にカンチレバー材料を堆積させ、パターニングする。パターニングされたカンチレバー材料の上に第２の圧電スタック層を堆積させ、第２の圧電スタック層をパターニングする。シリコンウェハの第２の側面がエッチングされ、エネルギー回収デバイスが製造される。
【００１６】
本発明のエネルギー回収器デバイスは、カンチレバー用の金属、シリコン、または他のＣＭＯＳ適合材料の厚い堆積層、およびカンチレバー層のいずれかの表面上の１つの圧電スタックを使用して製造された、対称断面を有する二重圧電スタックエネルギー回収器を提供する。この構造は、回収器からの増加した電力を提供し、より良好なデバイス性能およびより堅牢な製造プロセスをもたらす、カンチレバーの平坦性とはほぼ独立した圧電層応力（したがって圧電特性）の制御の利点を有する。圧電エネルギー回収器の電力出力は、カンチレバー平坦性に対するより良好な制御、および結果としてより良好な全体的性能を伴って増加され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第３の酸化物層上の第２の圧電スタック層の上の第２の酸化物層上のカンチレバー層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層を備える細長共振器ビームを有する、本発明のエネルギー回収器デバイスの第１の実施形態の側面図である。
【図２】第４の酸化物層の上の第２の圧電スタック上の第３の酸化物層の上のカンチレバー層上の第２の酸化物層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層を備える細長共振器ビームを有する、本発明のエネルギー回収器デバイスの第２の実施形態の側面図である。
【図３】スマートフォンに電力供給するための電気エネルギーを提供するために、スマートフォンに電気的に結合された本発明のエネルギー回収器デバイスを含む、電動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である。
【図４】本発明のエネルギー回収器デバイスの第１の実施形態を製造するための層状材料スタックの側面図である。層状材料スタックは、シリコンウェハと、第１の二酸化ケイ素層と、任意選択の接着層と、第１の金属層、圧電材料層および第２の金属層を含む第１の圧電スタック層とを含む。
【図５】スタックから圧電材料層および金属層（複数可）の一部を除去するように、本発明のエネルギー回収器デバイスを製造する方法の一実施形態に従ってパターニングされた、図４の層状材料スタックの側面図である。
【図６】第１の金属層が層状材料スタックからその一部を除去するようにパターニングされた、図５の層状材料スタックの側面図である。
【図７】パターニングされた圧電スタック層および第１の二酸化ケイ素層の上に第２の二酸化ケイ素層が堆積した、図６の層状材料スタックの側面図である。
【図８】第２の二酸化ケイ素層の上にカンチレバー材料層が堆積した、図７の層状材料スタックの側面図である。
【図９】本発明の一実施形態に従って、カンチレバー材料層が層状材料スタックからその一部を除去するようにパターニングされた、図８の層状材料スタックの側面図である。
【図１０】圧電材料層および金属層を含む第２の圧電スタック層が、パターニングされたカンチレバー材料層および第２の二酸化ケイ素層の上に堆積した、図９の層状材料スタックの側面図である。
【図１１】第２の圧電スタック層が層状材料スタックから第２の圧電スタック層の一部を除去するようにパターニングされた、図１０の層状材料スタックの側面図である。
【図１２】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カンチレバー材料層、および第２の二酸化ケイ素層の上に第３の二酸化ケイ素層が堆積した、図１１の層状材料スタックの側面図である。
【図１３】第３の二酸化ケイ素層、第２の二酸化ケイ素層、および第１の二酸化ケイ素層の一部を除去するようにパターニングされた、図１２の層状材料スタックの側面図である。
【図１４】第３の二酸化ケイ素層の一部を除去して、第２の圧電スタック層の一部、カンチレバー材料層の一部、第１の圧電スタック層の一部、および第１の二酸化ケイ素層の一部を露出したままとするようにパターニングされた、図１３の層状材料スタックの側面図である。
【図１５】パターニングされた第３の二酸化ケイ素層、ならびに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カンチレバー層、およびパターニングされた第１の圧電スタック層の上に、金属接着パッド層が堆積した、図１４の層状材料スタックの側面図である。
【図１６】金属接着パッド層の一部を除去するようにパターニングされた、図１５の層状材料スタックの側面図である。
【図１７】共振器ビーム、基部、および塊体を形成し、ひいては二重圧電スタックを有する本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態を形成するように、シリコンウェハの一部がエッチングされた、図１６の層状材料スタックの側面図である。
【図１８】本発明のエネルギー回収器デバイスの第２の実施形態を製造するための層状材料スタックの側面図である。層状材料スタックは、シリコンウェハと、第１の二酸化ケイ素層と、任意選択の接着層と、第１の金属層、圧電材料層、および第２の金属層を含む第１の圧電スタック層を含む。
【図１９】スタックから圧電材料層および金属層（複数可）の一部を除去するように、本発明のエネルギー回収器デバイスを製造する方法の一実施形態に従ってパターニングされた、図１８の層状材料スタックの側面図である。
【図２０】第１の金属層が層状材料スタックからその一部を除去するようにパターニングされた、図１９の層状材料スタックの側面図である。
【図２１】パターニングされた圧電スタック層および第１の二酸化ケイ素層の上に第２の二酸化ケイ素層が堆積した、図２０の層状材料スタックの側面図である。
【図２２】第２の二酸化ケイ素層の上にカンチレバー材料層が堆積した、図２１の層状材料スタックの側面図である。
【図２３】カンチレバー材料層の上に第３の二酸化ケイ素層が堆積した、図２２の層状材料スタックの側面図である。
【図２４】第１の金属層、圧電材料層および第２の金属層を含む第２の圧電スタック層が、カンチレバー材料層および第２の二酸化ケイ素層の上に堆積した、図２３の層状材料スタックの側面図である。
【図２５】第２の圧電スタック層が第２の圧電スタック層から圧電材料層および金属層（複数可）の一部を除去するようにパターニングされた、図２４の層状材料スタックの側面図である。
【図２６】第１の金属層が層状材料スタックの第２の圧電スタック層からその一部を除去するようにパターニングされた、図２５の層状材料スタックの側面図である。
【図２７】第３の二酸化ケイ素層およびカンチレバー材料層が層状材料スタックからその一部を除去するようにパターニングされた、図２６の層状材料スタックの側面図である。
【図２８】パターニングされた第２の圧電スタック層および第２の二酸化ケイ素層の上に第４の二酸化ケイ素層が堆積した、図２７の層状材料スタックの側面図である。
【図２９】第４の二酸化ケイ素層、第３の二酸化ケイ素層、第２の二酸化ケイ素層、および第１の二酸化ケイ素層の一部を除去するようにパターニングされた、図２８の層状材料スタックの側面図である。
【図３０】第４の二酸化ケイ素層の一部を除去して、第２の圧電スタック層の一部、第２の二酸化ケイ素層の一部、および第１の圧電スタック層の一部を露出したままとするようにパターニングされた、図２９の層状材料スタックの側面図である。
【図３１】パターニングされた第４の二酸化ケイ素層、ならびに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の二酸化ケイ素層、およびパターニングされた第１の圧電スタック層の上に、金属接着パッド層が堆積した、図３０の層状材料スタックの側面図である。
【図３２】金属接着パッド層の一部を除去するようにパターニングされた、図３１の層状材料スタックの側面図である。
【図３３】共振器ビーム、基部、および塊体を形成し、ひいては二重圧電スタックを有する本発明のエネルギー回収器デバイスの一実施形態を形成するように、シリコンウェハの一部がエッチングされた、図３２の層状材料スタックの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
発明の詳細な説明
本発明は、対称二重圧電スタックＭＥＭＳ圧電カンチレバーエネルギー回収器デバイス、エネルギー回収器デバイスを備えるシステム、ならびにエネルギー回収器デバイスを使用および作製する方法に関する。
【００１９】
本発明の一態様は、第１の端部と第２の端部との間に延在する細長共振器ビームを備える、エネルギー回収器デバイスに関する。基部は、第１の端部で共振器ビームに接続され、第２の端部はカンチレバーとして基部から自由に延在している。塊体は、細長共振器ビームの第２の端部に取り付けられている。細長共振器ビームは、（１）第３の酸化物層上の第２の圧電スタック層の上の第２の酸化物層上のカンチレバー層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層、または（２）第４の酸化物層の上の第２の圧電スタック上の第３の酸化物層の上のカンチレバー層上の第２の酸化物層の上の第１の圧電スタック層上の第１の酸化物層のいずれかを備える。
【００２０】
図１は、本発明のエネルギー回収器デバイス１０の第１の実施形態の側面図である。エネルギー回収器デバイス１０は、細長共振器ビーム１２を含む。共振器ビーム１２は、第１の端部１４と第２の端部１６との間に延在する。基部１８は、第１の端部１４で共振器ビーム１２に接続され、第２の端部１６はカンチレバーとして基部１８から自由に延在している。エネルギー回収器デバイス１０はまた、共振器ビーム１２の第２の端部１６に取り付けられた塊体２０を含む。
【００２１】
共振器ビーム１２は、複数の層により形成されたラミネートを備える。一実施形態によれば、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の上の第２の酸化物層２８上のカンチレバー層２６の上の第１の圧電スタック層２４上の第１の酸化物層２２を含む。他の層の限定されない例は、図４〜１７に示されるような、本発明のエネルギー回収器デバイスを形成する方法に関して後述されるものを含む。
【００２２】
第１の酸化物層２２は、一実施形態によれば、約１μｍの厚さを有するシリコン層である。別の実施形態によれば、第１の酸化物層は、任意選択であり、その存在は、磨耗に対する堅牢性を構造に提供する。第２の酸化物層２８は、一実施形態によれば、約１μｍの厚さを有する高温酸化物層である。この層は、第２の圧電スタック層３０の電気的遮蔽を提供する。第３の酸化物層３２は、熱酸化物層である。一実施形態において、第３の二酸化物層３２は、約０．２５μｍから約２μｍの厚さを有する。
【００２３】
カンチレバー材料層２６は、シリコン、ポリＳｉ、金属（例えば、ＣｕもしくはＮｉ）、または他の金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）適合性材料、あるいはポリイミド等の高温ポリマー等の任意の好適な材料であってもよい。一実施形態において、カンチレバー材料２６は、約１０μｍから約２００μｍ、約１０μｍから約７５μｍ、または約１０μｍから約５０μｍの厚さの範囲を有する。
【００２４】
共振器ビーム１２の第１および第２の圧電スタック２４および３０は、圧電材料を含む。好適な圧電材料は、限定されることなく、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ＰＶＤＦ、およびチタン酸ジルコン酸鉛系化合物を含む。圧電材料は、機械的歪みに供された場合に電気的に分極する材料である。分極の程度は、印加される歪みに比例する。圧電材料は、広く知られており、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くスクリーン印刷可能な厚膜（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｂａｕｄｒｙ，"Ｓｃｒｅｅｎ−ｐｒｉｎｔｉｎｇ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，"Ｐｒｏｃ．６ｔｈ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｌｏｎｄｏｎ，ＵＫ）ｐｐ．４５６−６３（１９８７）およびＷｈｉｔｅ＆Ｔｕｒｎｅｒ，"Ｔｈｉｃｋ−ｆｉｌｍ  Ｓｅｎｓｏｒｓ：Ｐａｓｔ，Ｐｒｅｓｅｎｔ  ａｎｄ  Ｆｕｔｕｒｅ，"Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．８：１−２０（１９９７）を参照されたい）、およびポリフッ化ビニリデン（「ＰＶＤＦ」）（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｌｏｖｉｎｇｅｒ，"Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，"Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２２０：１１１５−２１（１９８３）を参照されたい）等のポリマー材料を含む、多くの形態で利用可能である。
【００２５】
圧電材料は、典型的には、異方性特性を示す。したがって、材料の特性は、力の方向ならびに分極および電極の配向に依存して異なる。材料の圧電活性のレベルは、表記の軸と併せて使用される一連の定数により定義される。圧電歪み定数ｄは、以下のように定義され得る：
2016511628.tif 000003
（Ｂｅｅｂｙ  ｅｔ  ａｌ．，"Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，"Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１７：Ｒ１７５−Ｒ１９５（２００６）、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。
【００２６】
共振器ビーム１２の第１および第２の圧電スタック２４および３０はまた、第１および／または第２の圧電スタック層２４および３０と電気的に接触する１つ以上の電極３４を含む。一実施形態によれば、電極３４は、モリブデンおよび白金からなる群から選択される材料を含むが、電極構造を形成するのに好適な他の材料もまた使用され得る。加えて、エネルギー回収器デバイス１０は、共振器ビーム１２の圧電材料から電気エネルギーを回収するために、１つ以上の電極３４と電気的に接続された電気回収回路をさらに含んでもよい。以下でさらに詳細に説明されるように、電気回収回路は、圧電材料から生成され供給された電力を装置に提供するために、電動装置に電気的に結合され得る。
【００２７】
本発明のエネルギー回収器デバイスにおいて、共振器ビーム１２は、カンチレバーとして基部１８から自由に延在している第２の端部１６を有する。圧電材料を含むカンチレバー構造は、屈曲モードで動作し、それにより圧電材料を変形させてｄ効果から電荷を生成するように設計される（Ｂｅｅｂｙ  ｅｔ  ａｌ．，"Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，"Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１７：Ｒ１７５−Ｒ１９５（２００６）、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。カンチレバーは、共振器ビーム１２の第２の端部１６で取り付けられた塊体２０の存在により低減された、低い共振周波数を提供する。
【００２８】
動作中の本発明のエネルギー回収器デバイス１０の共振器ビーム１２の共振周波数は、約５０Ｈｚから約４，０００Ｈｚ、約１００Ｈｚから約３，０００Ｈｚ、約１００Ｈｚから約２，０００Ｈｚ、または約１００Ｈｚから約１，０００Ｈｚの周波数を含み得る。
【００２９】
共振器ビーム１２は、共振器ビーム１２の調整を補助し、構造的支持を提供するために、様々な形状および構成をとる側壁を有してもよい。一実施形態によれば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国仮特許出願第６１／７８０，２０３号に記載のように、共振器ビーム１２は、共振器ビーム１２の面内で連続的に湾曲した側壁を有する。
【００３０】
本発明のエネルギー回収器デバイス１０は、共振器ビーム１２の第２の端部１６で塊体２０を含む。塊体２０は、共振器ビーム１２の周波数を低下させ、また共振器ビーム１２の電力出力（すなわち、圧電材料により生成される）を増加させるために提供される。塊体２０は、単一材料または複数の材料（例えば、材料の層）で構築されてもよい。一実施形態によれば、塊体２０は、シリコンウェハ材料で形成される。他の好適な材料は、限定されることなく、電気めっきまたは熱蒸着により付着させた銅、金、およびニッケルを含む。
【００３１】
一実施形態において、共振器ビーム１２当たり単一の塊体２０が提供される。しかしながら、２つ以上の塊体２０が共振器ビーム１２に取り付けられてもよい。他の実施形態において、塊体２０は、例えば、共振器ビーム１２に沿った異なる場所に提供される。
【００３２】
当業者に容易に理解されるように、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、塊体２０の質量、共振器ビーム１２上の塊体２０の位置、および共振器ビーム１２を作製するのに使用される材料等の複数のパラメータの任意の１つ以上を変化させることにより調整され得る。
【００３３】
動作中、１つ以上の電極３４は、共振器ビーム１２が運動に供された際に、共振器ビーム１２の圧電材料から電荷を回収する。したがって、電極３４は、共振器ビーム１２の圧電材料と電気的に接続されている。
【００３４】
次いで、共振器ビーム１２の圧電材料から収集された電気エネルギーは、同じく電極３４またはその近くでエネルギー回収器デバイス１０上に形成された電気回収回路に伝えられる。
【００３５】
図２は、本発明のエネルギー回収器デバイスの代替の実施形態を示す。具体的には、エネルギー回収器１１０は、細長共振器ビーム１１２を含む。共振器ビーム１１２は、第１の端部１１４と第２の端部１１６との間に延在する。基部１１８は、第１の端部１１４で共振器ビーム１１２に接続され、第２の端部１１６はカンチレバーとして基部１１８から自由に延在している。エネルギー回収器デバイス１１０はまた、共振器ビーム１１２の第２の端部１１６に取り付けられた塊体１２０を含む。エネルギー回収器１１０は、共振器ビーム１１２に関して後述されるものを除いて、図１に関して上述されたようなエネルギー回収器１０と同じである。具体的には、エネルギー回収器１１０は、図２に関して後述されるような、材料の異なる層を含む共振器ビーム１１２を備える。
【００３６】
共振器ビーム１１２は、複数の層で形成されたラミネートを備える。一実施形態によれば、共振器ビーム１１２は、第４の酸化物層１３４の上の第２の圧電スタック１３２上の第３の酸化物層１３０の上のカンチレバー層１２８上の第２の酸化物層１２６の上の第１の圧電スタック１２４層上の第１の酸化物層１２２を含む。他の層の限定されない例は、図１８〜３３に示されるような、本発明のエネルギー回収器デバイスを形成する方法に関して後述されるものを含む。
【００３７】
共振器ビーム１１２の層は、図２に関して後述されるものを除いて、共振器ビーム１２の層と実質的に同じである。具体的には、共振器ビーム１１２は、第１の圧電スタック層１２４とカンチレバー層１２８との間の追加の第２の酸化物層１２６を含む。第２の酸化物層１２６は、一実施形態によれば、約１μｍの厚さを有する高温酸化物層である。この層は、第１の圧電スタック層１２４の電気的遮蔽を提供する。第３の酸化物層１３０および第４の酸化物層１３４は、それぞれ、図１に関して上述されたような第２の酸化物層２８および第３の酸化物層３２と同じである。
【００３８】
共振器ビーム１１２の第１および第２の圧電スタック１２４および１３２はまた、第１および／または第２の圧電スタック層１２４および１３２と電気的に接触する１つ以上の電極１３６を含む。一実施形態によれば、電極１３６は、モリブデンおよび白金からなる群から選択される材料を含むが、電極構造を形成するのに好適な他の材料もまた使用され得る。加えて、エネルギー回収器デバイス１１０は、共振器ビーム１１２の圧電材料から電気エネルギーを回収するために、１つ以上の電極１３６と電気的に接続された電気回収回路をさらに含んでもよい。
【００３９】
本発明の別の態様は、電動装置と、電動装置に電気的に結合された本発明のエネルギー回収器デバイスとを備えるシステムに関する。
【００４０】
ここで図３を参照すると、電動装置（スマートフォン）３６が、（その外部筐体内に）エネルギー回収器デバイス１０を含むように示されている。この実施形態によれば、エネルギー回収器デバイス１０は、別の独立エネルギー源（例えば、電池）の代わりに、またはそれと併せて使用される独立エネルギー源をスマートフォン３６に提供する。代替の実施形態において、電動装置は、例えば、タブレット、ＰＣ、および／またはスマートフォンと電気的に通信する腕時計型デバイスまたはネックレス等の、ウェアラブルデバイスである。
【００４１】
本発明のエネルギー回収器デバイスはまた、電動装置に関連した電池を充電することにより、電動装置に電力供給してもよい。例えば、エネルギー回収器デバイスは、電動装置に電力供給するバッターにトリクル充電を提供してもよい。
【００４２】
電動装置および本発明のエネルギー回収器デバイスを含む本発明の他のシステムは、限定されることなく、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、電子書籍リーダー、ＭＰ３プレーヤー、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、無線センサー、タブレット、ＰＣ、および／またはスマートフォンと通信するウェアラブルセンサー、無線センサーモート（工業、レール、建物、農業等を監視するネットワーク用）、タイヤ圧センサーモニタ、電子ディスプレイ（例えば、電動ツール上）、家畜監視用農業デバイス、医療デバイス、人体監視デバイス、ならびに玩具である。
【００４３】
本発明のエネルギー回収器は、図３のスマートフォン３６に示されるのと実質的に同じ様式で、そのようなデバイスと接続され得る。
【００４４】
例えば、一実施形態によれば、本発明のシステムは、例えば、任意の１つ以上の様々な環境特性（温度、湿度、光、音、振動、風、運動等）を監視するためのセンサーを含む無線センサーである。本発明のエネルギー回収器デバイスは、センサーと結合され、センサーに電力を提供する。
【００４５】
一例によれば、本発明のシステムは、タイヤ圧を監視するためのセンサーを含むタイヤ圧監視システムである。本発明のエネルギー回収器デバイスは、センサーに結合されて電力を提供する。そのようなシステムは、例えば、自動車のホイールまたはタイヤ上に装着される小型デバイスとして形成され得る。
【００４６】
別の例によれば、本発明のシステムは、家庭用または商業用衣類乾燥機の電子制御部と通信する湿度センサーである。本発明のエネルギー回収器デバイスは、センサーに結合されて電力を提供する。そのようなシステムは、例えば、衣類乾燥機内の湿度レベルに基づいて衣類の乾燥度を監視するために衣類乾燥機の内側に装着される小型デバイスとして形成され得る。次いで、センサーは、衣類乾燥機の電子制御部と通信して、例えば、サイクルの終了を決定することができる。
【００４７】
本発明のさらなる態様は、電動装置に電力供給する方法に関する。この方法は、本発明のシステムを提供することと、圧電材料から電気エネルギーを生成するために、システムを運動または振動に供することと、装置に電力を提供するために、圧電材料からの電気エネルギーを装置に伝達することとを含む。
【００４８】
本発明の別の態様は、エネルギー回収デバイスを製造する方法に関する。この方法は、第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することを含む。シリコンウェハの第１の表面上に、第１の二酸化ケイ素層を堆積させる。第１の二酸化ケイ素層上に第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の圧電スタック層の上に、第２の二酸化ケイ素層を堆積させる。堆積した第２の二酸化ケイ素層の上にカンチレバー材料を堆積させ、パターニングする。パターニングされたカンチレバー材料の上に第２の圧電スタック層を堆積させ、第２の圧電スタック層をパターニングする。シリコンウェハの第２の側面がエッチングされ、エネルギー回収デバイスが製造される。
【００４９】
ここで、図４を参照すると、本発明のエネルギー回収器デバイスを製造する方法の第１の実施形態は、本明細書に記載のようなエネルギー回収器デバイスを形成するようにパターニングされる層状材料のスタックである、層状材料スタック５０を形成することを含む。層状材料スタック５０は、以下の層状材料を含む：シリコンウェハ５２（第１の表面５１および第２の表面５３を有する）、第１の二酸化ケイ素層３２、接着層５４（任意選択である）、圧電スタック層３０（第１の金属層５６、圧電材料層５８、および第２の金属層６０を備える）。
【００５０】
図４に示されるように、本発明のエネルギー回収器デバイスを形成する方法の一実施形態は、第１の表面５１および第２の表面５３を有するシリコンウェハ５２を提供することと、シリコンウェハ５２の第１の表面５１上に、第１の二酸化ケイ素層３２（層の数字表示は、図１に示される本発明のエネルギー回収器の実施形態に関連することを理解されたい）を堆積させることと、第１の二酸化ケイ素層３２上に任意選択の接着層５４を堆積させることと、第１の二酸化ケイ素層３２上に第１の圧電スタック層３０を堆積させることにより、層状材料スタック５０を形成することを含む。
【００５１】
シリコンウェハ５２は、一実施形態によれば、単結晶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から約１，０００μｍ、約５００μｍから約９００μｍ、約６００μｍから約８００μｍ、または約７００μｍの厚さを有する。１つの具体例において、シリコンウェハ５２は、約７２５μｍ（＋／−１５μｍ）の厚さ（すなわち、８インチウェハの標準厚さ）を有する両面研磨シリコンウェハである。代替として、シリコンウェハ５２の代わりに、本発明の方法は、二酸化ケイ素の堆積層から開始して、その上に層状材料スタック５０の後続の層が形成されてもよい。
【００５２】
第１の二酸化ケイ素層３２は、一実施形態によれば、熱酸化物層である。一実施形態において、第１の二酸化ケイ素層３２は、約０．２５μｍから約２μｍの厚さを有する。シリコンウェハ５２の第１の表面５１への第１の二酸化ケイ素層３２の堆積は、当該技術分野において知られている方法により行うことができる。例えば、二酸化ケイ素を熱成長させ、次いでシリコンウェハ上に堆積させてもよい。１つの具体例において、１μｍ（＋／−０．０５μｍ）の熱成長ＳｉＯ２がシリコンウェハ５２上に堆積して、二酸化ケイ素層３２が形成される。
【００５３】
第１の圧電スタック層３０が第１の二酸化ケイ素層３２上に堆積して、金属／圧電材料／金属層が形成される。一実施形態によれば、圧電スタック層３０は、厚さ約０．５μｍから約６μｍ、または約２μｍから約５μｍの厚さを有する。第１の圧電スタック層３０は、第１の金属層５６、第２の金属層６０、および圧電層５８を含む。第１の金属層５６および第２の金属層６０は、電極として適切に機能する任意の好適な金属で形成され得る。一実施形態によれば、これらの層は、モリブデンまたは白金等の同じ材料で形成される。しかしながら、層の両方が同じ材料で形成される必要はない。圧電材料層５８は、上述のような任意の好適な圧電材料で形成される。一実施形態によれば、この層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成される。
【００５４】
第１の圧電スタック層３０の堆積は、当該技術において標準的であるように、その下に薄い接着層５４を用いて行うことができる。好適な接着層５４は、約０．０２μｍから約０．０５μｍの層厚のチタン、ＡｌＮ、Ａｌ：Ｃｕ、またはＡｌ等の材料を含み得る。
【００５５】
本発明のエネルギー回収器デバイスを作製する方法の一実施形態は、図５〜１７に示されるように進行する。
【００５６】
まず、図５に示されるように、圧電スタック層３０がパターニングされる。特に、圧電材料層５８および第２の金属層６０の一部（例えば、部分６２および６４）が、スタック５０から除去され、第１の金属層５６が露出される。本発明の方法に従う第１の圧電スタック層３０のパターニングは、金属層に対するリン酸、および水酸化テトラメチルアンモニウムを用いた湿式エッチングと組み合わせた、リソグラフィー技術を使用して達成され得る。層の湿式または乾式エッチングのための他の好適な化学物質もまた、当業者により一般的に使用され、本発明の方法の実行に使用され得る。
【００５７】
次に、図６に示されるように、一実施形態によれば、第１の圧電スタック層３０のパターニングは、第１の金属層５６の一部（例えば、部分６６）を除去するためおよびそのさらなる部分を電極として露出したままとするために、第１の金属層５６をパターニングすることを含む。電極のパターニングは、リン酸湿式エッチング、または塩素もしくはフッ素ガスを用いたプラズマ（乾式）エッチングを使用して実行され得る。接着層が存在する場合、接着層は、湿式エッチングに基づくアンモニア過酸化物により除去され得る（例えば、チタン接着層の場合）。
【００５８】
次に、図７に示されるように、パターニングされた第１の圧電スタック層３０および第１の二酸化ケイ素層３２の上に、第２の二酸化ケイ素層２８を堆積させる。第２の二酸化ケイ素層２８は、一実施形態によれば、高温酸化物層である。この層は、第１の圧電スタック層３０の電気的遮蔽を提供する。一実施形態によれば、このステップは、パッシベーション層用のケイ素を堆積させるために、シラン（ケイ素源）のプラズマ化学気相成長法を使用して行われる。この層は、約１μｍの厚さまで堆積し得る。
【００５９】
図８に示される次の方法ステップにおいて、堆積した第２の二酸化ケイ素層２８の上にカンチレバー材料２６を堆積させる。カンチレバー材料２６は、シリコン、ポリＳｉ、金属（例えば、ＣｕもしくはＮｉ）、または他の金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）適合性材料、あるいはポリイミド等の高温ポリマー等の任意の好適な材料であってもよい。一実施形態において、カンチレバー材料２６を、約１０μｍから約２００μｍ、約１０μｍから約７５μｍ、または約１０μｍから約５０μｍの厚さの範囲で化学気相成長法により第２の二酸化ケイ素層２８上に堆積させる。堆積後、例えば化学機械研磨により、カンチレバー材料２６の表面を平滑化することが望ましくなり得る。
【００６０】
次に、カンチレバー材料２６がパターニングされる。この方法ステップは、図９に示されている。一実施形態によれば、このパターニングは全て、乾燥プロセスにより行われてもよい。例えば、酸化物の場合フッ素ＣＨＦ３／ＣＦ４ガスおよび反応性イオンエッチング、ポリＳｉの場合ＳＦ６／Ｃ４Ｆ８深掘り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、当該技術分野において周知の湿式エッチングプロセスを使用することができる。
【００６１】
図１０は、カンチレバー層２６の上に第２の圧電スタック層２４を堆積させて、第２の金属／圧電材料／金属層を形成することを含む、次の方法ステップを示す。一実施形態によれば、第２の圧電スタック層２４は、厚さ約０．５μｍから約６μｍまたは約２μｍから約５μｍの厚さを有する。一実施形態によれば、第２の圧電スタック層２４は、任意選択の第１の金属層６８、圧電材料層７０、および第２の金属層７２を含む。別の実施形態において、第２の圧電スタック層２４は、パターニングされたカンチレバー材料２６上にある圧電材料層７０の上の第２の金属層７２を含む。この構成において、カンチレバー材料２６は、電極として有用である。
【００６２】
第１の金属層６８（存在する場合）および第２の金属層７２は、電極として適切に機能する任意の好適な金属で形成され得る。一実施形態によれば、これらの層は、モリブデンまたは白金等の同じ材料で形成される。しかしながら、層の両方が同じ材料で形成される必要はない。圧電材料層７０は、上述のような任意の好適な圧電材料で形成される。一実施形態によれば、この層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成される。
【００６３】
第２の圧電スタック層２４の堆積は、当該技術において標準的であるように、その下に薄い接着層７４を用いて行うことができる。好適な接着層７４は、約０．０２μｍから約０．０５μｍの層厚のチタン、ＡｌＮ、Ａｌ：Ｃｕ、またはＡｌ等の材料を含み得る。
【００６４】
次に、図１１に示されるように、第２の圧電スタック層２４がパターニングされる。特に、圧電材料層７０および第２の金属層７２の一部（例えば、部分７６および７８）が、第２の圧電スタック層２４から除去され、第１の金属層６８（存在する場合）またはカンチレバー材料層２６が露出される。
【００６５】
本発明の方法に従う第２の圧電スタック層２４のパターニングは、金属層に対するリン酸、および水酸化テトラメチルアンモニウムを用いた湿式エッチングと組み合わせたリソグラフィー技術を使用して達成され得る。層の湿式または乾式エッチングのための他の好適な化学物質もまた、当業者により一般的に使用され、本発明の方法の実行に使用され得る。
【００６６】
一実施形態によれば、本発明の方法は、第２のパターニングされた圧電スタック層、パターニングされたカンチレバー材料、および第１のパターニングされた圧電スタック層に、パッシベーション層を付加することと、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こととをさらに含んでもよい。別の実施形態によれば、本発明の方法は、シリコンウェハの第２の側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接着パッド層を堆積させることをさらに含んでもよい。
【００６７】
次の方法ステップにおいて、図１２に示されるように、パターニングされた第２の圧電スタック層２４、パターニングされたカンチレバー材料層２６、および第２の二酸化ケイ素層２８の上に、第３の二酸化ケイ素層２２を堆積させる。一実施形態によれば、このステップは、パッシベーション層用のケイ素を堆積させるために、シラン（ケイ素源）のプラズマ化学気相成長法を使用して行われる。この層は、約１μｍの厚さまで堆積し得る。別の実施形態によれば、第３の二酸化ケイ素層の堆積は、磨耗に対する堅牢性を構造に提供する任意選択のステップである。
【００６８】
図１３に示される方法ステップにおいて、第１、第２、および第３の二酸化ケイ素層３２、２８、および２２は、カンチレバーが背面エッチング後に解放されるようにパターニングされる。一実施形態によれば、このステップは、第１、第２、および第３の二酸化ケイ素層３２、２８、および２２の一部を除去して、シリコンウェハ５２の第１の表面５１を露出させることを含む。一実施形態によれば、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。
【００６９】
次に、図１４に示されるように、第３の二酸化ケイ素層２２がパターニングされる。一実施形態によれば、このステップは、第３の二酸化ケイ素層２２の一部を除去して、第１の圧電スタック層３０の部分８０および８２、ならびに第２の圧電層２４の部分８４および８６を露出したままとすることを含む。一実施形態によれば、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。
【００７０】
さらなる（任意選択の）方法ステップが図１５に示されるが、これは、パターニングされた第３の二酸化ケイ素層２２、ならびに第１の圧電スタック層３０の部分８０および８２、ならびに第２の圧電スタック層２４の部分８４および８６の上に堆積した金属接着パッド層８８を示している。接着パッド層８８は、堅牢なワイヤボンドがデバイスに形成されることを可能にする表面を提供し、それにより、良好な電気接続を確実にする。一実施形態によれば、金属接着パッド層８８は、約１μｍの厚さまで堆積し、また金属材料（例えば、Ａｌ）である。この層は、ワイヤボンドの信頼性を改善するために堆積させる。
【００７１】
図１６は、存在する場合には金属接着パッド層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。一実施形態によれば、金属接着パッド層８８は、上部および下部電極接続用の開口部よりも若干長くパターニングされる。一実施形態において、金属接着パッド層８８のパターニングは、リン酸に基づく湿潤エッチング化学を使用して行われる。しかしながら、他の方法もまた使用され得る。
【００７２】
次の方法ステップは、図１７に示されるが、シリコンウェハ５２が表面５３でエッチングされて共振器ビーム１２、基部１８、および塊体２０を形成し、このようにして本発明のエネルギー回収デバイスの一実施形態が製造される。換言すれば、シリコンウェハ５２の一部がエッチング除去されて、共振器ビーム１２となったものの下に穴９０を形成し、基部１８となったシリコンウェハ５２の一部と、塊体２０となったシリコンウェハ５２の一部との間に間隔を形成する。一実施形態によれば、シリコンウェハ５２のエッチングは、リソグラフィー技術およびＳＦ６／Ｃ４Ｆ８化学による深掘り反応性イオンエッチングを使用して行われる。
【００７３】
本発明のさらなる態様は、エネルギー回収器デバイスを製造する方法に関する。この方法は、第１および第２の表面を有するシリコンウェハを提供することを含む。シリコンウェハの第１の表面上に、第１の二酸化ケイ素層を堆積させる。第１の二酸化ケイ素層上に第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の圧電スタック層の上に、第２の二酸化ケイ素層を堆積させる。堆積した第２の二酸化ケイ素層の上にカンチレバー材料を堆積させる。堆積したカンチレバー材料の上に、第３の二酸化ケイ素層を堆積させる。カンチレバー材料の上に第２の圧電スタック層を堆積させ、パターニングする。第３の二酸化ケイ素層およびカンチレバー材料をパターニングする。シリコンウェハの第２の側面をエッチングして、エネルギー回収デバイスが製造される。
【００７４】
図１８に示されるように、本発明のエネルギー回収器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および第２の表面１５３を有するシリコンウェハ１５２（上述の通り）を提供することと、シリコンウェハ１５２の第１の表面１５１上に、第１の二酸化ケイ素層１３４（層の数字表示は、図２に示される本発明のエネルギー回収器の実施形態に関連することを理解されたい）を堆積させることと、第１の二酸化ケイ素層１３４上に任意選択の接着層１５４を堆積させることと、第１の二酸化ケイ素層１３４上に第１の圧電スタック層１３２を堆積させることにより、層状材料スタック１５０を形成することを含む。
【００７５】
第１の二酸化ケイ素層１３４は、一実施形態によれば、熱酸化物層である。一実施形態において、第１の二酸化ケイ素層１３４は、約０．２５μｍから約２μｍの厚さを有する。シリコンウェハ５２の第１の表面５１への第１の二酸化ケイ素層１３４の堆積は、当該技術分野において知られている方法により行うことができる。例えば、二酸化ケイ素を熱成長させ、次いでシリコンウェハ上に堆積させてもよい。１つの具体例において、１μｍ（＋／−０．０５μｍ）の熱成長ＳｉＯ２がシリコンウェハ５２上に堆積して、二酸化ケイ素層１３４が形成される。
【００７６】
第１の圧電スタック層１３２が第１の二酸化ケイ素層１３４上に堆積して、金属／圧電材料／金属層が形成される。一実施形態によれば、圧電スタック層１３４は、厚さ約０．５μｍから約６μｍ、または約２μｍから約５μｍの厚さを有する。第１の圧電スタック層１３２は、第１の金属層１５６、第２の金属層１５８、および圧電層１６０を含む。第１の金属層１５６および第２の金属層１５８は、電極として適切に機能する任意の好適な金属で形成され得る。一実施形態によれば、これらの層は、モリブデンまたは白金等の同じ材料で形成される。しかしながら、層の両方が同じ材料で形成される必要はない。圧電材料層１６０は、上述のような任意の好適な圧電材料で形成される。一実施形態によれば、この層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成される。
【００７７】
第１の圧電スタック層１３２の堆積は、当該技術において標準的であるように、その下に薄い接着層１５４を用いて行うことができる。好適な接着層１５４は、約０．０２μｍから約０．０５μｍの層厚のチタン、ＡｌＮ、Ａｌ：Ｃｕ、またはＡｌ等の材料を含み得る。
【００７８】
本発明のエネルギー回収器デバイスを作製する方法の一実施形態は、図１９〜３３に示されるように進行する。まず、図１９に示されるように、圧電スタック層１３２がパターニングされる。特に、圧電材料層１６０および第２の金属層１５８の一部（例えば、部分１６２および１６４）が、スタック５０から除去され、第１の金属層１５６が露出される。本発明の方法に従う第１の圧電スタック層１３２のパターニングは、金属層に対するリン酸、および水酸化テトラメチルアンモニウムを用いた湿式エッチングと組み合わせたリソグラフィー技術を使用して達成され得る。層の湿式または乾式エッチングのための他の好適な化学物質もまた、当業者により一般的に使用され、本発明の方法の実行に使用され得る。
【００７９】
次に、図２０に示されるように、一実施形態によれば、第１の圧電スタック層１３２のパターニングは、第１の金属層１５６の一部（例えば、部分１６６）を除去するためおよびそのさらなる部分を電極として露出したままとするために、第１の金属層１５６をパターニングすることを含む。電極のパターニングは、リン酸湿式エッチング、または塩素もしくはフッ素ガスを用いたプラズマ（乾式）エッチングを使用して実行され得る。接着層が存在する場合、接着層は、湿式エッチングに基づくアンモニア過酸化物により除去され得る（例えば、チタン接着層の場合）。
【００８０】
次に、図２１に示されるように、パターニングされた第１の圧電スタック層１３２および第１の二酸化ケイ素層１３４の上に、第２の二酸化ケイ素層１３０を堆積させる。第２の二酸化ケイ素層１３０は、一実施形態によれば、高温酸化物層である。この層は、第１の圧電スタック層１３２の電気的遮蔽を提供する。一実施形態によれば、このステップは、パッシベーション層用のケイ素を堆積させるために、シラン（ケイ素源）のプラズマ化学気相成長法を使用して行われる。この層は、約１μｍの厚さまで堆積し得る。
【００８１】
図２２に示される次の方法ステップにおいて、堆積した第２の二酸化ケイ素層１３０の上にカンチレバー材料１２８を堆積させる。カンチレバー材料１２８は、シリコン、ポリＳｉ、金属（例えば、ＣｕもしくはＮｉ）、または他の金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）適合性材料、あるいはポリイミド等の高温ポリマー等の任意の好適な材料であってもよい。一実施形態において、カンチレバー材料１２８を、約１０μｍから約２００μｍ、約１０μｍから約７５μｍ、または約１０μｍから約５０μｍの厚さの範囲で化学気相成長法により第２の二酸化ケイ素層１３０上に堆積させる。堆積後、例えば化学機械研磨により、カンチレバー材料１２８の表面を平滑化することが望ましくなり得る。
【００８２】
次に、図２３に示されるように、カンチレバー層１２８の上に第３の二酸化ケイ素層１２６を堆積させる。第３の二酸化ケイ素層１２６は、一実施形態によれば、高温酸化物層である。一実施形態によれば、このステップは、パッシベーション層用のケイ素を堆積させるために、シラン（ケイ素源）のプラズマ化学気相成長法を使用して行われる。この層は、約１μｍの厚さまで堆積し得る。
【００８３】
図２４は、第３の二酸化ケイ素層１２６の上に第２の圧電スタック層１２４を堆積させて、第２の金属／圧電材料／金属層を形成することを含む、次の方法ステップを示す。一実施形態によれば、第２の圧電スタック層１２４は、厚さ約０．５μｍから約６μｍまたは約２μｍから約５μｍの厚さを有する。一実施形態によれば、第２の圧電スタック層１２４は、第１の金属層１６８、圧電材料層１７０、および第２の金属層１７２を含む。
【００８４】
第１の金属層１６８および第２の金属層１７２は、電極として適切に機能する任意の好適な金属で形成され得る。一実施形態によれば、これらの層は、モリブデンまたは白金等の同じ材料で形成される。しかしながら、層の両方が同じ材料で形成される必要はない。圧電材料層１７０は、上述のような任意の好適な圧電材料で形成される。一実施形態によれば、この層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成される。
【００８５】
第２の圧電スタック層１２４の堆積は、当該技術において標準的であるように、その下に薄い接着層１７４を用いて行うことができる。好適な接着層１７４は、約０．０２μｍから約０．０５μｍの層厚のチタン、ＡｌＮ、Ａｌ：Ｃｕ、またはＡｌ等の材料を含み得る。
【００８６】
次に、図２５に示されるように、第２の圧電スタック層１２４がパターニングされる。特に、圧電材料層１７０および第２の金属層１７２の一部（例えば、部分１７６および１７８）が、第２の圧電スタック層１２４から除去され、第１の金属層１６８が露出される。本発明の方法に従う第２の圧電スタック層１２４のパターニングは、金属層に対するリン酸、および水酸化テトラメチルアンモニウムを用いた湿式エッチングと組み合わせたリソグラフィー技術を使用して達成され得る。層の湿式または乾式エッチングのための他の好適な化学物質もまた、当業者により一般的に使用され、本発明の方法の実行に使用され得る。
【００８７】
次に、図２６に示されるように、一実施形態によれば、第２の圧電スタック層１２４のパターニングは、第１の金属層１６８の一部（例えば、部分１７９）を除去するためおよびそのさらなる部分を電極として露出したままとするために、第１の金属層１６８をパターニングすることを含む。電極のパターニングは、リン酸湿式エッチング、または塩素もしくはフッ素ガスを用いたプラズマ（乾式）エッチングを使用して実行され得る。接着層が存在する場合、接着層は、湿式エッチングに基づくアンモニア過酸化物により除去され得る（例えば、チタン接着層の場合）。
【００８８】
次に、カンチレバー材料１２８および第３の二酸化ケイ素層１２６がパターニングされる。この方法ステップは、図２７に示されている。一実施形態によれば、このパターニングは全て、乾燥プロセスにより行われてもよい。例えば、酸化物の場合フッ素ＣＨＦ３／ＣＦ４ガスおよび反応性イオンエッチング、ポリＳｉの場合ＳＦ６／Ｃ４Ｆ８深掘り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、当該技術分野において周知の湿式エッチングプロセスを使用することができる。
【００８９】
一実施形態によれば、本発明の方法は、第２のパターニングされた圧電スタック層、パターニングされたカンチレバー材料、および第１のパターニングされた圧電スタック層に、パッシベーション層を付加することと、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こととをさらに含んでもよい。別の実施形態によれば、本発明の方法は、シリコンウェハの第２の側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接着パッド層を堆積させることをさらに含んでもよい。
【００９０】
次の方法ステップにおいて、図２８に示されるように、パターニングされた第２の圧電スタック層１２４および第２の二酸化ケイ素層１３０の上に、第４の二酸化ケイ素層１２２を堆積させる。一実施形態によれば、このステップは、パッシベーション層用のケイ素を堆積させるために、シラン（ケイ素源）のプラズマ化学気相成長法を使用して行われる。この層は、約１μｍの厚さまで堆積し得る。別の実施形態によれば、第３の二酸化ケイ素層の堆積は、磨耗に対する堅牢性を構造に提供する任意選択のステップである。
【００９１】
図２９に示される方法ステップにおいて、第１、第２、および第４の二酸化ケイ素層１３４、１３０、および１２２は、カンチレバーが背面エッチング後に解放されるようにパターニングされる。一実施形態によれば、このステップは、第１、第２、および第４の二酸化ケイ素層１３４、１３０、および１２２の一部を除去して、シリコンウェハ１５２の第１の表面１５１を露出させることを含む。一実施形態によれば、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。
【００９２】
次に、図３０に示されるように、第４の二酸化ケイ素層１２２がパターニングされる。一実施形態によれば、このステップは、第４の二酸化ケイ素層１２２の一部を除去して、第１の圧電スタック層１３２の部分１８０および１８２、ならびに第２の圧電層１２４の部分１８４および１８６を露出したままとすることを含む。一実施形態によれば、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。
【００９３】
さらなる（任意選択の）方法ステップが図３１に示されるが、これは、パターニングされた第４の二酸化ケイ素層１２２、ならびに第１の圧電スタック層１３２の部分１８０および１８２、ならびに第２の圧電スタック層１２４の部分１８４および１８６の上に堆積した金属接着パッド層１８８を示している。接着パッド層１８８は、堅牢なワイヤボンドがデバイスに形成されることを可能にする表面を提供し、それにより、良好な電気接続を確実にする。一実施形態によれば、金属接着パッド層１８８は、約１μｍの厚さまで堆積し、また金属材料（例えば、Ａｌ）である。この層は、ワイヤボンドの信頼性を改善するために堆積させる。
【００９４】
図３２は、存在する場合には金属接着パッド層１８８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。一実施形態によれば、金属接着パッド層１８８は、上部および下部電極接続用の開口部よりも若干長くパターニングされる。一実施形態において、金属接着パッド層１８８のパターニングは、リン酸に基づく湿潤エッチング化学を使用して行われる。しかしながら、他の方法もまた使用され得る。
【００９５】
次の方法ステップは、図３３に示されるが、シリコンウェハ１５２が表面１５３でエッチングされて共振器ビーム１１２、基部１１８、および塊体１２０を形成し、このようにして本発明のエネルギー回収デバイスの一実施形態が製造される。換言すれば、シリコンウェハ１５２の一部がエッチング除去されて、共振器ビーム１１２となったものの下に穴１９０を形成し、基部１１８となったシリコンウェハ１５２の一部と、塊体１２０となったシリコンウェハ１５２の一部との間に間隔を形成する。一実施形態によれば、シリコンウェハ１５２のエッチングは、リソグラフィー技術およびＳＦ６／Ｃ４Ｆ８化学による深掘り反応性イオンエッチングを使用して行われる。
【００９６】
本明細書において、好ましい実施形態を詳細に描写および説明したが、関連技術の当業者には、本発明の精神から逸脱せずに、様々な修正、追加、置換等が行われてもよいことが明らかであり、したがって、これらは、添付の特許請求の範囲において定義されるような本発明の範囲内に含まれるとみなされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【国際調査報告】
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