Fabrication of AlN piezoelectric micro power generator suitable with CMOS process and its characteristics

CMOS 공정에 적합한 AlN 압전 마이크로 발전기의 제작 및 특성

정귀상

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Fabrication of AlN piezoelectric micro power generator suitable with CMOS process and its characteristics

Gwiy-sang Chung

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Abstract

This paper describes the fabrication and characteristics of AlN piezoelectric MPG(micro power generator). The micro energy harvester was fabricated to convert ambient vibration energy to electrical power as a AlN piezoelectric cantilever with Si proof-mass. To be compatible with CMOS process, AlN thin film was grown at low temperature by RF magnetron sputtering and micro power generators were fabricated by MEMS technologies. X-ray diffraction pattern proved that the grown AlN film had highly(002) orientation with low value of FWHM(full width at the half maximum, θ = 0.276 ^o ) in the rocking curve around(002) reflections. The implemented harvester showed the 198.5 µm highest membrane displacement and generated 6.4 nW of electrical power to 80 k Ω resistive load with 22.6 mV rms voltage from 1.0 G acceleration at its resonant frequency of 389 Hz. From these results, the AlN piezoelectric MPG will be possible to suitable with the batch process and confirm the possibility for power supply in portable, mobile and wearable microsystems.

Key Words : micro power generator, vibration energy, energy harvesting

1. 서 론

집적기술과 저전력 전자기술의 발전과 더불어 센서노 드 및 초소형 MEMS 소자의 전원을 자체 공급하기 위 한 마이크로 발전기(MPG)에 대한 연구가 활발하다 ^[1] . 그 중에서 기계적 진동을 이용한 압전 에너지 하베스 팅 기술은 현재 상용화 단계에 이른 태양전지에 비해 에너지 효율은 낮지만 임베디드 전자장치 및 초소형 소자용 전원으로 사용이 가능하며 시간적 제약이 없이 지속적으로 사용이 가능하다 ^[2] .

MPG가 실질적으로 소형 센서노드 및 MEMS 소자 에 적용되기 위해서는 소자와 조합되어 동일 칩 상에 집적화되어야 한다. 하지만 기존의 PZT 세라믹과 상용 화된 바이모플을 이용한 압전 하베스터 제작 기술에 있어 일괄공정이 불가능 하며, Pb 성분으로 인해 인체

에 유해하다는 단점을 가지고 있다 ^[3] .

AlN은 압전 에너지 하베스터 제작에 사용되는 물질 중 비교적 낮은 압전 상수를 가지지만, 인체에 무해하 며 안정적인 유전상수, 높은 양호도와 결합계수를 가져, 압전 특성을 이용한 표면 탄성파 소자나 체적 탄성파 공진기와 같은 다양한 분야에 응용이 가능하다 ^[4] . 또한, 높은 전기적 저항과 낮은 증착온도 특성으로 CMOS 공정의 호환성을 가진 가장 유용한 압전 물질로 주목 받고 있다 ^[5] .

일반적으로 CMOS 공정과의 호환성을 갖추기 위해 서는 400 ^o C 이하의 낮은 열처리 온도와 표면 미세가 공 기술이 필수적이다. 따라서 AlN을 절연층과 압전 물질로 사용하여 스퍼터를 이용해 저온 증착하는 것은 후처리 과정으로서 MEMS형 MPG를 IC칩 상에 직접 제작할 수 있을 뿐만 아니라 일괄공정 및 CMOS 공정 과의 호환을 가능하게 한다 ^[6] .

본 연구에서는 AlN 압전 박막과 반도체 MEMS 기 술을 사용하여 CMOS 공정과의 높은 호환성을 가지며, 고 집적화 및 일괄공정이 가능한 진동형 AlN 압전 MPG를 제작하여 그 특성을 분석하였다.

울산대학교 전기전자정보시스템공학부(School of Electrical Eng., University of Ulsan)

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Corresponding author : [email protected]

(Received : January 12, 2010, Revised : March 19, April 14, 2010

Accepted : April 16, 2010)

2. 실험 방법

켄틸레버 끝단에 집중질량을 갖는 구조로 제작하기 위해 500 µ m 두께의 Si 기판을 갖는 4 인치 SOI 기판 을 사용하였다 . ^{누설전류를 차단하기 위해} SOI ^기판

위에 절연특성이 뛰어난 AlN 박막을 0.05 µ m 증착하 였으며 AlN 의 (002) 방향의 우수한 축배양성을 위해

Mo(0.3 ^µ m) ^{을 하부전극으로 사용하였다 [7]} . CMOS ^공

정과의 호환성을 위해 RF 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 고온의 열처리 없이 300 ^o C 의 낮은 기판온도 에서 AlN ^{압전 박막} (1 ^µ m) ^과 Mo(0.3 ^µ m) 상부전극을 증착하였다 . Mo 과 AlN 박막은 습식식각으로 패터닝 하였으며 , ^{집중질량을 제작하기위해 기판으로 사용한} SOI 웨이퍼의 끝부분을 ICP-RIE 를 사용하여 건식 식 각하였다 . Fig. 1 은 제작한 진동형 AlN 압전 MPG 의

SEM ^{이미지이다} .

Fig. 2 는 진동형 MPG 의 특성 분석용 진동 측정 시 스템의 블록 다이어그램이다 . 측정 장치는 진동을 일으 킬 수 있는 가진기와 전원을 공급해주는 앰프 , ^일정한

파형을 공급하는 함수 발생기 , 진동으로부터 가속도를 측정할 수 있는 가속도계 , 진동에 따른 형상과 변위를 측정할 수 있는 레이져 바이브로미터 (polytec PSV-400 scanning head), 그리고 출력파형을 관찰할 수 있는 오 실로스코프로 구성됐다 . 이러한 측정 시스템을 이용하 여 제작된 MPG 에 기계적 진동 에너지를 인가했을 때 ,

레이져 스캔을 통한 MPG 의 진동 형상과 변위 그리고 오실로스코프를 통하여 압전층으로 부터 출력되는 전 기 에너지의 특성을 분석하였다 .

Fig. 3 은 제작한 MPG 를 부하 전압 측정에 사용한 회로도이다 ^[8] . ^{회로도는 진동에 의해 전류가 발생하는} MPG 와 발생한 교류 전류를 정류하는 쇼트키 다이오

드 브릿지 회로 , 그리고 저장 캐패시터와 가변저항으로 구성되어 있다 . 10 nF ^{캐패시터를 사용하여 충} · 방전에

소요되는 시간을 줄이고자 하였으며 , 1 M Ω의 오실로

스코프의 내부저항을 낮추기 위해 가변저항을 병렬로 연결하여 부하 저항의 변화에 따른 출력 전압특성을 알아보았다 .

3. 결과 및 고찰

Fig. 4 ^는 AlN ^{박막의 결정 구조와 축배향성을 분석}

하기 위한 XRD 회절 측정결과이다 . 측정결과 , 증착한 다결정 AlN 박막은 전극으로 증착한 Mo (110) 피크와

AlN ^의 (002) ^{배향성 이외에 다른 피크가 관찰되지 않}

았으며 , θ rocking curve 결과 Mo 하부전극의 영향으 로 0.276 ^o 의 매우 낮은 FWHM 값을 나타내어 AlN/Si

구조 보다 c- ^{축으로 우선 배향된 결정입자들이 고르게}

분포됨을 확인했다 ^[9] .

Fig. 5 는 레이져 바이브로미터를 사용하여 분석한 진

동형 AlN 압전 MPG 의 변위 측정 결과이다 . 1.0 G 의 가속도를 인가하였을 때 389 Hz 의 1 차 공진에서 약

110 µm ^의 Tip ^{변위를 나타내었으며} , ^{최대응력이 발생}

하는 고정단부위의 멤브레인 부분에서 198.5 µm 의 최 Fig. 1. SEM image of fabricated AlN MPG based on

vibration.

Fig. 2. Block diagram of measurement system for MPG.

Fig. 3. Rectification and storage circuit diagram of MPG.

대 변위를 나타내었다 . 이는 상 · 하의 균일한 진동이 발생하는 1 차 공진에서 굽힘이 자유로운 멤브레인단에 비해 집중질량의 영향으로 켄틸레버 끝단의 변위가 상 대적으로 낮은 것이라 사료된다 .

Fig. 6 은 MPG 의 주파수 변화에 따른 출력 전압을 나 타낸 것이다 . ^{함수발생기와 진동기를 사용하여} MPG ^에

진동을 인가하였으며 1.0 G ^{의 인가 가속도에서 멤브레}

인의 길이가 서로 다른 3 개의 샘플 (1.4, 1.2, 1.0 mm) 을 사용하여 주파수 변화에 따른 출력 전압을 측정하였다 .

실험결과 샘플 모두 공진점에서 최대 개방회로 전압이 발생함을 알 수 있었다 . 이는 ICP-RIE 과정에 있어서 발생한 언더컷의 영향으로 집중질량의 감소하여 공진 주파수가 높아진 것으로 사료된다 . 또한 동일한 구조에 서 멤브레인의 길이만 증가하였을 때 멤브레인 길이가 길어질수록 최대 출력 전압은 증가하였다 . ^{이는 오일러}

의 수식에서와 같이 멤브레인 길이에 비례하여 동작주 파수가 감소하나 상대적으로 압전체의 면적이 증가하 여 출력 전압은 증가한 것으로 사료된다 ^[10] .

Fig. 7 은 AlN MPG 의 가속도 변화에 대한 개방회로 의 출력 전압을 나타낸 것이다 . 멤브레인의 길이가 서 로 다른 3 ^{개의 샘플} (1.4, 1.2, 1.0 mm) ^{을 사용하여 공진}

에서 가속도 값을 0.5 G~3.0 G 까지 변화시켰으며 , 실 험 결과 인가 가속도 값에 비례하여 개방회로 전압이 선형적으로 증가했다 .

Fig. 4. (a) XRD 2 spectra and (b) rocking curve of AlN piezoelectric film.

Fig. 5. Magnitude and shape of displacement for the AlN MPG measured by using the laser scan equipment.

Fig. 6. Variations of output voltage according to the frequency and membrane length.

Fig. 7. Variations of open circuit output voltage according

to acceleration.

Fig. 8 ^은 MPG ^{의 부하저항 변화에 따른 출력 전압}

및 전력 값을 나타낸 것이다 . 1.4 mm 의 멤브레인 길이 를 갖는 샘플에 389 Hz 와 1.0 G 의 인가 가속도를 유지 하고 10 nF 의 저장 캐패시터를 갖는 브릿지 정류회로 를 사용하여 부하저항 변화에 따른 출력전압을 측정하 였다 . ^{실험 결과 약} 80 k ^{Ω의 부하에서 최대} 전력전송 이 이루어 졌으며 이때 출력전압은 22.6 mV 로 6.4 nW (11.3 µ W/cm ³ ) 의 출력전력을 발생하였다 .

4. 결 론

본 연구는 CMOS ^{공정과 높은 호환성을 가지며 집}

적화 및 반도체 MEMS 기술을 이용하여 일괄공정이 가

능한 진동형 AlN 압전 MPG 를 제작하여 특성을 분석 하였다 . XRD ^{분석 결과} , Mo ^{하부전극의 영향으로} 0.276 ^o 의 FWHM 값을 나타내며 , 기존의 AlN/Si 구조보 다 c- 축으로 우선 배향된 결정입자들이 고르게 분포됨 을 확인했다 . ^또한 , ^{진동 측정 시스템을 이용한 특성 분}

석 결과 1.0 G 의 가속도 389 Hz, 1 차공진에서 198.5 µm

의 최대 변위와 최대 전압이 발생했으며 , 부하전압 측 정 결과 , 약 80 k Ω의 부하에서 최대 전력전송을 이루

어 6.4 nW(11.3 µ W/cm ³ ) 의 출력을 발생했다 . 이것은 시뮬레이션을 이용해 예측한 결과와 유사한 특성임을 확인할 수 있었다 .

이상의 결과로 AlN 압전 박막을 사용하여 제작한

진동형 AlN 압전 MPG 는 주변의 일상적 진동 환경에 서 전력을 발생할 수 있음을 확인하였으며 , 또한

MEMS 기술을 이용한 일괄공정에서도 적용이 가능하

기에 , 향후 CMOS 공정과 높은 호환성을 가지며 집적

화 및 저전력을 요구하는 다양한 MEMS 분야에 적용될

것으로 기대된다 .

감사의 글

본 연구는 방위사업청 및 국방과학연구소 지원으로 수행되는 차세대군용전원특화연구센터 사업의 일환으 로 수행되었습니다 .

참고 문헌

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Fig. 8. Comparison of the experimental and simulated

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function of resistive load.

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정 귀 상

• 1992년 3월 TUT(공학박사)

• 2004년 2월 UC Berkeley 연구교수

• 2009년 8월 Stanford University 방문교수

• 현재 울산대학교 전기전자정보시스템공 학부 교수

• 주관심분야: Sensor nodes & Energy harvesting based on M/NEMS

이 병 철

• 2010년 2월 울산대학교 전기전자정보시 스템 공학부(공학사)

• 현재 울산대학교 전기전자정보시스템 공 학부(석사과정)

• 주관심분야: Energy harvesting based

on M/NEMS