基礎知識之薄膜壓電MEMS

壓電表示壓電元件（Piezoelectric　Element、Piezoelectric Device），壓電元件是指通過(guò)施加力（壓力）產(chǎn)生電壓（壓電效應），或與之相反，通過(guò)施加電壓產(chǎn)生變形（逆壓電效應）的元件。

壓電元件使用具有壓電效應的壓電材料。施力時(shí)，（+）正離子、（-）負離子的位置會(huì )移動(dòng)，產(chǎn)生（+）和（-）電荷的偏移（電極化），從而產(chǎn)生電壓。

利用壓電效應的主要用途是傳感器，利用逆壓電效應的主要用途是執行機構。

壓電材料大致分為單晶、陶瓷、薄膜等。

羅姆采用的是使用鋯鈦酸鉛（PZT）的薄膜壓電。 PTZ取自元素符號（PbZrxTi1-xO3）（0<x<1）的首字母，壓電性能非常強，稱(chēng)得上是壓電元件的主角。

大致將厚度約為幾μm的叫作薄膜壓電（壓電薄膜），幾十μm以上的叫作塊體壓電（厚膜壓電）。 利用薄膜壓電可以實(shí)現元件的小型化、集成化、高精度化、低功耗化。

生成薄膜PZT的方法有溶膠凝膠法、濺射法、MOCVD法等。下表匯總了其各自的特點(diǎn)。

羅姆的薄膜壓電MEMS代工為實(shí)現融合自有薄膜壓電和LSI微細加工技術(shù)的小型、節能、高性能產(chǎn)品，提供從試制、開(kāi)發(fā)到量產(chǎn)的全程支持。

壓電(Piezo)：指壓電元件（piezoelectric element、piezoelectric device）

壓電效應：通過(guò)施加力（壓力）產(chǎn)生電壓的現象

逆壓電效應：通過(guò)施加電壓產(chǎn)生變形的現象

壓電元件：利用壓電效應、逆壓電效應的零件、元件

傳感器：利用科學(xué)原理將現象和信息等轉換為電信號等的裝置

執行機構：將電等能源轉換為機械運動(dòng)，用于運行設備的驅動(dòng)裝置

離子：指因電子過(guò)?；蛉笔Ф鴶y帶電荷的原子

壓電材料：表現壓電性的結晶性物質(zhì)的統稱(chēng)

壓電單晶：材料內部的晶體結構均勻連續的壓電材料

壓電陶瓷：擁有晶粒結構或疇壁結構的壓電體

晶粒結構：在多晶體中，2個(gè)以上的小晶體之間存在的界面

疇壁結構：晶體內存在極化方向不同的邊界的結構

極化：置于電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生正負電化，或是產(chǎn)生磁極的現象

PZT：指鋯鈦酸鉛（PbZrxTi1-xO3）（0<x<1）

濺射：使高能粒子撞擊金屬表面，利用飛出的原子進(jìn)行制膜的方法

CSD：通過(guò)涂布、燒成金屬有機酸鹽或化合物溶液形成薄膜的方法

溶膠凝膠法：CSD的一種。通過(guò)對溶膠狀態(tài)的液體進(jìn)行加熱、燒成來(lái)得到薄膜的方法

溶膠狀態(tài)：以液體為分散介質(zhì)的膠體（例：肥皂水、漿糊、蛋清、牛奶、蛋黃醬等）

凝膠狀態(tài)：溶膠狀態(tài)喪失流動(dòng)性后的狀態(tài)

MOCVD：有機金屬氣相沉積法，使用有機金屬和氣體作為原料的晶體生長(cháng)方法

占板面積：占有面積，這里指設置裝置時(shí)使用的面積

壓電體：指通過(guò)施加應力產(chǎn)生極化（電壓）的介電體

熱釋電體：即使不從外部施加電場(chǎng)，也可以自發(fā)極化的壓電體

鐵電體：從外部施加電場(chǎng)可以使極化方向反轉的熱釋電體

薄膜壓電：指壓電材料的厚度約為幾μm的壓電元件

塊體壓電：指壓電材料的厚度為幾十μm以上的壓電元件

MEMS是Micro Electro Mechanical Systems（微機電系統）的縮寫(xiě)，具有微小的立體結構（三維結構），是處理各種輸入、輸出信號的系統的統稱(chēng)。 是利用微細加工技術(shù)，將機械零零件、電子電路、傳感器、執行機構集成在一塊電路板上的高附加值元件。

MEMS工藝以成膜工序、光刻工序、蝕刻工序等常規半導體工藝流程為基礎。

下面介紹MEMS工藝的部分關(guān)鍵技術(shù)。

SOI晶圓

SOI是Silicon On Insulator的縮寫(xiě)，是指在氧化膜上形成了單晶硅層的硅晶圓。已廣泛應用于功率元件和MEMS等，在MEMS中可以使用氧化膜層作為硅蝕刻的阻擋層，因此能夠形成復雜的三維立體結構。

TAIKO磨削 　“TAIKO”是DISCO株式會(huì )社的商標

TAIKO磨削是DISCO公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)，在磨削晶圓時(shí)保留最外圍的邊緣，只對其內側進(jìn)行磨削。

TAIKO磨削與通常的磨削相比，具有“晶圓曲翹減少”、“晶圓強度更高”、“處理容易”、“與其他工藝的整合性更高”等優(yōu)點(diǎn)。

晶圓粘合/熱剝離片工藝

通過(guò)使用支撐晶圓和熱剝離片，可以輕松對薄化晶圓進(jìn)行處理等。

晶圓鍵合

晶圓鍵合大致分為“直接鍵合”、“通過(guò)中間層鍵合”2類(lèi)。

直接鍵合不使用粘合劑等，是利用熱處理產(chǎn)生的分子間力使晶圓相互粘合的鍵合，用于制作SOI晶圓等。 通過(guò)中間層鍵合是借助粘合劑等使晶圓互相粘合的鍵合方法。

各向同性蝕刻與各向異性蝕刻

通過(guò)在低真空中放電使等離子體產(chǎn)生離子等粒子，利用該粒子進(jìn)行蝕刻的技術(shù)稱(chēng)為反應離子蝕刻。 等離子體中混合存在著(zhù)攜帶電荷的離子和中性的自由基，具有利用自由基的各向同性蝕刻、利用離子的各向異性蝕刻兩種蝕刻作用。

硅深度蝕刻

集各向異性蝕刻和各向同性蝕刻的優(yōu)點(diǎn)于一身的博世工藝技術(shù)已經(jīng)成為了硅深度蝕刻的主流技術(shù)。

通過(guò)重復進(jìn)行Si蝕刻?聚合物沉積?底面聚合物去除，可以進(jìn)行縱向的深度蝕刻。 側壁的凹凸因形似扇貝，稱(chēng)為“扇貝形貌”。

ALD（原子層沉積）

ALD是Atomic Layer Deposition（原子層沉積）的縮寫(xiě)，是通過(guò)重復進(jìn)行材料供應（前體）和排氣，利用與基板之間的表面反應，分步逐層沉積原子的成膜方式。 通過(guò)采用這種方式，只要有成膜材料可以通過(guò)的縫隙，就能以納米等級的膜厚控制，在小孔側壁和深孔底部等部位成膜，在深度蝕刻時(shí)的聚合物沉積等MEMS加工中形成均勻的成膜。

羅姆的薄膜壓電MEMS代工運用自身?yè)碛械南冗M(jìn)薄膜壓電技術(shù)和MEMS加工技術(shù)，以及得到了量產(chǎn)業(yè)績(jì)印證的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，為實(shí)現小型、節能、高性能產(chǎn)品，提供從試制、開(kāi)發(fā)到量產(chǎn)的全程支持。

關(guān)于MEMS相關(guān)術(shù)語(yǔ)的簡(jiǎn)要說(shuō)明。

MEMS:Micro Electro Mechanical Systems的縮寫(xiě)。具有微小的立體結構（三維結構），是處理各種輸入、輸出信號的元件、系統的統稱(chēng)。

各向同性蝕刻:利用自由基沿深度方向、橫向進(jìn)行的蝕刻

各向異性蝕刻:利用離子沿深度方向進(jìn)行的蝕刻

博世工藝:Si深度蝕刻的主要技術(shù)。組合了各向同性蝕刻與各向異性蝕刻的技術(shù)

扇貝形貌:利用博世工藝形成的側壁的凹凸形狀

SOI晶圓:Silicon On Insulator的縮寫(xiě)。在氧化膜上形成了單晶硅層的硅晶圓。

TAIKO磨削:磨削晶圓時(shí)保留最外圍的邊緣，只對其內側進(jìn)行磨削的技術(shù) ＊“TAIKO”是DISCO株式會(huì )社的商標

支撐晶圓:為滿(mǎn)足薄晶圓的處理和工藝的需要而用作支撐的晶圓

晶圓粘合:為滿(mǎn)足薄晶圓的處理和工藝的需要而粘合支撐用基板（支撐晶圓）

晶圓鍵合:以封裝等為目的進(jìn)行的晶圓之間的鍵合

ALD（原子層沉積）:分步逐層沉積原子的成膜方式。