基礎知識之薄膜壓電MEMS

壓電表示壓電元件（Piezoelectric　Element、Piezoelectric Device），壓電元件是指通過施加力（壓力）產生電壓（壓電效應），或與之相反，通過施加電壓產生變形（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，（+）正離子、（-）負離子的位置會移動，產生（+）和（-）電荷的偏移（電極化），從而產生電壓。

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(zhí)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。

羅姆的薄膜壓電MEMS代工為實現融合自有薄膜壓電和LSI微細加工技術的小型、節(jié)能、高性能產品，提供從試制、開發(fā)到量產的全程支持。

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

壓電效應：通過施加力（壓力）產生電壓的現象

逆壓電效應：通過施加電壓產生變形的現象

壓電元件：利用壓電效應、逆壓電效應的零件、元件

傳感器：利用科學原理將現象和信息等轉換為電信號等的裝置

執(zhí)行機構：將電等能源轉換為機械運動，用于運行設備的驅動裝置

離子：指因電子過剩或缺失而攜帶電荷的原子

壓電材料：表現壓電性的結晶性物質的統(tǒng)稱

壓電單晶：材料內部的晶體結構均勻連續(xù)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：置于電場或磁場時產生正負電化，或是產生磁極的現象

PZT：指鋯鈦酸鉛（PbZrxTi1-xO3）（0<x<1）

濺射：使高能粒子撞擊金屬表面，利用飛出的原子進行制膜的方法

CSD：通過涂布、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。通過對溶膠狀態(tài)的液體進行加熱、燒成來得到薄膜的方法

溶膠狀態(tài)：以液體為分散介質的膠體（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方法

占板面積：占有面積，這里指設置裝置時使用的面積

壓電體：指通過施加應力產生極化（電壓）的介電體

熱釋電體：即使不從外部施加電場，也可以自發(fā)極化的壓電體

鐵電體：從外部施加電場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(tǒng)）的縮寫，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(tǒng)的統(tǒng)稱。 是利用微細加工技術，將機械零零件、電子電路、傳感器、執(zhí)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(guī)半導體工藝流程為基礎。

下面介紹MEMS工藝的部分關鍵技術。

SOI晶圓

SOI是Silicon On Insulator的縮寫，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株式會社的商標

TAIKO磨削是DISCO公司開發(fā)的技術，在磨削晶圓時保留最外圍的邊緣，只對其內側進行磨削。

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。

晶圓粘合/熱剝離片工藝

通過使用支撐晶圓和熱剝離片，可以輕松對薄化晶圓進行處理等。

晶圓鍵合

晶圓鍵合大致分為“直接鍵合”、“通過中間層鍵合”2類。

直接鍵合不使用粘合劑等，是利用熱處理產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

通過在低真空中放電使等離子體產生離子等粒子，利用該粒子進行蝕刻的技術稱為反應離子蝕刻。 等離子體中混合存在著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)點于一身的博世工藝技術已經成為了硅深度蝕刻的主流技術。

通過重復進行Si蝕刻?聚合物沉積?底面聚合物去除，可以進行縱向的深度蝕刻。 側壁的凹凸因形似扇貝，稱為“扇貝形貌”。

ALD（原子層沉積）

ALD是Atomic Layer Deposition（原子層沉積）的縮寫，是通過重復進行材料供應（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。 通過采用這種方式，只要有成膜材料可以通過的縫隙，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代工運用自身擁有的先進薄膜壓電技術和MEMS加工技術，以及得到了量產業(yè)績印證的先進生產技術，為實現小型、節(jié)能、高性能產品，提供從試制、開發(fā)到量產的全程支持。

關于MEMS相關術語的簡要說明。

MEMS:Micro Electro Mechanical Systems的縮寫。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(tǒng)的統(tǒng)稱。

各向同性蝕刻:利用自由基沿深度方向、橫向進行的蝕刻

各向異性蝕刻:利用離子沿深度方向進行的蝕刻

博世工藝:Si深度蝕刻的主要技術。組合了各向同性蝕刻與各向異性蝕刻的技術

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。在氧化膜上形成了單晶硅層的硅晶圓。

TAIKO磨削:磨削晶圓時保留最外圍的邊緣，只對其內側進行磨削的技術 ＊“TAIKO”是DISCO株式會社的商標

支撐晶圓:為滿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。