基礎(chǔ)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(chǎn)生電壓（壓電效應(yīng)），或與之相反，通過施加電壓產(chǎn)生變形（逆壓電效應(yīng)）的元件。

壓電元件使用具有壓電效應(yīng)的壓電材料。施力時，（+）正離子、（-）負(fù)離子的位置會移動，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(yīng)的主要用途是傳感器，利用逆壓電效應(yīng)的主要用途是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

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(qiáng)，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(xiàn)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(xiàn)融合自有薄膜壓電和LSI微細(xì)加工技術(shù)的小型、節(jié)能、高性能產(chǎn)品，提供從試制、開發(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(yīng)：通過施加力（壓力）產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象

逆壓電效應(yīng)：通過施加電壓產(chǎn)生變形的現(xiàn)象

壓電元件：利用壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)的零件、元件

傳感器：利用科學(xué)原理將現(xiàn)象和信息等轉(zhuǎn)換為電信號等的裝置

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：將電等能源轉(zhuǎn)換為機(jī)械運動，用于運行設(shè)備的驅(qū)動裝置

離子：指因電子過?；蛉笔Ф鴶y帶電荷的原子

壓電材料：表現(xiàn)壓電性的結(jié)晶性物質(zhì)的統(tǒng)稱

壓電單晶：材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)均勻連續(xù)的壓電材料

壓電陶瓷：擁有晶粒結(jié)構(gòu)或疇壁結(jié)構(gòu)的壓電體

晶粒結(jié)構(gòu)：在多晶體中，2個以上的小晶體之間存在的界面

疇壁結(jié)構(gòu)：晶體內(nèi)存在極化方向不同的邊界的結(jié)構(gòu)

極化：置于電場或磁場時產(chǎn)生正負(fù)電化，或是產(chǎn)生磁極的現(xiàn)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：通過涂布、燒成金屬有機(jī)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(jìn)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(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)喪失流動性后的狀態(tài)

MOCVD：有機(jī)金屬氣相沉積法，使用有機(jī)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(shè)置裝置時使用的面積

壓電體：指通過施加應(yīng)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，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(zhuǎn)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(jī)電系統(tǒng)）的縮寫，具有微小的立體結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)），是處理各種輸入、輸出信號的系統(tǒng)的統(tǒng)稱。 是利用微細(xì)加工技術(shù)，將機(jī)械零零件、電子電路、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(dǎo)體工藝流程為基礎(chǔ)。

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，是指在氧化膜上形成了單晶硅層的硅晶圓。已廣泛應(yīng)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(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)。

TAIKO磨削 　“TAIKO”是DISCO株式會社的商標(biāo)

TAIKO磨削是DISCO公司開發(fā)的技術(shù)，在磨削晶圓時保留最外圍的邊緣，只對其內(nèi)側(cè)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(qiáng)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(jìn)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(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(chǎn)生離子等粒子，利用該粒子進(jìn)行蝕刻的技術(shù)稱為反應(yīng)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(shù)已經(jīng)成為了硅深度蝕刻的主流技術(shù)。

通過重復(fù)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(cè)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(fù)進(jìn)行材料供應(yīng)（前體）和排氣，利用與基板之間的表面反應(yīng)，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(cè)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(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)績印證的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，為實現(xiàn)小型、節(jié)能、高性能產(chǎn)品，提供從試制、開發(fā)到量產(chǎn)的全程支持。

關(guān)于MEMS相關(guān)術(shù)語的簡要說明。

MEMS:Micro Electro Mechanical Systems的縮寫。具有微小的立體結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)），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(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(cè)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(nèi)側(cè)進(jìn)行磨削的技術(shù) ＊“TAIKO”是DISCO株式會社的商標(biāo)

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(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。