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EEPW首頁 > 元件/連接器 > 設計應用 > 基礎知識之薄膜壓電MEMS

基礎知識之薄膜壓電MEMS

作者: 時間:2024-04-02 來源:羅姆 收藏

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。

本文引用地址:http://www.beadyclass.cn/article/202404/457098.htm

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行機構。


壓電材料的種類

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。


薄膜壓電和塊體壓電

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。


薄膜PZT的成膜方法

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、節能、高性能產品,提供從試制、開發到量產的全程支持。

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?;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的統稱

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。通過對溶膠狀態的液體進行加熱、燒成來得到薄膜的方法

溶膠狀態: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:溶膠狀態喪失流動性后的狀態

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)的縮寫,具有微小的立體結構(三維結構),是處理各種輸入、輸出信號的系統的統稱。 是利用微細加工技術,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工藝的部分關鍵技術。

晶圓

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。


蝕刻

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”。


成膜

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,以及得到了量產業績印證的先進生產技術,為實現小型、節能、高性能產品,提供從試制、開發到量產的全程支持。

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、系統的統稱。

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。



關鍵詞: 薄膜壓電MEMS

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