ULVAC推出鋯鈦酸鉛壓電薄膜濺射技術，廣泛應用于MEMS器件中

據麥姆斯咨詢報道，日本真空技術株式會社（ULVAC）近期宣布成功推出高量產（HVM）的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電薄膜濺射技術，該技術可有效解決阻礙MEMS器件發(fā)展的技術問題，這對MEMS器件在自動駕駛和下一代可穿戴終端（如智能眼鏡）的應用至關重要。該公司已經開始銷售采用該新技術的生產系統。

預計5G和人工智能（AI）等技術的發(fā)展將加速智能社會的進程。在智能社會中，各類產業(yè)的數字化發(fā)展將提升產業(yè)效率，并為人們生活帶來更多便利。隨著自動駕駛、增強現實/虛擬現實（AR/VR）、安全以及智能手機等應用中多功能水平的提高，需要執(zhí)行器根據從各種傳感器接收到的信號來激活設備。市場對執(zhí)行器的需求預期將激增，不過在其開發(fā)過程中的一些關鍵問題亟待解決，包括對小型化、降低生產成本、更低功耗和更高性能的需求。

PZT壓電薄膜是構成MEMS傳感器和執(zhí)行器的關鍵技術，但其制備工藝在過去很難實現，傳統上主要采用低溫的涂覆方法（溶膠-凝膠法）。然而，在2015年，ULVAC成功開發(fā)出世界上最先進的低溫PZT壓電薄膜濺射工藝，并為下一代MEMS技術持續(xù)研發(fā)該技術。

為了進一步推進這項專有技術，ULVAC通過優(yōu)化系統運行來降低運行成本，并極大地提高了技術的可靠性，這對設備的商業(yè)化至關重要。最終該技術成為了一種突破性的大規(guī)模生產技術，現已成功納入ULVAC已經開始銷售的生產系統。

該技術允許MEMS器件與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝集成，并帶來積極的效果，比如小型化、更低的生產成本、更低的功耗和更高的性能。這將為未來MEMS傳感器和執(zhí)行器在空間信息傳感和3D成像顯示（包括智能眼鏡）中的更多應用鋪平道路。該技術還將促進MEMS器件在3D指紋識別等應用中的使用。

ULVAC將繼續(xù)引領MEMS器件技術的創(chuàng)新，這些技術可用于廣泛的應用領域，包括蝕刻、濺射、灰化和濺射靶材。通過所有這些貢獻，ULVAC將不斷推動智能社會的創(chuàng)建。

技術概述

使用PZT壓電薄膜的MEMS器件在硅襯底上形成以下五層：黏附層、下電極層、緩沖層、壓電（PZT）層和上電極層。所有的這些薄膜層都可以在ULVAC的單晶圓濺射系統中形成，而不會將硅襯底暴露在大氣中。這種型號為SME-200的多腔濺射系統可實現連續(xù)工藝流程，每層薄膜可在各自的工藝腔內獨立優(yōu)化，從而實現高重復性和更高的產量。該系統還旨在為8英寸硅襯底提供均勻穩(wěn)定的工藝，8英寸是目前MEMS器件批量生產最大的襯底尺寸。該設備可安裝加載互鎖（load-lock）真空腔和最多七個工藝腔，包括直流（DC）和射頻（RF）磁控濺射腔，以及用于加速晶化的快速熱退火（RTA）腔。

8腔體結構的俯視圖（7個工藝腔和1個load-lock腔）

ULVAC的PZT濺射系統采用專門設計的PZT濺射腔，可解決PZT獨有的問題，通過加熱晶圓，在其表面生長晶體以形成PZT薄膜。為此，ULVAC采用不超過500攝氏度的新型低溫PZT薄膜工藝，以及應用緩沖層的專有工藝技術，同時實現卓越的壓電性能（1）和高可靠性（2）。此外，通過優(yōu)化維護周期，運行成本已降至2015年的75%，從而在大規(guī)模生產條件下實現了世界上最高性能的PZT薄膜。

技術特點

1. 使用單晶圓濺射系統，可以在同一系統內逐層生長薄膜。

2. 使用低溫專利技術，可在500攝氏度下實現批量生產高性能的PZT薄膜。

3. 采用新工藝可實現器件的高可靠性。

4. 運行成本降低至2015年的75%。

（1）壓電性能：壓電常數（e31）越高，施加在器件上每單位電壓產生的移動量就越大，從而可以使器件更小型化并降低功耗。（壓電常數e31：-15.5 C/m2 @ PZT薄膜厚度：2.0 um）

（2）高可靠性：在器件高耐久性的指標中，介電擊穿電壓約為200 V，且介電擊穿（TDDB）壽命測試時間為200萬小時。

PZT薄膜的介電擊穿電壓（上）和TDDB（下）新工藝和2015年的對比