ULVAC推出锆钛酸铅压电薄膜溅射技术，广泛应用于MEMS器件中

据麦姆斯咨询报道，日本真空技术株式会社（ULVAC）近期宣布成功推出高量产（HVM）的锆钛酸铅（PZT）压电薄膜溅射技术，该技术可有效解决阻碍MEMS器件发展的技术问题，这对MEMS器件在自动驾驶和下一代可穿戴终端（如智能眼镜）的应用至关重要。该公司已经开始销售采用该新技术的生产系统。

预计5G和人工智能（AI）等技术的发展将加速智能社会的进程。在智能社会中，各类产业的数字化发展将提升产业效率，并为人们生活带来更多便利。随着自动驾驶、增强现实/虚拟现实（AR/VR）、安全以及智能手机等应用中多功能水平的提高，需要执行器根据从各种传感器接收到的信号来激活设备。市场对执行器的需求预期将激增，不过在其开发过程中的一些关键问题亟待解决，包括对小型化、降低生产成本、更低功耗和更高性能的需求。

PZT压电薄膜是构成MEMS传感器和执行器的关键技术，但其制备工艺在过去很难实现，传统上主要采用低温的涂覆方法（溶胶-凝胶法）。然而，在2015年，ULVAC成功开发出世界上最先进的低温PZT压电薄膜溅射工艺，并为下一代MEMS技术持续研发该技术。

为了进一步推进这项专有技术，ULVAC通过优化系统运行来降低运行成本，并极大地提高了技术的可靠性，这对设备的商业化至关重要。最终该技术成为了一种突破性的大规模生产技术，现已成功纳入ULVAC已经开始销售的生产系统。

该技术允许MEMS器件与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺集成，并带来积极的效果，比如小型化、更低的生产成本、更低的功耗和更高的性能。这将为未来MEMS传感器和执行器在空间信息传感和3D成像显示（包括智能眼镜）中的更多应用铺平道路。该技术还将促进MEMS器件在3D指纹识别等应用中的使用。

ULVAC将继续引领MEMS器件技术的创新，这些技术可用于广泛的应用领域，包括蚀刻、溅射、灰化和溅射靶材。通过所有这些贡献，ULVAC将不断推动智能社会的创建。

技术概述

使用PZT压电薄膜的MEMS器件在硅衬底上形成以下五层：黏附层、下电极层、缓冲层、压电（PZT）层和上电极层。所有的这些薄膜层都可以在ULVAC的单晶圆溅射系统中形成，而不会将硅衬底暴露在大气中。这种型号为SME-200的多腔溅射系统可实现连续工艺流程，每层薄膜可在各自的工艺腔内独立优化，从而实现高重复性和更高的产量。该系统还旨在为8英寸硅衬底提供均匀稳定的工艺，8英寸是目前MEMS器件批量生产最大的衬底尺寸。该设备可安装加载互锁（load-lock）真空腔和最多七个工艺腔，包括直流（DC）和射频（RF）磁控溅射腔，以及用于加速晶化的快速热退火（RTA）腔。

8腔体结构的俯视图（7个工艺腔和1个load-lock腔）

ULVAC的PZT溅射系统采用专门设计的PZT溅射腔，可解决PZT独有的问题，通过加热晶圆，在其表面生长晶体以形成PZT薄膜。为此，ULVAC采用不超过500摄氏度的新型低温PZT薄膜工艺，以及应用缓冲层的专有工艺技术，同时实现卓越的压电性能（1）和高可靠性（2）。此外，通过优化维护周期，运行成本已降至2015年的75%，从而在大规模生产条件下实现了世界上最高性能的PZT薄膜。

技术特点

1. 使用单晶圆溅射系统，可以在同一系统内逐层生长薄膜。

2. 使用低温专利技术，可在500摄氏度下实现批量生产高性能的PZT薄膜。

3. 采用新工艺可实现器件的高可靠性。

4. 运行成本降低至2015年的75%。

（1）压电性能：压电常数（e31）越高，施加在器件上每单位电压产生的移动量就越大，从而可以使器件更小型化并降低功耗。（压电常数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标中，介电击穿电压约为200 V，且介电击穿（TDDB）寿命测试时间为200万小时。

PZT薄膜的介电击穿电压（上）和TDDB（下）新工艺和2015年的对比