TW202404140A - 用於壓電裝置製造之壓電薄膜上的選擇性雷射圖案化 - Google Patents

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奈里許 帕蒂爾
巴拉特瓦杰 萊瑪克里斯南
蘇雷許昌德 塞特
阿比耶特拉克斯曼 桑吉
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Abstract

本文揭示的實例係關於壓電裝置及用於壓電裝置製造的圖案化壓電層的方法。在某些實施例中，在基板上的底部電極層上方設置的壓電層經由雷射蝕刻製程來選擇性蝕刻以暴露底部電極層的部分。壓電層的雷射蝕刻製程促進在製造壓電裝置期間改進處理量並且減少危險副產物產生。

Description

用於壓電裝置製造之壓電薄膜上的選擇性雷射圖案化
本揭示的實施例大體係關於壓電裝置。更具體地，本文揭示的實施例係關於壓電裝置及用於壓電裝置製造的圖案化壓電層的方法。
壓電材料係在施加機械應力之後累積電荷的材料，其頻繁用於壓電裝置的感測器及轉換器中，諸如陀螺儀感測器、噴墨印表機頭、超音波技術及其他微機電系統(microelectromechanical system; MEMS)裝置，包括用於行動電話及其他無線電子裝置的共鳴器。歸因於壓電材料的脆性性質，在製造壓電裝置期間圖案化壓電材料會是困難的。
由此，在本領域中需要改進的壓電材料的選擇性圖案化方法。
在一個實施例中，一種形成壓電裝置的方法包括：經由物理氣相沉積(physical vapor deposition; PVD)在基板上方設置底部電極層；經由PVD在底部電極層上方設置壓電層；在壓電層上方形成具有頂部電極圖案的頂部電極層；以及經由雷射蝕刻來蝕刻壓電層以形成底部電極層的暴露部分，用於形成壓電裝置。
在另一實施例中，一種形成壓電裝置的方法包括經由物理氣相沉積(PVD)在基板上方設置底部電極層及經由PVD在底部電極層上方設置壓電層。壓電層包括氮化鋁(AlN)、鈧摻雜的氮化鋁(ScAlN)材料。方法進一步包括在壓電層上方形成具有頂部電極圖案的頂部電極層及經由雷射蝕刻來蝕刻壓電層以形成底部電極層的暴露部分。雷射蝕刻以約100 μm/min至約10 μm/min的蝕刻速率發生。
在又一實施例中，提供了一種壓電裝置。壓電裝置包括基板、在基板上方形成的底部電極層、及在底部電極層上方形成的壓電層。壓電層包括氮化鋁(AlN)或鈧摻雜的氮化鋁(ScAlN)材料。底部電極層的暴露部分經由雷射蝕刻壓電層來形成。壓電裝置進一步包括在壓電層上形成的頂部電極層。
本揭示的實施例大體係關於壓電裝置。更具體地，本文揭示的實施例係關於壓電裝置及用於壓電裝置製造的圖案化壓電層的方法。
歸因於壓電材料的脆性及硬的特性，圖案化壓電裝置中的壓電材料可以係挑戰性的。對於壓電裝置，圖案化壓電材料而不損壞底部電極係關鍵的。圖案化壓電材料的改進可以經由本文揭示的方法實現。本文揭示的方法實現以增加的處理量及減少的毒性化學物質釋放來圖案化壓電材料。在某些實例中，利用雷射蝕刻系統來圖案化壓電材料。例如，雷射蝕刻系統包括雷射製程調諧以調節雷射的參數，來改進圖案化效能及處理量。
第1圖係根據本文描述的實施例的壓電裝置100的示意性俯視圖。壓電裝置100可根據本文描述的方法製造。第1圖所示的壓電裝置100可能經部分製造並且可能需要其他處理步驟來形成功能裝置。壓電裝置100可用於感測應用（例如，陀螺儀感測器）、超音波技術、噴墨打印、或微機電系統(MEMS)裝置，包括用於行動電話及其他無線電子裝置的聲學共鳴器。
壓電裝置100包括基板102（第4A圖至第4D圖所示）、底部電極層104、壓電層106、及頂部電極層108。基板102可具有在從約100 mm至約750 mm的範圍中的直徑並且可由各種材料形成，包括矽(Si)、碳化矽(SiC)、SiC塗佈的石墨、或氧化矽(SiO 2)。在一個實例中，基板102具有約1,000 cm 2或更大的表面積。在另一實例中，基板102的表面積可係約2,000 cm 2或更大，及約4,000 cm 2或更大。
底部電極層104在基板102的基板表面103（第4A圖至第4D圖所示）上方設置。底部電極層104經配置為用於壓電裝置100的底部電極。用於底部電極層104的適宜材料的實例包括鉑(Pt)、鉬(Mo)、SrRuO 3、LaNiO 3、CaRuO 3、LaSrMnO 3、及類似者。底部電極層104可具有在約25 nm與約200 nm之間的厚度。底部電極層104可具有在約50 nm與約200 nm之間的厚度，諸如在約75 nm與約175 nm之間，諸如在約100 nm與約150 nm之間，例如，約125 nm。
壓電層106在底部電極層104的底部電極表面105（第4A圖至第4D圖所示）上方設置。在某些實施例中，壓電層106由含有下列中的一或多者的一或多個層形成：氮化鋁(AlN)、鈧摻雜的氮化鋁(ScAlN)、鈦酸鉛鋯(PZT)、鈮酸鉛鎂-鈦酸鉛(PMN-PT)、或LiNbO 3(LNO)。壓電層106可具有在約300 nm與約2000 nm之間的厚度，諸如在約750 nm與約1500 nm之間，諸如約1000 nm。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一些實施例中，壓電層的厚度可以跨底部電極表面105變化。在可以與本文描述的其他實施例相結合的其他實施例中，壓電層的厚度係跨底部電極表面105恆定的。壓電層106經由雷射蝕刻製程來選擇性蝕刻以形成底部電極層104的暴露表面112。暴露部分112允許進入底部電極層104。在下文方法300中描述雷射蝕刻製程。暴露部分長度114藉由暴露部分112的大小來定義。
頂部電極層108在壓電層106的壓電表面107上方設置。頂部電極層108經配置為用於完成的壓電裝置的頂部電極。在某些實例中，頂部電極層108由與底部電極層104相同或不同的材料形成。用於底部電極層104的適宜材料的實例包括鉑(Pt)、鉬(Mo)、SrRuO 3、LaNiO 3、CaRuO 3、LaSrMnO 3、及類似者。頂部電極層108可具有在約30 nm與約200 nm之間的厚度，諸如在約50 nm與約150之間，例如，約100 nm。
如第1圖所示，頂部電極層108可視需要在壓電表面107上圖案化。頂部電極層108形成為具有頂部電極圖案110。可在製造之前預定頂部電極圖案110以便滿足壓電裝置100的規格。頂部電極層108的頂部電極圖案110不限於第1圖所示的圖案並且可視需要調節。例如，頂部電極圖案110可以包括圓形、矩形、方形、或不規則圖案。
第2圖係雷射蝕刻系統200的示意性橫截面圖。雷射蝕刻系統在方法300中用於在製造壓電裝置100期間利用雷射蝕刻系統200圖案化壓電層，如第4A圖至第4D圖所示。
雷射蝕刻系統200包括在平臺202的表面201上設置的基板102。基板102亦可包括底部電極層104及其上設置的壓電層106。在一些實施例中，頂部電極層108亦在底部電極層104上設置。
平臺202在雷射蝕刻系統200中設置，使得平臺202的表面201與掃描器204相對定位。掃描器204包括雷射源214、光學陣列216、及從光學陣列216設置的雷射206。雷射蝕刻系統200可操作為蝕刻壓電層106以暴露底部電極層104。雷射蝕刻系統200可操作為朝向基板102提供雷射脈衝，使得蝕刻壓電層106。雷射蝕刻系統200包括控制器208。控制器208與平臺202及掃描器204通訊。
控制器208大體經設計為促進本文所描述的方法的控制及自動化。控制器208可耦接到雷射源214、光學陣列216、平臺202、及掃描器204或與之通訊。平臺202及掃描器204可向控制器208提供關於方法300及基板102的對準的資訊。控制器208可與CPU（亦即，電腦系統）通訊或耦接到該CPU。CPU可以係硬體單元或能夠執行軟體應用及處理資料的硬體單元的組合。在一些配置中，CPU包括中央處理單元(central processing unit; CPU)、數位訊號處理器(digital signal processor; DSP)、特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit; ASIC)、圖形處理單元(graphic processing unit; GPU)及/或此種單元的組合。CPU大體經配置為執行一或多個軟體應用及處理儲存的媒體資料。控制器208可包括非暫時性電腦可讀取媒體，用於儲存形成沿著如本文描述的基板的切割路徑的指令。非暫時性電腦可讀取媒體可係CPU的部分。
雷射206係光纖雷射。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，雷射206包括高斯(Gaussian)射束輪廓。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，雷射206係紫外(UV)雷射。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，雷射206係紅外雷射。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，雷射206係貝色(Bessel)類型的射束輪廓。在又一些實施例中，雷射206係多焦雷射並且使用雙焦透鏡作為光學陣列216的部分。多個透鏡亦可在光學陣列216內使用以繞射雷射206並且在基板102內形成多個焦點。雷射206與控制器208通訊。如在方法300中描述，控制器208可控制雷射206的其他輸入參數或輸出參數。
平臺202包括平臺致動器210。如藉由第2圖所示的坐標系指示，平臺致動器210允許平臺202在X方向、Y方向、及Z方向上掃描。平臺202耦接到控制器208，以便向控制器208提供平臺202的位置的資訊。此外，平臺202與控制器208通訊，使得平臺202可視需要在一方向上移動以蝕刻壓電層106。
掃描器204包括掃描器致動器212。如藉由第2圖所示的坐標系指示，掃描器致動器212允許掃描器204在X方向、Y方向、及Z方向上掃描。雷射源214及光學陣列216在掃描器204中或上設置。掃描器204耦接到控制器208以便向控制器208提供掃描器204的位置的資訊。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，掃描器204係振鏡(galvo)掃描器。
在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，執行用於蝕刻的方法的雷射蝕刻系統200可利用掃描器204及平臺202兩者來朝向基板102導引雷射206。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，執行用於蝕刻的方法的雷射蝕刻系統200可僅利用掃描器204來朝向基板102導引雷射206。在可以與本文描述的其他實施例相結合的又一實施例中，執行用於蝕刻的方法的雷射蝕刻系統200可僅利用平臺202來朝向基板102導引雷射206。
第3圖係形成如第4A圖至第4D圖所示的壓電裝置100的方法300的流程圖。第4A圖至第4D圖係在形成壓電裝置100的方法300期間的基板102的示意性側視圖。為了促進解釋，參考第2圖所示的雷射蝕刻系統200描述方法300。然而，方法300不限於雷射蝕刻系統200並且可結合任何適宜的雷射蝕刻系統執行。方法300可操作為利用選擇性雷射蝕刻來蝕刻壓電層106，而不損壞底部電極層104及壓電裝置的其他部件。
於操作301，如第4A圖及第4B圖所示，底部電極層104在基板102上方設置。底部電極層104經由在適宜的PVD腔室中執行的PVD製程來設置。在某些實施例中，PVD製程在約25℃與約600℃之間執行，諸如在約400℃與約600℃之間，及諸如約500℃執行。在某些實施例中，PVD腔室中的靶材藉由提供DC電力的脈衝或連續電源供應器在PVD製程期間負偏置，該DC電力具有在約400 W與約1000 W之間，諸如在約600 W與約800 W之間的功率位準。
於操作302，如第4B圖所示，壓電層106在底部電極層104上方設置。壓電層106經由在適宜的PV腔室中執行的PVD製程來設置。在某些實施例中，PVD腔室中的靶材藉由提供RF電力的脈衝或連續電源供應器來負偏置，該RF電力具有在約250 W與約1000 W之間的功率位準。
於操作303，如第4C圖所示，頂部電極層108在壓電層106上方形成。頂部電極層108形成為具有頂部電極圖案110。頂部電極層108可以在壓電表面107上方的一或多個預定位置處形成。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，頂部電極層108在壓電層106上沉積，接著執行蝕刻製程以形成頂部電極圖案110。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，頂部電極層108經濺射穿過鄰近遮罩以形成頂部電極圖案110。多個頂部電極圖案110可以在壓電層106上方形成。頂部電極圖案110不限於第4C圖及第4D圖所示的圖案。
於操作304，如第4D圖所示，經由雷射蝕刻來選擇性蝕刻壓電層106。基板102可在操作304之前移動或傳遞到雷射蝕刻系統200，如第2圖所示。雷射蝕刻系統200包括經配置為蝕刻壓電層106的雷射206。壓電層106經蝕刻以形成底部電極層104的暴露部分112。暴露部分112允許進入底部電極層104。選擇性蝕刻壓電層106，使得底部電極層104及頂部電極層108在蝕刻期間不會經歷無意損壞。底部電極層104的意外蝕刻可以永久地損壞待形成的壓電裝置100。因此，一旦從壓電表面107移除壓電層106，就停止蝕刻製程。形成暴露部分112，以便為待形成的壓電裝置提供電氣觸點。當形成底部電極層104的暴露部分112時，形成第1圖所示的壓電裝置100。
暴露部分長度114藉由暴露部分112的大小來定義。暴露部分長度114亦可對應於暴露部分112的直徑。暴露部分長度114係在約100 μm與約1000 μm之間。儘管暴露部分112的形狀在第1圖及第4D圖中圖示為圓形，但暴露部分112的形狀不受限制並且可係經預定以實現與底部電極層104的高品質電氣接觸的任何圖案或形狀。例如，暴露部分112的形狀係圓形、矩形、方形、或不規則的。
雷射蝕刻系統200經特定配置為蝕刻壓電層106，而不損壞底部電極層104及頂部電極層108。雷射蝕刻系統200以在約100 μm/min與約10 μm/min之間的蝕刻速率蝕刻壓電層106。雷射蝕刻系統200經進一步配置為使得雷射206僅選擇性地蝕刻壓電層106，而不損壞頂部電極層108及底部電極層104。雷射蝕刻系統200以在約20 W與約50 W之間的功率來蝕刻。雷射206具有約40 μm至約100 μm的射束直徑。雷射蝕刻系統200以約100 Hz至約500 Hz的頻率來蝕刻。雷射206的波長為約1300 nm至約1550 nm。以約1秒至約10秒的蝕刻時間來蝕刻壓電層106。
在可以與本文描述的其他實施例相結合的一些實施例中，在蝕刻壓電層106之後形成頂部電極層108。在可以與其他實施例相結合的其他實施例中，可執行壓電裝置100的測試以確保穿過暴露部分112的適宜接觸，用於裝置表徵。例如，運行電氣探針測試以檢查電氣連續性。
在可以與本文描述的其他實施例相結合的又一實施例中，壓電裝置100可經歷進一步處理以進一步表徵壓電裝置100。例如，將在雷射蝕刻之後進行介電量測。
藉由移除額外的處理步驟或後處理步驟（例如，光阻沉積步驟）以移除壓電層106，利用雷射蝕刻系統200來蝕刻壓電層106以形成暴露部分112係有利的。因此，增加壓電裝置100製造的處理量。此外，本文描述的蝕刻製程不釋放可藉由其他製造技術產生的危險副產物。
總而言之，本文提供了壓電裝置及用於壓電裝置製造的圖案化壓電層的方法。壓電材料係脆性的並且當需要移除壓電材料時不應當損壞周圍材料。為了暴露底部電極層的部分，雷射蝕刻技術可用在壓電材料層上。藉由移除額外處理步驟以增加處理量並且減少危險副產物輸出，利用雷射蝕刻系統來蝕刻壓電層以形成暴露部分係有利的。
儘管上述內容涉及本揭示的實施例，但可在不脫離其基本範疇的情況下設計本揭示的其他及進一步實施例，並且其範疇由以下申請專利範圍決定。
100:壓電裝置 102:基板 103:基板表面 104:底部電極層 105:底部電極表面 106:壓電層 107:壓電表面 108:頂部電極層 110:頂部電極圖案 112:暴露部分 114:暴露部分長度 200:雷射蝕刻系統 201:表面 202:平臺 204:掃描器 206:雷射 208:控制器 210:平臺致動器 212:掃描器致動器 214:雷射源 216:光學陣列 300:方法 301:操作 302:操作 303:操作 304:操作 X:方向 Y:方向 Z:方向
為了能夠詳細理解本揭示的上述特徵所用方式，可參考實施例進行對上文簡要概述的本揭示的更特定描述，一些實施例在附圖中示出。然而，將注意，附圖僅示出本揭示的示例性實施例，並且由此不被認為限制其範疇，且可允許其他等同有效的實施例。
第1圖係根據本文描述的實施例的壓電裝置的示意性俯視圖。
第2圖係根據本文描述的實施例的雷射蝕刻系統的示意性橫截面圖。
第3圖係根據本文描述的實施例的形成如第4A圖至第4D圖所示的壓電裝置的方法的流程圖。
第4A圖至第4D圖係根據本文描述的實施例的在形成壓電裝置的方法期間的基板的示意性側視圖。
為了促進理解，相同元件符號在可能的情況下已經用於標識圖中共有的相同元件。可以預期，一個實施例的元件及特徵可有利地併入其他實施例中，而無需進一步敘述。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:壓電裝置
104:底部電極層
106:壓電層
107:壓電表面
108:頂部電極層
110:頂部電極圖案
112:暴露部分
114:暴露部分長度

Claims (20)

  1. 一種形成一壓電裝置的方法，包含以下步驟： 經由物理氣相沉積(PVD)在一基板上方設置一底部電極層； 經由PVD在該底部電極層上方設置一壓電層； 在該壓電層上方形成具有一頂部電極圖案的一頂部電極層；以及 經由雷射蝕刻來蝕刻該壓電層以形成該底部電極層的暴露部分來形成該壓電裝置。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該雷射蝕刻僅選擇性地蝕刻該壓電層，而不損壞該頂部電極層及該底部電極層。
  3. 如請求項1所述的方法，其中該雷射蝕刻具有在約20 W與約50 W之間的一功率。
  4. 如請求項1所述的方法，其中用於該雷射蝕刻的一雷射具有約40 μm至約100 μm的一射束直徑。
  5. 如請求項1所述的方法，其中該雷射蝕刻具有約100 Hz至約500 Hz的一頻率。
  6. 如請求項1所述的方法，其中該壓電層包括下列中的一或多者：氮化鋁(AlN)、鈧摻雜的氮化鋁(ScAlN)、鈦酸鉛鋯(PZT)、鈮酸鉛鎂-鈦酸鉛(PMN-PT)、或LiNbO 3(LNO)。
  7. 如請求項1所述的方法，其中該雷射蝕刻的一波長為約1300 nm至約1550 nm。
  8. 如請求項1所述的方法，其中以約1秒至約10秒的一蝕刻時間來蝕刻該壓電層。
  9. 如請求項1所述的方法，其中該雷射蝕刻包括一光纖雷射。
  10. 如請求項1所述的方法，其中穿過一鄰近遮罩經由濺射形成該頂部電極層。
  11. 一種形成一壓電裝置的方法，包含以下步驟： 經由物理氣相沉積(PVD)在一基板上方設置一底部電極層； 經由PVD在該底部電極層上方設置一壓電層，其中該壓電層包括一氮化鋁(AlN)或鈧摻雜的氮化鋁(ScAlN)材料； 在該壓電層上方形成具有一頂部電極圖案的一頂部電極層；以及 經由雷射蝕刻來蝕刻該壓電層以形成該底部電極層的暴露部分，其中該雷射蝕刻以約100 μm/min至約10 μm/min的一蝕刻速率發生。
  12. 如請求項11所述的方法，其中選擇性蝕刻該壓電層。
  13. 如請求項12所述的方法，其中該雷射蝕刻僅選擇性地蝕刻該壓電層，而不損壞該頂部電極層及該底部電極層。
  14. 一種壓電裝置，包含： 一基板； 一底部電極層，在該基板上方形成； 一壓電層，在該底部電極層上方形成，該壓電層包括一氮化鋁(AlN)或鈧摻雜的氮化鋁(ScAlN)材料，其中該底部電極層的暴露部分經由雷射蝕刻該壓電層來形成；以及 一頂部電極層，在該壓電層上形成。
  15. 如請求項14所述的壓電裝置，其中該等暴露部分具有在約100 μm與約1000 μm之間的一暴露部分長度。
  16. 如請求項14所述的壓電裝置，其中該底部電極層的該等暴露部分的形狀係圓形、矩形、方形、或不規則的。
  17. 如請求項14所述的壓電裝置，其中該壓電層包括一氮化鋁(AlN)材料。
  18. 如請求項14所述的壓電裝置，其中該壓電層包括一鈧摻雜的氮化鋁(ScAlN)。
  19. 如請求項14所述的壓電裝置，其中該基板係一含矽材料。
  20. 如請求項14所述的壓電裝置，其中該底部電極層包括鉑(Pt)或鉬(Mo)。
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