(整理)压电薄膜技术.

压电薄膜技术

1压电薄膜概述

体材料（单晶和陶瓷）构成的压电器件因受尺寸限制，应用频率一般比较低，压电薄膜可大大提高工作频率。压电薄膜兼有单晶和陶瓷的优点：即表面光滑致密，容易制造，价格低廉，便于调变，性能可靠稳定。此外，使用薄膜，可以通过调节薄膜厚度，基片类型和电极形式来调整器件的性能。更重要的是，使用薄膜可以使压电器件到的平面化和集成化，使压电材料与半导体材料紧密结合，实现压电与载流子、声波与光波的相互作用，制成各种新型压电与声光的单片集成器件。一般压电薄膜可以通过特殊方法实现与微机电系统工艺的结合，制造成为微机电系统意义上的微型传感器和执行器。此类微型传感器贴在物体表面，在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征，同时这用材料具有热放电效应，可用做温度传感器。目前，压电陶瓷薄膜已经在惯性器件、声表面波器件等方面得到广泛应用，成为微定位、微驱动的主要解决方法。

常见的压电薄膜材料主要包括具有铁电性的PZT薄膜、BaTiO3薄膜等，以及不具有铁电性的ZnO薄膜、AlN薄膜等。虽然铁电薄膜的压电效应比非铁电性压电薄膜强，但使用较多的还是ZnO和AlN等非铁电薄膜。

该类非铁电性压电薄膜的始于1963年美国Bell实验室用CdS薄膜实现VHF和UHF频带的体超声波换能器的研究成果。此后，1965年采用反应溅射制备了ZnO压电薄膜。1968年Wauk和Winslow采用蒸发的方法在氮气和氨气气氛中蒸镀金属Al得到AlN压电薄膜。1979年日本的Shiosaki采用射频磁控溅射在玻璃和金属基板上制备了性能较好的AlN压电薄膜，其声表面波机电耦合系数可达0.09%~0.12%。20世纪70年代，CdS薄膜和ZnO薄膜已经走向实用化阶段。

AlN作为宽带隙的直接帯隙半导体，是一种重要的蓝紫光的发光材料。同时，因具有高热导率、高硬度、高熔点和高化学稳定性、大的击穿场强和低介电损耗，尤其是AlN与Si、GaAs等常用半导体材料的线膨胀系数相近及兼容性好等特点，AlN薄膜可用于高温、高功率的微电子器件。此外，在所有无机非铁电性压电材料中，声表面波沿AlN晶体c轴方向的传输速率最大。因此，具有良好取向的AlN薄膜可用来制作优良的声表面波器件和体波器件。

2压电效应简介

在电场作用下，晶体中的带电粒子可以相对位移而发生极化。在应力作用下，晶体中的带电粒子也发生相对位移。对某些晶体，带电粒子相对位移后正负电荷中心不再重合，因而发生极化，在其两端表面上出现符号相反的束缚电荷，并且面电荷密度与应力之间为线性关系。这种由机械应力面产生表面电荷的效应，称为正压电效应。晶体的这一性质就称为压电性。当晶体受到电场作用时它的某些方向上出现应变，且应变与场强之间是线性相关的，这种现象称为逆压电效应。

正压电效应是由于晶体在机械力作用下发生形变，而引起带电粒子的相对位移，使晶体的总电矩发生变化而造成的。晶体是否具有压电性是由晶体结构的对称情况决定的。若晶体具有对称中心，它不可能具有压电性；因为这种晶体中，正负电荷中心的对称排列不会因形变而破坏。所以，机械力的作用不能使它发生极化。具有对称中心的晶体，其总电矩始终为零，因而不可能具有压电性。

3结构初探

真空沉积的压电薄膜通常是高度多晶的。各微晶间有程度不同的错向。每个微晶就是一

个小单晶。若所有微晶取向相同，并同相驱动时，则其压电效用实质上如同单晶。各微晶间的任何取向差，都会导致机电耦合系数降低，并同时产生纵波和横波。若围绕微晶的最佳取向，各微晶的无规偏向能以相互补偿。这时，只是略为降低压电耦合。若是从最佳取向，微晶的平均取向有所偏离，将导致在薄膜中同时产生出纵波和横波。因此，要得到具有优良压电性质的压电薄膜，结构上必须保证：

1)各微晶基本上要取向相同；

2)各微晶的平均取向对最佳取向的偏离程度不能太大；

3)各微晶取向的分散程度不能过大。

4介电性能浅析

压电薄膜的介电性能包括介电常数、介质损耗、电阻率和击穿场强。因为其介电常数影响压电薄膜换能器的静态电容量和分布电容量，所以要求介电常数要小。否则，压电器件的性能，特别是其高频性能将要显著变坏。薄膜的介质损耗是压电器件插入损耗的一个组成部分，因而希望其介质损耗要小。

压电薄膜的电阻率不但引起一部分介质损耗，而且决定着薄膜的弛豫频率，由于压电器件的工作频率要远高于弛豫频率，所以为了使压电薄膜能用于各种压电器件，特别是频率不高的器件，要求它具有很高的电阻率。另外，弛豫频率越低，才能越加显示薄膜的压电性能。

因为压电薄膜的厚度一般都很薄，所以为了保证器件的可靠性、特别是电压较高的大功率器件的可靠性，要求薄膜有相当高的击穿场强。

虽然压电薄膜为单晶薄膜或者为择优取向的多晶薄膜，但在其中原子的堆积却不像在晶体中那样紧密和有序，因此，压电薄膜的介电常数值与晶体的数值略有差异。除此以外，还有在薄膜中常有较大的残余内应力，以及测量上的原因，也导致薄膜的介电常数值不同于晶体的相应数值。压电薄膜的介电常量有相当大的分散性，其原因在于内应力大小和测试条件不同，此外，成分偏离化学计量比和薄膜厚度差也使其分散性增大。

压电薄膜的介电常数随温度、频率的变化而发生明显的变化，其中铁电性薄膜的介电常数变化比较大。当薄膜的结构不够致密时，它的介电常数还随相对湿度的增大而有显著的变化。

因为电介质的击穿场强属于强度参数，而且在薄膜中又难免有各种缺陷，所以压电薄膜的击穿场强有相当大的分散性。按电介质的击穿理论，对于完好无缺的薄膜，其击穿场强应该随薄膜厚度的减小而逐渐增大。但实际上，因为薄膜中含有不少缺陷，厚度越小时缺陷的影响越显著，所以在厚度减小到一定数值以后，薄膜的击穿场强反而急剧变小。对薄膜击穿场强，除了薄膜自身的原因外，还有测试时，电极边缘的影响。由于薄膜越厚，电极边缘的电场越不均匀，所以导致随薄膜厚度增大，其击穿场强逐渐降低。此外，介质薄膜的击穿场强还依从于薄膜的结构。对于压电薄膜，其击穿场强还与电场方向有关，也就是说，它在击穿场强方面是各向异性的。由于在多晶薄膜中存在晶界，所以它的击穿场强低于非晶薄膜。与此类似，择优取向的多晶压电薄膜在晶粒取向方向的击穿场强，比垂直该方向的击穿场强低。和其它介质薄膜一样，压电薄膜的击穿场强还与一些外部条件有关，比如电压波形、频率、温度和电极等。

5压电性能梗概

为了使压电器件和声光器件达到薄型、量轻和小型化，特别是为了达到平面化和集成化，必须应用压电薄膜。因为体声波压电换能器的最重要的特性参数是谐振频率、声阻抗和机电耦合系数，所以对压电薄膜的声速及温度系数、声阻抗和机电耦合系数要求特别严格。而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒的弹性、介质、压电和热性能，而且还与压电薄膜的结