应用于MEMS执行器的8英寸硅晶圆上的KNN无铅技术介绍

据麦姆斯咨询介绍，在微机电系统（MEMS）市场中，基于压电原理的微型执行器正在光学、声学、流体学等领域快速发展，应用范围十分广泛，例如喷墨打印头、变焦镜头、微型扬声器、微型反射镜以及触觉应用等。目前，压电执行器应用的主要材料是锆钛酸铅（PZT），它是一种知名并被重点研究的铁电材料。

然而，由于铅（Pb）的存在，PZT压电执行器的应用存在长期威胁。事实上，Pb元素的加工会对人类健康和环境造成损害。从2000年开始，几乎所有的应用和设备都已开始立法禁止使用Pb，但是，在没有合适替代品的情况下，也有一些暂时的例外。欧盟的RoHS指令（限制在电气和电子设备中使用某些有害物质）规定了对Pb的使用限制。该指令每3-5年定期审查一次。

就PZT而言，由于目前在执行器应用领域还没有合适的无铅替代品，因此，其豁免期一直持续到2026年。近20年来，全球范围内一直在积极开发具有良好性能的PZT替代无铅压电材料。值得指出的是，目前产业界已有的无铅压电材料，例如氮化铝（AlN）或Sc掺杂AlN，都无法在执行器中取代PZT，因为它们的压电系数对于所考虑的应用来说太低，其应用优点是横向压电系数d31（或e31）。

无铅压电材料铌酸钾钠（K, Na）NbO3（KNN）是近年兴起的最有前景的候选材料之一，它显示出与PZT相当的压电特性。不过，根据最近的研究，KNN对环境的总体影响似乎并不比PZT小。虽然KNN毒性较低，甚至与PZT相反具有不错的生物相容性，但由于Nb2O5的提炼过程，KNN会带来更多污染物。可能需要开发更环保的新型铌提取和纯化工艺，以及铌基化合物的回收工艺，才能使KNN从生态角度来看比PZT更具吸引力。

直到最近，有关KNN材料的大部分研究工作都是在学术层面、小尺寸衬底（最多几平方厘米）上完成的，而且不一定是基于压电MEMS标准硅衬底。然而，要商业化进入压电MEMS产业，需要扩大规模，并在集成度和可靠性方面不断完善，以满足产业界的需求。在最近的一篇论文中，住友化学（Sumitomo Chemical）证明了KNN薄膜可以沉积在直径达8英寸的大尺寸硅衬底上，并能够使用量产的溅射机台在整个晶圆上实现良好的厚度均匀性。

（a）KNN集成工艺结束后的8英寸MEMS晶圆，放大图为各种通用MEMS结构，包括悬臂梁、微桥、开环和膜等，具有盘形或环形执行器；（b）层堆叠示意图；（c）悬臂梁自由端的SEM横截面图，可以清楚地看到5微米厚的Si膜，其上为结构化的KNN执行器。

（a）8英寸硅晶圆；（b）MEMS微镜俯视图；（c）MEMS微镜的二维扫描表征。

据麦姆斯咨询报道，法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学和雷恩第一大学的研究人员近期在8英寸硅晶圆技术平台上，采用工业兼容工艺将最先进的KNN薄膜集成到了MEMS执行器件中。这项研究成果已发表于Sensors and Actuators A: Physical期刊。研究人员在整个8英寸硅晶圆上，对集成到电容器中厚度分别为1微米和1.9微米的KNN薄膜的铁电、介电和压电特性进行了评估。通过对KNN基器件（如悬臂梁和膜）进行机电测量，突出展示了执行器的特性。最后，研究人员将KNN薄膜用于驱动MEMS微镜。MEMS微镜在不久的将来有望成为推动市场发展的主要压电MEMS执行器之一。研究结果表明，这项KNN技术有望在压电MEMS行业取代含铅的PZT技术。

审核编辑：刘清