應(yīng)用于MEMS執(zhí)行器的8英寸硅晶圓上的KNN無(wú)鉛技術(shù)介紹

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）市場(chǎng)中，基于壓電原理的微型執(zhí)行器正在光學(xué)、聲學(xué)、流體學(xué)等領(lǐng)域快速發(fā)展，應(yīng)用范圍十分廣泛，例如噴墨打印頭、變焦鏡頭、微型揚(yáng)聲器、微型反射鏡以及觸覺應(yīng)用等。目前，壓電執(zhí)行器應(yīng)用的主要材料是鋯鈦酸鉛（PZT），它是一種知名并被重點(diǎn)研究的鐵電材料。

然而，由于鉛（Pb）的存在，PZT壓電執(zhí)行器的應(yīng)用存在長(zhǎng)期威脅。事實(shí)上，Pb元素的加工會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境造成損害。從2000年開始，幾乎所有的應(yīng)用和設(shè)備都已開始立法禁止使用Pb，但是，在沒有合適替代品的情況下，也有一些暫時(shí)的例外。歐盟的RoHS指令（限制在電氣和電子設(shè)備中使用某些有害物質(zhì)）規(guī)定了對(duì)Pb的使用限制。該指令每3-5年定期審查一次。

就PZT而言，由于目前在執(zhí)行器應(yīng)用領(lǐng)域還沒有合適的無(wú)鉛替代品，因此，其豁免期一直持續(xù)到2026年。近20年來(lái)，全球范圍內(nèi)一直在積極開發(fā)具有良好性能的PZT替代無(wú)鉛壓電材料。值得指出的是，目前產(chǎn)業(yè)界已有的無(wú)鉛壓電材料，例如氮化鋁（AlN）或Sc摻雜AlN，都無(wú)法在執(zhí)行器中取代PZT，因?yàn)樗鼈兊膲弘娤禂?shù)對(duì)于所考慮的應(yīng)用來(lái)說(shuō)太低，其應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)是橫向壓電系數(shù)d31（或e31）。

無(wú)鉛壓電材料鈮酸鉀鈉（K, Na）NbO3（KNN）是近年興起的最有前景的候選材料之一，它顯示出與PZT相當(dāng)?shù)膲弘娞匦?。不過(guò)，根據(jù)最近的研究，KNN對(duì)環(huán)境的總體影響似乎并不比PZT小。雖然KNN毒性較低，甚至與PZT相反具有不錯(cuò)的生物相容性，但由于Nb2O5的提煉過(guò)程，KNN會(huì)帶來(lái)更多污染物?？赡苄枰_發(fā)更環(huán)保的新型鈮提取和純化工藝，以及鈮基化合物的回收工藝，才能使KNN從生態(tài)角度來(lái)看比PZT更具吸引力。

直到最近，有關(guān)KNN材料的大部分研究工作都是在學(xué)術(shù)層面、小尺寸襯底（最多幾平方厘米）上完成的，而且不一定是基于壓電MEMS標(biāo)準(zhǔn)硅襯底。然而，要商業(yè)化進(jìn)入壓電MEMS產(chǎn)業(yè)，需要擴(kuò)大規(guī)模，并在集成度和可靠性方面不斷完善，以滿足產(chǎn)業(yè)界的需求。在最近的一篇論文中，住友化學(xué)（Sumitomo Chemical）證明了KNN薄膜可以沉積在直徑達(dá)8英寸的大尺寸硅襯底上，并能夠使用量產(chǎn)的濺射機(jī)臺(tái)在整個(gè)晶圓上實(shí)現(xiàn)良好的厚度均勻性。

（a）KNN集成工藝結(jié)束后的8英寸MEMS晶圓，放大圖為各種通用MEMS結(jié)構(gòu)，包括懸臂梁、微橋、開環(huán)和膜等，具有盤形或環(huán)形執(zhí)行器；（b）層堆疊示意圖；（c）懸臂梁自由端的SEM橫截面圖，可以清楚地看到5微米厚的Si膜，其上為結(jié)構(gòu)化的KNN執(zhí)行器。

（a）8英寸硅晶圓；（b）MEMS微鏡俯視圖；（c）MEMS微鏡的二維掃描表征。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)和雷恩第一大學(xué)的研究人員近期在8英寸硅晶圓技術(shù)平臺(tái)上，采用工業(yè)兼容工藝將最先進(jìn)的KNN薄膜集成到了MEMS執(zhí)行器件中。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于Sensors and Actuators A: Physical期刊。研究人員在整個(gè)8英寸硅晶圓上，對(duì)集成到電容器中厚度分別為1微米和1.9微米的KNN薄膜的鐵電、介電和壓電特性進(jìn)行了評(píng)估。通過(guò)對(duì)KNN基器件（如懸臂梁和膜）進(jìn)行機(jī)電測(cè)量，突出展示了執(zhí)行器的特性。最后，研究人員將KNN薄膜用于驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡。MEMS微鏡在不久的將來(lái)有望成為推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展的主要壓電MEMS執(zhí)行器之一。研究結(jié)果表明，這項(xiàng)KNN技術(shù)有望在壓電MEMS行業(yè)取代含鉛的PZT技術(shù)。

審核編輯：劉清