压电MEMS微镜最新进展：Sc掺杂AlN带来性能提升
2025-10-14 09:13:36   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS微镜已广泛应用于投影仪、光学开关、光学相干断层扫描、平视显示器和汽车智能大灯等先进光学系统和成像应用。在激光雷达（LiDAR）系统中，MEMS微镜能够实现高速光束操控，这对于在自动驾驶汽车和高级驾驶辅助系统（ADAS）中实现高分辨率3D测绘和实时环境感知至关重要。目前已有探索的MEMS微镜驱动机制，包括静电、电磁、电热和压电驱动，其中，压电驱动因其精度、速度和能效的均衡表现而展现了显著优势。压电驱动在中等驱动电压下可提供精确的角度控制、快速响应时间和低稳态功耗，解决了紧凑、节能MEMS微镜设计中的关键挑战。

MEMS执行器中最常用的压电材料是锆钛酸铅（PZT）。PZT具有较高的压电系数，可产生大位移，因而被广泛用于MEMS微镜、MEMS扬声器、MEMS风扇、MEMS喷墨打印头等。然而，尽管PZT具有优异的压电特性，但也存在重大的制造和工作挑战，限制了其在MEMS器件中的实际应用。PZT的一个主要限制是其高温加工要求。此外，虽然基于PZT的MEMS微镜已被广泛验证，但它们本身存在迟滞引起的非线性、长期稳定性问题以及与标准CMOS工艺的集成难题，因此MEMS微镜应用亟需寻求可替代的压电材料。

相比之下，氮化铝（AlN）的压电系数低于PZT，限制了其驱动效率。然而，AlN具有多种优势，使其成为MEMS微镜极具吸引力的候选材料。为了解决AlN存在的局限，研究人员研究了金属离子掺杂策略来增强AlN的压电性能。在各种掺杂剂中，钪（Sc）表现出最显著的性能提升。Sc掺杂会诱导晶格畸变并提高AlN晶格中的离子性，从而增强自发极化和更强的内电场。这些效应共同导致AlN压电系数的大幅提升。这使得AlScN特别适于需要更高驱动效率、精确光束操控和长期运行稳定性的MEMS微镜应用。

据麦姆斯咨询介绍，韩国延世大学的研究人员系统地研究了基于AlN和AlScN的MEMS微镜的最新进展，重点关注了它们的压电特性、制造方法和器件性能。文中提供了基于这两种材料的代表性MEMS微镜设计的结构分类，并分别按自由度和制造架构进行了分类。为了实现直接比较，研究人员还概述了其关键性能指标，例如扫描模式、谐振频率、光学扫描角度和镜面尺寸等。该综述系统比较了这两种材料体系的结构和性能特征，重点介绍了它们各自的优势、权衡及未来发展潜力。相关研究成果已经以“Recent progress in aluminum nitride for piezoelectric MEMS mirror applications: enhancements with scandium doping”为题发表于近期的Microsystems & Nanoengineering期刊。

基于AlN和AlScN薄膜的压电MEMS微镜的典型分类

MEMS微镜应用的AlScN薄膜制备

实现高度c轴取向的AlScN薄膜对于最大限度地提高压电MEMS微镜的驱动效率和稳定性至关重要。晶体取向不佳，特别是异常取向晶粒（AOG）的形成，会降低器件的压电性能并影响可靠性。有研究显示，AOG会破坏纤锌矿结构的均匀性，降低MEMS器件的压电响应，增加缺陷密度。本章节综述了近年MEMS微镜应用的AlScN薄膜制备。近期对AlScN薄膜沉积的研究旨在改善薄膜纹理，包括提高c轴取向，最小化AOG的探索。同时，还探索了多种各向异性干法蚀刻技术，例如电感耦合等离子体蚀刻（ICP）、离子束蚀刻（IBE）和反应离子束蚀刻（RIBE），用于AlScN压电MEMS微镜结构的精确图案化和可靠释放。

AlN和AlScN薄膜的蚀刻速率特性，以及AlScN薄膜的侧壁轮廓

基于AlN和AlScN的MEMS微镜

本章节概述了基于AlN和AlScN薄膜的压电MEMS微镜，介绍了突出其结构和性能特征的关键研究。研究人员首先阐述了两种主要的驱动模式，即谐振驱动和准静态驱动，并讨论了它们对器件行为和性能的影响。对于AlN压电MEMS微镜，根据其自由度（DOF）进行了分类，包括单自由度和双自由度设计。对于AlScN压电MEMS微镜，则按结构配置进行了梳理，特别是三级和单层架构。为了阐明AlScN相对于AlN的实际优势，研究人员还汇总了直接对比两者性能的主要实验和模拟结果。最后，研究人员回顾了它们已验证的应用领域，并探讨了AlN和AlScN两种材料的独特特性及其未来机遇。

1-DOF AlN压电MEMS微镜

2-DOF AlN压电MEMS微镜

由镜面、立柱和执行器组成的三级配置及单层结构的代表性MEMS微镜

结论

AlN因其稳定的机械性能、优异的环境稳健性以及与标准CMOS工艺的兼容性，而被广泛应用于MEMS微镜。为了克服其较低的压电响应限制，AlScN已成为一种有前途的替代方案。通过将Sc掺入AlN晶格（通常浓度在20%至43%之间），压电响应性获得了显著增强。这使AlScN压电MEMS微镜能够实现更大的机械转角，从而比AlN压电MEMS微镜具有更宽的光学扫描角度。当然，AlScN不是为了完全取代AlN，而是作为一种功能增强，在需要更大驱动幅度或更低工作电压的应用中提供更高的压电系数。

然而，增加Sc含量会引入一些设计权衡。较高浓度的Sc会降低材料的杨氏模量和硬度，可能会损害微镜结构的机械稳定性，尤其对于涉及大尺寸镜面或长扭力梁的设计。超过~50%的过量Sc掺杂，会引发从压电纤锌矿结构到非压电岩盐结构的相变，从而严重降低器件的性能。总之，AlScN通过提高驱动效率和更大的扫描角度，显著拓宽了MEMS微镜的设计空间。然而，为了充分利用这些优势，仔细优化Sc含量和结构对于确保长期可靠性和性能稳定性至关重要。

压电MEMS微镜的应用

同时，AlN在许多特定应用领域仍具有独特优势。其优异的化学稳定性、高导热性以及与后端CMOS工艺的兼容性，使其特别适用于环境适应性和长期可靠性至关重要的MEMS传感器、能量收集器以及高频声学器件。因此，AlN和AlScN之间的材料选择，应以目标应用的具体性能要求为指导，仔细权衡压电响应、机械完整性和工艺集成。AlN和AlScN并非提供“一刀切”的通用解决方案，而应发挥各自的优势，根据压电MEMS器件开发中的特定驱动需求、可靠性限制和集成要求进行战略性选择。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01053-8

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