新型AlScN多层压电薄膜，赋能压电MEMS执行器
2025-10-29 09:00:24 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

AlScN是MEMS器件中应用的一种新型压电执行器替代材料，应用包括MEMS扬声器、压电MEMS超声换能器（PMUT）、MEMS微镜以及MEMS风扇等。

纵观百年铁电史，钙钛矿型铁电材料与CMOS后道工艺的兼容性以及临界尺寸效应等问题一直颇为棘手。而铪基铁电材料的结晶需要额外的后退火处理，其多晶特性导致薄膜微缩后性能不均匀，进而对高密度集成构成了挑战。因此，探索新型替代铁电材料显得尤为迫切。纤锌矿氮化物铁电材料——掺钪氮化铝（AlScN）的发现为这一领域带来了新的曙光。

新型AlScN多层压电薄膜，赋能压电MEMS执行器

AlScN是MEMS器件中应用的一种新型压电执行器替代材料，应用包括MEMS扬声器、压电MEMS超声换能器（PMUT）、MEMS微镜以及MEMS风扇等。与静电梳齿等其它驱动方法相比，压电驱动具有诸多优势，例如更大的驱动力。AlScN还能提供更好的线性特性、CMOS后道工艺兼容性、长期稳定性以及高温稳定性。所有这些特性再加上其在双极特性上的潜力，使得AlScN相比已广泛使用且压电系数更优的锆钛酸铅（PZT），依然是强有力的竞争者。

纤锌矿氮化物铁电材料最后剩余的缺点在AlScN中可以得到克服。由于AlScN的铁电特性，可以构建简单的多层薄膜结构设计，与单层材料相比，在保持其它优势的同时，极大地改善了“力-电压”特性。

基于AlScN薄膜的多自由度MEMS微镜

据麦姆斯咨询报道，德国弗劳恩霍夫集成系统与组件技术研究所（Fraunhofer ISIT）Axel Müller-Groeling教授团队正在研发及集成基于AlScN的多层堆栈结构，用于各种MEMS执行器，例如MEMS扬声器或MEMS微镜。为此，研究人员开发了一种适合的AlScN沉积工艺，以在大尺寸8英寸晶圆上高质量、高均匀地生长所需要的薄膜层。此外，该团队还研究了将这种AlScN多层薄膜堆栈结构集成到现有设计中的方法，以提高压电器件性能，并替代含铅的PZT。

铁电多层薄膜结构概念

下图展示了竞争性压电材料PZT、AlN和AlScN（单层）以及AlScN（双层）的性能。初看之下，PZT在最低场强下实现了最高应变，但与AlN和AlScN相比，PZT存在多项缺点。例如，高沉积温度和铅含量给薄膜集成带来了困难。此外，PZT只能通过恒定偏置和单极信号驱动，这限制了其可能的应用。

具有相似厚度的PZT、AlN、AlScN（单层）和AlScN（双层）薄膜的应变响应

而AlN没有任何这些问题，它可以双极驱动，但其压电系数大约低一个数量级。通过在AlN中掺杂Sc，形成AlScN，可显著提高了压电薄膜性能，同时保持了线性特性、CMOS后道工艺兼容性、长期高温稳定性以及双极驱动的潜力。为了进一步缩小AlScN与PZT的差距，并在某些应用中成功替代，可以制造多层薄膜堆栈结构，将至少两层AlScN薄膜的应变耦合在一起。

铁电双层薄膜概念，永久的铁电极化反转简化多层结构之间的耦合