在当今科技领域，微电子机械系统（MEMS）技术的发展备受瞩目。其中，压电AlN MEMS凭借其独特的性能优势，在众多领域展现出巨大的应用潜力，成为研究的热点方向。Si基MEMS经过多年发展已进入智能微系统阶段，而压电AlN MEMS作为其中的重要分支，因其与CMOS工艺兼容、压电性能良好等优势，在手机射频谐振器、滤波器等领域得到广泛应用。
据麦姆斯咨询报道，中国电子科技集团有限公司和固态微波器件与电路全国重点实验室的科研团队介绍了压电AlN MEMS的掺杂薄膜材料制备、新器件结构设计、新工艺、可靠性和应用创新等方面的最新进展,评述其发展趋势。相关研究内容以“压电AlN MEMS的新进展”为题发表在《微纳电子技术》期刊上。
在掺杂薄膜材料方面，研究取得了丰硕成果。掺钪AlN薄膜可显著提高机电耦合系数和品质因数，如单晶氮化钪铝的体声波谐振器在3 – 10 GHz频段，机电耦合系数和品质因数表现优异。同时，通过优化薄膜结构，如采用多层结构和异质结构，可改善AlN薄膜的质量和性能。在制备技术上，除传统溅射沉积法外，原子层沉积（ALD）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等技术不断创新，在提高薄膜批产均匀性、降低杂质、实现低温工艺等方面取得进展。
新器件结构设计是压电AlN MEMS发展的关键领域。体声波（BAW）谐振器与固体安装谐振器（SMR）不断向降低声波损耗、调整频率和适应毫米波高次谐波等方向创新。例如，通过优化声反射器中间隔层设计，可减少BAW谐振器中的附加损耗；基于铝 - 氧化铝层结构的上电极优化设计，实现了BAW谐振器频率的调整。
薄膜体声波谐振器（FBAR）的研究则朝着高灵敏质量传感、适用于SiC衬底和毫米波高阶模式器件等方向发展。如基于铁电AlScN薄膜的FBAR，展现出良好的铁电滞回性能和频率调谐范围；用于监测粒子浓度的基于热电泳取样机制的AlN FBAR颗粒传感器，检测灵敏度得到有效提升。
轮廓模式谐振器（兰姆波谐振器）近年来发展迅速，兼具SAW器件和FBAR的优点。其在提高谐振频率、品质因数和有效机电耦合系数等方面不断创新，通过多种结构设计改进，如重新定义声学边界、优化电极设计等，有效提升了器件性能。
混合谐振器和AlN压电微机械超声换能器（PMUT）也取得了显著进展。混合谐振器通过两种谐振模式耦合或两种掺Sc浓度形态薄膜混合，提高了器件的综合性能；AlN PMUT则在提高输出声压、探测精度和灵敏度等方面不断优化，多种创新结构的出现，使其在医疗、传感等领域的应用更加广泛。
工艺和可靠性方面，压电AlN MEMS工艺已进入量产阶段，且与CMOS兼容特性突出。各类新工艺不断涌现，如在预处理的CMOS晶圆上制造AlN - PMUT，提高了器件的集成度和可靠性；优化AlN和AlScN薄膜的ICP刻蚀工艺，提升了薄膜的刻蚀质量。在可靠性研究上，聚焦于热疲劳和抗辐照两方面，通过对压电驱动MEMS悬臂梁上铝薄膜的疲劳试验以及对辐射环境下MEMS性能影响的研究，为器件在不同环境下的稳定应用提供了保障。
压电AlN MEMS在谐振器与滤波器、能量收集器、物质和生物传感与检测、指纹传感器、图像器和麦克风、通信、微镜传感、柔性传感等众多领域均有研究成果和应用。其发展不仅推动了无线通信、医疗设备等行业的进步，也为物联网、可穿戴设备等新兴领域提供了关键技术支持。
总体而言，压电AlN MEMS在材料制备、器件结构设计、工艺和可靠性以及应用等方面均取得了显著的新进展。随着研究的不断深入，其性能将进一步提升，应用领域也将不断拓展，有望在未来科技发展中发挥更为重要的作用，为相关产业带来更多的创新机遇和发展动力。
论文信息：
DOI: 10.13250/j.cnki.wndz.24040101
