AlN射频滤波器推进了压电MEMS产业的发展

许多行业专家们认为，即使线宽仍然在缩小，摩尔定律却很难继续降低成本。很难想象，当处理器的处理能力不能逐年增加的世界将会是怎么样，那一刻迟早会来。MEMS器件，尤其是压电MEMS，在2015年也许将迎来属于它的摩尔定律。

集成电路的摩尔定律

1959年，仙童半导体的Jean Hoerni发明了平面晶体管， 行业先驱、飞兆半导体公司和英特尔的创始人罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔，引领了这种器件的商业化，而其定义的集成电路标准制造过程一直持续到2012年英特尔FinFET的商业化。

平面晶体管的迷人之处在于它是一个十分健全的器件，在此基础上扩展也相对简单。摩尔时代以来，光刻源已经从可见光到极端的紫外线，单一模式代替了多重图像，浸没式光刻技术已成为家常便饭，3d FinFets已经取代了2d平面晶体管。所有的这些努力让摩尔定律发展时间比摩尔当初的设想更加长远，但每个晶体管的成本不再下降。

MEMS器件的瓶颈

微机电系统（MEMS）是使用类似于用于集成电路制造的微型器件。与经典的集成电路相比，后者只在电子领域，MEMS器件却是机电系统直接与现实世界的互动。一些最常见的应用包括加速度计、陀螺仪、麦克风、压力传感器、振荡器、能源收集器和射频滤波器。

所有这些MEMS器件的核心其实是能量转换器：他们收集机械或化学能量并将其转换成电能，并像集成电路一样处理信息。也许可以认为MEMS器件是一种信息，而不是能源、传感器、陀螺仪或麦克风。例如，从真实的物理世界获取信息并转换成以电为代表的信息可以由集成电路处理，存储在数字媒体或传输数据。

传统上，这种转换是通过静电感应有时被称为电容转导。在静电器件中，移动机械结构形成一个空气电容器的一部分。能量转换的效率是由这个电容器的特性决定的，表面积越大、越接近电容板、转换效率越高。这就是为什么许多静电MEMS器件拥有大量的梳齿驱动阵列，以最大化电容极板的表面积。

减少极板之间的距离也会提高性能，但这就产生了另一个一直困扰静电MEMS问题——静摩擦。如果极板太近，他们会粘住，可能永远不会产生分开。静电能量转换的物理特性死死的限制了MEMS器件的尺寸、性能、成本和可靠性。

另一种思路

压电是另一种可选的MEMS换能机制。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

常见的工业压电材料包括铅锆钽铁矿（钛、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝和石英。传统上，压电材料很难生产，通常需要数周或数月的生长高纯度晶棒，然后切成薄片进行处理。这一过程并不适合先进的MEMS加工，许多材料更会污染标准CMOS集成电路生产过程。

压电式MEMS的突破发生在射频滤波器制造商率先使用溅射的氮化铝薄膜制造FBAR和BAW型谐振器。AlN射频滤波器已经有了十分成功的产品，例如Avago和Qorvo（前TriQuint），大大推进了压电MEMS产业的发展。

AlN有许多优点：它与CMOS兼容；它可以使用低成本的溅射沉积工艺；它很容易腐蚀而且有优秀的力学性能。许多学术研究中心研究AlN十多年，目前，几大MEMS代工厂均能生产高质量的溅射AlN薄膜。

压电式MEMS设备使用压电效应而非静电力，这是其关键优势所在。压电式MEMS将不使用空气电容器，因此可以免受静摩擦，非常可靠。

唯一限制压电性能的是压电薄膜本身的质量，主要控制压电系数如何有效地机械应变力转换成电荷。在许多情况下，压电转换比静电更有效率。

压电MEMS器件正在进入加速商业化，因为制造业基础设施现在能大量生产压电MEMS。一个有趣的优势在于：压电MEMS比静电不仅仅是性能和可靠性，而且有潜力在未来几十年指数降低MEMS器件的尺寸和成本。正如晶体管成本降低是由门线宽驱动，压电式MEMS尺寸减少是由高质量压电薄膜驱动。当前压电薄膜通常是1微米左右，但研究人员正在生长不到25nm厚的薄膜。只要压电系数不减少，膜层越薄，信号生成越多，换能表现越好。由此相对容易看出，压电MEMS器件几何图形在几年内可以缩小超过一个数量级。

一旦MEMS制造行业看到压电MEMS体积减小，将会有更多的投资在更薄、压电系数更高的压电薄膜上，MEMS将享受摩尔定律式的成本、大小和性能扩展。

如果压电MEMS可实现摩尔的神奇的组合预测，既减少尺寸、提升性能，又能降低成本，潜在收益将是巨大的。然而，有一件事是肯定的，指数级减少MEMS传感器的尺寸和成本还很久远。如今不幸的摩尔定律即将终结，不幸之中有一些安慰——摩尔式的技术扩展，及其广泛的经济效益，也许会重生。
       责任编辑:pj