1Εισαγωγή

Τα πιεζοηλεκτρικά MEMS που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες απαιτούνται όλο και περισσότερο σε εφαρμογές όπου η άμεση ηλεκτρική ανίχνευση ή ενεργοποίηση πρέπει να εκτελείται υπό ακραίες θερμικές συνθήκες,συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων μετατροπής ενέργειας, επεξεργασία πετρελαίου και φυσικού αερίου, κινητήρες αυτοκινήτων και αεροδιαστημική πρόωση.ένα καθεστώς που αμφισβητεί τα υλικά όρια των συμβατικών τεχνολογιών MEMS με βάση το πυρίτιο.

Η θερμοκρασία λειτουργίας των παραδοσιακών MEMS περιορίζεται συχνά από την υποβάθμιση των δομικών υλικών, την αποτυχία της μεταλλικοποίησης,και στρες που προκαλούνται από τη διαφορά του συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) μεταξύ των λειτουργικών στρωμάτων και του υποστρώματος υποστήριξηςΕνώ τα υβριδικά συστήματα MEMS ινών έχουν αποδείξει λειτουργία πέραν των 1000 °C, η πολυπλοκότητά τους και η έλλειψη επεκτασιμότητας περιορίζουν την καταλληλότητά τους για συμπαγείς, ολοκληρωμένες πλατφόρμες αισθητήρων.

Το νιοβάτη λιθίου (LN) προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα για πιεζοηλεκτρικές εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής θερμοκρασίας Curie (~ 1200 °C), της ισχυρής πιεζοηλεκτρικής σύνδεσης,και εξαιρετικές ηλεκτρο-οπτικές και ακουστο-οπτικές ιδιότητεςΕιδικότερα, το στεχυομετρικό νιοβάτη του λιθίου (SLN) παρουσιάζει ανώτερη θερμική σταθερότητα σε σύγκριση με το ομοειδές νιοβάτη του λιθίου (CLN),που υποφέρει από κενά λιθίου και αποδόμηση λόγω ελαττωμάτων πάνω από περίπου 300 °CΑν και οι συσκευές ακουστικών κυμάτων επιφάνειας (SAW) υψηλής θερμοκρασίας με βάση το LN σε χύδη υποστρώματα έχουν μελετηθεί ευρέως,Η θερμική επιβίωση των ενεχυρωμένων πλατφορμών LN λεπτής μεμβράνης, οι οποίες επιτρέπουν τα μεγάλα ακουστικά κύματα (BAW) και τις συσκευές Lamb-wave, παραμένει ανεπαρκώς διερευνημένη..

Οι δομές MEMS με αναστολή προσφέρουν ενισχυμένη ηλεκτρομηχανική σύνδεση και ακουστικό περιορισμό, αλλά είναι εγγενώς πιο ευάλωτες σε θερμομηχανική πίεση, κατάρρευση,και να καταρρεύσει σε ακραίες συνθήκεςΗ κατανόηση των θερμικών ορίων τους είναι επομένως απαραίτητη για την ανάπτυξη αξιόπιστων MEMS υψηλής θερμοκρασίας.

2Σχεδιασμός και κατασκευή συσκευών

Οι συσκευές που ερευνούνται στην παρούσα εργασία είναι ανασταλμένοι ακουστικοί συντονιστές LN λεπτής ταινίας που έχουν σχεδιαστεί για να υποστηρίζουν συμμετρικές λειτουργίες κυμάτων Lamb.Οι αντηχούντες κατασκευάζονται σε πολυεπίπεδο που αποτελείται από υψηλής αντίστασηςυποστρώμα πυριτίου, ένα θυσιαστικό άμορφο στρώμα πυριτίου, και ένα X-cut στεχειομετρικό φιλμ LN πάχους 600 nm.Το X-cut LN επιλέγεται λόγω της ευρείας χρήσης του σε MEMS και φωτονικά συστήματα και των ευνοϊκών ηλεκτρομηχανικών ιδιοτήτων του.

Η πλατίνα χρησιμοποιείται ως υλικό ηλεκτροδίου λόγω του υψηλού σημείου τήξης και της χημικής σταθερότητάς της σε υψηλές θερμοκρασίες.Ένα λεπτό στρώμα προσκόλλησης τιτανίου εισάγεται μεταξύ του LN και του Pt για τη βελτίωση της προσκόλλησης και την άμβλυνση της αποστρώσεως του μετάλλου κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλουΟι γεωμετρίες του αντηχείου περιλαμβάνουν διαφορές στη γωνία περιστροφής στο επίπεδο, στη διαμόρφωση της άγκυρας,και διάταξη διαψηφιακών ηλεκτροδίων προκειμένου να αποφευχθεί η προκατάληψη των αποτελεσμάτων θερμικής αντοχής προς ένα ενιαίο σχέδιο.

Εκτός από τους λειτουργικούς αντηχείς, οι αντίστοιχοι μετάλλων από σέρπεντινη κατασκευάζονται από κοινού στο ίδιο υπόστρωμα χρησιμοποιώντας πανομοιότυπη μεταλλικοποίηση.Οι δομές αυτές επιτρέπουν την άμεση παρακολούθηση της αντίστασης του μετάλλου ως συνάρτηση της θερμοκρασίας αναψύξης, παρέχοντας μια εικόνα για την υποβάθμιση της μετάλλωσης και την επίδρασή της στις επιδόσεις της συσκευής.

3. Πειραματική μεθοδολογία

Η θερμική αντοχή αξιολογείται χρησιμοποιώντας ένα πρωτόκολλο σταδιακής αναψύξης και χαρακτηρισμού.με ελεγχόμενες ταχύτητες θέρμανσης και ψύξης για την καταστολή των πυροηλεκτρικών επιδράσεων στο LNΗ αρχική θερμοκρασία ανάψυξης ρυθμίζεται στους 250 °C, ακολουθούμενη από διαδοχικούς κύκλους με αύξηση της θερμοκρασίας κατά 50 °C. Κάθε στάδιο ανάψυξης διατηρείται στη θερμοκρασία-στόχο για 10 ώρες,Εκτός από τις υψηλότερες θερμοκρασίες, όπου οι περιορισμοί του φούρνου απαιτούν μικρότερες ώρες διαμονής.

Μετά από κάθε κύκλο ανάψυξης, οι συσκευές χαρακτηρίζονται με τη χρήση οπτικής μικροσκόπησης για την αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας, μετρήσεις τεσσάρων σημείων με ανιχνευτή για την αξιολόγηση της αντίστασης του μετάλλου,Ηλεκτρικές μετρήσεις ραδιοσυχνοτήτων (RF) για την εξαγωγή συχνότητας συντονισμού και συντελεστή ποιότητας (Q), και διάθλαση ακτίνων Χ (XRD) για την εξέταση της κρυσταλλικής ποιότητας και της εξέλιξης των στελεχών.

4Αποτελέσματα και συζήτηση

4.1 Διαρθρωτική εξέλιξη

Η οπτική επιθεώρηση αποκαλύπτει ελάχιστες ορατές αλλαγές στις αιωρούμενες μεμβράνες LN έως περίπου 400 °C. Πέρα από τους 500 °C, αρχίζει να εμφανίζεται ρωγμάτωση που προκαλείται από άγχος στις αιωρούμενες περιοχές,αν και οι περισσότερες συσκευές παραμένουν μηχανικά άθικτες και λειτουργικέςΜέχρι τους 550 °C, οι ρωγμές γενικά δεν εξαπλώνονται στις άγκυρες και δεν προκαλούν καταστροφική κατάρρευση.

Σοβαρή διαρθρωτική υποβάθμιση εμφανίζεται μεταξύ 600 °C και 750 °C. Σε αυτό το εύρος θερμοκρασιών παρατηρείται αυξημένη ρωγμή, παραμόρφωση μεμβράνης, αποστρωματισμός LN και κάταγμα άγκυρας.Περίπου 700 °C, οι ρωγμές σχηματίζονται κατά προτίμηση κατά μήκος των κρυσταλλογραφικών κατευθύνσεων που σχετίζονται με υψηλή CTE στο επίπεδο και χαμηλή ενέργεια διαχωρισμού.Αυτή η συμπεριφορά αποδίδεται στην μεγάλη ασυμφωνία CTE μεταξύ LN και του υπόστρωμα πυριτίου, σε συνδυασμό με την εγγενή ανισιοτροπία του X-cut LN.

Σε θερμοκρασία 800 °C, η εκτεταμένη βλάβη μετάλλωσης και η βλάβη της άγκυρας καθιστούν τους αντηχείς μη λειτουργικούς.

4.2 Καταπολέμηση της μεταλλικοποίησης

Οι μετρήσεις της αντίστασης των μετάλλων δείχνουν μια αρχική μείωση της αντίστασης μετά τον πρώτο κύκλο αναψύξης, πιθανότατα λόγω της ανάπτυξης των κόκκων και της ελαττωματικής αναψύξης στο φιλμ Pt.σε υψηλές θερμοκρασίες, η αντίσταση αυξάνεται σημαντικά, σηματοδοτώντας το σχηματισμό κενών, λόφων και διακοπών στο μεταλλικό στρώμα.

Πάνω από 650 °C, οι ταινίες Pt παρουσιάζουν έντονη υποβάθμιση, συμπεριλαμβανομένου του σχηματισμού πόρων και μερικής απώλειας ηλεκτρικής συνέχειας.Αυτή η υποβάθμιση συμβάλλει άμεσα στην αύξηση των ηλεκτρικών απωλειών και την τελική βλάβη της συσκευής, ακόμη και όταν η μεμβράνη LN παραμένει εν μέρει άθικτη.

4.3 Ακουστική απόδοση

Οι μετρήσεις ραδιοσυχνοτήτων δείχνουν ότι οι συντονιστικές συχνότητες μειώνονται σταδιακά με την αύξηση της θερμοκρασίας αναψύξης, σύμφωνα με τη θερμικά επαγόμενη χαλάρωση στρες και τις αλλαγές στις αποτελεσματικές ελαστικές σταθερές.Είναι ενδιαφέρον ότι ο ποιοτικός συντελεστής πολλών συνθηκών συντονισμού αυξάνεται μετά την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών, ιδιαίτερα πάνω από τους 700 °C.Η βελτίωση αυτή οφείλεται στην ανακατανομή των πιέσεων και στη μείωση της διαρροής ακουστικής ενέργειας σε δομές με μερική ρωγμή ή με ελάφρυνση των πιέσεων.

Παρά τις εν λόγω τοπικές βελτιώσεις της απόδοσης, η συνολική λειτουργικότητα της συσκευής μειώνεται απότομα πέραν των 750 °C λόγω αποτυχίας μετάλλωσης και σπάσματος της άγκυρας.

5Μηχανισμοί αποτυχίας

Οι κύριοι μηχανισμοί αποτυχίας που εντοπίστηκαν στην παρούσα μελέτη περιλαμβάνουν:

1. Αντιστοιχία θερμικής διαστολήςμεταξύ του LN, των μεταλλικών ηλεκτροδίων και του υπόστρωμα του πυριτίου, οδηγώντας σε συσσώρευση στρες και ρωγμάτωση.

2. Κρυσταλλογραφική διάσπαση του LN, ιδιαίτερα κατά μήκος των επιπέδων με χαμηλή ενέργεια σπάσματος υπό υψηλή θερμική πίεση.

3. Ασταθερότητα μετάλλωσης, συμπεριλαμβανομένης της ακατέργασης των κόκκων, του σχηματισμού κενού και της απώλειας αγωγιμότητας στις ταινίες Pt.

4. Η υποβάθμιση της άγκυρας, γεγονός που θέτει σε κίνδυνο τη μηχανική υποστήριξη και την ηλεκτρική συνέχεια.

Αυτοί οι μηχανισμοί ενεργούν συνεργικά για να καθορίσουν το τελικό θερμικό όριο των αιωρούμενων λεπτών ταινιών LN MEMS.

6Συμπεράσματα

Η εργασία αυτή αποδεικνύει ότι οι ακουστικοί συντονιστές λιθίου νιοβατικού λεπτού υλικού σε εναιώρηση μπορούν να αντέξουν θερμοκρασίες ανάψυξης έως 750 °C,που αντιπροσωπεύει ένα από τα υψηλότερα επαληθευμένα όρια θερμικής αντοχής για πλειοψηφίες πιεζοηλεκτρικών πλατφορμών με καθαρή βάση MEMSΠαρόλο που η σημαντική υποβάθμιση συμβαίνει σε υψηλές θερμοκρασίες,Η επιβίωση της συσκευής και η μερική λειτουργικότητα σε τέτοιες ακραίες συνθήκες υπογραμμίζουν την ανθεκτικότητα της στεχομετρικής LN για εφαρμογές MEMS υψηλής θερμοκρασίας.

Οι γνώσεις που αποκτήθηκαν από την παρούσα μελέτη παρέχουν πρακτικές κατευθυντήριες γραμμές για την επιλογή υλικών, το σχεδιασμό της μεταλλικοποίησης,και βελτιστοποίηση της δομής με στόχο την επέκταση του εύρους λειτουργικής θερμοκρασίας των συσκευών LN σε αναστολήΤα ευρήματα αυτά ανοίγουν δρόμο για την ανάπτυξη MEMS με βάση το LN σε σκληρά περιβάλλοντα και για την προώθηση φωτονικών, ηλεκτρο-οπτικών και ακουστο-οπτικών συστημάτων υψηλής θερμοκρασίας.