1Inleiding

Piezo-elektrische MEMS die bij verhoogde temperaturen werken, worden steeds vaker gebruikt in toepassingen waar directe elektrische sensing of activering onder extreme thermische omstandigheden moet worden uitgevoerd.met inbegrip van energieomzetsystemenIn dergelijke omgevingen zijn de temperatuur van de apparatuur vaak hoger dan 700 °C.een regeling die de materiële beperkingen van conventionele op silicium gebaseerde MEMS-technologieën in twijfel trekt.

De werktemperatuur van traditionele MEMS wordt vaak beperkt door afbraak van structurele materialen, metallisatiefouten,en spanningen veroorzaakt door een afwijking van de thermische uitbreidingscoëfficiënt (CTE) tussen de functionele lagen en het dragende substraatHoewel hybride MEMS­vezelsystemen hebben aangetoond dat ze boven de 1000°C kunnen werken, beperken hun complexiteit en gebrek aan schaalbaarheid hun geschiktheid voor compacte, geïntegreerde sensorplatformen.

Lithiumiobaat (LN) biedt verschillende voordelen voor piezo-elektrische toepassingen bij hoge temperaturen, waaronder een hoge Curie-temperatuur (~ 1200 °C), sterke piezo-elektrische koppeling,en uitstekende elektro-optische en akoesto-optische eigenschappenMet name vertoont stochiometrisch lithiumniobat (SLN) een betere thermische stabiliteit dan congruent lithiumniobat (CLN).met een gehalte aan Lithium van niet meer dan 10 GPa,Hoewel op hoogtemperatuur LN-gebaseerde apparaten voor oppervlaktaccustische golven (SAW) op bulksubstraten op grote schaal zijn bestudeerd, zijn de resultaten van de onderzoekingen van de afgelopen tien jaar duidelijk gebleken dat het gebruik van LN-gebaseerde oppervlaktaccustische golven (SAW) op grote schaal is toegenomen.de thermische overlevingsmogelijkheid van opgehangen dunne film LN-platformen ▌die bulk akoestische golven (BAW) en Lamb-wave-apparaten mogelijk maken ▌blijft onvoldoende onderzocht.

Opgehangen MEMS-structuren bieden een verbeterde elektromechanische koppeling en akoestische opsluiting, maar zijn inherent kwetsbaarder voor thermomechanische spanningen, breuken,en instorten onder extreme omstandighedenHet begrijpen van hun thermische grenzen is daarom essentieel voor de ontwikkeling van betrouwbare MEMS's bij hoge temperaturen.

2Ontwerp en fabricage van apparaten

De in dit werk onderzochte apparaten zijn opgehangen dunne film LN akoestische resonatoren ontworpen om symmetrische Lamb-golfmodus te ondersteunen.De resonators zijn vervaardigd op een meerlagige stapel bestaande uit een hoge weerstandsiliciumsubstraat, een offervormige amorfe siliciumlaag en een 600 nm dikke X-cut stochiometrische LN-film.X-cut LN is geselecteerd vanwege zijn wijdverspreide gebruik in MEMS en fotonische systemen en zijn gunstige elektromechanische eigenschappen.

Platina wordt als elektrode gebruikt vanwege zijn hoge smeltpunt en chemische stabiliteit bij verhoogde temperaturen.Een dunne titaniumadhesieschaal wordt tussen de LN en Pt geïntroduceerd om de adhesie te verbeteren en de delaminatie van metaal tijdens thermische cyclus te verminderenDe resonatorgeometrieën omvatten variaties in rotatiehoek in het vlak, ankerconfiguratie,en interdigitale elektrode lay-out om te voorkomen dat de resultaten van de thermische uithoudingsvermogen naar een enkel ontwerp worden vergeleken.

Naast functionele resonatoren worden serpentijnmetalen weerstanden op hetzelfde substraat geproduceerd met behulp van identieke metallisatie.Deze structuren maken een directe controle mogelijk van de weerstand van metaal in functie van de glanstemperatuur, die inzicht geeft in de afbraak van metallisatie en de gevolgen daarvan voor de prestaties van het apparaat.

3. Experimentele methodologie

De thermische duurzaamheid wordt beoordeeld met behulp van een stapsgewijs gluren en karakterisatieprotocol.met gereguleerde verwarmings- en koelsnelheden om pyro-elektrische effecten in LN te onderdrukken. De eerste gloeiingstemperatuur wordt ingesteld op 250 °C, gevolgd door opeenvolgende cycli met temperatuurstijgingen van 50 °C. Elke gloeiingsstap wordt gedurende 10 uur bij de beoogde temperatuur gehouden,behalve bij de hoogste temperaturen, waarbij de beperkingen van de oven kortere verblijfstijden vereisen.

Na elke gloeicyclus worden de apparaten gekenmerkt met behulp van optische microscopie om de structurele integriteit te beoordelen, met behulp van vierpuntsonderzoeken om de weerstand van het metaal te beoordelen,elektrische radiofrequentie (RF) -metingen om resonantiefrequentie en kwaliteitsfactor (Q) te verkrijgen, en röntgendiffractie (XRD) om de kristallenkwaliteit en de evolutie van de stam te onderzoeken.

4Resultaten en bespreking

4.1 Structuurontwikkeling

Optische inspectie toont tot ongeveer 400 °C minimale zichtbare veranderingen aan in de gesuspendeerde LN-membranen.Hoewel de meeste apparaten mechanisch intact en functioneel blijvenTot 550 °C verspreiden scheuren zich over het algemeen niet naar de ankerplaten en veroorzaken ze geen catastrofale instorting.

Ernstige structurele afbraak treedt op tussen 600 °C en 750 °C. In dit temperatuurbereik worden verhoogde scheuren, membraanvervorming, LN-delaminatie en ankerbreuk waargenomen.Bij ongeveer 700 °C, scheuren vormen zich bij voorkeur langs kristallografische richtingen in verband met een hoge CTE in het vlak en een lage splitsingsenergie.Dit gedrag wordt toegeschreven aan de grote CTE mismatch tussen LN en het silicium substraat, gecombineerd met de intrinsieke anisotropie van X-cut LN.

Bij 800 °C zijn de resonatoren door uitgebreide metallisatiebeschadiging en verankeringsfout niet functioneel.

4.2 Metallisatie Degradatie

Metalen metingen van de weerstandsvermogen wijzen op een aanvankelijke afname van de weerstandsvermogen na de eerste glanscyclus, waarschijnlijk als gevolg van korrelgroei en defectglans in de Pt-film.bij hogere temperaturen, stijgt de weerstand aanzienlijk, wat de vorming van holtes, heuvels en discontinuiteiten in de metalen laag aangeeft.

Bij temperaturen boven 650 °C vertonen Pt-folies een uitgesproken afbraak, met inbegrip van poriënvorming en gedeeltelijk verlies van elektrische continuïteit.Deze afbraak draagt rechtstreeks bij tot meer elektrische verliezen en eventuele storing van het apparaat, zelfs wanneer het LN-membraan gedeeltelijk intact blijft.

4.3 Akoestische prestaties

RF-metingen tonen aan dat resonantiefrequenties geleidelijk afnemen met toenemende gloeiingstemperatuur, in overeenstemming met thermisch geïnduceerde spanningsrelaxatie en veranderingen in effectieve elastische constanten.Interessant is dat de kwaliteitsfactor van verschillende resonantiemodi toeneemt na gluren bij hoge temperatuur, met name boven 700 °C.Deze verbetering wordt toegeschreven aan de herverdeling van de spanningen en het verminderen van het lek van akoestische energie in gedeeltelijk gebarsten of door spanningen verlichtte structuren.

Ondanks deze lokale prestatieverbeteringen daalt de algehele bruikbaarheid van het apparaat sterk na 750 °C als gevolg van metaalmisbreken en verankeringsbreuken.

5. Foutmechanismen

De belangrijkste in dit onderzoek geïdentificeerde mislukkingsmechanismen zijn:

1. Afwijking van de thermische uitbreidingHet is niet mogelijk om de spanningen te vergroten en te scheuren door de spanning tussen de LN, de metalen elektroden en het siliciumsubstraat.

2. Crystallografische splitsing van LN, met name langs vlakken met een lage breukenergie onder hoge thermische spanning.

3. Metalliseringsinstabiliteit, met inbegrip van korrelgroefheid, leegtevorming en verlies van geleidbaarheid in Pt-films.

4. Afbraak van het anker, wat de mechanische ondersteuning en de elektrische continuïteit in gevaar brengt.

Deze mechanismen werken synergetisch om de ultieme thermische limiet van suspendeerde dunne film LN MEMS te definiëren.

6Conclusies

Dit werk toont aan dat gesuspendeerde dunnefilm-lithiumniobaten akoestische resonatoren bestand zijn tegen gloeiingstemperaturen tot 750 °C.een van de hoogste geverifieerde grenswaarden voor thermische duurzaamheid voor zuiver op MEMS gebaseerde piezo-elektrische platformsHoewel er bij hoge temperaturen een aanzienlijke afbraak optreedt,De overleving van het apparaat en de gedeeltelijke functionaliteit onder zulke extreme omstandigheden benadrukken de robuustheid van stochiometrische LN voor MEMS-toepassingen bij hoge temperaturen.

De uit dit onderzoek verkregen inzichten bieden praktische richtsnoeren voor de materiaalkeuze, het ontwerp van de metallisatie, deen structurele optimalisatie gericht op het verlengen van het werkingstemperatuurbereik van opgehangen LN-apparatenDeze bevindingen openen mogelijkheden voor het inzetten van LN-gebaseerde MEMS in ruwe omgevingen en voor het ontwikkelen van fotonische, elektro-optische en akoestoptische systemen met hoge temperatuur.