1Einführung

Piezoelektrische MEMS, die bei erhöhten Temperaturen arbeiten, werden in Anwendungen, in denen eine direkte elektrische Sensorik oder Aktivierung unter extremen thermischen Bedingungen durchgeführt werden muss, zunehmend gefragt.einschließlich EnergieumwandlungssystemeIn solchen Umgebungen übersteigen die Gerätetemperaturen häufig 700 °C.eine Regelung, die die materiellen Grenzen konventioneller siliziumbasierter MEMS-Technologien in Frage stellt.

Die Betriebstemperatur traditioneller MEMS ist häufig durch Abbau von Strukturmaterialien, Metallisierungsausfall,und Spannungen, die durch eine Fehleinstimmung des thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) zwischen den funktionellen Schichten und dem Trägersubstrat verursacht werdenWährend Hybrid-MEMS-Fasersysteme über 1000 °C hinaus funktionieren konnten, begrenzen ihre Komplexität und mangelhafte Skalierbarkeit ihre Eignung für kompakte, integrierte Sensorplattformen.

Lithiumniobat (LN) bietet mehrere Vorteile für piezoelektrische Anwendungen bei hohen Temperaturen, darunter eine hohe Curie-Temperatur (~ 1200 °C), eine starke piezoelektrische Kopplung,und ausgezeichnete elektrooptische und akustoptische EigenschaftenInsbesondere zeigt das stechiometrische Lithiumniobat (SLN) im Vergleich zum kongruenten Lithiumniobat (CLN) eine überlegene thermische Stabilität.mit Lithium-Vakanzen und defektbedingtem Abbau über ca. 300 °CObwohl hochtemperaturbasierte Oberflächenakustische Wellen (SAW) -Geräte auf Massensubstraten weitgehend untersucht wurden, sind die Ergebnisse der Forschung in den BereichenDie thermische Überlebensfähigkeit von aufgehängten Dünnschicht-LN-Plattformen, die Massenakustische Wellen (BAW) und Lamb-Wellen ermöglichen, ist noch nicht ausreichend erforscht..

Aufgehängte MEMS-Strukturen bieten eine verbesserte elektromechanische Kopplung und akustische Einschränkung, sind aber von Natur aus anfälliger für thermomechanische Belastungen, Bruch,und unter extremen Bedingungen zusammenbrechenDas Verständnis ihrer thermischen Grenzen ist daher für die Entwicklung zuverlässiger MEMS bei hohen Temperaturen unerlässlich.

2. Konstruktion und Herstellung von Geräten

Die in dieser Arbeit untersuchten Geräte sind aufgehängte dünnflächige LN-Akustikresonatoren, die symmetrische Lamb-Wellen-Modi unterstützen.Die Resonatoren sind auf einem mehrschichtigen Stapel mit hoher Widerstandsfähigkeit gefertigtSilizium-Substrat, eine amorphe Silikonschicht und eine 600 nm dicke x-geschnittene LN-Stoichiometrie.X-Cut LN wird aufgrund seiner weit verbreiteten Verwendung in MEMS und photonischen Systemen und seiner günstigen elektromechanischen Eigenschaften ausgewählt.

Platin wird wegen seines hohen Schmelzpunkts und seiner chemischen Stabilität bei erhöhten Temperaturen als Elektrodenmaterial verwendet.Zwischen dem LN und dem Pt wird eine dünne Titanabhängenschicht eingeführt, um die Haftung zu verbessern und die Metalldelamination während des Wärmekreislaufs zu mildernDie Resonatorgeometrien umfassen Variationen des Drehwinkels in der Ebene, der Ankerkonfiguration,und interdigitale Elektroden-Layout, um zu vermeiden, dass die Ergebnisse der thermischen Ausdauer zu einem einzigen Design verzerrt werden.

Neben funktionalen Resonatoren werden Serpentinmetallwiderstände mit identischer Metallisierung auf demselben Substrat zusammengefertigt.Diese Strukturen ermöglichen eine direkte Überwachung der Metallwiderstandsfähigkeit in Abhängigkeit von der Glühtemperatur, die einen Einblick in den Metallisierungsabbau und seine Auswirkungen auf die Leistung des Geräts bieten.

3Experimentelle Methodik

Die thermische Beständigkeit wird anhand eines schrittweisen Glühen- und Charakterisierungsprotokolls beurteilt.mit kontrollierter Heiz- und Kühlgeschwindigkeit zur Unterdrückung pyroelektrischer Effekte in LN. Die anfängliche Glühtemperatur wird auf 250 °C eingestellt, gefolgt von aufeinanderfolgenden Zyklen mit Temperaturzunahmen von 50 °C. Jeder Glühschritt wird 10 Stunden lang bei der Zieltemperatur gehalten,mit Ausnahme der höchsten Temperaturen, bei denen die Ofenbeschränkungen kürzere Aufenthaltszeiten erfordern.

Nach jedem Glühzyklus werden die Geräte mittels optischer Mikroskopie zur Beurteilung der Strukturintegrität, vierpunktischer Sondenmessungen zur Beurteilung des Metallwiderstands,elektrische Radiofrequenzmessungen zur Erfassung der Resonanzfrequenz und des Qualitätsfaktors (Q), und Röntgendiffraktion (XRD) zur Untersuchung der Kristallinqualität und der Stammentwicklung.

4Ergebnisse und Diskussion

4.1 Strukturelle Entwicklung

Bei optischer Untersuchung werden bis zu etwa 400 °C minimale sichtbare Veränderungen in den suspendierten LN-Membranen festgestellt.obwohl die meisten Geräte mechanisch intakt und funktionsfähig bleibenBis zu 550 °C breiten sich Risse in der Regel nicht auf die Anker aus und verursachen keinen katastrophalen Zusammenbruch.

Eine schwere Strukturzerstörung tritt zwischen 600 °C und 750 °C auf. In diesem Temperaturbereich werden erhöhte Risse, Membranverformungen, LN-Delamination und Ankerfrakturen beobachtet.Bei etwa 700 °C, Risse bilden sich vorzugsweise entlang kristallographischer Richtungen, die mit hoher In-Plane-CTE und geringer Spaltenergie verbunden sind.Dieses Verhalten wird auf die große CTE-Missmatch zwischen LN und dem Siliziumsubstrat zurückgeführt, kombiniert mit der intrinsischen Anisotropie von X-Schnitt LN.

Bei 800 °C werden die Resonatoren durch starke Metallisierungsschäden und Verankerungsausfall nicht mehr funktionsfähig.

4.2 Metallisierung und Abbau

Die Messungen der Metallwiderstandsfähigkeit deuten auf eine anfängliche Abnahme der Widerstandsfähigkeit nach dem ersten Glühzyklus hin, die wahrscheinlich auf das Kornwachstum und die defekte Glühung im Pt-Film zurückzuführen ist.bei höheren Temperaturen, erhöht sich die Widerstandsfähigkeit erheblich und signalisiert die Bildung von Hohlräumen, Hügeln und Diskontinuitäten in der Metallschicht.

Über 650 °C weisen Pt-Filme eine ausgeprägte Abbauart auf, einschließlich Porenbildung und teilweisen Verlust der elektrischen Kontinuität.Diese Verschlechterung trägt unmittelbar zu erhöhten elektrischen Verlusten und letztendlich zum Ausfall des Geräts bei., auch wenn die LN-Membran teilweise intakt bleibt.

4.3 Akustische Leistung

HF-Messungen zeigen, dass die Resonanzfrequenzen mit zunehmender Glühtemperatur allmählich abnehmen, was mit der thermisch induzierten Spannungsentspannung und den Veränderungen der effektiven elastischen Konstanten übereinstimmt.Interessanterweise erhöht sich der Qualitätsfaktor mehrerer Resonanzmodi nach Hochtemperaturbrennen, insbesondere über 700 °C.Diese Verbesserung ist auf die Umverteilung der Belastungen und die Verringerung der Schallenergieleckagen in teilweise geknackten oder belastungsfreien Strukturen zurückzuführen..

Trotz dieser lokalisierten Leistungsverbesserungen sinkt die Gesamtbetriebsfähigkeit des Geräts aufgrund von Metallisierungsausfällen und Verankerungsabbrüchen über 750 °C deutlich.

5. Ausfallmechanismen

Zu den in dieser Studie identifizierten vorherrschenden Ausfallmechanismen gehören:

1. Abweichung der thermischen Ausdehnungzwischen LN, Metallelektroden und dem Siliziumsubstrat, was zu Spannungsaufbau und Rissbildung führt.

2. Kristallographische Spaltung von LN, insbesondere entlang von Ebenen mit geringer Bruchenergie unter hoher thermischer Belastung.

3. Unbeständigkeit der Metallisierung, einschließlich Korngrobung, Hohlraumbildung und Verlust der Leitfähigkeit in Pt-Filmen.

4. Verankerungsabbau, was die mechanische Unterstützung und die elektrische Kontinuität beeinträchtigt.

Diese Mechanismen wirken synergistisch, um die endgültige thermische Grenze von suspendierten Dünnschicht-LN-MEMS zu definieren.

6. Schlussfolgerungen

Diese Arbeiten zeigen, dass Lithiumniobat-Akustikresonatoren mit dünnflächiger Suspension bis zu 750 °C aushalten können.mit einer der höchsten nachgewiesenen Grenzwerte für die thermische Beständigkeit für rein MEMS-basierte piezoelektrische PlattformenObwohl bei erhöhten Temperaturen ein erheblicher Abbau auftritt,Das Überleben des Geräts und die teilweise Funktionalität unter solchen extremen Bedingungen unterstreichen die Robustheit der stechiometrischen LN für MEMS-Anwendungen bei hohen Temperaturen.

Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse liefern praktische Leitlinien für die Materialauswahl, die Metallisierung,und strukturelle Optimierung zur Erweiterung des Betriebstemperaturbereichs aufgehängter LN-GeräteDiese Ergebnisse eröffnen Wege für den Einsatz von LN-basierten MEMS in rauen Umgebungen und für die Weiterentwicklung von hochtemperaturfotonischen, elektrooptischen und akustisch-optischen Systemen.