Integration of ferroelectric thin films into silicon based microsystems

Kügeler, Carsten; Waser, Rainer

doi:1600

Integration of ferroelectric thin films into silicon based microsystems = Integration ferroelektrischer Dünnschichten in Silizium basierte Mikrosysteme

Kügeler, Carsten (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Carsten Kügeler

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangIX, 140 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-07-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-16004
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61920/files/Kuegeler_Carsten.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; MEMS (frei) ; PZT (frei) ; Piezoelektrischer Aktor (frei) ; ferroelektrische Dünnschicht (frei) ; Hochfrequenzschalter (frei) ; RF switch (frei) ; TFBAR (frei) ; ferroelectric thin film (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Integration von ferroelektrischen Materialien kann die Funktionalität von herkömmlichen Mikrosystemen erheblich steigern. So kann z. B. der inverse piezoelektrische Effekt zur Herstellung integrierter Aktoren genutzt werden, um damit integrierte Hochfrequenzschalter zu realisieren. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Integration ferroelektrischer Dünnschichten in siliziumbasierte Mikrosysteme. Zunächst wurden verschiedene ferroelektrische Dünnschichten mittels „Chemical Solution Deposition“ (CSD) auf mit Platin beschichteten Siliziumsubstraten abgeschieden und hinsichtlich der elektrischen und elektromechanischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei hat sich gezeigt, dass Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) mit einer Zusammensetzung von 45% Zirkon und 55% Titan einen besonders hohen piezoelektrischen Koeffizienten von d33 = 115 pm/V aufweist. Ferner sind keinerlei elektromechanischen Alterungseffekte zu beobachten, wenn das Material mit unipolaren elektrischen Feldern beaufschlagt wird. Eine Variation von PZT ist Blei-Hafnat-Titanat (PHT), wobei eine Dotierung mit 10% Lanthan zu elektrostriktiven Verhalten führt. Der piezoelektrische Koeffizient d33 beträgt hier 60 pm/V und ist unabhängig von der elektrischen Feldstärke, was im Gegensatz zu PZT zu einem annähernd linearem Ausdehnungsverhalten führt. Untersuchungen der Permeabilität von Barium-Strontium-Titanat (BST) zeigen eine linear abfallende Permeabilität bei steigenden Temperaturen, die sich zur Detektion von Wärmestrahlung einsetzen lässt. Zur Herstellung von siliziumbasierten Microsystemen wurden Technologien entwickelt mit denen sich ferroelektrische Dünnschichten, Platinelektroden, Silizium und Siliziumdioxid strukturieren lassen. Zur Freistellung von Biegebalkenstrukturen und Membranen wurden sowohl Rückseitenätzverfahren mit Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) und erstmalig auch isotropes Unterätzen mittels SF6-Plasma und ein Opferschichtverfahren angewandt. Letzteres ätzt die vergrabene Oxidschicht in „Silicon On Insulator“-Wafer mittels Flusssäuredampf. Weiterhin wurde ein Prozess zum Aufbau von freistehenden Kupferbrücken entwickelt, die als Kontakte in integrierten Hochfrequenzmikroschaltern fungieren. Mit Hilfe der funktionellen Dünnschichten wurde eine Vielzahl von Biegebalkenstrukturen realisiert, die auf dem inversen piezoelektrischen Effekt beruhen. Die Auslenkungen und Resonanzfrequenzen wurden mit einem Laser-Vibrometer gemessen. Dabei stimmen die Messergebnisse sehr gut mit Finite-Elemente Simulationen überein. Es wurde eine maximale Auslenkung von etwa 80 µm bei einer angelegten Spannung von nur fünf Volt gemessen, was deutlich mehr ist, als sich mit herkömmlicher elektrostatischer Aktuation erreichen lässt. Durch die konsequente Weiterentwicklung entstand zunächst ein neuartiges, integriertes Mikrorelais, das dann zu einem integrierten Hochfrequenzschalter weiterentwickelt wurde. Simulationen beweisen, dass dieses piezoelektrische Konzept bei Schaltfrequenzen bis zu 20 GHz ein Schaltlevel von 20 dB oder besser aufweist. Weitere im Rahmen dieser Arbeit entstandene Mikrosysteme sind Hochfrequenzresonatoren, die auf der Generation von Schallwellen durch Elektrostriktion beruhen und eine ausgeprägte Resonanz bei 6,2 GHz zeigen, sowie ein hoch empfindliches Bolometer zur Detektion von Infrarotstrahlung. Außerdem wurden Metallfolien mit PZT beschichtet, die im Vergleich zu Schichten auf platiniertem Silizium eine erhöhte spontane Polarisation zeigen. Auf diesem flexiblen Substrat gelang es mit einfachen feinmechanischen Mitteln Biegebalken herzustellen, die eine Auslenkung von 35 µm erreichen.

The integration of ferroelectric materials will enhance the functionality of conventional microsystems. The converse piezoelectric effect can be used for the fabrication of integrated actuators, which will help to realize integrated high frequency switches. The aim of this thesis is the integration of ferroelectric thin films into silicon based microsystems. Therefore, PZT thin films have been deposited on platinum coated silicon substrates by chemical solution deposition (CSD) and are characterized regarding their electrical and electromechanical properties. It has been shown that PZT with a composition of 45% zirconium and 55% titanium shows a very high piezoelectric coefficient of 115 pm/V. Moreover it has been proved that no electromechanical fatigue occurs, if the material is driven with unipolar electric fields. Lead hafnate titanate (PHT) is a variation of PZT and doping with 10% lanthanum leads to an electrostrictive behavior. Thereby, the piezoelectric coefficient is around 60 pm/V and nearly independent on the applied electric field, which leads to a linear strain behavior. The investigation of the permittivity of barium strontium titanate (BST) shows a linear decrease with increasing temperatures. This effect is used for the detection of infrared radiation. For the fabrication of silicon based microsystems a variety of technologies have been developed for the structuring of ferroelectric thin films, platinum electrodes, silicon and silicon dioxide. The release of cantilevers and membranes is performed by back etching with TMAH, isotropic etching with SF6 plasma and by a sacrificial process. The latter one is based on silicon on insulator substrates, whereby the buried oxide is etched with HF-vapor. Furthermore, a process for the fabrication of freestanding copper bridges was developed. A number of cantilevers relying on the converse piezoelectric effect were fabricated and characterized with a laser vibrometer regarding the displacement and the resonance frequency. The measurement results are in good agreement with finite element simulations. A maximum displacement of 80 µm was measured at an applied voltage of only five volts. This is several times more than can be achieved with electrostatic actuation. Further development leads to the fabrication of a microrelay, which than was integrated in an high frequency switch. Simulations show that this novel piezoelectric concept reaches a switching level of more than 20 dB up to 20 GHz. Further fabricated microsystems are thin film bulk acoustic resonators (TFBAR) relying on the generation of acoustic waves due to electrostriction and showing a resonance at 6.2 GHz as well as a dielectric bolometer for the detection of infrared radiation. Beyond, experiments with PZT coated metal foils exhibit higher spontaneous polarization than obtained on platinum coated silicon. From the experiments, cantilevers using the metal foil as flexible substrate were fabricated with fine mechanical techniques showing a displacement of 35 µm.

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