1. Introduzione

I MEMS piezoelettrici operanti ad alte temperature sono sempre più richiesti in applicazioni in cui il rilevamento o l'azionamento elettrico diretto deve essere eseguito in condizioni termiche estreme, inclusi sistemi di conversione di energia, lavorazione di petrolio e gas, motori automobilistici e propulsione aerospaziale. In tali ambienti, le temperature dei dispositivi superano frequentemente i 700 °C, un regime che sfida i limiti dei materiali delle tecnologie MEMS convenzionali basate sul silicio.

La temperatura operativa dei MEMS tradizionali è spesso limitata dal degrado dei materiali strutturali, dal guasto della metallizzazione e dallo stress indotto dall'incompatibilità del coefficiente di espansione termica (CTE) tra gli strati funzionali e il substrato di supporto. Mentre i sistemi ibridi MEMS-fibra hanno dimostrato un funzionamento oltre i 1000 °C, la loro complessità e la mancanza di scalabilità limitano la loro idoneità per piattaforme di sensori compatte e integrate.

Il niobato di litio (LN) offre diversi vantaggi per applicazioni piezoelettriche ad alta temperatura, tra cui un'elevata temperatura di Curie (~1200 °C), un forte accoppiamento piezoelettrico ed eccellenti proprietà elettro-ottiche e acusto-ottiche. In particolare, il niobato di litio stechiometrico (SLN) mostra una stabilità termica superiore rispetto al niobato di litio congruente (CLN), che soffre di vacanze di litio e degrado guidato da difetti al di sopra di circa 300 °C. Sebbene i dispositivi a onda acustica superficiale (SAW) basati su LN ad alta temperatura su substrati sfusi siano stati ampiamente studiati, la sopravvivenza termica delle piattaforme LN a film sottile sospese, che consentono dispositivi a onda acustica di massa (BAW) e a onda di Lamb, rimane insufficientemente esplorata.

Le strutture MEMS sospese offrono un maggiore accoppiamento elettromeccanico e confinamento acustico, ma sono intrinsecamente più vulnerabili allo stress termomeccanico, alla frattura e al collasso in condizioni estreme. Comprendere i loro limiti termici è quindi essenziale per lo sviluppo di MEMS ad alta temperatura affidabili.

2. Progettazione e fabbricazione del dispositivo

I dispositivi studiati in questo lavoro sono risonatori acustici LN a film sottile sospesi progettati per supportare le modalità d'onda di Lamb simmetriche. I risonatori sono fabbricati su un impilamento multistrato costituito da un substrato di silicioad alta resistività, uno strato di silicio amorfo sacrificale e un film di LN stechiometrico tagliato a X di 600 nm di spessore. L'LN tagliato a X è selezionato per il suo ampio utilizzo nei sistemi MEMS e fotonici e per le sue favorevoli proprietà elettromeccaniche.

Il platino viene impiegato come materiale per gli elettrodi per il suo alto punto di fusione e la stabilità chimica alle alte temperature. Uno strato sottile di adesione in titanio viene introdotto tra l'LN e il Pt per migliorare l'adesione e mitigare la delaminazione del metallo durante il ciclo termico. Le geometrie dei risonatori includono variazioni dell'angolo di rotazione nel piano, della configurazione dell'ancora e del layout degli elettrodi interdigitali al fine di evitare di sbilanciare i risultati di resistenza termica verso un singolo progetto.

Oltre ai risonatori funzionali, resistori metallici a serpentina sono co-fabbricati sullo stesso substrato utilizzando la stessa metallizzazione. Queste strutture consentono il monitoraggio diretto della resistività del metallo in funzione della temperatura di ricottura, fornendo informazioni sul degrado della metallizzazione e sul suo impatto sulle prestazioni del dispositivo.

3. Metodologia sperimentale

La resistenza termica viene valutata utilizzando un protocollo di ricottura e caratterizzazione a gradini. La ricottura viene eseguita in condizioni di vuoto per ridurre al minimo l'ossidazione, con velocità di riscaldamento e raffreddamento controllate per sopprimere gli effetti piroelettrici in LN. La temperatura di ricottura iniziale è impostata a 250 °C, seguita da cicli successivi con incrementi di temperatura di 50 °C. Ogni fase di ricottura viene mantenuta alla temperatura target per 10 ore, ad eccezione delle temperature più elevate, dove le limitazioni del forno richiedono tempi di permanenza più brevi.

Dopo ogni ciclo di ricottura, i dispositivi vengono caratterizzati utilizzando la microscopia ottica per valutare l'integrità strutturale, misurazioni a quattro punti per valutare la resistività del metallo, misurazioni elettriche a radiofrequenza (RF) per estrarre la frequenza di risonanza e il fattore di qualità (Q) e diffrazione a raggi X (XRD) per esaminare la qualità cristallina e l'evoluzione della deformazione.

4. Risultati e discussione

4.1 Evoluzione strutturale

L'ispezione ottica rivela cambiamenti minimi visibili nelle membrane LN sospese fino a circa 400 °C. Oltre i 500 °C, iniziano ad apparire crepe indotte dallo stress all'interno delle regioni sospese, sebbene la maggior parte dei dispositivi rimanga meccanicamente intatta e funzionale. Fino a 550 °C, le crepe generalmente non si propagano alle ancore o causano un collasso catastrofico.

Un grave degrado strutturale si verifica tra 600 °C e 750 °C. In questo intervallo di temperatura, si osserva un aumento delle crepe, deformazioni della membrana, delaminazione dell'LN e frattura dell'ancora. A circa 700 °C, le crepe si formano preferenzialmente lungo le direzioni cristallografiche associate a un elevato CTE nel piano e a bassa energia di scissione. Questo comportamento è attribuito all'ampia incompatibilità CTE tra LN e il substrato di silicio, combinata con l'anisotropia intrinseca dell'LN tagliato a X.

A 800 °C, estesi danni alla metallizzazione e guasto dell'ancora rendono i risonatori non funzionali.

4.2 Degrado della metallizzazione

Le misurazioni della resistività del metallo indicano una diminuzione iniziale della resistività dopo il primo ciclo di ricottura, probabilmente a causa della crescita dei grani e della ricottura dei difetti nel film di Pt. Tuttavia, a temperature più elevate, la resistività aumenta significativamente, segnalando la formazione di vuoti, colline e discontinuità nello strato metallico.

Al di sopra di 650 °C, i film di Pt mostrano un degrado pronunciato, tra cui la formazione di pori e la perdita parziale della continuità elettrica. Questo degrado contribuisce direttamente all'aumento delle perdite elettriche e all'eventuale guasto del dispositivo, anche quando la membrana LN rimane parzialmente intatta.

4.3 Prestazioni acustiche

Le misurazioni RF mostrano che le frequenze di risonanza diminuiscono gradualmente con l'aumentare della temperatura di ricottura, coerentemente con il rilassamento dello stress indotto termicamente e i cambiamenti nelle costanti elastiche effettive. È interessante notare che il fattore di qualità di diverse modalità di risonanza aumenta dopo la ricottura ad alta temperatura, in particolare al di sopra di 700 °C. Questo miglioramento è attribuito alla ridistribuzione dello stress e alla riduzione della dispersione di energia acustica in strutture parzialmente incrinate o alleviate dallo stress.

Nonostante questi miglioramenti delle prestazioni localizzate, l'operatività complessiva del dispositivo diminuisce drasticamente oltre i 750 °C a causa del guasto della metallizzazione e della rottura dell'ancora.

5. Meccanismi di guasto

I meccanismi di guasto dominanti identificati in questo studio includono:

1. Incompatibilità dell'espansione termica tra LN, elettrodi metallici e il substrato di silicio, che porta all'accumulo di stress e alla formazione di crepe.

2. Scissione cristallografica di LN, in particolare lungo piani con bassa energia di frattura sotto elevato stress termico.

3. Instabilità della metallizzazione, tra cui l'ingrossamento dei grani, la formazione di vuoti e la perdita di conduttività nei film di Pt.

4. Degrado dell'ancora, che compromette il supporto meccanico e la continuità elettrica.

Questi meccanismi agiscono sinergicamente per definire il limite termico finale dei MEMS LN a film sottile sospesi.

6. Conclusioni

Questo lavoro dimostra che i risonatori acustici al niobato di litio a film sottile sospesi possono resistere a temperature di ricottura fino a 750 °C, rappresentando uno dei limiti di resistenza termica verificati più elevati per piattaforme piezoelettriche basate esclusivamente su MEMS. Sebbene si verifichi un degrado significativo a temperature elevate, la sopravvivenza del dispositivo e la funzionalità parziale in condizioni così estreme evidenziano la robustezza dell'LN stechiometrico per applicazioni MEMS ad alta temperatura.

Le informazioni acquisite da questo studio forniscono linee guida pratiche per la selezione dei materiali, la progettazione della metallizzazione e l'ottimizzazione strutturale volte a estendere l'intervallo di temperatura operativa dei dispositivi LN sospesi. Questi risultati aprono la strada all'implementazione di MEMS basati su LN in ambienti difficili e per l'avanzamento di sistemi fotonici, elettro-ottici e acusto-ottici ad alta temperatura.