SETSAL

REZULTATE OBTINUTE IN ANUL 2015

1. Teste preliminare de sintetizare si caracerizare a filmelor de nitrura de aluminiu sintetizate prin pulverizare magnetron reactiva si caracterizari multiparametrice
Obtinerea unui grad de cristalinitate ridicat deopotriva cu o texturare puternica c-axis este dependenta de nivelul vidului limita atins in incinta de depunere, inainte de introducerea gazelor de lucru de puritate inalta. In plus, in cadrul etapei, a fost evidentiat ca orientarea c-axis a cristalitelor se imbunatateste cu timpul de depunere (cresterea grosimii filmelor), astfel incat la o grosime de film de ~3 µm, se obtine o largime la semi-inaltime a curbei rocking <4°, ceea ce se incadreaza in obiectivele propuse ale proiectului.

(a,c) Difractogramele XRD inregistrate in geometrie simetrica θ – θ si (b,d) curbele rocking corespunzatoare reflexiilor planelor AlN (002). (a,b) Dependenta calitatii structurale de nivelul vidului limita, relevata pentru filme AlN de 1500 nm  depuse pe plachete de Si (100) prin pulverizare magnetron reactiva la temperatura joasa (~50°C). (c,d) Dependenta cristalinitatii si texturii c-axis cu cresterea grosimii de film pentru probe AlN depuse pe plachete de Si (100) prin pulverizare magnetron reactiva la temperatura joasa (~50°C), plecand dintr-un nivel al vidului limita de 8x10-5 Pa.

Pentru filmele AlN preparate in conditiile optime rRF-MS sau obtinut valori ale constantei dielectrice de ~12; Conductivitatea depinde de grosimea filmelor AlN si implicit a calitatii lor structurale. Pentru filme AlN de 600 nm si 1300 nm au fost obtinute valori ale conductivitatii de ~4.5 x 10^-10 S si respectiv ~3 x10^-9 S.

2. Proiectare si modelare structuri SAW pentru senzor temperatura cu IDT avand dimensiuni submicronice

S-a realizat modelarea 2D si simularea cu elemente finite (in COMSOL) a unui rezonator bazat pe unde acustice de suprafata (SAW ), in care materialul piezoelectric este AlN. Dispozitivul este folosit ca un senzor de temperatura, astfel incat intereseaza si includerea influentei temperaturii in model.
Modelarea a parcurs urmatoarele etape:

1. Modelarea conceptuală: s-au stabilit ipotezele simplificatoare și aspectele neglijate;

2. Modelarea matematică: s-a formulat modelul in limbaj matematic, sub forma unei probleme bine formulate.

3. Modelarea analitic-aproximativă: determina relațiile între mărimile de intrare și cele de ieșire, in formă analitică, rezolvând o variantă aproximativă a ecuațiilor modelului.

4. Modelarea numerică: s-a construit un algoritm dedicat rezolvării ecuațiilor modelului.

5. Verificarea și validarea modelului: s-a  implementat algoritmul de rezolvare numerică pe un sistem de calcul și s-au realizat o serie de simulări, ale căror rezultate sunt folosite pentru a valida modelul elaborat. 

3. Realizare tehnologica structuri test SAW (nanolitografie e-beam, metalizari) cu IDT avand dimensiuni submicronice

In aceasta faza au fost realizate masti astfel incat sa se obtina rezonatoare SAW cu configuratii diferite pentru traductorul interdigitat (IDT) având latimea/spatierea digit/interdigit de 200 nm, 170 nm si 150 nm., astfel ducand la o variatie a freventei de rezonanta de la 7.64 GHz la 10.06 GHz a frecventei de rezonanta. Toate structurile IDT au 150 de digiti si 150 de interdigiti si lungimi de 100 µm si 50 µm, iar de fiecare parte a structurii interdigitate se afla cate o pereche de 50 de reflectoare plasate la diferite distante. Metalizarea IDT-urilor a fost realizata cu Ti/Au avand grosimea de 5nm/95nm, folosind nanolitografia cu fascicol de electroni.

4. Caracterizarea microfizica si in microunde structuri SAW pentru senzori de temperatura

Structura SAW a fost proiectata pentru functionare la frecvente mai mari de 8 GHz: IDT-urile au dimensiuni intre 200 nm si 150nm, obtinute prin tehnici de nano-litografie.

Structura SAW cu latimea digitilor de 200 nm, avand 150 de digiti (imagine SEM)	Imagine SEM cu detaliu al structurii SAW: digiti si interdigiti lati de 200nm

Structurile SAW pe AlN/Si au fost caracterizate in microunde (masuratori parametru S11) cu ajutorul unui analizor de retea vectorial (VNA) tip 37397D de la Anritsu, avand asociat un sub-sistem pentru masurarea componentelor direct pe placheta cu sonde (probe) coplanare, model PM5 de la Suss Microtec.

Frecventa de rezonanta la temperatura camerei (T = 23 °C) pentru structuri SAW avand IDT 200 nm (curba roz), 170 nm (curba grena) si 150 nm (curba albastra)

5. Caracterizarea la temperatura in criostat a structurilor experimentale SAW pe AlN/Si pentru senzori de temperatura

Caracterizarea in temperatura a structurii SAW a fost realizata intre -140ºC si 150ºC cu ajutorul unui criostat (model SHI-4H-1 de la firma Janis Research Company), echipament capabil sa ofere o plaja larga de variatie a temperaturii, de la 5 K pana la 500 K si o precizie foarte buna. Structurile SAW analizate sunt prevazute cu paduri de tip CPW pentru a putea fi conectate la un sistem special conceput  pentru a permite masurarea dispozitivului aflat in interiorul criostatului.

Sistem criostat Janis	Sistem special conceput in laborator

Din graficul  variatiei frecventei de rezonanta cu temperatura in intervalul 20-120ºC, variatie ce poate fi aproximata liniar, din panta dreptei s-a determinat sensibilitatea rezonatorului SAW: S= 84 ppm/ºC.

Variatia frecventei de rezonanta cu temperatura a rezonatorului SAW avand latimea digitilor de 170 nm (a) si sensibilitatea cu temperatura in intervalul 20-120°C (b)

 

REZULTATE OBTINUTE IN ANUL 2014

Teste preliminare de sintetizare a filmelor de nitrura de aluminiu puternic texturate c-axis prin pulverizare magnetron reactiva. Caracterizare multiparametrica.

S-au realizat experimente preliminare de sintetizare a straturilor subtiri de AlN cu grosimi diferite (~200 nm, 1000 nm si 2000 nm) pe plachete de siliciu (100) de mare rezistivitate prin procese de pulverizare reactiva in camp magnetron in regim de radio-frecventa (RF-MS). A fost urmarita evaluarea caracteristicilor optice, morfologice, structurale si electrice (elipsometrie spectroscopica, difractie de raze X, spectrometrie in IR cu transformata Fourier (FTIR), microscopie cu forta atomica si masurarea constantei dielectrice si pierderilor) ale filmelor depuse in vederea identificarii strategiilor de imbunatatire a calitatii fizico-chimice a AlN, ce vor fi aplicate in etapele viitoare ale proiectului, in scopul maximizarii raspunsului functional al dispozitivelor senzoriale vizate. Depunerile au avut loc la o presiune totala a gazului de lucru de 0.2 Pa in atmosfera reactiva de argon si azot (concentratie volumetrica azot: 30%), la temperatura camerei de depunere (in acest caz substratul a atins o temperatura maxima de ~50^oC, datorata exclusiv proceselor de bombardament in plasma) si pe substrat incalzit la 750^oC (in vederea studierii posibilitatii de a potenta cristalinitatea straturilor depuse). Fluxul total de gaz a fost pastrat, constant pe toata durata depunerilor, la 40 sccm. Analize fizico-chimice realizate in cadrul Etapei I a Proiectului au indicat ca obtinerea cu succes prin RF-MS a filmelor de nitrura de aluminiu hexagonala uniforme, inalt texturate c-axis (FWHM curba rocking~4.6^o), prezentand valori de rugozitate scazuta (~1.2 nm), o constanta dielectrica mare (~14-16) si pierderi electrice mici, a avut loc la o temperatura de substrat redusa (~50^oC). In etapa urmatoare se va urmari imbunatirea texturii filmelor AlN prin baleierea variabilelor RF-MS.

 

Spectre de elipsometrie ale filmului AlN depus la temperatura camerei (grosime≈954nm).	Difractograma tipica inregistrata in geometrie simetrica (θ–θ) pentru filmele de AlN depuse la temperatura camerei	Spectrele FTIR comparative ale filmelor AlN depuse la temperatura redusa (~50°C) si inalta (750°C).

 

Imagine AFM tipica suprafetei filmelor AlN depuse depuse la temperatura camerei	Constanta dielectrica vs. tensiune pentru filmele de AlN cu grosimile de ~200 nm, 1000 nm si 2000 nm

Teste nanolitografice pentru procesare semiconductori WBG; realizare tehnologica metalizari test pentru structuri IDT avand dimensiuni submicronice

Testele nanolitografice au studiat parametri esentiali in obtinerea geometriilor si a acuratetei dorite: (i) dimensiunea fasciculului de electroni al echipamentului (gradul de focalizare); (ii) viteza de scriere; (iii) tensiunea de accelerare utilizata; (iv) curentul de fascicul.

 

Structura test de SAW “subexpusa”	Detaliu al structurii subexpuse	Structura SAW dupa optimizare parametrii nanolitografie, dimensiuni linii si interspatiu – 250nm

Testele de metalizare au analizat problemele ce pot aparea cand fotorezistul nu este expus suficient pentru indepartarea sa completa din zonele in care se doreste configurarea structurii sau cand metalizarea este prea groasa si apar probleme in cursul procesului de lift-off. Aceste probleme au fost puse la punct si s-au realizat structuri test metalizate correct.

Detaliu structura test de SAW cu metalizare pusa la punct - linii de 250nm

Teste preliminare pentru citirea cu precizie a frecventei de rezonanta (masurare cu fir)
S-au efectuat masuratori la patru valori ale temperaturii ambiante , rezultatele fiind obţinute prin plasarea senzorului într-o incintă termostatată (etuvă), graficele demonstrând o precizie bună, dar cu posibilitatea de a fi îmbunătăţită în continuare prin:

- medierea pe un număr dat de eşantioane a valorilor de tensiune citite pentru fiecare frecvenţă de măsură; acest număr va trebui optimizat, deoarece achiziţia fiecărei valori de tensiune şi prelucrarea ulterioară au o durată finită;
- ecranarea cu eficienţă crescută a componentelor şi etajelor de prelucrare a semnalelor cu amplitudine redusă (detector şi convertor analog/digital).

Rezultate teste preliminare

 

Rezultate asteptate

Cresterea de straturi subtiri de AlN pe plachete de siliciu de mare rezistivitate prin tehnici de pulverizare in magnetron. Se vor obtine filme AlN reproductibile si rezistente cu grosime de 200-1000 nm, avand buna calitate cristalina, si texturare foarte buna pe axa c, la temperatura scazuta. Straturile realizate vor fi caracterizate folosind metode de caracterizare multiparametrice pentru a determina toate proprietatile straturilor AlN: elipsometrie spectroscopica (SE), spectroscopie fotoelectron cu raze X (XPS), difractie cu raze X (XRD), spectroscopie Raman, microscopie electronica HRTEM, teste de aderenta, masuratori electrice si piezoelectrice.

Experimentari procese nanolitografie e-beam si metalizari pentru structurile de SAW pe AlN care vor functiona in gama 6-9 GHz. Este necesara realizarea de IDT-uri cu digiti si interdigiti cu latime in gama de 80-150 nm. Pentru coeficientul de temperatura al frecventei (TCF), care reprezinta sensitivitatea in temperatura, a senzorului cu SAW pe AlN, ne propunem, valori de minim 75 ppm/^oC pentru structura cu un singur rezonator.

Realizarea demonstratorului de senzor de temperatura bazat pe un dispozitiv de tip SAW pe AlN/Si va fi pe suport ceramic cu conectoare SMA. Caracterizarea "on wafer" a structurilor SAW se va face utilizand echipamentul existent (VNA) la IMT. Structurile vor fi incalzite pe plita ('hot plate") in gama 23-150 ^oC. Se vor face determinari in etuva (23-200^oC) si in criostat (5-500K) utilizand montura speciala de fixare realizata pe ceramica si avand conectoare SMA. Performantele vor fi: sensitivitate >75 ppm/^oC in gama 23-150^oC pentru masuratori "on wafer", functionare in gama de frecventa 6-9GHz.