SETSAL

REZULTATE OBTINUTE IN ANUL 2016

1. Sintetizare si caracterizare filme suntiri de AlN piezoelectrice puternic texturate c-axis
In cadrul etapei a III-a au fost identificate conditiile optime (i.e., vid de baza inalt: ~4 x 10-5 Pa, presiune totala de lucru 0.2 Pa, presiune partiala de azot 0.05 Pa) pentru obtinerea unui film de AlN cu grosimea de ~1 μm avand o largime la semi-inaltime a curbei rocking pentru maximul de difractie 002 mai mica de 4° (Fig. 1a). Caracteristicile morfologice, structurale, compozitionale si mecanice ale acestui tip de structura a fost investigate utilizand tehnici avansate de analiza (SEM, AFM, TEM, XRD, SAED, EDS, XPS, teste pull-out, teste de nano-indentare, nano-zgariere si nano-uzura). Analizele XPS au reliefat o concentratie de ~5% legaturi Al-O-N (ceea ce indica contaminarea redusa a acestora cu oxigen) (Fig. 1b), in timp ce investigatiile TEM in sectiune transversala au relevat morfologia compacta si uniforma a filmului AlN optimizat (Fig. 1c,d). Acest tip de film AlN a prezentat aderenta la substratul de Si foarte buna (~47.6±2.6), modul de elasticitate apropiat de bulk (342.3±16.9 GPa), duritate superioara ceramicilor bulk de AlN (26.4±0.8 GPa), rezistenta la zgariere excelenta si rezistenta la uzura foarte buna (rata de uzura la 6 mN: 8.6*10-7 mm3/Nm).

(a) Difractograma XRD inregistrata in geometrie simetrica θ–θ si curba rocking (insert) corespunzatoare reflexiei planelor (002), tipice filmului AlN optimizat. (b) Spectrul XPS inalta rezolutie a nivelelor N 1s pentru filmul AlN. Simbolurile  reprezinta datele experimentale, curbele reprezinta fitul si componentele identificate. (c,d) Imagini TEM in sectiune transversala ale filmului de AlN: morfologia generala a filmului (c); imagine de inalta rezolutie (d).

2. Modelare structuri SAW pentru senzor de temperatura

In activitatea de modelare din acest an efectul temperaturii a fost analizat prin doua aspecte:
1)  includerea unor proprietati variabile cu temperatura in model, prin intermediul modulul de elasticitate longitudinal al materialului piezoelectric echivalent (izotropizat) si
2) dilatarea – atat prin includerea unor deplasari relative termice, dependente de coeficientul de dilatare termic, dar si prin  considerarea unor tensiuni initiale in model, datorate dilatarii diferite a celor doua materiale in contact (siliciul si materialul piezoelectric).

Rezultatele numerice arata ca intr-adevar cresterea temperaturii provoaca a scadere a frecventelor de rezonanta, cu o sensitivitate de ordinul sutelor de kHz/grade C si un TCF de zeci de ppm/grade C. 

3. Realizare tehnologica structuri demonstrator senzor de temperatura

Procesul tehnologic de fabricare a structurilor SAW incepe cu definirea padurilor de masura ce conecteaza structurile IDT cu dimensiuni nanometrice pentru definirea carora este utilizat un proces de tip lift-off, folosind o metalizare de Ti/Au cu o grosime totala de 220 nm (20 nm/200 nm). Definirea structurii interdigitate (IDT) se face printr-un proces de scriere directa pe placheta utilizand litografia cu facicul de electron (EBL – Electron Beam Lithography). Ca strat de sacrificiu s-a folosit un fotorezist de tip PMMA cu o grosime de 200 nm. Latimea/distanta dintre digit/interdigit variaza de la 150 nm la 200 nm. Metalizarea IDT-urilor a fost realizata cu Ti/Au, avand o grosime totala de 100nm (5 nm/95 nm). In final se realizeaza o noua depunere de aur cu o grosime de circa 200 nm pe padurile de masura tot prin lift-off. Depunerea realizata in acest ultim pas tehnologic are rolul de a ingrosa padurile de masura si de a imbunatati contactul dintre structurile IDT, realizate prin nanolitografie, si paduri.

Imagine SEM a unei structuri SAW realizata pe AlN/Si

4. Caracterizarea microfizica si la temperatura pentru structuri optimizate de senzori de temperatura bazate rezonatori SAW pe AlN/Si cu frecventa de rezonanta in domeniul gigahertzilor

Din masuratorile in microunde a structurilor, realizate cu un analizor de retea vectorial (VNA-Vector Network Analyzer) s-a folosit parametrul S11 care permite obtinerea de informatii despre temperatura senzorului prin modificarea corespunzatoare a frecventei de rezonanta a structurilor SAW. Noile structuride demonstrator SAW realizate pe placheta de AlN/Si au fost caracterizate in temperatura cu ajutorul unui analizor de retea vectorial si al unui criostat capabil sa ofere o plaja de temperaturii, de la 5 K pana la 500 K cu o precizie foarte buna. Folosind aproximarea liniara din ecuatia dreptei a fost calculata sensibilitatea structurii SAW obtinandu-se o valoare a coeficientului de temperatura in frecventa TCF = S = 82 ppm/ºC,

5. Teste preliminare pentru citirea cu precizie a frecventei de rezonanta masurata cu fir

Pentru sistemul de măsură a temperaturii, folosind conexiunea prin cablu a rezonatorului SA,W s-a realizat un cuplor direcţional de bandă foarte largă, cu secţiuni multiple. Factorul de cuplaj are o variaţie lentă şi monotonă între 4 GHz şi 7 GHz şi un coeficient de izolare de peste 25 dB până la aproximativ 7 GHz.