SETSAL

REZULTATE OBTINUTE IN ANUL 2017

Contract 15/2014 “
Proiect “Senzor de temperatura bazat pe structuri de tip SAW pe AlN/Si cu frecventa de rezonanta in domeniul gigahertzilor” acronim SETSAL

Faza IV - Dezvoltare tehnologica pentru realizare  demonstrator senzor de temperatura bazat pe rezonatori SAW in gama GHz realizat pe AlN/Si

Contributia INFT-P1

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).

Figura 1: (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).

Contributia UPB-P2

Activitatile din 2017 legate de modelarea si optimizarea senzorului  au  urmarit doua aspecte principale. Primul se refera la proprietatile de material si a constat in cautarea unor referinte bibliografice care sa confirme ca valorile folosite pentru proprietatile de material si dependentele lor cu temperatura sunt corecte. A fost modelat AlN atat ca material izotrop cat si anizotrop. Un al doilea aspect se refera la  includerea unor tensiuni mecanice residuale in model, induse termic, adica datorate dilatarii diferite a straturilor (de Si si AlN). Modelele au fost realizate in ANSYS si COMSOL, facandu-se analize modale, in frecventa si tranzitorii.  Au fost effectuate studii pentru evaluarea senzitivitatilor frecventelor de rezonanta in raport cu diferiti parametri geometrici (inaltimea electrozilor si a stratului de dielectric, pasul si latimea electrozilor) si de material (densitatea electrozilor, rigiditatea materialului dielectric), in vederea optimizarii.

O serie de încercări de a obţine panta sensibilităţii traductorului (variaţie de circa 75 MHz a frecvenţei la o variaţie de 100 ºC) au arătat că acest lucru nu este posibil dacă se acceptă reducerea proprietăţilor elastice de material cu numai 0.4% la o creştere de temperatură cu 100 ºC la care se adaugă şi efectul tensiunilor termice care pot apare în model.  Sensibilitatea obţinută folosind datele disponibile din literatură a fost de circa 15 MHz pentru o creştere de temperatură cu 100 ºC. Totuşi semnul variaţiei a fost obţinut corect, ambele efecte, variaţia proprietăţilor de material cat şi tensiunile termice conduc la scăderea frecvenţei aşa cum s-a obţinut experimental.

Frecventa de rezonanta pentru primele 3 moduri, pentru diferite valori ale inaltimii electrozilor He

Contributia IMT-CO:  Realizare tehnologica structuri demonstrator II senzor de temperatura

Pentru obtinerea structurilor demonstratorului II s-au realizat noi masti, s-a efectuat un nou run tehnologic folosind straturi subtiri optimizate de AlN depuse pe siliciu de inalta rezistivitate de orientare (111).
Primul pas in procesul tehnologic de fabricare a structurilor SAW este definirea padurilor de masura ce conecteaza structurile IDT cu dimensiuni nanometrice. Astfel, pentru definirea padurilor este utilizat un proces de tip lift-off, folosind o metalizare de Ti/Au cu o grosime totala de 220 nm (20 nm/200nm) Pentru definirea traductorilor interdigitati (IDT), s-a dezvoltat un proces de scriere directa pe placheta utilizand litografia cu facicul de electron (EBL – Electron Beam Lithography).. Latimea/distanta dintre digit/interdigit a fost 170nm si 200nm.  Metalizarea IDT-urilor a fost realizata cu Ti/Au, folosind nanolitografia cu fascicol de electroni, titanul fiind utilizat pentru aderarea aurului la nitrura de aluminiu. Grosimea totala este de 55nm (5 nm/50 nm). In final se realizeaza o noua depunere de aur cu o grosime de circa 200 nm pe padurile de masura tot prin procedeul de lift-off.

Mastile utilizate la procesarea structurilor SAW pentru demonstratorul II au doua configuratii pentru traductorul interdigitat (IDT) avand latimea/spatierea digit/interdigit de 200 nm, 170 nm. Toate structurile IDT au 150 de digiti si 150 de interdigiti si lungim dei 50 µm, iar de fiecare parte a structurii interdigitate se afla cate o pereche de 50 de reflectoare.

Imagini SEM cu structura SAW avand latime/spatiu digiti/interdigiti de 170nm; detaliu al nanolitografiei

Contributia IMT-CO impreuna cu RQ-P3:

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
Structurile au fost proiectate pentru functionare la frecvente mai mari de 5 GHz. De aceea s-au realizat structuri avand IDT-urile cu dimensiuni de 200nm si 170nm obtinute prin procese de nano-litografie

Caracterizarea in microunde pentru structurile SAW pe AlN/Si s-a facut cu ajutorul unui analizor de retea vectorial (VNA - Vector Network Analyzer) 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. Din masuratorile in microunde a structurilor s-a folosit parametrul S11 care permite obtinerea de informatii despre temperatura senzorului prin modificarea corespunzatoare a frecventei de rezonanta a structurilor SAW.
Sensibilitatea unui rezonator SAW, definita de relatia s=df/dT, unde f este frecventa de rezonanta si T este parametrul masurat – temperatura. Utilizarea AlN in realizarea structurii de tip SAW pentru senzori are ca avantaj cresterea frecventei de rezonanta si implicit a sensitivitatii.
Structurile ce au fost caracterizate in temperatura cu ajutorul analizorului de retea vectorial VNA tip 37397D de la Anritsu  si al unui criostat (model SHI-4H-1 de la firma Janis Research Company),  capabil sa ofere o plaja de temperaturi, de la 5 K pana la 500 K
S-au facut masuratori ale frecventei de rezonanta in functie de temperatura, in gama -260ºC si 150ºC, pentru structuri SAW avand latime/spatiu digiti/interdigiti de 200nm cat si pentru structuri SAW avand avand latime/spatiu digiti/interdigiti de 170nm.

Din aproximarea liniara a ecuatia dreptei a fost calculata sensibilitatea structurii SAW obtinandu-se o valoare a coeficientului de temperatura in frecventa TCF = S = 75 ppm/ºC (s=370kHz/ºC) pentru structura SAW avand latime/spatiu digiti/interdigiti de 200nm (figura 6.5.b) si TCF = S = 82 ppm/ºC (s=449 kHz/ºC) pentru structura SAW avand avand latime/spatiu digiti/interdigiti de 170nm (figura 6.6 b).

Fig. 6.5 Variatia frecventei de rezonanta in functie de temperatura, in gama -260ºC si 150ºC, pentru structura SAW avand latime/spatiu digiti/interdigiti de 200nm

Fig. 6.6 Variatia frecventei de rezonanta in functie de temperatura, in gama -260ºC si 150ºC, pentru structura SAW avand latime/spatiu digiti/interdigiti de 170nm