Intrinsic losses in silicon, polycrystalline diamond, and silicon carbide MEMS resonators

Abstract

Seit ihrem Start in den frühen 1960er Jahren hat sich die Microsystemtechnik zu einem außergewöhnlich erfolgreichen Bereich der Wissenschaft und Technik entwickelt. Unzählige bahnbrechende Entdeckungen haben den Weg für den heutigen Multimilliarden-Dollar-Markt geebnet, der durch mikroelektromechanische Systeme (MEMS) weltweit angetrieben wird. Neben dem piezoresistiven Effekt, der hauptsächlich für Bauteildesigns im niederfrequenten Bereich ohne Resonanz (z.B. Drucksensoren) zum Einsatz kommt, sind aktiv getriebene Systeme, die die Eigenfrequenzen der MEMS-Strukturen nutzen, von Interesse und Teil einer großen Bandbreite an Sensorsystemen und signalverarbeitenden Technologien. Silizium, ein etabliertes Basismaterial in der Halbleiterindustrie, ist dank der Errungenschaften der CMOS-Mikroelektronik auch in der MEMS-Industrie weit verbreitet. Dennoch gibt es Hochtemperaturanwendungen und solche unter herausfordernden Bedingungen bei denen Silizium an seine Grenzen stößt und andere Materialien, wie z.B. Siliziumkarbid und Diamant als vielversprechende Alternativen in Betracht gezogen werden. Polykristalline Materialien innerhalb dieser Halbleiter kombinieren herausragende mechanische, chemische und elektrische Eigenschaften mit hoher Kompatibilität zu Silizium-Substraten. Diese Arbeit fokussiert sich auf polykristalline Siliziumkarbid- und Diamant-Dünnschichten zur Anwendung als resonante MEMS-Bauteile. Durch die Verwendung maßgeschneiderter Herstellungsprozesse werden MEMS-Resonatoren aus polykristallinen Siliziumkarbid- und Diamant-Schichten auf Siliziumsubstraten hergestellt und ihre Schwingungseigenschaften, insbesondere die Resonanzfrequenz und der Gütefaktor (Q-Faktor), bei Frequenzen bis zu 1 MHz untersucht. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der Materialien werden ausgenutzt, um möglichst hohe Gütefakturen für Anwendungen, z.B. als Taktgeber, zu erzielen. Um dieses Ziel zu erreichen, untersucht diese Arbeit die Möglichkeiten einer automatisierten optischen Charakterisierung der statischen und dynamischen Eigenschaften von MEMS-Resonatoren. Ein optischer Ansatz basierend auf Weißlichtinterferometrie (WLI) und Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) wird entwickelt, um die lokalen Schichtdicken- und Stresswerte sowie die Resonanzfrequenzen und die Gütefaktoren zu bestimmen und damit statische und dynamische Bauteileigenschaften zu verbinden. Durch die Untersuchung verschiedener Resonanzmoden werden die Energieverluste in den Resonatoren ermittelt. Zudem wird die automatisierte Vermessung von hunderten Resonatoren mit tausenden and Resonanzmoden auf einem einzelnen 4-zoll Wafer für die Entwicklung der design-dependent Q-factor spectroscopy (DDQS) verwendet. Bei der DDQS wird die Breite der untersuchten einseitig geklemmten plattenförmigen MEMS-Resonatoren variiert, was dazu führt, dass sich die Resonanzmoden im Frequenzspektrum auffächern und Rückschlüsse auf moden- und frequenzabhängige Verlustmechanismen ermöglichen. Durch begleitende analytische und numerische Simulationen kann eine Landkarte der dominierenden Verlustmechanismen im Frequenzspektrum erstellt werden. Darüber hinaus wird die DDQS angewendet, um die Einflüsse der Oberflächenoxidation in monokristallinen Siliziumresonatoren, der Oberflächenreibungsverluste in nicht-Diamantbindungen in polykristallinen Diamantresonatoren und der Reibungsverluste in dotierten polykristallinen Siliziumkarbidresonatoren zu untersuchen. Alles in allem streicht diese Arbeit die Notwendigkeit von statistischen Analysen einer großen Zahl von MEMS-Resonatoren hervor, um dominierende Verlustmechanismen zu identifizieren und dadurch ein verbessertes Verständnis der Dünnfilmeigenschaften und des MEMS-Bauteildesigns für die Resonatorperformance zu ermöglichen.

Starting in the early 1960s, microsystem technology evolved into an extraordinarily successful field of science and industry, thanks to its numerous groundbreaking discoveries, which paved the way for today's multi-billion-dollar market, driven by microelectromechanical systems (MEMS) worldwide. Besides the piezoresistive effect, used mainly within off-resonance, low-frequency device designs (e.g., pressure sensors), actively driven systems utilizing the eigenfrequencies of MEMS structures are of great interest and part of a wide range of sensor systems and signal-processing technologies. Silicon is a well-established base material in the semiconductor industry; therefore, it is widely used within the MEMS industry, thanks to the achievements of CMOS microelectronics. However, there are high-temperature or harsh environment applications where silicon reaches its limitations, and other materials, e.g., silicon carbide and diamond, have emerged as promising alternatives. Polycrystalline materials within these semiconductors combine both the outstanding physical, chemical, and electrical properties with the good compatibility with silicon substrates. This work focuses on polycrystalline silicon carbide and diamond thin films for the application of resonant MEMS devices. Due to tailored integration process steps, flexural MEMS resonators are fabricated on silicon substrates from polycrystalline silicon carbide and diamond device layers, and their vibrational properties, especially resonance frequency and quality factor (Q-factor), are studied up to frequencies of 1 MHz. Furthermore, the exceptional mechanical properties of the materials are utilized, aiming for the highest possible quality factors for applications in e.g., timing devices. To achieve this goal, this work investigates the opportunities of an automated approach to optically characterize the static and dynamic properties of MEMS resonators. An optical approach based on white light interferometry (WLI) and laser Doppler vibrometry (LDV) is developed to screen local device layer thickness and stress values, as well as resonance frequency and quality factor, thereby combining information on both static and vibrational device properties. Investigating several different mode shapes enables to study energy losses in the resonators. Furthermore, the automated approach, applied to hundreds of resonators with thousands of resonance modes on one single 4-inch wafer, is utilized in the novel technique of design-dependent Q-factor spectroscopy (DDQS). The width of the studied single-side clamped plate-shaped (SSCP) MEMS resonators is varied within the DDQS, resulting in resonance modes spread across a wide frequency range, which enables the study of mode shape and frequency-dependent loss mechanisms. From accompanying analytical and numerical simulations, it is possible to draw a map of dominating loss mechanisms in the frequency spectrum. Even more, the DDQS is applied to investigate the influences of surface oxidation in monocrystalline silicon resonators, surface friction losses in non-diamond bonds in polycrystalline diamond resonators, and bulk friction losses in doped polycrystalline silicon carbide resonators. All in all, this work highlights the need for statistical analysis of a large number of MEMS resonator devices, enabling the identification of dominant loss contributions, thus paving the way to an improved understanding of thin film properties as well as MEMS device designs on resonator performance.