Hydrogenated amorphous silicon carbide thin films for microelectromechanical systems

Abstract

Die vorliegende Doktorarbeit behandelt die Charakterisierung und die Implementierung von amorphen, wasserstoffreichen Siliziumkarbid (a-SiC:H) Dünnschichten in mikroelektromechanische Systeme (MEMS) am Beispiel eines MEMS Mikrofons. Eine große Herausforderung stellt dabei die Herstellung von Dünnschichten mit exakt definierten mechanischen Eigenschaften wie Verspannung, Elastizitätsmodul oder Härte dar. Hinzu werden besonders im Bereich der Hochleistungs-MEMS robuste oder chemisch widerstandsfähige Materialien wie SiC benötigt, deren ein- oder polykristalline Herstellung Temperaturen von über 1000°C erfordert, was meist nicht mit bereits vorher abgeschiedenen Materialien kompatibel ist. Daher wird in dieser Arbeit zur Schichtherstellung ein induktiv-gekoppelter plasmaunterstützter Gasphasenabscheidungsprozess gewählt, der a-SiC:H Synthetisierung bei Temperaturen von 350°C und darunter erlaubt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass durch geeignete Wahl der Abscheideparameter die Eigenschaften der Dünnschicht gezielt auf die Anwendung hin eingestellt werden können. Dies ermöglicht die Herstellung von Dünnschichten mit Elastizitätsmodulwerten von 36 - 209 GPa, Härten von 5,3 - 27,2 GPa, beziehungsweise mechanisch nahezu unverspannte bis über -2 GPa kompressiv verspannte Schichten. Ein zusätzlicher Vorteil von a-SiC:H ist, dass durch thermische Behandlung nach der Abscheidung die Schichteigenschaften in großen Bereichen weiter angepasst werden können. Im Zuge der Arbeit wird der Einfluss von Temperaturschritten bis 1200°C auf die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten analysiert und mit Ergebnissen aus Masseneffusions- und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopiemessungen korreliert. Insbesondere die zuletzt genannte Messtechnik liefert einfach und zuverlässig wertvolle Informationen aus der Kurvenform der Vibrationsspektren in Bezug auf einsetzende Kristallisationseffekte imWerkstoff. Dabei zeigt sich, dass bis etwa 800°C vor allem Wasserstoff thermisch ausgetrieben wird und zusätzliche Si-C Bindungen entstehen, wodurch die mechanische Verspannung der a-SiC:H Dünnschichten tensil wird. Bei höheren Temperaturen tritt durch zusätzlich eintretende Nanokristallisation ein weiterer starker Anstieg der mechanischen Schichteigenschaften auf, wie etwa des Elastizitätsmoduls auf 267 GPa oder der Härte auf 34,5 GPa. Das Verhalten der Schicht als Membran wird anschließend mittels Bulgemessungen erfasst und neben dem Elastizitätsmodul und der Schichtspannung auch das Verhalten bis zum Membranversagen ausgewertet. Dabei zeigt sich, dass durch Tempern der Membranen und der dadurch verursachten Erhöhung der Dichte, beziehungsweise der zusätzlichen Si-C Bindungen, die Belastbarkeit der Membranen deutlich ansteigt. Die gemessene Zunahme der Grenzbelastbarkeit von 0.8 auf 1.2 GPa liegt dabei bereits knapp an der von polykristallinem 3C-SiC, welches Werte im Bereich 1.8 - 2.5 GPa aufweist. Eine große Herausforderung war es die gewonnen Erkenntnisse in den komplexen und sequenziellen Prozessablauf eines MEMS Mikrofons übertragen, wobei es gelungen ist Prototypen mit einer a-SiC:H/Poly-Silizium-Bilayermembran zu fertigen. Die Funktionalität der Mikrofone bei verschiedenen Schichtdicken und Verspannungen wird mittels elektrischer Pull-in-Analyse erfasst. Dabei ergeben sich leicht erhöhteWerte im Vergleich zu Standard-Siliziummikrofonen, was auf einen erfolgreichen Einsatz von a-SiC:H zur Erhöhung der Robustheit zukünftiger Mikrofonmembran schließen lässt. Zusammenfassend zeigt die Arbeit das große Potential von a-SiC:H Dünnschichten für die Anwendung in mikroelektromechanischen Systemen auf.

This thesis is about the characterization and integration of hydrogenated amorphous siliconcarbide (a-SiC:H) thin films into microelectromechanical systems (MEMS), targeting a MEMSmicrophone as an example. One of the big challenges in this field is the synthetization ofthin films with well determined mechanical properties, like residual stress, Young’s modulusor hardness values. Furthermore, to improve the device performance, the application ofrobust and chemically inert materials, like SiC, is very promising, but often requires depositiontemperatures of 1000°C and above, which strongly limits the available materials and processsteps during MEMS fabrication.To overcome these limitations, an inductively-coupled plasma-enhanced chemical vapordeposition process is investigated throughout this thesis which enables deposition of a-SiC:Hthin films at temperatures of 350°C and below. It is presented that the resulting thin filmcharacteristics can be modified to a great extent by varying the deposition parameters. Layerswith Young’s modulus values ranging from 36 - 209 GPa or hardness values ranging from5.3 - 27.2 GPa can be synthesized while the residual stress can be adjusted from over -2 GPacompressive to a nearly stress-free level. In addition, the properties of the a-SiC:H layercan be application-specific tailored via post-deposition annealing. To analyze the impact ofhigh temperatures on the thin film properties, thermal annealing experiments are carried outup to temperatures of 1200°C and the findings are correlated to results obtained from masseffusion measurements and Fourier-transform infrared (FT-IR) spectra. By exploiting the FT-IRtechnique, a simple method is presented that enables to detect the onset of nanocrystallizationin the a-SiC:H films caused by the high temperature annealing. Thereby it is presented, thatthe change of residual stress towards highly tensile is up to 800°C dominated by effusionof hydrogen and buildup of Si-C bonds. At higher temperatures, an additional onset ofnanocrystallization further enhances the mechanical properties with Young’s modulus valuesof 267 GPa or hardness values of 34.5 GPa being realized. Furthermore, the application andthermal treatment of the material as a membrane are investigated by bulge testing, whichallows to determine the bending characteristics, as well as the flexural Young’s modulusand the tensile residual stress. The tests also reveal an intriguing correlation of increasingmembrane burst pressure with thermal annealing due to densification of the layer andgeneration of additional Si-C bonds. Fracture strength values are found to increase from0.8 to 1.2 GPa which is already close to that reported for polycrystalline 3C-SiC membranes,