Druck- und temperaturabhängiges Resonanzverhalten von Aluminiumnitrid basierten MEMS-Bauelementen

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und der Charakterisierung von resonant betriebenen, piezoelektrischen MEMS-Bauelementen, die gesputtertes Aluminiumnitrid (AlN) als aktive Schicht verwenden. Außerdem wird der Einfluss der aktiven AlN-Schicht auf das Resonanzverhalten der Bauelemente untersucht. Diese werden mit unterschiedlich c-Achsen orientiertem AlN hergestellt, charakterisiert und miteinander verglichen. Um den Druck- und Temperatureinfluss auf die Resonanzfrequenz und den Q-Faktor bestimmen zu können, wird ein Messaufbau vorgestellt, mit dem in einem Druckbereich von 20 bis 500 mbar sowie in einem Temperaturbereich von T = -150°C bis T = 150°C gemessen werden kann. Für den gesamten Druckbereich zeigt sich für die Bauelemente, unabhängig von der c-Achsen-Orientierung der AlN-Schicht, eine geringe Druckabhängigkeit der Resonanzfrequenz. Ebenso kann eine moderate Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz im Bereich von T = -50°C} bis T = 150°C} nachgewiesen werden, die bei Temperaturen unterhalb von T = -50°C auf Grund von Kondensations- und Resublimierungsprozessen verstärkt wird. Im Gegensatz zur Resonanzfrequenz zeigt der Q-Faktor der cantileverartigen Bauelemente eine starke Druck- und Temperaturabhängigkeit, wobei beide Cantilever ein ähnliches Verhalten aufweisen. Es wird gezeigt, dass die unterschiedlichen AlN-Schichten keinen Einfluss auf das Resonanzverhalten der Cantilever haben. Abschließend wird eine Zuverlässigkeitsprüfung der hergestellten Bauelemente durchgeführt, bei der sich ein deutlicher Unterschied in der Langzeitstabilität und somit in der Lebensdauer in Abhängigkeit der kirstallographischen Orientierung der piezoelektrischen Schicht zeigt.

The aim of this thesis is to fabricate AlN (aluminium nitrid) based MEMS (micro electromechanical systems) devices as well as to characterize their resonance behaviour. To investigate the influence of the active piezoelectric aluminium nitride thin film on the device performance, two AlN layers with a different degree of c-axis orientation are realized. A measuring setup to determine the pressure and temperature dependency of the resonance frequency and the Q-factor in the range of p = 20 to 500 mbar and T = -150°C to 150°C is presented. It is shown that the resonance frequency is only slightly influenced by pressure and temperature loads whereas the latter parameter is varied from -50 to 150°C. For temperatures below -50°C this influence is heavily intensified by condensation and resublimation processes. These findings are in contrast to the Q-factor investigations where a considerable pressure and temperature dependency for all resonant-excited devises is demonstrated independent of c-axis orientation. Finally the reliability of two different cantilever-type devises is investigated. When targeting this important parameter, a substantial difference in long-term stability and hence, in the reliability is demonstrated, as AlN films with a good c-axis orientation support a more stable device performance.