Resumen de Tecnologías de fabricación de microsistemas electromecánicos actuados piezoeléctricamente con nitruro de aluminio
Sheila González Castilla
Esta tesis trata del desarrollo de una tecnología para la fabricación de microsistemas electromecánicos actuados piezoeléctricamente. El material piezoeléctrico activo utilizado es el nitruro de aluminio depositado en forma de película delgada por pulverización reactiva. Las características principales de esta tecnología son la utilización de técnicas de micromecanizado en superficie y de procesos de baja temperatura compatibles con las tecnologías de fabricación microelectrónica sobre silicio. Este desarrollo ha incluido la elección de los materiales con distinta funcionalidad (contactos, capas de sacrificio, capas piezoeléctricas, etc.) y su procesado (técnicas de depósito y grabado). La elección de cada material se ha realizado tras un proceso de selección y optimización de varios materiales. Así, entre otras propiedades, se ha optimizado el óxido de silicio poroso como capa de sacrificio de alta velocidad de ataque, el nitruro de silicio como capa estructural compatible con la capa de sacrificio, y el nitruro de aluminio como capa activa piezoeléctrica. También se han estudiado diferentes métodos de caracterización estructural y piezoeléctrica de cara a optimizar el proceso de depósito de las láminas de nitruro de aluminio sobre molibdeno para garantizar el crecimiento de películas de gran calidad cristalina y piezoeléctrica. Para validar la tecnología, se han fabricado microrresonadores piezoeléctricos que se han caracterizado por interferometría láser y vibrometría de efecto Doppler, lo que ha permitido determinar su respuesta en frecuencia. También se ha realizado un modelo de la respuesta en frecuencias de estos dispositivos. Por otra parte, la respuesta de los dispositivos se ha caracterizado mediante espectroscopia de admitancias. El uso de un condensador piezoeléctrico ha permitido actuar y detectar simultáneamente los desplazamientos inducidos mediante técnicas eléctricas debido a las variaciones de los campos eléctricos internos producidos en el material piezoeléctrico al ser deformado. Se ha evaluado la viabilidad de usar estos dispositivos como sensores de masa o como actuadores cuasi-estáticos. En primer lugar se han cargado los dispositivos con distintas masas cubriéndolos con capas de dióxido de silicio de distinto espesor depositadas por pulverización y se ha medido el cambio de las frecuencias de resonancia. La mejor sensibilidad de masa obtenida es del mismo orden que los mejores sensores másicos de características similares publicados en la bibliografía. Por último se ha probado la aplicación de los dispositivos fabricados como actuadores cuasi-estáticos. La aplicación de una tensión continua a baja frecuencia da lugar a un movimiento de la zona en voladizo cuya magnitud es del orden de algunas micras, suficiente para algunas aplicaciones como, por ejemplo, microinterruptores. ABSTRACT This thesis focuses on the development of a technology for the fabrication of micro- electromechanical systems (MEMS) piezoelectrically actuated with piezoelectric sputtered aluminium nitride (AlN) thin films. The main characteristics of the technology are the use of surface micromachining techniques and low temperature processes, fully compatible with silicon fabrication technologies. The development of the technology includes the choice of several thin films materials of different functionality (sacrificial layers, structural layers, metallic contacts, and piezoelectric layers) and their processing (deposition and etching processes). The final choice of the suitable material for each application has been made after a selection and optimization process of different materials. Sputtered porous silicon oxide layers with very high etch rates have been selected as sacrificial layers; low stress silicon nitride films are the candidates of choice as sacrificial layers. Finally, sputtered aluminium nitride films with high piezoelectric activity combined with molybdenum electrodes are the materials chosen for the piezoelectric stack. Different structural and piezoelectric characterization techniques have been applied to investigate the properties of the piezoelectric polycrystalline AlN layers in order to optimize their piezoelectric activity. To validate the technology, piezoelectric microrresonators have been fabricated. These devices have been characterized by laser interferometry and Doppler vibrometry techniques. These measurements helped us to asses the frequency response and evaluate the influence of thin films characteristics in their vibrational modes. A model to predict the frequency response of the resonators has been developed as well. Additionally, the frequency response of the devices has been characterized by admittance spectroscopy. The use of a piezoelectric capacitor has allowed actuating and sensing the induced displacements simultaneously by electrical means. This is due to the significant impedance variations that take place in the resonance. We have investigated the viability of using these devices as gravimetric sensors and quasistatic actuators. In the first case, the devices have been loaded with sputtered silicon oxide thin films of different thickness, representing different mass loading; the resulting resonant frequency shifts have been measured. The best mass sensitivity obtained is similar to the best one reported in the bibliography for similar devices. Finally, the devices have been tested as quasistatic actuators. When a low frequency voltage was applied to the resonators, the structure was bended; its displacement is in the order of several micrometer, high enough for several actuation application such as micro-switching.
