Intrinsic Losses in Silicon, Polycrystalline Diamond, and Silicon Carbide MEMS Resonators

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.