높은 온도에서 작동하는 압전 MEMS는 에너지 변환 시스템, 석유 및 가스 처리, 자동차 엔진, 항공우주 추진 등 극한의 열적 조건에서 직접적인 전기적 감지 또는 작동이 수행되어야 하는 응용 분야에서 점점 더 요구되고 있습니다. 이러한 환경에서 장치 온도는 종종 700 °C를 초과하며, 이는 기존의 실리콘 기반 MEMS 기술의 재료 한계를 뛰어넘는 수준입니다.
전통적인 MEMS의 작동 온도는 구조 재료의 열화, 금속화 실패, 기능성 층과 지지 기판 간의 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인한 응력에 의해 제한되는 경우가 많습니다. 하이브리드 MEMS-섬유 시스템이 1000 °C 이상에서 작동하는 것을 보여주었지만, 복잡성과 확장성의 부족으로 인해 소형화된 통합 센서 플랫폼에 적합하지 않습니다.
리튬 니오베이트(LN)는 높은 큐리 온도(~1200 °C), 강력한 압전 결합, 우수한 전기 광학 및 음향 광학 특성을 포함하여 고온 압전 응용 분야에 여러 가지 장점을 제공합니다. 특히 화학 양론적 리튬 니오베이트(SLN)는 리튬 공공 및 결함으로 인한 열화가 약 300 °C 이상에서 발생하는 공융 리튬 니오베이트(CLN)에 비해 우수한 열적 안정성을 나타냅니다. 벌크 기판에서 고온 LN 기반 표면 탄성파(SAW) 장치가 널리 연구되었지만, 벌크 탄성파(BAW) 및 람파 장치를 가능하게 하는 현탁 박막 LN 플랫폼의 열적 생존성은 충분히 탐구되지 않았습니다.
현탁 MEMS 구조는 향상된 전기 기계적 결합과 음향적 구속을 제공하지만 극한 조건에서 열 기계적 응력, 파손 및 붕괴에 본질적으로 더 취약합니다. 따라서 신뢰할 수 있는 고온 MEMS 개발을 위해서는 열적 한계를 이해하는 것이 필수적입니다.
본 연구에서 조사된 장치는 대칭 람파 모드를 지원하도록 설계된 현탁 박막 LN 음향 공진기입니다. 공진기는 고저항 실리콘 기판, 희생 비정질 실리콘 층, 600 nm 두께의 X-컷 화학 양론적 LN 필름으로 구성된 다층 스택으로 제작됩니다. X-컷 LN은 MEMS 및 광학 시스템에서 널리 사용되고 유리한 전기 기계적 특성으로 인해 선택되었습니다.
백금은 높은 융점과 고온에서의 화학적 안정성으로 인해 전극 재료로 사용됩니다. 열 사이클링 동안 접착력을 개선하고 금속 박리를 완화하기 위해 LN과 Pt 사이에 얇은 티타늄 접착 층이 도입됩니다. 공진기 형상은 단일 설계에 대한 열적 내구성을 편향시키지 않도록 평면 내 회전 각도, 앵커 구성 및 인터디지털 전극 레이아웃의 변형을 포함합니다.
기능성 공진기 외에도 동일한 금속화를 사용하여 동일한 기판에 뱀 모양의 금속 저항기가 함께 제작됩니다. 이러한 구조는 어닐링 온도의 함수로 금속 저항률을 직접 모니터링하여 금속화 열화와 장치 성능에 미치는 영향을 파악할 수 있게 합니다.
열적 내구성은 단계별 어닐링 및 특성화 프로토콜을 사용하여 평가됩니다. 어닐링은 산화를 최소화하기 위해 진공 조건에서 수행되며, LN의 열전 효과를 억제하기 위해 제어된 가열 및 냉각 속도를 사용합니다. 초기 어닐링 온도는 250 °C로 설정하고, 50 °C씩 증가하는 연속적인 사이클을 따릅니다. 각 어닐링 단계는 가장 높은 온도를 제외하고 10시간 동안 목표 온도를 유지하며, 이 경우 노 제한으로 인해 더 짧은 유지 시간이 필요합니다.
각 어닐링 사이클 후, 구조적 무결성을 평가하기 위해 광학 현미경 검사, 금속 저항률을 평가하기 위한 4점 프로브 측정, 공진 주파수 및 품질 계수(Q)를 추출하기 위한 무선 주파수(RF) 전기적 측정, 결정 품질 및 변형 진화를 검사하기 위한 X선 회절(XRD)을 사용하여 장치를 특성화합니다.
광학 검사 결과 약 400 °C까지 현탁 LN 멤브레인에서 눈에 띄는 변화가 거의 나타나지 않았습니다. 500 °C 이상에서는 응력으로 인한 균열이 현탁 영역 내에서 나타나기 시작하지만, 대부분의 장치는 기계적으로 손상되지 않고 기능합니다. 550 °C까지 균열은 일반적으로 앵커로 전파되거나 치명적인 붕괴를 일으키지 않습니다.
600 °C와 750 °C 사이에서 심각한 구조적 열화가 발생합니다. 이 온도 범위에서 균열 증가, 멤브레인 뒤틀림, LN 박리 및 앵커 파손이 관찰됩니다. 약 700 °C에서 균열은 높은 평면 내 CTE 및 낮은 절단 에너지를 갖는 결정학적 방향을 따라 우선적으로 형성됩니다. 이러한 현상은 LN과 실리콘 기판 간의 큰 CTE 불일치와 X-컷 LN의 고유한 이방성이 결합된 것으로 간주됩니다.
800 °C에서 광범위한 금속화 손상 및 앵커 고장으로 인해 공진기가 작동하지 않게 됩니다.
금속 저항률 측정 결과 첫 번째 어닐링 사이클 후 저항률이 초기 감소를 나타냈으며, 이는 Pt 필름의 결정립 성장 및 결함 어닐링 때문일 가능성이 높습니다. 그러나 더 높은 온도에서는 저항률이 크게 증가하여 금속층에 공극, 힐록 및 불연속성이 형성됨을 나타냅니다.
650 °C 이상에서 Pt 필름은 기공 형성 및 전기적 연속성의 부분적 손실을 포함하여 뚜렷한 열화를 나타냅니다. 이러한 열화는 LN 멤브레인이 부분적으로 손상되지 않은 상태로 남아 있는 경우에도 전기적 손실 증가 및 궁극적인 장치 고장에 직접적으로 기여합니다.
RF 측정 결과 공진 주파수는 어닐링 온도가 증가함에 따라 점차 감소하며, 이는 열적으로 유도된 응력 완화 및 유효 탄성 계수의 변화와 일치합니다. 흥미롭게도, 여러 공진 모드의 품질 계수는 고온 어닐링 후, 특히 700 °C 이상에서 증가합니다. 이러한 개선은 응력 재분배 및 부분적으로 균열이 발생하거나 응력이 완화된 구조에서 음향 에너지 누출 감소에 기인합니다.
이러한 국소적인 성능 향상에도 불구하고, 전체 장치 작동성은 금속화 고장 및 앵커 파손으로 인해 750 °C 이상에서 급격히 감소합니다.
본 연구에서 확인된 주요 고장 메커니즘은 다음과 같습니다.
열팽창 불일치 LN, 금속 전극 및 실리콘 기판 사이에서 응력 축적 및 균열을 유발합니다.
LN의 결정학적 절단, 특히 높은 열 응력 하에서 낮은 파괴 에너지를 갖는 평면을 따라 발생합니다.
금속화 불안정성, Pt 필름의 결정립 조대화, 공극 형성 및 전도성 손실을 포함합니다.
앵커 열화, 기계적 지지 및 전기적 연속성을 손상시킵니다.
이러한 메커니즘은 시너지 효과를 발휘하여 현탁 박막 LN MEMS의 궁극적인 열적 한계를 정의합니다.
본 연구는 현탁 박막 리튬 니오베이트 음향 공진기가 최대 750 °C의 어닐링 온도를 견딜 수 있음을 보여주며, 이는 순수 MEMS 기반 압전 플랫폼에 대한 가장 높은 검증된 열적 내구성 한계 중 하나를 나타냅니다. 높은 온도에서 상당한 열화가 발생하지만, 이러한 극한 조건에서 장치 생존 및 부분적 기능은 고온 MEMS 응용 분야에 대한 화학 양론적 LN의 견고성을 강조합니다.
본 연구에서 얻은 통찰력은 현탁 LN 장치의 작동 온도 범위를 확장하기 위한 재료 선택, 금속화 설계 및 구조 최적화에 대한 실질적인 지침을 제공합니다. 이러한 결과는 가혹한 환경에서 LN 기반 MEMS를 배치하고 고온 광학, 전기 광학 및 음향 광학 시스템을 발전시키는 길을 열어줍니다.
높은 온도에서 작동하는 압전 MEMS는 에너지 변환 시스템, 석유 및 가스 처리, 자동차 엔진, 항공우주 추진 등 극한의 열적 조건에서 직접적인 전기적 감지 또는 작동이 수행되어야 하는 응용 분야에서 점점 더 요구되고 있습니다. 이러한 환경에서 장치 온도는 종종 700 °C를 초과하며, 이는 기존의 실리콘 기반 MEMS 기술의 재료 한계를 뛰어넘는 수준입니다.
전통적인 MEMS의 작동 온도는 구조 재료의 열화, 금속화 실패, 기능성 층과 지지 기판 간의 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인한 응력에 의해 제한되는 경우가 많습니다. 하이브리드 MEMS-섬유 시스템이 1000 °C 이상에서 작동하는 것을 보여주었지만, 복잡성과 확장성의 부족으로 인해 소형화된 통합 센서 플랫폼에 적합하지 않습니다.
리튬 니오베이트(LN)는 높은 큐리 온도(~1200 °C), 강력한 압전 결합, 우수한 전기 광학 및 음향 광학 특성을 포함하여 고온 압전 응용 분야에 여러 가지 장점을 제공합니다. 특히 화학 양론적 리튬 니오베이트(SLN)는 리튬 공공 및 결함으로 인한 열화가 약 300 °C 이상에서 발생하는 공융 리튬 니오베이트(CLN)에 비해 우수한 열적 안정성을 나타냅니다. 벌크 기판에서 고온 LN 기반 표면 탄성파(SAW) 장치가 널리 연구되었지만, 벌크 탄성파(BAW) 및 람파 장치를 가능하게 하는 현탁 박막 LN 플랫폼의 열적 생존성은 충분히 탐구되지 않았습니다.
현탁 MEMS 구조는 향상된 전기 기계적 결합과 음향적 구속을 제공하지만 극한 조건에서 열 기계적 응력, 파손 및 붕괴에 본질적으로 더 취약합니다. 따라서 신뢰할 수 있는 고온 MEMS 개발을 위해서는 열적 한계를 이해하는 것이 필수적입니다.
본 연구에서 조사된 장치는 대칭 람파 모드를 지원하도록 설계된 현탁 박막 LN 음향 공진기입니다. 공진기는 고저항 실리콘 기판, 희생 비정질 실리콘 층, 600 nm 두께의 X-컷 화학 양론적 LN 필름으로 구성된 다층 스택으로 제작됩니다. X-컷 LN은 MEMS 및 광학 시스템에서 널리 사용되고 유리한 전기 기계적 특성으로 인해 선택되었습니다.
백금은 높은 융점과 고온에서의 화학적 안정성으로 인해 전극 재료로 사용됩니다. 열 사이클링 동안 접착력을 개선하고 금속 박리를 완화하기 위해 LN과 Pt 사이에 얇은 티타늄 접착 층이 도입됩니다. 공진기 형상은 단일 설계에 대한 열적 내구성을 편향시키지 않도록 평면 내 회전 각도, 앵커 구성 및 인터디지털 전극 레이아웃의 변형을 포함합니다.
기능성 공진기 외에도 동일한 금속화를 사용하여 동일한 기판에 뱀 모양의 금속 저항기가 함께 제작됩니다. 이러한 구조는 어닐링 온도의 함수로 금속 저항률을 직접 모니터링하여 금속화 열화와 장치 성능에 미치는 영향을 파악할 수 있게 합니다.
열적 내구성은 단계별 어닐링 및 특성화 프로토콜을 사용하여 평가됩니다. 어닐링은 산화를 최소화하기 위해 진공 조건에서 수행되며, LN의 열전 효과를 억제하기 위해 제어된 가열 및 냉각 속도를 사용합니다. 초기 어닐링 온도는 250 °C로 설정하고, 50 °C씩 증가하는 연속적인 사이클을 따릅니다. 각 어닐링 단계는 가장 높은 온도를 제외하고 10시간 동안 목표 온도를 유지하며, 이 경우 노 제한으로 인해 더 짧은 유지 시간이 필요합니다.
각 어닐링 사이클 후, 구조적 무결성을 평가하기 위해 광학 현미경 검사, 금속 저항률을 평가하기 위한 4점 프로브 측정, 공진 주파수 및 품질 계수(Q)를 추출하기 위한 무선 주파수(RF) 전기적 측정, 결정 품질 및 변형 진화를 검사하기 위한 X선 회절(XRD)을 사용하여 장치를 특성화합니다.
광학 검사 결과 약 400 °C까지 현탁 LN 멤브레인에서 눈에 띄는 변화가 거의 나타나지 않았습니다. 500 °C 이상에서는 응력으로 인한 균열이 현탁 영역 내에서 나타나기 시작하지만, 대부분의 장치는 기계적으로 손상되지 않고 기능합니다. 550 °C까지 균열은 일반적으로 앵커로 전파되거나 치명적인 붕괴를 일으키지 않습니다.
600 °C와 750 °C 사이에서 심각한 구조적 열화가 발생합니다. 이 온도 범위에서 균열 증가, 멤브레인 뒤틀림, LN 박리 및 앵커 파손이 관찰됩니다. 약 700 °C에서 균열은 높은 평면 내 CTE 및 낮은 절단 에너지를 갖는 결정학적 방향을 따라 우선적으로 형성됩니다. 이러한 현상은 LN과 실리콘 기판 간의 큰 CTE 불일치와 X-컷 LN의 고유한 이방성이 결합된 것으로 간주됩니다.
800 °C에서 광범위한 금속화 손상 및 앵커 고장으로 인해 공진기가 작동하지 않게 됩니다.
금속 저항률 측정 결과 첫 번째 어닐링 사이클 후 저항률이 초기 감소를 나타냈으며, 이는 Pt 필름의 결정립 성장 및 결함 어닐링 때문일 가능성이 높습니다. 그러나 더 높은 온도에서는 저항률이 크게 증가하여 금속층에 공극, 힐록 및 불연속성이 형성됨을 나타냅니다.
650 °C 이상에서 Pt 필름은 기공 형성 및 전기적 연속성의 부분적 손실을 포함하여 뚜렷한 열화를 나타냅니다. 이러한 열화는 LN 멤브레인이 부분적으로 손상되지 않은 상태로 남아 있는 경우에도 전기적 손실 증가 및 궁극적인 장치 고장에 직접적으로 기여합니다.
RF 측정 결과 공진 주파수는 어닐링 온도가 증가함에 따라 점차 감소하며, 이는 열적으로 유도된 응력 완화 및 유효 탄성 계수의 변화와 일치합니다. 흥미롭게도, 여러 공진 모드의 품질 계수는 고온 어닐링 후, 특히 700 °C 이상에서 증가합니다. 이러한 개선은 응력 재분배 및 부분적으로 균열이 발생하거나 응력이 완화된 구조에서 음향 에너지 누출 감소에 기인합니다.
이러한 국소적인 성능 향상에도 불구하고, 전체 장치 작동성은 금속화 고장 및 앵커 파손으로 인해 750 °C 이상에서 급격히 감소합니다.
본 연구에서 확인된 주요 고장 메커니즘은 다음과 같습니다.
열팽창 불일치 LN, 금속 전극 및 실리콘 기판 사이에서 응력 축적 및 균열을 유발합니다.
LN의 결정학적 절단, 특히 높은 열 응력 하에서 낮은 파괴 에너지를 갖는 평면을 따라 발생합니다.
금속화 불안정성, Pt 필름의 결정립 조대화, 공극 형성 및 전도성 손실을 포함합니다.
앵커 열화, 기계적 지지 및 전기적 연속성을 손상시킵니다.
이러한 메커니즘은 시너지 효과를 발휘하여 현탁 박막 LN MEMS의 궁극적인 열적 한계를 정의합니다.
본 연구는 현탁 박막 리튬 니오베이트 음향 공진기가 최대 750 °C의 어닐링 온도를 견딜 수 있음을 보여주며, 이는 순수 MEMS 기반 압전 플랫폼에 대한 가장 높은 검증된 열적 내구성 한계 중 하나를 나타냅니다. 높은 온도에서 상당한 열화가 발생하지만, 이러한 극한 조건에서 장치 생존 및 부분적 기능은 고온 MEMS 응용 분야에 대한 화학 양론적 LN의 견고성을 강조합니다.
본 연구에서 얻은 통찰력은 현탁 LN 장치의 작동 온도 범위를 확장하기 위한 재료 선택, 금속화 설계 및 구조 최적화에 대한 실질적인 지침을 제공합니다. 이러한 결과는 가혹한 환경에서 LN 기반 MEMS를 배치하고 고온 광학, 전기 광학 및 음향 광학 시스템을 발전시키는 길을 열어줍니다.
