Aluminiumnitrid Dünnschichtmembranen - Charakterisierung und technologische Integration in den MEMS-Prozessfluss

Polster, Tobias GND

 This document deals with different aspects of aluminum nitride (AlN) as thin film material. Starting with an overview on state of the art for application side. Furthermore the unique position of the self-supported AlN membrane elements, which are fundamental elements of this work, is postulated. Additionally the main membrane properties like YoungÕs modulus, intrinsic film stress and thermal conductivity are determined with the help of special designed test elements. Finally two application examples based on the knowledge towards process integration of AlN thin films are presented. The specific rules for process integration of AlN thin films are defined during practical processing of several samples. As mentioned before new functional elements are introduced within this work. These elements are flat, self-supported AlN thin film membranes. The processing of these structures is an easy to handle process with minor process steps. Beside this, mechanically stable, self-supported, pyramidal AlN membranes are introduced the first time. These tridimensional membrane elements are novel structures and an outcome of investigations towards process integration of AlN thin films. The AlN thin film based membrane elements provide a special crystalline structure, the c-axis texture. This special structure is in focus at beginning of material characterization part of this work. Additionally the parameters of deposition process are fixed, needed for generation of this crystalline structure. More detailed investigations on mechanical properties of membrane elements are covered by bulge-test experiments. This experiments open up the opportunity to analyze film stress and biaxial modulus. Determination of thermal conductivity is also based on membrane elements. Therefore the needed heating and temperature sensing elements are integrated on the membrane surface. To finalize this work the concept of two examples for AlN membrane functionalization is documented. This fact punctuates the possibilities of technological integration of AlN thin films. One example describes a thermo-mechanical actuated AlN membrane. The second example deals with the integration of metallic contact elements onto the pyramidal AlN membranes. This opens up the opportunity to build up piezoelectric sensitive elements on this basis.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit unterschiedlichen Aspekten des Materials Aluminiumnitrid (AlN) als Dünnschicht. Dabei wird ein Überblick zum aktuellen Stand der Technik auf Applikationsseite mit gleichzeitiger Abgrenzung zu den selbstragenden AlN-Membranen gegeben. Die selbstragenden AlN-Membranen stellen in dieser Arbeit die zentralen Elemente dar. Zudem werden wesentliche Membraneigenschaften wie der E-Modul, die intrinsische Verspannung und die thermische Leitfähigkeit anhand von membranbasierten Teststrukturen charakterisiert. Abschließend werden zwei Applikationsbeispiele nach den Regeln zur Prozessintegration umgesetzt und in ihrer Funktionalität demonstriert. Dies Regeln sind im Zuge der technologischen Versuche aufgestellt worden. Die bereits erwähnten AlN-Dünnschichtmembranen werden in dieser Arbeit als neue Funktionselemente eingeführt. Deren Herstellung kann über eine sehr einfache Prozessfolge mit wenigen Prozessschritten erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit werden zudem erstmals die mechanisch stabilen, selbsttragenden AlN-Pyramidenmembranen vorgestellt. Dabei handelt es sich um neuartige dreidimensionale Membranelemente, deren Herstellungsmöglichkeit aus den Untersuchungen zur technologischen Integration von AlN-Dünnschichten hervorgeht. Die in dieser Arbeit eingesetzten Membranelemente basieren alle auf AlN-Dünnschichten mit einer definierten kristallinen Struktur, der c-Achsentextur. Diese Struktur wird zum Einstieg in die Materialcharakterisierung näher betrachtet. Zudem werden die Parameter der Schichtabscheidung zum Erzielen dieser Struktur definiert. Zur Untersuchung der Membranelemente hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften werden Bulge-Test-Experimenten durchgeführt. Diese eröffnen die Möglichkeit Membran- bzw. Schichtspannung und biaxialen Modul zu analysieren. Die Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit der AlN-Dünnschichten erfolgt ebenfalls auf Basis von Membranelementen. Dazu werden die entsprechend benötigten Heiz- und Temperaturmessstrukturen auf den Membranen integriert. Den Abschluss dieser Arbeit bildet die Vorstellung zweier Funktionalisierungsbeispiele von AlN-Membranen. Damit wird unterstrichen, wie vielfältig die Möglichkeiten der technologischen Integration sind. Eines der Beispiele beschreibt eine thermomechanisch aktuierte AlN-Membran. Das zweite Funktionalisierungsbeispiel befasst sich mit der Integration von Elektrodenkontakten auf den AlN-Pyramidenmembranen, welche die Möglichkeit zum Aufbau eines piezoelektrisch sensitiven Elementes aufzeigt.

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Polster, Tobias: Aluminiumnitrid Dünnschichtmembranen - Charakterisierung und technologische Integration in den MEMS-Prozessfluss. 2014.

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