Amorphous molybdenum-based thin films for surface micromachining

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2017-03-10
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
199
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 23/2017, VTT Science, 147
Abstract
Microelectromechanical systems (MEMS) are often based on silicon technology. This thesis studies two molybdenum-based thin films, amorphous Mo‑N and Mo‑Si‑N deposited by reactive sputtering, for an alternative material choice for surface micromachining. Bulk amorphous metals stand out from other engineering materials because of their high elasticity, which would be an interesting feature for the structural layer of MEMS devices. Since elemental metal films are practically always polycrystalline, molybdenum was amorphised first by nitrogen. The resulting Mo‑N films were characterised for their deposition and etch rates, composition, resistivity and residual stress. Because the amorphisation was incomplete, silicon was added. The Mo‑Si‑N films were characterised for their deposition and etch rates, composition, resistivity, residual stress, microstructure, surface roughness, elastic modulus, hardness, elastic recovery, coefficient of thermal expansion, temperature coefficient of resistance and complex refractive index. It was found the resistivity of these amorphous Mo‑Si‑N films is 1...2 mΩcm, and their residual stress can be tuned to low tensile values (around 100 MPa) by the sputtering pressure. The thermal stability of Mo‑N and Mo‑Si‑N films was studied in particular. The first signs of oxidation were observed at 350°C, and structural changes even below. The unsealing surface oxidation can be prevented by a thin protective silicon cap on top of the films. The residual stress of the Mo‑Si‑N films sputtered from separate Mo and Si targets depends on the post-deposition annealing temperature, while the Mo‑Si‑N films sputtered from a Mo5Si3 compound target are more resistant to annealing-induced structural changes. By the end of this study, surface micromachined MEMS devices with Mo‑Si‑N films as their structural layer were demonstrated. The capacitive RF MEMS devices operated at frequencies up to 110 GHz, and were fully functional after the actuation of 50 million cycles between the up- and down-states of their MEMS bridges. Mo‑Si‑N films were also applied to thin film absorbers designed for the visible and near-infrared wavelengths (350...2000 nm). The absorption was measured to be higher than 93 % over the whole spectrum of interest. In conclusion, amorphous Mo‑N and Mo‑Si‑N films are suitable for several kinds of MEMS devices on condition that they are not exposed to increased temperatures in an oxidising atmosphere without a protective silicon cap. Their integration with conventional MEMS processes is convenient, as they can be deposited by sputtering and patterned with common dry and wet etch chemistries. The demonstrated MEMS fabrication process was CMOS compatible. The low process temperature enables the use of a polymeric sacrificial layer and provides an opportunity for the monolithic integration of MEMS and CMOS.

Mikroelektromekaanisten MEMS-komponenttien valmistamiseen käytetään yleisesti piitä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kahden vaihtoehtoisen materiaalin soveltuvuutta pintamikromekaniikkaan: tutkittavina olivat reaktiivisella sputteroinnilla kasvatetut amorfiset, molybdeenipohjaiset Mo‑N– ja Mo‑Si‑N–ohutkalvot. Yhdestä alkuaineesta sputteroidut metalliohutkalvot ovat rakenteeltaan monikiteisiä. Työssä molybdeenikalvot seostettiin ensin typellä (Mo‑N) ja sitten lisäksi piillä (Mo‑Si‑N). Kalvojen ominaisuuksia karakterisoitiin usein eri menetelmin. Niistä määritettiin kasvu- ja etsausnopeudet, kemiallinen koostumus, mikrorakenne, resistiivisyys lämpötilakertoimineen, jäännösjännitys, pinnankarheus, kimmokerroin, kovuus, lämpölaajenemiskerroin ja kompleksinen taitekerroin. Amorfisten Mo‑Si‑N–kalvojen resistiivisyydeksi mitattiin 1...2 mΩcm, ja niiden jäännösjännitys voitiin säätää matalaan vetojännitykseen (noin 100 MPa) sputterointipainetta muuttamalla. Sekä Mo‑N– että Mo‑Si‑N–kalvojen pintaan muodostui oksidikerros, jos kalvoja kuumennettiin yli 350°C lämpötilassa ilma ympäröivänä atmosfäärinä. Oksidoituminen oli estettävissä ohuella suojaavalla piikerroksella. Erillisistä Mo- ja Si-kohtioista kasvatettujen Mo‑Si‑N–kalvojen jäännösjännitys riippui kuumennuslämpötilasta. Sen sijaan Mo5Si3-yhdistekohtiosta kasvatettujen kalvojen jännitys säilyi kuumennettaessa miltei muuttumattomana. Väitöstyössä kehitettiin pintamikromekaaninen MEMS-valmistusprosessi, joka hyödynsi Mo‑Si‑N–kalvoja komponenttien rakennekerroksena. Kapasitiiviset RF MEMS–komponentit oli suunniteltu toimimaan enimmillään 110 GHz taajuudelle saakka, ja ne säilyivät täysin toimintakykyisinä rasituskokeessa, jossa niiden MEMS-siltoja liikutettiin 50 miljoonaa kertaa ääriasentojensa välillä. Mo‑Si‑N–kalvoja käytettiin myös ohutkalvoabsorbaattoreissa, jotka toimivat näkyvän valon ja lähi-infrapunan aallonpituuksilla (350...2000 nm), ja joiden absorptio oli vähintään 93 % koko tällä alueella. Työn johtopäätöksenä todettiin, että amorfisia Mo‑N– ja Mo‑Si‑N–ohutkalvoja on mahdollista käyttää hyväksi useissa MEMS-komponenteissa ehdolla, että ne eivät valmistuksen tai käytön aikana altistu korkeille lämpötiloille hapettavissa olosuhteissa ilman suojakerrosta. Materiaalien käyttö perinteisten MEMS-valmistusprosessien yhteydessä on sujuvaa, koska ne kasvatetaan sputteroinnilla ja voidaan kuvioida yleisillä kuiva- ja märkäetsausmenetelmillä. Matala kasvatuslämpötila mahdollistaa polymeeripohjaisten uhrautuvien kerrosten käytön ja MEMS-komponenttien monoliittisen integroinnin mikropiirien päälle.
Description
Supervising professor
Savin, Hele, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Keywords
Mo‑N, Mo‑Si‑N, mictamict alloy, amorphous, thin film, sputtering, residual stress, thermal stability, MEMS, mictamict-seos, amorfinen, ohutkalvo, sputterointi, jäännösjännitys, terminen stabiilisuus
Other note
Citation