Nano-mikro kunnskapsplattform for pålitelige, langtidsstabile heterogent integrerte mikrokomponenter

I prosjektet NBRIX skal fire norske bedrifter, NTNU og SINTEF samarbeide om å utvikle teknologi for å produsere nye og bedre mikrosystem-komponenter. Målet er komponenter som kan kombinere tradisjonell silisiumteknologi med nye materialer eller nanostrukturer, samtidig som de har høyere pålitelighet og lavere produksjonskostnad. Typiske komponenter er mikrospeil for optisk kommunikasjon, filtre for vannrensing, og høyfølsomme trykksensorer for vitenskapelige målinger i verdensrommet, for å måle høyden til fly eller trykk på havbunnen i subsea-installasjoner. Det finnes flere hypoteser for fuktindusert nedbrytning av PZT i litteraturen, men gode forsøk som verifiserer disse mangler. Vi har vist en klar kobling mellom elektrokjemisk aktivitet i elektrodematerialet og degraderingsdynamikk i PZT ved høy fuktighet. En ny degraderingsmodell er foreslått: Degradering skjer hovedsakelig som et resultat av økt intern trykk fra O2 og H2 gass som dannes under filmen og elektroden. Dette induserer oppsprekking, delaminering og økt lekkrate, som til slutt fører til lokalisert elektrotermisk nedbrytning. Vi har også vist at vi kan benytte maskinlæring på data fra sykling av piezoMEMS mikrospeilt for å lage en modell som identifiserer defekter og feil fra speilets oppførsel. Tidligere i prosjektet har vi demonstrert forbedret levetid til piezoelektriske komponenten ved å benytte et tynt lag som diffusjonsbarriere mot fuktighet. Siden sist periode har stipendiaten publisert flere artikler og levert avhandlingen sin. Disputas vil bli våren 2020. For filtrene til vannrensing jobber vi med å presse ned dimensjonene for filtreringsstrukturene. Målsetningen er å fremstille relativt store mikrokanaler (dimensjoner på titalls og hundretalls mikrometer) som inneholder filtere med nanometerskala porer/spalter. Mindre dimensjoner på spaltene gjør det mulig å separere mindre partikler, men det stiller høyere krav til prosesskontroll. Fremstillingsprosessene må videreutvikles slik at den dimensjonelle kontrollen blir så god som mulig, helst innenfor noen titalls nanometer. Vi har tidligere fått laget teststrukturer med ekstremt nøyaktig DUV stepper litografi som har vist standardavvik på linjebredde i størrelsesorden 10-30 nm. Vi er nå i gang med å se hvor god størrelseskontroll vi har på nanokanalene etter overføring til silisiumskivene med dyp RIE etsing. Dette vil gi oss svar på hvor små spalter det vil være mulig å lage og dermed hvilke anvendelser de kan tenkes benyttet til. I arbeidspakken som studerer stress i metallsystemer har vi undersøkt egenskapene til tynne metallfilmer som vanligvis brukes i MEMS trykksensorer. Målet er å (1) forstå forholdet mellom metallenes egenskaper, deponeringsparametere og termiske historie og sensorenes egenskaper, (2) å løse nye fabrikasjonsutfordringer assosiert med de nye metallsystemene. Vi har identifisert de mest lovende metallsystemene tidligere i prosjektet. For å teste hvor stor effekt de nye metallsystemene vil kunne utgjøre i praksis har vi laget demonstratorer med faktiske sensorelementer med ulike metallsystemer. Det gjenstår å få sammenlignet disse sensorene med sensorer med konvensjonelt metall. En annen av aktivitetene i siste periode har vært å identifisere og lage flermetallsystemer som skal være egnet for både høy temperatur og med gode loddeegenskaper. Vi har studert metallsystemer bestående av Ti, Pt og Au og analysert metalldiffusjon og kornvekst ved bruk av transmisjonselektronmikroskop (TEM). Vi har identifisert kombinasjon av metallfilmer som tåler temperaturer over 400 oC og som samtidig tillater mønstring av metallet på skivenivå. Det gjenstår å verifisere hvor gode disse er når det kommer til heft ved lodding.

Se sluttrapport og populærvitenskaplig beskrivelse

Current global trends and societal challenges require that Key Enabling Technologies realize miniaturized sensors and actuators that solve problems within e.g. climate, transport, and health. The NBRIX project will develop the tools needed by Norwegian industry in order to realize robust, reliable, and cost-effective microdevices with unsurpassed stability or new functionality. NBRIX enables microdevices with large actuation movements and unambiguos position control by heterogeneous integration of piezoelectric thin films and piezoresistive silicon microfabrication. Supreme reliability will be achieved through in-depth understanding and mitigation of intrinsic and mechanical fatigue. NBRIX enables fabrication of large-scale liquid treatment systems like water purifiers through the heterogeneous integration of 3D nanostructures and microfabrication, creating large-scale parallel arrays that handle large flows. The same heterogeneous integration enables the incorporation of photonic crystals in microdevices, permitting previously inaccessible wavelengths to be used in microdevice sensing. NBRIX will provide in-depth understanding of the influence of thermo-mechanical stress on component stability. Consideration of material properties, device design, encapsulation, substrate mounting, and the interaction between these allows effective alleviation strategies, thereby high-precision pressure sensors and microdevices with unsurpassed short- and long-term stability can be made. NBRIX will result in a process technology platform, applicable in a broad range of applications and device types. This platform will open new market opportunities by four mechanisms: new functionalities, improved device stability, improved device reliability, and cost-effectiveness. These four mechanisms expand current application areas as well as create new application areas. To ensure effective industrial uptake, NBRIX addresses technological needs at the cross-section with market requirements.