1. Pendahuluan

MEMS piezoelektrik yang beroperasi pada suhu tinggi semakin dituntut dalam aplikasi di mana penginderaan atau aktuasi listrik langsung harus dilakukan dalam kondisi termal yang ekstrem, termasuk sistem konversi energi, pemrosesan minyak dan gas, mesin otomotif, dan penggerak ruang angkasa. Dalam lingkungan seperti itu, suhu perangkat seringkali melebihi 700 °C, sebuah rezim yang menantang batasan material teknologi MEMS berbasis silikon konvensional.

Suhu operasional MEMS tradisional sering kali dibatasi oleh degradasi bahan struktural, kegagalan metalisasi, dan tekanan yang disebabkan oleh ketidaksesuaian koefisien ekspansi termal (CTE) antara lapisan fungsional dan substrat pendukung. Meskipun sistem serat MEMS hibrid telah menunjukkan pengoperasian di atas 1000 °C, kompleksitas dan kurangnya skalabilitas membatasi kesesuaiannya untuk platform sensor yang kompak dan terintegrasi.

Lithium niobate (LN) menawarkan beberapa keunggulan untuk aplikasi piezoelektrik suhu tinggi, termasuk suhu Curie yang tinggi (~1200 °C), kopling piezoelektrik yang kuat, dan sifat elektro-optik dan akustik-optik yang sangat baik. Secara khusus, litium niobate stoikiometri (SLN) menunjukkan stabilitas termal yang unggul dibandingkan litium niobate kongruen (CLN), yang mengalami kekosongan litium dan degradasi akibat cacat di atas sekitar 300 °C. Meskipun perangkat gelombang akustik permukaan (SAW) berbasis LN suhu tinggi pada substrat curah telah dipelajari secara luas, kemampuan bertahan termal dari platform LN film tipis tersuspensi—yang memungkinkan gelombang akustik massal (BAW) dan perangkat gelombang Lamb—masih belum cukup dieksplorasi.

Struktur MEMS yang ditangguhkan menawarkan peningkatan kopling elektromekanis dan pengekangan akustik tetapi secara inheren lebih rentan terhadap tekanan termomekanis, patah, dan keruntuhan dalam kondisi ekstrem. Oleh karena itu, memahami batas termalnya sangat penting untuk pengembangan MEMS suhu tinggi yang andal.

2. Desain dan Fabrikasi Perangkat

Perangkat yang diselidiki dalam penelitian ini adalah resonator akustik LN film tipis yang dirancang untuk mendukung mode gelombang Lamb simetris. Resonator dibuat pada tumpukan multilayer yang terdiri dari resistivitas tinggisubstrat silikon, lapisan silikon amorf korban, dan film LN stoikiometri potong-X setebal 600 nm. LN potong-X dipilih karena penggunaannya secara luas dalam MEMS dan sistem fotonik serta sifat elektromekanisnya yang menguntungkan.

Platinum digunakan sebagai bahan elektroda karena titik lelehnya yang tinggi dan stabilitas kimianya pada suhu tinggi. Lapisan adhesi titanium tipis diperkenalkan antara LN dan Pt untuk meningkatkan adhesi dan mengurangi delaminasi logam selama siklus termal. Geometri resonator mencakup variasi sudut rotasi dalam bidang, konfigurasi jangkar, dan tata letak elektroda interdigital untuk menghindari bias hasil ketahanan termal terhadap desain tunggal.

Selain resonator fungsional, resistor logam serpentin juga dibuat bersama pada substrat yang sama menggunakan metalisasi yang identik. Struktur ini memungkinkan pemantauan langsung resistivitas logam sebagai fungsi suhu anil, memberikan wawasan mengenai degradasi metalisasi dan dampaknya terhadap kinerja perangkat.

3. Metodologi Eksperimental

Ketahanan termal dievaluasi menggunakan protokol bertahap anil dan karakterisasi. Annealing dilakukan dalam kondisi vakum untuk meminimalkan oksidasi, dengan laju pemanasan dan pendinginan yang terkontrol untuk menekan efek piroelektrik pada LN. Suhu anil awal diatur ke 250 °C, diikuti oleh siklus berturut-turut dengan kenaikan suhu 50 °C. Setiap langkah anil dipertahankan pada suhu target selama 10 jam, kecuali untuk suhu tertinggi, dimana keterbatasan tungku memerlukan waktu tunggu yang lebih singkat.

Setelah setiap siklus anil, perangkat dikarakterisasi menggunakan mikroskop optik untuk menilai integritas struktural, pengukuran probe empat titik untuk mengevaluasi resistivitas logam, pengukuran listrik frekuensi radio (RF) untuk mengekstrak frekuensi resonansi dan faktor kualitas (Q), dan difraksi sinar-X (XRD) untuk memeriksa kualitas kristal dan evolusi regangan.

4. Hasil dan Pembahasan

4.1 Evolusi Struktural

Inspeksi optik menunjukkan perubahan minimal yang terlihat pada membran LN yang tersuspensi hingga sekitar 400 °C. Di luar suhu 500 °C, retakan yang disebabkan oleh tegangan mulai muncul di daerah yang tersuspensi, meskipun sebagian besar perangkat tetap utuh secara mekanis dan berfungsi. Hingga suhu 550 °C, retakan umumnya tidak merambat ke jangkar atau menyebabkan bencana keruntuhan.

Degradasi struktural yang parah terjadi antara 600 °C dan 750 °C. Pada kisaran suhu ini, terjadi peningkatan keretakan, lengkungan membran, delaminasi LN, dan patahnya jangkar. Pada suhu sekitar 700 °C, retakan cenderung terbentuk sepanjang arah kristalografi yang terkait dengan CTE dalam bidang yang tinggi dan energi pembelahan yang rendah. Perilaku ini disebabkan oleh ketidakcocokan CTE yang besar antara LN dan substrat silikon, dikombinasikan dengan anisotropi intrinsik LN X-cut.

Pada suhu 800 °C, kerusakan metalisasi yang parah dan kegagalan jangkar menyebabkan resonator tidak berfungsi.

4.2 Degradasi Metalisasi

Pengukuran resistivitas logam menunjukkan penurunan resistivitas awal setelah siklus anil pertama, kemungkinan disebabkan oleh pertumbuhan butir dan cacat anil pada film Pt. Namun, pada suhu yang lebih tinggi, resistivitas meningkat secara signifikan, menandakan terbentuknya rongga, bukit kecil, dan diskontinuitas pada lapisan logam.

Di atas 650 °C, film Pt menunjukkan degradasi yang nyata, termasuk pembentukan pori dan hilangnya sebagian kontinuitas listrik. Degradasi ini secara langsung berkontribusi terhadap peningkatan kerugian listrik dan kegagalan perangkat, bahkan ketika membran LN masih utuh sebagian.

4.3 Performa Akustik

Pengukuran RF menunjukkan bahwa frekuensi resonansi secara bertahap menurun dengan meningkatnya suhu anil, konsisten dengan relaksasi tegangan yang diinduksi secara termal dan perubahan konstanta elastis efektif. Menariknya, faktor kualitas beberapa mode resonansi meningkat setelah anil suhu tinggi, khususnya di atas 700 °C. Peningkatan ini disebabkan oleh redistribusi tegangan dan berkurangnya kebocoran energi akustik pada sebagian struktur yang retak atau bebas tegangan.

Meskipun ada peningkatan kinerja yang terlokalisasi, pengoperasian perangkat secara keseluruhan menurun tajam melebihi 750 °C karena kegagalan metalisasi dan kerusakan jangkar.

5. Mekanisme Kegagalan

Mekanisme kegagalan dominan yang diidentifikasi dalam penelitian ini meliputi:

1. Ketidaksesuaian ekspansi termalantara LN, elektroda logam, dan substrat silikon, menyebabkan akumulasi tegangan dan keretakan.

2. Pembelahan kristalografi LN, khususnya di sepanjang bidang dengan energi rekahan rendah di bawah tekanan termal tinggi.

3. Ketidakstabilan metalisasi, termasuk pengerasan butir, pembentukan rongga, dan hilangnya konduktivitas dalam film Pt.

4. Degradasi jangkar, yang membahayakan dukungan mekanis dan kontinuitas listrik.

Mekanisme ini bertindak secara sinergis untuk menentukan batas termal akhir dari LN MEMS film tipis yang tersuspensi.

6. Kesimpulan

Karya ini menunjukkan bahwa resonator akustik lithium niobate film tipis yang ditangguhkan dapat menahan suhu anil hingga 750 °C, mewakili salah satu batas ketahanan termal tertinggi yang terverifikasi untuk platform piezoelektrik murni berbasis MEMS. Meskipun degradasi yang signifikan terjadi pada suhu tinggi, kelangsungan hidup perangkat dan fungsionalitas parsial pada kondisi ekstrem menyoroti ketahanan LN stoikiometri untuk aplikasi MEMS suhu tinggi.

Wawasan yang diperoleh dari penelitian ini memberikan pedoman praktis untuk pemilihan material, desain metalisasi, dan optimalisasi struktur yang bertujuan untuk memperluas kisaran suhu operasional perangkat LN yang ditangguhkan. Temuan ini membuka jalur untuk menerapkan MEMS berbasis LN di lingkungan yang keras dan untuk memajukan sistem fotonik, elektro-optik, dan akustik-optik suhu tinggi.