xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Εκτίμηση Του Φαινομένου Φόρτισης Του Διηλεκτρικού Διατάξεων RF MEMS Υπό Την
Επίδραση Ιονίζουσας Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας
Θεωνάς Β. 1* , Παπαιωάννου Γ. 1 , Κωνσταντινίδης Γ. 2 και Παπαπολυμέρου Ι. 3
1 Τομέας ΦΣΎ, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Αθηνών Πανεπιστημιούπολη, Ζωγράφος 15784
2 Ι.Η.Δ.Λ, Ι.Τ.Ε, Βασσιλικά Βουτών, Ηράκελιο Κρήτη 71110
3 School of ECE, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332-0250, USA
*vtheonas@phys.uoa.gr
Το SiO 2 και το Si 3 N 4 καθώς και άλλοι μονωτές, χρησιμοποιούνται ευρέως για την κατασκευή διατάξεων MEMS. Παραταύτα, η τάση
ηλεκτροστατικής φόρτισης που εμφανίζουν οι μονωτές αυτοί, περιορίζει τη λειτουργική αξιοπιστία των διατάξεων. Το φαινόμενο
φόρτισης γίνεται ακόμα πιο έντονο όταν οι συσκευές υπόκεινται σε ακτινοβόληση. Το επαγόμενο στα μονωτικά στρώματα φορτίο,
εξαρτάται από τη φύση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, τις μεταλλικές επαφές και τις ιδιότητας της διεπιφάνειας μετάλλου – μονωτή.
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η ευαισθησία των διηλεκτρικών σε δομές RF MEMS όταν αυτές ακτινοβολούνται από
ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, λαμβάνοντας υπόψη αποτελέσματα προσομοίωσης του επαγόμενου φορτίου στα στρώματα των
διατάξεων για διάφορα μονωτικά υλικά και πάχη του διηλεκτρικού.
Διακόπτες και actuators βασισμένοι σε MEMS έχουν προκύψει τα τελευταία χρόνια ως μια σοβαρή εναλλακτική λύση των διατάξεων
που κατασκευάζονται από GaAs ή Si, ιδιαίτερα σε μικροκυματικές εφαρμογές. Μέχρι και σήμερα, προβλήματα που αφορούν στο
packaging αλλά και στην αξιοπιστία της λειτουργίας τους, αποτελούν τους κύριους παράγοντες που δεν επιτρέπουν τη μαζική
παραγωγή τέτοιων διατάξεων. Η αξιοπιστία των διατάξεων RF MEMS περιορίζεται κυρίως από το φαινόμενο φόρτισης του
διηλεκτρικού στρώματος που περιέχουν, το οποίο στις περιπτώσεις διακοπτών, actuators και μεταβλητών πυκνωτών προστατεύει από
την πρόκληση βραχυκυκλώματος. Διηλεκτρικά που χαρακτηρίζονται από υψηλή ειδική αντίσταση, διηλεκτρική σταθερά και τιμή
πεδίου κατάρρευσης και παρέχουν επαρκή τεχνολογική συμβατότητα, προτιμώνται στην τεχνολογία των μικρο-συστημάτων. Ανάλογα
με τις ιδιότητες του υλικού και τις συνθήκες του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκεται, η επιφάνεια ενός διηλεκτρικού είναι ικανή να
παγιδεύσει τοπικά ηλεκτρικό φορτίο για αρκετό χρόνο. Επιπρόσθετα, τα μονωτικά υλικά εμφανίζουν παγίδες φορτίου, τόσο βαθιά στο
εσωτερικό του όγκου τους, όσο και στις διεπιφάνειες μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων. Αυτό το παρασιτικό φορτίο που
συγκεντρώνεται στο διηλεκτρικό στρώμα των διατάξεων MEMS μπορεί να καταστεί ανεξέλεγκτο κατά την αποθήκευση ή τη
λειτουργία των διατάξεων αυτών σε περιβάλλον πλούσιο σε ακτινοβολίες [1].
Μέχρι σήμερα έχουν δημοσιευτεί αρκετές εργασίες αναφορικά με τη φόρτιση του διηλεκτρικού διατάξεων MEMS που λειτουργούν σε
περιβάλλον ελεύθερο από ακτινοβολίες, καταδεικνύοντας ότι το φορτίο που παγιδεύεται ή μετατοπίζεται κατά την επεξεργασία ή τη
διέγερση των διατάξεων αυτών μπορεί να οδηγήσει στην αλλαγή της κατάστασης ή στην αυτό-πόλωσή τους. [2-5]. Σκοπός της
παρούσας εργασίας είναι η εκτίμηση του φαινομένου φόρτισης του διηλεκτρικού μιας διάταξης MEMS, που υπόκειται σε ιονίζουσα
ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Έτσι θα κατανοήσουμε καλύτερα τις επιπτώσεις του φαινομένου στη λειτουργία διατάξεων RF MEMS
και την ευαισθησία τους στις ακτινοβολίες, σε συνδυασμό με τις ήδη διαθέσιμες αναφορές [1-5] και τις παλαιότερες [6-8] αλλά και τις
πιο πρόσφατες προσομοιώσεις που εκτελέσαμε πάνω σε ιονίζουσες ακτινοβολίες. Ο τελικός μας σκοπός είναι να καθορίσουμε την πηγή
κάθε μιας από τις συνιστώσες του φαινομένου φόρτισης και να εκτιμήσουμε την κινητική συμπεριφορά του επαγόμενου παρασιτικού
φορτίου κατά τη διαχείριση, λειτουργία ή αποθήκευση διατάξεων MEMS σε κάθε περιβάλλον.
Η μελέτη των επιπτώσεων της ιονίζουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας περιλαμβάνει ενέργειες φωτονίων που κυμαίνονται από
μερικά keV (μαλακές ακτίνες – X) έως και μερικά MeV (ακτίνες – γ). Αυτή η ευρεία κλίμακα ενεργειών, μας επιτρέπει να διακρίνουμε
τη συνεισφορά τριών βασικών μηχανισμών απώλειας ενέργειας. Το φαινόμενο Auger και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο κυριαρχούν
κατά την απορρόφηση ακτίνων – Χ, ενώ το φαινόμενο Compton εμφανίζεται κατά την απορρόφηση φωτονίων υψηλής ενέργειας,
γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στην πρόκληση ατελειών στο δείγμα από τα υψηλής κινητικής ενέργειας παραγόμενα ηλεκτρόνια
Compton [6].
Κατά την ακτινοβόληση ενός μονωτικού στρώματος με μαλακές ακτίνες – Χ, η απορρόφηση των φωτονίων οδηγεί στην εξαγωγή φωτοηλεκτρονίων
και ηλεκτρονίων Auger, τα οποία καθώς κινούνται εντός του υλικού, αλληλεπιδρούν ανελαστικά με τα ηλεκτρόνια
σθένους των ατόμων του υλικού προκαλώντας τη γένεση ζευγών ηλεκτρονίων – οπών. Επιπρόσθετα, όσα από αυτά τα ηλεκτρόνια
γεννώνται κοντά στην επιφάνεια του υλικού, καταφέρνουν και διαφεύγουν στο περιβάλλον αφήνοντας ένα θετικά φορτισμένο μονωτή
[9]. Το διηλεκτρικό στρώμα των RF MEMS εναποτίθεται πάνω σε ένα αγώγιμο. Συνεπώς, δευτερογενή ηλεκτρόνια θα εκπεμφθούν
ταυτόχρονα από το μεταλλικό υπόστρωμα προς το στρώμα του μονωτή. Το πρόσημο και η κατανομή του φορτίου που τελικά
συγκεντρώνεται στο μονωτή θα καθοριστεί από το βαθμό εκπομπής δευτερογενών ηλεκτρονίων προς το μονωτικό στρώμα και τον
αντίστοιχο βαθμό εκπομπής ηλεκτρονίων από το μονωτή προς το περιβάλλον. Η δομή των διατάξεων που χρησιμοποιήθηκαν στην
παρούσα προσομοίωση παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.
Πίνακας 1. Δομή των υπό προσομοίωση διατάξεων.
Πάχος (nm)
Σύσταση
D1
(Δομή M.I.M.)
D2
(Μονωτικό Στρώμα)
Au 100 0
Μονωτικό Film 100 – 420 100 – 420
Au 200 0
Cr 20 0
Γυαλί >10 5 0
Αρχικά θεωρήσαμε μια δομή μονωτικού στρώματος, εφεξής καλούμενη ως διάταξη D2. Η απόδοση της εκπομπής δευτερογενών
ηλεκτρονίων είναι συχνά μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη (ή και περισσότερο) για τους μονωτές από ότι για άλλα υλικά [10-11]. Για
αυτό το λόγο, προχωρήσαμε στην προσομοίωση της επίδρασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε μια απλή δομή Μετάλλου –
Μονωτή – Μετάλλου (M.I.M.), εφεξής καλούμενη ως διάταξη D1, που προσομοιάζει με ένα varactor ή και ένα RF διακόπτη. Κάθε
διάταξη από τις παραπάνω έχει μια ενεργό επιφάνεια 60 x 60 μm 2 . Στα πλαίσια της προσομοίωσης της ακτινοβόλησης των διατάξεων
με μαλακές ακτίνες– Χ, θεωρήσαμε ότι ως διηλεκτρικό φιλμ χρησιμοποιούνται τα υλικά Si 3 N 4 , SiO 2 , AlN, Al 2 O 3 και τα υψηλού k HfO 2
78