PZT and KNN from CSD for next generation MEMS fabrication

Integration of piezoelectric thin film in microelectronics is of great importance for the development of MEMS. Converse and direct piezoelectric effect are exploited in piezoelectric MEMS actuators and sensors and need lower driving voltages and have lower power consumption. In 2006 European Union issued a directive on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment which in particular limits the use of lead and, as a consequence, of PZT, the king of piezoelectric materials. Different lead-free alternatives were investigated and developed, among them, KNN seems to be the most valid alternative thanks to its relatively high d33 and high Tc. In this work, KNN and PZT, together with doper variant of both (KNNM and PZTN) are synthetized by sol-gel spin coating on a platinized wafer substrate. The PZT samples are fabricated for comparison for the KNN lead-free material. The (111) platinum orientation of the substrate is known to favour the (100) orientation growth of the perovskitic materials, which allows to maximize d33 coefficient. The solutions were produced starting from metal-organic precursor, deposited by spin coating and crystallized by Rapid Thermal Annealing (RTA). During the investigations, the deposition process is optimized, starting from PZT previous works. The effect of additives in solution, spin rotational speed and annealing temperature were investigated, in particular the effect on grain growth and crystallization. Optical comparison, XRD and SEM analysis are used to determine the effect of the process parameters on morphology, composition and performances. Final multilayer sample are prepared, electrically characterized and compared with data from bibliography. In conclusion, an optimized process was developed for both KNN and KNNM starting from PZT parameters and a multilayer sample is produced. The best properties of KNN are used to determine the best additive to use and the right spin coating rotational speed together with the annealing temperatures. From I-V curves results, KNN has higher, almost double, leakage currents respect to PZT, therefore its dielectric constant is lower and consequently its piezoelectric coefficient. Instead, KNNM has a current flow comparable to PZT, but it seems to have a smaller voltage range of working before breakdown.

L'integrazione di film sottili di materiali piezoelettrici è di grande importanza per lo sviluppo dei MEMS. L'effetto dielettrico diretto e inverso sono impiegati negli attuatori e sensori MEMS piezoelettrici; essi necessitano tensioni minori e hanno consumi inferiori. Nel 2006 l'Unione Europea ha emanato una direttiva per limitare l'uso di sostanze tossiche nei componenti elettronici, in particolare è limitato l'uso del piombo, quindi del PZT, il re dei materiali piezoelettrici. Diverse alternative senza piombo sono studiate e sviluppare, fra queste, il KNN sembra essere l'alternativa più valida grazie ai suoi valori relativamente elevati di d33 e Tc. In questo lavoro, KNN e PZT, insieme a loro varianti dopate (KNNM e PZTN) sono state sintetizzate tramite spin coating di sol-gel su wafer di platino. I campioni di PZT sono fabbricati per avere un confronto con il KNN, l'alternativa senza piombo. È noto che l'orientazione (111) del substrato di platino favorisce la crescita del materiale peroskitico con orientazione (100), che è quella che permette di massimizzare il coefficiente d33. Le soluzioni sono state prodotte partendo da precursori metallo-organici, depositati tramite spin coating a cristallizzati tramite Rapid Thermal Annealing (RTA). Durante l'investigazione, il processo di deposizione è stato ottimizzato, partendo da lavori precedenti sul PZT, l'effetto di additivi in soluzione, la velocità rotazione dello spin coating e la temperatura di cristallizzazione sono state investigate, in particolare l'effetto sulla crescita del grano e sulla cristallizzazione. Confronti ottici, analisi XRD e SEM sono state usate per determinare l'effetto dei parametri di processo sulla morfologia, composizione e prestazione. Alla fine, campioni multistrato sono stati preparati, caratterizzati elettricamente e confrontati con dati bibliografici. In conclusione, è stato sviluppato un processo ottimizzato per il KNN e il KNNM partendo da parametri del PZT e campioni multistrato finali sono stati prodotti. Le proprietà migliori del KNN sono usate per determinare il miglior additivo da usare, la corretta velocità rotazionale dello spin coating e la giusta temperatura di cristallizzazione. Dalle curve I-V risulta che il KNN ha correnti di dispersone più alte, circa il doppio, rispetto al PZT, quindi la sua costante dielettrica è più bassa e di conseguenza il coefficiente piezoelettrico. Il KNNM, invece, ha correnti comparabili on il PZT, ma sembra avere un range di tensione di funzionamento più limitato, prima del breakdown.