Development of Bistable Out-of-Plane SMA Nanoactuators

Aufgrund ihrer großen Arbeitsdichte und der möglichen Skalierbarkeit der Abmessungen bis in den Nanometerbereich sind Formgedächtnislegierungen (FGL) vielversprechende Kandidaten unter den aktiven Materialien für Anwendungen in mikro- und nanoelektromechanischen Systemen (MEMS und NEMS). Da sie mit den Standard-Halbleiter-Herstellungstechniken kompatibel sind, können FGL als aktive Schicht auf einem gewöhnlichen Substrat wie Silizium (Si) hergestellt werden. Mit mindestens diesen beiden Schichten können solche Systeme die zugeführte Energie in Arbeit umwandeln, wenn sie als frei bewegliche und mechanisch aktive Strukturen konstruiert werden, die die Grundelemente von Mikro- und Nanoaktuatoren bilden.
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Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von FGL-basierten Nanoaktuatoren zur Erzeugung von Arbeit außerhalb der Substratebene mit dem übergeordneten Ziel, eine bistabile Aktuierung auf der Nanoskala zu ermöglichen und damit neue intelligente Funktionen in Optik und Photonik zu realisieren. Mögliche Anwendungen sind zum Beispiel mechanisch abstimmbare photonische Richtkoppler, die FGL-Nanoaktuatoren nutzen, um die Lichtübertragung in Silizium-Wellenleiterstrukturen zu steuern. Durch Joule’sches Beheizen aktuierte Mehrschicht-Balkenstrukturen sind eine gängige Bauform von FGL-basierten Nanoaktuatoren. Es werden ein mechanisches und ein thermisches analytisches Modell entwickelt, mit dem sich die mechanische Verformung, das Temperaturprofil sowie der elektrische Energieverbrauch der Mehrschicht-Balkenstrukturen bei Joule’schem Beheizen vorhersagen lassen. Das thermische Modell zeigt, dass die Wärmeleitung zum Substrat den dominierenden Mechanismus der Wärmeabfuhr im Mikrometerbereich darstellt. Die Genauigkeit des thermischen Modells wird experimentell bestätigt.

Ausgehend von der Analyse grundlegender FGL/Si-Bimorph-Biegebalken werden in dieser Arbeit die Untersuchungen von FGL-basierten Nanoaktuatoren auf die Entwicklung von bistabilen FGL-Nanoaktuatoren und mechanisch abgestimmten photonischen Richtkopplern auf FGL-Basis erweitert. Für die entworfenen Bauelemente werden geeignete Herstellungsverfahren entwickelt, darunter Techniken wie Elektronenstrahllithographie (EBL), reaktives Ionenätzen (RIE) und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Als FGL-Material für die Entwicklung der Nanoaktuatoren wird in dieser Arbeit Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$ ausgewählt. Insbesondere das Magnetron-Sputtern von Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$-Schichten und die Spannungsoptimierung der Schichten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit Projektpartnern der Ruhr-Universität Bochum (RUB).

Messungen des temperaturabhängigen elektrischen Widerstands bestätigen, dass die 600 nm dicke Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$-Schicht auf einem Si-Substrat oberhalb Raumtemperatur mit einer schmalen Hysteresebreite von 1,9 $^\circ$C umwandelt. Wie von den Kooperationspartnern der RUB aufgezeigt wurde, ist diese Umwandlungseigenschaft unabhängig von der Schichtdicke bis zu 150 nm. Auf dieser Grundlage werden die elektro-thermo-mechanischen Eigenschaften der mit Joule’schem Beheizen aktuierten Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$/Si-Bimorph-Biegebalken-Nanoaktuatoren analytisch und numerisch untersucht. Die mechanischen Analysen zeigen, dass die Änderung der Durchbiegung auf den Wettbewerb verschiedener Effekte zurückgeführt werden kann: die differentielle Wärmeausdehnung, die unterschiedlichen elastischen Module ($\Delta E$-Effekt) sowie der Formgedächtniseffekt. Es gibt ein optimales Dickenverhältnis von 0,5 zwischen der FGL-Schicht und dem Si-Träger, bei dem ein maximaler Hub auftritt. Die thermischen Analysen legen einen Bereich des Heizstroms fest, bei dem 80% der Balkenlänge eine vollständige Phasenumwandlung durchlaufen und zugleich eine Überhitzung vermieden wird. Der nur teilweise umgewandelte Teil des Biegebalkens wird zu einer Flügelstruktur gefaltet, um den Temperaturgradienten zu verringern. Die gemeinsamen elektro-thermo-mechanischen Analysen zeigen, dass ein Flügelverhältnis (Längenverhältnis des gefalteten Flügels zum Balken) von 20%--25% den besten Kompromiss zwischen Auslenkung, Energieverbrauch und struktureller Steifigkeit darstellt.

Bistabile Strukturen sind bekannt für ihre attraktiven Eigenschaften wie niedrigen Energieverbrauch und nichtlineare Kraft-Auslenkungs-Kennlinien. Es wird ein Entwurf für bistabile SMA-Nanoaktuatoren zur Bewegungserzeugung aus der Ebene vorgeschlagen, der aus vier parallel angeordneten Balkenträgern besteht. Unter Ausnutzung der Eigenspannung in der Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$-Schicht werden die mittleren Balken mit Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$ beschichtet, um ein Ausknicken der beiden äußeren Balken zu erreichen. Die beiden stabilen Knickzustände werden durch Ausnutzung der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und des Formgedächtniseffekts umgeschaltet. Im Herstellungsprozess mit zwei Lithografieschritten werden die Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$-Schichten selektiv auf freistehenden Strukturen durch Lift-Off mit Erfolg abgeschieden. Die anfänglichen Verformungen der hergestellten Nanoaktuatoren deuten darauf hin, dass in der Si-Schicht der mittleren Balken erhebliche positionsabhängige Eigenspannungen vorhanden sind, die die Bistabilität erschweren, indem sie die Schwelle zum Umschalten der Zustände erhöhen. Ein Nanoindentationstest des Nanoaktuators zeigt einen Schnappvorgang während der Belastung mit einem Hub von etwa 3,6% der Balkenlänge, der von einem Kraftstoß von etwa 98,8 µN begleitet wird. Diese nichtlineare Kraft-Weg-Beziehung zeigt, dass zusätzliche Energie notwendig ist, um von einem stabilen Knickzustand in den anderen zu schnappen. Außerdem zeigt der lineare Teil der Kraft-Weg-Kurve vor dem nichtlinearen Teil, dass zunächst das Moment der Eigenspannung überwunden werden muss, um in den Schnappbereich zu gelangen.

Im Bereich der integrierten Photonik bietet das Abstimmen mit MEMS-Technologie deutliche Vorteile hinsichtlich geringer Baugröße und hoher Energieeffizienz. Der zuvor entwickelte Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$/Si-Bimorph-Biegebalken-Nanoaktuator wird mit einem photonischen Richtkoppler integriert, um die Kopplung zwischen den Wellenleiterstrukturen mechanisch abzustimmen. Aufgrund der beweglichen Strukturen wird besonderes Augenmerk auf das Design der photonischen Schaltkreise gelegt, die Taperstrukturen sowie Rippen- und Streifenwellenleiter nutzen, um die Verluste beim Wechsel der unteren Schicht zwischen SiO$_2$ und Luft zu minimieren. Der für den TE-Modus ausgelegte Richtkoppler ist für eine vollständige Kopplung bei einer Länge von 36,6 µm und einem Spalt von 110 nm ausgelegt, was nachweislich einen vernachlässigbaren Einfluss auf die mechanische Ablenkung des Nanoaktuators hat. Im Herstellungsprozess, der drei Lithografieschritte umfasst, bietet die Verwendung von Rippenwellenleitern den zusätzlichen Vorteil, als robuste Hartmaske für den Nassätzschritt von SiO$_2$ zu dienen, was die Fertigung vereinfacht, da keine zusätzlichen Materialien als Ätzmaske benötigt werden. Transmissionstests an Referenzwellenleitern bestätigen, dass die Taperstrukturen in den photonischen Schaltkreisen und der Temperprozess der FGL einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Transmissionsverluste haben. Aufgrund der anfänglichen Verformung der freistehenden Richtkoppler werden 71% der Lichtleistung bei der vorgesehenen vollen Kopplungslänge eingekoppelt. Da ein weiterer Test mit feststehenden Richtkopplern das numerische Modell des Richtkopplers validiert, wird betont, dass eine präzise Spannungskontrolle und Anisotropie der FGL-Sputterschicht entscheidend für eine optimale Abstimmleistung sind.

Having the advantages of large work density and potential scability of dimensions down to nanometer size, shape memory alloys (SMAs) are competitive candidates among the active materials for applications in micro- and nanoelectromechanical systems (MEMS and NEMS). Being compatible with standard semiconductor fabrication techniques, SMAs can be designed as an active layer on a common substrate such as silicon (Si). With at least these two layers, such systems can convert input energy into work if constructed as freely movable and mechanically active structures, being the base elements of micro- and nanoactuators.
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This work focuses on the development of SMA-based nanoactuators to generate work in out-of-plane direction with the overall objective to perform bistable actuation at the nano scale enabling novel smart functionalities in optics and photonics. Potential applications are, for instance, mechanically tunable photonic directional couplers using SMA nanoactuators to control light transmission in silicon waveguide structures. Joule-heated multilayer beam structures are the common shapes of SMA-based nanoactuators. A mechanical and a thermal analytical model are developed that can conveniently predict the mechanical deformation and temperature profile, respectively, as well as electrical power consumption of such multilayer beam structures when being Joule-heated. The thermal model reveals that heat conduction to the substrate dominates the heat dissipation mechanism at micrometer-scale. The accuracy of the thermal model is validated experimentally.

Starting from the analyses of the fundamental SMA/Si bilayer cantilever beams, this work extends the investigations of SMA-based nanoactuators to the developments of bistable SMA nanoactuators and SMA-based mechanically tuned photonic directional couplers. Appropriate fabrication processes are developed for the designed devices accordingly, which include the techniques of electron beam lithography (EBL), reactive ion etching (RIE), physical vapor deposition (PVD), etc. Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$ is selected as the SMA material used for the developments of nanoactuators in this work. In particular, the magnetron sputtering of Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$ films and the stress engineering of the films are conducted within the frame of close collaborations with the project partners from Ruhr University Bochum (RUB).

The temperature-dependent electrical resistance measurement confirms that the 600 nm Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$ film on Si substrate transforms above room temperature with a narrow hysteresis width of 1.9 $^\circ$C. Revealed by the collaborating partners from RUB, the transformation property is independent of film thickness down to 150 nm. On this basis, the electro-thermo-mechanical performances of the Joule-heated Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$/Si bilayer cantilever nanoactuators are studied analytically and numerically. The mechanical analyses show that the deflection change can be attributed to competitions among different effects: mismatch of thermal expansion coefficients, variation of elastic moduli ($\Delta E$) and shape memory effect. There is an optimal thickness ratio of 0.5 between SMA and Si causing the maximum stroke. The thermal analyses define a range of heating current that 80% of beam length completes phase transformation while overheating is avoided. The partially transformed part of the beam is folded into a wing-structure to reduce the temperature gradient. The joint electro-thermo-mechanical analyses prove that the optimal range of the wing ratio (the length ratio of the folded wing to the beam) is 20%--25% to trade off among the stroke, power consumption and structural stiffness.

Bistable structures are famous for the appealing properties of low energy consumption and non-linear force-displacement relation. A design of bistable out-of-plane SMA nanoactuators is proposed, which consists of four parallel arranged cantilever beams. By exploiting the residual stress in the Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$ film, the center beams are deposited with Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$ film to introduce buckling of the two outside beams. The two stable buckling states are switched by utilizing the effect of mismatch of thermal expansion coefficients and the shape memory effect. In the fabrication process containing two lithography steps, the Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$ films are selectively deposited on free-standing structures by lift-off with success. The initial deformations of the fabricated nanoactuators indicate that there is considerable position-dependent internal stress in the Si layer of the center beams, which hinders the bistability by increasing the moment threshold of state-switching. Nanoindention test of the nanoactuator shows a snapping process during loading with a stroke about 3.6% of beam length, which is accompanied by a surge of force about 98.8 µN. This non-linear force-displacement relation demonstrates that extra energy input is necessary to snap from one stable buckling state to the other. In addition, the linear part of the force-displacement curve prior to the non-linear part discloses that the moment from residual stress should be overcome in advance to enter the snapping stage.

In the field of integrated photonics, MEMS-tuning exhibits distinct advantages in terms of small footprint and high energy efficiency. The previously developed Ti$_{54}$Ni$_{31}$Cu$_{15}$/Si bilayer cantilever nanoactuator is integrated with photonic directional coupler to mechanically tune the coupling between the waveguide structures. Because of the movable structures, particular attention is paid to the design of photonic circuits, which utilize taper structures and both rib waveguides and strip waveguides to minimize the loss when switching the bottom claddings between SiO$_2$ and air. Working at TE-mode, the directional coupler is designed for the full coupling at the length and gap size of 36.6 µm and 110 nm, respectively, which is proven to have negligible influence on the mechanical deflection of the nanoactuator. In the fabrication process containing three lithography steps, the utilization of rib waveguides provides another advantage of being a robust hard mask for the wet etching step of SiO$_2$, which simplifies the fabrication by avoiding additional materials as etching mask. Transmission tests of reference waveguides confirm that the tapers in the photonic circuits and the annealing process of SMA have negligible effect on the transmission loss. Due to the initial deformation of the free-standing directional couplers, 71% of light power is coupled at the designed full coupling length. Because another test with fixed directional couplers validates the numeric model of directional coupler, it is highlighted that precise stress controlling and anisotropy of SMA sputtering are critical for the optimal tuning performance.