Integration of ceramic thin films in silicon technology for energy conversion and oxygen sensing

Abstract

Entrant en una nova era de generació i consum d’energia sostenible, amb el domini de l’internet de les coses (IoT, per les sigles en anglès) al sector industrial i la necessitat d’alimentar cada vegada més dispositius, avui dia és important desenvolupar fonts denergia alternatives, així com dispositius de baix consum. La miniaturització de dispositius ha avançat molt des de principis d’aquest segle, i juntament amb els avenços en l’enginyeria de materials a la nanoescala, han emergit noves famílies de dispositius. És el cas de les cel·les de combustible d’estat sòlid (SOFCs, sigles en anglès) i dels sensors electroquímics d’oxigen, s’ha avançat molt en la miniaturització gràcies a la utilització de processos convencionals de microfabricació. Tot i això, la realització de dispositius funcionants a altes temperatures ha demostrat ser un desafiament al llarg dels anys per la baixa estabilitat termomecànica dels materials a aquesta temperatura. A més, cal una reducció dels costos associats a la seva fabricació i escalat per ser competitius al mercat. Aquesta tesi s’enfoca a la integració de capes fines funcionals sobre substrats de silici de 4 polzades, amb l’objectiu de fabricar dispositius electroquímics a gran escala com a micro-SOFC i sensors d’oxigen potenciomètrics. Aquí podeu identificar quatre àrees principals d’estudi: (i) optimització de mètodes de deposició físics/químics de vapor per cobrir grans substrats amb materials ceràmics avançats, passant per les deposicions selectives de capes cristal·lines amb Pulsed Laser Deposition (PLD), al revestiment uniforme de microestructures complexes amb Atomic Layer Deposition (ALD), fins al desenvolupament d’una versió més ràpida (i econòmica) d’aquesta darrera, Spatial Atomic Layer Deposition (SALD); (ii) Disseny i fabricació d’unitats micro-SOFC basades en membranes ceràmiques suspeses sobre substrats de silici, enfocant-se en la fabricació d’electròlits densos i cristal·lins (així evitant curtcircuits) i en l’augment de l’àrea activa disponible a cada cel·la; (iii) Disseny i fabricació d’un microsensor d’oxigen electroquímic per a aplicacions d’alta temperatura a IoT; (iv) Disseny i microfabricació d’altres components del sistema microSOFC, com la unitat de processament de combustible necessària per alimentar la cel·la electroquímica a partir de dimetil èter (DME), i les interconnexions per completar l’apilament de cel·les. La fabricació per ALD d’una capa de ZrO2-δ amb bona conductivitat iònica va permetre obtenir electròlits densos i sense porus, que representen una part fonamental d’aquests dispositius iònics. Això, juntament amb el control de les tensions residuals a les capes, va quadruplicar el rendiment de fabricació. Aquesta tecnologia micro-SOFC va mostrar una potència de 40 mW/cm2 a 600 ºC, mentre el disseny innovador amb nervis de silici dopat va permetre augmentar l’àrea activa en dues ordres de magnitud en comparació dels dispositius tradicionals. A més, aquest electròlit sense porus va permetre la creació d’una atmosfera de referència estable necessària per a un sensor de gas potenciomètric. Així mateix, es va obtenir una càmera de referència encapsulant la plataforma de detecció amb una tapa de vidre micromecanitzada, gràcies a un segellat a base de vidre compatible amb silici per a aplicacions fins a 600 ºC. El sensor va mostrar una resposta estable i reproduïble al rang de 0,01-100 % d’oxigen i rendiment comparable a sensors comercials que funcionen a temperatures més altes i estan basats en metalls nobles. Finalment, el microreactor desenvolupat va mostrar un gran potencial per convertir el DME en combustible sintètic mitjançant una reacció d’oxidació parcial (POX). El microreformador inclou un escalfador incorporat per a un inici de reacció eficient (<500 J de consum d’energia), convertint-lo en un candidat ideal per a la integració en sistemes micro-SOFC.

Entrando en una nueva era de generación y consumo de energía sostenible, con el dominio del internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés) en el sector industrial y la necesidad de alimentar cada vez más dispositivos, hoy en día es importante desarrollar fuentes de energía alternativas, así como dispositivos de bajo consumo. La miniaturización de dispositivos ha avanzado mucho desde principios de este siglo, y junto con los avances en la ingeniería de materiales en la nano escala, han emergido nuevas familias de dispositivos. Es el caso de las celdas de combustible de estado sólido (SOFCs, siglas en inglés) y de los sensores electroquímicos de oxígeno, se ha avanzado mucho en su miniaturización gracias a la utilización de procesos convencionales de microfabricación. Sin embargo, la realización de dispositivos funcionantes a altas temperaturas ha demostrado ser un desafío a lo largo de los años por la baja estabilidad termo-mecánica de los materiales a esa temperatura. Además, es necesaria una reducción de los costes asociados a su fabricación y escalado para ser competitivos en el mercado. La presente tesis se enfoca en la integración de capas finas funcionales sobre sustratos de silicio de 4 pulgadas, con el objetivo de fabricar dispositivos electroquímicos a gran escala como micro-SOFC y sensores de oxígeno potenciométricos. Aquí se pueden identificar cuatro áreas principales de estudio: (i) optimización de métodos de deposición físicos/químicos de vapor para cubrir grandes sustratos con materiales cerámicos avanzados, pasando por las deposiciones selectivas de capas cristalinas con Pulsed Laser Deposition (PLD), al revestimiento uniforme de microestructuras complejas con Atomic Layer Deposition (ALD), hasta el desarrollo de una versión más rápida (y económica) de esta última, Spatial Atomic Layer Deposition (SALD); (ii) Diseño y fabricación de unidades micro-SOFC basadas en membranas cerámicas suspendidas sobre sustratos de silicio, enfocándose en la fabricación de electrolitos densos y cristalinos (así evitando cortocircuitos) y en el aumento del área activa disponible en cada celda; (iii) Diseño y fabricación de un microsensor de oxígeno electroquímico para aplicaciones de alta temperatura en IoT; (iv) Diseño y microfabricación de otros componentes del sistema micro-SOFC, como la unidad de procesamiento de combustible necesaria para alimentar la celda electroquímica a partir de dimetil éter (DME), y las interconexiones para completar el apilamiento de celdas. La fabricación por ALD de una capa de ZrO2-δ con buena conductividad iónica permitió obtener electrolitos densos y sin poros, que representan una parte fundamental de estos dispositivos iónicos. Esto, junto con el control de las tensiones residuales en las capas, cuadruplicó el rendimiento de fabricación. Esta tecnología micro-SOFC mostró una potencia de 40 mW/cm2 a 600 ºC, mientras el diseño innovador con nervios de silicio dopado permitió aumentar el área activa en dos órdenes de magnitud en comparación con los dispositivos tradicionales. Además, este electrolito sin poros permitió la creación de una atmósfera de referencia estable necesaria para un sensor de gas potenciométrico. Asimismo, se obtuvo una cámara de referencia encapsulando la plataforma de detección con una tapa de vidrio micromecanizada, gracias a un sellado a base de vidrio compatible con silicio para aplicaciones hasta 600 ºC. El sensor mostró una respuesta estable y reproducible en el rango de 0,01-100 % de oxígeno y rendimiento comparable a sensores comerciales que funcionan a temperaturas más altas y están basados en metales nobles. Por último, el microreactor desarrollado mostró un gran potencial para convertir DME en combustible sintético mediante una reacción de oxidación parcial (POX). El microreformador incluye un calentador incorporado para un inicio de reacción eficiente (<500 J de consumo de energía), convirtiéndolo en un candidato ideal para la integración en sistemas micro-SOFC.

Entering a new era of sustainable energy generation and consumption, with IoT dominance in the industry sector and the need of powering more and more devices every year, research is nowadays focusing on alternative power sources as well as on low consumption devices. Miniaturization of devices has greatly advanced from the beginning of the century, and together with the recent progresses on materials engineering at the nanoscale, new families of devices have come to light. This is the case of Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) and electrochemical oxygen sensors, where their miniaturization was achieved by integration of ceramic thin films in silicon technology and through mainstream microfabrication processes from the microelectronics world. Nevertheless, building devices that operate at temperatures above 500 ºC has proven challenging throughout the years due to the quest of compatible materials that can maintain long-term stability. Furthermore, cost reduction is necessary to scale-up the fabrication of thin-film micro-devices, especially regarding the proposed deposition techniques. The present thesis focuses on the integration of functional thin films on 4-inches silicon substrates, with the objective of batch-fabricating electrochemical devices such as micro-SOFCs and potentiometric oxygen sensors. To this end, four main areas of study can be identified: (i) optimization of physical/chemical vapor deposition methods to cover large-area substrates with advanced ceramic materials, ranging from selective depositions of crystalline films by Pulsed Laser Deposition (PLD), to the conformal coating of high aspect ratio structures by Atomic Layer Deposition (ALD), and the development of a faster (and cheaper) counterpart than the latter, i.e., Spatial Atomic Layer Deposition (SALD); (ii) Design and fabrication of miniaturized SOFC units based on ceramic suspended membranes on silicon substrates, focusing on obtaining pinhole-free ceramic membranes and on increasing the active area per micro-SOFC unit; (iii) Design and fabrication of a miniaturized electrochemical oxygen sensor for high-temperature applications in IoT; and (iv) Design and microfabrication of other micro-SOFC components, i.e., the gas processing unit necessary to feed the fuel to the electrochemical cell starting from dimethyl ether (DME), and the interconnects to complete a micro-SOFC stack assembly. The ALD fabrication of a metastable ZrO2-δ layer showing good ionic conductivity allowed for reliable and pinhole-free electrolyte bilayers, representing the core of these ionic devices. This, together with the control on the residual stresses in the films, improved the yield of fabrication 4-folds. The micro-SOFC technology hereby proposed showed a power output of 40 mW/cm2 at 600 ºC, while an innovative design based on doped-silicon slabs increased the active area by two orders of magnitude compared to state-of-the-art devices. The absence of pinholes in a ceramic membrane enabled the creation of a stable reference atmosphere for a potentiometric gas sensor. A reference chamber was obtained by encapsulating the micro-machined sensing platform with a glass lid, due to a glass-ceramic sealing compatible with silicon for operation up to 600 ºC. The sensor showed stable and reproducible response in the range 0.01-100% of oxygen content and comparable performances to bulk commercial sensors operating at higher temperature and based on noble metals. Finally, the silicon-based micro-reactor technology developed showed great potential for converting DME into synthetic fuel by partial oxidation (POX) reaction. The micro-reformer included an embedded heater for efficient reaction start-up (<500 J of energy consumption), making it an ideal candidate for integration in micro-SOFCs.