CN112088440B - 铁电材料、包括此材料的mems组件、mems设备及生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种铁电材料，包括混合晶体，所述混合晶体包括AlN和至少一种过渡金属氮化物。选择过渡金属氮化物的比例，使得所述铁电材料的初始极性或自发极性的方向是通过施加切换电压可切换的。在这种情况下，切换电压低于铁电材料的击穿电压。

Description

铁电材料、包括此材料的MEMS组件、MEMS设备及生产方法
技术领域
根据本发明实施例涉及铁电材料、包括铁电材料的MEMS组件、包括第一MEMS组件的MEMS设备、生产MEMS组件的方法以及生产可兼容CMOS的MEMS的方法。
背景技术
例如与静电驱动的组件相比，压电MEMS致动器提供明显很大的力。然而，这些力经常也是不足够的，特别是对于非共振运动。然而，通过压电多层，理论上有可能将任何大小的力耦合到相应组件中。然而迄今为止可用的压电材料，诸如锆钛酸铅(PZT)或氮化铝(AlN)，仅在有限范围内适用于压电MEMS多层系统，使得对应组件的商业化应用转化尚无前景。
铁电材料是压电材料的一种变型，其特征在于具有空间可旋转的电极化P，电极化P的方向可以由外部电场E确定。取决于相对于有效的电场的极化定向，材料也会膨胀或收缩(压电效应)。此效应可以用于致动器。例如在微系统技术中，具有铁电介电质的平板电容器被沉积在无源层上并进行结构化(图案化)。无源层可以是超声波换能器的膜或扬声器的膜。由于在施加电压U时铁电材料的横向收缩或膨胀，取决于极化方向在基板内产生压缩应力或拉伸应力，并因此使基板变形。构成变形原因的机械力是由材料的压电系数、其极化方向和可用电压引起的[1]。
增加固定电压力的一种可能性是使用多层系统。当使用具有数值相同的压电系数的n层压电材料，并在其上面施加可用电压时，所产生的力可以增加多达n倍[2]。实际可获得的力取决于材料极化相对于所施加电场的相应定向。理想情况下，所有压电层中的电场和极化在层系统的中性平面(也称为中性纤维)的同一侧对齐，以彼此平行或反平行。在这种情况下，所有层以单方向的方式贡献于总力，因此总力处于最大值。
宏观铁电多层致动器已经在工业上用于燃料喷射泵，例如[3]。在微系统致动器中，铁电多层系统尽管具有明显的优势，但迄今为止仅由学术界对其进行了研究(例如[4]，[5])。这是因为即使将铁电单层(通常由PZT制成)集成到MEMS生产中也是一项挑战，只有通过巨大的技术努力才能掌握，例如在扩散、温度预算和材料结构方面。即使将来可以将多层PZT集成到MEMS技术中，该材料仍将不可兼容CMOS，不适合电双极致动，以及存在其他缺点。
尽管压电系数明显较低，因此有时仍会寻求非铁电材料(诸如AlN)应用于压电致动器(例如[6]、[7]、[20]、[21]、[22]、[23])。AlN是热电材料，即像铁电材料一样，它表现出自发极化。然而不像铁电材料，AlN的极化不能通过外部电场在空间上旋转。然而为了将材料施加到压电多层中，这意味着难以证明是合理的并且是由于需要附加的绝缘层和电极而导致的附加生产成本。可替代地，从理论上存在一次性调整材料极化的可能性。对此确实存在初步形式的方法，但是这里也存在涉及大量附加制造努力，例如由于需要附加的沉积处理。
在下文中，将更详细地讨论已经简要介绍的所述先前解决方案的方法，并且最后将解释基于AlN和过渡金属氮化物的铁电混合晶体的开发将在多大程度上实现压电多层组件，而不必接受传统铁电体或热电体的缺点。在[24]和[25]中，已经描述用于改善压电特性的AlScN混合晶体，但是它们没有提供如何可以通过钪生产铁电混合晶体的指示。
铁电多层的其他可想到的应用是组件中固有的电荷放大，这对于传感器概念很重要，将其输入变量通过压电方式转换为电荷(作为转换为电压的可替代物)。因此，可以减少对外部电荷放大器的要求。这种电荷放大在微型发生器中也可能是有利的。下文将提出的用于致动器的方法也可以直接应用于上面提及的电荷放大。这两个概念的二元论反映了压电效应的两个方向(正向和反向)。
为了在微系统技术中实现用于致动器的压电多层系统，可想到在本质方面有所不同的四种通常方法。目的是在每个单个层上施加最大可用电场强(＝UE/单个层厚度)，并使中性平面同一侧的所有层以相同符号贡献力。例如，下文将提出的先前解决方案的方法直接从[2]所进行的考虑中得出。
对于压电传感器和发生器，通过串联连接几个相同的压电电容器结构或增加压电的层厚度，存在放大电压的可能性。然而，该方法对于测量通过电荷放大器读出传感器的输出信号的概念没有直接优势。以与串联连接提供组件固有电压放大相同的方式，然而本征电荷放大可以通过并联连接的压电电容器实现。然而为了在多层系统中实现这一点，在各有其缺点的情况下将必须应用下文提出的方法。这里目的是避免相邻电容器之间的电荷补偿。这进而要求压电材料的极化方向。
例如，传统铁电体(诸如PZT)可以结合起来形成有效的多层致动器，而无需任何附加绝缘层，因为这类材料表现出其电极化沿外部电场的场方向固有的对齐。除了在无源层的两侧都设置有源压电层的可能性之外，为了简化起见，仅在一侧上进行涂覆或仅仅基于压电多层结构与电极一起设计结构(即没有无源层)可能是有利的。无论哪种情况，选择合适的极化时都必须考虑中性平面的位置。如果待引起弯曲运动，则此平面上面的层必须分别以相反的符号耦合其力，位于下面的层也是如此。
尽管此设计尽可能简单，但迄今为止，已经在微系统技术中使用的铁电体(基本上基于PZT)具有决定性的缺点：
·所需的沉积温度超过500℃，且包含的铅使该材料与CMOS生产不可兼容。
·电击的危险限制了最大可用电场强，并因此限制了所产生的力。
·力和所施加电场之间的关系在场零点附近是高度非线性的。力或应变在长距离上也具有相同的符号。为了近似地确保驱动力的和谐振荡，需要电压偏移。结合较低的击穿场强，这进一步限制了驱动力的最大可用振幅。
·铁电层的固有机械应力可能仅在有限的程度上受到影响。
·操作期间发生的介电损耗和泄漏电流明显高于某些其他介电质(诸如AlN)。
可以以可兼容CMOS的方式沉积纯热电材料，即明确地非铁电材料(诸如纯AlN)。可以以电子击穿场强达到比传统铁电明显更高的值并且另外仅涉及很小的电损耗这样的方式生产它们。另外，电场与所产生的力之间的关系是近似良好的线性关系。特别地，这允许利用双极电压进行有效激励。然而，由于极化无法后来改变，因此仅在材料生产期间进行定义。在由一个相同过程生产的多层系统中，所有层的极化指向相同方向，理想地垂直于基板。因此，为了确保有效驱动，对于所有单个层激励电场也必须指向相同方向。因此，必需将多层的各个电容器结构电分离。与使用铁电体相比，其主要缺点是每个压电层至少需要两个附加层，即绝缘体和其他电极。它们的沉积和结构化代表着相当多的生产努力。对应绝缘层的省略或跨绝缘层的可能短路会导致组件完全失效。原则上，该方法也可以用于生产在两侧均有源涂覆的无源层或没有无源层的层系统。
双压电晶片能够使用非铁电双层，而无需任何附加电绝缘。有效驱动的前提是两个压电层位于致动器中性平面的相对两侧。层可以共享电极层或者在空间上被中间无源层分开。压电层数限制为n＝2。
非铁电热电体(诸如AlN)中的极化在材料制造过程中会被永久印刻。当电极化仅仅垂直于基板对齐时，实现最佳的压电性能。如果可以交替产生和使用相互反平行极化的层，则排除对多层的各个电容器单元之间的绝缘层的需要。为此，必须通过提供合适的中间层或起始层[8]实现不可逆的极化调整。此外，已经显示出掺杂(例如用氧气或锗掺杂[9，10])也可以调整极化方向。然而这些方法仍远未准备好应用。另外，为了最佳功能，必须确保实现完全的极化反转，因为这无法随后进行调整。由此产生的复杂性以及为多层系统开发附加过程的必要性必须被视为这种方法的主要缺点。然而与PZT相比，即使在高电场强下，极化的空间方向也保持恒定。
鉴于此，需要一种概念：在更高的产生的力、最小化必需绝缘层和电极层的数量以及在实现CMOS兼容性以及电压与产生的力之间的线性连接的同时减少沉积多层的压电体的压电层所需的处理之间提供改进的折衷。
发明内容
在下文中，铁电层也将被称为压电层。然而，根据实施例的各层不一定全部都必须是铁电的，例如，如果压电层中的一些(例如，每隔一层)包含铁电材料而所有其他压电层仅包含压电材料就足够了。例如，可想到的是一些层具有偏离的TM比例或偏离的机械应力，并因此不是铁电的。
一个实施例涉及一种包括混合晶体的铁电材料，所述混合晶体包括AlN和至少一种过渡金属氮化物。过渡金属氮化物的比例必须增加，直到可以通过施加切换电压来切换铁电材料的初始极性或自发极性的方向，以及直到切换电压低于铁电材料的击穿电压。换言之，过渡金属氮化物的比例必须增加，直到可以通过施加切换电压来切换铁电材料的初始极性或自发极性的方向，以及直到切换电压低于铁电材料的击穿电压。
包括混合晶体的铁电材料的此实施例是基于以下发现：铁电材料的混合晶体中的过渡金属氮化物的比例的增加导致铁电材料的初始极性或自发极性可以通过施加切换电压切换，并因此铁电材料的初始极性或自发极性的方向不是由制造过程确定的，而是可以随后改变的。例如，混合晶体最初具有初始极性或自发极性，其方向可以通过施加切换电压改变。例如，极性方向可以旋转180°，或者初始极性的方向可以与由切换电压引起的电场平行地对齐。
如果在多层系统中使用铁电材料，则多层的铁电层可以例如在单个处理中沉积，因为不需要原位操纵极化方向。代之以，可以初始地以相同极化沉积所有铁电层，并且随后可以通过施加切换电压切换各个所选择的铁电层的各自极化。通过在制造过程之后施加切换电压来切换铁电材料的极性的可能性使得铁电材料的多层系统中所需的绝缘层和电极层的数量最小化，因为可以借助于切换电压，以例如在两层铁电材料之间仅需要具有一个电极层、并由具有铁电材料的两层共享该电极层的方式，来调整铁电材料的各个层的极化。
因此，可以说，当在多层系统中使用铁电材料时，铁电材料可能导致如下事实：多层中的铁电层可以在单个处理中沉积，以及通过切换各个铁电层的极性使得必需的绝缘层和电极层的数量最小化。
在一个实施例中，铁电材料表现出机械应力。可以例如通过在制造期间使用的气体的成分或在制造期间施加电压调整机械应力。机械应力位于压缩应力的第一值和拉伸应力的第二值之间，第一值的绝对值小于第二值的绝对值。这意味着例如将包括铁电材料的铁电层内的机械应力调整为更大的拉伸应力或更少的压缩应力，使得切换电压低于铁电材料的击穿电压。TM比例(过渡金属比例)和机械应力可以在长距离内相互独立地进行调整——但两者都会影响切换电压量。由于TM比例和机械应力之间的相互作用，例如为了包括铁电材料的铁电层的拉伸应力的增加，过渡金属氮化物的必需比例减少，以及在压缩应力增加的情况下，例如过渡金属氮化物的必需比例可能增加。
在一个实施例中，机械应力在-600MPa(压缩应力的第一值)至2000MPa(拉伸应力的第二值)的区间内，负值代表压缩应力以及正值代表拉伸应力。如果机械应力位于-600MPa至2000MPa的区间内，诸如在-550MPa至1500MPa、-500MPa至1000MPa、或-450MPa至900MPa的区间内，然后假设TM比例(过渡金属的比例)超过某一极限，例如该极限实现切换电压低于击穿电压，并且因此铁电材料在施加切换电压时不会被损坏。例如，从-600MPa至2000MPa的范围涵盖了压缩应力与拉伸应力的比值被优化以使得在施加切换电压时切换铁电材料的极性方向的范围。
在实施例中，在移除所施加的切换电压之后，铁电材料的极性方向维持很长一段时间。例如，这意味着在铁电材料的极性方向发生这种变化之后，极化方向在很长时间内保持恒定。如果铁电材料的原始极化方向在施加切换电压之前是期望的，则必须将切换电压再次施加到铁电材料，然而利用施加与先前切换电压的电场相反的电场。铁电材料的极性方向沿着穿过铁电材料并由切换电压引起的电场使其自身对齐。
在实施例中，过渡金属氮化物的所选择比例使混合晶体变成铁电的。由于混合晶体的铁电特性，可以例如通过施加切换电压电切换混合晶体的极性。例如，切换极性意味着例如在施加切换电压之前混合晶体的极性指向混合晶体内的一个方向，而在施加切换电压之后混合晶体的极性指向与施加切换电压之前的极化方向相反的方向。因此，例如极性被反转。然而切换铁电材料的极性也可能意味着例如混合晶体的很大比例的偶极矩(例如，在偶极的50％和100％之间、在偶极的70％和100％之间或在偶极的80％和100％之间，诸如偶极的90％)沿着通过将切换电压施加到混合晶体而产生的电场方向定向；在将切换电压施加到混合晶体之前，混合晶体的大部分偶极矩相对于随后施加的切换电压的场方向相反的方向上定向。
在实施例中，过渡金属原子的数量相对于过渡金属原子的数量和铝原子的数量之和的比值在≥0.2且≤0.5的范围内。例如，过渡金属原子的数量相对于所述过渡金属原子的数量与铝原子的数量之和的比值可以在0.25与0.43或0.30与0.36之间的范围内，诸如0.36。比值取决于例如过渡金属。然而比值也可以取决于铁电材料的机械应力。例如，对于铁电材料的在拉伸应力下的层，过渡金属氮化物的必需比例将减少，在压缩应力的情况下，过渡金属氮化物的必需比例将增加。另外，铁电材料可以在低于500℃的温度(例如，在0℃和500℃之间的温度，诸如200℃、240℃、300℃、360℃、400℃或470℃)下沉积，并且采用无铅方式使铁电材料可兼容CMOS。
在实施例中，过渡金属包括钪、钇、钛、铬、铌或它们的任何组合。例如，借助于这些特定的过渡金属，有可能通过将切换电压施加到混合晶体切换铁电材料的极性。
实施例涉及一种包括提供表现出初始极性或自发极性的混合晶体的步骤的方法。混合晶体包括AlN和至少一种过渡金属氮化物。选择过渡金属氮化物的比例，例如使得铁电材料的初始极性或自发极性的方向是通过施加切换电压可切换的。切换电压例如低于铁电材料的击穿电压。方法还包括将切换电压施加到混合晶体使得混合晶体的初始极性或自发极性的方向被逆转的步骤。
一个实施例涉及一种包括铁电材料的MEMS组件。通过使用铁电材料，例如根据实施例中的一个，可以制造各种各样的MEMS组件，其中可以利用铁电材料的特性，即可以通过施加切换电压切换极性。此外，MEMS组件(例如由几层铁电材料组成)的制造由铁电材料简化，因为所有层可以通过使用相同的处理制造以及因为随后可以切换各个层的极性、或者通过施加切换电压可以同时或相继切换几层的极性。
在实施例中，MEMS组件包括：包括铁电材料的第一铁电层；设置在第一铁电层的第一表面上的第一电极；以及设置在第一铁电层的第二表面上的第二电极。例如，第二表面与第一表面相对。这是由铁电材料制成的多层系统的示例。可以经由第一电极和第二电极将切换电压施加到第一铁电层。通过施加切换电压，可以切换第一铁电层的极性。如果该MEMS组件在低于切换电压的电压下操作，则第一铁电层的极性方向将不会改变。如果MEMS组件在低于切换电压的电压下操作，则其可以例如具有致动器的功能，以及例如可以通过将电压施加到第一电极和第二电极将供应的电流转换为机械运动，以及例如在空间的一个方向上缩短或延长其膨胀。
在实施例中，MEMS组件具有：设置在与第一铁电层相对的第一电极上的第二铁电层；以及设置在第二铁电层的第一表面上的第三电极。第二铁电层的第一表面被设置为背对第一电极。即第二电极和第三电极划分出在相对侧由第一铁电层、第一电极和第二铁电层组成的块，第一电极设置在第一铁电层和第二铁电层之间，使得第二铁电层将第一电极与第三电极分开，并且第一铁电层将第一电极与第二电极分开。第一铁电层和第二铁电层包括如本文描述的铁电材料。可以在单个处理中执行用于多层MEMS组件的第一铁电层和第二铁电层的沉积。例如，第二电极可以首先以导电材料的长方体形式生产，然后第一铁电层可以沉积在第二电极的表面上，使得第一铁电层的极性垂直于第二电极的接触表面。例如，第一铁电层的极性可以指向第二电极的位于第二电极和第一铁电层之间的表面，或者远离所述表面。例如，第一铁电层可以是长方体的形状。例如，在第一铁电层的与第二电极相对的表面上，可以以导电材料的长方体的形式施加第一电极，并且在第一电极的表面(与和第一铁电层接触的表面相对)上，可以施加例如表示第二铁电层的铁电材料的长方体。该第二铁电层的极性应该垂直于第一电极和第二铁电层之间的表面。因为第二铁电层可以通过与第一铁电层相同的处理进行沉积或在相同的处理中沉积，所以例如第二铁电层将具有与第一铁电层相同的极性。在第二铁电层的表面上，与第一电极相对地沉积第三电极。通过第一电极、第二电极和/或第三电极，可以将电压例如施加到第一铁电层和/或第二铁电层。这样做的优点是可以例如通过将切换电压施加到第一电极和第三电极切换第二铁电层的极性。通过切换第二铁电层的极性，第二铁电层的极性指向与第一铁电层的极性相反的方向。在这种情况下，如果将低于切换电压的电压施加到第一电极、第二电极和第三电极，则两个铁电层可以同时收缩或膨胀。由于第一铁电层和第二铁电层的极性相反，例如MEMS组件可能弯曲的力增大。另外，与具有纯压电材料的多层系统的已知实施例相反，在第一铁电层和第二铁电层之间仅需要一个电极(例如，第一电极)，这与具有纯压电材料的多层系统的已知实施例相反，其中需要附加电极，并且其中两个电极必须用绝缘层分开。因此，利用该MEMS组件，可以将绝缘层和电极的数量减少到最小。
在实施例中，MEMS组件的第一电极具有第一电极层和第二电极层。第一电极层和第二电极层具有布置在其之间的绝缘层，绝缘层具有位于其中的中性平面。在该MEMS组件中，可以在一个处理中沉积第一铁电层和第二铁电层，并且由于多层系统，MEMS组件的力增加。通过引入隔离层，可以与第二铁电层独立地控制第一铁电层。例如，可以通过将电压施加到第二电极和第二电极层控制第一铁电层，并且可以通过将电压施加到第三电极和第一电极层控制第二铁电层。此外，例如附加层(绝缘层)可以在生产期间用作载体材料。
在实施例中，MEMS组件的第一电极具有第一电极层和第二电极层。第一电极层和第二电极层具有设置在其之间的无源层，无源层具有位于其中的中性平面。由于无源层，例如在中性平面的一侧上的第二铁电层可以具有与在中性平面的另一侧上的第一铁电层对MEMS组件的力效应不同的力效应。因此，例如可以增强MEMS组件的弯曲，并且因此可以增强MEMS组件的弯曲力。
在实施例中，MEMS组件包括：设置在第三电极上、与第二铁电层相对的第三铁电层；设置在第三铁电层的第一表面上的第四电极，第三铁电层的第一表面被布置为背对第三电极；设置在第二电极上、与第一铁电层相对的第四铁电层；以及设置在第四铁电层的第一表面上的第五电极。第四铁电层的第一表面被布置为背对远离第二电极。该MEMS组件包括四个铁电层。MEMS组件包括的层越多，MEMS组件的力将越大。通过使用本文中具体描述的铁电材料，可以因此通过施加切换电压切换各个铁电层的极性，以使得各个铁电层的力将相互作用，使得MEMS组件的总力将变得非常大。此外，在该多层系统中不需要附加绝缘层。第一电极、第二电极和第三电极可以分别被两个铁电层使用。因为即使在已经制造MEMS组件之后，各个铁电层的极性也可能改变，所以多层的铁电层可以通过一个单个处理或在一个单个处理中沉积。
在实施例中，无源层被布置在MEMS组件的第二电极处。通过使用该多层系统，各个铁电层的各个力的组合力可以耦合到无源层上。这可能导致无源层发生偏转。
在实施例中，MEMS组件的无源层在至少一侧上连接到基板。因此，例如无源层牢固地锚固在一侧上并且在相对侧上自由可运动。这种设计进一步提高MEMS组件的效果，因为MEMS组件的偏转现在仅发生在无源层的自由可运动的一侧，并因此与如果MEMS组件在两侧上发生偏转相比，在该侧可以实现更显著的偏转。另外，例如锚固(MEMS组件到基板的连接)引起组件的空间固定。
在实施例中，MEMS组件包括多层MEMS致动器、多层MEMS传感器或多层MEMS发生器。通过在多层MEMS致动器、多层MEMS传感器或多层MEMS发生器中使用铁电材料，可以更经济有效地制造它们，因为铁电层可以在单个处理中或通过单个处理沉积，以及因为各个铁电层的期望极性可以随后调整。如果MEMS组件包括多层MEMS致动器、多层MEMS传感器或多层MEMS发生器，则MEMS组件还可以具有例如不同的结构设计和连接技术(包装技术)，诸如至少一个悬架、与基板的至少一种连接、与膜的至少一种连接等、和/或其组合。
在实施例中，MEMS设备具有基板和第一MEMS组件。MEMS组件的无源层被可偏转地布置在基板上。这意味着无源层例如牢固地锚固在一侧上并且在相对侧上自由可移动。这种设计进一步提高MEMS组件的效果，因为MEMS组件的偏转现在只能发生在无源层的自由可移动侧，并因此与如果MEMS组件在两侧上发生偏转相比，在该侧上可以实现更高的偏转。
在实施例中，MEMS设备包括第二MEMS组件。第一无源层和第二无源层形成共同体，并且第一MEMS组件和第二MEMS组件的电极和铁电层被平行地布置。借助于该MEMS设备，第一MEMS组件和第二MEMS组件的共有无源层的偏转更加显著，因为在该MEMS设备中，彼此平行布置的第一MEMS组件和第二MEMS组件协作以将更大的弯曲力施加到共有无源层，这导致MEMS设备的可偏转侧发生强烈偏转。另外，该设置还可能例如在以与第二MEMS组件反相地激励第一MEMS组件时通过施加电压引起共有无源层的扭转，第二MEMS组件也具有施加到其的电压。
进一步的实施例提供一种制造MEMS组件的方法。该方法包括依照此次序堆叠第一电极、第一铁电层、第二电极、第二压电层和第三电极。第一铁电层和第二压电层具有相同的极化方向，以及第一铁电层包括铁电材料，所述铁电材料包括混合晶体，所述混合晶体包括AlN和至少一种过渡金属氮化物。选择过渡金属氮化物的比例，使得铁电材料的极性是通过施加切换电压可切换的。切换电压低于铁电材料的击穿电压。所述方法进一步包括以下步骤：将切换电压施加到第一电极和第二电极。由此第一铁电体层的极化方向被逆转，使得第一铁电体层的极化方向被逆转(例如，与第二压电层的极化方向相反)。
另一实施例提供一种制造MEMS组件的方法，其中在基板上堆叠第一电极、第一铁电层、第二电极、第二压电层和第三电极，以及所述方法进一步包括以下步骤：
在堆叠第一电极、第一铁电层、第二电极、第二压电层和第三电极之前或之后，使用CMOS工艺在基板中对集成电路的一个或多个电路组件进行集成。
这些方法基于与如上面描述的铁电材料、MEMS组件和MEMS设备相同的考虑。
顺便提及，还可以相对于本发明的铁电材料、MEMS组件和MEMS设备，通过本文描述的所有特征和功能进一步补充方法。
在下面基于附图详细解释本发明实施例之前，应当指出相同、功能相同或作用相似的元件、对象和/或结构在不同附图中具有相同附图标记，使得在不同实施例中提出的所述元件的描述是可互换的和/或相互适用的。
附图说明
下面将参考附图更详细地解释根据本发明实施例，其中：
图1a示出根据本发明实施例的铁电材料的示意图；
图1b示出根据本发明实施例的具有所施加的切换电压的铁电材料的示意图。
图2示出根据本发明实施例的MEMS组件的示意图；
图3示出根据本发明实施例的包括两个铁电层的MEMS组件的示意图；
图4示出根据本发明实施例的MEMS组件的示意图，其中第一电极包括第一电极层和第二电极层；
图5示出根据本发明实施例的包括四个铁电层的MEMS组件的示意图；
图6示出根据本发明实施例的包括基板的MEMS组件的示意图；
图7a示出根据本发明实施例的包括任意数量的铁电层和基板的MEMS组件的示意图；
图7b示出根据本发明实施例的包括任意数量的铁电层、基板以及电极的电接触的MEMS组件的示意图；
图7c示出根据本发明实施例的包括任意数量的铁电层的MEMS组件的示意图；
图8a示出根据本发明实施例的MEMS设备的示意图；
图8b示出根据本发明实施例的包括两个MEMS组件的MEMS设备的示意图；
图9示出根据本发明实施例的制造MEMS组件的方法的框图；
图10a示出根据本发明实施例的在使用CMOS工艺的同时制造连接到具有集成电路的基板的MEMS组件的方法的框图；
图10b示出根据本发明实施例的在使用CMOS工艺的同时制造连接到具有集成电路的基板的MEMS组件的方法的框图；
图11a示出根据本发明实施例的铁电材料的电极化上的图；
图11b示出显示本发明实施例的测量的矫顽场在铁电层的机械应力上的平均值的图；
图11c示出显示根据本发明实施例的测量的矫顽场在AlScN层的Sc含量上的平均值的图；
图12示出根据本发明实施例的具有电极表面的铁电层的铁电力的图；
图13a示出根据本发明实施例的具有负极性的铁电材料的纤锌矿的晶胞的示意图；
图13b示出根据本发明实施例的无极性的铁电材料的六角形结构的晶胞的示意图；
图13c示出根据本发明实施例的具有正极性的铁电材料的纤锌矿的晶胞的示意图；
图14a示出根据现有技术的铁电致动器的示意图；
图14b示出根据现有技术的施加有正外部电场的铁电致动器的示意图；
图14c示出根据现有技术的施加有负外部电场的铁电致动器的示意图；
图15a示出根据现有技术的没有偏转的铁电双层致动器的示意图；
图15b示出根据现有技术的被偏转的铁电双层致动器的示意图；
图16示出根据现有技术的通过传统铁电体制造的多层致动器的示意图；
图17示出根据现有技术的当使用非铁电热电体时的多层致动器的示意图；和
图18示出根据现有技术的铁电双压电晶片的层序列的示意图。
具体实施方式
图1a示出根据本发明实施例的包括混合晶体110的铁电材料100的示意图。混合晶体110包括AlN 120和至少一种过渡金属氮化物TMN 130。AlN 120与至少一种过渡金属氮化物TMN 130形成化合物AlTMN。图1a仅是示意草图；即使在图1a中示出AlN 120和过渡金属氮化物TMN 130在空间上是分开的，但实际上并非如此。在混合晶体110中，例如化合物AlTMN均匀地(homogeneously)分布。可以调整过渡金属氮化物TMN 130的比例。过渡金属氮化物TMN 130的过渡金属原子TM的数量相对于过渡金属氮化物TMN 130的过渡金属原子的数量与AlN 120的铝原子的数量之和的比值是在≥0.2且≤0.5的范围内，例如该比值也可以在≥0.25且≤0.43的范围内、在≥0.30且≤0.38的范围内或在≥0.32且≤0.36的范围内，诸如0.36。因此，AlN 120与过渡金属氮化物TMN 130之间的化学键可以表示为Al1-xTMxN，其中x是过渡金属氮化物TMN 130的过渡金属原子TM的数量相对于过渡金属氮化物TMN 130的过渡金属原子的数量与AlN 120的铝原子的数量之和的比值。例如，增加过渡金属氮化物TMN130的比例使得混合晶体110变成铁电的。过渡金属氮化物TMN 130的过渡金属TM例如可以是钪SC、钇Y、钛Ti、铌Nb或铬Cr。混合晶体110具有极性140。
例如，对于铁电材料100，可以调整固有机械应力。此外，混合晶体110的介电损耗低于传统铁电体，如PZT。
使用Al1-xScxN作为示例，铁电材料可以在低至400℃的沉积温度下生产，并因此像纯AlN一样可兼容CMOS。纯AlN(>400V/μm)的高耐电强度也保留在Al1-xScxN中。通常远低于1％的低介电损耗[12]和调整铁电材料固有机械应力的可能性也被保留[11]。铁电材料可兼容CMOS。
图1b示出根据图1a的铁电材料100的根据本发明实施例的铁电材料100。铁电材料100包括混合晶体110。混合晶体110包括AlN 120和至少一种过渡金属氮化物130。切换电压150被施加到铁电材料100，从而设置极性142。这意味着例如通过施加切换电压150，可以切换原始极性140(参见图1a)，使得新极性142与旧极性140相反。为此，切换电压150必须低于铁电材料100的击穿电压。如果将比切换电压150低的电压施加到铁电材料100，则极性140的方向将不会改变。
根据当前的知识状况，基于AlN 120的铁电材料的存在以前从未被实验证明过。关于AlN 120和过渡金属氮化物130的混合晶体110(诸如AlScN[13，14]、AlYN[15，16]或AlTiN[17，18])的实验性科学出版物和专利仅涉及材料性质，诸如随过渡金属的比例变化的压电系数和弹性。各位作者尚未公布铁电性的证据。现在已经通过增加过渡金属氮化物130的比例并通过朝向较小的压缩应力或较大的拉伸应力来适应性改变机械应力，以通过施加切换电压150切换铁电材料100的极性140的方式，对铁电材料100进行了改变。
图2示出根据本发明实施例的包括第一铁电层210的MEMS组件200，第一铁电层210包括铁电材料。此外，MEMS组件包括设置在第一铁电层210的第一表面220上的第一电极230和设置在第一铁电层210的第二表面221上的第二电极232。第二表面221与第一表面220相对。例如，第一电极230和第二电极232由导电材料制成。可以经由第一电极230和第二电极232向铁电层210施加电压。如果所施加的电压低于切换电压，则铁电层210的极性方向将不会改变。然而，如果电压与所需的切换电压一样高，则可以切换铁电层210的极性。例如，如果该MEMS组件在低于切换电压的电压下操作，例如铁电层210向三个空间方向中的一个的膨胀将改变。利用该MEMS组件，可以采用多种方式将所供应的电压转换为机械运动。然而也可能的是，可检测逆向转换。例如，可以改变铁电层210向至少一个空间方向的膨胀，然后可以经由第一电极230和第二电极232一起测量所产生的电信号。
图3示出根据本发明实施例的MEMS组件200，MEMS组件200包括第一铁电层210、第二铁电层212、位于第一铁电层210和第二铁电层212之间的第一电极230、附接到第一铁电层210的第二表面221的第二电极232、以及附接到第二铁电层212的第一表面222的第三电极234。第一电极230设置在第一铁电层210的第一表面220上。第一铁电层210的第二表面221与第一铁电层210的第一表面220相对。设置在第一电极230上的、与第一铁电层210相对的第二铁电层212包括铁电材料。第三电极234设置在第二铁电层212的表面222上。第二铁电层212的第一表面222被布置为背对第一电极230。第一铁电层210也包括铁电材料。
基于本发明的铁电混合晶体(铁电材料)，因此可以实现尽可能简单的多层致动器(诸如MEMS组件200)，而不必接受传统铁电体的特定缺点。类似地，可以实现本征电荷放大的最简单可能的概念而没有这些缺点。这些也可以通过MEMS组件200来实现。由于铁电材料可以在低于500℃的温度下沉积，因此材料及其集成可兼容CMOS，并且因此MEMS组件可兼容CMOS。多层的铁电层可以在单个处理中沉积，因为不必原位操纵极化方向，但是通过施加切换电压，即使在生产后也可以改变各个层的极化。因此，不需要在沉积过程中设置特定极化方向的附加层。因为各个铁电层(例如，第一铁电层210和第二铁电层212)的极化反转均是可逆的和可控制的，因此所需的绝缘层和电极层的数量被最小化。
铁电材料，如AlN，可以很容易地集成到MEMS工艺流程中(例如，不需要重新设计工艺)，但是铁电材料的铁电特性极大地扩展了应用范围。与现有技术相比，铁电致动的MEMS组件(诸如扬声器、超声波换能器、开关或反射镜)将受益于提高的性能，尤其是当铁电致动的MEMS组件与CMOS结构集成时。这同样适用于可能受益于本征电荷放大的传感器系统，诸如麦克风或加速计，以及适用于微型发电机。
例如，在MEMS组件200的制造中，第一铁电层210和第二铁电层212具有相同的极性。例如，极性应该被布置为垂直于第一铁电层的第二表面221。如果将切换电压施加到第一铁电层210、到第一电极230和到第二电极232，则第一铁电层210的极性将被切换。因此，第一铁电层210的极性指向与第二铁电层212的极性相反的方向。例如，如果MEMS组件200以相同的电压操作(例如第二电极232和第三电极234具有相同的电压电平，并且第一电极230具有相同的电压电平但具有相反的符号)，电场(穿透第一铁电层210的第一电场和穿透第二铁电层212的第二电场)指向相反的方向。由于施加到相应铁电层(第一铁电层210和第二铁电层212)的电场的极性和方向是在相对于相应的另一铁电层的相反方向上，因此两个铁电层对电信号将具有相同的力响应。例如，第一铁电层的电场的极性和方向都指向相同的第一方向，以及第二铁电层的电场的极性和方向都指向相同的第二方向，第一方向与第二方向相反。因此，MEMS组件200的力增加。此外，若提供在由铁电材料制成的铁电层(例如，在第一铁电层210和/或第二铁电层212处)处的高的切换电压，则MEMS组件200可以在高的双极性电压下操作，即在一个时间点为正而在另一时间点为负的电压。
图4示出根据本发明实施例的包括第一铁电层210、第二铁电层212、第一电极230、第二电极232和第三电极234的MEMS组件200。MEMS组件200的第一电极230具有第一电极层231a和第二电极层231b。例如，第一电极层231a接触第二铁电层212，以及第二电极层231b接触例如第一铁电层210。第一电极层231a通过中间层231c与第二电极层231b分开。层231c具有位于其中的中性平面，中性平面例如将MEMS组件200在中心分开。因此，在中性平面的一侧具有第一电极层231a、第二铁电层212和第三电极234。因此，在中性平面的另一侧具有第二电极层231b、第一铁电层210和第二电极232。层231c例如可以是绝缘层或无源层。层231c使得第一铁电层210能够独立于第二铁电层212使用。层231c也可以在各电极和各铁电层的沉积期间用作所述电极和所述铁电层的载体材料。
图5示出根据本发明实施例的包括第一铁电层210、第二铁电层212、第一电极230、第二电极232和第三电极234的MEMS组件200，诸如图3的MEMS组件200。另外，图5的MEMS组件200具有设置在第三电极234上、与第二铁电层212相对的第三铁电层214，设置在第三铁电层214的第一表面223上的第四电极236，设置在第二电极232上、与第一铁电层210相对的第四铁电层216，以及设置在第四铁电层216的第一表面224上的第五电极238。第三铁电层214的第一表面223被布置为背对第三电极234。第四铁电层216的第一表面224被布置为背对第二电极232。MEMS组件200具有四个铁电层(第一铁电层210、第二铁电层212、第三铁电层214和第四铁电层216)，从而形成多层MEMS组件。MEMS组件200具有的铁电层越多，MEMS组件200或本征电荷放大的力将越大。
图6示出根据本发明实施例的包括电极2301至230n、铁电层2101至210n-1、基板240和电源250的MEMS组件200。这里指数n是大于或等于2的自然数(例如，n≥10，n≥100或n≥1000，诸如n＝1253)。基板240被布置在第一电极2301处。电源250被连接到电极2301至230n。每个铁电层2101至210n-1具有极性2601至260n-1。电源250经由电极2301至230n被连接到铁电层2101至210n-1，使得电场的方向(穿透各个铁电层2101至210n-1并且对于每个铁电层2101到210n-1而言可以具有不同的方向))平行于每个铁电层2101至210n-1的相应极化2601到260n-1，并被取向在与极化2601到260n-1相同的方向上，或者平行于相应铁电层2101至210n-1的相应极化2601至260n-1，并被取向在与极化2601到260n-1相反的方向上。因此，在每个铁电层2101至210n-1中，例如极性2601至260n-1的方向被定向为与电源250提供的电场的方向平行，或者每个铁电层2101至210n-1中的极化2601至260n-1的方向被定向为与电源250所提供的电场的方向相反。因此，所有铁电层2101至210n-1具有相同的力效应，并且因此MEMS组件200的力比具有更少的层(例如，诸如n/8层、n/4层或者甚至n/2层)的情况更强。
在MEMS组件200的操作期间，由电源250提供的电压低于切换电压。因此，在MEMS组件200的操作期间，每个铁电层2101至210n-1的极性2601至260n-1的方向不改变。如果要切换一个或多个铁电层2101至210n-1的极性2601至260n-1，则电源250可以提供切换电压。为此，必须向具有夹在其间的铁电层的至少两个电极供应切换电压。例如，可以将切换电压施加到电极2301和电极2302，因此逆转铁电层2101的极性2601，使得其将指向与之前设置的极性2601相反的方向。因此，取决于应用领域，可以可逆地和可控制地设置极性2601至260n-1。
借助于极化反转的多层，在传感器和微型发生器应用中实现电荷放大是可能的。基于该铁电材料，可以设计最简单的可能的多层致动器。用于每个铁电层2101至210n-1的铁电材料具有高的击穿电场强，借此可能产生大的力。
多层的铁电层可以在单个处理中沉积，因为不需要原位操纵极化方向。不需要在沉积过程中调整特定极化方向的附加层或添加其他化学元素。所需要的绝缘层和电极层的数量被最小化。
图7a示出根据本发明实施例的包括电极230-j至230n、铁电层2101-j至210n-1、基板240和电源250的MEMS组件200。指数n和j可以是≥2的任何自然数。每个铁电层2101-j至210n-1具有极性2601-j至260n-1。基板240包含中性平面。中性平面可以例如将MEMS组件200在中心分开，这意味着可以在中性平面的两侧找到相同数量的相同层(例如，如果n＝j)。仅仅因为在本实施例中在基板240的两侧上示出相同数量的铁电层2101-j至210n-1，所以这并不意味着这是MEMS组件起作用的必要条件。也可能的是在基板240的一侧上比在基板的另一侧上(在相对侧上)存在更多的铁电层(例如，n＞j或n＜j)。极端的示例是图6的MEMS组件200，其中在基板240的一侧没有找到铁电层，但是在基板240的另一侧可以找到任何数量的铁电层2101至210n-1。
根据本发明实施例，图7b的MEMS组件200具有与图7a的MEMS组件200相同的组成，仅铁电层2101-j至210-1的极性2601-j至260-1指向相反的方向，并且电源250以不同的方式连接到电极230-j至230n。基板240可以例如表示无源层或绝缘层。例如在图7a中，基板240是绝缘层还是无源层都没有关系，因为两个电极230-1和2301都连接到电源250的相同电压电平。因此例如基板240也可以由导电材料制成。相反，在图7b所示的MEMS组件200中，电极230-1和2301连接到电源250的不同电压电平，这意味着基板240必须是绝缘层，例如以防止电极230-1和2301之间发生短路。
由于极性2601-j至260-1的方向以及电极230-j至230-1到电源250的连接两者都已经在图7a的MEMS组件200和图7b的MEMS组件200之间被逆转，所以图7a的MEMS组件200和图7b的MEMS组件200具有相同的操作模式。在图7a的MEMS组件200和图7b的MEMS组件200的两个实施例中，在基板240的一侧上的力与在基板240的另一侧上的力相反。例如铁电层2101至210n-1尺寸上可以在一个空间方向上减小，并且铁电层210-1至2101-j尺寸上可以在相同空间方向上增大，这导致MEMS组件200的弯曲。另外，可以设想横向致动器，其中相对于位于中性平面的另一侧的层系统(相应铁电层2101-j至210n-1和电极230-j至230n)校正来自中性平面一侧的力。
换言之，图7a的MEMS组件200和图7b的MEMS组件200表示在两侧上均具有有源涂覆的无源层(基板240)的设计。示出了电接触的两种实施方式，图7a的MEMS组件200对无源层(基板240)的绝缘体特性没有任何要求。
此外，电极2301可以被认为是第一电极层，而电极230-1可以被认为是电极230a的第二电极层。在第一电极层和第二电极层之间存在另一层(基板240)，该层可以是例如无源层或绝缘层。
在图7c中，示出根据本发明实施例的包括铁电层2101-j至210n-1、电极230-j至230n和电源250的MEMS组件200。每个铁电层2101-j至210n-1具有极性2601-j至260n-1。电极2301包括中性平面，中性平面将MEMS组件200分成第一多层系统(所有铁电层2101至210n-1)和第二多层系统(由铁电层210-1至2101-j组成)。如果将低于切换电压的电压施加到电源150，则在该示例的情况下，例如铁电层2101至210n-1膨胀而铁电层210-1至2101-j(在中性平面的另一侧上)收缩。这种机制导致MEMS组件200弯曲。MEMS组件200具有的铁电层越多，当通过电源250将电压施加到电极230-j至230n时，MEMS组件200中的弯曲力就越大。
换言之，图7c的MEMS组件200是不具有无源层的MEMS组件200的版本。例如，中性平面(电极2301)上方的铁电层2101至210n-1向与位于该中性平面下方的铁电层(铁电层210-1至2101-j)相反的方向膨胀。
关于无源层(也可以是基板本身)的作用，可以设想三种一般性设计：在一侧上被有源涂覆的无源层(参见图6的MEMS组件200)，在两侧上均被涂覆的无源层(参见图7a的MEMS组件200和图7b的MEMS组件200)以及不具有无源层的纯有源多层系统(参见图7c的MEMS组件200)。所有实施例通常也可以用反向材料极化来实现。AlTMN代表基于AlN和过渡金属氮化物(TM)的铁电混合晶体，这是设置材料极化的基础。(图3、图4、图5、图6、图3、图7a、图7b和图7c的)MEMS组件200的层中的至少一层在这里被描述为铁电体，其包含铁电材料。然而，层中的在这里被描述为铁电的各个层也可以是纯压电的，例如在它们不包含铁电材料时。只要存在最小数量的包含铁电材料的铁电层(例如，每隔一层)，组件200的功能便将可以不发生改变。这些实施例对于致动和本征电荷放大两者(在后一种情况下，例如没有电源250)都是相关的。
图8a示出根据本发明实施例的包括基板310和第一MEMS组件200的MEMS设备300的示意图。MEMS组件200具有无源层240和铁电多层320。例如，MEMS组件200的无源层240可偏转地布置在基板310上。如图8a所示，无源层240可以被布置在基板310的一侧上。例如，无源层240接触基板310的表面与无源层240被布置在铁电多层320处的表面相对。然而，也可能的是铁电多层320被布置在与无源层240接触基板310的表面相同的表面上，或者被布置在无源层240的两个表面上(在无源层240接触基板310的表面以及与该接触表面相对的表面处)。
图8a中的MEMS设备300是垂直弯曲致动器的实施例。
图8b示出根据本发明实施例的包括第一MEMS组件200和第二MEMS组件201的MEMS设备300。第一MEMS组件200具有第一无源层，并且第二MEMS组件201具有第二无源层，其中第一无源层和第二无源层是共同体并且被标记为无源层240。例如第一MEMS组件200和第二MEMS组件201可以表现出相同的设计和功能。第一MEMS组件200的第一铁电多层320与第二MEMS组件201的第二铁电多层322平行布置。换言之，第一MEMS组件200和第二MEMS组件201的铁电层(第一铁电多层320和第二铁电多层322)平行布置。无源层240可偏转地布置在基板310处。图8b中所示的MEMS设备300是横向或扭转致动器的实施例(例如以相位相反的方式激励两个多层(第一铁电多层320和第二铁电多层322))。
图8a的铁电多层320与图8b的铁电多层320和322包括铁电材料。
图9示出根据本发明实施例的制造MEMS组件的方法的框图。在该方法的一个步骤中，例如，依照此次序堆叠400第一电极、第一铁电层、第二电极、第二压电层和第三电极。该步骤例如产生MEMS组件，诸如图3的MEMS组件200或图4的MEMS组件200。例如，第一铁电层和第二压电层具有相同的极化方向，并且第一铁电层包括铁电材料。所述铁电材料包括混合晶体，所述混合晶体包括AlN和至少一种过渡金属氮化物。选择过渡金属氮化物的比例，例如使得铁电材料的极性的一个方向是通过施加切换电压可切换的。所述切换电压低于铁电材料的击穿电压。所述方法还包括以下步骤：将切换电压施加410到第一电极和第二电极，第一铁电层的极化方向被逆转，使得第一铁电层的极化方向被逆转(例如，与第二压电层的极化方向相反)。
图10a示出根据本发明实施例的使用CMOS工艺制造连接到具有集成电路的基板的MEMS组件的方法的框图。在第一步骤中，所述方法包括在基板上堆叠400第一电极、第一铁电层、第二电极、第二压电层和第三电极。所述方法的第二步骤包括将切换电压施加410到第一电极和第二电极，第一铁电层的极化方向被逆转，使得第一铁电层的极化方向被逆转。在所述方法的进一步的步骤中，在使用CMOS工艺的同时在基板中对集成电路的一个或多个电路组件进行集成420。堆叠400和施加410的步骤类似于图9所示的方法的堆叠400和施加410的步骤。
图10b示出根据本发明实施例的在使用CMOS工艺的同时制造连接到包括集成电路的基板的MEMS组件的方法的框图。所述方法包括，在第一步骤中，在使用CMOS工艺的同时，在基板中对集成电路的一个或多个电路组件进行集成420。所述方法的第二步骤包括在基板上堆叠400第一电极、第一铁电层、第二电极、第二压电层和第三电极。在所述方法的进一步的步骤中，将切换电压施加410到第一电极和第二电极，第一铁电层的极化方向被逆转，使得第一铁电层的极化方向被逆转。堆叠400和施加410的步骤类似于图9所示的方法的堆叠400和施加410的步骤。
由第一电极、第一铁电层、第二电极、第二压电层和第三电极组成的图10a和图10b的MEMS组件例如是图3的MEMS组件200或图4的MEMS组件200。通过该方法，也可能堆叠三个以上的电极层和两个铁电层，从而在基板上堆叠例如图5的MEMS组件200、图6的MEMS组件200、图7a的MEMS组件200、图7b的MEMS组件200、图7c的MEMS组件200、图8a的MEMS组件200和/或图8b的MEMS组件200。此外，例如，通过此方法可以在基板上堆叠附加的非铁电层，和/或可以通过施加切换电压，在不仅仅所述第一铁电层中切换极性的方向。
第一铁电层包括如本文描述的铁电材料(但是第二压电层可以包括或可以不包括铁电材料)。当使用Al1-xScxN作为示例时，铁电材料可以在低至400℃的沉积温度下生产，并因此像纯AlN一样可兼容CMOS。纯AlN(>400V/μm)的高耐电强度也保留在Al1-xScxN中。通常远低于1％的低介电损耗[12]和调整铁电材料固有机械应力的可能性也被保留[11]。铁电材料及其集成可兼容CMOS，并且因此MEMS组件可兼容CMOS。
图11a示出根据本发明实施例的其中在铁电体Al0.57Sc0.43N和PZT 52/48处测量的跨电场(P-E回路)的电场极化的图。在纵坐标上表示极化，以及在横坐标上表示电场。第一P-E回路600表示对于铁电材料Al0.57Sc0.43N极化对电场的相依性，以及第二P-E回路610表示PZT 52/48的极化对电场的相依性。铁电材料Al0.57Sc0.43N是由包括AlN和至少一种过渡金属氮化物的混合晶体构成的铁电材料的示例，在这种情况下，过渡金属是钪。
通过使用Al1-xScxN(AlN和过渡金属氮化物ScN的混合晶体，铁电材料的示例)的示例，发现由AlN和过渡金属氮化物组成的混合晶体在一定条件下是铁电的。当可以使用外部电场克服材料的两种极化状态之间的能垒而没有首先超过该材料(铁电材料)的击穿场强时，就会发生铁电性。在文献中测得的纯AlN的击穿场强变化很大，其值在50V/μm至600V/μm之间。研究表明，场强大于400V/μm时会发生电击穿。可以通过P-E回路的矫顽场强Ec确定极化发生空间变化的场强。P-E回路表示该材料的作为激励电场E的函数的极化P。
在低于400V/μm的场强下是否可能发生极化的空间变化主要由所考虑材料(铁电材料)的两个因素确定：第一，通过Al原子的数量与过渡金属原子的数量的比值确定(参见图11c)，以及第二，通过铁电层受到压缩应力或拉伸应力的程度确定(参见图11b)。
在图11b中，示出根据本发明示例的跨Al0.73Sc0.27N层的机械应力的所测得的矫顽场强Ec的平均值。图的纵轴表示所测得的矫顽场强的平均值((Ec,+-Ec,-)/2)，并且机械应力示出在横坐标上。对于(铁电材料的)高拉伸应力层，所需要的Sc分数(过渡金属的分数)将降低，在压缩应力的情况下，所需要的Sc分数将增加。在[11，12]中的作者一般性地描述了设置Sc含量、机械应力和层的生成的方法。铁电材料Al0.73Sc0.27N是包括其中包含AlN和至少一种过渡金属氮化物的混合晶体的铁电材料的示例。
在图中，图11c示出根据本发明实施例的跨AlScN层的Sc含量的所测得的矫顽场强的平均量。在纵坐标上示出所测得的矫顽场的平均量((Ec,+-Ec,-)/2)，以及在横坐标上示出Al1-xScxN中的x。铁电层的机械应力始终在[0，200MPa]区间内(然而该区间的范围也可以是-1000MPa至600MPa、-400MPa至+400MPa或-200MPa至200MPa)，并因此具有可比性。
在上下文中对Al1-xScxN的测量表明，如果层(铁电层)的机械应力接近于从拉伸应力到压缩应力的转变，则极化的铁电切换是可能的，例如从大约x＝0.27的Sc含量。对于强拉伸应力下的铁电层，必需的Sc含量将如图11b所示降低，以及在压缩应力的情况下必需的Sc含量将增加。例如，对于Al0.73Sc0.27N层，机械应力应该在-300MPa至2000MPa或-200MPa至1000MPa的区间内，其中负值对应于压缩应力而正值对应于拉伸应力。由于图11c中的关系，对于Al0.64Sc0.36N可以允许更大的压缩应力，例如在-600MPa至2000MPa或-500MPa至1000MPa的区间内的机械应力。
图12示出根据本发明实施例的图，其中比较地示出对于铁电Al0.57Sc0.43N(铁电材料的示例)和PZT的具有电极表面积为1mm2的压电力，该压电力垂直于基板起作用，PZT为不可兼容CMOS且高度非线性并且还具有低击穿电压的现有技术铁电材料的示例。力绘制在纵坐标上以及电场绘制在横坐标上。由通过激光双光束干涉法测量的层的伸长率计算铁电力。第一曲线620示出针对铁电AlScN的电场的力行为，以及第二曲线630示出对于PZT材料力对电场的相依性。
铁电材料的另一突出特性是非常大的范围，在该范围内由施加的电场产生的力与所述场成线性关系(参见图12的第一曲线620)。结果，具有>50V/μm的高场强的线性双极驱动是可能的。铁电材料具有宽范围，在该范围内电场与所得力之间的关系是线性的(同样适用于基于该材料的n层致动器)。这允许在矫顽场Ec-和Ec+之间的很大范围内在双极电压下操作。
图13a和图13c示出根据本发明实施例的在使用Al1-xScxN的示例时纤锌矿的晶胞的示意图，以及图13b示出在使用Al1-xScxN的示例时六角形结构的晶胞的示意图。电极化P640与晶体的c轴(光轴)平行地布置。取决于金属650和氮652平面彼此的相对位置，极化640的符号改变。在图13a中晶胞具有负极化640，在图13b中两个平面(金属650和氮652平面)是全等的(六角形结构)，从而电极化消失，并且在图13c中极化640为正。
可以借助于已公开的理论计算[19]追溯所发现的这种铁电行为的原因：由于Al1- xScxN中例如Sc的比例增加，AlN的纤锌矿晶体结构在能量上接近六角相，即其中金属和氮原子被布置在一个平面内(参见图13b)的结构。该结构可以用作纤锌矿结构的两个可能极化方向(参见图13a和图13c)之间的过渡结构。
其前提是，通过选择材料的对应的过渡金属比例和对应的的机械应力，两个晶体结构在能量上足够接近彼此，以借助于与极化方向相反的电场克服六角形结构的最大能量。然后立即在场方向上切换极化。该切换过程通过逆转电场是可逆转的。该材料因此是铁电的。
以前仅针对GaScN从理论上计算该机制[19]。然而，极有可能相同的效应导致了已经研究的基于AlN的混合晶体的铁电行为。除了AlN和ScN的混合晶体之外，还可设想具有其他过渡金属元素的氮化物(诸如YN、TiN、NbN或CrN)或其混合物的组成。
铁电材料的特征在于空间可旋转的电极化P，电极化P的方向可以由外部电场E确定。取决于极化相对于有效电场的定向，材料会额外膨胀或收缩(压电效应)。此效应可以用于致动器。例如在微系统技术中，为了此目的，将包括铁电介电质的平板电容器沉积在无源层上并进行结构化(参参见图14a)。
图14a示出根据本发明实施例的基板700，在基板700上沉积具有第一电极720的无源层710。包括第二电极722的铁电层730沉积在第一电极720上。层730具有极性740。此设置也可以利用本文描述的铁电材料在铁电层730内实现。
换言之，图14a示出压电致动器的示意图，该压电致动器由在无源层710上具有铁电介电质(铁电层730)的平行板电容器组成。例如，无源层710可以是超声波换能器的膜或扬声器的膜。
图14b和图14c还示出根据本发明实施例的使用铁电层作为致动器的示例。使用与图14a中相同的设置(基板700、无源层710、第一电极720、铁电层730和第二电极722)。图14b的铁电层730和图14c的铁电层730都具有正极性740。然而，在图14b中，施加到第一电极720和第二电极722的电压不同于施加到图14c的第一电极720和第二电极722的电压，这导致图14b中的电场750(包括电场方向752)不同于图14c中的电场750(包括电场方向752)。
在图14b中，铁电层730的极性740被纠正至电场方向752，从而使铁电层730经受压缩760。
在图14c中，铁电层730的极性740与电场方向752相反，从而使铁电层730经受伸长762。
作为在施加电压U时铁电材料的横向收缩(压缩)或膨胀(伸长)的结果，取决于极化740的方向，在基板700内产生压缩应力或拉伸应力，从而使基板700变形(参见图14b和图14c)。构成变形原因的机械力是由材料(铁电材料)的压电系数、其极化方向740和可用电压引起的[1]。
图14b和图14c示出使用铁电层作为现有技术的致动器的示例，其也可以应用于本文描述的铁电材料。换言之，图14b和图14c描述铁电层730将由于外部电场750而变形。取决于电场750(电场方向752)相对于材料极化的定向，发生有源层(铁电层730)的伸长(参见图14c，伸长762)或压缩(参见图14b，压缩760)，其结果是使无源层710压缩或伸长，因为两者都是机械耦合的。铁电层730耦合到无源层710。
增加固定电压力的一种方式是使用多层系统。当使用展现数值相同的铁电系数的n层铁电材料，且在其上面施加可用电压时，所产生的力可以增加多达n倍[2]。
在图15a和图15b中，描绘根据本发明实施例的铁电多层系统。铁电多层系统包括基板700、无源层710、第一电极720、第二电极722、第三电极724、第一铁电层730和第二铁电层732。
在图15a中，在第一铁电层730中极化740被纠正至电场方向752，由此第一铁电层730经受压缩760，以及在第二铁电层732中极化740与电场方向752相反，由此第二铁电层732经受伸长762。因此，第二铁电层732的伸长762被第一铁电层730的压缩760抵消，以这样的方式无源层710没有发生改变。因此，图15a图示在所示设计中检查铁电层的极化的必要性。
在图15b中，第一铁电层730的极化740被纠正至电场方向752，以及第二铁电层732的极化740被纠正至电场方向752。因此，第一铁电层730和第二铁电层732都经受压缩760。
换言之，图15a和图15b示出了简单压电双层致动器的方案，该压电双层致动器由两个具有公共电极722的平板电容器组成。假设中性平面位于无源层710内。
在图15a中，两个铁电层具有相同的极化方向740。由于作用力F(压缩760和伸长762)，上层(第二铁电层732)应膨胀，而下层(第一铁电层730)应压缩。总体而言，两种效应(压缩760和伸长762)在很大程度上彼此抵消，没有引起运动。
在图15b中，两个铁电层(第一铁电层730和第二铁电层732)被相反地极化740。因此，两者由于外部电场而都被压缩。当假设相同的电压时，两倍于单层的力因此作用在无源层上。
图15a和图15b所示的双层致动器的两种设计从现有技术中已知，但是这两种设计也可以应用于本文描述的发明。例如图15a和图15b的第一铁电层730和第二铁电层732可以包括铁电材料。
图16示出根据本发明实施例的铁电多层致动器的可能实施方式。多层致动器800具有无源层710、铁电层730j至730n、电极720j-1至720n+1和电源770。
图16示出具有交替对齐的极化780j至780n(n至j个铁电层，j<0，n>0)的铁电多层致动器的可能的层序列。在铁电体的情况下，在施加足够大的电场之后，所有的有源极化域(极化780j至780n)都沿着所施加的电场对齐。这里示出的是在无源层710的两侧上具有有源铁电层730j至730n的实施方式。一般而言，无源层710也可以仅在一侧上分配或涂覆(例如，j＝0)。在任何情况下，中性平面(位于无源层710内)上方的铁电层730j至730n的作用力在符号上必须与下面的层的作用力相反，以避免相应力的可能补偿。可以在本实施例中使用的传统铁电体的示例是PZT。图16中描述的多层致动器800的实施例也可以被实施用于本文描述的铁电材料(由包括AlN和至少一种过渡金属氮化物的混合晶体组成)，因为铁电层730j至730n中的至少一个包括铁电材料。
如图16所示，可以将诸如Al1-xScxN的铁电体组合起来而无需附加绝缘层，以形成有效的多层致动器，因为此类材料具有其电极化沿着外部电场的场方向的固有对齐。根据图16所示的各个电极720j-1至720n+1的电接触，所有铁电层730j至730n因此以理想符号贡献于总力。除了在有源层710的两侧提供有源铁电层730j至730n的可能性之外，为简化起见有利的是，仅在一侧(j＝0)上涂覆有源层或仅仅从铁电多层与电极720j-1至720n+1一起设计结构(即没有任何无源层710)。在任何情况下，选择合适的极化780j至780n时必须考虑到中性平面的位置。该平面上面的各层必须以相反的符号耦合它们的力，下面的各层也是如此。
图17示出根据本发明实施例的通过电绝缘的各个层实现压电多层致动器800的可能层序列的实施例。多层致动器800具有无源层710、压电层7301至730n、电极7201至7202n、绝缘体7901至790n-1和电源770。由绝缘体7901至790n-1实现的绝缘允许有效地使用非铁热电体(诸如AlN)，热电体的极化7801至780n均指向相同方向。为了简单起见，仅示出在一侧上涂覆无源层710的情况。原则上，可以使用附加的绝缘体7901至790n-1实现所有讨论的原理(在两侧上涂覆无源层、没有无源层)。
由于诸如AlN的非铁电热电体的极化7801至780n不能被随后改变，因此仅在材料的制造期间对其进行定义。在通过一个且相同的处理制造的多层系统中，所有层(所有压电层7301至730n)的极化因此指向相同方向，在理想情况下垂直于基板(垂直于无源层710)。为了确保有效驱动，激励电场对于所有单个层也必须因此指向相同的方向。因此，有必要将多层的各个电容器结构电气分离开(参见图17)。即使从现有技术中已知图17的多层致动器800与使用铁电体相比也具有缺点(诸如每个铁电层必需至少两个附加层，即绝缘体和其他电极)，多层致动器800仍然可以是本文描述的本发明实施例。实现这一点是因为压电层7301至730n中的至少一个包括铁电材料。
图18示出根据本发明实施例的压电双压电晶片(bi-morph)900的可能的层序列的实施例。双压电晶片900具有无源层710、第一压电层730、第二压电层732、第一电极720、第二电极722、第三电极724、第四电极726和电源770。无源层710是可选的。压电层的数量被限制为n＝2，并且第一压电层730具有极性740a，以及第二压电层732都具有极性740b。压电双压电晶片的此层序列已经根据现有技术例如用于AlN。然而也有可能使用本文描述的铁电材料。因此，图18的双压电晶片900也可以是本文描述的其中两个压电层(第一压电层730和/或第二压电层732)中的至少一个包括铁电材料的根据本发明的实施例，所述铁电材料具有包括AlN和至少一种过渡金属氮化物的混合晶体。
尽管已经结合设备描述一些方面，但是应当理解的是这些方面也表示相应方法的描述，使得设备的框或组件也应被理解为对应的方法步骤或作为方法步骤的特征。类似地，结合方法步骤或作为方法步骤描述的各方面也表示对对应设备的对应框或细节或特征的描述。
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Claims (19)

1.一种铁电材料(100)，包括
混合晶体(110)，包括AlN(120)和至少一种过渡金属氮化物(130)；以及
机械应力，所述机械应力位于-200MPa至200MPa的区间内，其中负值表示压缩应力，以及正值表示拉伸应力，
其中选择所述过渡金属氮化物(130)的比例，使得所述铁电材料(100)的初始极性或自发极性(140，142，260，640，740，740a，740b，780)的方向是通过施加切换电压(150)可切换的，所述切换电压(150)低于所述铁电材料(100)的击穿电压，
其中过渡金属原子的数量相对于所述过渡金属原子的数量与铝原子的数量之和的比值在大于或等于0.25且小于或等于0.43的范围内。
2.根据权利要求1所述的铁电材料(100)，其中在移除所施加的切换电压(150)之后，维持所述铁电材料(100)的极性(140，142，260，640，740，740a，740b，780)的所述方向。
3.根据权利要求1所述的铁电材料(100)，其中所述过渡金属包括钪、钇、钛、铌和/或铬。
4.一种方法，包括：
提供具有初始极性或自发极性的混合晶体(110)，其中所述混合晶体(110)包括AlN(120)和至少一种过渡金属氮化物(130)，
其中选择所述过渡金属氮化物(130)的比例，使得铁电材料(100)的初始极性或自发极性(140，142，260，640，740，740a，740b，780)的方向是通过施加切换电压(150)可切换的，所述切换电压(150)低于所述铁电材料(100)的击穿电压；以及
将所述切换电压(150)施加到所述混合晶体，使得所述混合晶体(110)的所述初始极性或自发极性(140，142，260，640，740，740a，740b，780)的方向被逆转。
5.根据权利要求4所述的方法，其中
所述提供包括：提供MEMS组件(200)，所述MEMS组件(200)包括包含所述混合晶体的至少一个铁电层(210)，并且包括至少两个电极(230，232)，所述至少两个电极(230，232)具有布置在其之间的铁电层(210)，以及
将所述切换电压(150)施加到所述混合晶体包括向所述电极施加所述切换电压。
6.一种MEMS组件(200)，包括根据权利要求1所述的铁电材料(100)。
7.根据权利要求6所述的MEMS组件(200)，包括
第一铁电层(210，730)，包括所述铁电材料(100)，
第一电极(230，722)，设置在所述第一铁电层(210，730)的第一表面(220)上，以及
第二电极(232，720)，设置在所述第一铁电层(210，730)的第二表面(221)上的，所述第二表面(221)与所述第一表面(220)相对。
8.根据权利要求7所述的MEMS组件(200)，包括
第二铁电层(212，732)，设置在所述第一电极(230，722)上，与所述第一铁电层(210，730)相对，以及
第三电极(234)，设置在所述第二铁电层(212，732)的第一表面(222)上，所述第二铁电层(212，732)的所述第一表面(222)被设置为背对所述第一电极(230，722)。
9.根据权利要求8所述的MEMS组件(200)，其中所述第一电极(230，722)包括第一电极层(231a，724)和第二电极层(231b，722)，以及
其中，中性平面位于其中的绝缘层(231c，240，710)设置在所述第一电极层(231a，724)和第二电极层(231b，722)之间。
10.根据权利要求8所述的MEMS组件(200)，其中所述第一电极(230，722)包括第一电极层(231a，724)和第二电极层(231b，722)，以及
其中，中性平面位于其中的无源层(231c，240，710)设置在所述第一电极层(231a，724)和第二电极层(231b，722)之间。
11.根据权利要求8所述的MEMS组件(200)，包括
第三铁电层(214)，设置在所述第三电极(234)处，与所述第二铁电层(212，732)相对，
第四电极(236)，设置在所述第三铁电层(214)的第一表面(223)上，所述第三铁电层(214)的所述第一表面(223)被设置为背对所述第三电极(234)，
第四铁电层(216)，设置在所述第二电极(232，720)上，与所述第一铁电层(210，730)相对，以及
第五电极(238)，设置在所述第四铁电层(216)的第一表面(224)上，以背对所述第二电极(232，720)。
12.根据权利要求7所述的MEMS组件(200)，包括设置在所述第二电极(232，720)上的无源层(231c，240，710)。
13.根据权利要求10所述的MEMS组件(200)，其中所述无源层(231c，240，710)至少在一侧上连接到基板(310)。
14.根据权利要求6所述的MEMS组件(200)，其中所述MEMS组件(200)包括多层MEMS致动器、多层MEMS传感器或多层MEMS发生器。
15.一种MEMS设备(300)，包括
基板(310)，以及
根据权利要求10所述的MEMS组件的第一MEMS组件(200)，其中所述第一MEMS组件(200)的无源层(231c，240，710)被可偏转地设置在所述基板(310)上。
16.根据权利要求15所述的MEMS设备(300)，包括
根据权利要求10所述的MEMS组件的第二MEMS组件(200)，其中所述第一MEMS组件(200)的所述无源层(231c，240，710)和所述第二MEMS组件(200)的无源层形成一体，并且所述第一MEMS组件和第二MEMS组件(200)的电极和铁电层被平行地布置。
17.一种生产MEMS组件(200)的方法，包括：
依照此次序堆叠第一电极(232，720)、第一铁电层(210，730)、第二电极(230，722)、第二压电层(212，732)和第三电极(234)，其中所述第一铁电层(210，730)和所述第二压电层(212，732)具有相同的极化方向(140，142，260，640，740，740a，740b，780)，以及其中至少所述第一铁电层(210，730)包括铁电材料(100)，所述铁电材料(100)包括混合晶体(110)，包括AlN(120)和至少一种过渡金属氮化物(130)；
其中选择所述过渡金属氮化物(130)的比例，使得所述铁电材料(100)的极性(140，142，260，640，740，740a，740b，780)的方向是通过施加切换电压(150)可切换的，所述切换电压(150)低于所述铁电材料(100)的击穿电压；以及
所述方法进一步包括：
将切换电压(150)施加到所述第一电极(232，720)和所述第二电极(230，722)，其中所述第一铁电层(210，730)的所述极化方向(140，142，260，640，740，740a，740b，780)被逆转，使得所述第一铁电层(210，730)的所述极化方向(140，142，260，640，740，740a，740b，780)被逆转。
18.根据权利要求17所述的方法，
其中在基板(310)上堆叠所述第一电极(232，720)、所述第一铁电层(210，730)、所述第二电极(230，722)、所述第二压电层(212，732)和所述第三电极(234)，以及
所述方法进一步包括：
在堆叠所述第一电极(232，720)、所述第一铁电层(210，730)、所述第二电极(230，722)、所述第二压电层(212，732)和所述第三电极(234)之前或之后，使用CMOS工艺在所述基板(310)中对集成电路的一个或多个电路组件进行集成。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述基板邻接所述第一电极或所述第三电极。
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