DE102005014160A1

DE102005014160A1 - Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms auf einem Substrat, Kondensatorstruktur mit dem Keramikfilm und Verwendung der Kondensatorstruktur

Info

Publication number: DE102005014160A1
Application number: DE102005014160A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Gabl; Mathias Link; Matthias Schreiter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12
Also published as: WO2006103134A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms auf einem Substrat mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen des Substrats mit der Substratoberfläche und Bereitstellen mindestens einer Quelle für Keramikpartikel des Keramikfilms und b) Erzeugen eines Partikelstroms der Keramikpartikel von der Quelle der Keramikpartikel in Richtung der Substratoberfläche des Substrats, wobei die Keramikpartikel auf der Substratoberfläche des Substrats abgeschieden werden und somit der Keramikfilm gebildet wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Substratoberfläche des Substrats und der Quelle der Keramikpartikel mindestens eine Blende zum Einstellen eines mittleren Einfallswinkels der Keramikpartikel gegenüber einer Flächennormalen der Substratoberfläche angeordnet wird, so dass die Keramikpartikel mit einer Vorzugsrichtung auf der Substratoberfläche abgeschieden werden. Mit dem Verfahren ist ein Dünnfilmresonator zugänglich, der zu Scherdickenschwingungen angeregt werden kann. Diese Kondensatorstruktur wird als piezoakustischer Resonator zur Detektion einer Substanz eines Fluids (13), insbesondere einer Flüssigkeit, eingesetzt (z. B. als Biosensor).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms auf einer Substratoberfläche eines Substrats mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereistellen des Substrats mit der Substratoberfläche und Bereitstellen mindestens einer Quelle für Keramikpartikel des Keramikfilms und b) Erzeugen eines Partikelstroms der Keramikpartikel von der Quelle der Keramikpartikel in Richtung der Substratoberfläche des Substrats, wobei die Keramikpartikel auf der Substratoberfläche des Substrats abgeschieden werden und somit der Keramikfilm gebildet wird. Neben dem Verfahren zum Herstellen des polykristallinen Keramikfilms werden eine Kondensatorstruktur mit dem Keramikfilm und eine Verwendung der Kondensatorstruktur angegeben.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Herstellen des polykristallinen Keramikfilms auf der Substratoberfläche eines Substrats und eine Kondensatorstruktur mit dem Keramikfilm ist beispielsweise aus der WO 2004/067797 A1 bekannt. Die Kondensatorstruktur weist eine auf dem Substrat angeordnete untere Elektrodenschicht, eine obere Elektrodenschicht und eine zwischen den Elektrodenschichten angeordneten, polykristallinen piezoelektrische Keramikschicht auf. Die Kondensatorstruktur (Dünnschichtkondensator) bildet einen so genannten piezoakustischen Dünnfilmresonator (Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR). Die kristalline piezoelektrische Keramikschicht wird von dem polykristallinen Keramikfilm gebildet. Der Keramikfilm besteht aus Zinkoxid (ZnO). Die Elektrodenschichten sind beispielsweise aus Platin. Die Elektrodenschichten und die piezoelektrische Schicht sind derart aneinander angeordnet, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten mit einem elektrischen Wechselfeld aufgrund des Piezoeffekts zu einer (akustischen) Schwingung des Keramikfilms und damit zu einer Schwingung des Resonators mit einer bestimmten Resonanzfrequenz führt. Die Resonanzfrequenz der Schwingung des Resonators hängt von den Schichtdicken der Schichten der Kondensatorstruktur ab. Welche Schwingungsmode (Longitudinaldickenschwingung oder Scherdickenschwingung) angeregt wird, hängt von einer Kristallstruktur der Zinkoxid-Einkristalle und einer relativen Ausrichtung der Zinkoxid-Einkristalle zum angelegten elektrischen Wechselfeld ab.

Zum Erzeugen der Schichten der Kondensatorstruktur auf einem Substrat, beispielsweise einem Siliziumsubstrat, wird ein Dampfabscheideverfahren durchgeführt. Dabei wird zunächst die untere Elektrodenschicht, beispielsweise aus polykristallinem Platin, auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden. Auf die untere Elektrodenschicht aus Platin wird Zinkoxid abgeschieden. Ohne zusätzliche Maßnahmen wachsen Zinkoxid-Einkristalle mit einer (002)-Orientierung auf. Dies bedeutet, dass die polare c-Achse des Zinkoxids senkrecht zur Substratoberfläche bzw. zur Elektrodenoberfläche orientiert ist. Damit lässt sich der resultierende Resonator optimal zu Longitudinaldickenschwingungen anregen.

Der bekannte Resonator wird zur Detektion einer Substanz eines Fluids eingesetzt. Dazu wird das Fluid an einem Oberflächenabschnitt des Resonators vorbeigeleitetet, wobei die zu detektierende Substanz am Oberflächenabschnitt sorbiert wird. Aufgrund der Sorption kommt es zu einer Änderung einer Masse des Resonators und damit zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators.

Soll ein Fluid in Form einer Flüssigkeit untersucht werden, und soll die Resonanzfrequenz des Resonators während des Vorbeileitens des Fluids bestimmt werden, ist es besonders vorteilhaft, den bekannten Resonator zu Scherdickenschwingungen anregen zu können.

Scherdickenschwingungen werden durch das Fluid nahezu nicht gedämpft, was im Vergleich zu Longitudinaldickenschwingungen zu einer relativ hohen Güte des Resonators und damit zu einer relativ hohen Detektierbarkeit für die Substanz des Fluids führt. Dazu müssen die Zinkoxid-Einkristalle verkippt aufwachsen. Zum Einstellen einer verkippten Vorzugsrichtung wird gemäß WO 2004/067797 A1 auf das so genannte IBAD (Ion Beam Assisted Deposition)-Verfahren zurückgegriffen. Dabei wird während des Abscheidens des Keramikfilms aus Zinkoxid ein Ionenstrahl, beispielsweise ein Strahl aus Ar⁺-Ionen, schräg auf die Substratoberfläche gerichtet. Mit Hilfe des Ionenstrahls ist das verkippte Aufwachsen der Zinkoxid-Einkristalle erreicht. Das IBAD-Verfahren ist allerdings sehr aufwändig. Alternativ zum IBAD-Verfahren kann eine verkippte Vorzugsrichtung durch epitaktisches Aufwachsen auf einem geeigneten, einkristallinen Substrat realisiert werden. Dies ist nur in einem eng begrenzten Rahmen möglich. So müssen beispielsweise die Kristallstrukturen des Substrats und des Keramikfilms so angepasst sein, dass das epitaktische Aufwachsen möglich ist. Ebenso ist es möglich, das Substrat, auf dem der Keramikfilm abgeschieden werden soll, im Partikelstrom schräg anzuordnen. Dieses Verfahren eignet sich allerdings nur für ein relativ kleines Substrat. Die Anwendung dieses Verfahrens ist ebenfalls nur eingeschränkt möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms anzugeben, das im Vergleich zu den bekannten Verfahren einfacher ist und flexibler eingesetzt werden kann. Das Verfahren soll insbesondere zum Herstellen eines Dünnfilmresonators geeignet sein, mit dessen Hilfe eine Substanz in einem flüssigen Medium detektiert werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms auf einer Substratoberfläche eines Substrats mit folgenden Verfahrensschritten angegeben:
a) Bereitstellen des Substrats mit der Substratoberfläche und Bereitstellen mindestens einer Quelle für Keramikpartikel des Keramikfilms und b) Erzeugen eines Partikelstroms der Keramikpartikel von der Quelle der Keramikpartikel in Richtung der Substratoberfläche des Substrats, wobei die Keramikpartikel auf der Substratoberfläche des Substrats abgeschieden werden und somit der Keramikfilm gebildet wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Substratoberfläche des Substrats und der Quelle der Keramikpartikel mindestens eine Blende zum Einstellen eines mittleren Einfallswinkels der Keramikpartikel gegenüber einer Flächennormalen der Substratoberfläche angeordnet wird, so dass die Keramikpartikel mit einer Vorzugsrichtung auf der Substratoberfläche abgeschieden werden.

Die Idee der Erfindung besteht darin, eine mechanische Blende in der Nähe der Substratoberfläche des Substrats zu platzieren. Durch diese Blende werden bestimmte Einfallswinkel der Keramikpartikel abgeschattet. Aufgrund einer Abschattung bestimmter Einfallswinkel wachsen die Keramikpartikel (Einkristalle der Keramik) mit einer Vorzugsrichtung auf der Substratoberfläche auf. Die Vorzugsrichtung stellt dabei eine über die gesamte Substratoberfläche gemittelte Vorzugsrichtung. Dies bedeutet, dass lokale, über die Substratoberfläche verteilte Unterschiede bezüglich der Vorzugsrichtung der Einkristalle der Keramik existieren können. Vorzugsweise wird der mittlere Einfallswinkel aus dem Bereich von einschließlich 0° bis einschließlich 90° und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 10° bis einschließlich 30° ausgewählt.

Die Quelle kann dabei die Keramik aufweisen, von der aus lediglich durch Materialabtrag der Partikelstrom in Richtung der Substratoberfläche erzeugt wird. Denkbar ist aber auch, dass die Quelle eine Vorstufe der Keramik aufweist, die in einem reaktiven Schritt zur Keramik umgesetzt wird. Beispielsweise verfügt die Quelle über elementares Zink, das in einer Sputteranlage abgetragen wird und das in Gegenwart von Sauerstoff zu Zinkoxid umgesetzt wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Kondensatorstruktur mit einer auf einem Substrat angeordneten unteren Elektrodenschicht, einer oberen Elektrodenschicht, einem zwischen der unteren und der oberen Elektrodenschicht angeordneten, dielektrischen, polykristallinen Keramikfilm mit Keramikpartikeln mit einer bestimmten Vorzugsrichtung gegenüber der Substratoberfläche angegeben, der nach vorher beschriebenen Verfahren hergestellt ist.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung der Kondensatorstruktur als piezoakustischer Resonator angegeben. Dabei bildet der Keramikfilm eine piezoelektrische Schicht des Resonators. Die piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschichten werden derart aneinander angeordnet, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten zu einer Schwingung des Resonators mit einer bestimmten Resonanzfrequenz führt.

Zum Erzeugen des Keramikfilms wird ein Abscheiden aus einer Dampfphase durchgeführt. Das Abscheiden aus der Dampfphase kann ein beliebiges physikalisches Dampfabscheiden (Physical Vapour Deposition, PVD) sein. Beispielsweise wird der Keramikfilm durch Sputtern erzeugt. Das Sputtern ist beispielsweise Magnetron-Sputtern.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn dafür gesorgt ist, dass eine Oberflächenmobilität der abgeschiedenen Keramikpartikel möglichst gering ist. Eine geringe Oberflächenmobilität führt dazu, dass die Keramikpartikel sich nicht oder nur kaum umorientieren können. Somit bleiben die Orientierungen der Keramikpartikel auf der Substratoberfläche erhalten. Eine geringe Oberflächenmobilität lässt sich beispielsweise dadurch erzielen, dass eine Substrattemperatur der Substratoberfläche möglichst gering gehalten wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Quelle der Keramikpartikel gewählt wird, der kleiner ist, als eine mittlere freie Weglänge der Keramikartikel des Partikelstroms. Unter mittlerer freier Weglänge ist dabei der von einem Partikel zurückgelegte Weg zu verstehen, innerhalb dessen Grenzen eine Umorientierung bzw. Richtungsänderung eines Keramikpartikels auf dem Weg von der Quelle zur Substratoberfläche nicht stattfindet. Somit ist gewährleistet, dass eine Verteilung der Orientierung der Keramikpartikel nicht stattfindet. Die mittlere freie Weglänge hängt beispielsweise bei einer Magnetron-Sputteranlage inter anderem vom Gasdruck oder von der angelegten elektrischen Spannung ab. Typischerweise beträgt die mittlere freie Weglänge wenige cm, beispielsweise 10 cm.

In einer besonderen Ausgestaltung wird mit Hilfe der Blende ein elektrisches Feld erzeugt, mit dessen Hilfe der Einfallswinkel beeinflusst wird. Für das gerichtete Auffassen der Keramikpartikel ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Einfallswinkel der Keramikpartikel gezielt eingestellt werden kann. Dazu wird die Blende benutzt. Die Blende kann aber darüber hinaus auch zum Einstellen des elektrischen Feldes verwendet werden, in dessen Einflussbereich die Keramikpartikel auf die Substratoberfläche auftreffen. Beispielsweise verfügen die Keramikpartikel über ein nach außen hin wirksames elektrisches Dipolmoment. Aufgrund des elektrischen Dipolmoments werden sich die Keramikpartikel im elektrischen Feld ausrichten. Somit stehen zwei Parameter zum Einstellen des Einfallswinkels der Keramikpartikel zur Verfügung: Mit Hilfe der Blende werden bestimmte Einfallswinkel abgeschattet. Mit Hilfe der Blende wird auch ein elektrisches Feld erzeugt, das zusätzlich zu einer Orientierung der Keramikpartikel beiträgt.

Für ein Substrat kann eine einzige Blende vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, dass pro Substrat mehr als eine Blende eingesetzt wird. Ebenso können beliebig geformte Blenden verwendet werden, beispielsweise runde, rechteckige oder sternförmige Blenden. Somit können beliebige Einfallsmuster und damit Orientierungsmuster auf der Substratoberfläche eines Substrats erzeugt werden.

In einer besonderen Ausgestaltung wird ein Keramikfilm mit einer aus der Gruppe Aluminiumnitrid (AlN) und/oder Zinkoxid ausgewählten Keramik hergestellt. Durch das gerichtete Abscheiden der Keramikpartikel ist es möglich, so genannte Dünnfilmresonatoren herzustellen, die zu Scherdickenschwingungen angeregt werden können. Der Dünnfilmresonator eignet sich somit zur Anwendung in Flüssigkeiten.

Zum Einstellen eines orientierten Aufwachsens auf der Substratoberfläche ist es zudem vorteilhaft, ein Substrat mit einer amorphen Substratoberfläche zu verwenden. Dadurch wird verhindert, dass eine fest vorgegebene Vorzugsrichtung des Aufwachsens nicht vorhanden ist. Insbesondere für Aluminiumnitrid und Zinkoxid eignet sich ein Substrat mit einer Substratoberfläche, die von mindestens einem aus der Gruppe Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂) und/oder Zirkondioxid (ZrO₂) ausgewählten Material gebildet wird. Diese Materialien lassen sich beispielsweise amorph auf Platin abscheiden. Es wird eine dünne Schicht erzeugt (Filmdicke von 20 nm bis 500 nm). Auf diese amorphe dielektrische Schicht wird der polykristalline Keramikfilm abgeschieden. Da die dielektrische Schicht (Zwischenschicht) amorph ist, erfolgt kein epitaktisches Aufwachsen der Keramik-Einkristalle. Es ist keine Vorzugsrichtung des Aufwachsens der Keramik-Einkristalle vorgegeben. Somit kann die Verkippung der aufwachsenden Keramik-Einkristalle beliebig eingestellt werden.

Durch die amorphe Zwischenschicht ist insbesondere eine Verkippung der polaren Kristallachse von Zinkoxid zugänglich. So kann bei einer Verkippung von 40° oder 90° der Resonator zu reinen Scherdickenschwingungen angeregt werden. Aber auch bei einer geringer ausfallenden Verkippung, beispielsweise bei einer Verkippung von 16° resultiert ein Resonator, der zu Scherdickenschwingungen angeregt werden kann und der eine genügend hohe Detektivität auch in Gegenwart eines zu untersuchenden Fluids aufweist.

Mit dem beschriebenen Verfahren ist eine neuartige Kondensatorstruktur zugänglich mit einer auf einem Substrat angeordneten unteren Elektrodenschicht, einer oberen Elektrodenschicht, einer auf der unteren Elektrodenschicht angeordneten amorphen, die Substratoberfläche bildenden Zwischenschicht und einer gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren auf der Substratoberfläche abgeschiedenen, dielektrischen, polykristallinen Keramikfilm.

In einer besonderen Ausgestaltung weist der polykristalline Keramikfilm, insbesondere der Keramikfilm aus Zinkoxid, eine aus dem Bereich von einschließlich 0,05 μm bis einschließlich 20 μm und insbesondere von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 20 μm ausgewählte Schichtdicke auf. Vorzugsweise wird die Resonanzfrequenz der Schwingung des mit der Kondensatorstruktur realisierten Resonators aus dem Bereich von einschließlich 100 MHz bis einschließlich 10 GHz und insbesondere von einschließlich 500 MHz bis einschließlich 10 GHz ausgewählt. Durch diese Maßnahmen resultiert eine besonders hohe Massensensitivität gegenüber der Substanz.

Als Elektrodenmaterial der unteren Elektrodenschicht ist jedes beliebige Elektrodenmaterial denkbar. In einer besonderen Ausgestaltung weist die untere Elektrodenschicht ein aus der Gruppe Wolfram und/oder Platin ausgewähltes Elektrodenmaterial auf. Diese Elektrodenmaterialien haben sich bei der Verwendung von Halbleitersubstraten bewährt.

Als Elektrodenmaterial der oberen Elektrodenschicht ist ebenfalls jedes beliebige Elektrodenmaterial denkbar. Besonders vorteilhaft ist es, das Elektrodenmaterial der oberen Elektrode aus der Gruppe Aluminium und/oder Gold auszuwählen. Insbesondere bei der Verwendung von Gold ist es möglich, die obere Elektrodenschicht als chemisch sensitive Beschichtung zur Sorption der Substanz des Fluids zu verwenden. Beispielsweise verfügt die Substanz über Schwefelatome. Dadurch können sich Schwefel-Gold-Bindungen ausbilden, so dass die Substanz sorbiert wird.

Als Substrat (Trägerkörper der Kondensatorstruktur) ist jedes beliebige Substrat denkbar. Vorzugsweise ist das Substrat ein Halbleitersubstrat mit einem Halbleitermaterial. Insbesondere ist das Halbleitermaterial aus der Gruppe Silizium und/oder Galliumarsenid ausgewählt. Das Substrat kann dabei einkristallin oder polykristallin sein. Die genannten Halbleitermaterialien eignen sich zur Anwendung von Bipolar- und CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Technologie zur Integration von Ansteuerungs- und/oder Auswerteeinrichtungen des Resonators.

Vorzugsweise ist mindestens eine Einrichtung zur akustischen Isolation der Kondensatorstruktur und des Substrats vorhanden. Die Kondensatorstruktur bzw. der Resonator und das Substrat sind akustisch voneinander isoliert. Durch die akustische Isolation ist gewährleistet, dass die Resonanzfrequenz des Resonators unabhängig vom Substrat ist. Es resultiert eine relativ hohe Massensensitivität. Die Einrichtung zur akustischen Isolation ist beispielsweise ein Bragg-Reflektor, der aus λ/4-dicken Schichten unterschiedlicher akustischer Impedanz besteht. Alternativ dazu wird die Einrichtung durch einen Hohlraum im Substrat gebildet.

Die Kondensatorstruktur wird als piezoakustischer Resonator verwendet, wobei die dielektrische, polykristalline Schicht und die Elektrodenschichten derart aneinander angeordnet sind, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten zu einer Schwingung des Resonators mit einer bestimmten Resonanzfrequenz führt. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird die Resonanzfrequenz der Schwingung aus dem Bereich von einschließlich 100 MHz bis einschließlich 10 GHz und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 500 MHz und 10 GHz ausgewählt. Die Kondensatorstruktur wird zur Detektion einer Substanz eines Fluids eingesetzt. Das Fluid kann gasförmig sein. Vorzugsweise ist das Fluid eine Flüssigkeit. Zur Detektion der Substanz werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: a) Zusammenbringen des Fluids und des piezoakustischen Resonators derart, dass die Substanz am Oberflächenabschnitt des Resonators sorbiert werden kann und b) Bestimmen einer Resonanzfrequenz des Resonators, wobei aus der Resonanzfrequenz auf die am Oberflächenabschnitt sorbierte Menge der Substanz geschlossen wird. Dabei wird ein Oberflächenabschnitt zur Sorption einer Substanz eines Fluids derart am Resonator angeordnet, dass die Resonanzfrequenz des Resonators abhängig ist von einer am Oberflächenabschnitt sorbierten Menge der Substanz. Der Oberflächenabschnitt kann dabei von der oberen Elektrodenschicht gebildet werden, beispielsweise eine Elektrodenschicht aus Gold (siehe oben). Insbesondere ist auch die Bildung des Oberflächenabschnitts durch eine chemisch sensitive Beschichtung des Resonators denkbar.

Die Bestimmung der Resonanzfrequenz kann nach erfolgter Sorption in Abwesenheit des Fluids erfolgen. Da mit der Erfindung ein Resonator zugänglich ist, der zu Scherdickenschwingungen angeregt werden kann, erfolgt die Bestimmung der Resonanzfrequenz bevorzugt in Gegenwart des Fluids.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms auf einer Substratoberfläche eines Substrats im Querschnitt von der Seite.
2 zeigt einen Ausschnitt einer Vorrichtung zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms mit einer Anzahl von Blenden von der Seite.
3 zeigt eine Anordnung mehrerer Blenden an einer Substratoberfläche eines Substrats in Aufsicht.
4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms.
5 zeigt eine Kondensatorstruktur mit dem polykristallinen Keramikfilm in einem seitlichen Querschnitt.
6 zeigt ein Verfahren zur Detektion einer Substanz eines Fluids.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Kondensatorstruktur 1 (5) mit einem polykristallinen, piezoelektrischen Keramikfilm 2 hergestellt. Der Keramikfilm 2 ist aus Zinkoxid (Zinkoxidfilm). Die gesamte Kondensatorstruktur 1 ist auf einem Halbleitersubstrat 3 aus Silizium aufgebracht. Der Zinkoxidfilm 2 bildet zusammen mit den Elektrodenschichten 5 und 6 die Kondensatorstruktur 1. Zwischen der unteren Elektrodenschicht 5 und dem Zinkoxidfilm 2 ist eine amorphe dielektrische Schicht 4 aus Aluminiumoxid vorhanden. Die Zwischenschichtdicke 41 der Zwischenschicht 4 beträgt etwa 50 nm.
Die Kondensatorstruktur 1 wird zur Detektion einer Substanz eines Fluids 13 verwendet. Dazu ist die Kondensatorstruktur 1 zu einem piezoakustischen Dünnfilmresonator 10 ausgestaltet, der auf der Substratoberfläche 31 des Halbleitersubstrats 3 aufgebracht ist. Die Schichtdicke 21 des Zinkoxidfilms 2 beträgt ca. 0,4 μm. Die laterale Ausdehnung 11 des Resonators 10 beträgt ca. 100 μm.
Die Elektrodenschichten 5 und 6 sind an zwei voneinander abgekehrten Seiten des Zinkoxidfilms 2 angeordnet. Die Schichtdicke der unteren Elektrodenschicht 5 beträgt etwa 0,5 μm. Die Schichtdicke der oberen Elektrodenschicht 6 beträgt etwa 0,1 μm. Die untere Elektrodenschicht 5 ist aus Platin. Die obere Elektrodenschicht 6 ist aus Gold.
Der Zinkoxidfilm 2 besteht aus einer Vielzahl von Zinkoxid-Einkristallen. Die Zinkoxid-Einkristalle sind gegen die Substratoberfläche 31 des Halbleitersubstrats 3 verkippt. Somit ist der mit der Kondensatorstruktur 1 gebildete Resonator 10 zu Scherdickenschwingungen parallel zur Substratoberfläche 31 anregbar.
Der Resonator 10 verfügt über einen Oberflächenabschnitt 12, an dem eine Substanz eines Fluids 13 sorbiert werden kann. Dazu verfügt der Resonator 10 über eine chemisch sensitive Beschichtung 14. Die chemisch sensitive Beschichtung 14 ist auf der Elektrode 6 aufgetragen.
Um die Massensensitivität des Resonators 10 für eine bestimmte Substanz zu erhöhen, werden das Halbleitersubstrat 3 und der Resonator 10 mit Hilfe einer Einrichtung zur akustischen Isolation 15 akustisch voneinander isoliert. Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist die Einrichtung 15 ein Bragg-Reflektor mit λ/4-dicken Schichten unterschiedlicher akustischer Impedanz.
Zum Herstellen der Kondensatorstruktur 1 werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt (4): a) Bereitstellen des Substrats, b) Erzeugen der unteren Elektrodenschicht auf einer Substratoberfläche des Substrats, c) Erzeugen der amorphen Zwischenschicht auf der unteren Elektrodenschicht, d) Erzeugen des Keramikfilms mit Zinkoxid auf der Zwischenschicht und e) Erzeugen der oberen Elektrodenschicht auf der kristallinen piezoelektrischen Schicht mit Zinkoxid. Das Erzeugen der einzelnen Schichten erfolgt jeweils durch Magnetron-Sputtern. Zum Erzeugen der Zinkoxidschicht wird elementares Zink als Quelle (Target) 9 für Zinkoxid-Einkristalle verwendet. Im Ar⁺-Ionen-Plasma der Magnetron-Sputter-Anlage bildet sich in Gegenwart von Sauerstoff Zinkoxid. In einer alternativen Ausführungsform wird Zinkoxid als Quelle 9 verwendet. Zum Erzeugen des polykristallinen Keramikfilms aus Zinkoxid wird zwischen der Quelle 9 (Target) und der Substratoberfläche 31 eine Blende 7 eingebracht. Die Quelle besteht in einer ersten Ausführungsform aus elementarem Zink. Durch die Blende 7 werden bestimmte Einfallswinkel der Zinkoxid-Einkristalle abgeschattet. Es resultiert ein Zinkoxidfilm 2 mit Zinkoxid-Einkristallen, die eine bevorzugte Orientierung aufweisen. Die bevorzugte Orientierung zeichnet sich durch eine Verkippung der c-Achse der Zinkoxid-Einkristalle um etwa 16° gegen die Flächennormale der Substratoberfläche 31 aus.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich dadurch, dass anstelle von Zinkoxid ein polykristalliner Keramikfilm aus Aluminiumnitrid hergestellt wird und dass mehrere Blenden im Partikelstrom 8 plaziert werden (2 und 3).
Die Kondensatorstruktur 1 bzw. der Resonator 10 wird zur Detektion einer Substanz eines Fluids 15 in Form einer Flüssigkeit verwendet. Zur Detektion der Substanz des Fluids 15 wird in einem ersten Schritt der chemisch sensitive Oberflächenabschnitt 12 des Resonators 10 und das Fluid 13 zusammengebracht (6). Das Fluid 13 und der Resonator 10 werden derart zusammengebracht, dass die Substanz des Fluids 13 auf dem Oberflächenabschnitt 12 des Resonators 10 sorbiert werden kann. Durch die Sorption ändert sich die Masse des Resonators 10. Durch nachfolgende Messung der Resonanzfrequenz des Resonators 10 kann auf die Art der Substanz und deren Konzentration im Fluid 13 geschlossen werden. Durch die Sorption der Substanz verändert sich die Resonanzfrequenz des Resonators 10 im Vergleich zur Resonanzfrequenz des Resonators 10, an dessen Oberflächenabschnitt 12 keine Substanz sorbiert ist. Um die Änderung der Resonanzfrequenz bestimmen zu können, wird ein Resonator 10 mit bekannter Resonanzfrequenz verwendet. In einer alternativen Ausführung wird vor dem Zusammenbringen des Fluids und des Resonators die Resonanzfrequenz des Resonators ohne sorbierte Substanz bestimmt.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms (2) auf einer Substratoberfläche (31) eines Substrats (3) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen des Substrats (3) mit der Substratoberfläche (31) und Bereitstellen mindestens einer Quelle (9) für Keramikpartikel des Keramikfilms und b) Erzeugen eines Partikelstroms (8) der Keramikpartikel von der Quelle der Keramikpartikel in Richtung der Substratoberfläche des Substrats, wobei die Keramikpartikel auf der Substratoberfläche des Substrats abgeschieden werden und somit der Keramikfilm gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Substratoberfläche des Substrats und der Quelle der Keramikpartikel mindestens eine Blende (7) zum Einstellen eines mittleren Einfallswinkels der Keramikpartikel gegenüber einer Flächennormalen der Substratoberfläche angeordnet wird, so dass die Keramikpartikel mit einer Vorzugsrichtung auf der Substratoberfläche abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mittlere Einfallswinkel aus dem Bereich von einschließlich 0° bis einschließlich 90° und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 10° bis einschließlich 30° gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Quelle der Keramikpartikel gewählt wird, der kleiner ist als eine mittlere freie Weglänge der Keramikpartikel des Partikelstroms.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mit Hilfe der Blende ein elektrisches Feld erzeugt wird, mit dessen Hilfe der Einfallswinkel beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Mehrzahl von Blenden zwischen der Substratoberfläche des Substrats und der Quelle der Keramikpartikel angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Keramikfilm mit einer aus der Gruppe Aluminiumnitrid und/oder Zinkoxid ausgewählten Keramik hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Substrat mit einer amorphen Substratoberfläche verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Substrat mit einer Substratoberfläche verwendet wird, die von mindestens einem aus der Gruppe Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Titandioxid und/oder Zirkondioxid ausgewählten Material gebildet wird.
Kondensatorstruktur mit – einer auf einem Substrat angeordneten unteren Elektrodenschicht, – einer oberen Elektrodenschicht – und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten, dielektrischen polykristallinen Schicht mit Keramikpartikeln mit einer bestimmten Vorzugsrichtung, der nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
Verwendung der Kondensatorstruktur als piezoakustischen Resonator, wobei die dielektrische, polykristalline Schicht und die Elektrodenschichten derart aneinander angeordnet sind, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten zu einer Schwingung des Resonators mit einer bestimmten Resonanzfrequenz führt.
Verwendung nach Anspruch 10, wobei die Resonanzfrequenz der Schwingung aus dem Bereich von einschließlich 100 MHz bis einschließlich 10 GHz und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 500 MHz bis einschließlich 10 GHz ausgewählt wird.
Verwendung nach Anspruch 10 oder 11 zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids (13), wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) Zusammenbringen des Fluids (13) und des piezoakustischen Resonators (10) derart, dass die Substanz am Oberflächenabschnitt (12) des Resonators (10) sorbiert werden kann und a) Bestimmen einer Resonanzfrequenz des Resonators (10), wobei aus der Resonanzfrequenz auf die am Oberflächenabschnitt (12) sorbierte Menge der Substanz geschlossen wird.
Verwendung nach Anspruch 12, wobei ein Oberflächenabschnitt (12) zur Sorption einer Substanz eines Fluids (13) derart am Resonator (10) angeordnet wird, dass die Resonanzfrequenz des Resonators (10) abhängig ist von einer am Oberflächenabschnitt (12) sorbierten Menge der Substanz.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Oberflächenabschnitt (12) zur Sorption der Substanz des Fluids (13) von einer chemisch sensitiven Beschichtung (14) des Resonators (10) gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Resonanzfrequenz in Gegenwart des Fluids 13 bestimmt wird.