DE102006003845B3

DE102006003845B3 - Piezoakustischer Dünnfilmresonator mit dielektrischer Zwischenschicht aus Titandioxid, Verfahren zum Herstellen des Dünnfilmresonators und Verwendung des Dünnfilmresonators

Info

Publication number: DE102006003845B3
Application number: DE200610003845
Authority: DE
Inventors: Mathias Link; Matthias Schreiter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: WO2007085332A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoakustischen Dünnfilmresonator (1), aufweisend eine auf einem Substrat (3) angeordnete untere Elektrodenschicht (5), eine obere Elektrodenschicht (6) und eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht (4) mit piezokeramischem Material. Der Dünnfilmresonator ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Piezokeramikschicht und der unteren Elektrodenschicht eine dielektrische Zwischenschicht (4) mit Titandioxid angeordnet ist und das Titandioxid der Zwischenschicht oxidiertes Titan der unteren Elektrodenschicht ist. Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen des Dünnfilmresonators mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen der unteren Elektrodenschicht auf einem Substrat, die eine Elektrodenoberfläche mit elementarem Titan aufweist, b) zumindest teilweises Oxidieren des Titans der Elektrodenoberfläche zu Titandioxid, wobei die Zwischenschicht mit Titandioxid entsteht, c) Anordnen der Piezokeramikschicht auf der Zwischenschicht mit Titandioxid und d) Anordnen der oberen Elektrodenschicht auf der Piezokeramikschicht. Die so erhaltene, amorphe bzw. polykristalline Zwischenschicht aus Titandioxid erleichtert ein verkipptes Aufwachsen der polykristallinen Piezokeramikschicht. Es resultiert ein Dünnfilmresonator, der zu Scherdickenschwingungen angeregt werden kann. Verwendung findet piezoakustischer Dünnfilmresonator als Biosensor bei der Detektion einer Substanz eines Fluids (13), insbesondere einer ...

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoakustischen Dünnfilmresonator, aufweisend eine auf einem Substrat angeordnete untere Elektrodenschicht, eine obere Elektrodenschicht und eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht mit piezokeramischem Material. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen des Dünnfilmresonators und eine Verwendung des Dünnfilmresonators angegeben.

Ein piezoakustischer Dünnfilmresonator (Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR) mit dem beschriebenen Schichtaufbau ist beispielsweise aus der WO 2004/017063 A2 bekannt. Die Piezokeramikschicht ist eine polykristalline Schicht aus Zinkoxid (ZnO). Die Elektrodenschichten sind beispielsweise aus Platin. Die Elektrodenschichten und die Piezokeramikschicht sind derart aneinander angeordnet, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten mit einem elektrischen Wechselfeld zu einer Schwingung des Resonators mit einer bestimmten Resonanzfrequenz führt. Die Resonanzfrequenz der Schwingung hängt von den Schichtdicken der Schichten. Welche mechanische Schwingungsmode (Longitudinaldickenschwingung oder Scherdickenschwingung) angeregt wird, hängt von einer Kristallstruktur der Zinkoxid-Einkristalle und einer relativen Ausrichtung der Zinkoxid-Einkristalle bzw. der polaren Achse der Zinkoxid-Einkristalle (c-Achse) zum angelegten elektrischen Wechselfeld ab.

Zum Erzeugen der Schichten des Dünnfilmresonators 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 Dünnfilmresonator optimal zu Longitudinaldickenschwingungen anregen.

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

Soll ein Fluid in Form einer Flüssigkeit untersucht werden, und soll die Resonanzfrequenz des Dünnfilmresonators während des Vorbeileitens des Fluids bestimmt werden, ist es besonders vorteilhaft, wenn der bekannte Dünnfilmresonator zu Scherdickenschwingungen angeregt werden kann. Dickenschwerschwingungen werden durch das Fluid nahezu nicht gedämpft, was im Vergleich zu Longitudinaldickenschwingungen zu einer relativ hohen Güte des Dünnfilmresonators und damit zu einer relativ hohen Detektierbarkeit für die Substanz des Fluids führt. Um einen Dünnfilmresonator zu erhalten, der zu Scherdickenschwingungen angeregt werden kann, müssen die Zinkoxid-Einkristalle verkippt aufwachsen. Aus der WO 2004/017063 A2 geht nicht hervor, wie dies erreicht werden kann.

Aus G.F. Iriarte et al., IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 52, No. 7 (2005), Seiten 1170 bis 1174 ist ein FBAR mit einer Piezokeramikschicht aus Aluminiumnitrid (AlN) bekannt. Die untere Elektrodenschicht besteht beispielsweise aus Titan. Zwischen der unteren Elektrodenschicht aus Titan und der Piezokeramikschicht aus Aluminiumnitrid ist eine polykristalline, elektrisch leitende Schicht aus Titannitrid angeordnet. Aufgrund der polykristallinen Schicht aus Titannitrid kann die Aluminiumnitridschicht mit hoher c-Achsen-Orientierung abgeschieden werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Dünnfilmresonator anzugeben, der zu Scherdickenschwingungen mit hoher Güte angeregt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoakustischer Dünnfilmresonator angegeben, aufweisend eine auf einem Substrat angeordnete untere Elektrodenschicht, eine obere Elektrodenschicht und eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete polykristalline Piezokeramikschicht mit piezokeramischem Material. Bei dem Dünnfilmresonator ist zwischen der Piezokeramikschicht und der unteren Elektrodenschicht eine dielektrische Zwischenschicht mit Titandioxid angeordnet. Das Titandioxid der Zwischenschicht ist oxidiertes Titan der unteren Elektrodenschicht. Der Dünnfilmresonator ist dadurch gekennzeichnet, dass das piezokeramische Material Einkristalle mit je mindestens einer polaren Kristallachse aufweist und die polaren Kristallachsen gegen eine Substratnormale des Substrats um einen Verkippungswinkel verkippt sind, er aus dem Bereich von einschließlich 5° bis einschließlich 85° ausgewählt ist. Die Elektrodenschichten und die Piezokeramikschicht bilden eine Kondensatorstruktur und stellen den eigentlichen Dünnfilmresonator dar. Der Dünnfilmresonator ist auf dem Substrat angeordnet.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmresonators mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen einer unteren Elektrodenschicht auf einem Substrat, die eine Elektrodenoberfläche mit elementarem Titan aufweist, b) zumindest teilweises Oxidieren des Titans der Elektrodenoberfläche zu Titandioxid, wobei die Zwischenschicht mit Titandioxid entsteht, c) Anordnen der Piezokeramikschicht auf der Zwischenschicht mit Titandioxid und d) Anordnen der oberen Elektrodenschicht auf der Piezokeramikschicht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung des piezoakustischen Dünnfilmresonators zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids angegeben, wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a') Zusammenbringen des Fluids und des piezoakustischen Dünnfilmresonators derart, dass die Substanz an einem Oberflächenabschnitt des Dünnfilmresonators sorbiert werden kann und b') Bestimmen einer Resonanzfrequenz des Dünnfilmresonators, wobei aus der Resonanzfrequenz auf die am Oberflächenabschnitt sorbierte Menge der Substanz geschlossen wird.

Zum Erzeugen der unteren Elektrodenschicht, der Zwischenschicht, der Piezokeramikschicht und/oder der oberen Elektrodenschicht wird bevorzugt ein Abscheiden aus einer Dampfphase durchgeführt. Das Abscheiden aus der Dampfphase kann ein physikalisches Dampfabscheiden (Physical Vapour Deposition, PVD) oder ein chemisches Dampfabscheiden (Chemical Vapour Deposition, CVD) umfassen. Ein derartiges Dampfabscheide-Verfahren ist beispielsweise reaktives Sputtern.

Die auf der unteren Elektrodenschicht aus Titan aufoxidierte Titandioxid-Zwischenschicht beinhaltet insbesondere folgenden Vorteil: Die aufoxidierte Zwischenschicht ist polykristallin bzw. amorph. Die auf dieser amorphen Zwischenschicht abzuscheidenden Einkristalle zur Bildung der polykristallinen Piezokeramikschicht werden nicht bevorzugt mit einer bestimmten Orientierung abgeschieden. Somit kann auf die Orientierung des aufwachsenden piezokeramischen Materials durch geeignete Maßnahmen Einfluss genommen werden. Diese Maßnahmen sind beispielsweise eine Variation einer Substrattemperatur, eine Änderung eines Dampfdrucks der beteiligten Materialien oder die Verwendung eines elektrischen Feldes während des Abscheidens. Insbesondere werden im Fall der Bildung der Piezokeramikschicht Blenden zur Abschattung bestimmter Einfallswinkel des piezokeramischen Materials verwendet. Dabei wird ein Partikelstrom der Keramikpartikel von einer Quelle der Piezokeramikpartikel in Richtung der Zwischenschicht erzeugt. Die Piezokeramikpartikel werden auf der Zwischenschicht aus Titandioxid abgeschieden. Es bildet sich die Piezokeramikschicht. Zwischen der Zwischenschicht und der Quelle der Piezokeramikpartikel wird mindestens eine Blende zum Einstellen eines mittleren Einfallswinkels der Piezokeramikpartikel gegenüber der Zwischenschicht angeordnet, so dass die Piezokeramikpartikel mit einer Vorzugsrichtung auf der Zwischenschicht abgeschieden werden.

Die Zwischenschicht kann beliebige Schichtdicken aufweisen. In einer besonderen Ausgestaltung weist die Zwischenschicht eine aus dem Bereich von einschließlich 5 nm bis einschließlich 20 nm ausgewählte Zwischenschichtdicke auf. Die Zwischenschicht ist sehr dünn. Durch den Einbau von Sauerstoff in die vorab hergestellte Schicht aus elementarem Titan ist die Zwischenschicht aber sehr dicht. Aufgrund der so genannten „Getter-Wirkung" des Titans ist der Oxidationsprozess des Titans selbst stoppend. Dies bedeutet, dass der Oxidationsprozess nur bis zu einer bestimmten, maximalen Schichtdicke voranschreitet. Erfahrungsgemäß resultiert eine Zwischenschichtdicke von maximal etwa 15 nm.

Der Dünnfilmresonator kann mit jedem beliebigen piezokeramischen Material ausgestattet sein. Das piezokeramische Material ist beispielsweise Bleizirkonattitanat (PZT). Vorzugsweise ist das piezokeramische Material aus der Gruppe Aluminiumnitrid und Zinkoxid ausgewählt. Beide Materialien eignen sich besonders zur Herstellung eines Dünnfilmresonators, der zu Scherdickenschwingungen angeregt werden kann.

Das piezokeramische Material weist Einkristalle mit je mindestens einer polaren Kristallachse auf, wobei die polaren Kristallachsen gegen eine Substratnormale des Substrats um einen Verkippungswinkel verkippt sind. Die Substratnormale ist keine mikroskopische sondern makroskopische Normale einer Substratoberfläche. Die Substratoberfläche wird beispielsweise von einer Hauptfläche des Substrats gebildet. Eine Mikrorauhigkeit der Substratoberfläche und damit einzelne, mikroskopische Substratoberflächenabschnitte werden nicht berücksichtigt. Die makroskopische Substratnormale ist quasi eine über alle entlang der Substratoberfläche auftretenden Normalen gemittelte Substratnormale. Der Verkippungswinkel ist aus dem Bereich von einschließlich 5° bis einschließlich 85° und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 10° bis einschließlich 45° ausgewählt.

Mit Hilfe der Zwischenschicht aus Titandioxid kann eine beliebige Orientierung der Einkristalle des piezokeramischen Materials eingestellt werden. Beispielsweise ist das piezokeramische Material Zinkoxid. Der Verkippungswinkel kann auf 40° eingestellt werden. In dieser Situation kann der Dünnfilmresonator zu reinen Scherdickenschwingungen angeregt werden. Aber auch bei einer geringer ausfallenden Verkippung, beispielsweise bei einem Verkippungswinkel von 16° resultiert ein Dünnfilmresonator, der zu Scherdickenschwingungen angeregt werden kann und der eine genügend hohe Detektivität bzw. Massensensitivität auch in Gegenwart eines zu untersuchenden Fluids aufweist.

Besonders elegant ist es, die Schicht aus Titan selbst als untere Elektrodenschicht zu verwenden. Damit kann auf weitere Prozessschritte zur Herstellung der unteren Elektrodenschicht verzichtet werden. Denkbar ist aber auch, dass die Schicht aus Titan nicht allein die untere Elektrodenschicht bildet. In einer weiteren Ausgestaltung werden daher folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: e) Bereitstellen einer Elektrodenbasisschicht mit elektrisch leitfähigem Basismaterial auf dem Substrat und f) Anordnen von elementarem Titan auf der Elektrodenbasisschicht zur Bildung der Elektrodenoberfläche. Das elektrisch leitende Basismaterial ist beispielsweise Wolfram oder Platin. Auf die Elektrodenbasisschicht wird eine dünne Schicht aus elementarem Titan aufgebracht. Vorzugsweise wird dabei das elementare Titan in einer Schichtdicke von einschließlich 5 nm bis einschließlich 50 nm und insbesondere von einschließlich 10 nm bis einschließlich 20 nm angeordnet.

Die untere Elektrode aus elementarem Titan oder die Schicht aus dem elementaren Titan auf der Elektrodenbasisschicht wird auf seiner Oberfläche oxidiert. Dazu ist jedes geeignete Oxidationsmittel denkbar. Vorzugweise wird das Oxidieren des Titans bei erhöhter Temperatur und in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt wird. Als besonders geeignet hat sich das so genannte Rapid Thermal Annealing (RTA)-Verfahren gezeigt. Es wird eine hohe Mikrorauhigkeit der Zwischenschicht aus Titandioxid erreicht. Die hohe Mikrorauhigkeit erleichtert das verkippte Aufwachsen des piezokeramischen Materials.

Als Elektrodenmaterial der oberen Elektrodenschicht ist 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 Schwelel-Gold-Bindungen ausbilden, so dass die Substanz sorbiert wird.

Als Substrat (Trägerkörper des Dünnfilmresonators) 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 Dünnfilmresonators.

Vorzugsweise ist mindestens eine Einrichtung zur akustischen Isolation des Dünnfilmresonators und des Substrats voneinander vorhanden. Der Dünnfilmresonator und das Substrat sind akustisch voneinander isoliert. Durch die akustische Isolation ist gewährleistet, dass Energie im Dünnfilmresonator verbleibt und nicht über das Substrat abgeleitet wird. Es resultiert eine relativ hohe Massensensitivität. Die Einrichtung zur akustischen Isolation ist vorzugsweise ein Bragg-Reflektor, der aus λ/4-dicken Schichten unterschiedlicher akustischer Impedanz besteht.

Alternativ dazu wird die Einrichtung durch einen Hohlraum im Substrat gebildet.

Zur Verwendung des Dünnfilmresonators als Gas- oder Biosensor weist die Piezokeramikschicht eine aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 20 μm ausgewählte Schichtdicke auf. Vorzugsweise wird die Resonanzfrequenz der Schwingung des Dünnfilmresonators aus dem Bereich von einschließlich 500 MHz bis einschließlich 10 GHz ausgewählt. Durch diese Maßnahmen resultiert eine besonders hohe Massensensitivität gegenüber der Substanz. Dabei wird ein Oberflächenabschnitt zur Sorption einer Substanz eines Fluids derart am Dünnfilmresonator angeordnet, dass die Resonanzfrequenz des Dünnfilmresonators 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 Dünnfilmresonators denkbar.

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

Zusammenfassend sind folgende Vorteile der Erfindung hervorzuheben:

• Die dielektrische Zwischenschicht aus Titandioxid ermöglicht ein (einfaches) verkipptes Aufwachsen des piezokeramischen Materials der Piezokeramikschicht des Dünnfilmresonators. Bei der Wahl des Elektrodenmaterials für die untere Elektrodenschicht muss nicht auf eine Anpassung der Gitterkonstanten im Hinblick auch epitaktisches Wachstum geachtet werden.
• Die Zwischenschicht aus Titandioxid kann sehr dünn und gleichzeitig sehr dicht sein.
• Titandioxid weist eine hohe Permittivität auf (DK ~ 80). Dies führt zu einer relativ hohen Kapazität und daher zu einem relativ geringen Spannungsabfall über dieser piezoelektrisch inaktiven Zwischenschicht. Daher resultiert eine relativ hohe elektro-mechanische Kopplung bei der Anregung der Resonanz des Dünnfilmresonators durch ein elektrisches Wechselfeld.
• Titandioxid weist zudem eine relativ hohe akustische Geschwindigkeit auf. Daher hat die Zwischenschicht aus Titandioxid relativ geringen Einfluss auf die Resonanz des Dünnfilmresonators. Es resultiert wiederum relativ hohe elektro-mechanische Kopplung. Dieser Effekt wird durch die geringe Zwischenschichtdicke verstärkt.

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 einen Dünnfilmkondensator auf einem Substrat im Querschnitt von der Seite.
2 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des Dünnfilmresonators.
Gegeben ist Dünnfilmresonator 1 mit einer Piezokeramikschicht (2) aus polykristallinem Zinkoxid (Zinkoxidfilm) auf einer Substratoberfläche 31 eines Halbleitersubstrats 3 aus Silizium (1). In einer im Folgenden nicht näher beschriebenen alternativen Ausführungsform ist das piezokeramische Material der Piezokeramikschicht Aluminiumnitrid.
Der Zinkoxidfilm 2 ist zwischen der unteren Elektrodenschicht 5 und der oberen Elektrodenschicht 6 derart angeordnet, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 5 und 6 zu einer mechanischen Schwingung des Dünnfilmresonators 1 mit einer bestimmten Resonanzfrequenz führt. Eine Schichtdicke 21 des Zinkoxidfilms 2 beträgt ca. 0,8 μm. Die laterale Ausdehnung 11 des Dünnfilmresonators 1 beträgt ca. 100 μm.
Die obere Elektrodenschicht 6 besteht aus Gold. Die untere Elektrodenschicht 5 besteht in einer ersten Ausführungsform nur aus elementarem Titan. In einer alternativen Ausführungsform besteht die untere Elektrodenschicht 5 aus einer Elektrodenbasisschicht 51 aus Platin und einer oberflächlich aufgebrachten Schicht 52 aus elementarem Titan. Die Schichtdicke 521 der Titanschicht 52 beträgt etwa 20 nm. Sie bildet die Elektrodenoberfläche 50 der unteren Elektrodenschicht 5 (vgl. 2).
Zwischen der unteren Elektrodenschicht 5 und dem Zinkoxidfilm 2 ist eine amorphe dielektrische Schicht 4 aus Titandioxid vorhanden. Dieses Titandioxid ist aufoxidiertes Titan der unteren Elektrodenschicht 5. Die Zwischenschichtdicke 41 dieser Zwischenschicht 4 beträgt etwa 15 nm.
Zum Herstellen des Dünnfilmresonators 1 wird zunächst auf der Substratoberfläche 31 des Halbleitersubstrats die untere Elektrodenschicht 5 mit dem elementaren Titan aufgebracht. In einem RTA-Verfahren wird das elementare Titan oberflächlich in Gegenwart von Sauerstoff oxidiert. Dabei bildet sich die amorphe, dielektrische Zwischenschicht 4 aus Titandioxid (2). Nachfolgend wird in einem reaktiven Sputterverfahren Zinkoxid gerichtet, also verkippt auf der Titandioxid-Schicht abgeschieden. Dazu werden bestimmte Einfallswinkel durch die Verwendung von Blenden abgeschattet. Es bildet sich ein Zinkoxidfilm mit Einkristallen, deren polaren Kristallachsen gegen die makroskopische Substratnormale 32 verkippt sind. Der Verkippungswinkel 33 beträgt etwa 16°. Auf dem Zinkoxidfilm wird die obere Elektrodenschicht 6 abgeschieden. Es entsteht ein zu Scherdickenschwingungen parallel zur Substratoberfläche 31 anregbarer Dünnfilmresonator.
Der Dünnfilmresonator 1 verfügt über einen Oberflächenabschnitt 12, an dem eine Substanz eines Fluids 13 sorbiert werden kann. Dazu verfügt der Dünnfilmresonator 1 über eine chemisch sensitive Beschichtung 14. Die chemisch sensitive Beschichtung 14 ist auf der Elektrodenschicht 6 angebracht.
Um eine ausreichende Massensensitivität des Dünnfilmresonators 1 für eine bestimmte Substanz zu gewährleisten, werden das Halbleitersubstrat 3 und der Dünnfilmresonator 1 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.
Der Dünnfilmresonator 1 wird zur Detektion einer Substanz eines Fluids 13 in Form einer Flüssigkeit verwendet. Zur Detektion der Substanz des Fluids 13 wird in einem ersten Schritt der chemisch sensitive Oberflächenabschnitt 12 des Dünnfilmresonators 1 und das Fluid 13 zusammengebracht. Das Fluid 13 und der Dünnfilmresonator 1 werden derart zusammengebracht, dass die Substanz des Fluids 13 auf dem Oberflächenabschnitt 12 des Dünnfilmresonators 1 sorbiert werden kann. Durch die Sorption ändert sich die Masse des Dünnfilmresonators 1. Durch nachfolgende Messung der Resonanzfrequenz des Dünnfilmresonators 1 kann auf die Art der Substanz und deren Konzentration im Fluid 13 geschlossen werden. Durch die Sorption der Substanz verändert sich die Resonanzfrequenz des Dünnfilmresonators 1 im Vergleich zur Resonanzfrequenz des Dünnfilmresonators 1, an dessen Oberflächenabschnitt 12 keine Substanz sorbiert ist. Um die Änderung der Resonanzfrequenz bestimmen zu können, wird ein Dünnfilmresonator 1 mit vorab bekannter Resonanzfrequenz verwendet.

Claims

Piezoakustischer Dünnfilmresonator (1), aufweisend – eine auf einem Substrat (3) angeordnete untere Elektrodenschicht (5), – eine obere Elektrodenschicht (6) und – eine zwischen den Elektrodenschichten (5, 6) angeordnete polykristalline Piezokeramikschicht (2) mit piezokeramischem Material, wobei zwischen der – Piezokeramikschicht (2) und der unteren Elektrodenschicht (5) eine dielektrische Zwischenschicht (4) mit Titandioxid angeordnet ist und – das Titandioxid der Zwischenschicht (4) oxidiertes Titan der unteren Elektrodenschicht (5) ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das piezokeramische Material Einkristalle mit je mindestens einer polaren Kristallachse aufweist und die polaren Kristallachsen gegen eine Substratnormale (32) des Substrats (3) um einen Verkippungswinkel (33) verkippt sind, der aus dem Bereich von einschließlich 5° bis einschließlich 85° ausgewählt ist.
Dünnfilmresonator nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschicht (4) eine aus dem Bereich von einschließlich 5 nm bis einschließlich 20 nm ausgewählte Zwischenschichtdicke (41) aufweist.
Dünnfilmresonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das piezokeramische Material aus der Gruppe Aluminiumnitrid und Zinkoxid ausgewählt ist.
Dünnfilmresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verkippungswinkel (33) aus dem Bereich von einschließlich 10° bis einschließlich 45° ausgewählt ist.
Dünnfilmresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (3) ein Halbleitersubstrat mit einem Halbleitermaterial ist.
Dünnfilmresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Einrichtung (15) zur akustischen Isolation des Dünnfilmresonators (1) und des Substrats (3) voneinander vorhanden ist.
Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmresonators nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen einer unteren Elektrodenschicht auf einem Substrat, die eine Elektrodenoberfläche mit elementarem Titan aufweist, b) zumindest teilweises Oxidieren des Titans der Elektrodenoberfläche zu Titandioxid, wobei die Zwischenschicht mit Titandioxid entsteht, c) Anordnen der Piezokeramikschicht auf der Zwischenschicht mit Titandioxid und d) Anordnen der oberen Elektrodenschicht auf der Piezokeramikschicht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zum Bereitstellen der unteren Elektrodenschicht folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt werden: e) Bereitstellen einer Elektrodenbasisschicht mit elektrisch leitfähigem Basismaterial auf dem Substrat und f) Anordnen von elementarem Titan auf der Elektrodenbasisschicht zur Bildung der Elektrodenoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das elementare Titan in einer Schichtdicke von einschließlich 5 nm bis einschließlich 50 nm und insbesondere von einschließlich 10 nm bis einschließlich 20 nm angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Oxidieren des Titans bei erhöhter Temperatur und in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei ein Rapid Thermal Annealing-Verfahren durchgeführt wird.
Verwendung des piezoakustischen Dünnfilmresonators nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids (13), wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a') Zusammenbringen des Fluids (13) und des piezoakustischen Dünnfilmresonators (1) derart, dass die Substanz an einem Oberflächenabschnitt (12) des Dünnfilmresonators (1) sorbiert werden kann und b') Bestimmen einer Resonanzfrequenz des Dünnfilmresonators (1), wobei aus der Resonanzfrequenz auf die am Oberflächenabschnitt (12) sorbierte Menge der Substanz geschlossen wird.
Verwendung nach Anspruch 12, wobei der Oberflächenabschnitt (12) zur Sorption der Substanz des Fluids von einer chemisch sensitiven Beschichtung (14) des Dünnfilmresonators (1) gebildet wird.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13 wobei die Resonanzfrequenz des Dünnfilmresonators (1) in Gegenwart des Fluids (13) bestimmt wird.