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Die
Erfindung betrifft einen Dünnfilmkondensator,
aufweisend eine auf einer Substratoberfläche eines Substrats angeordnete
untere Elektrodenschicht, eine obere Elektrodenschicht und eine
zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht
mit piezokeramischem Material. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen
des Dünnfilmkondensators
angegeben. Ebenso wird eine Verwendung des Dünnfilmkondensators beschrieben.
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Ein
Dünnfilmkondensator
der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der WO 2004/067797
A1 bekannt. Der Dünnfilmkondensator, der
auf einem Halbleitersubstrat aus Silizium aufgebracht ist, verfügt über eine
untere Elektrodenschicht, eine obere Elektrodenschicht und eine
zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht.
Die Piezokeramikschicht besteht aus polykristallinem Zinkoxid.
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Der
Dünnfilmkondensator
ist zu einem so genannten Bulk Acoustic Wave Resonator (BAW-Resonator)
ausgestaltet. Durch elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten
wird ein anregendes elektrisches Wechselfeld in die Piezokeramikschicht
eingekoppelt. Das elektrische Wechselfeld führt zu mechanischen Schwingungen
der Piezokeramikschicht und damit zu mechanischen Schwingungen des
gesamten Dünnfilmkondensators.
Daher kann der Dünnfilmkondensator
auch als piezoakustischer Dünnfilmresonator
bezeichnet werden. Das polykristalline Zinkoxid, d.h. Zinkoxid-Kristallite
der Piezokeramikschicht, sind derart orientiert, dass der Dünnfilmkondensator
sowohl zu mechanischen Longitudinaldickenschwingungen als auch zu
mechanischen Scherdickenschwingungen anregbar ist. Dazu sind die
Zinkoxid- Kristallite
mit ihrer jeweiligen polaren Achse verkippt zwischen den Elektrodenschichten und
damit verkippt gegenüber
dem anregenden elektrischen Wechselfeld angeordnet. Dadurch ist
es möglich,
ein anregendes elektrisches Wechselfeld über die Elektrodenschichten
einzukoppeln, gegenüber
dem die polaren Achsen der Zinkoxid-Kristallite verkippt sind.
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Der
bekannte Dünnfilmkondensator
wird in einem Biosensor als so genannter physikalischer Transducer
eingesetzt. Dies bedeutet, dass ein Oberflächenabschnitt des Dünnfilmkondensators derart
aufbereitet ist, dass eine Substanz eines Fluids spezifisch sorbiert
(beispielsweise ad- oder
absorbiert) werden kann. Durch die Sorption ändert sich eine Masse des Dünnfilmkondensators.
Aufgrund der geänderten
Masse ändert
sich eine Resonanzfrequenz des Dünnfilmkondensators.
Aufgrund der geänderten
Resonanzfrequenz kann auf die Art der sorbierten Substanz und deren
Menge geschlossen werden. Hier kommt der besondere Vorteil des bekannten
Dünnfilmkondensators
zum Tragen: Die Scherdickenschwingungen des Dünnfilmkondensators werden von
einem flüssigen
Fluid nahezu nicht gedämpft.
Daher kann der Dünnfilmkondensator auch
in Gegenwart einer Flüssigkeit
eingesetzt werden.
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Auch
aus der US 2005/0237132 A1 und der
DE 36 03 337 A1 ist jeweils ein entsprechender Dünnfilmresonator
auf einem Siliziumsubstrat bekannt.
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Bei
der
DE 36 03 337 A1 wird
eine untere Elektrodenschicht aus Platin eingesetzt, wobei das Substrat
zur unteren Elektrodenschicht ein Sägezahnprofil aufweist. Mit
dem Sägezahnprofil,
das durch anisotropes Ätzen
erhalten wird, kann das Platin der unteren Elektrodenschicht mit
einer (100)-Orientierung aufwachsen. Mit Hilfe dieser Orientierung kann
auf der Elektrodenschicht ein piezoelektrischer Film mit c-Achsenorientierung
ausgebildet werden.
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Gemäß der US
2005/0237132 A1 ist in dem Substrat eine Kavität zur akustischen Isolation
des Dünnfilmresonators
und des Substrats vorgesehen. Der Dünnfilmresonator ist zu Longitudinaldickenschwingungen
anregbar. Der Dünnfilmresonator
ist nicht zu Scherdickenschwingungen anregbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Dünnfilmkondensator
anzugeben, der im Vergleich zum Stand der Technik effizienter zu
Scherdickenschwingungen angeregt werden kann.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein Dünnfilmkondensator
angegeben, aufweisend eine auf einer Substratoberfläche eines
Substrats angeordnete untere Elektrodenschicht, wobei durch die
Substratoberfläche
eine Substratnormale definiert ist, eine obere Elektrodenschicht
und eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht
mit piezokeramischem Material. Der Dünnfilmkondensator ist dadurch
gekennzeichnet, dass die untere Elektrodenschicht an seiner der
Piezokeramikschicht zugewandten Seite eine Vielzahl von Elektrodenschichtrampen
mit jeweiligen Rampennormalen aufweist, die jeweils gegenüber der
Substratnormalen in gleicher Weise um einen Verkippungswinkel verkippt
sind und die Elektrodenschichtrampen unmittelbar an die Piezokeramikschicht
angrenzen. Es resultiert eine untere Elektrodenschicht mit strukturierter
Elektrodenoberfläche.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des Dünnfilmkondensators
mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen des
Substrats mit der auf der Substratoberfläche des Substrats aufgebrachten
unteren Elektrodenschicht, wobei die untere Elektrodenschicht die Elektrodenschichtrampen
mit den Rampennormalen aufweist, die gegenüber der Substratnormalen um den
Verkippungswinkel verkippt sind, b) Anordnen der Piezokeramikschicht
auf den Elektrodenschichtrampen der unteren Elektrodenschicht und
c) Anordnen der oberen Elektrodenschicht auf der Piezokeramikschicht.
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Die
grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, einen Dünnfilmkondensator
mit strukturierter unterer Elektrodenschicht bereitzustellen. Eine Strukturierung
der Elektrodenschicht erfolgt über
die Elektrodenschichtrampen. Eine Elektrodenschichtrampe ist eine
schiefe Ebene der unteren Elektrodenschicht. Diese schiefe Ebene
weist die über
die gesamte schiefe Ebene gemittelte Rampennormale auf. Mikrorauhigkeiten
der schiefen Ebene werden nicht berücksichtigt. Die Rampennormale
ist gegenüber der
Substratnormalen verkippt. Die Substratnormale ist eine gemittelte
Normale einer (eventuell gedachten) Ebene entlang einer flächigen (lateralen)
Ausdehnung des Substrats. Dabei werden weder Mikrorauhigkeiten noch
eventuell vorhandene, zur Herstellung der Elektrodenschichtrampen
notwendige Substratrampen berücksichtigt.
Die Ebene des Substrats ist beispielsweise eine Hauptfläche des
Substrats. Aufgrund der Verkippung verlaufen die Elektrodenschichtrampe
und die Ebene bzw. Hauptfläche
des Substrats nicht parallel zueinander.
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Die
Elektrodenschichtrampen der unteren Elektrodenschicht grenzen unmittelbar
an die Piezokeramikschicht. Damit wird das mit Hilfe der unteren Elektrodenschicht
erzeugte elektrische Wechselfeld direkt in Piezokeramikschicht eingekoppelt.
Darüber hinaus
kann eine direkte Anordnung der unteren Elektrodenschicht und der
Piezokeramikschicht im Zusammenhang mit der Herstellung des Dünnfilmkondensators
besonders vorteilhaft sein: Beispielsweise wird durch Elektrodenmaterial
der unteren Elektrodenschicht ein gerichtetes Aufwachsen des piezokeramischen
Materials in Richtung der Rampennormale der Elektrodenschichtrampe
erzwungen. Erfahrungsgemäß erfolgt
das Aufwachsen des piezokeramischen Materials auf einem Metall derart,
dass die polare Kristallachse parallel zur Oberflächennormale
der vom Metall gebildeten Metalloberfläche erfolgt. Ein derartiges
Szenario lässt
sich beispielsweise wie folgt beschreiben: Die untere Elektrodenschicht
besteht aus einem kubischen Metall wie Platin, Ruthenium oder Aluminium.
Die untere Elektrodenschicht wird derart strukturiert, dass Elektrodenschichtrampen
entstehen. Auf diesen Elektrodenschichtrampen können beispielsweise Zinkoxid-Kristallite mit (002)-Orientierung
in Richtung der Rampennormalen der Elektrodenschichtrampen ohne Schwierigkeiten
abgeschieden werden. Die c-Achsen der Zinkoxid-Kristallite sind
in Richtung der Rampennormalen ausgerichtet und somit gegen die
Substratnormale verkippt.
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Die
Elektrodenschichtrampen können
symmetrisch sein. Dies bedeutet, dass die untere Elektrodenschicht
nahezu gleiche Elektrodenschichtrampen bzw. schiefe Ebenen aufweist.
Diese nahezu gleichen schiefen Ebenen können gedanklich durch eine Symmetrieoperation
ineinander überführt werden. Vorzugsweise
sind die Elektrodenschichtrampen asymmetrisch. Dies bedeutet, dass
die Elektrodenschichtrampen unterschiedliche schiefe Ebenen aufweist.
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Die
Piezokeramikschicht besteht aus polykristallinem Material. Das piezokeramische
Material weist eine Vielzahl von Kristalliten mit je einer polaren Kristallachse
auf, wobei die polaren Kristallachsen im Wesentlichen parallel zur
Rampennormale der Elektrodenschichtrampe orientiert sind. Abweichungen von
bis zu 10° sind
dabei durchaus zulässig.
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Prinzipiell
ist jedes piezokeramische Material dankbar, das über eine polare Kristallachse
verfügt. Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung ist das piezokeramische Material aus der
Gruppe Aluminiumnitrid und Zinkoxid ausgewählt. Zinkoxid ist besonders geeignet.
Die polare Kristallachse ist die c-Achse.
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Ebenso
sind verschiedene Verkippungswinkel denkbar. Aufgrund des Verkippungswinkels
kann durch einfache Maßnahmen
dafür gesorgt
werden, dass Kristallite des piezokeramischen Materials aufwachsen,
deren polare Kristallachsen gegen die Substratnormale verkippten
sind. So beträgt
der Verkippungswinkel vorzugsweise 5° bis 60°. Beispielsweise beträgt der Verkippungswinkel
etwa 55°.
Dieser Verkippungswinkel ist bei einem Substrat aus (100)-Silizium
erzielbar. Es wird ein Rohsubstrat dem (100)-Silizium bereitgestellt,
das in einem anisotropen Nassätzprozess
mit Kaliumhydroxid (KOH) strukturiert wird. Es entstehen Substratoberflächenrampen,
deren Normalen gegen die Substratnormale des Substrats um etwa 55° verkippt
sind. Nachfolgend wird Elektrodenmaterial aufgebracht. Dabei werden
die Normalen der Substratoberflächenrampen
in die Rampennormalen der unteren Elektrodenschicht abgebildet.
Es resultiert die untere Elektrodenschicht mit den Elektrodenschichtrampen,
deren Rampennormalen um den Verkippungswinkel 55° gegen die Substratnormale verkippt
sind.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung weist eine Grenzfläche zwischen der oberen Elektrodenschicht
und der Piezokeramikschicht eine (makroskopische) Grenzflächennormale
auf, die im Wesentlichen parallel zur Substratnormale orientiert
ist. Dadurch ist gewährleistet,
dass ein elektrisches Wechselfeld in die Piezokeramikschicht eingekoppelt wird,
das gegenüber
den polaren Kristallachsen der Kristallite der Piezokeramikschicht
verkippt ist.
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Als
Substrat ist jedes beliebige Substrat denkbar. Vorteilhaft ist das
Substrat ein Halbleitersubstrat. Das Halbleitersubstrat besteht
beispielsweise aus Silizium oder einem anderen halbleitenden Material
wie Galliumarsenit. Mit diesen Materialien lässt sich die CMOS (Complementary
Metal Oxide Semiconductor)-Technologie anwenden. Mit der CMOS-Technologie können auf
elegante Weise die Substratoberflächenrampen und damit die Elektrodenschichtrampen
erzeugt werden. Darüber
hinaus können
auf die für
die Auslesung der Dünnfilmkondensator-Signale
notwendigen Schaltkreise im Substrat integriert werden.
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Damit
es zu keinen unerwünschten
Dämpfungen
des Dünnfilmkondensators
kommt, ist zwischen dem Dünnfilmkondensator
und dem Substrat eine Einrichtung zur akustischen Isolation des
Dünnfilmkondensators
und des Substrats angeordnet. Die Einrichtung kann eine Ausnehmung
(Hohlraum) des Substrats sein. Der Hohlraum ist beispielsweise von einer
Membran (z.B. aus Siliziumnitrid, Si3N4) begrenzt, auf der der Dünnfilmkondensator
angeordnet ist. Durch diese Art der Anordnung kann der Dünnfilmkondensator
zu nahezu ungedämpften,
mechanischen Schwingungen hoher Güte angeregt werden. Alternativ
dazu ist im Substrat ein so genannter akustischer Spiegel eingearbeitet.
Der akustische Spiegel besteht aus λ/4 Dickenschichten, die Materialien
unterschiedlicher akustischer Impedanz aufweisen. Auch in diesem
Fall ist eine effiziente mechanische Entkopplung des Dünnfilmkondensators
und des Substrats möglich.
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Bezüglich des
Verfahrens werden in einer besonderen Ausgestaltung zum Bereitstellen
des Substrats folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: d)
Bereitstellen eines Rohsubstrats mit einer Rohsubstratoberfläche, e)
Erzeugen mindestens einer Substratoberflächenrampe auf der Substratoberfläche und
f) Anordnen von Elektrodenmaterial auf der Substratoberflächenrampe,
wobei die untere Elektrodenschicht mit der Elektrodenschichtrampe entsteht.
Es wird ein Rohsubstrat verwendet, also ein unbearbeitetes Substrat.
Die Rohsubstratoberfläche des
Rohsubstrats wird strukturiert. Es werden schiefe Substratebenen
(Substratoberflächenrampen)
auf der Substratoberfläche
erzeugt. Nachfolgend wird das Elektrodenmaterial abgeschieden. Durch
das Abscheiden des Elektrodenmaterials wird die Substratoberflächenrampe
abgeformt. Es bildet sich die Elektrodenschichtrampe.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung wird zum Erzeugen der Substratoberflächenrampe ein
anisotropes Abtragen von Substratmaterial von der Rohsubstratoberfläche durchgeführt. Das
anisotrope Abtragen des Substratmaterials wird aus der Gruppe Trockenätzen und/oder
Nassätzen
ausgewählt.
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Nach
dem Erzeugen der Piezokeramikschicht und vor dem Anordnen der oberen
Elektrodenschicht wird in einer besonderen Ausgestaltung ein Glätten der
Piezokeramikschichtoberfläche durchgeführt, auf
der die obere Elektrodenschicht angeordnet werden soll. Es findet
eine Planarisierung der Elektrodenschichtoberfläche statt. Zum Glätten wird
dabei beispielsweise ein mechanisches Polieren durchgeführt. Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung wird ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP)
durchgeführt.
Dies führt
dazu, dass die Grenzfläche
zwischen der oberen Elektrodenschicht und der Piezokeramikschicht
eine makroskopische Grenzflächennormale
aufweist, die im Wesentlichen parallel zur Substratnormale ausgerichtet
ist. Als Folge davon kann in den Piezokeramikfilm ein anregendes
elektrisches Wechselfeld eingekoppelt werden, das gegen die polaren
Kristallachsen der Kristallite des piezokeramischen Materials verkippt
ist.
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Zum
Anordnen der unteren Elektrodenschicht der Piezokeramikschicht und/oder
der oberen Elektrodenschicht wird vorteilhafter Weise ein Dampfabscheideverfahren
durchgeführt.
Das Dampfabscheideverfahren ist beispielsweise ein physikalisches
Dampfabscheideverfahren (Physical Vapor Deposition) oder ein chemisches
Dampfabscheideverfahren (Chemical Vapor Deposition). Das physikalische
Dampfabscheideverfahren ist beispielsweise ein reaktives Sputterverfahren.
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Mit
Hilfe der Elektrodenschichtrampe wird dafür gesorgt, dass die Kristallite
des piezokeramischen Materials bezüglich der polaren Kristallachsen orientiert
aufwachsen. Durch zusätzliche
Maßnahmen
kann dieser Effekt des orientierten Aufwachsens verstärkt werden.
Diese zusätzlichen
Maßnahmen sind
beispielsweise eine Variation der Substrattemperatur oder eine Änderung
des Partialdrucks der beteiligten Materialien, insbesondere der
Piezokeramikpartikel. Insbesondere werden Blenden zur Abschattung
bestimmter Einfallswinkel der abzuscheidenden Materialien verwendet.
Dabei wird ein Partikelstrom der Piezokeramikpartikel von einer
Quelle der Piezokeramikpartikel in Richtung der Elektrodenschichtrampe
erzeugt. Die Piezokeramikpartikel werden auf der Elektrodenschichtrampe
abgeschieden. Es bildet sich die piezokeramische Schicht. Zwischen
der Elektrodenschichtrampe und der Quelle der Piezokeramikpartikel
wird mindestens eine Blende zum Einstellen eines mittleren Einfallswinkels
der Piezokeramikpartikel gegenüber
der Rampennormale der Elektrodenschichtrampe angeordnet, so dass
die Piezokeramikpartikel mit einer Vorzugsrichtung auf der Elektrodenschichtrampe
abgeschieden werden. All die beschriebenen Maßnahmen führen dazu, dass ein gerichtetes
Abscheiden der entsprechenden Materialien begünstigt wird. Der Einsatz von
Blenden beim Abscheiden der Piezokeramikpartikel ist insbesondere
bei der Verwendung von symmetrischen Elektrodenschichtrampen und/oder
bei der Verwendung polykristalliner Zwischenschichten vorteilhaft.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung findet der Dünnfilmkondensator Verwendung zur
Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids, wobei folgende
Verfahrensschritte durchgeführt werden:
a') Zusammenbringen
des Fluids und des Dünnfilmkondensators
derart, dass die Substanz an einem Oberflächenabschnitt des Dünnfilmkondensators
sorbiert werden kann und b')
Bestimmen einer Resonanzfrequenz des Dünnfilmkondensators, wobei aus
der Resonanzfrequenz auf die am Oberflächenabschnitt sorbierte Menge
der Substanz geschlossen wird.
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Der
Dünnfilmkondensator
kann selbst derart ausgestattet sein, dass die Substanz am Oberflächenabschnitt
des Dünnfilmkondensators
sorbiert wird. Beispielsweise gelingt dies mit Hilfe einer oberen
Elektrodenschicht aus Gold. Sulfidische Substanzen können durch
Ausbildung einer Gold-Schwefel-Bindung
sorbiert werden. Alternativ dazu ist ein besonderer Oberflächenabschnitt
des Dünnfilmkondensators
mit einer chemisch sensitiven Beschichtung versehen. Die chemisch
sensitive Beschichtung sorgt dafür,
dass eine bestimmte Substanz sorbiert wird.
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Der
Dünnfilmkondensator
kann als Transducer eines Gasdetektors eingesetzt werden. Durch
die Anregung zu Scherdickenschwingungen kann der Dünnfilmkondensator
insbesondere auch zur Detektion einer Substanz eines flüssigen Fluids
eingesetzt werden. Der Dünnfilmkondensator
kann in Abwesenheit des Fluids eingesetzt werden. Beispielsweise werden
das Fluid und der Dünnfilmkondensator
zusammen gebracht, es kommt zur Sorption der Substanz. Nachfolgend
werden das Fluid und der Dünnfilmkondensator
getrennt. Nach dem Trennen erfolgt die Bestimmung der Resonanzfrequenz
des Dünnfilmkondensators.
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Die
Bestimmung der Resonanzfrequenz wird aber insbesondere in Gegenwart
des flüssigen
Fluids erfolgen. Aufgrund der Anregungsmöglichkeit zu Scherdickenschwingungen
kommt es zu einer im Vergleich zu Longitudinaldickenschwingungen
deutlich geringeren Dämpfung.
Es sind Schwingungen hoher Güte
zugänglich.
Dadurch resultiert ein Transducer mit einer hohen Empfindlichkeit
bezüglich
der Menge der sorbierten Substanz.
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Zusammenfassend
ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:
- – Es
können
Piezokeramikschichten mit verkippten Piezokeramikpartikeln mit hoher
Qualität
abgeschieden werden. Dies betrifft insbesondere Zinkoxid, das auf
Elektrodenschichtrampen aus Platin mit (002)-Orientierung aufwächst.
- – Der
Verkippungswinkel gegenüber
der Substratnormale kann durch die Orientierung der Elektrodenschichtrampen
bzw. deren Winkel zur Substratnormale präzise gesteuert werden.
- – Piezokeramikschichten
mit verkippten Piezokeramikpartikeln können direkt auf metallischen Schichten
abgeschieden werden.
- – Mit
Hilfe der Elektrodenschichtrampen können darüber hinaus gezielt lokale Verkippungen
erzeugt werden.
- – Zum
Erzeugen der Piezokeramikschichten mit den verkippten Piezokeramikpartikeln
wird keine Verkippung des gesamten Substrats während des Abscheideprozesses
benötigt.
- – Es
wird keine Veränderung
der Abscheidungsparameter (z.B. Prozessdruck, Substrattemperatur,
etc.) der Abscheidungsanlage während
des Abscheideprozesses benötigt.
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Anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele
und der dazugehörigen
Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.
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Die
Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen
dar.
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1 zeigt
einen Dünnfilmkondensator
auf einem Substrat in einem seitlichen Querschnitt.
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2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt des
Dünnfilmkondensators
aus 1.
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3A und 3B zeigen
ein nasschemisch geätztes
Siliziumsubstrat von oben und in einem seitlichen Querschnitt.
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4 zeigt
ein verkipptes Abscheiden von Piezokeramikpartikeln.
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5 zeigt
einen Dünnfilmkondensator
mit einer oberen Elektrodenschicht, die auf einer mit einem CMP-Verfahren geglätteten Oberfläche der
Piezokeramikschicht aufgebracht ist.
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Gegeben
ist Dünnfilmkondensator 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 Alüminiumnitrid.
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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 Dünnfilmkondensators 1 mit
einer bestimmten Resonanzfrequenz führt. Eine Schichtdicke 21 des
Zinkoxidfilms 2 beträgt
ca. 0,8 μm.
Die laterale Ausdehnung 11 des Dünnfilmkondensators 1 beträgt ca. 100 μm.
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Die
obere Elektrodenschicht 6 besteht aus Gold. Die untere
Elektrodenschicht 5 ist aus Platin. Die untere Elektrodenschicht 5 beziehungsweise
die Elektrodenoberfläche 50 der
unteren Elektrodenschicht 5 ist strukturiert. Die Elektrodenoberfläche 50 verfügt über eine
Vielzahl von Elektrodenschichtrampen 4 (2).
Jede der Elektrodenschichtrampen 4 verfügt über eine gemittelte Rampennormale 51.
Die Rampennormale 51 ist gegen die Substratnormale 32 um
den Verkippungswinkel 33 verkippt. Der Verkippungswinkel 33 beträgt etwa
16°.
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Zum
Herstellen des Dünnfilmkondensators 1 wird
in einem ersten Schritt das Substrat 3 aus Silizium bereitgestellt.
Das Substrat ist ein Silizium-<100>-Wafer. Die Substratoberfläche 31 des
Siliziumsubstrats 3 wird strukturiert. Es werden auf der Substratoberfläche 31 schiefe
Ebenen 34 (Rampen) erzeugt. Dies gelingt in einem ersten
Ausführungsbeispiel
durch anisotropes Nassätzen
(vgl. 3A und 3B). Das
Nassätzen
erfolgt mittels konzentrierter Kalilauge (KOH). Gemäß einer
alternativen Ausführung
erfolgt der anisotrope Abtrag von Substratmaterial durch Trockenätzen.
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Nachfolgend
wird auf die so strukturierte Substratoberfläche 50 elementares
Platin abgeschieden. Das Abscheiden aus der Dampfphase (Sputtern)
des elementaren Platins zur Bildung der unteren Elektrodenschicht 5 erfolgt
gerichtet. Dies bedeutet, dass durch ein Einstellen der entsprechenden
Parameter (beispielsweise Partialdrücke der beteiligten Gase, Temperatur)
dafür gesorgt
wird, dass das Platin mit einer (100)-Orientierung auf den Substratrampen 34 aufwächst.
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In
nächsten
Schritt wird Zinkoxid abgeschieden. Es bildet sich die Piezokeramikschicht
aus polykristallinem Zinkoxid. Die Zinkoxid-Kristallite wachsen
orientiert auf, so dass die polaren Kristallachsen der Kristallite – genauso
wie die Rampennormalen der Elektrodenschichtrampen aus Platin – gegenüber der
Substratnormale verkippt sind. Um dieses Aufwachsen zu begünstigen,
wird ein Partikelstrom der Zinkoxidpartikel schräg zu den Substratnormalen 34 bzw.
senkrecht zu den Rampennormalen 4 der Elektrodenschichtrampen 4 eingestellt
(4).
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Nach
dem Erzeugen der Zinkoxidschicht 2 mit einer Schichtdicke 21 von
etwa 0,8 μm
wird die Oberfläche 21 der
hergestellten Zinkoxidschicht 2 poliert. Es findet ein
Glätten
der Oberfläche 22 statt. Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
erfolgt das Glätten
durch mechanisches Polieren. Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
wird zum Glätten
der Zinkoxidschicht 2 ein chemisch-mechanisches Polieren
durchgeführt.
Es wird Zinkoxid abgetragen unter Einfluss mechanischer Kräfte und gleichzeitigem
Einfluss von Chemikalien, die das Ablösen von Zinkoxid erleichtern.
Abschließend
wird auf die geglättete
Oberfläche 22 elementares
Gold zu Bildung der oberen Elektrodenschicht 6 abgeschieden.
Nachfolgend wird Elektrodenmaterial abgeschieden. Es entsteht der
Dünnfilmkondensator
mit einer Grenzfläche 62 zwischen
der oberen Elektrodenschicht 6 und der Piezokeramikschicht 2,
die eine (gemittelte) Grenzflächennormale 63 aufweist,
die im Wesentlichen parallel zur Substratnormale 32 des Substrats 3 ausgerichtet
ist (5).
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Das
beschriebene Verfahren führt
zu einem Dünnfilmkondensator 1,
bei dem die Zinkoxid-Kristallite verkippt zwischen den Elektrodenschichten 5 und 6 vorliegt.
Durch elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 5 und 6 mit
einem elektrischen Wechselfeld wird der Dünnfilmkondensator 1 sowohl zu
akustischen Scherdickenschwingungen als auch zu akustischen Longitudinaldickenschwingungen
angeregt.
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Der
Dünnfilmkondensator 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
Dünnfilmkondensators 1 und
das Fluid 13 zusammengebracht. Das Fluid 13 und
der Dünnfilmkondensator 1 werden derart
zusammengebracht, dass die Substanz des Fluids 13 auf dem
Oberflächenabschnitt 12 des Dünnfilmkondensators 1 sorbiert
werden kann. Durch die Sorption ändert
sich die Masse des Dünnfilmkondensators 1.
Durch nachfolgende Messung der Resonanzfrequenz des Dünnfilmkondensators 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 Dünnfilmkondensators 1 im
Vergleich zur Resonanzfrequenz des Dünnfilmkondensators 1,
an dessen Oberflächenabschnitt 12 keine
Substanz sorbiert ist. Um die Änderung
der Resonanzfrequenz bestimmen zu können, wird ein Dünnfilmkondensator 1 mit
vorab bekannter Resonanzfrequenz verwendet.