DE102006004448B3 - Dünnfilmkondensator mit strukturierter Bodenelektrode, Verfahren zum Herstellen des Dünnfilmkondensators und Verwendung des Dünnfilmkondensators - Google Patents

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Abstract

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. Der Dünnfilmkondensator ist dadurch gekennzeichnet, dass die untere Elektrodenschicht eine Elektrodenschichtrampe mit einer Rampennormalen auweist, die gegenüber einer Subtratnormalen um einen Verkippungswinkel verkippt ist. Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Elektrodenschichtrampen vorhanden. Es resultiert eine untere Elektrodenschicht mit strukturierter Elektrodenoberfläche. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen des Dünnfilmkondensators angegeben. Der Dünnfilmkondensator kann zu Scherdickenschwingungen angeregt werden. Der Dünnfilmkondensator wird als Dünnfilmresonator zur Detektion einer Substanz eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, eingesetzt (z.B. als Biosensor).

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auch aus der US 2005/0237132 A1 und der DE 36 03 337 A1 ist jeweils ein entsprechender Dünnfilmresonator auf einem Siliziumsubstrat bekannt.
  • 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.
  • 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.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dünnfilmkondensator anzugeben, der im Vergleich zum Stand der Technik effizienter zu Scherdickenschwingungen angeregt werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.
  • Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
  • 1 zeigt einen Dünnfilmkondensator auf einem Substrat in einem seitlichen Querschnitt.
  • 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Dünnfilmkondensators aus 1.
  • 3A und 3B zeigen ein nasschemisch geätztes Siliziumsubstrat von oben und in einem seitlichen Querschnitt.
  • 4 zeigt ein verkipptes Abscheiden von Piezokeramikpartikeln.
  • 5 zeigt einen Dünnfilmkondensator mit einer oberen Elektrodenschicht, die auf einer mit einem CMP-Verfahren geglätteten Oberfläche der Piezokeramikschicht aufgebracht ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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°.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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).
  • 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.
  • 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.

Claims (18)

  1. Dünnfilmkondensator (1), aufweisend – eine auf einer Substratoberfläche (31) eines Substrats (3) angeordnete untere Elektrodenschicht (5), wobei durch die Substratoberfläche (31) eine Substratnormale (32) definiert ist, – eine obere Elektrodenschicht (6) und – eine zwischen den Elektrodenschichten (5, 6) angeordnete Piezokeramikschicht (2) mit piezokeramischem Material, dadurch gekennzeichnet, dass – die untere Elektrodenschicht (5) an seiner der Piezokeramikschicht zugewandten Seite eine Vielzahl von Elektrodenschichtrampen (4) mit jeweiligen Rampennormalen (51) aufweist, die jeweils gegenüber der Substratnormalen in gleicher Weise um einen Verkippungswinkel verkippt sind und – die Elektrodenschichtrampen (4) unmittelbar an die Piezokeramikschicht angrenzen.
  2. Dünnfilmkondensator nach einem der nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenschichtrampen asymmetrisch sind.
  3. Dünnfilmkondensator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das piezokeramische Material eine Vielzahl von Kristalliten mit je einer polaren Kristallachse aufweist und die polaren Kristallachsen der Kristallite im Wesentlichen parallel zu den Rampennormalen der Elektrodenschichtrampen orientiert sind.
  4. Dünnfilmkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das piezokeramische Material aus der Gruppe AlN und ZnO ausgewählt ist.
  5. Dünnfilmkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Verkippungswinkel aus dem Bereich von einschließlich 5° bis einschließlich 60° ausgewählt ist.
  6. Dünnfilmkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Grenzfläche (62) zwischen der oberen Elektrodenschicht und der Piezokeramikschicht eine Grenzflächennormale (63) aufweist, die im Wesentlichen parallel zur Substratnormale orientiert ist.
  7. Dünnfilmkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen dem Substrat und der unteren Elektrodenschicht eine Einrichtung zur akustischen Isolation des Dünnfilmkondensators und des Substrats voneinander angeordnet ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilmkondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit folgenden Verfahrensschritten: 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.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zum Bereitstellen des Substrats folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt werden: d) Bereitstellen eines Rohsubstrats mit einer Rohsubstratoberfläche, e) Erzeugen einer Vielzahl von Substratoberflächenrampen auf der Rohsubstratoberfläche und f) Anordnen von Elektrodenmaterial auf den Substratoberflächenrampen, wobei die untere Elektrodenschicht mit den Elektrodenschichtrampen entsteht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum Erzeugen der Substratoberflächenrampen ein anisotropes Abtragen von Substratmaterial von der Rohsubstratoberfläche durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zum anisotropen Abtragen des Substratmaterials ein aus der Gruppe Trockenätzen und/oder Nassätzen ausgewähltes Verfahren durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei nach dem Anordnen der Piezokeramikschicht und vor dem Anordnen der oberen Elektrodenschicht ein Glätten einer Piezokeramikschichtoberfläche durchgeführt wird, auf der die obere Elektrodenschicht angeordnet werden soll.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zum Glätten ein chemisch mechanisches Planarisieren durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei zum Anordnen der unteren Elektrodenschicht, der Piezokeramikschicht und/oder der oberen Elektrodenschicht ein Dampfabscheideverfahren durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das als Dampfabscheideverfahren ein gerichtetes Dampfabscheideverfahren durchgeführt wird.
  16. Verwendung des Dünnfilmkondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 7 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.
  17. Verwendung nach Anspruch 16, wobei der Oberflächenabschnitt zur Sorption der Substanz des Fluids von einer chemisch sensitiven Beschichtung des Dünnfilmkondensators gebildet ist.
  18. Verwendung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Resonanzfrequenz des Dünnfilmkondensators in Gegenwart des Fluids bestimmt wird.
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