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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Sensoranordnungen,
insbesondere auf derartige Sensoranordnungen, die in einem Messmedium
betrieben werden können,
um beispielsweise elastische Eigenschaften des Messmediums selbst
oder die Anwesenheit und/oder Konzentration von Analytmolekülen in dem
Messmedium erfassen können.
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Die
Anforderungen an die Messauflösung
von kleinsten Stoffmengen sind in den letzten Jahren für prozesstechnologische,
medizinische und chemisch-biologische Fragestellungen enorm gewachsen.
Zwar existieren hierfür
hoch entwickelte Messverfahren und Gerätschaften (wie z.B. Rasterkraftelektronenmikroskope
oder Massenspektroskope) in speziell dafür ausgestatteten Labors, jedoch
fehlt eine transportable und kostengünstige sowie allgemein verfügbare und
leicht handhabbare Lösung.
Derartige miniaturisierte Messsysteme ließen sich beispielsweise leicht
vor Ort von Sicherheitskräften
zum Nachweis kleinster Mengen (etwa Sprengstoffe oder Betäubungsmittel)
einsetzen. Ein derartiges System könnte ebenso für einen
direkten Nachweis von Stoffen im medizinischen oder chemo-biologischen
Bereich dienen (z. B. pathogener Keime, Viren oder Proteine). In
der Prozesstechnologie könnte
die Streuung der bisher mit Hilfe von Quarzmikrowaagen kontrollierten
Prozesse verringert werden.
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Hierfür werden
seit vielen Jahren Quarzmikrowaagen eingesetzt [Verwendung von Schwingquarzen zur
Wägung
dünner
Schichten und zur Mikrowägung,
G. Sauerbrey, Zeitschrift für
Physik 155, 206–222 (1959)],
bei denen eine angelagerte Stoffmenge Δm in eine Frequenzverschiebung Δf entsprechend
dem Sauerbrey'schen
Zusammenhang umgesetzt wird:
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Die
Massenauflösung Δm der Quarzmikrowaagen
resultiert aus der extrem hohen Güte des Quarzes, die eine nachweisbare
Frequenzverschiebung Δf
von etwa 25 Hz erlaubt. In der Grundschwingung entspricht die Quarzdicke
einer halben akustischen Wellenlänge.
An der Ober- und Unterseite des Quarzplättchens tritt eine Totalreflexi on
aufgrund des Impedanzsprunges auf. Die herstellungsbedingte Dicke
des Quarzplättchens von
etwa 50 μm
beschränkt
die Resonanzfrequenz f der Grundmode auf typische 10 MHz bis max.
55 MHz. Quarzmikrowaagen in diesen Frequenzbereichen werden von
einigen Herstellern seit Mitte der 1970er Jahre erfolgreich gebaut
und vertrieben. Wird der Elektrodendurchmesser zu klein gewählt, so
nehmen parasitäre Nebenmoden überhand
und die Stabilität
des Oszillators geht verloren. Beides begrenzt die Mindestmasse
m des akustischen Resonators. Zusammen mit dem Rauschen der Elektronik
sowie den verbleibenden systematischen Fehlern ergibt sich daraus
eine maximale Massenauflösung
von einigen Picogramm.
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Der
Einsatz von Oberflächenwellen-Bauelementen
(OFW) als massensensitive Resonatoren bietet prinzipiell die Möglichkeit,
die Resonanzfrequenz f zu erhöhen
und die schwingende Masse m deutlich zu verringern. Die Resonanzfrequenz
des OFW-Resonators
wird durch die Periode der Fingerstrukturen festgelegt, derzeit
in einem Bereich von 50 MHz bis 3,15 GHz. Die Totalreflexion erfolgt
durch beidseitig angebrachte akustische Bragg-Gitter. Eine Massenanlagerung
verändert
die Eigenschaften des OFW über
einen Effekt zweiter Ordnung („mass-
and stressloading").
Die bei OFW-Resonatoren erzielbare Güte von max. 10.000 liegt deutlich
unter der von Quarzresonatoren. Diese beiden Einflüsse verringern
die Sensitivität
von OFW-Mikrowaagen
gegenüber
Quarzmikrowaagen. Mikrowaagen auf der Basis von OFW-Resonatoren befinden
sich derzeit noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium mit nur
geringem Anwendungsfeld, wie dies beispielsweise in SAW and QMB
for Chemical Sensing, F. L. Dickert, P. Forth, M. Tortschanoff,
W. Bulst, G. Fischerauer, U. Knauer, IEEE International Frequency
Control Symposium, 120–123
(1997) dargestellt ist.
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Der
rapide Fortschritt der mobilen Kommunikationstechnik führte zu
einer dramatisch ansteigenden Nachfrage an hochfrequenten, steilflankigen,
miniaturisierten Filterbauelementen. Hierfür werden derzeit oberflächenwellenbasierte
Filter und neuerdings auch akustische Dünnschichtresonatoren, sogenannte
FBARs eingesetzt (Thin Film Bulk Acoustic Resonators) [siehe z.B.
Face-mounted piezoelectric resonators, W. E. Newell, Proceedings
of the IEEE, vol. 53, 575–581,
(1965), oder Thin Film Resonator Technology, K. M. Lakin – IEEE transactions
on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 52,
no. 5, 707–716(2005)].
Die FBARs basieren auf dem „Bulk
Acoustic Wave"-Prinzip
(BAW). Die Resonanzfrequenz wird bei FBARs durch die Dicke einer
aufgebrachten piezoelektrischen Schicht bestimmt und kann daher
im Bereich von 500 MHz bis weit über
10 GHz liegen. Die Totalreflexion an der Oberseite erfolgt durch
den Impedanzsprung beim Übergang
von oberer Elektrode zur Umgebung (Luft oder Vakuum). Für die Totalreflexion
an der Unterseite wurden zwei Techniken entwickelt: die Reflexion
an Umgebung (Luft oder Vakuum), sogenannte Membrane-Type FBARs [Solidly
Mounted Resonators and Filters, K. M. Lakin, K. T. McCarron, R.
E. Rose, IEEE Ultrasonic Symposium, 905–908 (1995)] oder an einem
vergrabenen akustischen Bragg-Spiegel, sogenannte Solidly-Mounted
Bulk Acoustic Resonators (SBAR) [Layered piezoelectric resontators
with an arbitrary number of electrodes (general one-dimensional
treatment), H. Nowotny, E. Benesk, M. Schmid, J. Acoustic Soc. Am., vol3,
1238–1245
(1991), oder Face-mounted piezoelectric resonators, W. E. Newell,
Proceedings of the IEEE, vol. 53, 575–581, (1965)].
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Die
Technologie der FBAR- und SBAR-Bauelemente wurde hinsichtlich der
Anforderungen der mobilen Kommunikationstechnik optimiert. Diese
unterscheiden sich jedoch in wesentlichen Punkten von den Anforderungen
an einen massensensitiven Resonator. Zwar ist für beide eine hohe Güte essentiell,
jedoch ist ein hoher elektromechanischer Kopplungsfaktor nur für Filteranwendungen
nötig.
Dieser hohe Kopplungsfaktor wurde im Wesentlichen mit Iongitudinalpolarisierten
Wellentypen auf Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN) basierenden
piezoelektrischen Schichten erzielt. Für massensensitive Anwendungen
von FBARs und SBARs in flüssigen
Umgebungen (etwa Wasser, Blut oder Öl) werden jedoch für eine hohe
Güte zwingend transversalpolarisierte
Wellentypen benötigt.
Longitudinale Wellentypen koppeln dabei zu stark an die flüssige Umgebung,
wodurch die Güte
dramatisch einbricht [siehe z.B. First results on label-free detection
of DNA and protein molecules using a novel integrated sensor technology
based on gravimetric detection principles, R. Gabl, H.-D. Feucht, H. Zeininger,
et al., Biosensors and bioelectronics 19, 615–620 (2004)]. Aus diesem Grund sind
Iongitudinalschwingende FBARs und auch SBARs nur für gassensorische
Anwendungen einsetzbar. Hierunter fallen nahezu alle bisher publizierten
Arbeiten auf dem Gebiet der sensorischen Verwendung von FBARs und
SBARs. Bereits Mitte der 1970er Jahre gelang es K. M. Lakin entsprechende
Schichten für
transversalpolarisierte Wellentypen herzustellen und zu charakterisieren.
Diese frühen
Arbeiten wurden nicht mehr weiterverfolgt, da eine Verwendung für Filterbauelemente
aufgrund der Eigenschaften der Scherwellen für Filteranwendungen nicht in
Frage kam. Neuere Arbeiten versuchen nunmehr, durch den Einsatz
von Blenden beim Schichtwachstum des Standard FBAR- und SBAR-Prozesses
aus der Filtertechnik die Polarisationsachse der piezoelektrischen
Schicht zu kippen und somit auch die Anregung von transversal-polarisierten
Wellen zu ermöglichen
[Novel integrated FBAR sensors: a universal technology platform
for bio- and gas-detection, R. Gabl, E. Green, M. Schreiter, H.
Feucht; H. Zeininger, R. Primig, D. Pitzer, G. Eckstein, W. Wersing,
Proceedings of IEEE, Vol. 2, 1184–1188 (2003)]. Dadurch variiert
jedoch die Kippung der Polarisationsachse ortsabhängig über die
gesamte Waferfläche.
Für die
Massenherstellung ist dieses Verfahren daher nicht geeignet.
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Bei
dem piezoelektrischen Material ZnO wurden in den letzten Jahren
die Vorarbeiten von K. M. Lakin [Thin Film Resonator Technology,
K. M. Lakin – IEEE
transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control,
vol. 52, no. 5, 707–716(2005);
oder Solidly Mounted Resonators and Filters, K. M. Lakin, K. T.
McCarron, R. E. Rose, IEEE Ultrasonic Symposium, 905–908 (1995)],
wieder aufgegriffen, und es gelang mittlerweile, einen Aufwachsprozess
für (11-20)
texturiertes ZnO zu entwickeln, das die Anregung von transversalpolarisierten
Wellen ermöglicht.
Die akustischen Eigenschaften von ZnO sind jedoch für massensensitive
Anwendungen denen von GaN deutlich unterlegen. So ist die Schallgeschwindigkeit
der transversal polarisierten Welle in (11-20)-GaN, nämlich 4294
m/s [Mass Sensitive Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators, M.
T. Loschonsky, D. Eisele, L. M. Reindl, IEEE International Frequency
Control Symposium (2006)] höher
als die in (11-20)-ZnO, d.i. 2730 m/s (Electromechanical Coupling
Coefficient k15 of (1120) Textured ZnO Films, T. Yanagitani, N.
Mishima, M. Matsukawa Y. Watanabe, IEEE ultrasonics Symposium 2005].
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Dadurch
wird bei gleichen Schichtdicken eine höhere Resonanzfrequenz und damit
eine höhere
Massensensitivität
auf GaN erreicht. Zudem erwartet man von GaN basierten Resonatoren
eine höhere
Güte als auf
ZnO basierenden, wodurch das Messrauschen verringert wird. Für eine Messanwendung
in leicht saurer bzw. alkalischer Umgebung ist ZnO nicht geeignet,
GaN dagegen ist chemisch stabil.
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Das
1964 entdeckte piezoelektrische Material Paratellurit (TeO2) bietet die außergewöhnliche Eigenschaft, dass nur
transversalpolarisierte Wellen angeregt werden können. Die Verwendung dieses
Materials ist wegen seiner zellschädigenden Wirkung problematisch,
weil sich dadurch ein Einsatz im medizinischen oder biologischen
Bereich sehr schwierig gestalten würde.
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GaN
und damit verbunden AlN haben im Bereich der Optoelektronik und
Elektronik inzwischen eine große
kommerzielle Bedeutung erlangt. Im Bereich der BAW Anwendungen wird
zum Teil mit gesputterten AlN Schichten gearbeitet [Low temperature
AlN thin Films growth for layered structure saw and baw devices,
M. B. Assouar, O. Elmazria, M. El. Hakiki, P. Alnot, C. Tiusan,
IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics,
43 (2005)], seltener mit epitaktischen Schichten. Solche epitaktischen
c-plane AlN- und GaN-BAW-Schichten wurden in den letzten Jahren
von mehreren Gruppen untersucht, wobei diese Untersuchungen die
hervorragende Eignung der Materialien für BAW-Bauelemente belegen [Realization
of waveguiding epitaxial GaN layers on Si by low-Pressure metalorganic
vapor phase epitaxy, H. P. D. Schenk, E. Feltin, M. Laügt, O. Tottereau,
P. Vennéguès, E.
Doghèche,
Applied Physics Letters 83, 5139 (2003); High frequency SAW devices
on AlGaN: Fabrication, characterization and integration with optoelectronics,
T. Palacios, F. Calle, J. Grajal, E Monroy, M. Eickhoff, O. Ambacher,
F. Omnès,
Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium 1, 57 (2002); oder
Epitaxially grown GaN thin-film SAW filter with high velocity and
low insertion loss, S.-H. Lee, H.-H. Jeong, S.-B. Bae, H.-C. Choi,.J-H. Lee, Y.-H., Lee,
IEEE Transactions on Electron Devices, 48, 524 (2001)]. Dabei liegt
die Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen bei c-plane GaN
immer senkrecht zur Substratoberfläche. Ganz anders ist es bei
a-plane (11-20) GaN, bei dem die Ausbreitung in der Ebene liegt. Solches
a-plane GaN wird derzeit als Material für die Optoelektronik favorisiert,
da man durch die in der Ebene liegenden Piezofelder eine Verbesserung
der Effizienz von Lichtemittern erwartet. Allerdings ist die Materialqualität im Vergleich
zu c-plane GaN derzeit noch relativ schlecht. Dies ist durch das
anspruchsvollere Wachstum von a-plane GaN begründet, da das Material und insbesondere
auch AlN eine Präferenz
zur c-plane Orientierung zeigt und Versetzungen nicht so leicht
annihilieren. Auf r-plane Saphir gelingt das Wachstum von a-plane
GaN jedoch relativ einfach, allerdings noch mit mäßiger Morphologie,
d.h. relativ rauen Oberflächen.
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Daher
besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt,
darin, eine verbesserte piezoelektrische Sensoranordnung anzugeben,
die eine erhöhte
Sensitivität
und Reproduzierbarkeit aufweist, und dabei auf einfache und kostengünstige Weise
herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand mehrer Unteransprüche.
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Dabei
basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, insbesondere für die Anwendung
in Flüssigkeiten mit
einer Massenauflösung
im Femtogrammbereich piezoelektrische Sensoranordnungen, beispielsweise nach
dem akustischen Bragg-Spiegel-Prinzip
aufgebaute massensensitive Dünnschichtscherwellenresonatoren
unter Verwendung von epitaktischen Abscheideverfahren, beispielsweise
metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), gewachsenen transversalpolarisierten
piezoelektrischen GaN Schichten herzustellen und zu optimieren.
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Alternativ
zu der MOVPE können
auch Molekularstrahlepitaxie (MBE), Hybridgasphasenepitaxie (HVPE)
oder Chemische Gasphasenepitaxie (CVD) zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
kann basierend auf der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ein massensensitives
Sensorsystem für
prozesstechnologische und medizinisch-chemisch-biologische Anwendungen
realisiert werden.
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Dabei
ist insbesondere die Massenproduktionstauglichkeit aller eingesetzten
Prozesse zur Herstellung mikrosystemtechnischer Sensorarrays mit
unterschiedlichen selektiv sensitiven Schichten vorteilhaft. Die bei
dem erfindungsgemäßen Herstellungsprozess
erreichten vorteilhaften Schichten können auch von großem Interesse
werden für
das Wachstum von GaN-Lichtemittern auf unpolaren Oberflächen sowie,
im Fall des Wachstums auf metallisierten Si-Oberflächen, für die Anwendung
im preiswerten Lichtemittersegment.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
werden SBARs für
massensensitive Anwendung mit der Auflösung unter einem Picogramm
verwendet. Allerdings lassen sich die erfindungsgemäßen Prinzipien
sowohl für
membranbasierende FBARs als auch für auf akustischen Bragg-Spiegeln
basierende SBARs einsetzen.
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Für die Verwendung
als biologischer oder chemischer Sensor wird die Anlagerung der
zu detektierenden Analytmoleküle
an chemisch-biologisch sensitive Schichten dazu verwendet, das Resonanzverhalten
der SBARs zu verändern.
Durch die zusätzliche
Auswertung von höherfrequenten
Moden mit unterschiedlichem Temperatur gang lässt sich in vorteilhafter Weise
eine gleichzeitige Kompensation des Temperaturgangs erreichen. Die
sensitiven Schichten können
dabei mittels unterschiedlicher, an sich bekannter Verfahren in
dem sensitiven Bereich der Sensoranordnung aufgebracht werden, z.
B. mittels eines sogenannten Top-Spot-Vertahrens [TopSpot – A new
method for the fabrication of Microarrays, J. Ducrèe, H.
Gruhler, N. Hey, M. Müller, S.
Bekesi, M. Freygang, H. Sandmaier, R. Zengerle Proc. of IEEE-Conference
on Micro Electro Mechanical Systems MEMS 2000, Miyazaki, Japan,
23–27.1.2000;
p. 317–322
(2000); oder Highly Parallel Dispensing of Chemical and Biological
Reagents, B. de Heij, M. Daub, O. Gutmann, R. Niekrawietz, H. Sandmaier,
R. Zengerle, Analytical and Bioanalytical Chemistry; Vol. 378,119–122 (2004)].
Insbesondere können
dabei auch komplexere Sensorarrays auf einfache Weise hergestellt
werden.
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Allgemein
können
mit Hilfe der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) die verschiedensten Schichten
und Schichtfolgen für
Dünnschicht-Scherwellenresonatoren
gemäß der vorliegenden
Erfindung herstellen, insbesondere Gruppe-III-Nitrid-basierte Bauelementschichten.
So kann beispilesweise sehr gut orientiertes a-plane GaN mit ω-scan Halbwertsbreiten
des (11-20)-Reflexes von 1000 arcsec und bis auf einige wenige Krater
eine glatte Morphologie hergestellt werden. Darüber hinaus kann das MOVPE-Wachstum
von a-plane AlN zur Herstellung von piezoelektrischen Sensoranordnungen
genutzt werden. AlN hat eine noch stärkere Tendenz zum c-plane orientiertem
Wachstum als GaN, wodurch das a-plane AlN-Wachstum noch anspruchsvoller wird.
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Anhand
der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften
Ausgestaltungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Ähnliche
oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstands
sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer piezoelektrischen Sensoranordnung
gemäß einer
ersten vorteilhaften Ausführungsform;
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2 eine
schematische Darstellung einer piezoelektrischen Sensoranordnung
gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausführungsform.
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1 zeigt
schematisch eine piezoelektrische Sensoranordnung 100 nach
dem oben beschriebenen Membran-Typ-FBAR-Prinzip, bei dem auf einem
Substrat 1 eine Trägermembran 2 angeordnet
ist, die auf einer Seite die zwischen zwei Elektroden 5, 6 eingebettete
piezoelektrischen Schicht 3 trägt und auf der gegenüberliegenden
Seite durch eine Öffnung
in dem Substrat hindurch mit Luft oder Vakuum in Verbindung steht.
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Die
Pfeile 102 symbolisieren dabei die transversal polarisierte
Schwingung des Dünnschichtresonators.
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Alternativ
weist die in 2 gezeigte SBAR-Sensoranordnung 200 einen
vergrabenen akustischen Bragg-Spiegel 4 auf.
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Die
Minimierung des Temperaturganges wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der vorliegenden Erfindung durch die Erregung zweier unterschiedlicher
Moden mit unterschiedlichem Temperaturgang zur rechnerischen Kompensation
des Temperaturquereffektes erreicht.
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Diese
temperaturgangkompensierbaren Dünnschichtresonatoren
werden als gravimetrische Sensoren in einer rauscharmen, langzeitstabilen
Oszillatorschaltung aufgebaut und schließlich in einem prozesstauglichen
mikrosystemtechnischen Gesamtsystem integriert.
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Einige
Parameter eines möglichen
Systems sind im folgenden aufgelistet:
Schwingende Resonatormasse:
7ng
Resonanzfrequenz: 1,880 GHz
SNR 20 dB
Anzahl
Messpunkte für
ein Auswerteintervall: N = 2500 bei tA = 1 s
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Für das sogenannte
Cramer-Rao-Lower-Bound (CRLB) ergibt sich für den in (1) beschriebenen
Zusammenhang damit:
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Die
höchste
Genauigkeit wird dann erzielt, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der vorliegenden Erfindung der akustische Dünnschichtresonator gleichzeitig
auch als Temperatursensor eingesetzt wird. Dies wird durch Verwendung
von zwei oder mehr Resonanzmoden mit deutlich verschiedenem Temperaturgang
erreicht. Des weiteren werden zur Kompensation des Temperaturgangs
gegeneinander verspannte Al(Ga)N/Ga(Al, In)N-Schichten verwendet.
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Das
MOVPE Wachstum von GaN basierten Bragg-Reflektoren ist für optische,
aber nicht für
akustische Anwendungen bekannt. Auf Si ist das Wachstum solcher
akustischer Bragg-Reflektoren aufgrund der benötigten großen Schichtdicken und der geringen
Unterschiede im akustischen Brechungsindex der möglichen Materialien jedoch
nicht durchführbar,
denn es führt
zwangsläufig
zum Reißen
der Schichten. Dafür
eignen sich wiederum gesputterte Reflektoren, wobei zum Beispiel
W-SiO2-Wechselfolgeschichten
gesputtert werden können,
die dann amorph bzw. polykristallin vorliegen. Es wird jedoch im
Gegensatz zu den üblichen
gesputterten Materialien von einkristallinen bzw. stark texturierten
Materialien eine geringere Dämpfung
der Reflektoren und damit eine bessere Güte erwartet. Hierzu liegen
durch frühere
Arbeiten fundierte Erfahrungen mit gesputterten Metall und Oxid-
sowie Nitridschichten vor, wie dies in Texturing effects in molybdenum
and aluminum nitride films correlated to energetic bombardment during
sputter deposition, T. P. Drüsedau,
K. Koppenhagen, J. Bläsing,
T.-M. John, Applied Physics A: Materials Science & Processing 72,
541 (2001), beschrieben ist.
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Gemäß eines
möglichen
Herstellungsverfahrens wird eine Sputteranlage verwendet, mit deren
Hilfe diese akustischen Reflektorschichten dann auf eine geeignete
Metallschicht aufgebracht werden und als Abschluss c-plane oder
a-plane GaN oder AlN gewachsen wird. Als Alternative ist auch das
Wachstum von r-plane GaN möglich,
wie dies beispielsweise aus Influence of buffer layers on MOVPE
grown GaN on Si(001), F. Schulze, J. Bläsing, A. Dadgar, and A. Krost,
Appl. Phys. Lett. 84, 4747 (2004) und GaN heteroepitaxy on Si (001),
F. Schulze, A. Dadgar, J. Bläsing,
and A.
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Krost,
Journal of Crystal Growth 272, 496 (2004) bekannt ist. Als Metall
bzw. hochleitfähiges
Material auf Silizium ist in der Literatur bislang nur HfN bekannt
[Latticematched HfN buffer layers for epitaxy of GaN on Si, R. Armitage,
Qing Yang, H. Feick, J. Gebauer, Satoko Shinkai, Katsutaka Sasaki
and E. R. Weber, Applied Physics Letters 81, 1450 (2002)], auf welchem
hochwertiges GaN gewachsen werden kann.
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Erste
Versuche mit reinen Metallen (Au, W, Mo, Ni, Pt), die direkt auf
Si mit einem Elektronenstrahlverdampfer aufgebracht wurden, was
gegenüber
Sputtermethoden meist eine geringere Orientierung der Schicht bewirkt,
haben auf Anhieb Ni als geeignetes Material aufgezeigt. Dies stellt
einen vielversprechenden Ansatz für die kombinierte Herstellung
von SBAR Strukturen mittels Sputter- und Epitaxiemethoden dar.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Entwicklung eines mobilen Messsystems, basierend auf neuartigen,
nach dem akustischen Bragg-Spiegel-Prinzip aufgebauten massensensitiven
Dünnschichtscherwellenresonatoren
mit einer Massenauflösung
im Femtogrammbereich und darunter, welche auch in flüssiger Messumgebung
betrieben werden können.
Hierzu müssen
speziell auf die Anregung von transversalpolarisierten Wellen optimierte
piezoelektrische Schichten zum Einsatz kommen. Nach der Entwicklung
und Fertigung erster bereits temperaturgangskompensierter Gebrauchsmuster
sollen im zweiten Projektabschnitt diese als gravimetrische Sensoren
bzw. als mikrosystemtechnisch hergestellte ganze Sensorarrays für zunächst ausgewählte biologische,
chemische oder medizinische Applikationen in einer rauscharmen,
langzeitstabilen Oszillatorschaltung aufgebaut, getestet, optimiert
und schlussendlich in einem mobilen mikrosystemtechnischen Gesamtsystem
integriert werden.
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Weitere
Anwendungsfelder wie Prozesstechnologie, Lebensmitteltechnologie
und Sicherheitstechnik, könnten
mittels der Entwicklung weiterer, spezifisch selektivsensitiver
Schichten abgedeckt werden. Dabei soll besondere Aufmerksamkeit
darauf gelegt werden, dass alle eingesetzten Prozessschritte auch
für die
Massenproduktion tauglich sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann zum einen die technologische Fertigung von Dünnschichtscherwellenresonatoren
in einer Weise verbessert werden, dass auch die Eignung dieser Resonatoren
als Sensoren zur Massendetektion in flüssiger Messumgebung sichergestellt
wird.
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Basierend
auf derartigen piezoelektrischen Sensoranordnungen können insbesondere
gravimetrische Sensoren für
ausgewählte
biochemische Applikationen aufgebaut und in einem mobilen, mikrosystemtechnischen
Gesamtsystem integriert werden. Spezielle mikrosystemtechnische
Techniken ermöglichen
den Aufbau von komplexen Sensorarrays einschließlich des rauscharmen Oszillators
und der Auswerteeinheit.
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Nachfolgend
soll beispielhaft ein möglicher
Herstellungsprozess für
Gruppe-III-Nitrid basierte transversalpolarisierte piezoelektrische
Schichten beschrieben werden.
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Ein
beherrschter Wachstumsprozess für
hochwertige a-plane GaN Schichten auf r-plane Saphir mit (11-20)- und (1-102)-Röntgenhalbwertsbreiten
im ω-scan
von unter 500 arcsec, sowie für
einkristalline a-plane AlN- und AlGaN-Schichten muss hohen Anforderungen
genügen,
weil das Wachstum von a-plane GaN im Gegensatz zum Wachstum von
c-plane GaN signifikante Unterschiede aufweist. Eine geringe Versetzungsdichte und
eine gute Oberflächenmorphologie,
welche beide unabdingbar für
die Bauelemente sind, ist nicht einfach mit den vom c-plane GaN
her bekannten Methoden zu erzielen. Dies liegt zum einen am Unterschied
in den Wachstumsraten in c-Achsenrichtung und senkrecht dazu, zum
anderen an der erschwerten Annihilation von senkrecht verlaufenden
Versetzungen bei a-plane GaN. Aufwendige Verfahren wie epitaktisches
laterales Überwachsen,
welches bei c-plane GaN kaum noch angewendet wird, erleben hier
eine Renaissance. Im Gegensatz zu diesen Arbeiten sollen die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Schichten mit einfachen Methoden, wie dem
Verwenden von in-situ SiN Maskierungsschichten, abgeschieden werden,
um eine deutliche Versetzungsreduktion und damit Materialverbesserung
zu erreichen. Dazu sind die Wachstumsbedingungen für laterales
Wachstum von a-plane
GaN detailliert zu untersuchen. Das Wachstum hochwertiger Al-haltiger
a-plane Schichten
bzw. von AlN auf GaN oder direkt auf dem Substrat wird aufgrund
des starken Bestrebens von qualitativ höherwertigem Hochtemperatur-AlN
in c-Achsenorientierung
erschwert, so dass alternativ eine dünne Zwischenschicht vorgesehen
werden kann.
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Im
folgenden soll genauer auf die Auswahl geeigneter Materialien für die Elektroden,
die Bragg-Spiegel-Schichten und die Substrate (Si, Saphir, technische
Gläser)
ein gegangen werden. Ein vollständiger
SBAR 200, wie er in 2 dargestellt
ist, besteht im Wesentlichen aus fünf Elementen:
- • Substrat 1
- • Akustischer
Bragg-Spiegel 4
- • Untere
Elektrode 5
- • Piezoelektrische
Resonatorschicht 3
- • Obere
Elektrode 6
-
Bei
allen fünf
Elementen müssen
die prozessrelevanten und die akustischen Materialeigenschaften berücksichtigt
werden. Für
das Substrat 1 gilt neben den Anforderungen einer hohen
akustischen Impedanz und einem hohem Elastizitätsmodul weiterhin eine gute
Prozesshandhabbarkeit, insbesondere für die späteren Schritte der Aufbau-
und Verbindungstechnik und Gehäusung.
Der akustische Bragg-Spiegel 4 besteht aus einer Abfolge
zweier Schichten mit unterschiedlichen akustischen Reflektions-
und Transmissionskoeffizienten. Ausschlaggebend hierfür sind die
Materialdichte, die Kristallgitterstruktur und die Kristallorientierung
jeder einzelnen Schicht. Das Schichtwachstum von GaN, AlN bzw. AlGaN
auf Metalloberflächen
und auf Substraten wird auf Haftfestigkeit, akustischer Transmission
und Reflexion optimiert. Hierzu sind die Eigenschaften in Bezug
auf das nachfolgende epitaktische MOVPE Wachstum hochwertiger GaN
bzw. AlN Filme zu berücksichtigen.
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Die
unterschiedlichen Schichten müssen
einzeln und in ihrem Zusammenwirken charakterisiert werden. Dabei
sind im Wesentlichen die folgenden Parameter von Bedeutung:
- – elastische
Konstanten
- – akustische
Phasen- und Gruppengeschwindigkeit
- – akustische
Dämpfung
- – elektromechanische
Kopplungskonstanten der piezoelektrischen Schicht
- – Dielektrizitätskonstanten
- – Temperaturabhängigkeit
der Materialkonstanten
- – Auswirkung
von Kristallversetzungen und Defekten sowie Diffusionsvorgänge an Schichtübergängen
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Aus
diesen Materialparametern kann in einem eindimensionalen Modell
der Schwerwellenresonator entworfen werden. Daraus ergibt sich:
- – die
Impedanzlage aus der Elektrodengeometrie
- – die
Güte aus
den Materialparametern
- – die
Bandbreite aus der Schichtfolge des Braggspiegels
- die Resonanzfrequenz aus der Schichtdicke der Piezoschicht
und des Bragg-Spiegels
- – die
Einfügedämpfung aus
den Materialparametern unter Berücksichtigung
der Schichtfolge
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Die
Anregung und die Frequenzcharakteristik der höheren Moden und der parasitären Nebenmoden ergeben
sich bei Vorliegen einer Rotationssymmetrie aus einem 2D-Modell,
ansonsten aus einem 3D-Modell. Diese Parameter und die akustischen
Modenprofile, welche die spätere
Dämpfung
im flüssigen
Medium bestimmen, werden theoretisch berechnet.
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Auf
diese Weise kann die Schichtfolge auf folgende Gesichtspunkte hin
optimiert werden:
- – maximale Güte, minimale
Dämpfung
- – geringer
Temperaturgang
- – maximale
Sensitivität
- – zusätzliche
starke Erregung mindestens einer Nebenmode mit eigenem Temperaturgang
und unterschiedlicher Massensensiti vität als Referenz, alternativ
wird ein zusätzlicher
Temperatursensor im Chip integriert
- – Unterdrückung aller übrigen Nebenmoden
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Basierend
auf der erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Sensoranordnung kann weiterhin eine Matrix aus SBARs mit unterschiedlich
selektiv sensitiven Schichten für
eine Mehrkomponentenanalyse aufgebaut werden. Hierzu wird eine Vielzahl
von Resonatoren in einer akustisch und elektromagnetisch entkoppelten
Anordnung aufgebaut und mit mikromechanischen Fertigungstechnologien
(beispielsweise des sog. Top Spot-Verfahrens) beschichtet. Anschließend erfolgt
die Integration in den das mobile Messsystem und die Programmierung
der Ansteuerungs- und Ausleseeinheit.
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Die
erfindungsgemäße piezoelektrische
Sensoranordnung kann auch in vorteilhafter Weise für einen Viskositätssensor,
beispielsweise für
Mineralöl,
im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden. Dabei wird die Viskosität des Öls, die
ein Maß für den Alterungszustand
des Öls
ist, durch eine Auswertung der Resonanzfrequenz der Sensoranordnung überwacht.
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Obwohl
bisher nur Anwendungsbeispiele erläutert wurden, die den Einsatz
der erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Sensoranordnung in flüssigen
Messmedien zeigen, so kann das Messfluid selbstverständlich auch
ein Gas sein. Hier kann mit Hilfe spezieller sensitiver Beschichtungen
eine Überwachung
dieser Gase auf die verschiedensten chemischen oder biologischen
Agenzien durchgeführt
werden.
