DE102011076193A1

DE102011076193A1 - Determining a material property of a thin film of a material

Info

Publication number: DE102011076193A1
Application number: DE201110076193
Authority: DE
Inventors: Martin Nirschl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-04-05
Also published as: WO2012041671A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Dünnschicht eines Materials weist Verfahrensschritte auf zum Bereitstellen eines akustischen Dünnschichtresonators, zum Aufbringen einer Dünnschicht des Materials auf den Dünnschichtresonator, zum Ermitteln einer durch das Aufbringen der Dünnschicht verursachten Frequenzverschiebung einer Resonanzfrequenz des Dünnschichtresonators, zum Bestimmen einer Schichtdicke der aufgebrachten Dünnschicht und zum Berechnen der Materialeigenschaften aus der Frequenzverschiebung und der Schichtdicke.A method for determining a material property of a thin film of a material has method steps for providing an acoustic thin film resonator, for applying a thin film of the material to the thin film resonator, for determining a frequency shift of a resonance frequency of the thin film resonator caused by the application of the thin film, for determining a layer thickness of the applied Thin film and for calculating the material properties from the frequency shift and the layer thickness.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Dünnschicht eines Materials gemäß Patentanspruch 1, sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Dünnschicht eines Materials gemäß Patentanspruch 10.The present invention relates to a method for determining a material property of a thin layer of a material according to claim 1, and to an apparatus for determining a material property of a thin layer of a material according to claim 10.

Unter einer dünnen Schicht (Dünnschicht) versteht man eine Schicht eines Materials, deren Dicke im Nanometer- oder Mikrometerbereich liegt. Es ist bekannt, dass Dünnschichten häufig physikalische Eigenschaften aufweisen, die von denen massiver Körper (bulk) desselben Materials erheblich abweichen. Dies gilt beispielsweise auch für mechanische und akustische Eigenschaften, etwa für die Massendichte, die Schallgeschwindigkeit, die akustische Impedanz, den Elastizitätsmodul und den Schermodul.A thin layer (thin film) is a layer of a material whose thickness is in the nanometer or micrometer range. It is well known that thin films often have physical properties that significantly differ from those of bulk material of the same material. This applies, for example, also for mechanical and acoustic properties, such as the mass density, the speed of sound, the acoustic impedance, the modulus of elasticity and the shear modulus.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zum Herstellen von Dünnschichten bekannt. Beispielsweise können dünne Schichten des gewünschten Dünnschichtmaterials auf ein Substrat aufgedampft oder mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht werden. Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Verfahren bekannt, eine Schichtdicke einer aufgebrachten Dünnschicht zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Schichtdicke einer Dünnschicht mittels einer Waage, beispielsweise einer Quarzmikrowaage, oder mittels eines Profilometers ermittelt werden.In the prior art, different methods for producing thin films are known. For example, thin layers of the desired thin-film material may be evaporated on a substrate or applied by sputtering. From the prior art methods are further known to determine a layer thickness of a deposited thin film. For example, a layer thickness of a thin layer can be determined by means of a balance, for example a quartz microbalance, or by means of a profilometer.

Die mechanischen und akustischen Eigenschaften dünner Schichten spielen eine wichtige Rolle in akustischen Bauteilen, die Dünnschichten aufweisen, beispielsweise in Filtern oder Sensoren. Auch für dünne Beschichtungen, bei denen die Härte des für die Beschichtung verwendeten Materials wichtig ist, sind die genannten physikalischen Eigenschaften des Materials relevant. Daher besteht ein erheblicher Bedarf an Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung dieser physikalischen Eigenschaften von Dünnschichten unterschiedlicher Materialien. Aus dem Artikel „A methodology for determining mechanical properties of freestanding thin films and MEMS materials” von H. D. Espinosa, B. C. Prorok und M. Fischer, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 51, Issue 1, Januar 2003, Seiten 47 bis 67 , sind unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der genannten Parameter bekannt. Es besteht jedoch Bedarf an einfacheren Methoden zur Ermittlung der physikalischen Eigenschaften dünner Schichten.The mechanical and acoustic properties of thin films play an important role in acoustic devices that have thin films, such as filters or sensors. Even for thin coatings where the hardness of the material used for the coating is important, the physical properties of the material are relevant. Therefore, there is a considerable need for methods and apparatus for determining these physical properties of thin films of different materials. From the article "A methodology for determining mechanical properties of freestanding thin films and MEMS materials" by HD Espinosa, BC Prorok and M. Fischer, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 51, Issue 1, January 2003, pages 47-67 , different methods for determining the aforementioned parameters are known. However, there is a need for simpler methods for determining the physical properties of thin films.

Akustische Dünnschichtresonatoren (film bulk acoustic resonators; FBAR) sind aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt. In derartigen bekannten Dünnschichtresonatoren können verschiedene akustische Schwingungsmoden, beispielsweise Scher- und Longitudinalmoden, angeregt werden. Die Lage der Resonanzfrequenzen der unterschiedlichen Schwingungsmoden kann mit unterschiedlichen Verfahren bestimmt werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist.Film bulk acoustic resonators (FBARs) are also known in the art. In such known thin film resonators, various acoustic vibration modes, such as shear and longitudinal modes, can be excited. The location of the resonance frequencies of the different vibration modes can be determined by different methods, as known in the art.

Aus dem Artikel „Piezoelectric crystals and their application to ultrasonics” von W. Mason, D. Van Nostrand Co., McMillan and Co., 1950 , ist ferner bekannt, dass sich aus der Lage einer akustischen Resonanzfrequenz und einer Schichtdicke einer Schicht eines Materials auf Materialeigenschaften des Materials wie Massendichte und Elastizitätsmodul oder Schallgeschwindigkeit schließen lässt.From the article "Piezoelectric crystals and their application to ultrasonics" by W. Mason, D. Van Nostrand Co., McMillan and Co., 1950 , It is also known that the position of an acoustic resonance frequency and a layer thickness of a layer of a material can be used to infer material properties of the material such as mass density and modulus of elasticity or speed of sound.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Dünnschicht eines Materials anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Dünnschicht eines Materials bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.The object of the present invention is to provide a method for determining a material property of a thin film of a material. This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. It is a further object of the present invention to provide an apparatus for determining a material property of a thin film of a material. This object is achieved by a device having the features of patent claim 10.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred developments are specified in the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Dünnschicht eines Materials umfasst Verfahrensschritte zum Bereitstellen eines akustischen Dünnschichtresonators, zum Aufbringen einer Dünnschicht des Materials auf den Dünnschichtresonator, zum Ermitteln einer durch das Aufbringen der Dünnschicht verursachten Frequenzverschiebung einer Resonanzfrequenz des Dünnschichtresonators, zum Bestimmen einer Schichtdicke der aufgebrachten Dünnschicht und zum Berechnen der Materialeigenschaft aus der Frequenzverschiebung und der Schichtdicke. Vorteilhafterweise erlaubt dieses Verfahren ein Bestimmen einer Materialeigenschaft einer besonders dünnen Schicht mit einer Schichtdicke bis unterhalb von 100 nm. Ein weiterer Vorteil des Verfahren besteht darin, dass die gesuchte Materialeigenschaft in Echtzeit während der Herstellung der Dünnschicht bestimmt werden kann.A method according to the invention for determining a material property of a thin film of a material comprises method steps for providing a thin film acoustic resonator, applying a thin film of the material to the thin film resonator, determining a frequency shift of a resonant frequency of the thin film resonator caused by the application of the thin film, determining a film thickness of the deposited film Thin film and to calculate the material property from the frequency shift and the layer thickness. Advantageously, this method allows determining a material property of a particularly thin layer with a layer thickness below 100 nm. A further advantage of the method is that the sought material property can be determined in real time during the production of the thin layer.

Eine Möglichkeit zum Ermitteln der Frequenzverschiebung besteht darin, eine Resonanzfrequenz des Dünnschichtresonators jeweils einmal vor und nach dem Aufbringen der Dünnschicht zu ermitteln. Vorteilhafterweise ist dieses Verfahren sehr einfach durchzuführen. One way to determine the frequency shift is to determine a resonant frequency of the thin film resonator once each before and after the application of the thin film. Advantageously, this method is very easy to perform.

Bevorzugt ist die Materialeigenschaft des Materials eine Massendichte, eine Schallgeschwindigkeit, eine akustische Impedanz, ein Elastizitätsmodul oder ein Schermodul der Dünnschicht. Vorteilhafterweise sind diese Materialeigenschaften für technische Anwendungen besonders relevant und eine Möglichkeit zu ihrer Bestimmung damit von erheblicher Bedeutung.The material property of the material is preferably a mass density, a sound velocity, an acoustic impedance, a modulus of elasticity or a shear modulus of the thin layer. Advantageously, these material properties are particularly relevant for technical applications and a possibility for their determination thus of considerable importance.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Schichtdicke der Dünnschicht mit einer Waage bestimmt. Vorteilhaferweise ermöglicht dieses Verfahren eine besonders einfache Bestimmung der Schichtdicke.In one embodiment of the method, the layer thickness of the thin layer is determined with a balance. Advantageously, this method allows a particularly simple determination of the layer thickness.

Besonders bevorzugt wird die Schichtdicke mit einer Quarzmikrowaage bestimmt. Vorteilhafterweise kann die Bestimmung der Schichtdicke dann sehr genau erfolgen.The layer thickness is particularly preferably determined using a quartz microbalance. Advantageously, the determination of the layer thickness can then take place very precisely.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Schichtdicke der Dünnschicht mit einem Profilometer bestimmt. Vorteilhafterweise ermöglicht auch diese Ausführungsform eine sehr genaue Bestimmung der Schichtdicke.In another embodiment of the method, the layer thickness of the thin film is determined with a profilometer. Advantageously, this embodiment also allows a very accurate determination of the layer thickness.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Dünnschicht auf den Dünnschichtresonator aufgedampft. Vorteilhafterweise wird der Dünnschichtresonator bei diesem Verfahren nur einer sehr geringen Belastung ausgesetzt.In one embodiment of the method, the thin film is vapor-deposited on the thin-film resonator. Advantageously, the thin-film resonator is exposed to only a very low load in this method.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die Dünnschicht mittels Kathodenzerstäubung auf den Dünnschichtresonator aufgebracht. Vorteilhafterweise kann bei diesem Verfahren das Aufbringen der Dünnschicht besonders schnell erfolgen.In an alternative embodiment of the method, the thin layer is applied to the thin-film resonator by means of cathode sputtering. Advantageously, in this method, the application of the thin film can be done very quickly.

Besonders bevorzugt wird die Materialeigenschaft nach dem Mason-Modell berechnet. Vorteilhafterweise hat sich gezeigt, dass das Mason-Modell sehr zuverlässige Werte für die gesuchten Materialeigenschaften liefert.The material property is particularly preferably calculated according to the Mason model. Advantageously, it has been shown that the Mason model provides very reliable values for the sought material properties.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer Materialeigenschaft einer Dünnschicht eines Materials umfasst einen akustischen Dünnschichtresonator, eine Einrichtung zum Aufbringen einer Dünnschicht des Materials auf den Dünnschichtresonator, eine Einrichtung zum Ermitteln einer durch das Aufbringen der Dünnschicht verursachten Frequenzverschiebung einer Resonanzfrequenz des Dünnschichtresonators und eine Einrichtung zum Bestimmen einer Schichtdicke der aufgebrachten Dünnschicht. Vorteilhafterweise gestattet diese Vorrichtung eine vergleichsweise einfache und schnelle Bestimmung der gesuchten Materialeigenschaft der Dünnschicht des Materials.An apparatus according to the invention for determining a material property of a thin film of a material comprises a thin film acoustic resonator, means for applying a thin film of the material to the thin film resonator, means for determining a frequency shift of a resonant frequency of the thin film resonator caused by the application of the thin film, and means for determining a film Layer thickness of the applied thin film. Advantageously, this device allows a comparatively simple and rapid determination of the sought material property of the thin film of the material.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Einrichtung zum Bestimmen der Schichtdicke eine Quarzmikrowaage. Vorteilhafterweise sind derartige Quarzmikrowaagen kommerziell erhältlich und ermöglichen eine sehr genaue Bestimmung der Schichtdicke der Dünnschicht.In one embodiment of the device, the device for determining the layer thickness is a quartz microbalance. Advantageously, such quartz microbalances are commercially available and allow a very accurate determination of the layer thickness of the thin film.

In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist die Einrichtung zum Bestimmen der Schichtdicke ein Profilometer. Vorteilhafterweise sind auch Profilometer kommerziell erhältlich und ermöglichen ebenfalls eine sehr genaue Bestimmung der Schichtdicke der aufgebrachten Dünnschicht.In another embodiment of the device, the device for determining the layer thickness is a profilometer. Advantageously, also profilometers are commercially available and also allow a very accurate determination of the layer thickness of the applied thin film.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Einrichtung zum Aufbringen der Dünnschicht eine Aufdampfanlage. Vorteilhafterweise ermöglicht eine Aufdampfanlage eine besonders genaue Kontrolle der Schichtdicke der aufgebrachten Dünnschicht und setzt den Dünnschichtresonator dabei nur einer geringen thermischen Belastung aus.In one embodiment of the device, the device for applying the thin layer is a vapor deposition system. Advantageously, a vapor deposition system allows a particularly precise control of the layer thickness of the applied thin film and exposes the thin-film resonator to only a low thermal load.

In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist die Einrichtung zum Aufbringen der Dünnschicht eine Kathodenzerstäubungsanlage. Vorteilhafterweise ermöglicht eine Kathodenzerstäubungsanlage ein besonders schnelles Aufbringen der Dünnschicht.In another embodiment of the device, the means for applying the thin film is a sputtering apparatus. Advantageously, a cathode sputtering system allows a particularly rapid application of the thin film.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Dünnschichtresonator in der Einrichtung zum Aufbringen der Dünnschicht angeordnet. Vorteilhafterweise ermöglicht es die Vorrichtung dann, die gesuchte Materialeigenschaft bereits während des Aufbringens der Dünnschicht zu ermitteln.In a particularly preferred embodiment of the device, the thin-film resonator is arranged in the device for applying the thin film. Advantageously, the device then makes it possible to determine the desired material property already during the application of the thin film.

In einer zusätzlichen Weiterbildung der Vorrichtung kann auch die Einrichtung zum Ermitteln der Schichtdicke der aufgebrachten Dünnschicht in der Einrichtung zum Aufbringen der Dünnschicht angeordnet sein. In noch einer zusätzlichen Weiterbildung der Vorrichtung kann auch die Einrichtung zum Ermitteln der durch das Aufbringen der Dünnschicht verursachten Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz des Dünnschichtresonators in der Einrichtung zum Aufbringen der Dünnschicht angeordnet sein. Vorteilhafterweise stellen diese Weiterbildungen besonders kompakte und einfach zu handhabende Vorrichtungen bereit, die auf vielfältige Weisen in der Qualitätskontrolle und der Grundlagenforschung eingesetzt werden können. In an additional development of the device, the device for determining the layer thickness of the applied thin layer can also be arranged in the device for applying the thin layer. In yet an additional refinement of the device, the device for determining the frequency shift of the resonant frequency of the thin-film resonator caused by the application of the thin-film layer can also be arranged in the device for applying the thin-film layer. Advantageously, these developments provide particularly compact and easy-to-use devices that can be used in a variety of ways in quality control and basic research.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in detail in conjunction with the drawings. Showing:

1 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen akustischen Dünnschichtresonators; 1 a schematic representation of a section through an acoustic thin-film resonator;

2 ein simuliertes Spektrum eines akustischen Dünnschichtresonators; 2 a simulated spectrum of a thin film acoustic resonator;

3 eine berechnete Resonanzverschiebung eines akustischen Dünnschichtresonators; 3 a calculated resonance shift of a thin film acoustic resonator;

4 eine weitere berechnete Resonanzverschiebung eines akustischen Dünnschichtresonators; 4 another calculated resonance shift of a thin film acoustic resonator;

5 einen Vergleich von berechneten und gemessenen Resonanzverschiebungen eines akustischen Dünnschichtresonators; und 5 a comparison of calculated and measured resonance shifts of a thin film acoustic resonator; and

6 einen weiteren Vergleich von berechneten und gemessenen Resonanzverschiebungen eines akustischen Dünnschichtresonators. 6 a further comparison of calculated and measured resonance shifts of a thin film acoustic resonator.

1 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Schnitt durch einen akustischen Dünnschichtresonator 100. Akustische Dünnschichtresonatoren sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Daher werden Aufbau und Funktionsweise des akustischen Dünnschichtresonators 100 nachfolgend nur kursorisch erläutert. 1 shows a highly schematic representation of a section through an acoustic thin-film resonator 100 , Acoustic thin film resonators are well known in the art. Therefore, the structure and operation of the acoustic thin-film resonator 100 explained below only cursorily.

Der akustische Dünnschichtresonator 100 weist eine Mehrzahl von Schichten auf, die in eine z-Richtung übereinander angeordnet sind. Ein Substrat 110 bildet die unterste Schicht. Bei dem Substrat 110 kann es sich beispielsweise um ein Siliziumsubstrat handeln.The acoustic thin-film resonator 100 has a plurality of layers that are stacked in a z-direction. A substrate 110 forms the lowest layer. At the substrate 110 it may be, for example, a silicon substrate.

Auf einer Oberfläche des Substrats 110 sind mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien angeordnet, die gemeinsam einen akustischen Spiegel 120 bilden. Der akustische Spiegel 120 reflektiert akustische Schwingungen, die im akustischen Dünnschichtresonator 100 in z-Richtung oberhalb des akustischen Spiegels 120 angeregt werden und verhindert somit eine Ausbreitung der im akustischen Dünnschichtresonator 100 angeregten akustischen Schwingung in das Substrat 110.On a surface of the substrate 110 Several layers of different materials are arranged, which together form an acoustic mirror 120 form. The acoustic mirror 120 reflects acoustic vibrations in the acoustic thin-film resonator 100 in the z-direction above the acoustic mirror 120 be excited and thus prevents propagation of the acoustic thin-film resonator 100 excited acoustic vibration in the substrate 110 ,

In z-Richtung oberhalb des akustischen Spiegels 120 ist eine erste Elektrode 130 auf dem akustischen Spiegel 120 angeordnet. Auf der ersten Elektrode 130 wiederum ist eine Schicht eines piezoelektrischen Materials bzw. Piezoelektrikums 140 angeordnet. In z-Richtung oberhalb des Piezoelektrikums 140 wiederum ist eine zweite Elektrode 150 auf dem Piezoelektrikum 140 angeordnet.In the z-direction above the acoustic mirror 120 is a first electrode 130 on the acoustic mirror 120 arranged. On the first electrode 130 in turn, is a layer of a piezoelectric material or piezoelectric 140 arranged. In z-direction above the piezoelectric 140 again, a second electrode 150 on the piezoelectric 140 arranged.

Das Piezoelektrikum 140 bildet den eigentlichen Kern des akustischen Dünnschichtresonators 100. Durch Anlegen elektrischer Spannungen zwischen der ersten Elektrode 130 und der zweiten Elektrode 150 können im Piezoelektrikum 140 akustische Schwingungen angeregt werden.The piezoelectric 140 forms the actual core of the acoustic thin-film resonator 100 , By applying electrical voltages between the first electrode 130 and the second electrode 150 can in the piezoelectric 140 acoustic vibrations are excited.

2 zeigt in einem Graphen ein simuliertes akustisches Spektrum 200 des akustischen Dünnschichtresonators 100 der 1. Auf einer horizontalen Achse ist dabei eine Frequenz 210 in MHz aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse ist eine elektrische Phase 220 aufgetragen. Dargestellt sind sowohl Schermoden 230 als auch Longitudinalmoden 240 des akustischen Dünnschichtresonators 100. Es ist erkennbar, dass der akustische Dünnschichtresonator 100 im dargestellten Frequenzbereich zwischen 500 MHz und 2,3 GHz eine erste Schermode 231, eine zweite Schermode 232, eine dritte Schermode 233 und eine vierte Schermode 234 aufweist. Außerdem weist der akustische Dünnschichtresonator 100 im dargestellten Frequenzbereich eine Longitudinalmode 240 auf. 2 shows in a graph a simulated acoustic spectrum 200 of the acoustic thin-film resonator 100 of the 1 , On a horizontal axis is a frequency 210 plotted in MHz. On a vertical axis is an electrical phase 220 applied. Shown are both Schermoden 230 as well as longitudinal modes 240 of the acoustic thin-film resonator 100 , It can be seen that the acoustic thin-film resonator 100 in the illustrated frequency range between 500 MHz and 2.3 GHz, a first shear mode 231 , a second shear fashion 232 , a third shear fashion 233 and a fourth shear mode 234 having. In addition, the acoustic thin-film resonator has 100 in the illustrated frequency range a longitudinal mode 240 on.

Die im simulierten Spektrum 200 der 2 dargestellten Schermoden 230 und Longitudinalmoden 240 stellen Resonanzen des akustischen Dünnschichtresonators 100 dar. Wird der akustische Dünnschichtresonator 100 mit einer Frequenz angeregt, die der Frequenz einer Schermode 230 oder einer Longitudinalmode 240 des akustischen Dünnschichtresonators 100 entspricht, so wird die entsprechende Schermode 230 oder Longitudinalmode 240 im akustischen Dünnschichtresonator 100 angeregt. Wird der akustische Dünnschichtresonator 100 beispielsweise mit etwa 1950 MHz angeregt, so wird im akustischen Dünnschichtresonator 100 die vierte Schermode 234 des simulierten Spektrums 200 der 2 angeregt. The simulated spectrum 200 of the 2 Shear modes shown 230 and longitudinal modes 240 represent resonances of the acoustic thin-film resonator 100 Is the acoustic thin-film resonator 100 excited at a frequency that is the frequency of a shear mode 230 or a longitudinal mode 240 of the acoustic thin-film resonator 100 corresponds, then the corresponding shear mode 230 or longitudinal mode 240 in the acoustic thin-film resonator 100 stimulated. Will the acoustic thin-film resonator 100 For example, excited at about 1950 MHz, so is in the acoustic thin-film resonator 100 the fourth shear fashion 234 of the simulated spectrum 200 of the 2 stimulated.

1 zeigt neben dem akustischen Dünnschichtresonator 100 eine Dünnschicht 180, die in z-Richtung oberhalb der zweiten Elektrode 150 auf dem akustischen Dünnschichtresonator 100 angeordnet ist. Die Dünnschicht 180 weist in z-Richtung eine Dicke 190 auf, die beispielsweise im Bereich zwischen einigen zehn Nanometern und einigen Mikrometern liegen kann. Die Dünnschicht 180 besteht aus einem Material, dessen Dünnschicht-Materialeigenschaften ermittelt werden sollen. 1 shows next to the acoustic thin-film resonator 100 a thin film 180 in the z-direction above the second electrode 150 on the acoustic thin-film resonator 100 is arranged. The thin film 180 has a thickness in the z-direction 190 which may for example be in the range between a few tens of nanometers and a few micrometers. The thin film 180 consists of a material whose thin-film material properties are to be determined.

Die auf dem akustischen Dünnschichtresonator 100 angeordnete Dünnschicht 180 bewirkt eine Frequenzverschiebung der in 2 dargestellten Resonanzfrequenzen des akustischen Dünnschichtresonators 100. Die Größe der Frequenzverschiebung ist dabei sowohl von der Dicke 190 der Dünnschicht 180 als auch von Materialeigenschaften des Materials der Dünnschicht 180 abhängig.The on the acoustic thin-film resonator 100 arranged thin film 180 causes a frequency shift of in 2 shown resonant frequencies of the acoustic thin-film resonator 100 , The size of the frequency shift is both of the thickness 190 the thin film 180 as well as material properties of the material of the thin film 180 dependent.

3 zeigt einen Graphen, in dem eine Resonanzverschiebung 300 des akustischen Dünnschichtresonators 100 in Abhängigkeit der Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 für verschiedene Materialen der Dünnschicht 180 mit unterschiedlichen Massendichten dargestellt ist. Auf der horizontalen Achse des Graphen der 3 ist die Schichtdicke 190 in nm aufgetragen. Auf der vertikalen Achse des Graphen der 3 ist eine Frequenzverschiebung 320 in MHz aufgetragen. 3 shows a graph in which a resonance shift 300 of the acoustic thin-film resonator 100 depending on the layer thickness 190 the thin film 180 for different materials of the thin film 180 is shown with different mass densities. On the horizontal axis of the graph of 3 is the layer thickness 190 in nm. On the vertical axis of the graph of 3 is a frequency shift 320 plotted in MHz.

Eine erste Kurve 331 zeigt die sich in Abhängigkeit von der Schichtdicke 190 ergebende Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 eines ersten Materials mit einer Massendichte von 3000 kg/m³. Aus der ersten Kurve 331 ist beispielsweise erkennbar, dass sich eine Resonanzfrequenz im Spektrum 200 des akustischen Dünnschichtresonators 100 um etwa 75 MHz verschiebt, wenn auf dem Dünnschichtresonator 100 eine Dünnschicht 180 mit einer Schichtdicke 190 von 100 nm angeordnet wird, und diese Dünnschicht 180 aus einem Material besteht, das eine Massendichte von 3000 kg/m³ aufweist.A first turn 331 shows depending on the layer thickness 190 resulting resonant shift for a thin film 180 a first material with a mass density of 3000 kg / m ³ . From the first corner 331 For example, it can be seen that there is a resonance frequency in the spectrum 200 of the acoustic thin-film resonator 100 shifts by about 75 MHz when on the thin-film resonator 100 a thin film 180 with a layer thickness 190 of 100 nm, and this thin film 180 consists of a material that has a mass density of 3000 kg / m ³ .

Eine zweite Kurve 332 zeigt die von der Schichtdicke 190 abhängige Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus einem zweiten Material mit einer Massenmassendichte von 5000 kg/m³. Eine dritte Kurve 333 zeigt eine Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus einem dritten Material mit einer Massendichte von 7000 kg/m³. Eine vierte Kurve 334 zeigt eine Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus einem vierten Material mit einer Massendichte von 9000 kg/m³. Eine fünfte Kurve 335 zeigt eine von der Schichtdicke 190 abhängige Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus einem fünften Material mit einer Massendichte von 11000 kg/m³. Eine sechste Kurve 336 zeigt eine von der Schichtdicke 190 abhängige Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus einem sechsten Material mit einer Massendichte aus 13000 kg/m³. Eine siebte Kurve 337 zeigt eine von der Schichtdicke 190 abhängige Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus einem siebten Material mit einer Massendichte von 15000 kg/m³.A second turn 332 shows the of the layer thickness 190 dependent resonance shift for a thin film 180 from a second material with a mass density of 5000 kg / m ³ . A third turn 333 shows a resonance shift for a thin film 180 from a third material with a mass density of 7000 kg / m ³ . A fourth curve 334 shows a resonance shift for a thin film 180 from a fourth material with a mass density of 9000 kg / m ³ . A fifth turn 335 shows one of the layer thickness 190 dependent resonance shift for a thin film 180 from a fifth material with a mass density of 11000 kg / m ³ . A sixth turn 336 shows one of the layer thickness 190 dependent resonance shift for a thin film 180 from a sixth material with a mass density of 13000 kg / m ³ . A seventh turn 337 shows one of the layer thickness 190 dependent resonance shift for a thin film 180 from a seventh material with a mass density of 15000 kg / m ³ .

Eine achte Kurve 338 zeigt eine von der Schichtdicke 190 abhängige Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus einem achten Material mit einer Massendichte von 17000 kg/m³. Eine neunte Kurve 339 zeigt eine von der Schichtdicke 190 abhängige Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus einem neunten Material mit einer Massendichte die noch größer ist als die Massendichte des achten Materials der achten Kurve 338. Eine zehnte Kurve 330 zeigt eine von der Schichtdicke 190 abhängige Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus einem zehnten Material, dessen Massendichte noch höher ist als die des neunten Materials.An eighth turn 338 shows one of the layer thickness 190 dependent resonance shift for a thin film 180 made of an eighth material with a mass density of 17000 kg / m ³ . A ninth turn 339 shows one of the layer thickness 190 dependent resonance shift for a thin film 180 a ninth material with a mass density that is even greater than the mass density of the eighth material of the eighth curve 338 , A tenth turn 330 shows one of the layer thickness 190 dependent resonance shift for a thin film 180 from a tenth material whose mass density is even higher than that of the ninth material.

Aus 3 ist ersichtlich, dass die Resonanzverschiebung mit wachsender Schichtdicke 190 zunimmt. Weiter ist ersichtlich, dass die Resonanzverschiebung gleichzeitig auch von der Massendichte des Materials der Dünnschicht 180 abhängt. Bei bekannter Schichtdicke 190 liefert die Größe der Resonanzverschiebung also einen Hinweis auf die Massendichte des Materials der Dünnschicht 180.Out 3 It can be seen that the resonance shift with increasing layer thickness 190 increases. Furthermore, it can be seen that the resonance shift is at the same time also dependent on the mass density of the material of the thin film 180 depends. With known layer thickness 190 Thus, the magnitude of the resonance shift provides an indication of the bulk density of the material of the thin film 180 ,

4 zeigt einen Graphen, in dem eine Resonanzverschiebung 400 einer Resonanz des akustischen Dünnschichtresonators 100 in Abhängigkeit der Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 auf dem akustischen Dünnschichtresonator 100 dargestellt ist. Unterschiedliche Kurven zeigen die Resonanzverschiebung 400 für verschiedene Materialien der Dünnschicht 180 mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten. Auf einer horizontalen Achse des Graphen ist die Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 in nm aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse ist die sich ergebende Frequenzverschiebung 420 des akustischen Dünnschichtresonators 100 in MHz aufgetragen. Kurven 431, 432, 433, 434, 435, 436, 437, 438, 439 und 430 zeigen die von der Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 abhängige Resonanzverschiebung für Materialien mit einer Massendichte von jeweils 2000 kg/m³ und von Kurve zu Kurve zunehmende Schallgeschwindigkeiten. Dabei beträgt die Schallgeschwindigkeit bei der ersten Kurve 431 400 m/s, bei der zweiten Kurve 432 600 m/s, bei der dritten Kurve 433 800 m/s, bei der vierten Kurve 434 1000 m/s, bei der fünften Kurve 435 1200 m/s, bei der sechsten Kurve 436 1400 m/s, bei der siebten Kurve 437 1600 m/s, bei der achten Kurve 438 1800 m/s, bei der neunten Kurve 439 2000 m/s und bei der zehnten Kurve 430 2200 m/s. 4 shows a graph in which a resonance shift 400 a resonance of the acoustic thin-film resonator 100 depending on the layer thickness 190 the thin film 180 on the acoustic thin-film resonator 100 is shown. Different curves show the resonance shift 400 for different materials of the thin film 180 with different speeds of sound. On a horizontal axis of the graph is the layer thickness 190 the thin film 180 in nm. On a vertical axis is the resulting frequency shift 420 of the acoustic thin-film resonator 100 plotted in MHz. curves 431 . 432 . 433 . 434 . 435 . 436 . 437 . 438 . 439 and 430 show the of the layer thickness 190 the thin film 180 dependent resonance shift for materials with a mass density of 2000 kg / m ³ and from curve to curve increasing sound velocities. The speed of sound is at the first curve 431 400 m / s, at the second bend 432 600 m / s, at the third bend 433 800 m / s, at the fourth bend 434 1000 m / s, at the fifth bend 435 1200 m / s, at the sixth bend 436 1400 m / s, at the seventh turn 437 1600 m / s, at the eighth bend 438 1800 m / s, at the ninth bend 439 2000 m / s and at the tenth bend 430 2200 m / s.

Kurven 441, 442, 443, 444, 445, 446, 447, 448, 449 und 440 zeigen die von der Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 abhängige Resonanzverschiebung für unterschiedliche Materialen der Dünnschicht 180 mit einer Massendichte von jeweils 20000 kg/m³ und von Kurve zu Kurve zunehmender Schallgeschwindigkeit. Dabei beträgt die Schallgeschwindigkeit bei der Kurve 441 wiederum 400 m/s, bei der Kurve 442 600 m/s, bei der Kurve 443 800 m/s, bei der Kurve 444 1000 m/s, bei der Kurve 445 1200 m/s, bei der Kurve 446 1400 m/s, bei der Kurve 447 1600 m/s, bei der Kurve 448 1800 m/s, bei der Kurve 449 2000 m/s und bei der Kurve 440 2200 m/s.curves 441 . 442 . 443 . 444 . 445 . 446 . 447 . 448 . 449 and 440 show the of the layer thickness 190 the thin film 180 dependent resonance shift for different materials of the thin film 180 with a mass density of 20000 kg / m ³ and from curve to curve increasing speed of sound. The speed of sound is at the curve 441 again 400 m / s, at the bend 442 600 m / s, at the bend 443 800 m / s, at the bend 444 1000 m / s, at the bend 445 1200 m / s, at the bend 446 1400 m / s, at the bend 447 1600 m / s, at the bend 448 1800 m / s, at the bend 449 2000 m / s and at the bend 440 2200 m / s.

Aus 4 ist erkennbar, dass der Betrag einer durch die Dünnschicht 180 auf dem akustischen Dünnschichtresonator 100 verursachten Resonanzverschiebung des akustischen Dünnschichtresonators 100 bei einer festen Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 von der Schallgeschwindigkeit des Materials der Dünnschicht 180 abhängt. Dabei ist die sich ergebende Resonanzverschiebung umso größer, je kleiner die Schallgeschwindigkeit des Materials der Dünnschicht 180 ist. Aus der bei einer bekannten Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 sich ergebenden Resonanzverschiebung des akustischen Dünnschichtresonators 100 lässt sich also auf die Schallgeschwindigkeit des Materials der Dünnschicht 180 schließen.Out 4 It can be seen that the amount of a through the thin film 180 on the acoustic thin-film resonator 100 caused resonance shift of the acoustic thin-film resonator 100 at a fixed layer thickness 190 the thin film 180 from the speed of sound of the material of the thin film 180 depends. The resulting resonance shift is greater, the smaller the speed of sound of the material of the thin film 180 is. From the at a known layer thickness 190 the thin film 180 resulting resonant shift of the acoustic thin-film resonator 100 can therefore be based on the speed of sound of the material of the thin film 180 shut down.

5 zeigt einen weiteren Graphen, in dem simulierte und gemessene tatsächliche Resonanzverschiebungen 500 für drei unterschiedliche Materialien miteinander verglichen werden. Auf einer horizontalen Achse des Graphen 500 der 5 ist die Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 in nm aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse ist die sich ergebende Frequenzverschiebung 520 einer Resonanzfrequenz des akustischen Dünnschichtresonators 100 in MHz aufgetragen. 5 shows another graph in which simulated and measured actual resonance shifts 500 for three different materials. On a horizontal axis of the graph 500 of the 5 is the layer thickness 190 the thin film 180 in nm. On a vertical axis is the resulting frequency shift 520 a resonant frequency of the acoustic thin-film resonator 100 plotted in MHz.

Eine erste Kurve 530 zeigt die von der Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 abhängige Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃). Der durch die durchgezogene Kurve 530 dargestellte Verlauf der Resonanzverschiebung beruht auf einer Simulationsrechnung. Weiter zeigt der Graph 500 der 5 erste Messwerte 535 die an einem akustischen Dünnschichtresonator 100 mit einer auf dem akustischen Dünnschichtresonator 100 aufgebrachten Dünnschicht 180 aus Aluminiumoxid gemessen wurden. Es zeigt sich, dass der simulierte Kurvenverlauf 530 und die experimentell ermittelten Messwerte 535 sehr gut übereinstimmen.A first turn 530 shows the of the layer thickness 190 the thin film 180 dependent resonance shift for a thin film 180 made of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ). The through the solid curve 530 The course of the resonance shift shown is based on a simulation calculation. Next shows the graph 500 of the 5 first measured values 535 on an acoustic thin-film resonator 100 with one on the acoustic thin-film resonator 100 applied thin film 180 were measured from alumina. It turns out that the simulated curve 530 and the experimentally determined measured values 535 agree very well.

Weiter zeigt der Graph der 5 eine zweite Kurve 540, die den von der Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 abhängigen Verlauf einer Verschiebung einer Resonanz des akustischen Dünnschichtresonators 100 für eine Dünnschicht 180 aus Wolfram darstellt. Die durchgezogene Kurve 540 zeigt die Ergebnisse einer Simulationsrechnung. Gleichzeitig sind in 5 zweite Messwerte 545 dargestellt, die experimentell an einem Dünnschichtresonator 100 mit einer Dünnschicht 180 aus Wolfram gemessen wurden. Es zeigt sich, dass auch die zweite Kurve 540 und die zweiten Messwerte 545 sehr gut übereinstimmen.Next the graph shows the 5 a second turn 540 that of the layer thickness 190 the thin film 180 dependent course of a shift of a resonance of the acoustic thin-film resonator 100 for a thin film 180 made of tungsten. The solid curve 540 shows the results of a simulation calculation. At the same time are in 5 second measured values 545 shown experimentally on a thin-film resonator 100 with a thin film 180 were measured from tungsten. It turns out that the second turn 540 and the second readings 545 agree very well.

Weiter zeigt 5 eine dritte Kurve 550, in der die von der Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 abhängige Resonanzverschiebung für eine Dünnschicht 180 aus Platin gemäß einer Simulationsrechnung dargestellt ist. Außerdem zeigt der Graph 500 der 5 dritte Messwerte 555 die an einem akustischen Dünnschichtresonator 100 mit einer Dünnschicht 180 aus Platin gemessen wurden. Es zeigt sich, dass auch die simulierte dritte Kurve 550 gut mit den dritten Messwerten 555 übereinstimmt.Next shows 5 a third turn 550 in which the of the layer thickness 190 the thin film 180 dependent resonance shift for a thin film 180 is represented from platinum according to a simulation calculation. In addition, the graph shows 500 of the 5 third readings 555 on an acoustic thin-film resonator 100 with a thin film 180 were measured from platinum. It turns out that even the simulated third curve 550 good with the third readings 555 matches.

Aus dem in 5 dargestellten Vergleich von Simulation und Experiment ist ersichtlich, dass die Simulationen der 3 und 4 zuverlässige Ergebnisse liefern. Bei bekannter Schichtdicke der Dünnschicht 180 kann also aus der Resonanzverschiebung des akustischen Dünnschichtresonators 100 auf die Massendichte und die Schallgeschwindigkeit des Materials der Dünnschicht 180 geschlossen werden. Auf gleiche Weise kann aus der Resonanzverschiebung auch auf die akustische Impedanz, den Elastizitätsmodul und den Schermodul des Materials der Dünnschicht 180 geschlossen werden.From the in 5 The comparison of simulation and experiment shows that the simulations of the 3 and 4 deliver reliable results. With known layer thickness of the thin film 180 can therefore from the resonance shift of the acoustic thin-film resonator 100 on the mass density and the speed of sound of the material of the thin film 180 getting closed. Similarly, the resonance shift may also affect the acoustic impedance, Young's modulus, and shear modulus of the thin film material 180 getting closed.

6 zeigt einen weiteren Graphen, in dem simulierte und experimentell gemessene Resonanzen 600 des akustischen Dünnschichtresonators 100 dargestellt sind. Auf der horizontalen Achse ist wiederum die Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 in nm aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist eine sich ergebende Resonanzfrequenz 620 des akustischen Dünnschichtresonators 100 in MHz aufgetragen. Die Dünnschicht 180 besteht im Fall der 6 aus Kohlenstoffnanoröhren (carbon nano tubes; CNT). 6 shows another graph in which simulated and experimentally measured resonances 600 of the acoustic thin-film resonator 100 are shown. On the horizontal axis is again the layer thickness 190 the thin film 180 in nm. On the vertical axis is a resulting resonant frequency 620 of the acoustic thin-film resonator 100 plotted in MHz. The thin film 180 exists in the case of 6 from carbon nanotubes (CNT).

Im einzelnen sind in 6 die von der Schichtdicke 190 der Dünnschicht 180 abhängigen Verläufe der Frequenzen einer ersten Resonanz 631, einer zweiten 632, einer dritten Resonanz 633, einer vierten Resonanz 634, einer fünften Resonanz 635, einer sechsten Resonanz 636 und einer siebten Resonanz 637 dargestellt. Die durchgezogenen Linien geben dabei die Ergebnisse einer Simulationsrechnung wieder. Mit schwarzen Kästchen sind experimentell ermittelte Messdaten dargestellt. Wieder zeigt sich, dass Simulation und Experiment eine sehr gute Übereinstimmung liefern.In detail are in 6 the of the layer thickness 190 the thin film 180 dependent courses of the frequencies of a first resonance 631 , a second one 632 , a third resonance 633 , a fourth resonance 634 , a fifth resonance 635 , a sixth resonance 636 and a seventh resonance 637 shown. The solid lines represent the results of a simulation calculation. Black boxes show experimentally determined measurement data. Once again it shows that simulation and experiment provide a very good match.

Die anhand der 2 bis 6 erläuterten Erkenntnisse lassen sich nutzen, um Materialeigenschaften einer Dünnschicht 180 eines bekannten oder unbekannten Materials experimentell zu bestimmen. Dazu kann wie folgt vorgegangen werden: Zunächst wird der in 1 schematisch dargestellte akustische Dünnschichtresonator 100 nach bekannten Methoden hergestellt. Der akustische Dünnschichtresonator 100 weist in diesem Verfahrenstand noch keine Dünnschicht 180 auf seiner Oberfläche auf.The basis of the 2 to 6 explained insights can be used to material properties of a thin film 180 to experimentally determine a known or unknown material. This can be done as follows: First, the in 1 schematically shown acoustic thin-film resonator 100 produced by known methods. The acoustic thin-film resonator 100 does not yet have a thin layer in this process state 180 on its surface.

In einem nächsten Schritt können die Frequenzen einer oder mehrere Resonanzen des akustischen Dünnschichtresonators 100 ermittelt werden. Die Bestimmung der Resonanzfrequenzen erfolgt bevorzugt mit elektrischen und/oder optischen Methoden nach im Stand der Technik bekannten Verfahren.In a next step, the frequencies of one or more resonances of the acoustic thin-film resonator 100 be determined. The determination of the resonant frequencies is preferably carried out by electrical and / or optical methods according to methods known in the art.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird die Dünnschicht 180 auf den Dünnschichtresonator 100 aufgebracht. Das Aufbringen der Dünnschicht 180 kann beispielsweise durch Aufdampfen in einer Aufdampfanlage oder durch Sputtern in einer Kathodenzerstäubungsanlage erfolgen. Die Wahl eines geeigneten Verfahrens zum Aufbringen der Dünnschicht 180 ist vom Material der Dünnschicht 180 und von weiteren Parametern abhängig, die einem Fachmann bekannt sind. Beispielsweise führen die unterschiedlichen Verfahren zum Aufbringen der Dünnschicht 180 zu unterschiedlichen thermischen Belastungen des akustischen Dünnschichtresonators 100. Ein Aufdampfen der Dünnschicht 180 in einer Aufdampfanlage wird im Allgemeinen eine geringere thermische Belastung des akustischen Dünnschichtresonators 100 mit sich bringen als ein Aufsputtern der Dünnschicht 180.In a next process step, the thin film 180 on the thin-film resonator 100 applied. The application of the thin film 180 can be done for example by vapor deposition in a vapor deposition or by sputtering in a sputtering. The choice of a suitable method for applying the thin film 180 is from the material of the thin film 180 and dependent on other parameters known to those skilled in the art. For example, the different methods for applying the thin film 180 to different thermal loads of the acoustic thin-film resonator 100 , A vapor deposition of the thin film 180 In a vapor deposition system is generally a lower thermal load of the acoustic thin-film resonator 100 bring with it as a sputtering of the thin film 180 ,

Nach dem Aufbringen der Dünnschicht 180 oder bereits während des Aufbringens der Dünnschicht 180 wird die Schichtdicke 190 der aufgebrachten Dünnschicht 180 ermittelt. Das Bestimmen der Schichtdicke 190 kann beispielsweise mittels einer Waage erfolgen. Eine solche Waage kann beispielsweise eine Quarzmikrowaage sein. Ist die Quarzmikrowaage beispielsweise in eine Aufdampfkammer einer Aufdampfanlage eingebaut, so erlaubt die Quarzmikrowaage eine fortwährende Beobachtung der bereits aufgebrachten Schichtdicke 190 schon während des Aufbringens der Dünnschicht 180. Dies ist auch möglich, wenn die Quarzmikrowaage in einer Sputterkammer einer Kathodenzerstäubungsanlage angeordnet ist. Eine alternative Möglichkeit zum Bestimmen der Schichtdicke 190 der aufgebrachten Dünnschicht 180 besteht in der Verwendung eines Profilometers.After application of the thin film 180 or already during the application of the thin film 180 becomes the layer thickness 190 the applied thin film 180 determined. Determining the layer thickness 190 can be done for example by means of a balance. Such a balance may be, for example, a quartz microbalance. If the quartz microbalance is installed, for example, in a vapor deposition chamber of a vapor deposition system, the quartz microbalance allows continuous observation of the layer thickness already applied 190 even during the application of the thin film 180 , This is also possible if the quartz microbalance is arranged in a sputtering chamber of a cathode sputtering system. An alternative way of determining the layer thickness 190 the applied thin film 180 consists in the use of a profilometer.

Nach dem Aufbringen der Dünnschicht 180 auf den akustischen Dünnschichtresonator 100 können erneut die Frequenzen einer oder mehrerer Resonanzen des akustischen Dünnschichtresonators 100 ermittelt werden. Durch Vergleich der Resonanzfrequenzen des akustischen Dünnschichtresonators 100 vor und nach dem Aufbringen der Dünnschicht 180 kann die durch das Aufbringen der Dünnschicht 180 bewirkte Verschiebung der Resonanzfrequenzen des akustischen Dünnschichtresonators 100 berechnet werden. Es sind aber auch andere Methoden zur Ermittlung der durch die Dünnschicht 180 bewirkten Resonanzverschiebungen des akustischen Dünnschichtresonators 100 denkbar. Beispielsweise ist es möglich, die Lage der Resonanzen des akustischen Dünnschichtresonators 100 während des Aufbringens der Dünnschicht 180 fortwährend zu beobachten.After application of the thin film 180 on the acoustic thin-film resonator 100 Again, the frequencies of one or more resonances of the acoustic thin-film resonator 100 be determined. By comparing the resonance frequencies of the acoustic thin-film resonator 100 before and after the application of the thin film 180 can by the application of the thin film 180 caused displacement of the resonant frequencies of the acoustic thin-film resonator 100 be calculated. But there are also other methods for determining the through the thin film 180 caused resonant shifts of the acoustic thin-film resonator 100 conceivable. For example, it is possible to determine the position of the resonances of the acoustic thin-film resonator 100 during the application of the thin film 180 constantly watching.

Aus der ermittelten Resonanzverschiebung des akustischen Dünnschichtresonators 100 und der Schichtdicke 190 der auf den akustischen Dünnschichtresonators 100 aufgebrachten Dünnschicht 180 kann nun, beispielsweise nach dem Mason-Modell, die gesuchte Materialeigenschaft des Materials der Dünnschicht 180 berechnet werden. Das Mason-Modell erlaubt es, aus der Resonanzverschiebung und der Schichtdicke 190 die Massendichte, die Schallgeschwindigkeit, die akustische Impedanz, den Elastizitätsmodul und den Schermodul des Materials der Dünnschicht 180 zu errechnen.From the determined resonance shift of the acoustic thin-film resonator 100 and the layer thickness 190 on the acoustic thin-film resonator 100 applied thin film 180 Now, for example, according to the Mason model, the sought material property of the material of the thin film 180 be calculated. The Mason model allows for the resonance shift and the layer thickness 190 the mass density, the sound velocity, the acoustic impedance, the elastic modulus and the shear modulus of the material of the thin film 180 to calculate.

Die Lage der Resonanzfrequenzen des akustischen Dünnschichtresonators 100 können auch nach dem Aufbringen der Dünnschicht 180 über eine längere Zeit durchgehend oder wiederholt neu bestimmt werden. Dadurch können Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der Dünnschicht 180 über die Zeit verfolgt werden. Dies kann beispielsweise in der Qualitätskontrolle oder für Sicherheitsthemen von Interesse sein. The position of the resonance frequencies of the acoustic thin-film resonator 100 can also after the application of the thin film 180 be determined continuously or repeatedly over a longer period of time. This can change the physical properties of the thin film 180 be tracked over time. This may be of interest, for example, in quality control or safety issues.

Der akustische Dünnschichtresonator 100 ist vorteilhafterweise derart kompakt, dass er ohne Schwierigkeiten in eine Aufdampfkammer einer Aufdampfanlage oder eine Sputterkammer einer Kathodenzerstäubungsanlage integriert werden kann. Dies gestattet es, die Materialeigenschaften einer in der Aufdampfanlage oder der Kathodenzerstäubungsanlage hergestellten Dünnschicht bereits während des Herstellens der Dünnschicht zu ermitteln.The acoustic thin-film resonator 100 is advantageously so compact that it can be integrated without difficulty in a vapor-deposition chamber of a vapor deposition system or a sputtering chamber of a cathode sputtering system. This makes it possible to determine the material properties of a thin film produced in the vapor deposition system or the cathode sputtering system already during the production of the thin film.

In der nachfolgenden Tabelle sind Werte für die Massendichte von Dünnschichten aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Platin (Pt), Wolfram (W) und Kohlenstoffnanoröhren (CNT) dargestellt, die nach der hier dargestellten Methode aus den in 4 und 5 gezeigten Messwerten ermittelt wurden. Den gemessenen Werten sind aus der Literatur bekannte Werte gegenübergestellt.In the following table values for the bulk density of thin layers of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), platinum (Pt), tungsten (W) and carbon nanotubes (CNT) are shown, which according to the method shown here from the in 4 and 5 measured values were determined. The measured values are compared with values known from the literature.

Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung: Massendichte (kg/m³) Messung Literatur Al₂O₃ 3.1 ± 0.1 3.9 Pt 22.0 ± 0.7 21.5 W 17.2 ± 0.3 19.3 CNT 1.5 ± 0.1 2.05 ± 0.05 It shows a good agreement: mass density (kg / m ³ ) Measurement literature Al ₂ O ₃ 3.1 ± 0.1 3.9 Pt 22.0 ± 0.7 21.5 W 17.2 ± 0.3 19.3 CNT 1.5 ± 0.1 2.05 ± 0.05

In einer weiteren Tabelle sind Werte für die Schallgeschwindigkeit von Dünnschichten aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Platin (Pt), Wolfram (W) und Kohlenstoffnanoröhren (CNT) dargestellt, die nach der hier dargestellten Methode aus den in 4 und 5 gezeigten Messwerten ermittelt wurden. Den gemessenen Werten sind aus der Literatur bekannte Werte gegenübergestellt. Werte für Schermoden von Kohlenstoffnanoröhren sind in der Literatur nicht vorhanden. Es zeigt sich eine zufriedenstellende Übereinstimmung: Schallgeschwindigkeit (m/s) Messung Literatur Al₂O₃ > 2000 5790 Pt > 800 1690 W > 1000 2840 CNT 653 ± 13 N/A (Schermode) (Schermode) 810 ± 36 80 (Longitudinalmode) (Longitudinalmode) In another table, values for the speed of sound of thin films of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), platinum (Pt), tungsten (W) and carbon nanotubes (CNT) are shown, which according to the method shown here from the 4 and 5 measured values were determined. The measured values are compared with values known from the literature. Values for shear modes of carbon nanotubes are not available in the literature. It shows a satisfactory agreement: speed of sound (m / s) Measurement literature Al ₂ O ₃ > 2000 5790 Pt > 800 1690 W > 1000 2840 CNT 653 ± 13 N / A (Shear mode) (Shear mode) 810 ± 36 80 (Longitudinal mode) (Longitudinal mode)

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

HD Espinosa, BC Prorok and M. Fischer, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 51, Issue 1, January 2003, pages 47 to 67 [0004 ]
"Piezoelectric crystals and their application to ultrasonics" by W. Mason, D. Van Nostrand Co., McMillan and Co., 1950 [0006]

Claims

Method for determining a material property of a thin film ( 180 ) of a material, comprising the following process steps: - providing an acoustic thin-film resonator ( 100 ); Application of a thin layer ( 180 ) of the material on the thin-film resonator ( 100 ); Determining a by the application of the thin film ( 180 ) caused frequency shift of a resonant frequency of the thin-film resonator ( 100 ); Determining a layer thickness ( 190 ) of the applied thin film ( 180 ); Calculating the material property from the frequency shift and the layer thickness ( 190 ).

The method of claim 1, wherein for determining the frequency shift in each case a resonant frequency of the thin-film resonator ( 100 ) before and after the application of the thin film ( 180 ) is determined.

Method according to one of the preceding claims, wherein the material property a mass density, a sound velocity, an acoustic impedance, a modulus of elasticity or a shear modulus of the thin film ( 180 ).

Method according to one of the preceding claims, wherein the layer thickness ( 190 ) is determined with a balance.

Method according to claim 4, wherein the layer thickness ( 190 ) is determined with a quartz microbalance.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein the layer thickness ( 190 ) is determined with a profilometer.

Method according to one of the preceding claims, wherein the thin layer ( 180 ) on the thin-film resonator ( 100 ) is evaporated.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein the thin layer ( 180 ) by means of cathode sputtering on the thin-film resonator ( 100 ) is applied.

Method according to one of the preceding claims, wherein the material property is calculated according to the Mason model.

Device for determining a material property of a thin film ( 180 ) of a material comprising: - a thin-film acoustic resonator ( 100 ); A device for applying a thin layer ( 180 ) of the material on the thin-film resonator ( 100 ); A device for determining a by the application of the thin film ( 180 ) caused frequency shift of a resonant frequency of the thin-film resonator ( 100 ); A device for determining a layer thickness ( 190 ) of the applied thin film ( 180 ).

Apparatus according to claim 10, wherein the means for determining the layer thickness ( 190 ) is a quartz microbalance.

Apparatus according to claim 10, wherein the means for determining the layer thickness ( 190 ) is a profilometer.

Device according to one of claims 10 to 12, wherein the device for applying the thin film ( 180 ) is a vapor deposition system.

Device according to one of claims 10 to 12, wherein the device for applying the thin film ( 180 ) is a sputtering system.

Device according to one of claims 10 to 14, wherein the thin-film resonator ( 100 ) in the device for applying the thin layer ( 180 ) is arranged.