DE102013103404A1 - Method for determining a sample-specific size of a piezoelectric thin-film sample - Google Patents
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- G01R29/22—Measuring piezoelectric properties
Abstract
Es wird ein Verfahren zur Ermittlung einer probenspezifischen Größe einer auf einem elastischen Substrat (2) befindlichen und zwischen Elektroden (3, 4) angeordneten piezoelektrischen Dünnschichtprobe (4) vorgestellt, welches folgende Schritte umfasst: a) Messen eines ersten Wertes für einen longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten mit einer ersten Elektrodenmessanordnung, b) Messen mindestens eines zweiten Wertes für denselben longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten mit einer zweiten Elektrodenmessanordnung, c) Berechnen der probenspezifischen Größe mittels einer von den gemessenen Werten des longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten abhängigen Funktion. Bevorzugt wird auf diese Weise der transversale piezoelektrische Koeffizient ermittelt.A method for determining a sample-specific size of a piezoelectric thin-film sample (4) located on an elastic substrate (2) and arranged between electrodes (3, 4) is presented, which comprises the following steps: a) Measuring a first value for a longitudinal piezoelectric coefficient with a first electrode measuring arrangement, b) measuring at least a second value for the same longitudinal piezoelectric coefficient with a second electrode measuring arrangement, c) calculating the sample-specific size by means of a function dependent on the measured values of the longitudinal piezoelectric coefficient. In this way, the transverse piezoelectric coefficient is preferably determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer probenspezifischen Größe einer auf einem elastischen Substrat befindlichen und zwischen Elektroden angeordneten piezoelektrischen Dünnschichtprobe.The invention relates to a method for determining a sample-specific size of a piezoelectric thin-film sample located on an elastic substrate and arranged between electrodes.
Der piezoelektrische Effekt ist das Auftreten von elektrischen Spannungen an der Oberfläche eines Festkörpers bei seiner elastischen Verformung. Beim inversen piezoelektrischen Effekt verformt sich der Festkörper durch Anlegen einer Spannung an seiner Oberfläche. Der Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Materials wird durch die piezoelektrischen Koeffizienten beschrieben, welche Komponenten eines Tensors sind. Es gibt zwei Arten von Koeffizienten, nämlich den piezoelektrischen Verzerrungskoeffizienten dij, welche den Zusammenhang zwischen der mechanischen Verzerrung und dem wirkenden elektrischen Feld beschreiben, und den piezoelektrischen Spannungskoeffizienten eij, welche für den Zusammenhang zwischen der mechanischen Spannung und dem elektrischen Feld stehen. Die Koeffizienten dij und eij sind mittels elastischer Konstanten des piezoelektrischen Materials ineinander umrechenbar.The piezoelectric effect is the occurrence of electrical stress on the surface of a solid when it is elastically deformed. In the inverse piezoelectric effect, the solid deforms by applying a voltage on its surface. The relationship between the mechanical and electrical properties of a piezoelectric material is described by the piezoelectric coefficients which are components of a tensor. There are two types of coefficients, namely the piezoelectric distortion coefficient d ij , which describes the relationship between the mechanical distortion and the acting electric field, and the piezoelectric stress coefficient e ij , which stands for the relationship between the mechanical stress and the electric field. The coefficients d ij and e ij are interconvertible by means of elastic constants of the piezoelectric material.
Festkörper mit piezoelektrischen Eigenschaften weisen eine anisotrope Kristallstruktur mit einer Polarisationsrichtung auf, weshalb Längenänderungen einer Probe im Allgemeinen nicht nur parallel zur Richtung des beteiligten elektrischen Feldes sind. In einem auf eine piezoelektrische Probe bezogenen Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Achsen 1 bis 3 wird die Polarisationsrichtung als Achse 3 bezeichnet. Wesentlich im Zusammenhang mit der Arbeit mit piezoelektrischen Materialien sind der longitudinale piezoelektrische Koeffizient d33 bzw. e33, der den Zusammenhang zwischen einer zur Polarisationsrichtung parallelen elektrischen Feldkomponente und der hierzu ebenfalls parallelen mechanischen Verzerrung beschreibt, und der transversale piezoelektrische Koeffizient d31 bzw. e31, der den Zusammenhang zwischen der zur Polarisationsrichtung parallelen elektrischen Feldkomponente und der hierzu senkrechten mechanischen Verzerrung in Richtung der Achse 1 beschreibt. Piezoelektrische Dünnschichtproben sind in ihren Eigenschaften durch Randbedingungen stark beeinflusst, z. B. durch ihre geometrische Form oder durch ein die Probe haltendes Substrat, so dass die piezoelektrischen Koeffizienten sich von denen in einem entsprechenden Bulkmaterial unterscheiden, also probenspezifisch sind. Man spricht bei den probenspezifischen Koeffizienten von den effektiven piezoelektrischen Koeffizienten, z. B. e31,f.Solids with piezoelectric properties have an anisotropic crystal structure with a direction of polarization, which is why changes in the length of a sample are generally not only parallel to the direction of the electric field involved. In a reference to a piezoelectric sample coordinate system with mutually
Für die Herstellung von piezoelektrischen Dünnschichten auf Substraten ist die Kenntnis und Prüfung der piezoelektrischen Koeffizienten von entscheidender Bedeutung. Typische Materialien für piezoelektrische Dünnschichten sind beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Aluminiumnitrid (AlN). Solche Schichten werden insbesondere für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) als Aktoren verwendet. Für derartige Aktoren ist insbesondere der transversale piezoelektrische Koeffizient e31 bzw. d31 wichtig, der eine Biegung einer Struktur, wie z. B. Membrane oder Biegebalken, hervorruft.For the production of piezoelectric thin films on substrates, the knowledge and testing of the piezoelectric coefficients is of crucial importance. Typical materials for piezoelectric thin films are, for example, lead zirconate titanate (PZT) or aluminum nitride (AlN). Such layers are used in particular for microelectromechanical systems (MEMS) as actuators. For such actuators in particular the transverse piezoelectric coefficient e 31 and d 31 is important, the bending of a structure such. As membrane or bending beam causes.
Aus der
Aus der
Aus der vorgenannten Druckschrift ist es des Weiteren bekannt auf ein Substrat, beispielsweise einen Siliziumwafer, eine untere Elektrode aufzubringen und darauf das piezoelektrische Material zu platzieren, welches wiederum von einer oberen Elektrode zumindest zum Teil abgedeckt wird.It is further known from the aforementioned document to apply a lower electrode to a substrate, for example a silicon wafer, and to place the piezoelectric material thereon, which in turn is at least partially covered by an upper electrode.
Von
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem eine probenspezifische Größe mit geringerem Aufwand und ohne Zerstörung des Substrats durchgeführt werden kann.It is an object of the present invention to provide a novel method of the type mentioned above, with which a sample-specific size can be carried out with less effort and without destroying the substrate.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is solved by the features of
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the method according to the invention will become apparent from the dependent claims.
Im Folgenden werden der theoretische Hintergrund sowie eine beispielhafte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Figuren dargestellt.In the following, the theoretical background and an exemplary preferred embodiment of the method according to the invention are illustrated by means of figures.
Es zeigt schematisch:It shows schematically:
Die Erfindung nutzt nun die im Stand der Technik nicht dargestellte Erkenntnis, dass für dieselbe Probe bei unterschiedlichen Elektrodenanordnungen unterschiedliche Werte für den an sich selben effektiven longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten gemessen werden.
Dieser Effekt ist vermutlich auf den Einfluss des mit der Dünnschichtprobe
Es wurde gefunden, dass die Querkompression des Substrates
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den oben beschriebenen Effekt der Messung unterschiedlicher Werte für den longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten aus, um eine weitere probenspezifische Größe, bevorzugt den transversalen piezoelektrischen Koeffizienten, mittelbar zu bestimmen. Für die Darstellung des mathematischen Zusammenhangs des Effekts mit dem transversalen Koeffizienten wird bevorzugt das in der Beschreibungseinleitung erwähnte theoretische Modell III aus der Druckschrift von
Der mathematische Zusammenhang lässt sich wie folgt plausibel herleiten:
Zunächst wird allgemein eine Dickenänderung D des Substrats
First, generally, a thickness change D of the substrate will be made
Gemäß den theoretischen Betrachtungen von
Wird die piezoelektrische Schicht nur zum Teil von der wirkenden Elektrode
Ersetzt man in Gleichung (1) die Größe TSu gemäß Gleichung (3), ergibt sich: If, in equation (1), the quantity T Su is replaced by equation (3), the result is:
Aus bekannten Grundgleichungen der Piezoelektrizität ist TPP in erster Nährung gegeben durch wobei YPP der Elastizitätsmodul, νPP die Querkontraktion der Dünnschichtprobe
Gleichung (5) in Gleichung (4) eingesetzt ergibt wobei d31 der transversale piezoelektrische Verzerrungskoeffizient und e31,f der gesuchte effektive transversale piezoelektrische Spannungskoeffizient ist. Die geometrieabhängige Konstante a hängt von der Elektrodenmessanordnung ab, die sich aus der Ausdehnung der Elektrode
Es gilt D/VPP = d33,meas – d33,f, woraus sich folgende Abhängigkeit des gemessenen Wertes für den transversalen Koeffizienten von der geometrischen Konstante a ergibt: D / V PP = d 33, meas - d 33, f , from which the following dependence of the measured value for the transverse coefficient on the geometric constant a results:
Bei zwei Messungen mit zwei verschiedenen Geometrien und entsprechend unterschiedlichen bekannten geometrischen Konstanten a1 und a2 ergeben sich unterschiedliche Messwerte d33,meas1 und d33,meas2 für den transversalen Koeffizienten. Durch einfache Subtraktion ergibt sich: In two measurements with two different geometries and correspondingly different known geometric constants a 1 and a 2 , different measured values d 33, meas 1 and d 33, meas 2 result for the transverse coefficient. By simple subtraction results:
Somit lässt sich der transversale piezoelektrische Koeffizient e31,f aus den gemessenen Werten sowie den bekannten geometrischen Konstanten a1 und a2 sowie den gut bekannten Größen YSu und νSu bestimmen.Thus, the transverse piezoelectric coefficient e 31, f can be determined from the measured values as well as the known geometric constants a 1 and a 2 as well as the well-known quantities Y Su and ν Su .
Alternativ lassen sich weitere probenspezifische Größen bestimmen, beispielsweise νPP oder YPP bei entsprechender äquivalenter Umformung der Gleichung (8), wenn z. B. bereits der transversale piezoelektrische Koeffizient bekannt ist.Alternatively, further sample-specific quantities can be determined, for example ν PP or Y PP with a corresponding equivalent transformation of equation (8), if z. B. already the transverse piezoelectric coefficient is known.
Die obige Herleitung geht von skalaren Größen und damit von einer isotropen Betrachtung aus. Die skalaren Größen können als Mittelung über den in der Regel gegebenen anisotropen Fall gesehen werden. Eine genauere anisotrope Betrachtung ist in entsprechender Weise möglich und erlaubt auch die Ermittlung von piezoelektrischen Koeffizienten, welche auf andere Achsen bezogen sind, als die in der obigen Herleitung eingesetzten.The above derivation assumes scalar sizes and thus an isotropic view. The scalar quantities can be seen as an average over the usually given anisotropic case. More accurate anisotropic viewing is possible in a similar manner and also allows the determination of piezoelectric coefficients related to other axes than those used in the above derivation.
Die obigen Betrachtungen sind nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt. So kann die obere Elektrode
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Messstrukturmeasurement structure
- 22
- Substratsubstratum
- 33
- untere Elektrodelower electrode
- 44
- Dünnschichtprobethin film sample
- 55
- obere Elektrodeupper electrode
- 66
- Teilbereich der DünnschichtprobePart of the thin-film sample
- 77
- Dünnschichtprobethin film sample
- 88th
- obere Elektrodenupper electrodes
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102005006958 A1 [0005, 0006] DE 102005006958 A1 [0005, 0006]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films an Elastics Substrates; a. a. O.) [0023] Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films on Elastics Substrate, supra). [0023]
- Zachalas et al [0025] Zachalas et al. [0025]
- Zachalas et al.; a. a. O., S. 683 [0025] Zachalas et al .; cit., p. 683 [0025]
- Zalachas a. a. O., S. 688, die dortige Gleichung 18 [0026] Zalachas loc. Cit., P. 688, the equation 18 there [0026]
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