-
Technisches Anwendungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Sensors und/oder Aktuators, insbesondere für MEMS-Anwendungen, der einen Schichtstapel aus mehreren elektrisch leitfähigen Schichten und mehreren piezoelektrischen Schichten aufweist, in dem jede der piezoelektrischen Schichten jeweils zwischen zwei der elektrisch leitfähigen Schichten liegt.
-
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind Bauelemente, die mit ähnlichen Techniken wie integrierte Schaltkreise hergestellt werden. Im Unterschied zur Halbleiterelektronik mit einem spezifischen Fokus auf Prozessoren oder Speicher zeichnen sich MEMS durch eine große Funktionsvielfalt aus. Die Funktionalität wird durch eine spezifische Eigenschaft der Materialien bereitgestellt, die typischerweise mit Techniken der Dünnschichtabscheidung in MEMS integriert werden.
-
Eine spezielle Gruppe dieser Bauelemente stellen pMEMS (piezoelektrische mikroelektromechanische Systeme) dar. Sie können entweder aktorische Funktionen, wie beispielsweise als Mikropumpe oder Mikrolautsprecher, oder sensorische Funktionen, beispielsweise als Mikrofon oder als Berührungssensor, abbilden. Die Umwandlung einer physikalischen Größe wie mechanische Verformung in ein Spannungssignal oder umgekehrt die Umwandlung eines Spannungssignals in mechanische Bewegung stellt die Kernfunktion eines pMEMS dar. Als Funktionsmaterialien kommen bei dieser Gruppe von Bauelementen beispielsweise integrierte, piezoelektrische Dünnschichten aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) zum Einsatz, die mit unterschiedlichen Verfahren in einem Schichtdickenbereich von einigen 10 nm bis einigen µm deponiert werden. Bei der herkömmlichen Herstellung von PZT-basierten pMEMS erfolgt die Deposition des PZT zwischen einer Unter- und einer Oberelektrode aus Platin, so dass über diese Elektroden ein elektrisches Feld angelegt (bei aktorischer Funktion) bzw. detektiert (bei sensorischer Funktion) werden kann. Dieser bekannte Aufbau sowie die herkömmlichen Herstellungsverfahren für derartige Bauelemente bringen jedoch einige Nachteile mit sich.
-
Bei hohen technischen Anforderungen an Aktoren oder Sensoren wird es notwendig, Mehrschichtsysteme aus alternierenden Funktions- und Elektrodenschichten herzustellen. Auf diese Weise können beispielsweise beim Einsatz des Aktors als Mikrolautsprecher höhere Stellwege und damit größere Schalldrücke erzeugt werden. Mit den herkömmlichen für die Herstellung derartiger Mehrschichtsysteme eingesetzten Verfahren ist jedoch eine erhöhte Anzahl von Maskensätzen/Lithographieschritten erforderlich, so dass die Herstellung sehr zeit- und kostenintensiv wird.
-
Der Einsatz von Platin als Elektrodenmaterial kann unter bestimmten Bedingungen zur Bildung intermetallischer Phasen zwischen dem Platin und dem PZT führen, die die piezoelektrische Leistungsfähigkeit herabsetzen. Die Kombination beider Materialien kann bei längerem Einsatz auch zu Ermüdungserscheinungen führen. Weiterhin verursacht der hohe Materialpreis von Platin entsprechend höhere Kosten für das Bauelement.
-
Ein weiteres Problem stellt die hohe thermische Belastung bei der Herstellung derartiger Mehrschichtsysteme dar. Nach der Abscheidung der Dünnschicht ist in der Regel ein Kristallisationsschritt notwendig, mit dem erst die Funktionalität des deponierten Materials erreicht wird. Dieser erfordert Temperaturen oberhalb von 600°C. Bei integrierter MEMS-Fertigung wird der gesamte Wafer hierzu für mehrere Minuten in einer Ofeneinheit auf die nötige Temperatur erhitzt. Andere Materialien oder Bauelemente, die bereits auf dem Wafer integriert sind, können dadurch beschädigt oder zerstört werden.
-
Auch die Strukturierung der dünnen Schichten mit herkömmlichen Verfahren der Mikroelektronik stellt eine Herausforderung dar, da diese Schichten im Allgemeinen eine hohe Beständigkeit aufweisen und daher nur schwer chemisch ätzbar sind. Der Ätzprozess ist jedoch für die Herstellung von ortsaufgelösten 2D-Strukturen erforderlich. Ortsaufgelöste Strukturen mit hinreichender Genauigkeit, wie sie für MEMS erforderlich sind, lassen sich daher nur mit hohem Aufwand herstellen.
-
Stand der Technik
-
Die Herstellung piezoelektrischer Schichten für MEMS-Applikationen in einem Dickenbereich von 100 nm bis 1 µm erfolgt heutzutage durch Fertigungsmethoden wie Sputtern, Pulsed Laser Deposition (PLD) oder Aufschleudern nasschemischer Lösungen (CSD). Bei all diesen Techniken erfolgt zunächst eine ganzflächige Abscheidung der Schichten auf metallisierten (Silizium-) Wafern, die nachfolgende Übertragung einer gewünschten (Mikro-)Struktur durch Wegätzen des Materials auf großen Bereichen und die anschließende thermische Behandlung im Ofen. Die Einstellung der Zielschichtdicke wird bei Herstellung von piezoelektrischen Schichten mittels CSD durch mehrfaches Wiederholen des Beschichtungsprozesses erreicht.
-
Zur Vermeidung der Problematik von Platin als Elektrodenmaterial ist auch bekannt, Platin durch oxidische Elektroden aus beispielsweise elektrisch leitfähigen Perowskiten wie LaNiO3 (LNO) oder anderen elektrisch leitfähigen Oxiden zu ersetzen. LNO ist ein n-leitendes Oxid mit guter elektrischer Leitfähigkeit bei Raumtemperatur. LNO-Dünnschichten können wie PZT mit allen genannten Depositionsmethoden (Sputtern, PLD und CSD) auf verschiedensten Substraten aufgebracht werden. Gegenüber metallischen Elektroden hat LNO den Vorteil, dass keine unerwünschten Reaktionen in den Elektrodenschichten auftreten. Ein Beispiel für die Nutzung derartiger LNO-Dünnschichten findet sich beispielsweise in C.R. Cho et al., 1997, Appl. Phys. Lett. 71, Seiten 3013-3015.
-
H. Nagata et al., 2006, J. Am. Ceram. Soc. 89 [9], Seiten 2816-2821, zeigen die CSD-basierte Herstellung eines Mehrschichtaufbaus bestehend aus fünf alternierenden LNO/BaTiO3-Schichten, bei der LNO sowohl als untere als auch als obere Elektrode nasschemisch aufgebracht wird. Zur strukturierten Deposition von Elektroden und ferroelektrischen Schichten wird das so genannte Micro-Contact-Printing unter Einsatz von Stempeln eingesetzt. Bei einer Änderung der Strukturen müssen jedoch jeweils neue Stempel erstellt werden.
-
Die Herstellung von Mehrschicht-Dünnschicht-Aktuatoren auf PZT-Basis erfordert ein wiederholtes Erhitzen auf Temperaturen von 700 bis 800°C, was zur Beschädigung oder zu unerwünschten Diffusionsprofilen bei bereits integrierten Bauelementen führen kann. Jede weitere Schichtebene inklusive zusätzlicher Lithographie- und Ätzschritte für deren Strukturierung führt zu einer kontinuierlichen Erhöhung des Herstellungsaufwandes. Aufgrund dieser Probleme sind derzeit nur wenige Ansätze bekannt, solche Mehrschicht-Dünnschicht-Aktuatoren zu realisieren, die zudem auf maximal fünf Einzelschichten mit einer Gesamtdicke von 5 µm beschränkt sind (vgl. z.B. D. Balma et al., 2014, J. Am. Ceram. Soc. 97, Seiten 2069-2075).
-
Für die thermische Nachbehandlung von ferro- und piezoelektrischen Dünnschichten wie beispielsweise PZT ist bekannt, Laserstrahlung zur Kristallisation mit lokal hoher Kristallisationstemperatur bei gleichzeitig geringem Wärmeeintrag in das Gesamtsystem einzusetzen. Beispiele finden sich in N. Asakuma et al., 2000, Journal of Sol-Gel Science and Technology 19, Seiten 333-336, und in J. Zhang, 2012, Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM)XVII, Proc of SPIE Vol. 8243, Seiten 82430-C1 bis 82430-C11.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik sowie der oben beschriebenen Probleme besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Mehrschicht-Sensors und/oder -Aktuators anzugeben, das die obigen Probleme vermeidet und sich kostengünstig durchführen lässt.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 12 gibt einen mit dem Verfahren herstellbaren piezoelektrischen Sensor und/oder Aktuator an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
-
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein piezoelektrischer Sensor und/oder Aktuator hergestellt, insbesondere ein Mehrschicht-Dünnschicht-Aktuator für MEMS-Anwendungen, der einen Schichtstapel aus mehreren elektrisch leitfähigen Schichten und mehreren piezoelektrischen Schichten aufweist, in dem jede der piezoelektrischen Schichten jeweils zwischen zwei der elektrisch leitfähigen Schichten liegt. Die elektrisch leitfähigen Schichten, evtl. mit Ausnahme der untersten elektrisch leitfähigen Schicht, und die piezoelektrischen Schichten werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren jeweils aus Funktionskeramiken gebildet, indem jeweils eine Präkursorlösung für die Funktionskeramik auf ein Substrat oder eine bereits auf dem Substrat gebildete Schicht oder Schichtfolge aufgebracht und die Funktionskeramik anschließend durch thermische Prozessierung aus der Präkursorlösung gebildet wird. Das Substrat wird dann nach Bildung der elektrisch leitfähigen Schichten und der piezoelektrischen Schichten vorzugsweise zumindest in einem Bereich des Schichtstapels entfernt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Aufbringen der Präkursorlösung jeweils mit einer additiven Fertigungstechnik, vorzugsweise mit einem Tintenstrahldruckverfahren, und die thermische Prozessierung durch Laserbehandlung erfolgen.
-
Durch die Kombination der Bildung der piezoelektrischen und der elektrisch leitfähigen Schichten jeweils aus Funktionskeramiken, des Schichtauftrags der Schichten mittels einer additiven Fertigungstechnik und der thermischen Prozessierung mittels Laserstrahlung werden die obigen Probleme bei gleichzeitiger kostengünstiger Fertigung vermieden. Durch die rein additive Herstellung der einzelnen Schichten entfallen aufwändige Lithographie- und Ätzschritte, da die Strukturierung bereits beim Aufbringen der Schichten erfolgt. Dies ermöglicht die Herstellung dünner Schichten in jeder beliebigen Geometrie. Durch die Verwendung von Laserstrahlung zur thermischen Nachbehandlung, also zum Trocknen, Pyrolysieren und Kristallisieren, wird die thermische Belastung des Substrats sowie umliegender Bauteile minimiert. Die Nutzung einer Funktionskeramik für die elektrisch leitfähigen Schichten vermeidet die mit der Nutzung von Platinelektroden verbundenen Probleme. Vor allem bei Nutzung von PZT als piezoelektrischem Material bietet sich LNO für die elektrisch leitfähigen Schichten an, da es eine bessere Kompatibilität als Platin zu PZT aufweist und zudem deutlich kostengünstiger ist.
-
Besonders vorteilhaft ist die Kombination von elektrisch leitfähigen Schichten und piezoelektrischen Schichten aus Metalloxid-Keramiken. Diese oxidischen Materialien weisen eine hohe Kompatibilität zueinander auf und lassen sich mit ähnlichen Laserparametern funktionalisieren. Neben der bereits oben genannten Kombination aus LNO und PZT stellt die Kombination aus KNN (Kalium-Natrium-Niobat) als piezoelektrische und ITO (Indiumzinnoxid) als elektrisch leitfähige Schicht ein weiteres Beispiel für eine Materialkombination aus oxidischen Schichten dar.
-
Zur Laserbehandlung werden vorzugsweise ein oder mehrere Laserstrahlen entlang einer oder mehrerer Bahnen über die Oberfläche der jeweils aufgebrachten Präkursorschicht geführt. Diese Laserbehandlung erfolgt für jede einzelne Schicht nach deren Aufbringung. Die Laserbehandlung erfolgt dabei vorzugsweise als mehrstufiger Prozess unter Einsatz gepulster und kontinuierlicher Laserstrahlung. Die mehreren Stufen dienen dabei der Trocknung der Präkursorlösung als erster Stufe, gegebenenfalls einem Pyrolysieren von Komponenten der Präkursorschicht als zweiter Stufe und einer Kristallisation der Präkursorschicht als dritter Stufe. Vorzugsweise erfolgt die Trocknung mittels kontinuierlicher Laserstrahlung.
-
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich Mehrschicht-Dünnschicht-Aktuatoren (oder -Sensoren) herstellen, die aufgrund ihres Mehrschicht-Aufbaus eine höhere Leistungsfähigkeit als konventionelle Aktuatoren mit einem einlagigen Aufbau aufweisen. Vor allem für MEMS-Anwendungen bietet ein derartiger Aktuator Vorteile. So kann beispielsweise mit einem derart hergestellten MEMS-basierten Mikrolautsprecher ein höherer Schalldruck bei gleicher Chipgröße erzeugt werden. Bei einem Einsatz in einer Mikropumpe wird entsprechend die Pumpleistung erhöht. Diese Verbesserung wird einerseits durch das Ersetzen der Platin-Elektroden durch die keramischen Funktionsschichten und andererseits durch den Mehrschicht-Aufbau erreicht. Das Verfahren ist sehr kostengünstig umzusetzen, da keine aufwändigen Vakuum- oder Maskierprozesse benötigt und günstige und einfach herzustellende Ausgangsmaterialien verwendet werden. Der bevorzugte Einsatz von Tintenstrahldruck als additive Fertigungstechnik ermöglicht in Verbindung mit der laserbasierten thermischen Bearbeitung außerdem eine schnelle und energieeffiziente Herstellung derartiger Mehrschicht-Dünnschicht-Aktuatoren. Mit dem Verfahren lassen sich Aktuatoren oder Sensoren für beliebige piezoelektrische MEMS-Anwendungen herstellen, beispielsweise für Mikrolautsprecher, Mikropumpen, Mikrorelais, thermische Sensoren oder mechanische Sensoren. Das Verfahren ermöglicht vor allem eine wirtschaftliche Herstellung leistungsfähiger und energieeffizienter MEMS, da durch die rein additive Fertigung große Stückzahlen realisiert werden können.
-
Figurenliste
-
Das vorgeschlagene Verfahren und ein damit hergestellter piezoelektrischer Mehrschicht-Aktuator werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel für den vorgeschlagenen Herstellungsprozess in schematischer Darstellung;
- 2 ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Aktuators ohne intermediäre LNO-Schicht (Teilabbildung B) im Vergleich zum Aufbau eines einlagigen Aktuators (Teilabbildung A) in schematischer Darstellung; und
- 3 ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Aktuators mit intermediärer LNO-Schicht (Teilabbildung B) im Vergleich zum Aufbau eines einlagigen Aktuators (Teilabbildung A) in schematischer Darstellung.
-
Wege zur Ausführung der Erfindung
-
Bei dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein rein additiv gefertigtes, rein oxidisches Mehrschichtsystem auf Basis von PZT und LNO gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt. Das Mehrschichtsystem kann dabei entweder mit einer intermediären LNO-Schicht zwischen der Platin-Seedlayer und der ersten PZT-Schicht aufgebaut werden (2) oder ohne intermediäre LNO-Schicht (3). Die thermische Prozessierung (Trocknen, Pyrolisieren und Kristallisieren) wird dabei mit einem Laser realisiert. In der schematischen Darstellung in 1 sind die einzelnen Prozessschritte A bis F schematisch für den Aufbau eines Mehrschichtsystems ohne intermediäre LNO-Schicht dargestellt. Im ersten Prozessschritt A werden Präkursorlösungen für PZT 1 und LNO 2 bereitgestellt. In dieser Figur ist auch das Substrat 4, ein Silizium-Wafer, mit einer dünnen Platinschicht 3 als Seedlayer zu erkennen, die in dieser Ausgestaltung die unterste Elektrode des Mehrschichtsystems bildet und auf die die Präkursorlösungen aufgebracht werden. Im nächsten Schritt B wird die Präkursorlösung für PZT 1 mittels Tintenstrahldruck strukturiert aufgebracht. Die Figur zeigt hierbei schematisch den Druckkopf 5 des Tintenstrahldruckers sowie die gedruckte PZT-Schicht 6. Im nächsten Schritt C erfolgt mit einem Laserstrahl 7 die Laserbearbeitung der aufgebrachten Schicht, um diese zu trocknen, organische Bestandteile mittels Pyrolyse zu entfernen und schließlich die Schicht durch Kristallisation zu funktionalisieren. Als Ergebnis ist in der Figur die kristallisierte PZT-Schicht 8 dargestellt. Auf diese Schicht wird im nächsten Schritt D mittels Tintenstrahldruck eine LNO-Schicht 9 strukturiert aufgebracht. Im darauf folgenden Schritt E erfolgt dann wiederum die Laserbearbeitung der aufgebrachten Schicht, um diese zu trocknen, organische Bestandteile zu pyrolysieren und die Schicht schließlich zu kristallisieren. Die kristallisierte LNO-Schicht 10 ist in der Figur dargestellt. Die Schritte B bis E werden wiederholt bis die gewünschte Anzahl an Schichten zur Herstellung des Aktuators erreicht ist. Die Dicken der einzelnen Schichten liegen im Bereich zwischen 5 nm und 20 nm. Die Dicke des gesamten Schichtstapels beträgt je nach Schichtanzahl mehrere µm. Nach Fertigstellung dieses Schichtstapels wird in Schritt F ein Teil des Schichtstapels durch Entfernen des Substrates 4 freigestellt. Dies erfolgt durch ein geeignetes Ätzverfahren 11. Das Ergebnis ist der Mehrschicht-Dünnschicht-Aktuator 12.
-
Die Laserbearbeitung zum Trocknen, Pyrolysieren und Kristallisieren der aufgetragenen Schichten im vorliegenden Beispiel kann mit folgenden Parametern erfolgen:
- - Wellenlänge des Lasers: zwischen 440 und 1550 nm
- - Intensität: 2000 W/cm2 (Trocknen) bis 50.000 W/cm2 (Kristallisation)
- - Wechselwirkungszeit: <10 ms Unter der Wechselwirkungszeit wird hierbei die Zeit verstanden, während der jedes Oberflächenelement der zu bearbeitenden Oberfläche vom Laser bestrahlt wird. Diese Wechselwirkungszeit hängt von der Scangeschwindigkeit und vom Fokusdurchmesser des Laserstrahls ab.
-
Der Aufbau und die Verschaltung eines mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Mehrschicht-Aktuators im Vergleich zu einem konventionellen Einschicht-Aktuator sind schematisch in 2 und 3 dargestellt. 2A zeigt einen konventionellen Einlagen-Aktuator mit einem gedünnten Siliziumsubstrat 13 als Biegebalken, einer unteren Platinelektrode 3, einer kristallisierten PZT-Schicht 8 sowie einer kristallisierten LNO-Schicht 10. Demgegenüber weist der Mehrschicht-Aktuator (oder -Sensor), der mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt wurde, ein Mehrschichtsystem aus mehreren kristallisierten PZT-Schichten 8 und mehreren kristallisierten LNO-Schichten 10 auf, wie in 2B dargestellt. Alternativ kann das Mehrschichtsystem auch mit einer intermediären LNO-Schicht zwischen der Platinelektrode 3 und der untersten PZT-Schicht aufgebaut werden wir in dargestellt. Das Prinzip des Mehrschichtsystems kann auf diese Schichtabfolge ebenso angewendet werden. Die intermediäre LNO-Schicht wird dabei auf einem Seedlayer 3 aus Platin abgeschieden, der eine ähnliche Kristallstruktur wie LNO aufweist und damit die Kristallisation begünstigt. Durch den geringeren Abstand der Elektroden beim Mehrschicht-System gegenüber dem Einschichtsystem steigt die elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden bei derselben an den Elektroden angelegten Spannung (Plus-Pol 15, Minus-Pol 16). Dadurch nimmt auch die Auslenkung 17 des Aktuators zu, wie dies mit den Pfeilen in beiden Teilabbildungen angedeutet ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- PZT-Präkursorlösung
- 2
- LNO-Präkursorlösung
- 3
- Platin-Seedlayer bzw. Platinelektrode
- 4
- Substrat (Silizium-Wafer)
- 5
- Druckkopf des Tintenstrahldruckers
- 6
- Gedruckte PZT-Schicht
- 7
- Laserstrahl
- 8
- Kristallisierte PZT-Schicht
- 9
- Gedruckte LNO-Schicht
- 10
- Kristallisierte LNO-Schicht
- 11
- Ätzverfahren
- 12
- Mehrschicht-Aktuator
- 13
- Silizium-Substrat als Biegebalken
- 15
- Plus-Pol
- 16
- Minus-Pol
- 17
- Auslenkung des Biegebalkens
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- C.R. Cho et al., 1997, Appl. Phys. Lett. 71, Seiten 3013-3015 [0009]
- H. Nagata et al., 2006, J. Am. Ceram. Soc. 89 [9], Seiten 2816-2821 [0010]
- Balma et al., 2014, J. Am. Ceram. Soc. 97, Seiten 2069-2075 [0011]
- N. Asakuma et al., 2000, Journal of Sol-Gel Science and Technology 19, Seiten 333-336, und in J. Zhang, 2012, Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM)XVII, Proc of SPIE Vol. 8243, Seiten 82430-C1 bis 82430-C11 [0012]
