WO2009121901A1 - Layer system for electrodes - Google Patents

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WO2009121901A1
WO2009121901A1 PCT/EP2009/053862 EP2009053862W WO2009121901A1 WO 2009121901 A1 WO2009121901 A1 WO 2009121901A1 EP 2009053862 W EP2009053862 W EP 2009053862W WO 2009121901 A1 WO2009121901 A1 WO 2009121901A1
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WO
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layer system
layer
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carbon nanostructures
matrix material
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PCT/EP2009/053862
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Inventor
Siegfried Menzel
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Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V.
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/125Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/145Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/08Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of resonators or networks using surface acoustic waves
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
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    • HELECTRICITY
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    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/87Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877Conductive materials

Definitions

  • the invention relates to the field of materials science and relates to a layer system for electrodes, in particular for interdigital transducers for surface acoustic wave devices, and especially for interdigital transducers for surface acoustic wave devices, which can be used for example as a frequency filter, sensors or actuators, but also for electrodes of other micro-electro-mechanical systems.
  • SAW devices generally consist of a piezoelectric substrate or piezoelectric thin film on a non-piezoelectric substrate and one or more interdigital transducers (IDTs) for coupling and decoupling the electrical energy, as well as corresponding ones Contact areas (pads).
  • IDTs interdigital transducers
  • SAW devices may result from migration effects (akustomigration), chipping (metal interface substrate failure) or cracking in the substrate itself , All of this limits the power compatibility, the reliability, as well as the lifetime of the components.
  • SAW devices Another problem with SAW devices is that of contacting the IDT, which requires adherence between a contact element (e.g., Al or Au wire) and the pads. For components with operating frequencies in the GHz range, these pads must also be thickened accordingly (increasing the layer thickness of the metallization in the pad area).
  • a contact element e.g., Al or Au wire
  • Interdigital transducers for SAW devices are often fabricated from either Al-based or Cu-based thin-film systems (metallization) with typical dimensions of 50 to 500 nm total thickness with or without a primer layer (usually Ti).
  • metallization Al-based or Cu-based thin-film systems
  • Conventional deposition methods are electron beam evaporation or magnetron sputtering.
  • These thin-film systems are deposited either as a single layer or as alloys or as multilayer systems.
  • the structuring of the metallization layers takes place either via lift-off technology or via etching techniques with the aid of a mask. Due to a given relationship between migration and the mechanical properties of the metallization, the performance compatibility and consequently the lifetime of the SAW devices can be increased by improved thermomechanical properties of the metallization.
  • CNT-MMC Metal matrix composite materials with embedded carbon nanotubes
  • CNT-Cu composites US 2007/0199826 A1, US 2007/0158619 A1, US 7226531 B2
  • CNT-Cu composite layers can be produced on substrates having improved mechanical and tribological properties by means of electroplating.
  • connection wire made of a composite material of CNTs and metal on flexible substrates known.
  • nanostructures and in particular carbon nanotubes, can exhibit extraordinary properties [Dresselhaus, M.S., Dresselhaus, G., Avouris, P. (Eds.): Carbon Nanotubes, Synthesis, Structure, Properties, and Applications. Springer-V. Berlin (2001)].
  • the object of the present invention is to specify a layer system for electrodes with improved power compatibility and lifetime.
  • the object is achieved by the invention specified in the claims.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the layer system for electrodes according to the invention consists of a piezoelectric substrate with strip structures embedded thereon or embedded in the substrate made of a composite material which consists of a metallic matrix material having at least one intercalation phase of carbon nanostructures.
  • the layer system is used for interdigital transducers for surface acoustic wave devices.
  • the composite material on amorphous or nanocrystalline structure.
  • a metallic matrix material is also available as a metallic matrix material.
  • a fcc matehal having a high conductivity.
  • the metallic matrix material Al, Cu, Ag, Au, Pt or Ru are present.
  • the intercalation phase consists of carbon nanotubes, carbon nanowires, fullerenes or graphenes, wherein advantageously the carbon nanotubes are single-walled (single wall CNT) or multi-walled (multiwall CNT), and / or the intercalation phase is contained in a directional arrangement in the matrix material and / or as storage phase completely filled carbon nanotubes or filled fullerenes are present or a combination of such and / or as a storage phase, a combination of filled carbon nanotubes or filled fullerenes with unfilled carbon nanotubes or unfilled fullerenes or graphenes or combination of such. It is also advantageous if the carbon nanostructures are carbon nanostructures produced by catalytic CVD processes.
  • carbon nanostructures of the intercalation phase are bonded to the substrate in a material-locking and / or force-locking manner, wherein carbon nanostructures of the intercalation phase, which are arranged in a directionally advantageous manner, are all connected in one material to the substrate in a cohesive and / or force-locking manner.
  • the strip structures are completely or almost completely embedded in the substrate.
  • particles or a layer of a catalyst material are applied either to a seed layer located on a substrate, this layer composite is exposed to a temperature increase and subsequently carbon nanostructures are produced by means of plasma-assisted processes, and subsequently at least the interspaces between the carbon nanostructures filled in a metallic matrix material and / or in which are applied to a substrate with or without already existing layers by means of plasma-assisted processes particles that lead during or after deposition to the formation of carbon nanostructures and subsequently the spaces between the carbon nanostructures are filled by a metallic matrix material
  • the seed layer material used is Cu or Ru or TaN.
  • Fe, Ni and / or Co are used as the catalyst material.
  • a barrier layer is applied between substrate and seed layer.
  • CH 4 -GaS is used in the plasma-assisted process, wherein advantageously still another gas is used for diluting the C content, which is advantageously used as Ar or He.
  • the nanostructures are provided with an intermediate layer, which is preferably applied by means of atomic layer deposition (ALD), advantageously the intermediate layer consisting of a metal or an oxide or nitride such as Ru, Ta, Ti, TaN, TiN, Hf oxide or Zr oxide or multilayers or alloys thereof and is used as such.
  • ALD atomic layer deposition
  • a composite material as material for electrodes and in particular for the finger electrodes of the interdigital transducers of surface acoustic wave components.
  • the use of composite materials based on a metal or a metal alloy or metal multilayers in conjunction with nanostructures as storage phase as thin-film systems as a material for finger electrodes of the interdigital transducer is not yet known.
  • SWCNT single-walled CNT
  • MWCNT multi-walled carbon nanotubes
  • CNTs prepared via cCVD are predominantly MWCNTs in the diameter range between 10 nm and 100 nm.
  • the outer sheaths usually have many structural defects or are partially or completely amorphous.
  • the CNTs can be purified, functionalized or filled with various materials during or after preparation.
  • Defect - free CNTs can have an extremely high Young ' s modulus (up to about 1.2 TPa) and a ballistic electron transport as well as a high heat conduction.
  • the previous disadvantages of the known solutions for interdigital transducer for the SAW devices can be eliminated or at least be significantly improved, in particular the homogeneous distribution of the CNTs within the inventive coating system improves and the arrangement thereof can be controlled selectively.
  • the viscosity of the layer material can be adjusted in a certain range and / or kept at a certain value, whereby the insertion loss of the device can be positively influenced.
  • layer systems with at least one intercalation phase composite layer system of zero (fullerenes), single (carbon nanotubes, carbon nanowires), or two-dimensional (graphene) carbon nanostructures can be used for producing power-compatible metallizations for electrodes and in particular for interdigital transducers for SAW components a method of thin film deposition (preferably electrochemical deposition (electroplating)) can be produced.
  • the CNTs are functionalized or provided with at least one intermediate layer which, after growth, is applied to the carbon modifications, preferably with atomic layer deposition (ALD).
  • ALD atomic layer deposition
  • the production of the layer systems for electrodes according to the invention and in particular for interdigital transducers for surface acoustic wave components can, for example, be carried out by applying catalyst particles (for example Fe, Ni, Co or others) to a substrate.
  • catalyst particles for example Fe, Ni, Co or others
  • This is preferably done in a continuous flow plant, either directly using the catalyst particles, e.g. be applied via a sputtering technique, from a supersaturated vapor, or in a continuous system, first a thin layer (1 -5 nm thickness) of the catalyst material via one of the thin-film techniques (sputtering, evaporation, CVD) is deposited on the surface of the substrate and a subsequent Heat treatment, the formation of the catalyst particles by agglomeration effects.
  • the particle size is preferably between 5 and 30 nm, depending on the process parameters.
  • the coated substrate is exposed in a C-containing atmosphere via thermally activated processes or thermal plasma activated processes with carbon nanostructures, e.g. Carbon nanotubes, coated.
  • carbon nanostructures e.g. Carbon nanotubes
  • These carbon nanotubes in this case have a preferential direction with respect to the surface of the substrate.
  • the carbon nanostructures are functionalized (formation of OH groups) and / or coated via ALD with at least one adhesion promoter layer (eg TaN or Ru), and then coated with the metallic matrix material by means of a deposition process (preferably electroplating), so that the spaces between the Carbon nanostructures are partially or completely filled and the matrix material serves as a sheath for the carbon nanostructures.
  • a composite layer is obtained which comprises aligned carbon nanostructures in a matrix material in which the carbon nanostructures are incorporated in a length or over a thickness which corresponds at least to the thickness of the layer.
  • unregulated incorporation of the carbon nanostructures in the matrix material is possible when the carbon nanostructures are deposited together with the metal layer.
  • Layer system contains areas with directionally arranged carbon nanostructures and at the same time other areas in which the carbon nanostructures are arranged non-directionally.
  • the application of at least the matrix layer can also be effected by other methods, for example electrolessly by means of electroless plating.
  • the coating of a substrate with the layer system according to the invention can take place and subsequently the substrate can be removed.
  • the layer systems according to the invention can also be used for electrodes for micromirror systems, for microelectromechanical pressure sensors or actuators, for piezoelectromechanical control elements and there also shows improved power compatibility and service life.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the layer system according to the invention in
  • Fig. 2 is a schematic representation of the layer system according to the invention in
  • FIG. 3 shows examples of transmission electron microscopic images a) CNT-Cu layer system with a layer thickness of 1.95 ⁇ m, b) with a thin Ta (N) layer by means of ALD-coated CNT before Cu electroplating
  • interdigital transducers for SAW components from the layer system according to the invention is illustrated using the example of the damascene technique.
  • a quartz wafer provided with a resist mask is patterned by means of reactive ion etching into finger-shaped arrangements, the interdigital transducers, of dimensions (finger widths) of 3.76 ⁇ m, and the remaining lacquer is peeled off.
  • this structured arrangement is provided with a 5 nm thick layer of TaN as a barrier layer and subsequently with a 50 nm thick Cu layer as a seed layer. These layers are sputtered on.
  • Ni catalyst particles having an average size of 20 nm and having a density of 1000-5000 particles / ⁇ m 3 are deposited by a supersaturated steam sputtering method.
  • the electrical resistance is 1.73 ⁇ Ohmcm.
  • interdigital transducers show a significantly higher power compatibility and lifetime compared to Cu layers without CNT storage phases.
  • a lacquer-masked wafer made of LiNbOs is patterned by means of reactive ion etching into finger-shaped arrangements of 0.5 ⁇ m width and a similar spacing (interdigital transducer for filter structures in the GHz range) and the residual lacquer is peeled off. Subsequently, this structured arrangement is provided with a 3 nm thick layer of Ta-Si-N as a barrier layer and subsequently with a 50 nm thick Cu layer as a seed layer. These layers are sputtered on. Thereafter, chemically functionalized carbon nanotubes with a narrow diameter distribution with a maximum at 20 nm diameter and a length between 3 and 5 microns are placed in a Cu electrolyte and circulated the bath. In a further process step, the coating with the Cu electrolyte takes place via electroplating.

Abstract

The invention is concerned with the field of material sciences and relates to a layer system for electrodes which can be used for example in frequency filters, sensors or actuators. The object of the present invention is to specify a layer system for electrodes having improved power compatibility and lifetime. The object is achieved by means of a layer system for electrodes, comprising a piezoelectric substrate with strip structures that are composed of a composite material and are situated on or embedded in the substrate, said composite material comprising a metallic matrix material with at least one incorporation phase composed of carbon nanostructures. The object is furthermore achieved by means of a method in which catalyst material is applied on a seed layer, this is subjected to a temperature increase and carbon nanostructures are subsequently produced and the interspaces between the carbon nanostructures filled by a metallic matrix material, and/or in which particles are applied to a substrate, which particles lead to carbon nanostructures, and the interspaces between the carbon nanostructures are subsequently filled by a metallic matrix material.

Description

Schichtsystem für Elektroden Layer system for electrodes
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft ein Schichtsystem für Elektroden, insbesondere für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente, und speziell für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente, welche beispielsweise als Frequenzfilter, Sensoren oder Aktuatoren zum Einsatz kommen können, aber auch für Elektroden von anderen mikro-elektromechanischen Systemen.The invention relates to the field of materials science and relates to a layer system for electrodes, in particular for interdigital transducers for surface acoustic wave devices, and especially for interdigital transducers for surface acoustic wave devices, which can be used for example as a frequency filter, sensors or actuators, but also for electrodes of other micro-electro-mechanical systems.
Akustische Oberflächenwellen-Bauelemente (Surface Acoustic Wave (SAW)- Bauelemente) bestehen im Allgemeinen aus einem piezoelektrischen Substrat oder einer piezoelektrischen Dünnschicht auf einem nichtpiezoelektrischem Substrat und aus einem oder mehreren Interdigitalwandlern (IDT) zur Ein- und Auskopplung der elektrischen Energie, sowie aus entsprechenden Kontaktierungsbereichen (Pads). Bei dem Betrieb der akustischen Oberflächenwellen-Bauelemente bei hohen Temperaturen und/oder hohen SAW-Leistungen kann es zu stressinduzierten Ausfällen bei SAW-Bauelementen durch Migrationseffekte (Akustomigration), zu Abplatzungen (Versagen des Interface Metallschicht-Substrat) oder zur Rissbildung im Substrat selbst kommen. All dies limitiert die Leistungsverträglichkeit, die Zuverlässigkeit, sowie die Lebensdauer der Bauelemente.Surface acoustic wave (SAW) devices generally consist of a piezoelectric substrate or piezoelectric thin film on a non-piezoelectric substrate and one or more interdigital transducers (IDTs) for coupling and decoupling the electrical energy, as well as corresponding ones Contact areas (pads). In the operation of the surface acoustic wave devices at high temperatures and / or high SAW performance, stress-induced failures of SAW devices may result from migration effects (akustomigration), chipping (metal interface substrate failure) or cracking in the substrate itself , All of this limits the power compatibility, the reliability, as well as the lifetime of the components.
Ein weiteres Problem bei SAW-Bauelementen besteht in der Kontaktierung der IDT, wofür haftfeste Verbindungen zwischen einem Kontaktelement (z.B. AI- oder Au- Draht) und den Pads realisiert werden müssen. Für Bauelemente mit Betriebsfrequenzen im GHz-Bereich müssen diese Pads außerdem entsprechend aufgedickt werden (Erhöhung der Schichtdicke der Metallisierung im Padbereich).Another problem with SAW devices is that of contacting the IDT, which requires adherence between a contact element (e.g., Al or Au wire) and the pads. For components with operating frequencies in the GHz range, these pads must also be thickened accordingly (increasing the layer thickness of the metallization in the pad area).
Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente werden häufig entweder aus Al-basierten oder Cu-basierten Dünnschichtsystemen (Metallisierung) mit typischen Abmessungen einer Gesamtdicke von 50 bis 500 nm mit oder ohne Haftvermittlerschicht (meist Ti) hergestellt. Übliche Abscheideverfahren sind Elektronenstrahlverdampfen oder Magnetronsputtern. Diese Dünnschichtsysteme werden entweder als Einzelschicht oder als Legierungen oder als Multischichtsysteme abgeschieden. Die Strukturierung der Metallisierungsschichten erfolgt entweder über Lift-Off-Technik oder über Ätztechniken mit Hilfe einer Maske. Aufgrund eines gegebenen Zusammenhangs zwischen Migration und den mechanischen Eigenschaften der Metallisierung kann die Leistungsverträglichkeit und folglich auch die Lebensdauer der SAW-Bauelemente durch verbesserte thermo- mechanische Eigenschaften der Metallisierung erhöht werden.Interdigital transducers for SAW devices are often fabricated from either Al-based or Cu-based thin-film systems (metallization) with typical dimensions of 50 to 500 nm total thickness with or without a primer layer (usually Ti). Conventional deposition methods are electron beam evaporation or magnetron sputtering. These thin-film systems are deposited either as a single layer or as alloys or as multilayer systems. The structuring of the metallization layers takes place either via lift-off technology or via etching techniques with the aid of a mask. Due to a given relationship between migration and the mechanical properties of the metallization, the performance compatibility and consequently the lifetime of the SAW devices can be increased by improved thermomechanical properties of the metallization.
Metallmatrix-Kompositmaterialien mit eingelagerten Kohlenstoffnanoröhren (CNT- MMC) sind in den letzten Jahren in Form von kompakten Pulvermaterialien bekannt geworden, wobei die speziell untersuchten CNT-Cu-Sintermaterialien merklich verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen [Kim, KT. et al.: Mater. Sei. and Eng. A430 (2006), p. 27; Cha, S. I. et al.: Adv. Mater. 17 (2005) p. 13772,3]. Derartige Materialien sind aber aufgrund ihres Gefüges sowie ihrer pulvermetallurgischen Herstellung nicht für Metallisierungen für die Herstellung von SAW-Bauelementen geeignet, welche mit Dünnschichttechniken und mit Fingerbreiten der Interdigitalwandler bis in den sub-μm-Bereich hergestellt werden müssen.Metal matrix composite materials with embedded carbon nanotubes (CNT-MMC) have become known in recent years in the form of compact powder materials, the specially investigated CNT-Cu sintered materials having markedly improved mechanical properties [Kim, KT. et al .: Mater. Be. and Eng. A430 (2006), p. 27; Cha, SI et al.: Adv. Mater. 17 (2005) p. 13772.3]. However, such materials are due to their structure and their powder metallurgy production not suitable for metallization for the production of SAW devices, which with thin-film techniques and with Finger widths of the interdigital transducer must be made in the sub-micron range.
Weiter sind elektrochemische Verfahren bekannt zur Herstellung von metallischen Dünnschichten, wie z.B. Cu, Ni, Ag, oder ähnliche. Speziell ist auch ein Verfahren zur elektrochemischen Abscheidung von CNT-Cu-Kompositen (US 2007/0199826 A1 , US 2007/0158619 A1 , US 7226531 B2) bekannt. Es wurde prinzipiell gezeigt, dass sich nach Funktionalisierung der CNTs über chemische Methoden CNT-Cu- Kompositschichten auf Substraten mit verbesserten mechanischen und tribologischen Eigenschaften mittels Elektroplating herstellen lassen.Further, electrochemical processes are known for the production of metallic thin films, e.g. Cu, Ni, Ag, or similar. Specifically, a method for the electrochemical deposition of CNT-Cu composites (US 2007/0199826 A1, US 2007/0158619 A1, US 7226531 B2) is known. It has been shown in principle that after functionalization of the CNTs by means of chemical methods, CNT-Cu composite layers can be produced on substrates having improved mechanical and tribological properties by means of electroplating.
Nach der US 6709562 B1 ist eine Methode zur Herstellung von in einem Isolator vergrabenen Leitbahnen für mikroelektronische Schaltkreise bekannt.According to US Pat. No. 6,709,562 B1, a method for producing interconnects buried in an insulator for microelectronic circuits is known.
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Weiter ist nach US 7226531 B2 die Herstellung eines Verbindungsdrahtes („interconnection wire") aus einem Kompositmaterial aus CNTs und Metall auf flexiblen Substraten bekannt.Further, according to US 7226531 B2, the production of a connecting wire ("interconnection wire") made of a composite material of CNTs and metal on flexible substrates known.
Bekannt ist auch, dass Nanostrukturen und speziell Kohlenstoffnanoröhren, außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen können [Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G., Avouris, P. (Eds.): Carbon Nanotubes, Synthesis, Structure, Properties, and Applications. Springer-V. Berlin (2001 )].It is also known that nanostructures, and in particular carbon nanotubes, can exhibit extraordinary properties [Dresselhaus, M.S., Dresselhaus, G., Avouris, P. (Eds.): Carbon Nanotubes, Synthesis, Structure, Properties, and Applications. Springer-V. Berlin (2001)].
Nachteile der bekannten Lösungen für Metallisierungen für Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente bestehen vor allem in der noch nicht ausreichenden Leistungsbeständigkeit und Lebensdauer im Hinblick auf Akustomigration und mechanisch bedingte Abplatzungen oder Versagen des Interface zwischen Metallisierung und Substrat, insbesondere für Leistungsfilter, optische Anwendungen und für Aktuatoren.Disadvantages of the known solutions for metallizations for interdigital transducers for SAW components consist, above all, in the still inadequate power stability and service life with regard to acoustomigration and mechanically caused flaking or failure of the interface between metallization and substrate, in particular for power filters, optical applications and for actuators.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Schichtsystems für Elektroden mit verbesserter Leistungsverträglichkeit und Lebensdauer. Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object of the present invention is to specify a layer system for electrodes with improved power compatibility and lifetime. The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem für Elektroden besteht aus einem piezoelektrischen Substrat mit darauf befindlichen oder im Substrat eingebetteten Streifenstrukturen aus einem Kompositmaterial, welches aus einem metallischen Matrixmaterial mit mindestens einer Einlagerungsphase aus Kohlenstoffnanostrukturen besteht.The layer system for electrodes according to the invention consists of a piezoelectric substrate with strip structures embedded thereon or embedded in the substrate made of a composite material which consists of a metallic matrix material having at least one intercalation phase of carbon nanostructures.
Vorteilhafterweise ist das Schichtsystem für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente eingesetzt.Advantageously, the layer system is used for interdigital transducers for surface acoustic wave devices.
Weiterhin vorteilhafterweise weist das Kompositmaterial amorphes oder nanokristallines Gefüge auf.Further advantageously, the composite material on amorphous or nanocrystalline structure.
Ebenfalls ist als metallisches Matrixmaterial ein fcc-Matehal mit einer hohen Leitfähigkeit vorhanden.Also available as a metallic matrix material is a fcc matehal having a high conductivity.
Und auch vorteilhafterweise ist als metallisches Matrixmaterial AI, Cu, Ag, Au, Pt oder Ru vorhanden.And also advantageously, as the metallic matrix material, Al, Cu, Ag, Au, Pt or Ru are present.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn das metallische Matrixmaterial zu 50,1 bis 99,9 VoI.- % enthalten ist.It is also advantageous if the metallic matrix material to 50.1 to 99.9 VoI.-% is included.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Einlagerungsphase aus Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanodrähten, Fullerenen oder Graphenen besteht, wobei noch vorteilhafterweise die Kohlenstoffnanoröhren einwandig (Singlewall CNT) oder mehrwandig (Multiwall CNT) ausgebildet sind, und/oder die Einlagerungsphase in gerichteter Anordnung im Matrixmaterial enthalten ist und/oder als Einlagerungsphase vollständig gefüllte Kohlenstoffnanoröhren oder gefüllte Fullerene vorhanden sind oder eine Kombination von solchen und/oder als Einlagerungsphase eine Kombination von gefüllten Kohlenstoffnanoröhren oder gefüllten Fullerenen mit ungefüllten Kohlenstoffnanoröhren oder ungefüllten Fullerenen oder Graphenen vorhanden sind oder Kombination von solchen. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Kohlenstoffnanostrukturen durch katalytische CVD- Verfahren hergestellte Kohlenstoffnanostrukturen sind.And it is also advantageous if the intercalation phase consists of carbon nanotubes, carbon nanowires, fullerenes or graphenes, wherein advantageously the carbon nanotubes are single-walled (single wall CNT) or multi-walled (multiwall CNT), and / or the intercalation phase is contained in a directional arrangement in the matrix material and / or as storage phase completely filled carbon nanotubes or filled fullerenes are present or a combination of such and / or as a storage phase, a combination of filled carbon nanotubes or filled fullerenes with unfilled carbon nanotubes or unfilled fullerenes or graphenes or combination of such. It is also advantageous if the carbon nanostructures are carbon nanostructures produced by catalytic CVD processes.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn neben der Einlagerungsphase weitere globulare, röhrenartige, stabförmige oder flächige Strukturen im Matrixmatehal enthalten sind.It is also advantageous if, in addition to the storage phase, further globular, tubular, rod-shaped or planar structures are contained in the matrix matehal.
Und auch von Vorteil ist es, wenn die Kohlenstoffnanostrukturen der Einlagerungsphase stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Substrat verbunden sind, wobei noch vorteilhafterweise gerichtet angeordnete Kohlenstoffnanostrukturen der Einlagerungsphase alle mit einem Ende mit dem Substrat stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden sind.It is also advantageous if the carbon nanostructures of the intercalation phase are bonded to the substrate in a material-locking and / or force-locking manner, wherein carbon nanostructures of the intercalation phase, which are arranged in a directionally advantageous manner, are all connected in one material to the substrate in a cohesive and / or force-locking manner.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn zwischen Substrat und Schichtsystem eine Pufferschicht vorhanden ist.It is likewise advantageous if a buffer layer is present between the substrate and the layer system.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn auf dem Schichtsystem eine Deckschicht aufgebracht ist.It is furthermore advantageous if a cover layer is applied to the layer system.
Und auch von Vorteil ist es, wenn die Streifenstrukturen vollständig oder nahezu vollständig in das Substrat eingebettet sind.It is also advantageous if the strip structures are completely or almost completely embedded in the substrate.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems für Elektroden werden entweder auf eine auf einem Substrat befindliche Keimschicht Partikel oder eine Schicht eines Katalysatormaterials aufgebracht, dieser Schichtverbund wird einer Temperaturerhöhung ausgesetzt und nachfolgend mittels plasmaunterstützter Verfahren Kohlenstoffnanostrukturen hergestellt, sowie nachfolgend mindestens die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen durch ein metallisches Matrixmaterial ausgefüllt und/oder bei dem auf ein Substrat mit oder ohne bereits darauf befindlichen Schichten mittels plasmaunterstützter Verfahren Partikel aufgebracht werden, die während oder nach dem Aufbringen zur Herausbildung von Kohlenstoffnanostrukturen führen und nachfolgend die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen durch ein metallisches Matrixmaterial ausgefüllt werden. Vorteilhafterweise wird als Keimschichtmaterial Cu oder Ru oder TaN eingesetzt.In the method according to the invention for producing a layer system for electrodes, particles or a layer of a catalyst material are applied either to a seed layer located on a substrate, this layer composite is exposed to a temperature increase and subsequently carbon nanostructures are produced by means of plasma-assisted processes, and subsequently at least the interspaces between the carbon nanostructures filled in a metallic matrix material and / or in which are applied to a substrate with or without already existing layers by means of plasma-assisted processes particles that lead during or after deposition to the formation of carbon nanostructures and subsequently the spaces between the carbon nanostructures are filled by a metallic matrix material , Advantageously, the seed layer material used is Cu or Ru or TaN.
Weiterhin vorteilhafterweise werden als Katalysatormaterial Fe, Ni und/oder Co eingesetzt.Further advantageously, Fe, Ni and / or Co are used as the catalyst material.
Und auch vorteilhafterweise werden als Füllmaterial für die Kohlenstoffnanoröhren Fe, Ni und/oder Co eingesetzt.And also advantageously used as filling material for the carbon nanotubes Fe, Ni and / or Co.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird zwischen Substrat und Keimschicht eine Barriereschicht aufgebracht.Also advantageously, a barrier layer is applied between substrate and seed layer.
Vorteilhaft ist es auch, wenn beim plasmaunterstützten Verfahren CH4-GaS eingesetzt wird, wobei noch vorteilhafterweise ein weiteres Gas zur Verdünnung des C-Gehaltes eingesetzt wird, welches vorteilhafterweise als Ar oder He eingesetzt wird.It is also advantageous if CH 4 -GaS is used in the plasma-assisted process, wherein advantageously still another gas is used for diluting the C content, which is advantageously used as Ar or He.
Von Vorteil ist es auch, wenn als metallisches Matrixmaterial AI, Cu, Ag oder Au eingesetzt werden oder Legierungen oder Multischichten derselben.It is also advantageous if Al, Cu, Ag or Au are used as the metallic matrix material or alloys or multilayers thereof.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Nanostrukturen mit einer Zwischenschicht versehen sind, die bevorzugt mittels Atomic Layer Deposition (ALD) aufgebracht wird, wobei vorteilhafterweise die Zwischenschicht aus einem Metall oder einem Oxid oder Nitrid wie Ru, Ta, Ti, TaN, TiN, Hf-Oxid oder Zr-Oxid oder Multischichten oder Legierungen davon besteht und als solches eingesetzt wird.It is likewise advantageous if the nanostructures are provided with an intermediate layer, which is preferably applied by means of atomic layer deposition (ALD), advantageously the intermediate layer consisting of a metal or an oxide or nitride such as Ru, Ta, Ti, TaN, TiN, Hf oxide or Zr oxide or multilayers or alloys thereof and is used as such.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, ein Kompositmaterial als Material für Elektroden und insbesondere für die Fingerelektroden der Interdigitalwandler von akustischen Oberflächenwellen-Bauelementen zu verwenden. Der Einsatz von Kompositmaterialien auf Basis eines Metalls oder einer Metalllegierung oder Metallmultischichten in Verbindung mit Nanostrukturen als Einlagerungsphase als Dünnschichtsysteme als Material für Fingerelektroden der Interdigitalwandler ist bisher nicht bekannt. Insbesondere ist nicht bekannt der Einsatz von Kohlenstoffnanostrukturen-Metallmatrix-Kompositen und insbesondere von Kohlenstoffnanostrukturen-Cu- oder -Al-Kompositmaterialien.With the solution according to the invention, it is possible for the first time to use a composite material as material for electrodes and in particular for the finger electrodes of the interdigital transducers of surface acoustic wave components. The use of composite materials based on a metal or a metal alloy or metal multilayers in conjunction with nanostructures as storage phase as thin-film systems as a material for finger electrodes of the interdigital transducer is not yet known. In particular, is not known the Use of carbon nanostructured metal matrix composites and in particular of carbon nanostructured Cu or Al composites.
Von besonderem Interesse im Zusammenhang mit Nanokompositschichten für die o.g. Anwendungen als Schichtsystem für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente sind streng geordnete 0-, 1- oder 2-dimensionale Kohlenstoffnanostrukturen, wie Fullerene, einwandige oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes = CNTs) oder Kohlenstoffnanodrähte oder Graphene. CNTs können mit unterschiedlicher Qualität, als ein- (Singlewall- CNT = SWCNT) oder mehrwandige (Multiwall-CNT = MWCNT) Kohlenstoffnanoröhren entweder über Laser-Are, Lichtbogen-Verfahren oder CVD ohne oder mit Plasmaunterstützung hergestellt werden. Besonders die sogenannte katalytische CVD (cCVD-Verfahren) ist zur Herstellung größerer CNT-Mengen geeignet. Die Eigenschaften der hergestellten CNTs sind abhängig vom Herstellungsverfahren. Über cCVD hergestellte CNTs sind überwiegend MWCNTs im Durchmesserbereich zwischen 10 nm und 100 nm. Die äußeren Hüllen besitzen meist viele strukturelle Defekte oder sie sind teilweise oder vollständig amorph. Auch können die CNTs gereinigt, funktionalisiert oder während oder nach der Herstellung mit verschiedenen Materialien gefüllt werden.Of particular interest in connection with nanocomposite layers for the o.g. Applications as a layer system for interdigital transducers for surface acoustic wave devices are strictly ordered 0-, 1-, or 2-dimensional carbon nanostructures, such as fullerenes, single-walled or multi-walled carbon nanotubes (CNTs), or carbon nanowires or graphenes. CNTs can be made of different quality, as single-walled CNT (SWCNT) or multi-walled (multiwalled CNT = MWCNT) carbon nanotubes either via laser-arc, arc-technique or CVD with or without plasma assist. Especially the so-called catalytic CVD (cCVD method) is suitable for the production of larger amounts of CNT. The properties of the produced CNTs are dependent on the manufacturing process. CNTs prepared via cCVD are predominantly MWCNTs in the diameter range between 10 nm and 100 nm. The outer sheaths usually have many structural defects or are partially or completely amorphous. Also, the CNTs can be purified, functionalized or filled with various materials during or after preparation.
Defektfreie CNTs können einen extrem hohen Young's Modul (bis etwa 1.2 TPa) und einen ballistischen Elektronentransport sowie eine hohe Wärmeleitung aufweisen.Defect - free CNTs can have an extremely high Young ' s modulus (up to about 1.2 TPa) and a ballistic electron transport as well as a high heat conduction.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung für Schichtsysteme für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente können die bisherigen Nachteile der bekannten Lösungen für Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente behoben oder zumindest signifikant verbessert werden, wobei insbesondere die homogene Verteilung der CNT's innerhalb des erfindungsgemäßen Schichtsystems verbessert und deren Anordnung gezielt gesteuert werden kann.With the inventive solutions for coating systems for interdigital transducer for surface acoustic wave elements, the previous disadvantages of the known solutions for interdigital transducer for the SAW devices can be eliminated or at least be significantly improved, in particular the homogeneous distribution of the CNTs within the inventive coating system improves and the arrangement thereof can be controlled selectively.
Weiterhin kann die Viskosität des Schichtmaterials in einem gewissen Bereich eingestellt werden und/oder auf einem bestimmten Wert gehalten werden, wodurch die Einfügedämpfung des Bauelementes positiv beeinflusst werden kann. Erfindungsgemäß können zur Herstellung leistungsverträglicher Metallisierungen für Elektroden und insbesondere für Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente Schichtsysteme mit mindestens einer Einlagerungsphase (Kompositschichtsystem) aus null- (Fullerene), ein- (Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanodrähten), oder zweidimensionalen (Graphene) Kohlenstoffnanostrukturen eingesetzt werden, die mit einem Verfahren der Dünnschichtabscheidung (bevorzugt elektrochemische Abscheidung (Elektroplating)) hergestellt werden können. Zur verbesserten Benetzung mit den Matrixmaterial werden die CNTs funktionalisiert oder mit mindestens einer Zwischenschicht versehen, die nach dem Wachstum auf die Kohlenstoffmodifikationen, vorzugsweise mit Atomic Layer Deposition (ALD), aufgebracht werden.Furthermore, the viscosity of the layer material can be adjusted in a certain range and / or kept at a certain value, whereby the insertion loss of the device can be positively influenced. According to the invention, layer systems with at least one intercalation phase (composite layer system) of zero (fullerenes), single (carbon nanotubes, carbon nanowires), or two-dimensional (graphene) carbon nanostructures can be used for producing power-compatible metallizations for electrodes and in particular for interdigital transducers for SAW components a method of thin film deposition (preferably electrochemical deposition (electroplating)) can be produced. For improved wetting with the matrix material, the CNTs are functionalized or provided with at least one intermediate layer which, after growth, is applied to the carbon modifications, preferably with atomic layer deposition (ALD).
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schichtsysteme für Elektroden und insbesondere für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente kann beispielsweise derart erfolgen, dass auf ein Substrat Katalysatorpartikel (z.B. Fe, Ni, Co oder andere) aufgebracht werden. Das geschieht vorzugsweise in einer Durchlaufanlage, wobei entweder direkt die Katalysatorpartikel, z.B. über eine Sputtertechnik, aus einem übersättigten Dampf aufgebracht werden, oder in einer Durchlaufanlage zunächst eine dünne Schicht (1 -5 nm Dicke) des Katalysatormaterials über eine der Dünnschichttechniken (Sputtern, Verdampfen, CVD) auf die Oberfläche des Substrates abgeschieden wird und über eine nachfolgende Wärmebehandlung die Bildung der Katalysatorpartikel durch Agglomerationseffekte erfolgt. Die Partikelgröße liegt, abhängig von den Prozessparametern, vorzugsweise zwischen 5 und 30 nm.The production of the layer systems for electrodes according to the invention and in particular for interdigital transducers for surface acoustic wave components can, for example, be carried out by applying catalyst particles (for example Fe, Ni, Co or others) to a substrate. This is preferably done in a continuous flow plant, either directly using the catalyst particles, e.g. be applied via a sputtering technique, from a supersaturated vapor, or in a continuous system, first a thin layer (1 -5 nm thickness) of the catalyst material via one of the thin-film techniques (sputtering, evaporation, CVD) is deposited on the surface of the substrate and a subsequent Heat treatment, the formation of the catalyst particles by agglomeration effects. The particle size is preferably between 5 and 30 nm, depending on the process parameters.
Nachfolgend wird das beschichtete Substrat in einer C-haltigen Atmosphäre über thermisch aktivierte Prozesse oder thermisch-plasmaaktivierte Prozesse mit Kohlenstoffnanostrukturen, z.B. Kohlenstoffnanoröhren, beschichtet. Diese Kohlenstoffnanoröhren haben in diesem Fall eine Vorzugsrichtung mit Bezug auf die Oberfläche des Substrates.Subsequently, the coated substrate is exposed in a C-containing atmosphere via thermally activated processes or thermal plasma activated processes with carbon nanostructures, e.g. Carbon nanotubes, coated. These carbon nanotubes in this case have a preferential direction with respect to the surface of the substrate.
In einem anschließenden Prozess werden die Kohlenstoffnanostrukturen funktionalisiert (Bildung von O-H-Gruppen) und/oder über ALD mit mindestens einer Haftvermittlerschicht (z.B. TaN oder Ru) beschichtet, und anschließend mit Hilfe eines Abscheideverfahrens (bevorzugt Elektroplating) mit dem metallischen Matrixmaterial beschichtet, so das die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen teilweise oder vollständig ausgefüllt werden und das Matrixmaterial als Ummantelung für die Kohlenstoffnanostrukturen dient. Damit wird eine Kompositschicht erhalten, die ausgerichtete Kohlenstoffnanostrukturen in einem Matrixmaterial enthält, bei dem die Kohlenstoffnanostrukturen in einer Länge oder über eine Dicke eingelagert sind, die mindestens der Dicke der Schicht entspricht. Darüber hinaus ist eine ungehchtete Einlagerung der Kohlenstoffnanostrukturen in dem Matrixmaterial möglich, wenn die Kohlenstoffnanostrukturen zusammen mit der Metallschicht abgeschieden werden. Zu diesem Zweck können vorteilhaft die Kohlenstoffnanostrukturen dem Elektrolyten für die elektrochemische Abscheidung zugegeben werden.In a subsequent process, the carbon nanostructures are functionalized (formation of OH groups) and / or coated via ALD with at least one adhesion promoter layer (eg TaN or Ru), and then coated with the metallic matrix material by means of a deposition process (preferably electroplating), so that the spaces between the Carbon nanostructures are partially or completely filled and the matrix material serves as a sheath for the carbon nanostructures. Thus, a composite layer is obtained which comprises aligned carbon nanostructures in a matrix material in which the carbon nanostructures are incorporated in a length or over a thickness which corresponds at least to the thickness of the layer. In addition, unregulated incorporation of the carbon nanostructures in the matrix material is possible when the carbon nanostructures are deposited together with the metal layer. For this purpose, it is advantageous to add the carbon nanostructures to the electrolyte for the electrochemical deposition.
Weiterhin ist es möglich, beide Herstellungsprozesse zu kombinieren, so dass dasFurthermore, it is possible to combine both manufacturing processes, so that the
Schichtsystem Bereiche mit gerichtet angeordneten Kohlenstoffnanostrukturen enthält und gleichzeitig andere Bereiche, in denen die Kohlenstoffnanostrukturen ungerichtet angeordnet sind.Layer system contains areas with directionally arranged carbon nanostructures and at the same time other areas in which the carbon nanostructures are arranged non-directionally.
Es ist auch möglich, Bereiche des Schichtsystems mit gerichteten und/oder ungerichteten Einlagerungsphasen mit Bereichen ohne Einlagerungsphase zu kombinieren.It is also possible to combine areas of the layer system with directional and / or non-directional intercalation phases with areas without intercalation phase.
Neben dem Elektroplating kann die Aufbringung mindestens der Matrixschicht auch über andere Verfahren, beispielsweise stromlos mittels Electroless Plating erfolgen.In addition to the electroplating, the application of at least the matrix layer can also be effected by other methods, for example electrolessly by means of electroless plating.
Weiterhin kann die Beschichtung eines Substrates mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem erfolgen und nachfolgend das Substrat entfernt werden.Furthermore, the coating of a substrate with the layer system according to the invention can take place and subsequently the substrate can be removed.
Das erfindungsgemäße Schichtsysteme kann auch für Elektroden für Mikrospiegelsysteme, für mikro-elektromechanische Drucksensoren oder -aktoren, für piezoelektro-mechanische Steuerelemente eingesetzt werden und zeigt dort auch eine verbesserte Leistungsverträglichkeit und Lebensdauer.The layer systems according to the invention can also be used for electrodes for micromirror systems, for microelectromechanical pressure sensors or actuators, for piezoelectromechanical control elements and there also shows improved power compatibility and service life.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigenThe invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. Show
Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems imFig. 1 is a schematic representation of the layer system according to the invention in
Querschnitt mit gerichtet angeordneten Kohlenstoffnanostrukturen in Form von Kohlenstoffnanoröhren undCross section with directionally arranged carbon nanotubes in the form of carbon nanotubes and
Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems imFig. 2 is a schematic representation of the layer system according to the invention in
Querschnitt mit ungerichtet angeordneten Kohlenstoffnanostrukturen in Form von Kohlenstoffnanoröhren undCross section with undirected carbon nanotubes in the form of carbon nanotubes and
Fig. 3 Beispiele für transmissionselektronenmikroskopische Bilder a) CNT-Cu-Schichtsystem mit einer Schichtdicke von 1 ,95 μm, b) mit einem dünnen Ta(N)-Schicht mittels ALD beschichtete CNT vor dem Cu-Elektroplating3 shows examples of transmission electron microscopic images a) CNT-Cu layer system with a layer thickness of 1.95 μm, b) with a thin Ta (N) layer by means of ALD-coated CNT before Cu electroplating
Beispiel 1example 1
Die Herstellung der Interdigitalwandler für SAW-Bauelemente aus dem erfindungsgemäßen Schichtsystem wird am Beispiel der Damaszen-Technik dargestellt.The production of the interdigital transducers for SAW components from the layer system according to the invention is illustrated using the example of the damascene technique.
Ein mit einer Lackmaske versehener Wafers aus Quarz wird mittels reaktiven lonenätzens in fingerförmige Anordnungen, den Interdigitalwandlern, von Abmessungen (Fingerbreiten) von 3,76 μm strukturiert und der verbliebene Lack abgelöst. Nachfolgend wird diese strukturierte Anordnung mit einer 5 nm dicken Schicht aus TaN als Barriereschicht und nachfolgend mit einer 50 nm dicken Cu- Schicht als Keimschicht versehen. Diese Schichten werden aufgesputtert. Danach werden auf die Cu-Schicht Ni-Katalysatorpartikel von einer mittleren Größe von 20 nm mit einer Dichte von 1000 - 5000 Teilchen/μm3 aufgebracht über ein Sputterverfahren im übersättigten Dampf. Im nachfolgenden plasmaunterstützten CVD-Prozess im Temperaturbereich zwischen 3000C und 5000C unter Verwendung von CH4 wachsen ein- und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren mit einer mittleren Länge von 1 - 3 μm. Anschließend wird über Elektroplating Cu unter Verwendung von schwefelsauren Elektrolyten auf die Oberfläche und um die Kohlenstoffnanoröhren deponiert, so dass die Anordnung aus CNTs vollständig bedeckt ist. Durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) mit einer Standard-Cu-Suspension wird das so entstandene Schichtsystem strukturiert. Dadurch werden vergrabene Interdigitalwandler- Fingerstrukturen aus einer CNT-Cu-Schicht mit im Wesentlichen eindirektional eingelagerten CNT's erhalten.A quartz wafer provided with a resist mask is patterned by means of reactive ion etching into finger-shaped arrangements, the interdigital transducers, of dimensions (finger widths) of 3.76 μm, and the remaining lacquer is peeled off. Subsequently, this structured arrangement is provided with a 5 nm thick layer of TaN as a barrier layer and subsequently with a 50 nm thick Cu layer as a seed layer. These layers are sputtered on. Thereafter, on the Cu layer, Ni catalyst particles having an average size of 20 nm and having a density of 1000-5000 particles / μm 3 are deposited by a supersaturated steam sputtering method. In the following plasma-assisted CVD process in the temperature range between 300 ° C. and 500 ° C. using CH 4 , single- and multi-walled carbon nanotubes with an average length of 1-3 μm grow. Subsequently, using electroplating, copper is deposited on the surface and around the carbon nanotubes using sulfuric acid electrolytes, so that the arrangement of CNTs is completely covered. By chemical-mechanical polishing (CMP) with a standard Cu suspension, the resulting layer system is structured. Characterized buried Interdigitalwandler- finger structures are Cu-layer CNT obtained from a substantially unidirectional with embedded CNT 's.
Bei einer Schichtdicke von 1 ,95 μm der CNT-Cu-Schicht beträgt der elektrische Widerstand 1 ,73 μOhmcm.With a layer thickness of 1.95 μm of the CNT-Cu layer, the electrical resistance is 1.73 μOhmcm.
Diese Interdigitalwandler zeigen eine signifikant höhere Leistungsverträglichkeit und Lebensdauer im Vergleich zu Cu-Schichten ohne CNT-Einlagerungsphasen.These interdigital transducers show a significantly higher power compatibility and lifetime compared to Cu layers without CNT storage phases.
Beispiel 2Example 2
Ein mit einer Lackmaske versehener Wafer aus LiNbOs wird mittels reaktiven lonenätzens in fingerförmige Anordnungen von 0.5 μm Breite und einem ebensolchen Abstand (Interdigitalwandler für Filterstrukturen im GHz-Bereich) strukturiert und der Restlack abgelöst. Nachfolgend wird diese strukturierte Anordnung mit einer 3 nm dicken Schicht aus Ta-Si-N als Barriereschicht und nachfolgend mit einer 50 nm dicken Cu-Schicht als Keimschicht versehen. Diese Schichten werden aufgesputtert. Danach werden chemisch funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren mit einer schmalen Durchmesserverteilung mit einem Maximum bei 20 nm Durchmesser und einer Länge zwischen 3 und 5 μm in ein Cu- Elektrolyten gegeben und das Bad umgewälzt. In einem weiteren Prozessschritt erfolgt die Beschichtung mit dem Cu-Elektrolyten über Elektroplating.A lacquer-masked wafer made of LiNbOs is patterned by means of reactive ion etching into finger-shaped arrangements of 0.5 μm width and a similar spacing (interdigital transducer for filter structures in the GHz range) and the residual lacquer is peeled off. Subsequently, this structured arrangement is provided with a 3 nm thick layer of Ta-Si-N as a barrier layer and subsequently with a 50 nm thick Cu layer as a seed layer. These layers are sputtered on. Thereafter, chemically functionalized carbon nanotubes with a narrow diameter distribution with a maximum at 20 nm diameter and a length between 3 and 5 microns are placed in a Cu electrolyte and circulated the bath. In a further process step, the coating with the Cu electrolyte takes place via electroplating.
Diese Interdigitalwandler zeigen ebenfalls eine signifikant höhere Leistungsverträglichkeit und Lebensdauer im Vergleich zu Cu-Schichten ohne CNT- Einlagerungsphasen. BezugszeichenlisteThese interdigital transducers also show a significantly higher power compatibility and lifetime in comparison to Cu layers without CNT storage phases. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Substrat1 substrate
2 Zwischenschicht2 intermediate layer
3 Keimschicht3 germ layer
4 Einlagerungsphase4 storage phase
5 metallisches Matrixmaterial 5 metallic matrix material

Claims

Patentansprücheclaims
1. Schichtsystem für Elektroden, bestehend aus einem piezoelektrischen Substrat mit darauf befindlichen oder im Substrat eingebetteten Streifenstrukturen aus einem Kompositmaterial, welches aus einem metallischen Matrixmaterial mit mindestens einer Einlagerungsphase aus Kohlenstoffnanostrukturen besteht.1. Layer system for electrodes, consisting of a piezoelectric substrate with or embedded in the substrate strip structures of a composite material, which consists of a metallic matrix material having at least one storage phase of carbon nanostructures.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem das Schichtsystem für Interdigitalwandler für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente eingesetzt ist.2. Layer system according to claim 1, wherein the layer system is used for interdigital transducers for surface acoustic wave devices.
3. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem das Kompositmaterial amorphes oder nanokristallines Gefüge aufweist.3. Layer system according to claim 1, wherein the composite material has amorphous or nanocrystalline structure.
4. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem als metallisches Matrixmaterial ein fcc- Material mit einer hohen Leitfähigkeit vorhanden ist.4. Layer system according to claim 1, in which a fcc material with a high conductivity is present as the metallic matrix material.
5. Schichtsystem nach Anspruch 4, bei dem als metallisches Matrixmaterial AI, Cu, Ag, Au, Pt oder Ru vorhanden ist.5. Layer system according to claim 4, in which is present as the metallic matrix material Al, Cu, Ag, Au, Pt or Ru.
6. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem das metallische Matrixmaterial zu 50,1 bis 99,9 Vol.-% enthalten ist.6. Layer system according to claim 1, wherein the metallic matrix material to 50.1 to 99.9 vol .-% is contained.
7. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem die Einlagerungsphase aus Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanodrähten, Fullerenen oder Graphenen besteht.7. Layer system according to claim 1, wherein the intercalation phase consists of carbon nanotubes, carbon nanowires, fullerenes or graphenes.
8. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei dem die Kohlenstoffnanoröhren einwandig (Singlewall CNT) oder mehrwandig (Multiwall CNT) ausgebildet sind.8 layer system according to claim 7, wherein the carbon nanotubes are formed single-walled (single wall CNT) or multi-walled (multiwall CNT).
9. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei dem die Einlagerungsphase in gerichteter Anordnung im Matrixmaterial enthalten ist. l O.Schichtsystem nach Anspruch 7, bei dem als Einlagerungsphase vollständig gefüllte Kohlenstoffnanoröhren oder gefüllte Fullerene vorhanden sind oder eine Kombination von solchen.9. Layer system according to claim 7, wherein the intercalation phase is contained in a directional arrangement in the matrix material. 11. The layer system according to claim 7, in which the storage phase is completely filled carbon nanotubes or filled fullerenes or a combination of such.
11. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei dem als Einlagerungsphase eine Kombination von gefüllten Kohlenstoffnanoröhren oder gefüllten Fullerenen mit ungefüllten Kohlenstoffnanoröhren oder ungefüllten Fullerenen oder Graphenen vorhanden sind oder Kombination von solchen.11. A layer system according to claim 7, wherein as a storage phase, a combination of filled carbon nanotubes or filled fullerenes with unfilled carbon nanotubes or unfilled fullerenes or graphenes are present or combination of such.
12. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem die Kohlenstoffnanostrukturen durch katalytische CVD-Verfahren hergestellte Kohlenstoffnanostrukturen sind.The layered system of claim 1, wherein the carbon nanostructures are carbon nanostructures produced by catalytic CVD processes.
13. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem neben der Einlagerungsphase weitere globulare, röhrenartige, stabförmige oder flächige Strukturen im Matrixmaterial enthalten sind.13 layer system according to claim 1, wherein in addition to the storage phase further globular, tubular, rod-shaped or planar structures are contained in the matrix material.
14. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem die Kohlenstoffnanostrukturen der Einlagerungsphase stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Substrat verbunden sind.14. Layer system according to claim 1, wherein the carbon nanostructures of the storage phase are connected in a material-locking and / or force-locking manner to the substrate.
15. Schichtsystem nach Anspruch 14, bei dem gerichtet angeordnete Kohlenstoffnanostrukturen der Einlagerungsphase alle mit einem Ende mit dem Substrat stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden sind.15. The layer system according to claim 14, wherein directionally arranged carbon nanostructures of the intercalation phase are all materially and / or non-positively connected at one end to the substrate.
16. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem zwischen Substrat und Schichtsystem eine Pufferschicht vorhanden ist.16. Layer system according to claim 1, wherein a buffer layer is present between the substrate and the layer system.
17. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem auf dem Schichtsystem eine Deckschicht aufgebracht ist.17. Layer system according to claim 1, wherein a cover layer is applied to the layer system.
18. Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem die Streifenstrukturen vollständig oder nahezu vollständig in das Substrat eingebettet sind. 18. Layer system according to claim 1, wherein the strip structures are completely or almost completely embedded in the substrate.
19. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems für Elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem entweder auf einer auf einem Substrat befindlichen Keimschicht Partikel oder eine Schicht eines Katalysatormaterials aufgebracht, dieser Schichtverbund einer Temperaturerhöhung ausgesetzt und nachfolgend mittels plasmaunterstützter Verfahren Kohlenstoffnanostrukturen hergestellt werden, sowie nachfolgend mindestens die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen durch ein metallisches Matrixmaterial ausgefüllt werden und/oder bei dem auf ein Substrat mit oder ohne bereits darauf befindlichen Schichten mittels plasmaunterstützter Verfahren Partikel aufgebracht werden, die während oder nach dem Aufbringen zur Herausbildung von Kohlenstoffnanostrukturen führen und nachfolgend die Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanostrukturen durch ein metallisches Matrixmaterial ausgefüllt werden.19. A method for producing a layer system for electrodes according to any one of claims 1 to 18, wherein applied either on a substrate located on a seed particle or a layer of a catalyst material, this layer composite exposed to a temperature increase and subsequently produced by means of plasma-enhanced carbon nanostructures, and Subsequently, at least the interstices between the carbon nanostructures are filled by a metallic matrix material and / or are applied to a substrate with or without already existing layers by means of plasma-assisted processes particles that lead to the formation of carbon nanostructures during or after application and subsequently the interstices between the carbon nanostructures filled by a metallic matrix material.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem als Keimschichtmaterial Cu oder Ru oder TaN eingesetzt wird.20. The method of claim 19, wherein Cu or Ru or TaN is used as the seed layer material.
21. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem als Katalysatormaterial Fe, Ni und/oder Co eingesetzt werden.21. The method according to claim 19, wherein the catalyst material Fe, Ni and / or Co are used.
22. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem als Füllmaterial für die Kohlenstoffnanoröhren Fe, Ni und/oder Co eingesetzt werden.22. The method of claim 19, are used as the filling material for the carbon nanotubes Fe, Ni and / or Co.
23. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem zwischen Substrat und Keimschicht eine Barriereschicht aufgebracht wird.23. The method of claim 19, wherein between the substrate and seed layer, a barrier layer is applied.
24. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem beim plasmaunterstützten Verfahren CH4- Gas eingesetzt wird.24. The method of claim 19, wherein in the plasma-assisted process CH 4 - gas is used.
25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem ein weiteres Gas zur Verdünnung des C- Gehaltes eingesetzt wird.25. The method of claim 24, wherein a further gas is used to dilute the C content.
26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem Ar oder He eingesetzt wird. 26. The method of claim 25, wherein Ar or He is used.
27. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem als metallisches Matrixmaterial AI, Cu, Ag oder Au eingesetzt werden oder Legierungen oder Multischichten derselben.27. The method of claim 19, wherein as the metallic matrix material Al, Cu, Ag or Au are used or alloys or multilayers thereof.
28. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Nanostrukturen mit einer Zwischenschicht versehen sind, die bevorzugt mittels Atomic Layer Deposition (ALD) aufgebracht wird.28. The method of claim 19, wherein the nanostructures are provided with an intermediate layer, which is preferably applied by means of atomic layer deposition (ALD).
29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem als Zwischenschicht ein Metall oder ein Oxid oder Nitrid, wie Ru, Ta, Ti, TaN, TiN, Hf-Oxid oder Zr-Oxid oder Multischichten oder Legierungen davon eingesetzt werden. 29. The method of claim 28, wherein as the intermediate layer, a metal or an oxide or nitride, such as Ru, Ta, Ti, TaN, TiN, Hf oxide or Zr oxide or multilayers or alloys thereof are used.
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