WO2018114634A1 - Piezoelektrischer stapelaktuator und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

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WO2018114634A1
WO2018114634A1 PCT/EP2017/082948 EP2017082948W WO2018114634A1 WO 2018114634 A1 WO2018114634 A1 WO 2018114634A1 EP 2017082948 W EP2017082948 W EP 2017082948W WO 2018114634 A1 WO2018114634 A1 WO 2018114634A1
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piezoelectric
layer
conductive electrode
columnar
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PCT/EP2017/082948
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Hans-Joachim Quenzer
Dirk Kaden
Kai Ortner
Ralf Bandorf
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to piezoelectric stack actuators and to a process for their preparation.
  • the present invention relates to multilayer, lateral, piezoelectric stack actuators and to a method for their production.
  • Piezoelectric ceramic materials allow the construction of fast actuators that can deliver great forces.
  • a very common material with large piezoelectric coefficients is lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • simple piezoelectric actuators actuators are limited in spite of high drive voltages of up to several 100 V on small displacement paths (travel paths or strokes). Larger deflections can be achieved, for example, only by a mechanical force-displacement conversion or by a series connection of a large number of individual piezoelectric actuators in a stack.
  • a multiplicity of layers of a piezoelectrically active material and the respective associated electrodes are stacked on top of each other so that the individual deflections of each unit add up when they are activated.
  • Piezoelectric microactuators are used almost exclusively as individual layers of piezoelectric materials for constructing piezoelectric bending transducers.
  • the small lateral expansions of the active piezoelectric layer can be converted into a bend, whereby a significantly increased deflection can be achieved at the tip of the actuator.
  • this embodiment is at the expense of the forces that can be generated and the achievable drive speeds. If, on the other hand, large deflections (strokes) and also large forces, ie a large force provision, are required, this is only possible by drastically increasing the thickness of the piezoelectric layer material.
  • a method for producing a piezoelectric stack actuator comprises the steps of: providing a piezoelectric layer having a columnar layer structure, wherein due to the columnar layer structure, spaces having channels and trenches are formed between adjacent columns in the piezoelectric layer from a surface portion of the piezoelectric layer; Introducing a conductive electrode structure into the piezoelectric layer, the conductive electrode structure extending from the surface region of the piezoelectric layer into channels of the piezoelectric layer; Introducing an insulating material into intermediate spaces in the piezoelectric layer in order to at least partially mechanically couple adjacent columns to one another; and arranging a metallization structure on the surface region of the piezoelectric layer in electrical contact with the conductive electrode structure.
  • a piezoelectric stack actuator includes a piezoelectric layer having a columnar layer structure, and due to the columnar layer structure, spaces having channels and trenches are formed between adjacent columns in the piezoelectric layer from a surface portion of the piezoelectric layer; a conductive electrode structure in the piezoelectric layer, the conductive electrode structure extending vertically from the surface portion of the piezoelectric layer into a plurality of the channels of the piezoelectric layer; an insulation material at least partially in remaining interstices in the piezoelectric layer in order to at least partially mechanically couple / connect adjacent columns with one another; and a metallization structure on the surface region of the piezoelectric layer in electrical contact with the conductive electrode structure in the piezoelectric layer.
  • the core idea of the present invention is, instead of a vertical layer structure in which many layers of piezoelectric material are stacked on top of each other, to realize a lateral structure of a piezoelectric stack actuator in which many layers, for example in a substrate, are arranged side by side be / are.
  • the plurality of thin, laterally juxtaposed strips (layers) are mechanically or non-positively connected to each other.
  • a single (continuous) relatively thick (eg, 5 to 50 ⁇ m or 5 to 35 ⁇ m thick) piezoelectric layer (eg, a PZT layer) having a columnar layer structure may be provided.
  • the columnar layer structure has interspaces (pores) with (wide) channels and (narrow) trenches between adjacent columns in the piezoelectric layer starting from a surface region of the piezoelectric layer.
  • a conductive electrode structure is introduced into the columnar layer structure of the piezoelectric layer by, for example, periodically introducing a (at a relatively low temperature ⁇ 350 ° C) liquefiable metal material or metal alloy material such as gallium or indium into the piezoelectric layer.
  • the infiltration can take place vertically to the surface area, ie perpendicular to the lateral extent of the piezoelectric layer.
  • liquid or liquefiable metals is meant at low temperatures liquefiable metals, metal alloys or solders.
  • the introduction or infiltration of the liquefied metal material can take place under elevated pressure such that the liquefied metal material is introduced or infiltrated into (predetermined) regions of the PZT layer only along the vertical interspaces.
  • the areas to be provided with the metal material may be defined, for example, by means of an appropriate masking on the surface area of the piezoelectric layer, ie these areas are exposed and not covered by the masking material.
  • penetration of the liquid (liquefied) metal material onto the (relatively large) vertically extending channels or pores for example having a diameter of between 20 and 30 nm, can occur between the columns be limited piezoelectric layer.
  • the electrodes are, for example, the vertical metallizations in the columnar layer structure of the piezoelectric layer after hardening or cooling of the metal material.
  • the piezoelectrically “active" regions between the electrodes can be infiltrated by an additional insulating coating, bonded to one another and mechanically coupled to one another in a force-fitting manner
  • the deposited insulating material, ie, the ALD layer in the region of the metal electrodes reaching to the surface may be removed to expose the metal electrodes at least at the surface portion of the piezoelectric layer.
  • the removal of the insulating material can take place, for example, starting from the surface region of the piezoelectric layer (for example, in layers or parallel to the surface region) into the columnar layer structure.
  • the exposure can be done for example by means of plasma etching.
  • a further superficial metal structure metal structure
  • An electrical control of the entire stack ie the piezoelectric stack actuator, can finally take place with a relatively low control voltage (eg in a range of 10 V or 5 - 15 V etc.) via the interdigital structure produced.
  • a relatively low control voltage eg in a range of 10 V or 5 - 15 V etc.
  • the deflection (expansion) of the piezoelectric stack resulting from electrical activation can now be used, for example, "directly” if the piezoelectric layer is freestanding, ie mechanically decoupled from a substrate.
  • a strong installation can be generated by the piezoelectric layer, ie the piezoelectric stack actuator, in a so-called “bimorph arrangement.”
  • the piezoelectric stack is laterally attached to a cantilever or a deflectable one Membrane arranged so that an electrical activation of the piezoelectric Stapelaktua- sector as actuator movement causes a deflection of the bending beam or the membrane.
  • the inventive concept of a piezoelectric stack actuator and its production method is thus based on a piezoelectric layer having a columnar layer structure and an electrode or metallization structure arranged therein and an insulation material arranged therein.
  • the manufacturing method according to the invention thus describes the realization of the integration of metal electrodes vertically to a surface area of the piezoelectric layer, i. in an additional third dimension (3D integration), for contacting a piezoelectric material. While in microsystem technology the electrodes in piezoelectric devices have heretofore been limited to a planar arrangement, according to the present concept an implementation is now also implemented in the third dimension, i.e. into the piezoelectric material.
  • lateral stack actuators In combination with thick, columnar (columnar) piezoelectric layers, the production of lateral stack actuators can achieve a multiplication of the piezoelectric effect in micromechanical components. Unlike a vertical thin-film stack actuator, with relatively few process steps in the lateral stack actuator, i.
  • a large number of "layers”, for example of the order of 100 layers, may be generated in the form of the electrode or metallization structures within the piezoelectric layer, although each individual layer is controlled by a significantly low voltage , eg in the range of 10 V, produces only a relatively small “single” strain (deflection), the overall system, ie the entire lateral piezoelectric stack actuator is extremely stretched over the large number of discrete elements defined by the electrode structure in the piezoelectric layer.
  • 1A-F is a principle block or flow chart of the method for producing a piezoelectric stack actuator according to an embodiment; a schematic diagram of a piezoelectric Stapelaktuators according to anabsbeispiei; a cross-sectional view (fracture) of an exemplary piezoelectric layer having a columnar layer structure according to an embodiment;
  • 3B is a plan view of an exemplary (obliquely ground) piezoelectric layer having a columnar layer structure with intercolumnar pores according to an embodiment
  • a piezoelectric layer 202 having a columnar (columnar) layer structure is provided.
  • the piezoelectric layer 202 has a plurality of pillars 204. Due to the columnar layer structure of the piezoelectric layer 202, from a surface portion 202a of the piezoelectric layer 202, gaps 206 having channels 206a and trenches 206b are formed between adjacent columns 204 in the piezoelectric layer 202.
  • a top view of a section of the surface region 202 a of the piezoelectric layer 202 with the pillars 204 and with the interstices 206 with channels 206 a and trenches 206 b is also shown by way of example in an enlarged representation in a dashed rimmed region.
  • FIG. 1B only one pillar 204 and only one channel 206a and one trench 206b (of a multiplicity of these elements) are provided with a reference symbol by way of example.
  • a conductive electrode structure 208 is now introduced into the piezoelectric layer 202 in step 120 in FIG. 1C.
  • the structured introduction of the conductive electrode structure 208 may, for example, take place through an optional mask structure 214.
  • the conductive electrode structure 208 now extends, for example, vertically into the channels 206a of the piezoelectric layer 200, starting from the surface region 202a of the piezoelectric layer. As shown in the sectional view of FIG.
  • the conductive electrode structure 208 may be connected to a plurality of regions 202-1, 202-2 (202-n) of the piezoelectric layer 202 are introduced into this piezoelectric layer 202, for example, a so-called "interdigital structure" with opposing, spaced-apart electrode elements 208-1, 208-2
  • An optional implementation of the conductive electrode structure 208 (with the individual electrode elements 208-1, 208-2 and 208-n, respectively) is additionally dashed in one in FIG framed area as a plan view of a portion of the surface portion 202a of the piezoelectric layer 202 exemplified.
  • step 130 FIG.
  • an insulating material (at least regionally) is then introduced into the (remaining) interstices 206 in the piezoelectric layer 202 in order to at least partially couple adjacent columns 206 mechanically (non-positively) to each other.
  • the insulating material 210 may also be introduced there into the layer regions 202-1, 202-2 (202-n) of the piezoelectric layer 202, which do not or do not penetrate are completely filled with the material of the conductive electrode structure 208.
  • a step 140 (FIG.
  • a metallization structure 212 having a plurality of metallization elements 212-1, 212-2 (212-n) on the surface region 202a of the piezoelectric layer 202 is now in electrical contact with the conductive, in the piezoelectric layer 202 arranged electrode structure 208 with the electrode elements 208-1, 208-2 (208-n) arranged.
  • the electrode structure 208 may have a so-called "interdigital structure" in which the finger-like structures 208-n of the electrode structure 208 look like the tines of two combs which without closing
  • the electrode structure 208 can now be applied via the metalization structure 212, for example between the terminal electrodes of the metallization structure 212, by means of a voltage source (not shown in FIG. 1 F) to a potential V P whose resulting electric field within the piezoelectric layer 202 is a Deflection AS (elongation or contraction) along the longitudinal direction (see x-direction of the coordinate system in Fig. 1 F) causes the piezoelectric layer 202 is now firmly connected to the substrate 203, for example, this lateral deflection of the piezoelectric layer 202 (in operation) in a bend in y-direction g implemented.
  • the piezoelectric layer 202 is provided.
  • the piezoelectric layer 202 may be applied to a substrate 203, the so-called "PVD" (Physical Vapor Deposition) (PVD) process, for example
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • a semiconductor material such as silicon, or glass, etc. may have, applied or deposited.
  • GFS process gas flow sputtering process
  • the piezoelectric layer 202 can be deposited anisotropically and columnar, with, for example, relatively large layer thicknesses between 5 and 50 ⁇ m or between 15 and 35 ⁇ m, such as 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 pm, and all intermediate values for the applied piezoelectric layer 202 can be obtained.
  • the formation of a columnar layer structure also achieves lateral stress decoupling in the piezoelectric layer 202. Due to a mismatch in the thermal expansion coefficient of the substrate material and the material of the piezoelectric layer 202, mechanical stress may otherwise occur in the piezoelectric layer 202 during the layer deposition. Thus, the relatively large layer thicknesses of the piezoelectric layer 202 can be realized stress-free or at least low-stress (deposited).
  • the desired layer thickness D1 and also the resulting anisotropy of the obtained piezoelectric layer 202 and the desired formation of the columnar layer structure with the desired average dimensions for the spaces 206 with the (wider) channels 206a and the (narrower) trenches 206b can be adjusted.
  • a sputtering (sputtering) to the parts to be coated a negative voltage (bias voltage) can be applied. This accelerates the positively charged ions on the growing layer and thus provides a possibility to control the dimension of the spaces between the columns in the layer within certain limits.
  • the surface portion 202a of the piezoelectric layer (s) 202 may be further planarized, if necessary, after the application of the piezoelectric layer 202.
  • the planarized surface region 202a of the piezoelectric layer 202 with a layer thickness D1 that is as constant as possible can contribute to the thickness in FIG Process steps shown 120, 130 and 140 easier (ie, with less technical effort), more accurately (with higher manufacturing precision) and nachaillebarer (with lower process variations) to perform.
  • the piezoelectric layer 202 may be deposited on a substrate 203 by means of a gas flow sputtering (GFS) process and subsequently planarized and / or patterned.
  • the piezoelectric layer 202 can be produced by means of the GFS process in various layer thicknesses, for example between 5 and 50 ⁇ m or between 15 and 35 ⁇ m, with suitable process variations in the GFS process, for example, the desired layer thickness of the piezoelectric layer 202, the resulting columnar layer structure, ie, the resulting spaces (pore sizes) with the channels and trenches, and their anisotropic structure can be adjusted or varied.
  • the conductive electrode pattern 208 is patterned into this piezoelectric layer 202 to obtain the plurality of single electrode patterns 208-n alternately with piezoelectric material layers in the piezoelectric layer 202 therebetween.
  • the (optional) mask structure (mask) 214 is applied to the planarized surface region 202a of the piezoelectric layer 200, so that that for the conductive structure 208 with the individual electrode elements 208-n provided in the piezoelectric layer 202 regions 202-n through the mask structure 214 are exposed.
  • the conductive electrode structure 208 may be inserted into the non-masked regions 202-n of the piezoelectric layer 202.
  • the mask structure 214 can be removed again from the surface region 202a of the piezoelectric layer 202, so that the (planarized) piezoelectric layer 202 is in turn processable from its surface region 202a.
  • the application of the mask structure 214 to the piezoelectric layer 202 can be effected, for example, by a photolithographic application of a resist structure 214 to the piezoelectric layer (PZT) 202, wherein the resist structure 214 (in a vertical projection into the piezoelectric layer 202) covers the areas in the piezoelectric layer 202 piezoelectric layer 202 defined to be penetrated by the electrodes, ie, the conductive electrode structure 208.
  • an exemplary width b s of the individual electrodes of the conductive electrical den Jardin 208 (208-n in parallel to the surface portion 202a of the piezoelectric layer 202) amount to 1 to 3 ⁇ (or 0.5 to 5 ⁇ ), while exemplary distances a n (parallel to the surface region 202a) between adjacent electrodes 208-n of the conductive electrode layer 208 2 to 4 ⁇ (or 1 to 8 ⁇ ) can be.
  • PET polyethylene terephthalate
  • thermoplastic ie a thermoplastic
  • PET materials can provide less adhesion of metal (when introducing the conductive electrode structure 208) over a conventional photoresist as a mask structure and thus improve process performance.
  • the mask structure (protective mask or protective cover) 214 can be applied, for example by means of lithography as a lacquer material and / or as a polymer material on the surface region 202a of the piezoelectric layer 202, to the free areas for introducing the liquefied solder material define.
  • this cap layer i. the lacquer or polymer layer, again removed to the metallization contacts 212-n on the surface portion 202a of the piezoelectric layer 202, d. H. the layer structure 212 to be able to apply in contact with the electrode structures 208.
  • the conductive electrode structure can be introduced directly into the piezoelectric layer 202 with sufficiently high accuracy, so that masking of the surface region 202a of the piezoelectric layer 202 need not be necessary.
  • a metallization can be introduced by means of pressure into predetermined regions 202-n of the piezoelectric layer 202, wherein a (at low temperatures of eg below 500 ° C. or 350 ° C.) liquefied metal material is applied by applying pressure or pressure High pressure is introduced into at least a majority of the exposed through the mask structure 214 channels 206a of the piezoelectric layer 202.
  • the temperature of the (at this temperature) liquefied metal material when introduced into the piezoelectric layer 202 and the applied pressure on the liquefied metal material may be selected to be a plurality ( ie more than 50% or more than 80%) of the channels (or capillary) 206a exposed through the masking structure 214, and also not to fill the trenches 206b (iW) formed between adjacent columns, or at most up to 10% or to 20% to prevent conductive connections from forming in the (narrow) trenches 206b beyond the predetermined regions 202-n.
  • liquefiable metal materials or metal alloy materials for forming the conductive electrode structure 208 it is possible, for example, to use solders (made of a metal or metal alloy material) which in the liquefied state "react" with the surface regions of the piezoelectric layer 202 in the exposed channels 206a, ie Oxide layer may be formed on the surface of the material of the piezoelectric layer 202.
  • metal materials or metal alloy materials remaining after wetting in the capillaries 206a may be employed because after contacting the liquefied metal material with the surface of the piezoelectric layer 202 in FIG the capillaries 206 are subjected to a reaction in the form of a surface oxidation Furthermore, the metal material or the metal alloy material is to be chosen so that this in the liquefied (heated) state in the capillary under the influence of pressure can be pressed, but due to the capillary action acting on this material, the flow of this material is limited, ie, the trenches 206b formed between adjacent columns 204 (capillaries) are substantially not filled.
  • solder alloys comprising gold (Au) and tin (Sn), wherein lutetium (Lu) can also be added to these AuSn solder alloys.
  • an insertable solder alloy may comprise silver (Ag) and tin (Sn) components (AgSn solder alloy), wherein material constituents of the subgroup elements cerium or titanium may also be added. In this context, there is often talk of active solders or active or reactive solos.
  • the size of the channels or capillaries 206a of the piezoelectric layer 202, and the resulting surface tension of the liquefied soldering material may be used to press in the liquefied soldering material in the order of magnitude between 500 and 1500 bar and for example greater than 1000 bar.
  • the "channel or gap filling" can thus be carried out by means of a so-called metal infiltration under pressure since the required capillary pressure, which must be overcome in order to be able to inject the liquid metal material into the channel structure, depends on the diameter of the channels 206a. can be filled by a corresponding pressure setting, taking into account the respective present (set) columnar layer structure of the piezoelectric layer 202, the large pores (channels 206a), without the liquefied metal material in the outgoing side, narrow trenches or Trench structures 206b penetrates.
  • the large pores or channels 206a are filled along the contact points of three columns, ie, along the area of adjacent three columns, while the liquefied metal material enters the "narrow" trenches between the columns (between two adjacent columns). only at; only when would occur at a higher pressure level.
  • the conductive electrode structure 208 may be selectively introduced into the channels 206a in the designated areas 208-n, ie, introduced into the regions 208-n provided for the conductive electrode structure 208 in the piezoelectric layer 202 through the mask structure 214 ,
  • a low-temperature metal e.g. Gallium indium, etc.
  • a sputtered PET structure for the mask structure 214, to which, for example, the liquefied metal material to be introduced into the piezoelectric layer 202 adheres less.
  • other liquid metals or solders than gallium or indium can be used if the liquefaction temperatures of these metal materials are below about 500 ° C. or 350 ° C.
  • gallium has a very low melting point of 29.76 ° C.
  • Suitable materials for the metallization for example, at low temperatures liquefiable metal or metal alloy materials, which are on the one hand as little as possible gap-like, i. there is a negative capillary pressure (back pressure) within the narrow trenches 206b, and on the other hand the metal material is reactive so that it remains adhered to the piezoelectric layers (PZT surfaces) after wetting of the oxidic surface.
  • Metal materials e.g. Indium and gallium meet these requirements, although tin solders can be used with additional reactive admixtures.
  • the conductive electrode structure 208 can furthermore be introduced into the piezoelectric layer by means of an ALD (Atomic Layer DePosition) process.
  • ALD atomic layer DePosition
  • a thin electrically conductive layer can be introduced into the piezoelectric layer 202 as at least a plurality of the channels that are exposed through the mask structure as the conductive electrode structure 208.
  • an electrically conductive oxide eg doped ZnO, or a metal, eg ruthenium
  • the insulating material 210 is introduced into intermediate spaces 206 in the piezoelectric layer 200 in order to mechanically couple adjacent columns to one another at least in regions.
  • This penetration of the insulating material 210 can be introduced, for example, by means of a (further) ALD process, wherein the insulating material is introduced at least partially into the (remaining) interspaces 206 in the piezoelectric layer 202 in order (at least in sections) to laterally couple the columnar structure obtained, ie a lateral mechanical or non-positive coupling of the means of the insulating material 210 mechanically coupled to each other columns of the layer structure 202.
  • the lateral coupling of the PZT columns can thus be done by means of a (further) ALD process to a sufficiently high, lateral cohesion of columnar layer structure of the piezoelectric layer (of the PCT film) 202 to achieve.
  • the columnar structure of the piezoelectric layer (of the PZT film) 202 thus allows, besides a low-stress deposition of the thick piezoelectric layer 202 and the infiltration of the individual vertical electrode elements 208-n, ie, the conductive electrode structure 208 in the piezoelectric layer 202, also the introduction of the Insulating material 210 for mechanically coupling the pillars 204.
  • the lateral actuators piezoelectric stack actuators
  • sufficient cohesion or mechanical coupling of the PZT columns by the infiltration of an insulating material such as For example, be effected by ALD layers with a Ti0 2 - or an Al 2 0 3 material.
  • This additional insulating material introduced into the columnar layer structure of the piezoelectric layer 202 also increases the (electrical) insulation and thus the electrical breakdown strength of the overall system.
  • ALD layers which, for example, allows coating of structures with aspect ratios (height-to-width ratios) of, for example, up to 25,000: 1, leads to intimate (strong) mechanical coupling of the columns and thus to a solid ceramic bond in the piezoelectric layer 202.
  • the piezoelectric layer 202 with the introduced in the interstices insulation material at a Activation (energization) can also extend significantly in the layer plane and can pass on the deformation of the functional layer (ie, the piezoelectric layer 202) to a layer-substrate composite when the piezoelectric layer 202 is disposed on a substrate.
  • the insulating material 210 introduced into the interspaces of the piezoelectric layer 202 at step 130 is also located on the conductive electrode structure 208 introduced in the piezoelectric layer 202, then following the step 130 of introducing the insulating material 210, the insulating material 210 may be partially covered by the conductive material 210 Electrode structure 208, which is located on the surface portion 202 a of the piezoelectric layer 202 on or above the conductive structure 208. This removal step can be carried out, for example, by means of plasma etching. Following the introduction 130 of the insulating material 210, for example by means of an ALD process, in the region of the metal electrodes 208 extending to the surface 202a, the applied insulating material 210, i. the ALD layer removed, for example by means of plasma etching, in order to expose the electrode structure 208 at least on the surface region 202a.
  • the non-conductive materials 210 such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or titanium oxide (TiO 2 )
  • an improved mechanical coupling of the pillars 204 can be obtained with the ALD process.
  • the non-conductive material introduced by the ALD process may lead to a "sticking" (mechanical coupling) of the pillars 204 in the piezoelectric layer 202 by filling the still exposed gaps or pores 206 with the nonconductive material.
  • the non-conductive material 210 introduced by the ALD process can therefore be provided so as to fill as much as possible the remaining intermediate spaces 206 or the intermediate spaces not filled by the resolidified solder material, in order to obtain a mechanical coupling of the acid-like piezoelectric layer 202.
  • the non-conductive material can be very (or extremely) compliant in very small gaps 206, ie channels 206a and / or trenches 206b, the piezoelectric layer 202 introduced.
  • the non-conductive material applied or introduced by the ALD process can be applied to the piezoelectric material of the piezoelectric layer 202 relatively stress-free, ie without mechanical stresses.
  • the applied, non-conductive material 210 of the ALD process is still present at least in the regions of the electric current introduced into the piezoelectric material 202.
  • structure 208 with the electrode elements 208-n in order to obtain the electrical contact between the metallization structure 212 and the electrode structure 208 with the electrode elements 208-n during the application of the metallization structure 212.
  • the metallization structure 212 may be deposited and disposed on the surface portion 202a of the piezoelectric layer 202 in electrical contact with the conductive electrode structure 208.
  • the applied metallization structure 212 may have a so-called "interdigital structure".
  • the control of the entire stack ie the piezoelectric stack actuator 200, can finally take place from a signal source with a relatively low control voltage V P (eg in a range of 10 V or between 5 and 15 V) via this metallization structure or interdigital structure 212.
  • V P control voltage
  • the resulting strain AS can then either be used directly if the piezoelectric layer 202 is free, ie mechanically decoupled or removed from the substrate 203, or strong bending can be generated in a bimorph arrangement, for example, if the piezoelectric layer 202 is mechanically fixedly coupled to the substrate 203.
  • the piezoelectric layer (PZT layer) 202 can be effective on a (thinned) substrate 203 as a bimorph bending element.
  • the piezoelectric layer 202 may also be detached from the substrate 203 and formed and operated as a cantilevered membrane having a very large stroke AS.
  • the piezoelectric layer of the resulting piezoelectric stack actuator 200 may also be designed to deflect, for example, a membrane or a sound transducer membrane.
  • a piezoelectric stack actuator 200 according to an exemplary embodiment will now be described with reference to FIG.
  • the piezoelectric stack actuator 200 comprises a piezoelectric layer 202, which has a columnar layer structure, wherein, due to the columnar layer structure, starting from a surface region 202a of the piezoelectric layer 202, gaps 206 with channels 206a and trenches 206b between adjacent pillars 204 are formed in the piezoelectric layer 202.
  • a conductive electrode structure 208 is disposed in the piezoelectric layer 202, wherein the conductive electrode structure 208 extends from the surface portion 202a of the piezoelectric layer 202 vertically (in -y direction) into a plurality of the channels 206a of the piezoelectric layer 202.
  • An insulating material 210 is arranged at least in regions in remaining intermediate spaces 206 in the piezoelectric layer 202 in order to at least partially mechanically couple or connect adjacent columns 204 with one another.
  • a metallization structure 212 is disposed on the surface region 202a of the piezoelectric layer 202 in electrical contact with the conductive electrode structure 208 in the piezoelectric layer 202.
  • the spaces 206b between adjacent columns 204 are at least 80% or 90% free of the liquefied metal material.
  • the insulating material 210 is introduced at least in regions in the interstices 206 in the piezoelectric layer 202 in order to obtain a lateral coupling of the columnar layer structure.
  • the piezoelectric stack structure is formed as a piezoelectric stack actuator 200.
  • the stack structure may be applied to a (thinned) substrate 203 to act as a bimorph bending element, as exemplified in FIG.
  • the electrode structure 208 has a so-called "interdigital structure * with the finger-like structures 208-n of the electrode structure 208.
  • a potential V P can now be applied to the electrode structure 208 via the metallization structure 212, for example between the connection electrodes 212a, 212b of the metallization structure 212 by means of a voltage source 214, whose resulting electric field within the piezoelectric layer 202 is a deflection AS (expansion or contraction).
  • the piezoelectric layer 202 is now firmly connected, for example, to the substrate 203, this lateral deflection of the piezoelectric layer 202 is converted (in operation) into a curvature or deflection in the y-direction.
  • the piezoelectric stack is arranged laterally on a bending beam (cantilever) or a deflectable membrane, so that an electrical activation of the piezoelectric stack actuator as actuator movement causes a deflection of the bending beam or the membrane.
  • the stacked piezoelectric structure 200 may also be disengaged from the substrate 203 and formed and operated as a cantilevered membrane with a large stroke AS (parallel / along the x-direction of FIG. 2).
  • the piezoelectric stack structure 200 may be designed to deflect a membrane or a sound transducer membrane.
  • FIG. 3A shows a cross-sectional view (a fracture) through a piezoelectric layer (PZT layer) 202 which is 25 ⁇ m thick, for example, which has been applied to a substrate 203 by means of a GFS process.
  • the piezoelectric layer 202 has a pronounced columnar structure.
  • the individual columns 204 extend from the surface region 202a of the piezoelectric layer to its bottom region 202b.
  • a majority, at least 70% of the pillars 204 extend to a depth D2 of the piezoelectric layer 202 that is at least 80% of the total thickness D1 of the piezoelectric layer 202.
  • a portion of the pillars 204 may extend as far as the bottom region 202b, that is, as far as the substrate 203, wherein at least a portion of the pillars 204 are already connected to one another in the bottom region 202b due to the respective production process or as a coherent composite material can.
  • the columnar layer structure may extend into the layer 202 from the surface region 202a to a depth of D2> 0.8D1 (or between 80% and 90% of the thickness D1), so that it can be ensured that the conductive electrode structure 208 sufficiently deep, ie at least to a depth D2 or completely, can be introduced into the piezoelectric layer 202.
  • the ratio between the thickness D2 of the columnar layer structure and the total thickness D1 of the piezoelectric layer 202 depends on the process parameters (deposition parameters) of the manufacturing process of the piezoelectric layer 202 and can thus be adjusted within certain limits as needed.
  • the conductive electrode structure 208 can "ideally '' in the entire piezoelectric layer are introduced 202, ie substantially vertically (through the entire thickness D1 or at least 80%, 85%, 90% or 95%) through the piezoelectric layer 202.
  • Typical dimensions of the piezoelectric layer 202 may be in the following ranges depending on the selected deposition parameters.
  • the pillars 204 of the piezoelectric layer 202 may have a (mean) diameter of 10 to 30 nm.
  • a typical layer thickness D1 of the piezoelectric layer 202 is in a range of 20 m ⁇ 10 ⁇ m, while the thickness of the columnar layer structure D2 is in a range of 80% to 90% and 80% to 85% of the total thickness D1, respectively.
  • the base layer is the region of the piezoelectric layer 202 in which there are no (usable) gaps 206 with channels 206a and trenches 206b in the piezoelectric layer 202.
  • 3B shows an exemplary top view of a portion of a piezoelectric layer 202 (PZT layer) (eg, obliquely ground) with intercolumnar spaces 206, 206a, and channels 206b between adjacent columns 204.
  • PZT layer piezoelectric layer
  • FIG. 3B shows an exemplary top view of a portion of a piezoelectric layer 202 (PZT layer) (eg, obliquely ground) with intercolumnar spaces 206, 206a, and channels 206b between adjacent columns 204.
  • PZT layer piezoelectric layer
  • a vertical channel 206a opens or forms with a significantly larger diameter or a significantly greater width than the narrower trenches 206b between two adjacent channels 204.
  • the channels 206a extend, for example, over a depth D2 of up to 80% of the layer thickness D1 into the material of the piezoelectric layer 202.
  • channels 206a thus form substantially vertically in the piezoelectric layer 202 at positions at which three columns 204 are adjacent or meet.
  • channels 206a are those areas between adjacent columns whose cross-sectional area (iW parallel to surface area 202a) satisfies the following length (L) -to-width (B) relationship:
  • the channels 206a may, for example, a diameter or a width of 20 to
  • the regions 206b are formed between two adjacent columns 204, wherein the trenches 206b have a smaller width than the channels, with the following assumption regarding the length (L) -to-width (B) ratio of the trenches 206b:
  • An exemplary value for the width B of a trench is in the range of 1 to 5 nm.
  • the piezoelectric layer 202 shown by way of example in FIGS. 3A and 3B may have a majority pore size of 10 to 50 nm and a cumulative pore volume of 4.5 mm 3 / g.
  • These exemplary values can be determined by a mercury porosimetry measurement. In a mercury porosimetry measurement, liquid mercury is pressed into the pore structure. However, unlike liquid gallium, the mercury does not remain in the pores 206 after release of the pressure.
  • GFS process G is FS processes for PVD methods
  • PVD physical vapor deposition - have a relatively high deposition rate and the pronounced columnar (columnar) microstructure of the applied piezoelectric layer 202 result.
  • the tightness and character of the columnar structure can be influenced by the process temperature and the use of a separately controlled ion bombardment.
  • the present concept now also allows the use of these columnar piezoelectric layers for integration in piezoelectric devices, such as lateral piezoelectric stack actuators.
  • Lateral piezoelectric stacking arrangements for The design of actuators allows the required slender and high piezoelectric structures with aspect ratios (height-to-width ratio) of at least 5: 1, which can not be realized with conventional thin-film methods, eg etching processes, the present concept also a (nearly ) allows complete filling with the electrode material, further ensuring a sufficiently high mechanical coupling between the various layers of the lateral piezoelectric stack actuator 200.
  • the introduction of the conductive electrode structure 208 in the koennare layer structure of the piezoelectric layer 202 is carried out according to the present concept (vertically) along the layer thickness in the narrow gaps (channels) between the piezoelectric columns (PZT columns), but at the same time a lateral grip under the liquefied Electrode material during insertion of the same (iW) is avoided in order to prevent electrical contact between adjacent (electrically separated) Elektroden Modellabschnit- or electrode structure elements.
  • the inventive concept in addition to the electrical contacting allows the realization of the mechanical coupling within the piezoelectric layer material, so that the execution of the overall system, i. the lateral piezoelectric Stapelaktuators 200, as a bending element or membrane is possible.
  • production costs e.g. for loudspeaker applications
  • EUV lithography - EUV extreme uitraviolet
  • the advantages of an increased PZT content can therefore be used efficiently in the form of multi-layer assemblies including their drive electrodes.
  • the GFS process is a sputtering process which, in principle, is operated at a comparatively high process pressure of 10 to 500 Pa.
  • the high pressure and the associated low mean free path allow columnar (co-heen) layers with pronounced porosity.
  • column and porosity parameters can be specifically controlled by the acceleration of ions by means of a bias voltage.
  • the preceding description has presented a new concept for lateral piezoelectric stack actuators 200 and their manufacturing method 100.
  • the illustrated concept for lateral piezoelectric stack actuators 200 and their method of fabrication enables the construction of multilayer lateral piezoelectric stack actuators which have high performance and efficiency and can be operated with relative piezoelectric voltages of, for example, below 20V. In this way, technical solutions can be considered for a multitude of applications that could hitherto not be considered in the field of piezoelectric actuators.
  • lateral piezoelectric stack actuators 200 are in the field of loudspeakers for mobile phones and tablet computers.
  • the disadvantage, however, is their extremely low acoustic efficiency, which is below 1 ° / 00 . This makes the loudspeakers but one of the major consumers in the mobile phone.
  • Conventional loudspeakers using conventional piezoelectric ceramics are limited to the high frequency range (piezo tweeter) due to low strokes (deflections) where the achievable acceleration of the diaphragm is more important than its deflection.
  • a miniaturized mechanical translation can significantly increase the achievable stroke and shift the usable frequency range significantly towards lower frequencies, but at the expense of the achievable forces or sound levels.
  • the lateral piezoelectric stack actuators 200 provide powerful stacked piezoelectric microactuators that can provide the speaker required deflections and forces for membrane operation at drive voltages below 20V.
  • a sound optimization on the mobile telephone can be achieved by using a plurality of these miniaturized loudspeakers.
  • loudspeakers for particularly low drive voltages in implantable hearing aids eg in extremely compact piezoelectric transformers, fiber optic circuits, adaptive mirrors, arrays of high-frequency piezoelectric ultrasonic transducers, eg in frequency ranges greater than 25 MHz) eg less than 1, 3 V
  • implantable hearing aids eg in extremely compact piezoelectric transformers, fiber optic circuits, adaptive mirrors, arrays of high-frequency piezoelectric ultrasonic transducers, eg in frequency ranges greater than 25 MHz) eg less than 1, 3 V
  • implantable hearing aids eg in extremely compact piezoelectric transformers, fiber optic circuits, adaptive mirrors, arrays of high-frequency piezoelectric ultrasonic transducers, eg in frequency ranges greater than 25 MHz) eg less than 1, 3 V
  • very fast deflection mirrors for laser material processing or laser therapy.

Abstract

Ein Verfahren (100) zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators (200), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (110) einer piezoelektrischen Schicht (202), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) Zwischenräume (206) mit Kanälen (206a) und Gräben (206b) zwischen benachbarten Säulen (204) in der piezoelektrischen Schicht (202) ausgebildet sind; Einbringen (120) einer leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in die piezoelektrische Schicht (202), wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur (208) ausgehend von dem Oberflächen bereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in Kanäle (206a) der piezoelektrischen Schicht (202) erstreckt; Einbringen (130) eines Isolationsmaterials (210) in Zwischenräume (206) in der piezoelektrischen Schicht (202), um benachbarte Säulen (204) zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln; und Anordnen (140) einer Metallisierungsstruktur (212) an dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur (208).

Description

Piezoelektrischer Stapelaktuator und Verfahren zur Herstellung desselben
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Stapelaktuatoren und auf ein Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf viellagige, laterale, piezoelektrische Stapelaktuatoren und auf ein Verfahren zu deren Herstellung.
Piezoelektrische Keramikmaterialien erlauben den Aufbau von schnellen Aktuatoren, die große Kräfte liefern können. Ein sehr gebräuchliches Material mit großen piezoelektrischen Koeffizienten ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Allerdings sind einfache piezoelektri- sehe Aktuatoren trotz hoher Antriebsspannungen von bis zu einigen 100 V auf geringe Auslenkungswege (Stellwege oder Hübe) beschränkt. Größere Auslenkungen lassen sich beispielsweise nur durch eine mechanische Kraft-Weg-Umsetzung oder aber durch eine Reihenschaltung einer großen Anzahl von einzelnen piezoelektrischen Aktuatoren in einem Stapel erreichen. Dazu werden eine Vielzahl von Lagen eines piezoelektrisch aktiven Materials und die jeweils zugehörigen Elektroden„aufeinander" gestapelt, so dass sich die einzelnen Auslenkungen jeder Einheit bei deren Aktivierung addieren.
Während mit keramischen Verfahren hergestellte„makroskopische" Stapelaktuatoren mit bis zu 200 Einzellagen, etwa für den Antrieb von schnellen Einspritzventilen in Dieselmo- toren, bereits in der Praxis Anwendung finden, sind Stapelaktuatoren in der Mikrotechnik, d.h. Mikroaktuaktoren, bisher noch nicht im praktischen Einsatz. Als unter die Mikrotechnik fallende Herstellungsverfahren sind Verfahren zur Herstellung von Körpern und geometrischen Strukturen mit Dimensionen im Mikrometerbereich (0,1 - 1000 μιη) zu berücksichtigen.
Die Herstellung einer Mehrzahl gestapelter Lagen piezoelektrischen Materials in Dünnschichttechnik ist mit großen technologischen Hürden verbunden. So ist eine hohe Anzahl an Lithographie- und Strukturierungsschritten für das piezoelektrische Material und dessen Elektroden notwendig. Zudem erfordert die Herstellung in Dünnschichttechnik relativ hohe Prozesstemperaturen, die häufig zu Ablösungen am Piezomaterial-Elektroden- Verbund führen. Daher sind bisher in Dünnschichttechnik hergestellte Stapelaktuatoren in der Praxis nicht bzw. nur mit sehr wenigen Einzeliagen verfügbar, da ein sehr hoher Herstellungsaufwand für entsprechende Dünnschicht-Stapelaktuatoren vorliegt, wobei Dünn- schicht-Stapelaktuatoren mit mehr Einzeliagen nicht zuverlässig realisiert werden können. Hinsichtlich der Realisierung von piezoelektrischen Mikroaktuaktoren stellt sich also im Bereich der Dünnschichttechnologie folgende Situation dar: Piezoelektrische Mikroaktua- toren werden fast ausschließlich als Einzeliagen piezoelektrischer Materialien für den Aufbau piezoelektrischer Biegewandler verwendet. In einer solchen Anordnung als piezoelektrische Biegewandler können die geringen lateralen Dehnungen der aktiven piezoe- lektrischen Schicht in eine Biegung überführt werden, wodurch an der Spitze des Aktua- tors eine deutlich vergrößerte Auslenkung erzielt werden kann. Allerdings geht diese Ausgestaltung zu Lasten der erzeugbaren Kräfte und der erreichbaren Antriebsgeschwindigkeiten. Werden hingegen große Auslenkungen (Hübe) und auch gro e Kräfte, d.h. eine große Kraft bereitstellung, verlangt, ist dies nur durch eine drastische Erhöhung der Dicke des piezoelektrischen Schichtmaterials möglich. Da die Dehnung der piezoelektrischen Schicht jedoch von der antreibenden, angelegten elektrischen Feldstärke abhängig ist, führt die Erhöhung der Schichtdicke gleichermaßen zu einer Erhöhung der notwendigen Antriebs- bzw. Arbeitsspannungen bis zu einigen 100 V. Solche Arbeitsspannungen können aber bei vielen praktischen Anwendungen der Mikrosystemtechnik nicht bereitgestellt und damit auch nicht toleriert werden,
Der Realisierung viellag iger Stapelaktuatoren stehen somit bislang eine ganze Reihe gravierender technologischer Probleme gegenüber. So führen die nötigen Prozesstemperaturen von 600°C - 700°C zu unerwünschten Reaktionen des PZT-Materials mit den bereits hergesteilten Metallelektroden und letztlich zu einer schlechten Anhaftung dieser Metallelektroden am PZT-Material. Weiterhin bedeutet jede weitere Schichtebene aber auch zusätzliche Prozessschritte in Form von Lithographie- und Ätzschritten für deren Strukturierung, die den Herstellungsaufwand und damit die Herstellungskosten weiter kontinuierlich erhöhen. Aufgrund dieser Probleme haben solche Multilayer-Dünnfilmaktuatoren in der praktischen Realisierung noch keinen Einzug gefunden, wobei eine Realisierung von Multilayer-Dünnfilmaktuatoren bisher auf maximal fünf Einzelschichten mit einer Gesamtdicke von 5 μίη beschränkt ist (siehe auch [1 ] und [6]).
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die der vorliegenden Erfindung zu- gründe liegende Aufgabe darin, verbesserte piezoelektrische Aktuatoren ais auch ein verbessertes Herstellungsverfahren für piezoelektrische Aktuatoren zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert. Ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators umfasst folgende Schritte: Bereitstellen einer piezoelektrischen Schicht, die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht Zwischenräume mit Kanälen und Gräben zwischen benachbarten Säulen in der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind; Einbringen einer leitfähigen Elektrodenstruktur in die piezoelektrische Schicht, wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur ausgehend von dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in Kanäle der piezoelektrischen Schicht erstreckt; Einbringen eines Isolationsmaterials in Zwischenräume in der piezoelektrischen Schicht, um benachbarte Säulen zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln; und Anordnen ei- ner Metallisierungsstruktur an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur.
Ein piezoelektrischer Stapelaktuator umfasst eine piezoelektrische Schicht, die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht Zwischenräume mit Kanälen und Gräben zwischen benachbarten Säulen in der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind; eine leitfähige Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht, wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur ausgehend von dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht vertikal in eine Mehrzahl der Kanäle der piezoelektrischen Schicht erstreckt; ein Isolationsmaterial zumindest bereichsweise in verbleibenden Zwischenräumen in der piezoelektrischen Schicht, um benachbarte Säulen zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln/zu verbinden; und eine Metallisierungsstruktur an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, anstelle eines vertikalen Schichtaufbaus, bei dem viele Lagen piezoelektrischen Materials übereinander bzw. aufeinander geschichtet werden/sind, einen lateralen Aufbau eines piezoelektrischen Stapelaktuators zu realisieren, bei dem viele Lagen, z.B. in einem Substrat, nebeneinander angeordnet werden/sind. Dabei ist die Vielzahl dünner, lateral nebeneinander angeordneter Streifen (Lagen) mechanisch bzw. kraftschlüssig miteinander verbunden. Dazu wird die ausgeprägt kolumnare (säulenförmige) Struktur von piezoelektrischen, dicken PZT- Schichten für eine vertikale Strukturierung sowohl der piezoelektrischen Schichtelemente als auch der erforderlichen (elektrisch) leitfähigen Elektroden verwendet, wobei bei der Integration der notwendigen Elektroden und bei der mikrotechnischen„lateralen" Struktu- rierung der (dazwischen liegenden) schmalen Streifen aus piezoelektrischem Material die mechanische Verbindung (Kraftschlüssigkeit) des gesamten Materialverbundes beibehalten werden kann. Die kolumnare Struktur von piezoelektrischen Schichten, die beispielsweise mit einem Gasflusssputter-Prozess hergestellt werden, ist i.A. auch ausgeprägt anisotrop ausgebildet. Die vertikale Strukturierung sowohl der piezoelektrischen Schicht- elemente als auch der erforderlichen (elektrisch) leitfähigen Elektroden kann also senkrecht zur lateralen Anordnung unter Beibehaltung der mechanische Verbindung des gesamten Materialverbundes erfolgen, um die lateral abwechselnde Anordnung der leitfähigen Elektroden und der piezoelektrischen Schichtelemente zu erhalten. Bei der Herstellung der lateral abwechselnden Anordnung werden also Strukturen, wie Metallelektroden, ein mechanisches Verbindungsmaterial, etc., beispielsweise jeweils in einzelnen Herstellungsschritten vertikal zu dem Oberflächenbereich in das piezoelektrische Material eingebracht. Bei dem Herstellungsverfahren kann beispielsweise eine einzige (zusammenhängende) relativ dicke (z.B. 5 - 50 μιη oder 5 - 35 pm dicke) piezoelektrische Schicht (z.B. eine PZT-Schicht), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, bereitgestellt werden. Die säulenförmige Schichtstruktur weist ausgehend von einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht Zwischenräume (Poren) mit (breiten) Kanälen und (schmalen) Grä- ben zwischen benachbarten Säulen in der piezoelektrischen Schicht auf. Eine leitfähige Elektrodenstruktur wird in die säulenförmige Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht eingebracht, indem beispielsweise ein (bei einer relativ niedrigen Temperatur < 350 °C) verflüssig bares Metallmaterial bzw. Metalllegierungsmaterial, wie etwa Gallium oder Indium, periodisch in die piezoelektrische Schicht eingebracht wird. Die Infiltration kann verti- kal zum Oberflächenbereich, d.h. senkrecht zur lateralen Erstreckung der piezoelektrischen Schicht, erfolgen. Mit dem Begriff „flüssige oder verflüssigbares Metalle" sind bei niedrigen Temperaturen verflüssigbare Metalle, Metalllegierungen oder Lote gemeint.
Das Einbringen bzw. Infiltrieren des verflüssigten Metallmaterials kann unter erhöhtem Druck derart erfolgen, dass das verflüssigte Metallmaterial nur entlang der vertikalen Zwischenräume in (vorgegebene) Bereiche der PZT-Schicht eingebracht bzw. infiltriert wird. Die mit dem Metallmaterial zu versehenden Bereiche können beispielweise mittels einer entsprechenden Maskierung auf dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht definiert werden, d.h. diese Bereiche sind freiliegend und von dem Maskierungsmaterial nicht bedeckt. Durch eine geeignete bzw. ausreichende Druckeinstellung auf das verfiüs- sigte Metallmaterial kann das Eindringen des flüssigen (verflüssigten) Metallmaterials auf die (relativ großen) vertikal verlaufenden Kanäle bzw. Poren, die beispielsweise einen Durchmesser zwischen 20 und 30 nm aufweisen, zwischen den Säulen der piezoelektrischen Schicht beschränkt werden. Die Elektroden sind z.B. die vertikalen Metallisierungen in der säulenförmigen Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht nach einer Verfesti- gung bzw. Abkühlung des Metallmaterials.
Anschließend können die piezoelektrisch „aktiven" Bereiche zwischen den Elektroden durch eine zusätzliche isolierende Beschichtung infiltriert, miteinander verklebt und damit mechanisch kraftschlüssig aneinander gekoppelt werden. Die zusätzliche isolierende Be- Schichtung kann beispielsweise mittels eines sogenannten „ALD-Prozesses" (ALD = Atomic Layer Deposition = Atomlagenabscheidung) eingebracht werden, wobei als ein isolierendes Material für die Beschichtung neben anderen Materialien beispielsweise Ti02 verwendet werden kann. Nachfolgend kann beispielsweise das aufgebrachte Isolationsmaterial, d.h. die ALD- Schicht, in dem Bereich der bis an die Oberfläche reichenden Metallelektroden entfernt werden, um die Metallelektroden zumindest an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht freizulegen. Die Entfernung des Isolationsmaterials kann beispielweise ausgehend von dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht (z.B. schichtweise bzw. parallel zum Oberflächenbereich) in die säulenförmige Schichtstruktur hinein erfolgen. Die Freilegung kann beispielsweise mittels Plasmaätzen erfolgen. Daraufhin kann lokal eine weitere oberflächliche Metallstruktur (Metallisierungsstruktur) an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in elektrischen Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht vorgesehen werden und beispielswei- se zu einer Interdigitalstruktur verschaltet werden.
Eine elektrische Ansteuerung des gesamten Stapels, d.h. dem piezoelektrischen Sta- pelaktuator, kann schließlich mit einer relativ niedrigen Steuerspannung (z.B. in einem Bereich von 10 V oder von 5 - 15 V etc.) über die hergestellte Interdigitalstruktur erfolgen. Einerseits kann die durch eine elektrische Ansteuerung entstehende Auslenkung (Dehnung) des piezoelektrischen Stapels nun beispielsweise .direkt" genutzt werden, wenn die piezoelektrische Schicht freigestellt bzw. freistehend ist, d.h. von einem Substrat mechanisch entkoppelt ist. Anderseits kann durch die piezoelektrische Schicht, d.h. den piezoelektrischen Stapelaktuator, in einer sogenannten„Bimorph-Anordnung" eine starke Verlegung generiert werden. Bei einer sogenannten„Bimorph-Anordnung" ist der piezoeiekt- rische Stapel lateral an einem Biegebalken (Cantilever) oder einer auslenkbaren Membran angeordnet, so dass eine elektrische Aktivierung des piezoelektrischen Stapelaktua- tors als Aktuatorbewegung eine Auslenkung des Biegebalkens oder der Membran bewirkt.
Das erfindungsgemäße Konzept eines piezoelektrischen Stapelaktuators und dessen Herstellungsverfahren basiert also auf einer piezoelektrischen Schicht mit einer säulenförmigen Schichtstruktur und einer darin angeordneten Elektroden- bzw. Metallisierungsstruktur sowie eines darin angeordneten Isolationsmaterials. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschreibt somit die Realisierung der Integration von Metallelektroden vertikal zu einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht, d.h. in einer zusätzli- chen dritten Dimension (3D-lntegration), zur Kontaktierung eines piezoelektrischen Materials. Während in der Mikrosystemtechnik die Elektroden in piezoelektrischen Bauelementen bislang auf eine planare Anordnung beschränkt waren, so wird entsprechend dem vorliegenden Konzept nun eine Implementierung auch in die dritte Dimension, d.h., in das piezoelektrische Material hinein, umgesetzt. In der Kombination mit dicken, kolumnaren (säulenförmigen) piezoelektrischen Schichten kann durch die Herstellung von lateralen Stapelaktuatoren eine Vervielfachung des piezoelektrischen Effekts in mikromechanischen Bauelementen erreicht werden. Im Unterschied zu einem vertikalen Dünnschicht- Stapelaktuator kann mit relativ wenigen Prozessschritten im lateralen Stapelaktuator, d.h. in der lateral angeordneten piezoelektrischen Schicht, eine große Zahl von„Lagen", z.B. in der Größenordnung von 100 Lagen, in Form der Elektroden- bzw. Metallisierungsstrukturen innerhalb der piezoelektrischen Schicht erzeugt werden. Obwohl jede einzelne Lage durch die Steuerung mit einer signifikanten niedrigen Spannung, z.B. im Bereich von 10 V, nur eine relativ geringe„einzelne" Dehnung (Auslenkung) erzeugt, wird das Gesamtsystem, d.h. der gesamte laterale, piezoelektrische Stapelaktuator, über die große Anzahl von Einzelelementen, die durch die Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht definiert werden, extrem stark gedehnt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1A-F ein prinzipielles Block- bzw. Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel; eine Prinzipdarstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiei; eine Querschnittsdarstellung (Bruch) einer beispielhaften piezoelektrischen Schicht mit einer säulenförmigen Schichtstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3B eine Draufsicht auf eine beispielhafte (schräg angeschliffene) piezoelektrische Schicht mit einer säulenförmigen Schichtstruktur mit interkolumnaren Poren gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 3C eine beispielhafte Darstellung der Porengrößenverteilung sowie des kumulativen Porenvolumens in Abhängigkeit vom Porendurchmesser (Pore = Zwischenraum).
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators sowie der Aufbau eines Stapelaktuators selbst im Detail anhand der Zeichnungen und Figuren näher beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. In der folgenden Beschreibung werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele im Detail erörtert, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, dass die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele viele anwendbare Konzepte liefern, die bei einer Vielzahl von lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren und den entsprechenden Herstellungsverfahren derselben umgesetzt bzw. implementiert werden können. Die nachfolgenden erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele stellen lediglich unterschiedliche spezifische Möglichkeiten dar, das vorliegende Konzept für laterale piezoelektrische Stapelaktuatoren und deren Herstellungsverfahren durchzuführen und zu verwenden.
Im Folgenden wird Bezug nehmend auf Fig. 1A-F ein prinzipielles Fluss- bzw. Ablaufdia- gramm des Verfahrens 100 zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators 200 beschrieben.
Zunächst wird in Fig. 1A bei Schritt 1 10 eine piezoelektrische Schicht 202 bereitgestellt, die eine säulenförmige (kolumnare) Schichtstruktur aufweist. Die piezoelektrische Schicht 202 weist eine Vielzahl von Säulen 204 auf. Aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht 202 sind ausgehend von einem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 Zwischenräume 206 mit Kanälen 206a und Gräben 206b zwischen benachbarten Säulen 204 in der piezoelektrischen Schicht 202 ausgebildet. In Fig. 1 B ist bei Schritt 110 zusätzlich in einem gestrichelt umrandeten Bereich eine Draufsicht auf einen Teilabschnitt des Oberflächenbereichs 202a der piezoelektrischen Schicht 202 mit den Säulen 204 und mit den Zwischenräumen 206 mit Kanälen 206a und Gräben 206b beispielhaft in einer vergrößerten Darstellung angegeben. In der Teildraufsicht von Fig. 1 B ist nur jeweils nur eine Säule 204 und nur ein Kanal 206a und ein Graben 206b (aus einer Vielzahl dieser Elemente) exemplarisch mit einem Bezugszeichen versehen.
In die bereitgestellte piezoelektrische Schicht 202 wird nun in Fig. 1C bei Schritt 120 eine leitfähige Elektrodenstruktur 208 in die piezoelektrische Schicht 202 eingebracht. Das strukturierte Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 kann beispielsweise durch eine optionale Maskenstruktur 214 hindurch erfolgen. Die leitfähige Elektrodenstruktur 208 erstreckt sich nun ausgehend von dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht z.B. vertikal in die Kanäle 206a der piezoelektrischen Schicht 200. Wie in der Schnittansicht von Fig. 1C bei Schritt 120 dargestellt ist, kann die leitfähige Elektro- denstruktur 208 an eine Mehrzahl von Bereichen 202-1 , 202-2 (202-n) der piezoelektri- sehen Schicht 202 in diese piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden, um beispielsweise eine sogenannte„Interdigitalstruktur" mit einander gegenüberliegenden, be- abstandeten Elektrodenelementen 208-1 , 208-2 (208-n) zu erhalten. Eine optionale Implementierung der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 (mit den einzelnen Elektrodeneie- menten 208-1 , 208-2 bzw. 208-n) ist in Fig. 1 D bei Schritt 120 zusätzlich in einem gestri- chelt umrandeten Bereich als Draufsicht auf einen Teilabschnitt des Oberflächenbereichs 202a der piezoelektrischen Schicht 202 beispielhaft dargestellt. Bei Schritt 130 (Fig. 1 E) wird nun ein Isolationsmaterial (zumindest bereichsweise) in die (verbleibenden) Zwischenräume 206 in der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht, um jeweils benachbarte Säulen 206 zumindest bereichsweise mechanisch (kraftschlüssig) miteinander zu koppeln. Wie nun bei Schritt 130 von Fig. 1 E zu erkennen ist, kann das Isolationsmaterial 210 auch dort in die Schichtbereiche 202-1 , 202-2 (202-n) der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht werden bzw. eindringen, die nicht bzw. nicht vollständig mit dem Material der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 gefüllt sind. Bei einem Schritt 140 (Fig. 1 F) wird nun eine Metallisierungsstruktur 212 mit einer Mehrzahl Metallisierungselementen 212-1 , 212-2 (212-n) an dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 im elektrischen Kontakt mit der leitfähigen, in der piezoelektrischen Schicht 202 angeordneten Elektrodenstruktur 208 mit den Elektrodenelementen 208-1 , 208-2 (208-n) angeordnet.
Wie nun in bei der Fig. 1 D zusätzlich beispielhaft dargestellten Draufsicht gezeigt, kann die Elektrodenstruktur 208 eine sogenannte„Interdigital-Struktur" aufweisen, bei der die fingerartigen Strukturen 208-n der Elektrodenstruktur 208 wie die Zinken zweier Kämme aussehen, die ohne sich zu berühren ineinandergreifen. An die Elektrodenstruktur 208 kann nun über die Metailisierungsstruktur 212, beispielsweise zwischen die Anschlusselektroden der Metallisierungsstruktur 212 mittels einer Spannungsquelle (nicht gezeigt in Fig. 1 F) ein Potenzial VP angelegt werden, dessen resultierendes elektrisches Feld innerhalb der piezoelektrischen Schicht 202 eine Auslenkung AS (Dehnung bzw. Kontraktion) entlang der Längsrichtung (vgl. x-Richtung des Koordinatensystems bei Fig. 1 F) be- wirkt. Ist die piezoelektrische Schicht 202 nun beispielsweise fest mit dem Substrat 203 verbunden, wird diese laterale Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 202 (im Betrieb) in eine Krümmung in y-Richtung umgesetzt.
Im Folgenden werden nun weitere exemplarische Ausgestaltungen und Implementierun- gen des Verfahrens 100 zur Herstellung des piezoelektrischen Stapelaktuators 200 unter Bezugnahme auf die in den Fig. 1A-F beschriebenen Verfahrensschritte 1 10, 120, 130 und 140 näher erläutert.
Bei Schritt 1 10 wird zunächst die piezoelektrische Schicht 202 bereitgestellt. So kann die piezoelektrische Schicht 202 beispielsweise mittels eines PVD-Prozesses (PVD = Physi- cal Vapor Deposition = Physikalische Gasphasenabscheidung) auf ein Substrat 203, das beispielsweise ein Halbleitermaterial, wie Silizium, oder auch Glas, etc. aufweisen kann, aufgebracht bzw. abgeschieden werden. So kann die piezoelektrische Schicht 202 beispielsweise mittels eines Gasflusssputter-Prozesses (GFS-Prozess) abgeschieden werden, wobei die piezoelektrische Schicht 202 ein PZT-Material (PZT = Blei-Zirkonat- Titanat) oder auch andere piezoelektrische Materialien aufweisen kann. Mittels des Gasflusssputter-Prozesses kann beispielsweise die piezoelektrische Schicht 202 anisotrop und kolumnar abgeschieden werden, wobei beispielweise relative große Schichtdicken zwischen 5 und 50 μιη oder zwischen 15 und 35 pm, wie z.B. 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 pm, und sämtliche Zwischenwerte für die aufgebrachte piezoelektrische Schicht 202 erhalten werden können. Durch die Ausbildung einer kolumnaren Schichtstruktur wird auch eine laterale Stressentkopplung in der piezoelektrischen Schicht 202 erreicht. Aufgrund einer Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials und des Materials der piezoelektrischen Schicht 202 kann ansonsten bei der Schichtabscheidung mechanischer Stress in der piezoelektrischen Schicht 202 auftreten. Somit können die relativ große Schichtdicken der piezoelektrischen Schicht 202 stressfrei bzw. zumindest stressarm realisiert (abgeschieden) werden.
Hinsichtlich des PVD-Prozesses bzw. GFS-Prozesses zur Abscheidung der piezoelektrischen Schicht 202 wird darauf hingewiesen, dass durch das gezielte Einstellen von Pro- zessparametern, wie z.B. Prozesstemperatur, Materialien, Druck, Bias-Spannung etc., die jeweils gewünschte Schichtdicke D1 und auch die resultierende Anisotropie der erhaltenen piezoelektrischen Schicht 202 sowie die gewünschte Ausbildung der säulenförmigen Schichtstruktur mit den gewünschten mittleren Abmessungen für die Zwischenräume 206 mit den (breiteren) Kanälen 206a und den (schmäleren) Gräben 206b eingestellt werden kann. Um die gewünschte säulenförmige Struktur der piezoelektrischen Schicht 202 zu erhalten, kann beispielsweise beim Zerstäuben (Sputtern) an die zu beschichtenden Teile eine negative Spannung (Bias-Spannung) angelegt werden. Diese beschleunigt die positiv geladenen Ionen auf die aufwachsende Schicht und stellt damit eine Möglichkeit dar, die Dimension der Zwischenräume zwischen den Säulen in der Schicht in gewissen Grenzen zu steuern.
Um die piezoelektrische Schicht 202 beispielsweise mit einer konstanten Schichtdicke D1 zu erhalten, kann der Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht(en) 202, falls erforderlich, nach dem Aufbringen der piezoelektrischen Schicht 202 ferner planari- siert werden. Der planarisierte Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 mit einer möglichst konstanten Schichtdicke D1 kann dazu beitragen, die in Fig. 1 dargestellten Prozessschritte 120, 130 und 140 einfacher (d.h. mit geringerem technischen Aufwand), exakter (mit höherer Herstellungspräzision) und nacharbeitbarer (mit geringeren Prozessabweichungen) durchzuführen. Bei Schritt 110 kann somit die piezoelektrische Schicht 202 mittels eines Gasflusssputter- Prozesses (GFS-Prozesses) auf einem Substrat 203 abgeschieden und nachfolgend planarisiert und/oder strukturiert werden. Die piezoelektrische Schicht 202 kann mittels des GFS-Prozesses in verschiedenen Schichtdicken, z.B. zwischen 5 und 50 μιη oder zwischen 15 und 35 μηι hergestellt werden, wobei mit geeigneten Prozessvariationen bei dem GFS-Prozess beispielsweise jeweils die gewünschte Schichtdicke der piezoelektrische Schicht 202, die resultierende säulenförmige Schichtstruktur, d.h. die resultierenden Zwischenräume (Porengrößen) mit den Kanälen und Gräben, sowie deren anisotrope Struktur eingestellt bzw. variiert werden kann. Daraufhin wird bei dem Schritt 120 die leitfähige Elektrodenstruktur 208 in diese piezoelektrische Schicht 202 strukturiert eingebracht, um die Mehrzahl von Einzelelektrodenstrukturen 208-n abwechselnd mit dazwischenliegenden piezoelektrischen Materiallagen in der piezoelektrischen Schicht 202 zu erhalten. Um dieses strukturierte Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 in die piezoelektrische Schicht 202 durchzuführen, wird beispielsweise die (optionale) Maskenstruktur (Maske bzw. Maskierung) 214 auf dem planarisierten Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 200 aufgebracht, so dass die für die leitfähige Struktur 208 mit den einzelnen Elektrodenelementen 208-n in der piezoelektrischen Schicht 202 vorgesehenen Bereiche 202-n durch die Maskenstruktur 214 hindurch freiliegend sind. Daraufhin kann die leitfähige Elektrodenstruktur 208 in die von der Maskenstruktur 214 nicht bedeckte Bereiche 202-n der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht werden. Anschließend kann die Maskenstruktur 214 wieder von dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 entfernt werden, so dass die (planarisierte) piezoelektrische Schicht 202 wiederum von deren Oberflächenbereich 202a aus prozesstechnisch bearbeitbar ist.
Das Aufbringen der Maskenstruktur 214 auf die piezoelektrische Schicht 202 kann beispielsweise durch ein fotolithographisches Aufbringen einer Lackstruktur 214 auf die piezoelektrische Schicht (PZT-Schicht) 202 erfolgen, wobei die Lackstruktur 214 (in einer vertikalen Projektion in die piezoelektrische Schicht 202) die Bereiche in der piezoelektri- sehen Schicht 202 definiert, die von den Elektroden, d.h. der leitfähigen Elektrodenstruktur 208, durchsetzt werden sollen. Unter Berücksichtigung einer beispielhaften Schichtdicke D1 von 10 - 20 pm (in einer vertikalen Richtung zu dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202) kann eine beispielhafte Breite bn der einzelnen Elektroden 208-n der leitfähigen Elektro- denstruktur 208 (parallel zu dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202) 1 bis 3 μητι (oder 0.5 bis 5 μπΊ) betragen, während beispielhafte Abstände an (parallel zu dem Oberflächenbereich 202a) zwischen benachbarten Elektroden 208-n der leitfähigen Elektrodenschicht 208 2 bis 4 μηη (oder 1 bis 8 μηι) betragen können. Als eine weitere Möglichkeit zum Aufbringen der Maskenstruktur 214 kann beispielsweise ein PET-Material (PET = Polyethylenterephthalat), d.h. ein thermoplastischer Kunststoff, als die Maskenstruktur 214 auf den Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 aufgebracht bzw. aufgesputtert werden. PET-Materialien können ein geringeres Anhaften von Metall (beim Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208) gegen- über einem konventionellen Fotolack als Maskenstruktur liefern und somit den Prozessablauf verbessern.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass die Maskenstruktur (Schutzmaske bzw. Schutzabdeckung) 214 beispielsweise mittels Lithographie als Lackmaterial und/oder auch als ein Polymermaterial auf dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 aufgebracht werden kann, um die freien Bereiche zum Einbringen des verflüssigten Lotmaterials zu definieren. Nach Einbringen des Lotmaterials zum Bilden der Elektrodenstruktur 208 wird diese Abdeckungsschicht, d.h. die Lack- bzw. Polymerschicht, wieder entfernt, um die Metallisierungskontakte 212-n an dem Oberflächenbe- reich 202a der piezoelektrischen Schicht 202, d. h. die Schichtstruktur 212, in Kontakt mit den Elektrodenstrukturen 208 aufbringen zu können.
Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer Maskenstruktur 214 zum Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 nur als beispielhaft anzusehen ist, da weitere Vorgehensweisen zum„strukturierten" Einbringen der Eiektro- denstruktur 208 denkbar sind.
So ist beispielsweise vorstellbar, dass die leitfähige Elektrodenstruktur mit einer ausreichend hohen Genauigkeit direkt in die piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden kann, so dass eine Maskierung des Oberflächenbereichs 202a der piezoelektrischen Schicht 202 nicht erforderlich sein braucht. Für die leitfähige Elektrodenstruktur 208 kann beispielsweise eine Metallisierung mittels Druck in vorgegebene Bereiche 202-n der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht werden, wobei ein (bei niedrigen Temperaturen von z.B. unter 500 °C oder 350 °C) ver- flüssigtes Metallmaterial unter Anwenden von Druck bzw. Hochdruck in zumindest eine Mehrzahl der durch die Maskenstruktur 214 hindurch freiliegenden Kanäle 206a der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht wird. Bei dem Einbringen des Metallmaterials unter Druck in die piezoelektrische Schicht 202 können das verwendete Metallmaterial, die Temperatur des (bei dieser Temperatur) verflüssigten Metallmateriais beim Einbringen in die piezoelektrische Schicht 202 und der ausgeübte Druck auf das verflüssigte Metallmaterial so gewählt sein, um eine Mehrzahl (d.h. mehr als 50% oder mehr als 80%) der durch die Maskenstruktur 214 freigelegten Kanäle (bzw. Kapillare) 206a zu füllen, und um ferner die zwischen benachbarten Säulen ausgebildeten Gräben 206b (i.W.) nicht zu füllen oder höchstens bis zu 10% oder zu 20% zu füllen, um zu verhindern, dass sich in den (schmalen) Gräben 206b über die vorgegebenen Bereiche 202-n hinaus leitfähige Verbindungen ausbilden.
Durch diese Vorgehensweise kann ein (unerwünschtes) Ausbreiten der erzeugten leitfähigen Bereiche über die vorgegebenen Bereiche 202-n der piezoelektrischen Schicht 202 hinaus effektiv verhindert werden, so dass i.W. nur die vorgegebenen Bereiche 202-n der piezoelektrischen Schicht 202 leitfähig ausgebildet werden.
Als verflüssigbare Metallmaterialien bzw. Metalllegierungsmaterialien zum Bilden der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 können beispielsweise Lote (aus einem Metall- oder Me- talllegierungsmaterial) eingesetzt werden, die im verflüssigten Zustand mit den Oberflächenbereichen der piezoelektrischen Schicht 202 in den freigelegten Kanälen 206a„reagieren", d.h. eine Oxidschicht an der Oberfläche des Materials der piezoelektrischen Schicht 202 ausbilden. Somit können Metallmaterialien oder Metalllegierungsmaterialien eingesetzt werden, die nach einer Benetzung in den Kapillaren bzw. Kanälen 206a ver- bleiben, da nach einem Inkontaktbringen des verflüssigten Metallmaterials mit der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 202 in den Kapillaren 206 eine Reaktion in Form einer Oberflächenoxidation erfolgt. Ferner ist das Metallmaterial bzw. das Metalllegierungsmaterial so zu wählen, dass dieses im verflüssigten (erwärmten) Zustand in die Kapillare unter Einwirkung von Druck eingepresst werden kann, wobei aber aufgrund der auf dieses Material einwirkenden Kapillarwirkung das Verfließen dieses Materials begrenzt ist, d.h. die zwischen benachbarten Säulen 204 (Kapillaren) gebildeten Gräben 206b im Wesentlichen nicht gefüllt werden.
Als beispielhafte Materialien für die Lote, d.h. für die unter Wärmeeinwirkung verflüssigba- ren Metalle bzw. Legierungen, können beispielsweise Gold (Au) und Zinn (Sn) aufweisende Lotlegierungen eingesetzt werden, wobei diesen AuSn-Lotlegierungen noch Lutetium (Lu) beigefügt werden kann. Ein weiteres Beispiel einer einsetzbaren Lotlegierung kann Silber (Ag-) und Zinn- (Sn) Anteile (AgSn-Lotlegierung) aufweisen, wobei ferner Materialanteile der Nebengruppenelemente Cer oder Titan beigefügt sein können. In diesem Zu- sammenhang wird häufig auch von Aktivloten bzw. aktiven bzw. reaktiven Loten gesprochen.
Abhängig von den Porenstrukturgrößen, d.h. der Größe der Kanäle bzw. Kapillare 206a der piezoelektrischen Schicht 202, und der resultierenden Oberflächenspannung des ver- flüssigten Lotmaterials kann beispielsweise ein Druck zum Einpressen des verflüssigten Lotmaterials in der Größenordnung zwischen 500 und 1500 bar und beispielsweise von mehr als 1000 bar eingesetzt werden.
Die„Kanal- bzw. Spaltfüllung" kann also mittels einer sogenannten Metallinfiltration unter Druck erfolgen. Da der erforderliche Kapillardruck, der zu überwinden ist, um das flüssige Metallmaterial in die Kanalstruktur einbringen bzw. einpressen zu können, von dem Durchmesser der Kanäle 206a abhängt, können durch eine entsprechende Druckeinstellung, die unter Berücksichtigung der jeweils vorliegenden (eingestellten) säulenförmigen Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht 202 gewählt ist, die großen Poren (Kanäle 206a) aufgefüllt werden, ohne dass das verflüssigte Metallmaterial in die davon ausgehenden, seitlichen, schmalen Gräben bzw. Grabenstrukturen 206b eindringt.
Die Porenverteilung bzw. Porengrößenverteilung lässt sich beispielsweise mittels einer sogenannten„Quecksilberporosimetrie" oder auch mit einer REM-Analyse (REM = Ras- terelektronenmikroskop) ermitteln, wobei beide Vorgehensweisen im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse liefern.
Gemäß der vorliegenden Vorgehensweise werden somit die großen Poren bzw. Kanäle 206a entlang der Kontaktpunkte dreier Säulen, d.h. entlang des Bereichs benachbarter dreier Säulen, gefüllt, während ein Eindringen des verflüssigten Metallmaterials in die „schmalen" Gräben zwischen den Säulen (zwischen zwei benachbarten Säulen) erst bei einem höheren Druckniveau auftreten würde. Somit kann die leitfähige Elektrodenstruktur 208 gezielt in die Kanäle 206a in den vorgesehenen Bereiche 208-n eingebracht werden, d.h. in die für die leitfähige E!ektrodenstruktur 208 in der piezoelektrischen Schicht 202 vorgesehenen Bereiche 208-n durch die Maskenstruktur 214 hindurch eingebracht wer- den.
Bei dem Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 beispielsweise durch Infiltrieren von Metallelektroden mittels Hochdruck wird ein Niedertemperaturmetall, z.B. Gallium Indium etc., in die Kanäle bzw. Poren, die nicht durch die Maskierung 214 verschlossen sind, eingebracht bzw. eingepresst. Wie bereits angegeben wurde, kann anstelle eines konventionellen Fotolacks für die Maskenstruktur 214 beispielsweise auch eine aufge- sputterte PET-Struktur Anwendung finden, an der beispielsweise das in die piezoelektrische Schicht 202 einzubringende verflüssigte Metallmaterial weniger anhaftet. In diesem Zusammenhang wird ferner darauf hingewiesen, dass grundsätzlich auch andere flüssige Metalle oder Lote als Gallium oder Indium einsetzbar sind, wenn die Verflüssigungstemperaturen dieser Metallmaterialien unterhalb von etwa 500 °C oder 350 °C liegt. Gallium weist beispielsweise einem sehr niedrigen Schmelzpunkt von 29,76 °C auf. Als geeignete Materialien für die Metallisierung eignet sich beispielsweise bei niedrigen Temperaturen verflüssigbare Metall- oder Metalllegierungsmaterialien, die einerseits möglichst wenig spaltgängig sind, d.h. es liegt ein negativer Kapillardruck (Gegendruck) innerhalb der schmalen Gräben 206b vor, und andererseits das Metallmaterial reaktiv ist, so dass es nach dem Benetzen der oxidischen Oberfläche an den piezoelektrischen Schich- ten (PZT-Oberflächen) anhaften bleibt. Metallmaterialien, wie z.B. Indium und Gallium erfüllen diese Voraussetzungen, wobei auch Zinn-Lote mit zusätzlichen reaktiven Beimischungen einsetzbar sind.
Alternativ oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verfahrensschritt des Einbringens einer Metallisierung mittels eines verflüssigten Metallmaterials unter Druck kann ferner die leitfähige Elektrodenstruktur 208 mittels eines ALD-Prozesses (ALD = Atomic Layer DePosition = Atomlagenaufbringung) in die piezoelektrische Schicht eingebracht werden. Dabei kann mittels des ALD-Prozesses eine dünne elektrisch leitfähige Schicht zumindest in eine Mehrzahl der Kanäle, die durch die Maskenstruktur hindurch freiliegend sind, als die leitfähige Elektrodenstruktur 208 in die piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden. Als Alternative oder zusätzlich zu dem Einpressen von Metallmaterialien unter Druck kann ferner mittels eines ALD-Prozesses ein elektrisch leitfähiges Oxid, z.B. dotiertes ZnO, oder ein Metall, z.B. Ruthenium, in die durch die Maskenstruktur 214 freiliegenden Zwischenräume 206 (Poren), d.h. Kanäle und/oder Gräben, eingebracht werden, Bei Schritt 130 wird ferner das Isolationsmaterial 210 in Zwischenräume 206 in der piezoelektrischen Schicht 200 eingebracht, um benachbarte Säulen zumindest bereichsweise miteinander mechanisch zu koppeln. Dieses Eindringen des Isolationsmaterials 210 kann beispielsweise mittels eines (weiteren) ALD-Prozesses eingebracht werden, wobei das Isolationsmaterial zumindest bereichsweise in die (verbleibenden) Zwischenräume 206 in der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht wird, um (zumindest abschnittsweise) eine laterale Kopplung der säulenförmigen Struktur zu erhalten, d.h. eine laterale mechanische bzw. kraftschlüssige Kopplung der mittels des Isolationsmaterials 210 miteinander mechanisch gekoppelten Säulen der Schichtstruktur 202. Die laterale Kopplung der PZT- Säulen kann also mittels eines (weiteren) ALD-Prozesses erfolgen, um eine ausreichend hohe, laterale Kohäsion der säulenförmigen Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht (des PCT-Films) 202 zu erreichen.
Die kolumnare Struktur der piezoelektrischen Schicht (des PZT-Films) 202 ermöglicht somit neben einer stressarmen Abscheidung der dicken piezoelektrischen Schicht 202 und der Infiltration der einzelnen vertikalen Elektrodenelemente 208-n, d.h. der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 in der piezoelektrischen Schicht 202, auch das Einbringen des Isolationsmaterials 210 zum mechanischen Koppeln der Säulen 204. Um den Aufbau in der Praxis einsetzbarer lateraler Aktuatoren (piezoelektrischer Stapelaktuatoren) zu ermöglichen, wird bei dem oben beschriebenen Schritt 130 eine ausreichende Kohäsion bzw. mechanische Kopplung der PZT-Säulen durch die Infiltration eines Isolationsmaterials, wie z.B. von ALD-Schichten mit einem Ti02- oder einem Al203-Material bewirkt werden. Dieses zusätzliche eingebrachte Isolationsmaterial in die säulenartige Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht 202 erhöht ferner auch die (elektrische) Isolation und damit die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Gesamtsystems.
Die extreme Spaltgängigkeit von ALD-Schichten, die es beispielsweise erlaubt, auch Strukturen mit Aspektverhältnissen (Höhen-zu-Breiten-Verhältnissen) von beispielsweise bis zu 25.000:1 beschichten zu können, führen zu einer innigen (starken) mechanischen Kopplung der Säulen und somit zu einer festen keramischen Bindung in der piezoelektri- sehen Schicht 202. Damit kann sichergestellt werden, dass sich die piezoelektrische Schicht 202 mit dem in den Zwischenräumen eingebrachten Isolationsmaterial bei einer Aktivierung (Bestromung) auch in der Schichtebene deutlich ausdehnen kann und die Verformung der Funktionsschicht (d.h. der piezoelektrischen Schicht 202) an einen Schicht-Substrat-Verbund weitergeben kann, wenn die piezoelektrische Schicht 202 auf einem Substrat angeordnet ist.
Falls sich nun das bei Schritt 130 in die Zwischenräume der piezoelektrischen Schicht 202 eingebrachte Isolationsmaterial 210 auch auf der in der piezoelektrischen Schicht 202 eingebrachten leitfähigen Elektrodenstruktur 208 befindet, kann im Anschluss an den Schritt 130 des Einbringens des Isolationsmaterials 210 dasjenige Isolationsmaterial 210 bereichsweise von der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 entfernt werden, das sich an dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 auf bzw. oberhalb der leitfähigen Struktur 208 befindet. Dieser Schritt des Entfernens kann beispielsweise mittels Plasmaätzen durchgeführt werden. Im Anschluss an das Einbringen 130 des Isolationsmaterials 210, beispielsweise mittels eines ALD-Prozesses, wird also in dem Bereich, der bis an die Oberfläche 202a reichenden Metallelektroden 208, das aufgebrachte Isolationsmaterial 210, d.h. die ALD-Schicht, beispielsweise mittels Plasmaätzen entfernt, um die Elektrodenstruktur 208 zumindest am Oberflächenbereich 202a freizulegen.
Mit dem ALD-Prozess kann also unter Verwendung von nicht-leitfähigen Materialien 210, wie z.B. Aluminiumoxid (Al203) oder Titanoxid (Ti02), eine (verbesserte) mechanische Kopplung der Säulen 204 erhalten werden. Das durch den ALD-Prozess eingebrachte, nicht leitfähige Material kann also zu einer„Verklebung" (mechanischen Kopplung) der Säulen 204 in der piezoelektrischen Schicht 202 führen, indem die noch freiliegenden Zwischenräume bzw. Poren 206 mit dem nicht-leitfähigen Material aufgefüllt werden. Das durch den ALD-Prozess eingebrachte nicht-leitfähige Material 210 kann also vorgesehen sein, um möglichst die noch vorhandenen freiliegenden Zwischenräume 206 bzw. die nicht durch das wiederverfestigte Lotmaterial gefüllten Zwischenräume möglichst aufzufüllen, um eine mechanische Kopplung der säuienartigen piezoelektrischen Schicht 202 zu erhalten. Da der ALD-Prozess extrem„spaltgängig" ist, kann das nicht-leitfähige Material sehr (bzw. extrem) konform auch in sehr kleine Zwischenräume 206, d.h. Kanäle 206a und/oder Gräben 206b, der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht werden. Das durch den ALD-Prozess aufgebrachte bzw. eingebrachte nicht-leitfähige Material kann dabei relativ stressfrei, d.h. ohne mechanische Spannungen, auf das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht 202 aufgebracht werden. Diesbezüglich ist noch zu beach- ten, dass das aufgebrachte, nicht-leitfähige Material 210 des ALD-Prozesses zumindest noch in den Bereichen der in das piezoelektrische Material 202 eingebrachten Elektro- denstruktur 208 mit den Elektrodenelementen 208-n zu entfernen ist, um beim Aufbringen der Metallisierungsstruktur 212 den elektrischen Kontakt zwischen der Metallisierungsstruktur 212 und der Elektrodenstruktur 208 mit den Elektrodenelementen 208-n zu erhalten.
Wie oben bei Schritt 140 angegeben ist, kann die Metallisierungsstruktur 212 an dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 in elektrischen Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 aufgebracht und angeordnet werden. Die aufgebrachte Metallisierungsstruktur 212 kann dabei eine sogenannte„Interdigitalstruktur" auf- weisen.
Die Ansteuerung des gesamten Stapels, d.h. des piezoelektrischen Stapelaktuators 200, kann schließlich von einer Signalquelle mit einer relativ niedrigen Steuerspannung VP (z.B. in einem Bereich von 10 V oder zwischen 5 und 15 V) über diese Metallisierungs- struktur bzw. Interdigitalstruktur 212 erfolgen. Die entstehende Dehnung AS kann dann entweder direkt genutzt werden, wenn die piezoelektrische Schicht 202 freigestellt ist, d.h. von dem Substrat 203 mechanisch entkoppelt oder entfernt ist, oder es kann beispielsweise in einer Bimorph-Anordnung eine starke Verbiegung generiert werden, wenn die piezoelektrische Schicht 202 mit dem Substrat 203 mechanisch fest gekoppelt ist.
Die Realisierung des lateralen Stapelaktuators 200 kann somit in mehreren Formen erfolgen. So kann einerseits die piezoelektrische Schicht (PZT-Schicht) 202 auf einem (gedünnten) Substrat 203 als bimorphes Biegeelement wirksam sein bzw. genutzt werden. Andererseits kann die piezoelektrische Schicht 202 auch von dem Substrat 203 gelöst und als eine freitragende Membran mit einem sehr großen Hub AS ausgebildet und betrieben werden. Somit kann die piezoelektrische Schicht des resultierenden piezoelektrischen Stapelaktuators 200 auch zur Auslenkung beispielsweise einer Membran bzw. einer Schallwandlermembran ausgebildet sein. Im Folgenden wird nun anhand der Fig. 2 ein piezoelektrischer Stapelaktuator 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Der piezoelektrische Stapelaktuator 200 umfasst eine piezoelektrische Schicht 202, die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 Zwischenräume 206 mit Kanälen 206a und Gräben 206b zwischen benach- barten Säulen 204 in der piezoelektrischen Schicht 202 ausgebildet sind. Eine leitfähige Elektrodenstruktur 208 ist in der piezoelektrischen Schicht 202 angeordnet, wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur 208 ausgehend von dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 vertikal (in -y-Richtung) in eine Mehrzahl der Kanäle 206a der piezoelektrischen Schicht 202 erstreckt. Ein Isolationsmaterial 210 ist zumindest bereichsweise in verbleibenden Zwischenräume 206 in der piezoelektrischen Schicht 202 angeordnet, um benachbarte Säulen 204 zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln bzw. zu verbinden. Eine Metaliisierungsstruktur 212 ist an dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 in elektrischem Kontakt mit der leit- fähigen Elektrodenstruktur 208 in der piezoelektrischen Schicht 202 angeordnet.
Die piezoelektrische Schicht 202 weist ein PZT-Material (PZT = Blei-Zikonat-Titanat) auf, wobei die piezoelektrische Schicht 202 anisotrop und kolumnar ausgebildet sein kann, und eine Schichtdicke zwischen 5 und 50 μιτι oder zwischen 15 und 35 μιη aufweist. Die Zwischenräume 206b zwischen benachbarten Säulen 204 sind zumindest zu 80% oder 90% von dem verflüssigten Metallmaterial freigehalten. Das Isolationsmaterial 210 ist zumindest bereichsweise in den Zwischenräumen 206 in der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht, um eine laterale Kopplung der säulenförmigen Schichtstruktur zu erhalten. Die piezoelektrische Stapelstruktur ist als piezoelektrischer Stapelaktuator 200 ausgebil- det.
Die Stapelstruktur kann auf einem (gedünnten) Substrat 203 aufgebracht sein, um als ein bimorphes Biegeelement wirksam zu sein, wie dies beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist. Wie nun in der beispielhaften perspektivischen Darstellung des piezoelektrisches Sta- pelaktuators 200 von Fig. 2 gezeigt ist, weist die Elektrodenstruktur 208 eine sogenannte „Interdigital-Struktur* mit den fingerartigen Strukturen 208-n der Elektrodenstruktur 208 auf. An die Elektrodenstruktur 208 kann nun über die Metallisierungsstruktur 212, beispielsweise zwischen die Anschlusselektroden 212a, 212b der Metallisierungsstruktur 212 mittels einer Spannungsquelle 214 ein Potenzial VP angelegt werden, dessen resultierendes elektrisches Feld innerhalb der piezoelektrischen Schicht 202 eine Auslenkung AS (Dehnung bzw. Kontraktion) entlang der Längsrichtung (vgl. x-Richtung des Koordinatensystems bei Fig. 2) bewirkt. Ist die piezoelektrische Schicht 202 nun beispielsweise fest mit dem Substrat 203 verbunden, wird diese laterale Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 202 (im Betrieb) in eine Krümmung bzw. Auslenkung in y-Richtung umgesetzt. Bei einer sogenannten „Bimorph-Anordnung" ist der piezoelektrische Stapel lateral an einem Biegebalken (Cantilever) oder einer auslenkbaren Membran angeordnet, so dass eine elektrische Aktivierung des piezoelektrischen Stapelaktuators als Aktuatorbewegung eine Auslenkung des Biegebalkens oder der Membran bewirkt.
Alternativ (nicht gezeigt in Fig. 2) kann die piezoelektrische Stapelstruktur 200 auch von dem Substrat 203 gelöst sein und als eine freitragende Membran mit einem großen Hub AS (parallel/entlang der x-Richtung von Fig. 2) ausgebildet und betrieben werden. Die piezoelektrische Stapelstruktur 200 kann zur Auslenkung einer Membran oder einer Schallwandlermembran ausgebildet sein.
Im Folgenden wird anhand der Fig. 3A-C der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff „kolumnare" bzw. .säulenförmige" Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht (PZT-Schicht) 202 näher erläutert.
Fig. 3A zeigt beispielhaft eine Querschnittsansicht (einen Bruch) durch eine z.B. 25 μιη dicke piezoelektrische Schicht (PZT-Schicht) 202, die beispielsweise mittels eines GFS- Prozesses auf ein Substrat 203 aufgebracht wurde. Wie in Fig. 3A ersichtlich ist, weist die piezoelektrische Schicht 202 eine ausgeprägte kolumnare Struktur auf. So erstrecken sich die einzelnen Säulen 204 von dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht bis zu deren Bodenbereich 202b. Wie in Fig. 3A ersichtlich ist, erstreckt sich ein Großteil, zumindest 70 % der Säulen 204 bis in eine Tiefe D2 der piezoelektrischen Schicht 202, die zumindest 80 % der Gesamtdicke D1 der piezoelektrischen Schicht 202 beträgt. Ein Anteil der Säulen 204 kann bis zu dem Bodenbereich 202b, d.h. bis zu dem Substrat 203 reichen, wobei zumindest ein Teil der Säulen 204 auch in dem Bodenbereich 202b bereits aufgrund des jeweiligen Herstellungsprozesses (stoffschlüssig) miteinander verbunden bzw. als ein zusammenhängender Materialverbund ausgebildet sein können. Die säulenförmige Schichtstruktur kann sich beispielsweise ausgehend von dem Oberflächenbereich 202a bis in eine Tiefe von D2 > 0,8 D1 (oder zwischen 80% und 90% der Dicke D1) in die Schicht 202 erstrecken, so dass sichergestellt werden kann, dass die leitfähige Elektrodenstruktur 208 ausreichend tief, d.h. zumindest bis in eine Tiefe D2 oder auch vollständig, in die piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden kann. Das Verhältnis zwischen der Dicke D2 der säulenförmige Schichtstruktur und der Gesamtdicke D1 der piezoelektrischen Schicht 202 hängt dabei von den Prozessparametern (Abscheide- parametern) des Herstellungsprozesses der piezoelektrischen Schicht 202 ab und kann somit innerhalb gewisser Grenzen auch nach Bedarf eingestellt werden. Um möglichst eine gleichmäßige und hohe Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 202 möglichst über die gesamte Dicke D1 zu erhalten, kann die leitfähige Elektrodenstruktur 208„im Idealfall'' in die gesamte piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden, d.h. sich im Wesentlichen vertikal durch die gesamte Dicke D1 (oder zumindest zu 80 %, 85 %, 90 % oder 95%) durch die piezoelektrische Schicht 202 erstrecken.
Typische Abmessungen der piezoelektrischen Schicht 202 können je nach den gewählten Abscheideparametern in folgenden Bereichen liegen. So können beispielsweise die Säu- len 204 der piezoelektrischen Schicht 202 einen (mittleren) Durchmesser von 10 - 30 nm aufweisen. Eine typische Schichtdicke D1 der piezoelektrischen Schicht 202 liegt in einem Bereich von 20 m ± 10 μηη, während die Dicke der säulenförmigen Schichtstruktur D2 in einem Bereich von 80% bis 90% bzw. 80% bis 85% der Gesamtdicke D1 liegt. Somit kann eine Basisschicht mit einer Schichtdicke D3 in einem Bereich von 1 - 2 μιη vorliegen. Als Basisschicht wird der Bereich der piezoelektrischen Schicht 202 bezeichnet, in der keine (nutzbaren) Zwischenräume 206 mit Kanälen 206a und Gräben 206b in der piezoelektrischen Schicht 202 vorhanden sind.
Fig. 3B zeigt eine beispielhafte Aufsicht auf einen Abschnitt auf eine (z. B. schräg ange- schliffene) piezoelektrische Schicht 202 (PZT-Schicht) mit den interkolumnaren Zwischenräumen bzw. Poren 206, mit den Kanälen 206a und den Gräben 206b zwischen benachbarten Säulen 204. In der Teildraufsicht von Fig. 3B ist jeweils nur eine Säule 204 und nur ein Kanal 206a und ein Graben 206b (aus einer Vielzahl dieser Elemente) exemplarisch mit einem Bezugszeichen versehen.
Wie aus der Draufsicht von Fig, 3B eines Abschnitts der piezoelektrischen Schicht 202 zu erkennen ist, sind die einzelnen Säulen (PZT-Säulen) 204, d.h. jeweils zwei seitlich aneinander angrenzende Säulen 204, durch relativ schmale Gräben 206b voneinander getrennt. An den Stellen in dem piezoelektrischen Substrat 202, an denen drei Säulen (Ko- lumnen) 204 zusammentreffen, öffnet sich bzw. bildet sich ein vertikaler Kanal 206a mit einem deutlich größeren Durchmesser bzw. einer deutlich größeren Breite als die dazu schmäleren Gräben 206b zwischen zwei benachbarten Säulen 204. Die Kanäle 206a erstrecken sich beispielsweise über eine Tiefe D2 von bis zu 80 % der Schichtdicke D1 in das Material der piezoelektrischen Schicht 202. Die Kanäle 206a bilden sich also im Wesentlichen vertikal in der piezoelektrischen Schicht 202 an Positionen aus, an denen drei Säulen 204 benachbart sind bzw. zusammentreffen. Als Kanäle 206a werden im Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung solche Bereiche zwischen benachbarten Säulen bezeichnet, deren Querschnittsfläche (i.W. parallel zum Oberflächenbereich 202a) folgender Länge(L)-zu-Breite(B)-Beziehung genügt:
L = n * B, mit 0,3 £ n £ 3.
Die Kanäle 206a können beispielsweise einen Durchmesser bzw. eine Breite von 20 bis
30 nm aufweisen. Die Bereiche 206b bilden sich zwischen zwei benachbarten Säulen 204 aus, wobei die Gräben 206b eine geringere Breite als die Kanäle aufweisen, wobei hinsichtlich des Län- ge(L)-zu-Breite(B)-Verhältnisses der Gräben 206b folgende Annahme gilt:
L » B, mit L > m * B und m > 3 bzw. m > 10.
Ein beispielhafter Wert für die Breite B eines Grabens liegt in dem Bereich von 1 bis 5 nm.
Wie das Diagramm in Fig. 3C verdeutlicht, kann die beispielhaft in den Fig. 3A und 3B dargestellte piezoelektrische Schicht 202 eine mehrheitliche Porengröße von 10 bis 50 nm und ein kumulatives Porenvolumen von 4,5 mm3/g aufweisen. Diese beispielhaften Werte können mit einer Quecksilber-Porosimetrie-Messung ermittelt werden. Bei einer Quecksilber-Porosimetrie-Messung wird flüssiges Quecksilber in die Porenstruktur einge- presst. Das Quecksilber verbleibt aber im Unterschied zu flüssigem Gallium nach dem Ablassen des Drucks nicht in den Poren 206.
Die (dicken) kolumnaren piezoelektrischen Schichten (PZT-Schichten) 202 können mit einer Dicke D1 in einem Bereich von 5 μιη bis 25μηι (oder noch dicker) beispielsweise mittels eines GFS-Prozesses erstellt werden, wobei G FS-Prozesse für PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapor Deposition - physikalische Gasphasenabscheidung) eine vergleichsweise hohe Abscheiderate aufweisen und die ausgeprägte kolumnare (säulenförmige) Mikrostruktur der aufgebrachten piezoelektrischen Schicht 202 ergeben. Die Dicht- heit und Ausprägung der kolumnaren Struktur kann durch die Prozesstemperatur und den Einsatz eines separat gesteuerten lonenbeschusses beeinflusst werden.
Das vorliegende Konzept ermöglicht nun ferner die Nutzung dieser kolumnaren piezoelektrischen Schichten zur Integration in piezoelektrischen Bauelementen, wie z.B. latera- Ien piezoelektrischen Stapelaktuatoren. Laterale piezoelektrische Stapelanordnungen für den Aufbau von Aktuatoren ermöglichen die erforderlichen schlanken und hohen piezoelektrischen Strukturen mit Aspektverhältnissen (Höhen-zu-Breiten-Verhältnis) von zumindest 5: 1 , die sich mit herkömmlichen Dünnschichtverfahren, z.B. Ätzprozessen, nicht realisieren lassen, wobei das vorliegende Konzept ferner eine (nahezu) vollständige Verfül- lung mit dem Elektrodenmaterial ermöglicht, wobei ferner eine ausreichend hohe mechanische Kopplung zwischen den verschiedenen Schichten des lateralen piezoelektrischen Stapelaktuators 200 gewährleistet wird.
Das Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 in die koiumnare Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht 202 erfolgt gemäß dem vorliegenden Konzept (vertikal) entlang der Schichtdicke in die engen Spalten (Kanäle) zwischen den piezoelektrischen Säulen (PZT-Säulen), wobei aber gleichzeitig ein seitliches Untergreifen des verflüssigten Elektrodenmateriais beim Einbringen desselben (i.W.) vermieden wird, um einen elektrischen Kontakt zwischen benachbarten (elektrisch getrennten) Elektrodenstrukturabschnit- ten bzw. Elektrodenstrukturelementen zu verhindern. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept neben der elektrischen Kontaktierung die Realisierung der mechanischen Kopplung innerhalb des piezoelektrischen Schichtmaterials, so dass die Ausführung des Gesamtsystems, d.h. des lateralen piezoelektrischen Stapelaktuators 200, als Biegeelement oder Membran möglich ist.
Das vorliegende Konzept ermöglicht somit die Realisierung von lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren 200 mit einem sehr hohen Wirkungsgrad und relativ niedrigen Herstellungskosten (Produktionskosten) z.B. für Lautsprecheranwendungen, eine äußerst hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit für Anwendungen in der adaptiven Optik (z.B. EUV-Lithographie - EUV = extreme uitraviolet), und ermöglicht ferner einen äußerst hohen Wirkungsgrad und besonders niedrige Antriebsspannungen, z.B. für Hörgeräteanwendungen etc. Die Vorteile eines vergrößerten PZT-Anteils können daher effizient in der Form von Vieilagen-Aufbauten (Multilayer-Aufbauten) inklusive Ihrer Ansteuerelektroden genutzt werden.
Der GFS-Prozess ist ein Zerstäubungsverfahren (Sputterverfahren), das prinzipbedingt bei einem vergleichsweise hohen Prozessdruck von 10 bis 500 Pa betrieben wird. Der hohe Druck und die damit verbundene geringe mittlere freie Weglänge ermöglichen säulenförmige (koiumnare) Schichten mit ausgeprägter Porosität. Im Unterschied zu Ver- dampfungsverfahren können aber Säulen- und Porositätsparameter durch die Beschleunigung von Ionen mittels einer Bias-Spannung gezielt gesteuert werden. Die vorhergehende Beschreibung hat ein neues Konzept für laterale piezoelektrische Sta- pelaktuatoren 200 und deren Herstellungsverfahren 100 vorgestellt. Das dargestellte Konzept für laterale piezoelektrische Stapelaktuatoren 200 und deren Herstellungsverfahren ermöglicht den Aufbau viellagiger lateraler piezoelektrischer Stapelaktuatoren, die eine hohe Leistungsfähigkeit und Effizienz aufweisen und mit relativen piezoelektrischen Spannungen von z.B. unter 20 V betrieben werden können. Damit können technische Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen in Betracht gezogen wer- den, die bisher auf dem Gebiet von piezoelektrischen Aktuatoren nicht berücksichtigt werden konnten.
Im Folgenden werden einige mögliche Anwendungsgebiete der vorliegenden lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren beschrieben, wobei die nachfolgende Darstellung nicht als abschließend anzusehen ist, da die erfindungsgemäßen lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren bei einer Vielzahl von Anwendungen einsetzbar sind.
Eine mögliche Anwendung der lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren 200 liegt auf dem Gebiet von Lautsprechern für Mobiltelefone und Tablet-Computer. Heute wird der Markt von Lautsprechern dominiert, die elektromagnetisch nach dem Tauchspuien-Prinzip aufgebaut sind. Nachteilig ist aber deren extrem geringer akustischer Wirkungsgrad, der unterhalb von 1°/00 liegt. Dadurch zählen die Lautsprecher aber zu den großen Verbrauchern im Mobiltelefon. Konventionelle Lautsprecher, die konventionelle piezoelektrische Keramiken nutzen, sind aufgrund geringer Hübe (Auslenkungen) auf den Bereich hoher Frequenzen (Piezo-Hochtöner) beschränkt, in weichem die erreichbare Beschleunigung der Membran wichtiger als deren Auslenkung ist. Eine miniaturisierte mechanische Übersetzung kann den erreichbaren Hub signifikant vergrößern und den nutzbaren Frequenzbereich deutlich in Richtung niedrigerer Frequenzen verschieben, allerdings zu Lasten der erreichbaren Kräfte bzw. Schallpegel.
Die lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren 200 liefern dagegen leistungsfähige piezoelektrische Mikroaktuatoren in Stapelbauweise, die die für Lautsprecher erforderlichen Auslenkungen und Kräfte für den Betrieb der Membran bei Antriebsspannungen unterhalb von 20 V liefern können. Zudem kann durch eine ultrakompakte Bauweise eine Klangop- timierung am Mobiltelefon durch die Verwendung einer Mehrzahl dieser miniaturisierten Lautsprecher erreicht werden. Als weitere Anwendungsgebiete für die lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren 200 gemäß dem vorliegenden Konzept liegen beispielsweise bei extrem kompakten piezoelektrischen Transformatoren, faseroptischen Schaltungen, adaptiven Spiegeln, Arrays von hochfrequenten piezoelektrischen Ultraschallwandlern, z.B. in Frequenzbereichen von größer 25 MHz, Lautsprechern für besonders niedrige Antriebsspannungen in implantierbaren Hörgeräten (z.B. kleiner 1 ,3 V) oder bei sehr schnellen Ablenkspiegeln für die Lasermaterialbearbeitung oder Lasertherapie. Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
D. Baima, A. azzalai, N. Chidambaram, C. S. Sandu, A. Neels, A. Dammann, P. Hess, D Binz, P. Muralt: "High Piezoelectric Longitudinal Coefficients in Sol-gel PZT Thin Film Multilayers", Journal of the American Ceramic Society 97. 7 (2014), 2069
F. Gao, S. Arpiainen, L. R. Puurunen: "Microscopic silicon-based lateral high- aspect-ratio structures for thin film conformality analysis", J. Vac. Sei Technol. A, 33-1 (2015), 010601-1
D. Kaden, D . Koeßler, J. Sichelschmidt, A. Jakob, B. Wagner, T. Jung, F. Tiefensee:„Herstellung und Integration von piezoelektrischen P ZrJh .x)03-Schichten außerordentlicher Schichtdicke für die Erschließung neuer Anwendungsgebiete", MikroSystemTechnik-Kongress 2015, 26.10. - 28.10.2015, Karlsruhe, Deutschland, Tagungsband: MikroSystemTechnik Kongress 2015
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DE 102006022600 B4
[12] US 5597494 A

Claims

Patentansprüche
Verfahren (100) zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators (200), mit folgenden Schritten:
Bereitstellen (1 10) einer piezoelektrischen Schicht (202), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) Zwischenräume (206) mit Kanälen (206a) und Gräben (206b) zwischen benachbarten Säulen (204) in der piezoelektrischen Schicht (202) ausgebildet sind;
Einbringen (120) einer leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in die piezoelektrische Schicht (202), wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur (208) ausgehend von dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in Kanäle (206a) der piezoelektrischen Schicht (202) erstreckt;
Einbringen (130) eines Isolationsmaterials (210) in Zwischenräume (206) in der piezoelektrischen Schicht (202), um benachbarte Säulen (204) zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln; und
Anordnen (140) einer Metallisierungsstruktur (212) an dem Oberilächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur (208).
Verfahren nach Anspruch 1 , ferner mit folgendem Schritt:
Abscheiden der piezoelektrischen Schicht (202) mittels eines Gasflusssputter- Prozesses (GFS-Prozess). wobei die piezoelektrische Schicht (202) ein PZT- Material (PZT = Blei-Zirkonat-Titanat) aufweist, und wobei die piezoelektrische Schicht (202) anisotrop und kolumnar ausgebildet ist, und eine Schichtdicke zwischen 5 und 50 μηι aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit folgenden Schritten: Planarisieren des Oberflächenbereichs (202a) der aufgebrachten piezoelektrischen Schicht (202);
Aufbringen einer Maskenstruktur (214) auf den planarisierten Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202), wobei die für die leitfähige Elektrodenstruktur (208) in der piezoelektrischen Schicht (202) vorgesehenen Bereiche (202-1 , 202-2) durch die Maskenstruktur (214) hindurch freiliegend sind;
Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in von der Maskenstruktur (214) nicht bedeckte Bereiche (202-1 , 202-2) der piezoelektrischen Schicht (202); und
Entfernen der Maskenstruktur (214) von dem Oberflächenbereich (202a).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt:
Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur in die piezoelektrische Schicht (202), wobei ein verflüssigtes Metallmaterial unter Anwenden von Druck in zumindest eine Mehrzahl der durch die Maskenstruktur (214) freiliegenden Kanäle (206a) der piezoelektrischen Schicht (202) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Metallmaterial, die Temperatur des verflüssigten Metallmaterials beim Einbringen in die piezoelektrische Schicht (202) und der ausgeübte Druck auf das verflüssigte Metallmaterial gewählt sind, um eine Mehrzahl der durch die Maskenstruktur (214) freiliegenden Kanäle zu füllen und um ferner die zwischen benachbarten Säulen (204) ausgebildeten Zwischenräume nicht oder im Mittel höchstens bis zu 20 % zu füllen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit folgendem Schritt:
Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in die piezoelektrische Schicht (202) mittels eines ALD-Prozesses (ALD = Atomic Layer Deposition = Atomlagen- abscheidung).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei mittels des ALD-Prozesses eine elektrisch leitfähige Schicht zumindest in eine Mehrzahl der Kanäle (206a), die durch die Masken- struktur (214) freiliegend sind, als die leitfähige Elektrodenstruktur (208) eingebracht
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt:
Einbringen des Isolationsmaterials (210) mittels eines ALD-Prozesses zumindest bereichsweise in die (verbleibenden) Zwischenräume (206) in der piezoelektrischen Schicht (202), um zumindest bereichsweise eine laterale Kopplung der säulenförmigen Schichtstruktur zu erhalten.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt:
Entfernen des isolationsmaterials (210) zumindest bereichsweise von der leitfähigen Elektrodenstruktur (208) an dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht auf einem Substrat aufgebracht wird, um als ein bimorphes Biegeelement wirksam zu sein.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht (202) als eine freitragende Membran ausgebildet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht zur Auslenkung einer Membran oder einer Schallwandlermembran ausgebildet wird.
13. Lateraler piezoelektrischer Stapelaktuator (200), mit folgenden Merkmalen: einer piezoelektrischen Schicht (202), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) Zwischenräume (206) mit Kanälen (206a) und Gräben (206b) zwischen benachbarten Säulen (204) in der piezoelektrischen Schicht (202) ausgebildet sind; einer leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in der piezoelektrischen Schicht (202), wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur (208) ausgehend von dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) vertikal in eine Mehrzahl der Kanäle (206a) der piezoelektrischen Schicht (202) erstreckt; ein Isolationsmaterial (210) zumindest bereichsweise in verbleibenden Zwischenräume (206) in der piezoelektrischen Schicht (202), um benachbarte Säulen (204) zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln/zu verbinden, eine Metallisierungsstruktur (208) an dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in der piezoelektrischen Schicht (202).
Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß. Anspruch 13, wobei die piezoelektrische Schicht (202) ein PZT-Material (PZT = Blei-Zikonat-Titanat) aufweist, und wobei die piezoelektrische Schicht (202) anisotrop und kolumnar ausgebildet ist, und eine Schichtdicke zwischen 5 und 50 prn aufweist.
Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Zwischenräume (206) zwischen benachbarten Säulen (204) zumindest zu 80 % von dem verflüssigten Metallmaterial freigehalten sind.
Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Isolationsmaterial (210) zumindest bereichsweise in den Zwischenräumen (206) in der piezoelektrischen Schicht (202) eingebracht ist, um eine laterale Kopplung der säulenförmigen Schichtstruktur zu erhalten.
Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die piezoelektrische Stapelstruktur als piezoelektrischer Stapelaktuator (200) ausgebildet ist.
18. Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Stapeistruktur (200) auf einem (gedünnten) Substrat (203) aufgebracht ist und als ein bimorphes Biegeelement wirksam ist.
19. Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die piezoelektrische Stapelstruktur (200) als eine freitragende Membran ausgebildet ist.
20. Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die piezoelektrische Stapelstruktur zur Auslenkung einer Membran oder einer Schallwandlermembran ausgebildet ist.
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