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Hohlkathodenverfahren

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik

Hohlkathoden Rundquelle in Betrieb

Piezoelektrische Schichten für die Mikroaktorik und Sensorik

In mikroelektromechanischen Systemen (micro electro mechanical system – MEMS) werden für die Umwandlung elektrischer Signale in Bewegungen leistungsfähige Aktuatoren benötigt. Zu den effektivsten Lösungen zählen hier piezoelektrische Wandler auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT, PbZrxTi1 xO3). Die Herstellung dieses Materials in Form von Sinterkeramik wird technisch gut beherrscht, jedoch liegt die Minimaldicke bei etwa 100 µm, was für viele Mikroanwendungen zu groß ist. Dünne Schichten aus diesem Material sind bisher nur bedingt verfügbar. Vor allem für die Aktorik, die Schichten mit Dicken im Bereich von 5 – 20 µm erfordert, fehlt derzeit ein brauchbares Herstellungsverfahren.

Die besonderen Herausforderungen des Materials für die Dünnschichttechnik bestehen darin, dass es sich um ein Oxid handelt, dass es ein quaternäres System darstellt, und zwar mit chemisch und physikalisch extrem unterschiedlichen Komponenten, und dass sowohl die Stöchiometrie als auch die Mikrostruktur sehr genau eingestellt werden müssen. Darüber hinaus muss das Verfahren eine wirtschaftliche Schichtaufwachsrate bieten sowie eine genügend niedrige Beschichtungstemperatur, um mit den anderen Halbleiterprozessen kompatibel zu sein.

Beim Gasflusssputtern wird der Materialtransport primär durch einen Argon-Gasstrom bewirkt, wodurch sich der für die Oxidbildung erforderliche Sauerstoff von den metallischen Sputtertargets zuverlässig fernhalten lässt. Dadurch wird eine hohe und gleichzeitig sehr stabile Abtragsrate gesichert, was eine gute Reproduzierbarkeit der Stöchiometrie bewirkt. Die Mischung der als einzelne Targets eingesetzten Metalle Blei und Zirkonium/Titan erfolgt ebenfalls problemlos durch den Gasstrom. Ein entsprechendes Legierungstarget Pb-Zr-Ti ist aufgrund begrenzter Mischbarkeit nicht herstellbar.

Die Arbeiten werden in enger Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT durchgeführt. Die bisherigen Ergebnisse lassen erwarten, dass es mittels Gasflusssputtern in absehbarer Zeit gelingen wird, einsatztaugliche PZT-Schichten auf 200 mm-Silizium-Wafern zur Verfügung zu stellen.

Bilder

Zuletzt aktualisiert am: 2013-09-22 21:57:42 CEST
Quelle: http://hohlkathoden.fraunhofer.de/de/anwendungen/piezoelektrische-schichten/
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