Elektrisch isolierende und piezoelektrisch aktive Schichten

Für Anwendungen in Sensorik, Elektronik und Medizintechnik

  • Abb. 1: Stationäre Abscheidung von 5 µm SiO2 auf 3 µm tiefen Silizium-StrukturenAbb. 1: Stationäre Abscheidung von 5 µm SiO2 auf 3 µm tiefen Silizium-Strukturen
  • Abb. 1: Stationäre Abscheidung von 5 µm SiO2 auf 3 µm tiefen Silizium-Strukturen
  • Tab. 1: Übersicht über die Isolationseigenschaften verschiedener gesputterter Schichten, gemessen auf Siliziumwafern bei einer Schichtdicke von 1 Mikrometer
  • Abb. 2: Echo-Signal-Zeit-Verlauf einer AlN-Schicht auf Silizium für Ultraschallanwendung (AlN-Schicht als Ultraschall-Impuls-Sender und Echosignal-Empfänger)
  • Abb. 3: Vergleich der Echo-Signal-Höhen Vpk‑pk („peak-to-peak“; Spitze-zu-Spitze) von AlN und Al0.674Sc0.326N
  • Abb. 4: Versuchsaufbau mit AlScN-beschichtetem Silizium-Streifen in einem Schwinger für Untersuchungen zur Mikroenergiegewinnung aus Vibrationen

Sehr viele Anwendungen und Produkte basieren heutzutage bereits auf der Dünnschichttechnik. Durch innovative Beschichtungstechnologien, Materialien und Materialkombinationen werden neue Anwendungen und Produkte in den Bereichen Optik, Elektronik, Sensorik, Energie- und Medizintechnik oftmals überhaupt erst möglich. Die Anforderungen an die Schichten und Schichtsysteme sind dabei vielfältig und anspruchsvoll.

Beispielsweise ermöglichen elektrisch isolierende Schichten die Funktionalität von immer kleineren Sensoren und Bauelementen. Je kleiner dabei die Strukturen sind, umso höher sind die Anforderungen an die Schichten und dementsprechend auch an die Beschichtungstechnologien. Sehr gute Isolationsschichtmaterialien sind dabei beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) mit Durchbruchsfeldstärken von mehreren MV­/­cm. Sie lassen sich mittels reaktiven Magnetron-Sputterns mit hohen Abscheideraten von 2 – 4 nm/s realisieren. Dadurch ist eine ökonomische Abscheidung dicker Schichten mit hohen Spannungsfestigkeiten bis über 2000 V möglich. In Tabelle 1 sind typische Isolationseigenschaften dieser Schichten zusammengestellt.
Aufgrund ihrer Schutzwirkung (z.B. als Kratzschutz, Barriereschicht oder als Passivierungsschicht) ermöglichen die Schichten auch einen Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen, z.B. in aggressiven Medien, bei hohen Temperaturen, mechanischer Belastung oder im Elektrolytkontakt. Dabei sind Poren, Risse, Defekte in der Schicht oder Substrat-Rauheiten bzw. strukturierte Substrate in feuchten oder wässrigen Umgebungen besonders kritisch, da durch eindringende Flüssigkeit leitfähige Pfade entstehen und somit die Isolationswirkung beeinträchtigt werden kann. Durch geeignete Prozessführung konnte am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik  FEP eine Abscheidung von Isolationsschichten mit glättender Wirkung realisiert werden, wodurch Gräben und Strukturen bis zu einem Aspekt-Verhältnis von etwa 1:1 aufgefüllt werden können (Abb. 1). Diese ermöglicht eine defektarme Beschichtung auch auf rauen oder strukturierten Substraten und damit eine verbesserte Isolationswirkung in feuchter oder wässriger Umgebung.
 
 
Anwendungsbeispiele für solche elektrisch isolierenden Schichten sind:
  • Herzschrittmacher-Elektroden
  • Elektroden für Blutzuckermessung
  • Drucksensoren in Metalltechnik
  • Elektrisch isolierende, aber gut wärmeleitende Schichten für Diodenlaser und Leistungselektronik.
Piezoelektrische Dünnschichten, wie z.B.

Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN), werden für eine Reihe von Anwendungen genutzt, beispielsweise für Hochfrequenzfilter, Ultraschallwandler, Drucksensoren, Mikrofluidik-Aktoren (Zhou, et al., 2014), Biosensoren (Fu, et al., 2017) oder für die Mikroenergiegewinnung (Energy Harvesting). Trotz - im Vergleich zu anderen piezoelektrischen Materialien wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) - geringen piezoelektrischen Koeffizienten (AlN bspw. piezoelektrischer Ladungskoeffizient d33 ca. 6 pC/N) besitzen sie diverse Vorteile: aufgrund ihrer Wurtzit-Kristallstruktur ist keine Polarisierung der Schichten notwendig. Dementsprechend tritt mit der Zeit keine Depolarisierung auf, die die piezoelektrische Aktivität verringert. Außerdem besitzen sie eine hohe Schallgeschwindigkeit (bspw. ZnO > 6.300 m/s und AlN >10.000 m/s longitudinal), eine niedrige Dielektrizitätszahl (ZnO 8,6 und AlN 8,5-10) und gute mechanische Eigenschaften (Elastizitäts-Modul von ZnO 110-130 GPa und AlN 330 GPa) (Fu, et al., 2017). Darüber hinaus sind sie bleifrei und auch bei höheren Temperaturen einsetzbar (AlN bis >1.000°C).

Die piezoelektrischen Dünnschichten werden üblicherweise durch Magnetron-Sputtern abgeschieden, wobei auch andere Verfahren der Dünnschichttechnik möglich sind. Damit erreichbare Schichtdicken sind, je nach Anwendung, im Bereich von wenigen Nanometern bis wenigen Mikrometern. Ein limitierender Faktor sind dabei im Allgemeinen die mechanischen Schichtspannungen. Zu hohe bzw. inhomogene Spannungen können zu Deformationen, Funktionsbeeinträchtigungen oder, im Extremfall, zu Haftungsproblemen, Rissen oder Abplatzungen führen. In Multischichtsystemen (dazu zählen bereits die Elektrodenschichten) sind auch die nicht-piezoelektrischen Schichten meist verspannt, so dass eine Spannungsanpassung bzw. –kompensation notwendig ist. Das Fraunhofer FEP hat ein Verfahren entwickelt, piezoelektrisches AlN mit bis zu 200 nm/min auf 200 mm Durchmesser abzuscheiden und dabei die Schichtspannungen in einem Bereich von Druck- bis Zugspannungen einzustellen  (Barth S. , 2015). Dabei wurden beispielsweise Schichten auf 100 mm Siliziumwafern von bis zu 50 µm Dicke abgeschieden. Durch geeignete Prozesskontrolle konnten je nach Parametersatz mittlere Schichtspannungen zwischen -230 MPa und +130 MPa erzielt werden (Barth, et al., 2014).
Eine Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften lässt sich durch Dotierung der AlN-Schichten erreichen. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Untersuchungen mit unterschiedlichen Materialien durchgeführt, wobei eine Dotierung von AlN mit Scandium (Sc) die mit Abstand besten Ergebnisse gebracht hat. Bei einem Al:Sc-Verhältnis von 57 at.% zu 43 at.% konnte der piezoelektrische Koeffizient d33 um 400% auf 27,6 pC/N gesteigert werden. Dadurch können beispielsweise in Ultraschallanwendungen die Signalhöhen (Abb. 2 und 3) um ein Vielfaches erhöht werden oder für Energy-Harvesting-Anwendungen die generierte Energie bei gleicher mechanischen Beanspruchung signifikant gesteigert werden (Abb. 4). Je nach Aufbau und Anregung sind damit die Erzeugung von einigen Hundert µJ pro Einzelanregung bzw. einigen hundert µW bei kontinuierlicher Anregung möglich. Dadurch lässt sich potenziell ausreichend Energie erzeugen, um low-power Elektronik (bspw. Positionsgeber oder Herzschrittmacher) zu versorgen.
Am Fraunhofer FEP wurde umfassendes Know-how aufgebaut, um Schichten und Prozesse bis hin zu Sputterquellen und Regelungstechnik zu entwickeln, die auf die kundenspezifischen Anforderungen zugeschnitten sind. Die Wissenschaftler stehen bereit, gemeinsam mit der Industrie diese Schichten in innovative Anwendungen zu überführen.
 
 
Die Ergebnisse entstanden teilweise in öffentlich geförderten Projekten:
KMU-innovativ Nanotechnologie des BMBF - Verbundprojekt: „Nanofunktionalisierte Schichtsysteme für Sensoren in der Wasserstofftechnik“ (NaFuSS)
Teilvorhaben FEP: „Nanofunktionale Isolations- und Barriereschichten für die Wasserstofftechnik“
Förderkennzeichen: 13N13171
Bewilligungszeitraum: 01.08.2014 - 31.07.2017
 
Verbundprojekt: Neue Wege für die Qualitätssicherung mikrotechnischer Erzeugnisse (GigaSonic)
Teilvorhaben des FEP: Grundlagen für piezoaktive Dünnschichten
Projektnummer: 13555/2317
Projektlaufzeit: 01. 06. 2009 – 31. 08. 2010
 
FuE-Verbundprojekt: Erforschung von Dünnschicht- und Abgleichtechnologien für die nanoskalige Akustoelektronik (DANAE)
Teilthema: Beschichtungstechnologien für piezoelektrisch und akustisch wirksame Schichten in der Akustoelektronik
 
 
Fördergeber:
Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr
Förderkennzeichen: 100206218
Laufzeit: 01.02.2015 - 31.01.2018
 
 
Autoren
Dr. Stephan Barth1, Jan Hildisch1, Dr. Hagen Bartzsch
 
Zugehörigkeit:
1 Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasma­technik FEP, Dresden, Deutschland

 

Kontakt   
Ines Schedwill

Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik,
Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
Dresden, Deutschland
Ines.Schedwill@fep.fraunhofer.de

 

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Literatur

[1] Barth, S. (2015). Hochrate-Abscheidung von piezoelektrischen Aluminiumnitrid-Dünnschichten mittels reaktiven Magnetron Sputterns. Dresden: TUDpress.

[2] Barth, S., Bartzsch, H., Gloess, D., Frach, P., Herzog, T., Walter, S., & Heuer, H. (2014). Sputter deposition of stress controlled piezoelectric AlN and AlScN films for ultrasonic and energy harvesting applications. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 61, no. 8, S. 1329-1334. doi:http://dx.doi.org/10.1109/TUFFC.2014.3040

[3] Fu, Y. Q., Luo, J. K., Nguyen, N. T., Walton, A. J., Flewitt, A. J., Zu, X. T., . . . Milne, W. (2017). Advances in piezoelectric thin films for acoustic biosensors, acoustofluidics and lab-on-chip applications. Progress in Materials Science 89, S. 31–91. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.04.006

[4] Zhou, J., DeMiguel-Ramos, M., Garcia-Gancedo, L., Iborra, E., Olivares, J., Jin, H., . . . Fu, Y. Q. (2014). Characterisation of aluminium nitride films and surface acoustic wave devices for microfluidic applications. Sensors and Actuators B: Chemical 202, S. 984-992. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2014.05.066

Kontaktieren

Fraunhofer Institute for Organic Electronics


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