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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR PRODUCING A MICROSYSTEM HAVING A THIN FILM MADE OF LEAD ZIRCONATE TITANATE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/186260
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a microsystem, comprising the steps of providing a substrate (2) made of aluminum oxide; producing a thin film (6) on the substrate (2) by depositing lead zirconate titanate onto the substrate (2) by means of a thermal deposition method in such a way that the lead zirconate titanate in the thin film (6) is self-polarized and is predominantly in the rhombohedral phase; cooling down the substrate (2) together with the thin film (6).

Inventors:
GIEBELER CARSTEN (GB)
SCHREITER MATTHIAS (DE)
STEINKOPFF THORSTEN (DE)
WERSING WOLFRAM (DE)
Application Number:
PCT/EP2013/062154
Publication Date:
December 19, 2013
Filing Date:
June 12, 2013
Export Citation:
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Assignee:
PYREOS LTD (GB)
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
C23C14/00; C23C14/02; C23C14/08; G01J5/34; H01L37/02
Other References:
ADACHI M ET AL: "Sputter-Deposition of [111]-Axis Oriented Rhombohedral PZT Films and Their Dielectric, Ferroelectric and Pyroelectric Properties", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 26, no. 4, April 1987 (1987-04-01), Japan Society of Applied Physics, Tokyo [JP], pages 550 - 553, XP055077256, ISSN: 0021-4929, DOI: 10.1143/JJAP.26.550
SCHREITER M ET AL: "Sputtering of self-polarized PZT films for IR-detector arrays", PROCEEDINGS OF THE ELEVENTH IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON APPLICATIONS OF FERROELECTRICS (ISAF 98), MONTREUX [CH], 24 August 1998 (1998-08-24) - 27 August 1998 (1998-08-27), IEEE, Piscataway, NJ [US], pages 181 - 185, XP010347216, ISSN: 1099-4734, ISBN: 978-0-7803-4959-9, DOI: 10.1109/ISAF.1998.786665
LANG S B ET AL: "Specific heat of ferroelectric Pb(Zr1-xTix)O3 ceramics across the morphotropic phase boundary", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 111, no. 9, 9 May 2012 (2012-05-09), AIP/AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, NEW YORK, NY [US], pages 094102-1 - 094102-5, XP012159719, ISSN: 0021-8979, [retrieved on 20120509], DOI: 10.1063/1.4712633
DATABASE WPI Week 200868, Derwent World Patents Index; AN 2008-L62565, XP002712129
M. SCHREITER; R. BRUCHHAUS; D. PITZER; W. WERSING: "Sputtering of self-polarised PZT films for IR detector arrays", PROCEEDINGS OF ISAF XI, 1998
Attorney, Agent or Firm:
FISCHER, ERNST (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Mikrosystems , mit den

Schritten :

- Bereitstellen eines Substrats (2) aus Aluminiumoxid;

- Herstellen einer Dünnschicht (6) auf dem Substrat (2) durch Abscheiden von Bleizirkonattitanat auf das Substrat (2) mit einem thermischen Abscheideverfahren derart, dass das

Bleizirkonattitanat in der Dünnschicht (6) selbstpolarisiert ist und vorwiegend in der rhomboedrischen Phase vorliegt;

- Abkühlen des Substrats (2) mit der Dünnschicht (6) .

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bleizirkonattitanat einen pyroelektrischen Koeffizienten von größer als 1,3*10~4 C/Km2 hat.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das

Abscheideverfahren ein Sputterprozess oder ein

Laserabiationsprozess ist.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Abscheideverfahren ein Co-Dispositionsprozess mit drei individuellen Targets jeweils für Blei, Zirkon und Titan ist. 5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der

Zirkongehalt des Bleizirkonattitanats in der Dünnschicht (6) im Bereich der morphotropen Phasengrenze liegt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Zirkongehalt des Bleizirkonattitanats in der Dünnschicht (6) zwischen 40% und 50% liegt.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüchen 1 bis 6, wobei die Substrattemperatur größer als 500°C ist.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüchen 1 bis 6, wobei das Bleizirkonattitanat in sauerstoffhaltiger Atmosphäre

abgeschieden wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat (2) auf dessen Oberseite (5) eine Schicht aus Platin aufweist, auf die das Bleizirkonattitanat abgeschieden wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Substratmaterial Saphir ist.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Oberseite (5) des Substrats (2) poliert ist, auf die die

Dünnschicht (6) aufgebracht wird.

12. Infrarotlichtsensorchip mit einem Mikrosystem, das gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.

Description:
Beschreibung

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES MIKROSYSTEMS MIT EINER DÜNNSCHICHT AUS|BLEIZIRKONATTITANAT Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrosystems .

Dünnschichten aus Bleizirkonattitanat (PZT) sind aufgrund ihrer vorteilhaften physikalischen Eigenschaften, wie

beispielsweise einer hohen elektromechanischen Kopplung, einer hohen Dielektrizitätszahl oder einem hohen

pyroelektrischen Koeffizienten, in der Mikrosystemtechnik weit verbreitet. Ein Mikrosystem weist herkömmlich ein

Substrat als einen Träger für die Dünnschicht auf, wobei das Substrat in der Regel aus Silizium hergestellt ist. In der Dünnschicht liegt das Bleizirkonattitanat als ein

Mischkristall vor, der je nach Zirkongehalt eine entsprechend unterschiedliche Kristallsymmetrie hat. Zirkonarmes

Bleizirkonattitanat liegt vorrangig in der tetragonalen Phase vor, wohingegen zirkonreiches Bleizirkonattitanat vorrangig in der rhomboedrischen Phase vorliegt. Hat das

Bleizirkonattitanat eine morphotrope Zusammensetzung,

beispielsweise mit einem Zirkongehalt bei etwa 50%, liegen gleichzeitig tetragonale und rhomboedrische

Gefügebestandteile insbesondere als Körner in der Dünnschicht vor. Es ist bekannt, die Bleizirkonattitanat-Dünnschicht mit einem Abscheideverfahren, insbesondere einem Sputter-Prozess , auf das Substrat aufzubringen, wobei die Dünnschicht

typischerweise ( 111 ) -texturiert vorliegt. Das heißt, die ( 111 ) -Richtungen aller Körner der Dünnschicht liegen nahezu parallel zur Flächennormalen der Substratoberfläche vor.

Für die makroskopische piezo- bzw. pyroelektrische

Funktionalität der Bleizirkonattitanat-Dünnschicht ist eine Vorzugsrichtung der Polarisierung notwendig, wobei die optimale Ausrichtung der Vorzugsrichtung der Polarisierung vom jeweiligen gewünschten physikalischen Effekt, der mit der Dünnschicht erzielt werden soll, wie beispielsweise dem pyroelektrischen Effekt, abhängt. Zur Optimierung des

pyroelektrischen Effekts ist die Vorzugsrichtung der

Polarisierung der Dünnschicht möglichst parallel zur

Oberflächennormalen der Substratoberfläche ausgerichtet. Da in der rhomboedrischen Phase die spontane Polarisation einer Gitterzelle in ( 111 ) -Richtung liegt, bietet an sich eine ( 111 ) -texturierte Dünnschicht die Vorrauset zungen für eine bezüglich des pyroelektrischen Effekts optimale Ausrichtung der Polarisation.

Der pyroelektrische Effekt der Dünnschicht wird durch den pyroelektrischen Koeffizienten der Dünnschicht definiert. Die Größe des pyroelektrischen Koeffizienten der Dünnschicht ist im Wesentlichen von der Zusammensetzung der

Bleizirkonattitanat-Dünnschicht abhängig. Ist die Dünnschicht zirkonarm, liegt die Dünnschicht nach ihrer Deposition und Abkühlung auf Raumtemperatur in einer selbstpolarisierten Form vor. Das heißt, die beim Abscheiden des

Bleizirkonattitanats gewachsene ( 111 ) -Orientierte Dünnschicht ändert ihren Polarisationszustand nicht mehr bei der sich anschließenden Abkühlung. Im Gegensatz dazu verliert die Dünnschicht, die reich an Zirkon ist, die Selbstpolarisation während der Abkühlung. Dieser Verlust der Selbstpolarisation erweist sich insofern als nachteilig, als für (111)- orienierte rhomboedrische Bleizirkonattitanat-Dünnschichten aufgrund der optimalen Ausrichtung der Polarisation ein deutlich höherer pyroelektrischer Effekt als bei tetragonaler Zusammensetzung der Dünnschicht zu erwarten ist. Die

Herstellung von selbstpolarisiertem Bleizirkonattitanat ist beschrieben in M. Schreiter, R. Bruchhaus, D. Pitzer and W. Wersing, „Sputtering of seif-polarised PZT films for IR detector arrays", Proceedings of ISAF XI, 1998.

Ist beispielsweise ein Infrarotlichtsensor auf Basis der Bleizirkonattitanat-Dünnschicht aufgebaut, geht die Größe des pyroelektrischen Koeffizienten der Dünnschicht linear in die Stärke des Sensorausgangssignals ein, so dass bei Erzielen des starken pyroelektrischen Effekts eine hohe Empfindlichkeit des Sensors erreichbar ist. Somit kommen für den Infrarotlichtsensor mit der hohen Sensorempfindlichkeit lediglich Bleizirkonattitanat-Dünnschichten in Frage, die einen geringen Anteil an Zirkon aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems mit einem Substrat und einer Dünnschicht aus Bleizirkonattitanat sowie einen Infrarotlichtsensorchip mit dem Mikrosystem zu schaffen, wobei das Mikrosystem eine hohe Funktionalität hat.

Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11. Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den

weiteren Patentansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des

Mikrosystems weist die Schritte auf: Bereitstellen eines Substrats aus Aluminiumoxid; Herstellen einer Dünnschicht auf dem Substrat durch Abscheiden von Bleizirkonattitanat auf das Substrat mit einem thermischen Abscheideverfahren derart, dass das Bleizirkonattitanat in der Dünnschicht

selbstpolarisiert ist und vorwiegend in der rhomboedrischen Phase vorliegt; Abkühlen des Substrats mit der Dünnschicht. Der erfindungsgemäße Infrarotlichtsensorchip weist das

Mikrosystem auf.

Es ist bevorzugt, dass das Bleizirkonattitanat einen

pyroelektrischen Koeffizienten von größer als 1,3*10 ~4 C/Km 2 hat. Bevorzugtermaßen ist das Abscheideverfahren ein

Sputterprozess oder ein Laserabiationsprozess . Das

Abscheideverfahren ist bevorzugt ein Co-Dispositionsprozess mit drei individuellen Targets jeweils für Blei, Zirkon und Titan. Der Zirkongehalt des Bleizirkonattitanats in der

Dünnschicht liegt bevorzugt im Bereich der morphotropen

Phasengrenze. Besonders bevorzugt ist es, dass der

Zirkongehalt des Bleizirkonattitanats in der Dünnschicht zwischen 40% und 50% liegt. Die Substrattemperatur ist bevorzugtermaßen größer als 500°C. Es ist bevorzugt, dass das Bleizirkonattitanat in sauerstoffhaltiger Atmosphäre

abgeschieden wird. Ferner weist das Substrat auf dessen

Oberseite bevorzugtermaßen eine Schicht aus Platin auf, auf die das Bleizirkonattitanat abgeschieden wird. Außerdem ist es bevorzugt, dass das Substratmaterial Saphir ist. Die

Oberseite des Substrats ist bevorzugtermaßen poliert, auf der die Dünnschicht aufgebracht wird.

Tetragonales ( 111 ) -texturiertes Bleizirkonattitanat und rhomboedrisches ( 111 ) -texturiertes Bleizirkonattitanat haben ein unterschiedliches Verhalten bezüglich der Umorientierung der Polarisation von Domänen. In der rhomboedrischen Phase ist die ( 111 ) -Kristallrichtung die Richtung der spontanen Polarisation, wodurch die Ausrichtung von Domänen unter zwei unterschiedlichen Winkeln zur Oberflächennormalen des

Substrats erlaubt ist. In der tetragonalen Phase hingegen bildet eine ( 001 ) -Kristallrichtung die Richtung der spontanen Polarisation. Für die Dünnschicht, die die ( 111 ) -Orientierte Kristallrichtung hat, existiert damit nur ein einziger möglicher Winkel der Domänenausrichtung zur

Oberflächennormalen des Substrats.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, dass in der Dünnschicht des Mikrosystems das Bleizirkonattitanat in rhomboedrischer Form vorliegt, wobei das Bleizirkonattianat selbstpolarisiert ist und bevorzugt einen hohen

pyroelektrischen Koeffizienten von größer als 1,3*10 ~4 C/Km 2 hat. Dadurch hat das Mikrosystem eine hohe Funktionalität. Im Fall von pyroelektrischen Anwendungen der Dünnschicht ist aufgrund der optimalen Ausrichtung der Polarisation ein vorteilhaft starker pyroelektrischer Effekts erzielt. Die Schicht aus Platin, die zwischen dem Substrat und der

Dünnschicht bevorzugt vorgesehen wird, zum Beispiel zum

Verwenden als eine Elektrode, hat keinen negativen Einfluss auf den erfindungsgemäß erzielten Effekt. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezugnahme auf die schematischen

Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Querschnitt durch einen Infrarotlichtsensorchip und

Figur 2 ein Diagramm, in dem pyroelektrische Koeffizienten von Dünnschichten in Abhängigkeit von deren Zirkongehältern gezeigt sind.

Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, ist ein

Infrarotlichtsensorchip 1 als ein Mikrosystem ausgebildet.

Der Infrarotlichtsensorchip 1 weist ein Substrat 2 auf, das von einem Rahmen 3 und einer Membran 4 gebildet ist. Der

Rahmen 3 ist an der der Membranoberseite 5 abgewandten Seite angeordnet, wobei auf die Membranoberseite 5 eine Dünnschicht 6 aufgebracht ist. Die Membranoberseite 5 ist poliert. Das Dünnschichtmaterial, von dem die Dünnschicht 6 gebildet ist, ist Bleizirkonattitanat . Das Bleizirkonattitanat liegt in der Dünnschicht 6 überwiegend in der rhomboedrischen Phase vor, wobei der Zirkongehalt in der Dünnschicht etwa bei 50% liegt. Das Bleizirkonattitanant ist mit einem thermischen

Abscheideverfahren, insbesondere einem Sputter-Verfahren, auf die Membranoberseite 5 aufgebracht. Ferner ist das

Bleizirkonattitanat selbstpolarisiert und hat einen

pyroelektrischen Koeffizienten von größer als 1,3*10 ~4 C/Km 2 . Zwischen der Dünnschicht 6 und dem Substrat 2 ist eine

Elektrodenschicht aus Platin vorgesehen, die als eine

Elektrode des Infrarotlichtsensorchips 1 dient. Die

Außenseite der Elektrodenschicht des Substrats 2 ist poliert. Das Substratmaterial, das das Substrat 2 bildet, ist Saphir. Zur Herstellung des Substrats 2 ist ein Verfahren der 3D- Laserstrukturierung denkbar, beispielsweise mittels seines Picosekunden-Lasers . Es ist denkbar, dass das

Substratmaterial amorph, polykristallin oder einkristallin vorliegt . ^

Das Mikrosystem wird in einer Sputterdeposit ionsanlage hergestellt, die geeignet ist den Sputter-Prozess

durchzuführen. Das Substrat 2 ist in der

Sputterdeposit ionsanlage mit einer Temperatur größer als 500°C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bereitzustellen. Die Sputterdeposit ionsanlage weist drei individuelle Targets jeweils für Blei, Zirkon und Titan auf, wobei die

Sputterdeposit ion einen Zirkongehalt des Bleizirkonattitanats in der Dünnschicht erzeugt, der im Bereich der morphotropen Phasengrenze und besonders bevorzugt zwischen 40% und 50% liegt. Nach Beenden der Sputterdeposit ion wird das

Mikrosystem mit dem Substrat 2 zusammen mit der Dünnschicht 6 auf Umgebungstemperatur abgekühlt .

Nach dem Abkühlvorgang liegt das Bleizirkonattitanat in der Dünnschicht 6 des Mikrosystems in rhomboedrischer Form vor, wobei das Bleizirkonattianat selbstpolarisiert ist und einen pyroelektrischen Koeffizienten von größer als 1,3*10 ~4 C/Km 2 hat. Dadurch hat die Dünnschicht 6 einen starken

pyroelektrischen Effekt und somit hat das Mikrosystem eine hohe Funktionalität. Dies ist insbesondere für die Verwendung des Bleizirkonattitanats für die Dünnschicht 6 in dem

Infratot licht sensorchip 1 vorteilhaft. Das Vorsehen der

Elektrodenschicht hat keinen Einfluss auf die Stärke des pyroelektrischen Effekts.

Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Stärke des

pyroelekrischen Effekts von Dünnschichten von

Infrarot licht sensorchips gezeigt ist, wobei der

pyroelektrische Effekt von den Infrarot licht sensorchips mit einem Substrat aus Silizium und von den

Infrarot licht sensorchips mit einem Substrat aus Saphir verglichen wird. Mit dem Bezugszeichen 7 ist die Abszisse des Diagramms gekennzeichnet, auf der der relative Zirkongehalt im Bleizirkonattitanat als Zr/(Zr+Ti) aufgetragen ist. Ferner ist in dem Diagramm mit dem Bezugszeichen 8 die Ordinate gekennzeichnet, auf der der pyroelektrische Koeffizient P k des Bleizirkonattitanats aufgetragen ist. Mit dem Bezugszeichen 9 sind Eintragungen gekennzeichnet, die Infrarotlichtsensorchips mit einem Silizizm-Substrat mit einer Bleizirkonattitanat-Dünnschicht ohne zusätzlicher

Polarisation zuzuordnen sind und mit dem Bezugszeichen 10 sind Eintragungen gekennzeichnet, die

Infrarotlichtsensorchips mit einem Silizizm-Substrat mit einer Bleizirkonattitanat-Dünnschicht mit zusätzlicher

Polarisation zuzuordnen sind. Die Bezgszeichen 11 und 12 kennzeichnen Infrarotlichtsensorchips mit jeweils einem

Saphir-Substrat mit einer Bleizirkonattitanat-Dünnschicht ohne bzw. mit zusätzlicher Polarisation. Die Eintragungen im Diagramm zeigen, dass bereits im selbstpolarisierten Zustand von den Infrarotlichtsensorchips mit dem Saphir-Substrat alle herkömmlich erreichten Werte des pyroelektrischen

Koeffizienten der Infrarotlichtsensorchips mit dem Silizizm- Substrat deutlich übertroffen werden. Für die zusätzlich gepolten Dünnschichten ergibt sich eine deutliche Erhöhung des pyroelektrischen Koeffizienten auf mehr als das 1,5-fache verglichen mit dem herkömmlich mit den Silizium-Substraten erreichten Maximalwert.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte

Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der

Erfindung zu verlassen.

Bezugs zeichenliste

1 Infrarotlichtsensorchip

2 Substrat

3 Rahmen

4 Membran

5 Membranoberseite

6 Dünnschicht

7 Abszisse: Zr/(Zr+Ti)

8 Ordinate p k

9 Silizizm-Substrat mit Bleizirkonattitanat-Dünnschicht ohne zusätzlicher Polarisation

10 Silizizm-Substrat mit Bleizirkonattitanat-Dünnschicht mit zusätzlicher Polarisation

11 Saphir-Substrat mit Bleizirkonattitanat-Dünnschicht ohne zusätzlicher Polarisation

12 Saphir-Substrat mit Bleizirkonattitanat-Dünnschicht mit zusätzlicher Polarisation