Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Keramikfilms nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Im Bereich der Biosensorik finden zunehmend akustische Dünn- filmresonatoren (thin film bulk acoustic resonators, FBAR) Anwendung, die bei spezifischer Bindung zu detektierender Substanzen an ihrer Oberfläche Änderungen in ihrer Resonanzfrequenz erfahren. Es handelt sich dabei um piezoelektrische Kristallschichten, die auf entsprechende Substrate, bei- spielsweise Si-Wafer aufgebracht sind.

Da die Detektion von Biomolekülen in der Regel in Flüssigkeiten erfolgt, ist eine besonders hohe Resonanzgüte und Emp ^¬ findlichkeit notwendig. Hierzu muss der Resonator im akusti- sehen Schermode angeregt werden.

Um eine solche Anregung zu ermöglichen, ist eine Verkippung der polaren Kristallachse zum anregenden Feld notwendig. Bei einer klassischen Resonatorstruktur, bei der das

Piezoelektrikum zwischen zwei Elektrodenschichten eingeschlossen ist, muss also die polare Achse eine Komponente in der Elektrodenebene aufweisen.

Bei der Verwendung von ZnO als Dielektrikum werden bei

Verkippungen von ca. 40° und ca. 90° reine Scherwellen ange ^¬ regt (Foster, N.F. et al . , Cadmium Sulphide and Zinc Oxide Thin-Film-Transducers , IEEE Transactions on Sonics and ultrasonics, Vol. SU-15, No.l, Jan. 1968). Auch relative kleine Verkippungen von beispielsweise 15° genügen jedoch, um funktionsfähige Schermode-Resonatoren zu erhalten.

Um eine solche Verkippung der polaren Achse zu erzielen, beschreibt die DE 10 2005 014 160 AI ein Verfahren, bei welchem das Piezoelektrikum durch reaktives Sputtern abgeschieden wird. Mittels einer Blende wird dabei eine Vorzugseinfalls ^¬ richtung der Partikel eingestellt, die den gewünschten Winkel mit einer Flächennormalen der Substratoberfläche einschließt, auf welche die Keramik abgeschieden wird.

Ein Nachteil des bekannten Verfahrens liegt in der Tatsache begründet, dass hierbei der Hauptanteil des Materialstroms auf die Blende und nicht auf das Substrat abgeschieden wird. Dies führt zu niedrigen Depositionsraten und macht eine Rei ^¬ nigung und Neueinstellung der Anlage bereits nach wenigen De- positionsvorgängen notwendig. Dies führt zu einem hohen Zeitaufwand und hohen Kosten. Die Verwendung des Blendensystems resultiert ferner in einer geringen Reproduzierbarkeit des Depositionsergebnisses , insbesondere bezüglich der Schichtho ^¬ mogenität .

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 be- reitzustellen, welches eine schnelle, kostengünstige und gut reproduzierbare Herstellung von Keramikfilmen mit verkippter polarer Achse erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen eines

polykristallinen Keramikfilms auf einer Oberfläche eines Sub ^¬ strats, wird ein Partikelstrom von Partikeln auf die Oberflä- che geleitet und der Keramikfilm unter Abscheidung der Partikel auf die Oberfläche ausgebildet. Bis zum Erreichen einer ersten vorgegebenen Schichtdicke wird dabei der Partikelstrom mittels einer Blende entlang einer Vorzugsrichtung auf die Oberfläche geleitet wird, welche einen vorgegebenen Einfalls- winkel mit einer Flächennormalen der Oberfläche einschließt.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass nach Erreichen der vorgegebenen Schichtdicke die Blende aus dem Partikelstrom entfernt wird und weitere Partikel bis zum Erreichen einer zweiten vorgegebenen Schichtdicke auf die Oberfläche geleitet werden .

Mit anderen Worten wird die Blende nur zur Erzeugung einer Keimschicht des keramischen Materials, also die Schicht mit der ersten vorgegebenen Schichtdicke, erzeugt, welche die ge ^¬ wünschte Achsorientierung aufweist. Nach Ausbildung dieser Keimschicht kann die Deposition ohne Zuhilfenahme der Blende fortgeführt werden, da die Kristalle der Keimschicht auch bei ungerichtetem Materialauftrag entlang der bereits vorgegebe ^¬ nen Vorzugsorientierung weiterwachsen.

Dies ermöglicht es, nach Erzeugung der Keimschicht deutlich höhere Depositionsraten zu erzielen. Durch den Verzicht auf die Verwendung von Blenden nach Erzeugung der Keimschicht wird zudem deutlich mehr vom eingesetzten keramischen Material auf dem Substrat abgeschieden und die Verschmutzung der Anlage durch auf den Blenden abgefangenes Material reduziert. Dies erhöht die Anlagenstandzeit und senkt Wartungsaufwand und Kosten.

Ferner hat es sich herausgestellt, dass mittels des erfin ^¬ dungsgemäßen Verfahrens deutlich homogenere Schichten prozesssicher erzeugt werden können. Insbesondere die Schichtdi ckenhomogenität wird verbessert, so dass die gefertigten Re ^¬ sonatoren eine deutlich besser definierte Resonanzfrequenz und damit auch eine erhöhte Empfindlichkeit bei der Verwen ^¬ dung als Biosensoren aufweisen.

Bei den auf die Oberfläche geleiteten Partikeln kann es sich einerseits um Partikel aus der gewünschten Keramik selbst handeln, andererseits können, beispielsweise durch reaktives Sputtern, Metallpartikel abgeschieden werden, die erst auf der Oberfläche mit einem Reaktivgas die gewünschte Keramik bilden . Vorzugsweise wird der vorgegebene Einfallswinkel hierbei aus dem Bereich von 0 bis 90° und insbesondere aus dem Bereich von 10 bis 30° gewählt. Damit wird sichergestellt, dass eine hinreichende Scheranregung erfolgen kann.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn die erste vorgegebene Schicht ^¬ dicke, also die Dicke der Keimschicht, 50 bis 150 nm und vor ^¬ zugsweise 100 nm beträgt. Hierdurch wird gewährleistet, dass auch beim folgenden ungerichteten Auftragen ein reproduzier- bares Aufwachsen der Schicht in der durch die Keimschicht vorgegebenen Vorzugsorientierung erfolgt.

Die Gesamtschichtdicke, also die zweite vorgegebene Schicht ^¬ dicke, beträgt vorzugsweise 450 bis 600 nm und vorzugsweise 540 nm. In diesem Bereich können Resonatoren mit den gewünschten Resonanzfrequenz im Bereich von 100 MHz bis 10 GHz geschaffen werden.

Als Partikel werden hierbei vorzugsweise Partikel aus ZnO und/oder A1N resp. den entsprechenden Metallen verwendet. Hierbei handelt es sich um kostengünstige Materialien, die die gewünschten piezoelektrischen Eigenschaften aufweisen und durch gängige Auftragsverfahren, beispielsweise durch

Sputtern oder reaktives Sputtern, aufgebracht werden können.

Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt hierbei schematisch einen Substratwafer mit mehreren Messpunkten zur Qualitätskontrolle einer mittels eines Aus- führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufge ^¬ brachten Schicht.

Zum Herstellen eines akustischen Dünnfilmresonators (FBAR) wird auf ein Substrat, beispielsweise einen Siliziumwafer 10, eine zwischen planen Elektroden eingeschlossene Schicht aus einer piezoelektrischen Keramik, beispielsweise ZnO, erzeugt. Der Auftrag der Schicht erfolgt dabei durch an sich bekannte Depositionsverfahren, wie beispielsweise das Sputtern. Um die gewünschten Resonatoreigenschaften zu erzielen, insbesondere um die Anregung von Schermoden zu ermöglichen, muss die polare Achse des piezoelektrischen Materials einen Winkel mit der Flächennormalen des Substrats einschließen. Hierzu wird zunächst eine Keimschicht von etwa 100 nm Dicke erzeugt. Während der Deposition dieser Keimschicht wird zwischen einer Quelle für die abzuscheidenden Partikel und die Substratoberfläche 12 ein Blendensystem installiert, welches gewisse Ein- fallswinkel abschattet, so dass die Partikel in einer Vor ^¬ zugsorientierung mit auf die gewünschte Weise verkippter po ^¬ larer Achse auf die Substratoberfläche 12 abgeschieden wer ^¬ den . Sobald die gewünschte Keimschichtdicke erreicht ist, kann das Blendensystem entfernt werden und die Deposition auf

ungerichtete Weise fortgesetzt werden. Aufgrund der bereits erzeugten Achsorientierung in der Keimschicht erfolgt das weitere Wachstum der Schicht ebenfalls gerichtet, so dass insgesamt die gewünschte Verkippung der polaren Achse erzielt wird. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis eine Gesamt ^¬ schichtdicke von etwa 540 nm erreicht ist.

Während der Erzeugung der Keimschicht können Depositionsraten von etwa 4 nm/min erzielt werden, die nach Entfernen des

Blendensystems auf bis zu 40 nm/min gesteigert werden können. Hierdurch wird eine deutlich beschleunigte Prozessführung im Vergleich mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erzielt, bei denen während des gesamten Depositionsvorgangs ein Blendensystem Anwendung findet.

Um die Qualität der erzeugten Schicht zu überprüfen, wurden an mehreren Messpunkten 14 eines in der FIG schematisch gezeigten 6"-Wafers Proben der Schicht analysiert und mit Pro- ben eines mit aus dem Stand der Technik bekannten Methoden gefertigten Wafers verglichen. Wie der Tabelle entnommen werden kann, werden mit dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich homo ^¬ genere Schichten erzeugt. Die Streuung der Schichtdicke, ge ^¬ messen an der auf die Schichtdicke normierten Standardabwei- chung, verbessert sich von 10,3% auf 3%, wobei gleichzeitig die Prozessdauer von 132 min auf 34 min reduziert werden kann. Der Scherkopplungskoeffizient erfährt dabei keine nen ^¬ nenswerte Beeinträchtigung. Die deutlich geringere Verweildauer der Blenden im

Partikelstrom führt zudem zu einer geringeren Verschmutzung der Blenden und damit zu geringerem Reinigungs- und Nachjus- tieraufwand .

Tab.: Vergleich wesentlicher Prozess- und Schichteigenschaf ^¬ ten für nach dem Stand der Technik und nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugte Schichten

Insgesamt wird so ein Verfahren bereitgestellt, welches eine schnelle, kostengünstige und prozesssichere Herstellung von piezoelektrischen Keramikschichten mit einer vorgegebenen Achsverkippung erlaubt.