DE102024115938B4 - Multilayer structure and methods for producing a multilayer structure - Google Patents
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Abstract
In dieser Anwendung wird ein Mehrschichtaufbau bereitgestellt. Dieser Mehrschichtaufbau besteht aus einem Halbleiter- oder Isolatorsubstrat. Das Substrat weist eine Hauptoberfläche mit einer Oberflächenrauhigkeit (Ra) von 2 µm oder weniger auf. Über dieser Hauptoberfläche ist eine Elektrode angeordnet, die ein Edelmetall oder ein leitfähiges Oxid enthält. Oberhalb der Elektrode ist eine elektrokeramische Schicht angeordnet. In dem Mehrschichtaufbau ist eine Adhäsionsschicht zwischen der Hauptoberfläche des Substrats und der Elektrode angeordnet.This application provides a multilayer structure. This multilayer structure consists of a semiconductor or insulator substrate. The substrate has a main surface with a surface roughness (Ra) of 2 µm or less. An electrode containing a noble metal or a conductive oxide is positioned over this main surface. An electroceramic layer is positioned above the electrode. An adhesion layer is located between the main surface of the substrate and the electrode in the multilayer structure.
Description
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen Mehrschichtaufbau und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrschichtaufbaus.The present application relates to a multilayer structure and a method for producing such a multilayer structure.
In der
Mehrschichtaufbauten oder Dünnschichtaufbauten im Allgemeinen finden in vielen technischen Bereichen Anwendung. Häufig weisen diese elektrokeramische Dünnschichten auf. Solche Mehrschichtaufbauten werden z. B. bei Hochenergiekondensatoren, ferroelektrischen Speichern, piezoelektrischen Aktuatoren wie Mikrospiegeln oder Tintenstrahldruckköpfen, Mikrofluidikpumpen und piezoelektrischen Sensoren wie Drucksensoren, Beschleunigungsmessern, piezoelektrischen Energiegewinnern oder elektrokalorischen Festkörperkühlvorrichtungen, Thermistoren oder Anwendungen, bei denen ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante benötigt wird, eingesetzt. In solchen Vorrichtungen kann der elektrokeramische Dünnfilm innerhalb des Mehrschichtaufbaus die Funktionseinheit bilden.Multilayer or thin-film structures, in general, are used in many technical fields. These often feature electroceramic thin films. Such multilayer structures are used, for example, in high-energy capacitors, ferroelectric storage devices, piezoelectric actuators such as micromirrors or inkjet printheads, microfluidic pumps, and piezoelectric sensors such as pressure sensors, accelerometers, piezoelectric energy harvesters, or electrocaloric solid-state cooling devices, thermistors, or in applications where a material with a high dielectric constant is required. In such devices, the electroceramic thin film within the multilayer structure can form the functional unit.
Nach dem Stand der Technik werden solche Mehrschichtaufbauten in der Regel auf oder über siliziumwaferbasierten Substraten gebildet. Solche Wafer können eine Oxidschicht enthalten.According to current technology, such multilayer structures are generally formed on or over silicon wafer-based substrates. Such wafers may contain an oxide layer.
Die Bildung von PZT-Schichten über siliziumbasierten Substraten ist zum Beispiel aus
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Shelton et al., Adv. Funct. Mater. 22, 2295-2302, 2012 Maeder et al, Jpn. J. Appl. Phys. 37 (4A), 2007-2012, 1998 Halder et al., Appl. Phys. A 87, 705-708, 2007
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Shelton et al., Adv. Funct. Mater. 22, 2295-2302, 2012 Maeder et al, Jpn. J. Appl. Phys. 37 (4A), 2007-2012, 1998 Halder et al., Appl. Phys. A 87, 705-708, 2007
Diese oder ähnliche Ansätze haben jedoch den Nachteil, dass die Haftung von Elektroden in funktionalen Mehrschichtbauelementen mit keramischen Schichten immer noch unzureichend sein kann. So ist beispielsweise in einigen Fällen unter bestimmten Bedingungen eine Delamination wahrscheinlich.However, these or similar approaches have the disadvantage that the adhesion of electrodes in functional multilayer devices with ceramic layers may still be insufficient. For example, delamination is likely in some cases under certain conditions.
Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Mehrschichtaufbau bereitzustellen.Accordingly, one objective of the present invention is to provide an improved multilayer structure.
Dementsprechend werden zumindest einige der oben beschriebenen Nachteile durch den Gegenstand des Anspruchs 1 zumindest teilweise überwunden oder kompensiert. Darüber hinaus sind in den weiteren Ansprüchen weitere bevorzugte Ausführungsformen oder alternative Ausführungsformen beschrieben.Accordingly, at least some of the disadvantages described above are at least partially overcome or compensated for by the subject matter of claim 1. Furthermore, further preferred embodiments or alternative embodiments are described in the dependent claims.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein Mehrschichtaufbau bereitgestellt. Dieser Mehrschichtaufbau umfasst ein Halbleiter- oder Isolatorsubstrat. Das Substrat hat eine Hauptoberfläche. Über dieser Hauptoberfläche ist eine Elektrode angeordnet, die ein Edelmetall oder ein leitfähiges Oxid enthält. Oberhalb der Elektrode ist eine elektrokeramische Schicht angeordnet, die dem Mehrschichtaufbau eine Funktion verleiht. In dem Mehrschichtaufbau ist zwischen der Hauptoberfläche des Substrats und der Elektrode eine Adhäsionsschicht angeordnet. Die Adhäsionsschicht kann in direktem Kontakt sowohl mit der Hauptoberfläche des Substrats als auch mit der Elektrode stehen. Die Adhäsionsschicht enthält ein Übergangsmetall oder ein Übergangsmetalloxid. Der Begriff „Übergangsmetall“ schließt auch Legierungen von Übergangsmetallen ein. Der Begriff „Übergangsmetalloxid“ schließt auch gemischte Übergangsmetall-Mischoxide ein.According to a first embodiment, a multilayer structure is provided. This multilayer structure comprises a semiconductor or insulator substrate. The substrate has a main surface. An electrode containing a noble metal or a conductive oxide is arranged above this main surface. An electroceramic layer, which imparts function to the multilayer structure, is arranged above the electrode. In the multilayer structure, an adhesion layer is arranged between the main surface of the substrate and the electrode. The adhesion layer can be in direct contact with both the main surface of the substrate and the electrode. The adhesion layer contains a transition metal or a transition metal oxide. The term "transition metal" also includes alloys of transition metals. The term "transition metal oxide" also includes mixed transition metal oxides.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass Adhäsionsschichten auf der Basis von Übergangsmetallen oder Übergangsmetalloxiden in der Lage sind, eine gute Haftung zwischen einem Halbleiter- oder Isolatorsubstrat und einer Elektrode zu gewährleisten, die ein Edelmetall oder ein leitfähiges Oxid enthält.The inventors of the present invention have discovered that adhesion layers based on transition metals or transition metal oxides are able to ensure good adhesion between a semiconductor or insulator substrate and an electrode containing a precious metal or a conductive oxide.
Darüber hinaus haben die Erfinder herausgefunden, dass durch die Verwendung solcher Adhäsionsschichten die Delamination verringert oder sogar vollständig beseitigt werden kann. Auch die thermische Stabilität kann verbessert sein. Dies kann z. B. während des Herstellungsprozesses von Bedeutung sein, da die Adhäsionsschicht dazu beitragen kann, eine Entnetzung der Elektrode von der Substratoberfläche während der Herstellung der elektrokeramischen Schicht zu verhindern. Überraschenderweise kann auch die Qualität der elektrokeramischen Schicht verbessert werden.Furthermore, the inventors have discovered that the use of such adhesion layers can reduce or even completely eliminate delamination. Thermal stability can also be improved. This can be important, for example, during the manufacturing process, as the adhesion layer can help prevent the electrode from dewetting from the substrate surface during production. to prevent the formation of the electroceramic layer. Surprisingly, the quality of the electroceramic layer can also be improved.
Jede Art von Substrat, das ein Halbleiterverhalten zeigt, kann als Halbleitersubstrat verstanden werden. Ebenso kann jede Art von Substrat, das in der Praxis als elektrischer Isolator angesehen würde, als Isolatorsubstrat betrachtet werden.Any type of substrate that exhibits semiconductor behavior can be understood as a semiconductor substrate. Likewise, any type of substrate that would be considered an electrical insulator in practice can be considered an insulator substrate.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine weitere Elektrode, die als obere Elektrode angesprochen werden kann, auf oder über der elektrokeramischen Schicht angeordnet sein. Entsprechend kann die elektrokeramische Schicht zwischen der zuvor beschriebenen Elektrode, die eine untere Elektrode sein kann, und der oberen Elektrode angeordnet sein.According to one embodiment, a further electrode, which can be referred to as the upper electrode, can be arranged on or above the electroceramic layer. Similarly, the electroceramic layer can be arranged between the previously described electrode, which can be a lower electrode, and the upper electrode.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat ein siliziumwaferbasiertes Substrat sein. Als siliziumwaferbasiertes Substrat gilt jedes Substrat, das aus einem Siliziumwafer gebildet werden kann oder einen solchen enthält. Das Silizium in dem siliziumwaferbasierten Substrat kann in kristalliner oder amorpher Form vorliegen. Es kann auch dotiert oder undotiert sein. Das siliziumwaferbasierte Substrat kann aus einem einkristallinen Siliziumwafer oder einer polykristallinen Siliziumwafer bestehen oder daraus hergestellt sein. Das siliziumwaferbasierte Substrat kann aus einem blanken Siliziumwafer bestehen oder gebildet sein. Das siliziumwaferbasierte Substrat kann auch einen Teil aus hauptsächlich elementarem Silizium und einen Teil, der aus Siliziumoxid besteht oder dieses enthält, aufweisen. Der Begriff „siliziumwaferbasiertes Substrat“ schließt auch Silizium-auf-Isolator (Englisch: silicon-on-insulator; kurz SOI) -Wafer ein. Solche SOI-Wafer können mehrere Schichten aufweisen. Sie können zum Beispiel eine so genannte Siliziumträgerschicht (Englisch: silicon handle layer) und eine Siliziumbauelementeschicht (Englisch: silicon device layer) aufweisen, die durch eine eingebettete Siliziumoxidschicht (Englisch: silicon oxide buried layer) getrennt sind.According to one embodiment, the substrate can be a silicon wafer-based substrate. A silicon wafer-based substrate is defined as any substrate that can be formed from or contains a silicon wafer. The silicon in the silicon wafer-based substrate can be in crystalline or amorphous form. It can also be doped or undoped. The silicon wafer-based substrate can consist of or be made from a single-crystal or polycrystalline silicon wafer. The silicon wafer-based substrate can consist of or be formed from a bare silicon wafer. The silicon wafer-based substrate can also have a portion consisting mainly of elemental silicon and a portion consisting of or containing silicon oxide. The term "silicon wafer-based substrate" also includes silicon-on-insulator (SOI) wafers. Such SOI wafers can have multiple layers. For example, they can have a so-called silicon handle layer and a silicon device layer, separated by an embedded silicon oxide layer.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Halbleiter- oder Isolatorsubstrat ein Saphirsubstrat sein. Unter „Saphirsubstrat“ ist das zu verstehen, was der Fachmann normalerweise darunter versteht. Ein Saphirsubstrat kann ein Material auf Aluminiumoxidbasis sein, das in einer hexagonalen Kristallstruktur kristallisiert ist.According to one embodiment, the semiconductor or insulator substrate can be a sapphire substrate. "Sapphire substrate" is understood to mean what a person skilled in the art would normally understand by that term. A sapphire substrate can be an aluminum oxide-based material crystallized in a hexagonal crystal structure.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Halbleiter- oder Isolatorsubstrat ein Glassubstrat sein. Hier kann jede Art von Glas auf Siliziumoxidbasis als Glassubstrat verstanden werden.According to another embodiment, a semiconductor or insulator substrate can be a glass substrate. Here, any type of silicon oxide-based glass can be understood as a glass substrate.
Mit den oben beschriebenen Beispielen von Halbleiter- oder Isolatorsubstraten lassen sich Mehrschichtaufbauten leicht in industriell zugänglichen hohen Stückzahlen herstellen. Allerdings kann die Haftung von Elektroden ausgewählt aus Edelmetallen oder leitfähigen Oxiden auf solchen Substraten schlecht sein. Dementsprechend kann eine Adhäsionsschicht aus einem Übergangsmetall oder Übergangsmetalloxid hier für eine bessere Haftung sorgen.The semiconductor or insulator substrates described above allow for the easy production of multilayer structures in industrially accessible high volumes. However, the adhesion of electrodes selected from precious metals or conductive oxides to such substrates can be poor. Therefore, an adhesion layer made of a transition metal or transition metal oxide can improve adhesion in these cases.
Insbesondere stellten die Erfinder fest, dass Elektrodenmaterialien oft nicht auf reinem Silizium angebracht werden können, da ein chemischer Austausch, wie z. B. Diffusion, stattfinden und die Eigenschaften des Substrats oder der Elektrode beeinträchtigen kann. Wenn das Elektrodenmaterial auf einem oxidierten Wafer, d.h. auf Siliziumoxid, aufgebracht wird, ist die Haftung oft sehr schlecht und eine Delamination wahrscheinlich. Die erfindungsgemäße Adhäsionsschicht kann dazu beitragen, die Haftung zu verbessern und die Diffusion von Substanzen oder Atomen zu verringern, wie im Folgenden näher erläutert wird.In particular, the inventors found that electrode materials often cannot be deposited on pure silicon because chemical exchange, such as diffusion, can occur and impair the properties of the substrate or the electrode. If the electrode material is deposited on an oxidized wafer, i.e., on silicon oxide, adhesion is often very poor and delamination is likely. The adhesion layer according to the invention can help to improve adhesion and reduce the diffusion of substances or atoms, as explained in more detail below.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Adhäsionsschicht eine erste Adhäsionsteilschicht mit einem Übergangsmetall und eine zweite Adhäsionsteilschicht mit einem Übergangsmetalloxid umfassen. Die Erfinder gehen davon aus, dass das Vorhandensein sowohl eines Übergangsmetalls als auch eines Übergangsmetalloxids nicht nur die Adhäsion verbessern oder zur Verringerung der Delamination beitragen kann, sondern auch die Diffusion oder Migration von chemischen Elementen zwischen den Schichten verringern kann. Außerdem gehen die Erfinder davon aus, dass die thermische Stabilität der Edelmetallelektrode verbessert werden kann. Dementsprechend kann die elektrokeramische Schicht vor Elementen geschützt werden, die aus dem Substrat in die elektrokeramische Schicht diffundieren. Ebenso bleiben die Eigenschaften des Substrats, insbesondere im Falle eines Halbleitersubstrats, weitgehend unbeeinflusst, da kein Material aus der elektrokeramischen Schicht in das Substrat diffundiert.According to one embodiment, the adhesion layer can comprise a first adhesion sublayer with a transition metal and a second adhesion sublayer with a transition metal oxide. The inventors assume that the presence of both a transition metal and a transition metal oxide can not only improve adhesion or contribute to reducing delamination, but also reduce the diffusion or migration of chemical elements between the layers. Furthermore, the inventors assume that the thermal stability of the noble metal electrode can be improved. Accordingly, the electroceramic layer can be protected from elements that diffuse from the substrate into the electroceramic layer. Likewise, the properties of the substrate, particularly in the case of a semiconductor substrate, remain largely unaffected, since no material diffuses from the electroceramic layer into the substrate.
In der oben beschriebenen Ausführungsform, bei der es eine erste Adhäsionsteilschicht und eine zweite Adhäsionsteilschicht gibt, kann das Übergangsmetall der ersten Adhäsionsteilschicht gleich oder verschieden von dem Übergangsmetall sein, das das Übergangsmetalloxid der zweiten Adhäsionsteilschicht bildet.In the embodiment described above, in which there is a first adhesion sublayer and a second adhesion sublayer, the transition metal of the first adhesion sublayer can be the same or different. separate from the transition metal that forms the transition metal oxide of the second adhesion sublayer.
Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff „Übergangsmetall“ alles verstanden werden, was in dem technischen Gebiet allgemein darunter verstanden wird. Insbesondere kann er zumindest jedes Übergangsmetall der Periode 4, 5 und 6 des Periodensystems umfassen. Vorzugsweise kann das Übergangsmetall hier und im Folgenden Titan, Tantal oder Wolfram oder Legierungen dieser Metalle sein. Von diesen hat sich insbesondere Tantal in mehreren Fällen als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere hat sich Tantal in Verbindung mit einer Platinelektrode, wie nachfolgend beschrieben, als besonders bevorzugt erwiesen.Within the scope of this application, the term "transition metal" can be understood to mean anything generally understood by that term in the technical field. In particular, it can include at least any transition metal of periods 4, 5, and 6 of the periodic table. Preferably, the transition metal here and in the following may be titanium, tantalum, or tungsten, or alloys of these metals. Of these, tantalum has proven particularly advantageous in several cases. In particular, tantalum in combination with a platinum electrode, as described below, has proven to be especially preferred.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Adhäsionsteilschicht, die das Übergangsmetall aufweist, in direktem Kontakt mit dem Substrat stehen. Darauf kann die zweite Adhäsionsteilschicht, die das Übergangsmetalloxid umfasst, angeordnet werden. Nach einer anderen Ausführungsform kann eine umgekehrte Stapelung realisiert werden, bei der die zweite Adhäsionsunterschicht mit dem Übergangsmetalloxid direkt auf dem Substrat und die erste Adhäsionsunterschicht mit einem Übergangsmetall darüber angeordnet ist.According to one embodiment, the first adhesion sublayer, comprising the transition metal, can be in direct contact with the substrate. The second adhesion sublayer, comprising the transition metal oxide, can then be arranged on top of it. According to another embodiment, a reverse stacking arrangement can be implemented, in which the second adhesion sublayer with the transition metal oxide is arranged directly on the substrate, and the first adhesion sublayer with a transition metal is arranged on top of it.
Nach einer anderen Ausführungsform ist die erste Adhäsionsteilschicht, die das Übergangsmetall enthält, wie zuvor beschrieben direkt auf dem Substrat angeordnet. Darüber ist eine zweite Adhäsionsteilschicht angeordnet, die das Übergangsmetalloxid enthält. Zusätzlich kann über der zweiten Adhäsionsteilschicht eine dritte Adhäsionsteilschicht, die wiederum ein Übergangsmetall enthält, angeordnet werden. Dadurch ergibt sich eine dreischichtige Struktur, bei der die oxidhaltige zweite Teilschicht sandwichartig zwischen der ersten und der dritten Teilschicht mit dem Übergangsmetall angeordnet ist. In einigen Fällen kann eine Struktur mit diesen drei Adhäsionsteilschichten besonders vorteilhaft sein. Die Erfinder fanden heraus, dass möglicherweise die erste und die dritte Adhäsionsteilschicht eine verbesserte Haftung und/oder eine verbesserte thermische Stabilität bieten können. Die zweite Adhäsionsteilschicht, die das Oxid enthält, kann zu einer verbesserten Unterdrückung der Diffusion von Elementen zwischen den Schichten beitragen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann auch die umgekehrte Struktur gebildet werden, bei der eine übergangsmetallbasierte Adhäsionsteilschicht sandwichartig zwischen zwei übergangsmetalloxidbasierten Adhäsionsteilschichten angeordnet ist.In another embodiment, the first adhesion sublayer, containing the transition metal, is arranged directly on the substrate as described above. A second adhesion sublayer, containing the transition metal oxide, is arranged above it. Additionally, a third adhesion sublayer, again containing a transition metal, can be arranged above the second adhesion sublayer. This results in a three-layer structure in which the oxide-containing second sublayer is sandwiched between the first and third sublayers containing the transition metal. In some cases, a structure with these three adhesion sublayers can be particularly advantageous. The inventors found that the first and third adhesion sublayers may offer improved adhesion and/or improved thermal stability. The second adhesion sublayer, containing the oxide, can contribute to improved suppression of elemental diffusion between the layers. According to another embodiment, the reverse structure can also be formed, in which a transition metal-based adhesion sublayer is sandwiched between two transition metal oxide-based adhesion sublayers.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Dicke der Adhäsionsschicht zwischen 1 und 100 nm betragen. Vorzugsweise kann sie zwischen 10 und 50 nm betragen. Noch bevorzugter kann sie zwischen 15 und 100 nm liegen, beispielsweise zwischen 15 und 50 nm oder zwischen 15 und 30 nm. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass bei einer zu dünnen Adhäsionsschicht eine Delamination wahrscheinlicher ist und auch die diffusionshemmenden Eigenschaften reduziert sein können. Insbesondere bei Dicken über 10 nm sind die oben beschriebenen haftungs- und diffusionshemmenden Eigenschaften besonders bevorzugt.According to one embodiment, the thickness of the adhesion layer can be between 1 and 100 nm. Preferably, it can be between 10 and 50 nm. Even more preferably, it can be between 15 and 100 nm, for example, between 15 and 50 nm or between 15 and 30 nm. The inventors of the present invention have found that if the adhesion layer is too thin, delamination is more likely and the diffusion-inhibiting properties may also be reduced. The adhesion and diffusion-inhibiting properties described above are particularly desirable for thicknesses above 10 nm.
Wie oben beschrieben, umfasst die Elektrode ein Edelmetall oder ein leitfähiges Oxid oder besteht aus einem solchen. Der Begriff „Edelmetall“ kann im Sinne des Fachgebrauchs verstanden werden. Im Rahmen dieser Anwendung schließt der Begriff Edelmetall auch Legierungen von Edelmetallen ein. Unter Edelmetallen können zumindest Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Osmium, Iridium, Platin und Gold verstanden werden. Von diesen haben sich Iridium und Platin als besonders vorteilhaft als Elektroden erwiesen. Insbesondere die Kombination mit tantalhaltigen Adhäsionsschichten hat sich als besonders gut erwiesen. Insbesondere für Ir und noch mehr für Pt als Elektrodenmaterial gilt das oben Gesagte über den Stoffaustausch auf blanken Si-Oberflächen und die sehr schlechte Haftung auf Siliziumoxidoberflächen. Daher wird die Adhäsionsschicht und insbesondere eine solche mit Ta bevorzugt.As described above, the electrode comprises or consists of a precious metal or a conductive oxide. The term "precious metal" can be understood in its technical sense. Within the context of this application, the term precious metal also includes alloys of precious metals. At a minimum, ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, platinum, and gold can be considered precious metals. Of these, iridium and platinum have proven particularly advantageous as electrodes. The combination with tantalum-containing adhesion layers has proven especially effective. The above statements regarding mass transfer on bare silicon surfaces and very poor adhesion to silicon oxide surfaces apply particularly to iridium and even more so to platinum as electrode materials. Therefore, an adhesion layer, and especially one containing tantalum, is preferred.
Nach einer anderen Ausführungsform kann die Elektrode aus einem leitfähigen Oxid bestehen. Im Prinzip kann jedes leitfähige Oxid verwendet werden. Es kann ein Oxid eines Metalls sein. Beispiele für bevorzugte leitfähige Oxide sind Iridiumoxid, Rhodiumoxid, Rheniumoxid, Rutheniumoxid, Lanthan-Nickeloxid oder Strontium-Rutheniumoxid. Die chemischen Formeln für diese Oxide können IrO2, RhO2, ReO2, RuO2, SrRuO3 lauten, doch sind die Elementverhältnisse im Allgemeinen nicht auf die in den Formeln angegebenen beschränkt. Es wurde festgestellt, dass die oben beschriebene Adhäsionsschicht eine besonders gute Haftung auf Isolator- oder Halbleitersubstraten bieten kann.In another embodiment, the electrode can consist of a conductive oxide. In principle, any conductive oxide can be used. It can be an oxide of a metal. Examples of preferred conductive oxides are iridium oxide, rhodium oxide, rhenium oxide, ruthenium oxide, lanthanum nickel oxide, or strontium ruthenium oxide. The chemical formulas for these oxides can be IrO₂ , RhO₂ , ReO₂ , RuO₂ , or SrRuO₃ , but the elemental ratios are generally not limited to those given in the formulas. It has been found that the adhesion layer described above can provide particularly good adhesion to insulating or semiconductor substrates.
Nach einer Ausführungsform kann die Dicke der Elektrode zwischen 50 nm und 500 nm liegen. Insbesondere bei teureren Edelmetallen kann eine geringere Dicke bevorzugt werden, wie beispielsweise zwischen 100 nm und 300 nm oder zwischen 150 und 250 nm. Außerdem neigen zu dicke Elektrodenschichten aufgrund von inneren Spannungen zur Delaminierung.According to one embodiment, the electrode thickness can range between 50 nm and 500 nm. A smaller thickness may be preferred, particularly for more expensive precious metals, as is the case, for example, between... The wavelengths are typically between 100 nm and 300 nm, or between 150 and 250 nm. Furthermore, excessively thick electrode layers tend to delaminate due to internal stresses.
In dieser Anwendung kann eine elektrokeramische Schicht im allgemeinen technischen Verständnis verstanden werden. Es ist bevorzugt, dass die Elektrokeramik dem Mehrschichtaufbau eine Funktionalität verleiht. Eine solche Funktionalität kann sein:
- • Hohe Dielektrizitätskonstante, die z. B. in Kondensatoren verwendet werden kann;
- • Pyroelektrizität, die zum Beispiel in Infrarotsensoren verwendet werden kann;
- • Ferroelektrizität, die zum Beispiel in Speichern verwendet werden kann;
- • Piezoelektrizität, die z. B. in den an anderer Stelle in der Anmeldung beschriebenen Geräten verwendet werden kann;
- • Temperaturabhängiger Widerstand; dieser kann durch keramische Thermistormaterialien, wie Materialien mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) oder Materialien mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC), bereitgestellt werden.
- • High dielectric constant, which can be used, for example, in capacitors;
- • Pyroelectricity, which can be used, for example, in infrared sensors;
- • Ferroelectricity, which can be used, for example, in storage devices;
- • Piezoelectricity, which can be used, for example, in the devices described elsewhere in the application;
- • Temperature-dependent resistance; this can be provided by ceramic thermistor materials, such as positive temperature coefficient (PTC) or negative temperature coefficient (NTC) materials.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Elektrokeramik in dem Mehrschichtaufbau ein piezoelektrisches keramisches Material aufweisen oder aus einem solchen bestehen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass der oben beschriebene Aufbau mit einer edelmetallbasierten Elektrode oder Elektrode auf Basis eines leitfähigen Oxids, die durch eine Adhäsionsschicht an einem Substrat auf Halbleiter- oder Isolatorbasis haftet, zur Herstellung hochwertiger piezoelektrischer Dünnschichten in solchen Mehrschichtaufbauten verwendet werden kann. Das piezoelektrische Keramikmaterial kann direkt mit der Elektrode in Kontakt stehen. Alternativ kann auch eine Keimschicht zwischen der Elektrode und dem piezoelektrischen Keramikmaterial angeordnet sein. Die folgenden piezoelektrischen keramischen Werkstoffe haben sich als bevorzugt erwiesen: Pb [ZrxTi1-x]3 (abgekürzt PZT), (1-x) Pb [Mg1/3Nb2/3O3] - x PbTiO3 (abgekürzt PMN-PT), [KxNa1-x]NbO3 (abgekürzt KNN), (1-x) BiFeO3 - x BaTiO3 (abgekürzt BFO-BT), Ba [ZrxTi1-x] O3 (abgekürzt BZT) (1-x) [Bi1/2Na1/2] TiO3 - x [Bi1/2K1/2] TiO3 (abgekürzt BNT-BKT), (1-x) BiFeO3 - x Ba [TiyZr1-y] O3 (abgekürzt BFO-BZT), AlMgZrN, or [AlxSc1-x]N. In all diesen Beispielen sind x und y eine Zahl zwischen null und eins, d. h. 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1. Die oben genannten elektrokeramischen Materialien können durch Dotierung modifiziert werden. Unter Dotierung versteht man die absichtliche Zugabe von Verunreinigungen, um die elektrischen und/oder piezoelektrischen Eigenschaften der elektrokeramischen Schicht zu verändern.According to one embodiment, the electroceramic in the multilayer structure can comprise or consist of a piezoelectric ceramic material. The inventors of the present invention have found that the structure described above, with a precious metal-based electrode or an electrode based on a conductive oxide, which adheres to a semiconductor- or insulator-based substrate by means of an adhesion layer, can be used to produce high-quality piezoelectric thin films in such multilayer structures. The piezoelectric ceramic material can be in direct contact with the electrode. Alternatively, a nucleation layer can be arranged between the electrode and the piezoelectric ceramic material. The following piezoelectric ceramic materials have proven to be preferred: Pb[ ZrxTi1 -x ] 3 (abbreviated PZT), (1-x) Pb[Mg1 / 3Nb2/ 3O3 ] -x PbTiO3 (abbreviated PMN-PT), [ KxNa1 -x ] NbO3 (abbreviated KNN), (1-x) BiFeO3 -x BaTiO3 (abbreviated BFO-BT), Ba[ ZrxTi1 -x ] O3 (abbreviated BZT), (1-x) [Bi1 /2Na1 / 2 ] TiO3 -x [Bi1 /2K1 / 2 ] TiO3 (abbreviated BNT-BKT), (1-x) BiFeO3 -x Ba[ TiyZr1 -y ] O3 (abbreviated BFO-BZT), AlMgZrN, or [Al x Sc 1-x ]N. In all these examples, x and y are numbers between zero and one, i.e., 0 ≤ x ≤ 1 and 0 ≤ y ≤ 1. The electroceramic materials mentioned above can be modified by doping. Doping is the intentional addition of impurities to alter the electrical and/or piezoelectric properties of the electroceramic layer.
Gemäß einer beschriebenen Ausführungsform kann zwischen dem piezoelektrischen Material, das in diesem Fall die elektrokeramische Schicht bildet, und der Elektrode eine Keimschicht angeordnet sein. Als Keimschichtmaterialien können Bleititanat (PbTiO3), Lanthannickelat (LaNiO3), Bleioxid (PbO) oder Titanoxid (TiO2) verwendet werden.According to one described embodiment, a seed layer can be arranged between the piezoelectric material, which in this case forms the electroceramic layer, and the electrode. Suitable seed layer materials include lead titanate ( PbTiO₃ ), lanthanum nickelate ( LaNiO₃ ), lead oxide (PbO), or titanium oxide ( TiO₂ ).
Gemäß einer Ausführungsform kann eine elektrokeramische Schicht ein keramisches Material aufweisen, um eine der oben genannten Funktionalitäten zu realisieren. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Vorteile der erfindungsgemäßen Konstruktion unter Verwendung einer Adhäsionsschicht zunächst für piezoelektrische Materialien wie oben beschrieben beobachtet. Die Erfinder haben zu ihrer Überraschung festgestellt, dass allgemein jede elektrokeramische Schicht von einer solchen Konstruktion profitieren kann. Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, dass auch Thermistormaterialien verbesserte Eigenschaften aufweisen, wenn die oben beschriebene Konstruktion mit einer Adhäsionsschicht zwischen einer unteren Elektrode und dem darunter liegenden Substrat verwendet wird.According to one embodiment, an electroceramic layer can comprise a ceramic material to realize one of the functionalities mentioned above. The inventors of the present invention initially observed the advantages of the inventive design using an adhesive layer for piezoelectric materials as described above. To their surprise, the inventors found that, in general, any electroceramic layer can benefit from such a design. In particular, the inventors found that thermistor materials also exhibit improved properties when the design described above, with an adhesive layer between a lower electrode and the underlying substrate, is used.
Dementsprechend kann die elektrokeramische Schicht gemäß einer Ausführungsform aus einem Thermistormaterial bestehen oder dieses aufweisen. Von den Materialien mit temperaturabhängigem Widerstand haben sich insbesondere die folgenden als vorteilhaft erwiesen: Ni-Mn-Cu Oxide, Ni-Mn-Co Oxide, Co-Fe Oxide, Cr-Co-Ba-Fe-Bi Oxide, Bariumtitanat (BaTiO3). Gemäß einer Ausführungsform können die Thermistormaterialien eine Struktur auf Spinellbasis oder eine Perowskitstruktur aufweisen.Accordingly, the electroceramic layer can, according to one embodiment, consist of or incorporate a thermistor material. Of the materials with temperature-dependent resistance, the following have proven particularly advantageous: Ni-Mn-Cu oxides, Ni-Mn-Co oxides, Co-Fe oxides, Cr-Co-Ba-Fe-Bi oxides, and barium titanate ( BaTiO₃ ). According to one embodiment, the thermistor materials can have a spinel-based or perovskite structure.
Im Allgemeinen ist die Dicke der elektrokeramischen Schicht nicht begrenzt und kann je nach Anwendung gewählt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann die elektrokeramische Schicht eine Dicke von 10 nm bis 20 µm haben. Vorzugsweise kann ein unterer Bereich für die Dicke 20 nm, 50 nm oder 100 nm betragen. Vorzugsweise kann ein oberer Bereich der Dicke 10 µm, 5 µm, 2 µm oder 1 µm betragen. Beispielsweise kann eine Dicke 100 nm bis 5 µm, wie 1 µm bis 3 µm oder 1,7 - 2,5 µm betragen. Die oben genannten Werte für den unteren und den oberen Bereich können jeweils den unteren und den oberen Wert in all diesen Beispielen ersetzen.In general, the thickness of the electroceramic layer is not limited and can be selected according to the application. According to one embodiment, the electroceramic layer can have a thickness of 10 nm to 20 µm. Preferably, a lower range for the thickness can be 20 nm, 50 nm, or 100 nm. Preferably, an upper range for the thickness can be 10 µm, 5 µm, 2 µm, or 1 µm. For example, a thickness of 100 nm to 5 µm, such as 1 µm to 3 µm or 1.7–2.5 µm, can be selected. Values for the lower and upper ranges can each replace the lower and upper values in all these examples.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Qualität der elektrokeramischen Schicht durch die oben beschriebene Struktur, insbesondere durch eine Adhäsionsschicht, verbessert werden kann. Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform die elektrokeramische Schicht Kristallkörner im Größenbereich von 10 bis 1000 nm aufweisen.The inventors have found that the quality of the electroceramic layer can be improved by the structure described above, in particular by an adhesion layer. Specifically, according to one embodiment, the electroceramic layer can have crystal grains in the size range of 10 to 1000 nm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Adhäsionsschicht zur Bildung hochwertiger elektrokeramischer Schichten beitragen, insbesondere mit kristallinen Säulen, die sich über die gesamte Dicke der elektrokeramischen Schicht erstrecken.According to another embodiment, the adhesion layer can contribute to the formation of high-quality electroceramic layers, in particular with crystalline columns extending over the entire thickness of the electroceramic layer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die elektrokeramische Schicht eine körnige Struktur aufweisen. Zum Beispiel können Körner von 10 nm bis 1 µm vorhanden sein. Eine solche körnige Struktur kann zum Beispiel durch elektrokeramische Schichten aus Bariumtitanat oder Mn-Co-Ni-Oxid erreicht werden.According to another embodiment, the electroceramic layer can have a granular structure. For example, grains ranging in size from 10 nm to 1 µm can be present. Such a granular structure can be achieved, for example, by electroceramic layers made of barium titanate or Mn-Co-Ni oxide.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Mehrschichtaufbau beschrieben, der die oben beschriebene Anordnung aufweisen kann. Darüber hinaus kann er eine zweite Elektrode aufweisen, die auf einer zweiten Hauptoberfläche des Substrats angeordnet ist. Bei der zweiten Hauptoberfläche kann es sich um eine Oberfläche handeln, die der oben beschriebenen ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt. Eine zweite Adhäsionsschicht ist zwischen der zweiten Hauptoberfläche und der zweiten Elektrode angeordnet. Die zweite Adhäsionsschicht kann die oben für die erste Adhäsionsschicht beschriebenen Eigenschaften aufweisen. Entsprechend kann in ihrer Schichtung ein symmetrischer Mehrschichtaufbau gebildet werden.According to one embodiment, a multilayer structure is described which can have the arrangement described above. Furthermore, it can have a second electrode arranged on a second main surface of the substrate. The second main surface can be a surface opposite the first main surface described above. A second adhesion layer is arranged between the second main surface and the second electrode. The second adhesion layer can have the properties described above for the first adhesion layer. Accordingly, a symmetrical multilayer structure can be formed in its layering.
Vorzugsweise können die erste und die zweite Adhäsionsschicht das gleiche Material aufweisen, da dies die Herstellung vereinfachen kann. Die Materialien können aber auch unterschiedlich sein. Ebenso können die Elektroden auf beiden Seiten jeweils das gleiche Material aufweisen, was wegen der vereinfachten Herstellung bevorzugt sein kann. Auch in diesem Fall können sich die Materialien der Elektroden unterscheiden.Preferably, the first and second adhesion layers can be made of the same material, as this can simplify manufacturing. However, the materials can also be different. Similarly, the electrodes on both sides can be made of the same material, which may be preferred due to simplified manufacturing. Again, the electrode materials can differ.
Gemäß einer Ausführungsform kann auch in diesem Fall eine zweite elektrokeramische Schicht oberhalb der zweiten Elektrode angeordnet sein. Die elektrokeramische Schicht kann die oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen. Sie kann die gleiche oder auch eine andere sein als die erste elektrokeramische Schicht.According to one embodiment, a second electroceramic layer can also be arranged above the second electrode in this case. The electroceramic layer can have the properties described above. It can be the same as, or different from, the first electroceramic layer.
Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für die Herstellung solcher symmetrischen Strukturen, da dies dazu beitragen kann die Ausbeute weiter zu erhöhen. Auch bei raueren Oberflächen lassen sich einige Vorteile durch eine vereinfachte Handhabung erzielen, die im Folgenden beschrieben werden.The present invention is particularly suitable for the production of such symmetrical structures, as this can contribute to further increasing the yield. Even with rougher surfaces, several advantages can be achieved through simplified handling, which are described below.
Gemäß einer anderen Ausführungsform, die mit jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann der Mehrschichtaufbau eine weitere Elektrode aufweisen, die auf der elektrokeramischen Schicht angeordnet ist. Diese elektrokeramische Schicht kann hier als erste elektrokeramische Schicht bezeichnet werden. Die hier beschriebene weitere Elektrode kann als erste obere Elektrode bezeichnet werden.According to another embodiment, which can be combined with any of the embodiments described above, the multilayer structure can include a further electrode arranged on the electroceramic layer. This electroceramic layer can be referred to here as the first electroceramic layer. The further electrode described here can be referred to as the first upper electrode.
Gemäß einer Abwandlung der vorherigen Ausführungsform kann eine weitere elektrokeramische Schicht, die hier als zweite elektrokeramische Schicht bezeichnet oder adressiert werden kann, auf oder über der ersten oberen Elektrode angeordnet sein. Für die weitere Elektrode und für die weitere elektrokeramische Schicht können dabei die oben beschriebenen Eigenschaften gelten. Das Material der weiteren elektrokeramischen Schicht kann das gleiche sein wie das der unteren bzw. ersten elektrokeramischen Schicht. Je nach Anwendung kann es aber auch anders sein. In ähnlicher Weise kann auch die Elektrode das gleiche Material wie die andere Elektrode haben, es kann sich aber auch unterscheiden. Auf dem Stapel kann eine weitere obere Elektrode angeordnet werden. Entsprechend ist ein Aufbau mit dem Substrat, der Adhäsionsschicht, der unteren Elektrode, der ersten elektrokeramischen Schicht, der ersten oberen Elektrode, der zweiten elektrokeramischen Schicht und der zweiten oberen Elektrode vorgesehen. In ähnlicher Weise können auch mehrere Schichten von Elektroden und elektrokeramischen Schichten übereinander gestapelt werden. Vorzugsweise werden solche Stapel durch eine obere Elektrode abgeschlossen.According to a modification of the previous embodiment, a further electroceramic layer, which may be referred to or addressed here as the second electroceramic layer, can be arranged on or above the first upper electrode. The properties described above can apply to the further electrode and the further electroceramic layer. The material of the further electroceramic layer can be the same as that of the lower or first electroceramic layer. Depending on the application, however, it can also be different. Similarly, the electrode can also have the same material as the other electrode, but it can also be different. A further upper electrode can be arranged on the stack. Accordingly, a structure is provided with the substrate, the adhesion layer, the lower electrode, the first electroceramic layer, the first upper electrode, the second electroceramic layer, and the second upper electrode. Similarly, several layers of electrodes and electroceramic layers can also be stacked on top of each other. Preferably, such stacks are capped by an upper electrode.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Mehrschichtaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung in Mikrospiegeln verwendet werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass die elektrokeramische Schicht ein piezoelektrisches Material umfasst. In diesem Fall kann die Auslenkung des Spiegels mit den piezoelektrischen Mehrschichtaufbauten angetrieben werden. Alternativ kann die Erfindung in Hochenergiekondensatoren, ferroelektrischen Speichern, piezoelektrischen Aktoren wie Mikrospiegeln, Mikrofluidikpumpen oder Tintenstrahldruckköpfen eingesetzt werden. Sie kann in piezoelektrischen Sensoren wie Drucksensoren oder Beschleunigungsmessern verwendet werden. Außerdem kann es in piezoelektrischen Energiegewinnern (Englisch: piezoelectric energy harvesters) oder elektrokalorischen Festkörperkühlgeräten verwendet werden. Im Prinzip kann es auch in jeder anderen Art von piezoelektrischem Gerät verwendet werden.According to one embodiment, the multilayer structure according to the present invention can be used in micromirrors. In this case, it is advantageous for the electroceramic layer to comprise a piezoelectric material. The deflection of the mirror can then be driven by the piezoelectric multilayer structures. Alternatively, the invention can be used in high-energy capacitors, ferroelectric storage devices, piezoelectric actuators such as micromirrors, microfluidic pumps, or inkjet printheads. It can be used in piezoelectric sensors such as pressure sensors or accelerometers. Furthermore, it can be used in piezoelectric energy harvesters or electrocaloric solid-state cooling devices. In principle, it can also be used in any other type of piezoelectric device.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Hauptoberfläche des Substrats poliert oder sogar spiegelpoliert sein. Eine spiegelpolierte Oberfläche kann eine Oberflächenrauheit (Ra) von unter 20 nm aufweisen. Eine spiegelpolierte Oberfläche kann die Ausbeute der mit dem Mehrschichtsubstrat hergestellten funktionalen Bauelemente erhöhen. Bei diesen spiegelpolierten Substraten handelt es sich vorzugsweise um Siliziumsubstrate mit spiegelpolierter Oberfläche.According to one embodiment, the main surface of the substrate can be polished or even mirror-polished. A mirror-polished surface can have a surface roughness ( Ra ) of less than 20 nm. A mirror-polished surface can increase the yield of the functional devices fabricated with the multilayer substrate. These mirror-polished substrates are preferably silicon substrates with a mirror-polished surface.
Die Erfinder stellten jedoch fest, dass aufgrund der Adhäsionsschicht nicht in allen Fällen spiegelpolierte Oberflächen erforderlich sind. Die Erfinder fanden heraus, dass Substrate mit einer Rauheit (Ra) von bis zu 2 µm verwendet werden können. Dabei haben die Erfinder festgestellt, dass durch den Einsatz einer Adhäsionsschicht ein zeitintensives Polieren vermieden werden kann. Vorzugsweise beträgt die Oberflächenrauheit maximal 1 µm. Jede Rauheit unterhalb dieser 2 µm, noch bevorzugter unterhalb von 1 µm, ist der Erfindung technisch zugänglich. Unpolierte oder nur teilweise geglättete Oberflächen können eine Oberflächenrauhigkeit von über 10 nm oder über 20 nm oder sogar über 50 nm oder 100 nm aufweisen. Dementsprechend ist eine Oberflächenrauhigkeit zwischen 10 nm und 2 µm, wie z.B. 20 nm und 1 µm, erfindungsgemäß gut geeignet. Die oben genannten anderen Werte können den oberen bzw. unteren Wert ersetzen. Auch bei rauen Oberflächen haben die Erfinder festgestellt, dass durch die Verwendung einer Adhäsionsschicht die Qualität des elektrokeramischen Films außergewöhnlich hoch sein kann. Im Allgemeinen ist das Polieren ein komplizierter und teurer Prozess. Außerdem können dabei Verunreinigungen eingebracht werden, die die Leistung und den Ertrag der Bauelemente beeinträchtigen können. Daher kann dieser Aspekt dazu beitragen, diese Probleme zu überwinden.The inventors discovered, however, that mirror-polished surfaces are not always necessary due to the adhesion layer. They found that substrates with a roughness ( Ra ) of up to 2 µm can be used. The inventors determined that the use of an adhesion layer eliminates the need for time-consuming polishing. Preferably, the surface roughness is a maximum of 1 µm. Any roughness below 2 µm, and even more preferably below 1 µm, is technically feasible according to the invention. Unpolished or only partially smoothed surfaces can have a surface roughness of over 10 nm, over 20 nm, or even over 50 nm or 100 nm. Accordingly, a surface roughness between 10 nm and 2 µm, such as 20 nm and 1 µm, is well suited according to the invention. The other values mentioned above can replace the upper or lower values. Even on rough surfaces, the inventors have found that using an adhesion layer can result in exceptionally high quality of the electroceramic film. Generally, polishing is a complicated and expensive process. Furthermore, it can introduce impurities that may impair the performance and yield of the components. Therefore, this aspect can help overcome these problems.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtaufbaus beschrieben. Für das Verfahren gelten die oben beschriebenen Vorteile, soweit anwendbar, entsprechend.According to a further embodiment, a method for producing a multilayer structure is described. The advantages described above apply accordingly to this method, insofar as they are applicable.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Bildung eines Mehrschichtaufbaus wird zunächst eine Adhäsionsschicht auf einer Hauptoberfläche eines halbleiterbasierten oder isolatorbasierten Substrats angeordnet. Die Adhäsionsschicht kann auf dem Substrat abgeschieden werden. Vorzugsweise wird die Adhäsionsschicht durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase, z. B. durch Magnetronsputtern oder Aufdampfen, hergestellt. Auf der Adhäsionsschicht ist eine untere Elektrode angeordnet, die ein Edelmetall oder ein leitfähiges Oxid enthält. Die untere Elektrode kann auf beliebige Weise angeordnet oder abgeschieden werden. Vorzugsweise kann die chemische oder physikalische Abscheidung aus der Gasphase, z. B. durch Magnetronsputtern oder Aufdampfen, verwendet werden. Anschließend wird ein elektrokeramisches Material auf der unteren Elektrode abgeschieden. Bei den elektrokeramischen Materialien kann es sich z. B. um die oben definierten elektrokeramischen Materialien handeln. Für die Abscheidung des elektrokeramischen Materials können z. B. chemische Lösungsabscheidung, Magnetronsputtern, Atomlagenabscheidung (Englisch: atomic layer deposition) oder gepulste Laserabscheidung verwendet werden.According to one embodiment of the method for forming a multilayer structure, an adhesion layer is first arranged on a major surface of a semiconductor-based or insulator-based substrate. The adhesion layer can be deposited on the substrate. Preferably, the adhesion layer is produced by physical deposition from the gas phase, e.g., by magnetron sputtering or evaporation. A lower electrode containing a noble metal or a conductive oxide is arranged on the adhesion layer. The lower electrode can be arranged or deposited in any desired manner. Preferably, chemical or physical deposition from the gas phase, e.g., by magnetron sputtering or evaporation, can be used. Subsequently, an electroceramic material is deposited on the lower electrode. The electroceramic materials can be, for example, those defined above. For the deposition of the electroceramic material, various methods can be used. B. chemical solution deposition, magnetron sputtering, atomic layer deposition or pulsed laser deposition can be used.
Die elektrokeramische Schicht kann z. B. sukzessive in dünnen Schichten abgeschieden werden. So können beispielsweise Schichten mit einer Dicke von 10 bis 200 nm pro Abscheidungsschritt übereinander geschichtet werden. Bei der chemischen Lösungsabscheidung kann z. B. zunächst eine Vorstufenlösung mit einem elektrokeramischen Ausgangsmaterial abgeschieden werden. Die Abscheidungsmethode kann z. B. die Spin Coating sein. Anschließend können die Lösungsmittel aus der Vorstufenlösung durch Trocknen bei erhöhter Temperatur entfernt werden. Anschließend können etwaige organische Rückstände durch einen Pyrolyseschritt entfernt werden. Die Trocknung und die Pyrolyse können nacheinander bei unterschiedlichen Temperaturen oder während eines Heizvorgangs durchgeführt werden. Anschließend kann ein Erhitzungsschritt (Englisch: annealing step) durchgeführt werden, der zur Kristallisation des zuvor amorphen Metalloxids führt. Um eine elektrokeramische Schicht in der Größenordnung von mehreren Mikrometern zu erreichen, kann eine solche Abscheidung wiederholt werden.The electroceramic layer can be deposited successively in thin layers. For example, layers with a thickness of 10 to 200 nm can be stacked on top of each other in each deposition step. In chemical solution deposition, a precursor solution containing an electroceramic starting material can first be deposited. The deposition method can be, for example, spin coating. Subsequently, the solvents can be removed from the precursor solution by drying at elevated temperature. Any organic residues can then be removed by a pyrolysis step. The drying and pyrolysis can be carried out sequentially at different temperatures or during a single heating process. A heating step (annealing step) can then be performed, leading to the crystallization of the previously amorphous metal oxide. To achieve an electroceramic layer on the order of several micrometers, such a deposition process can be repeated.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine hochwertige PZT-Schicht durch Abscheidung und Spin Coating einer PZT-Lösung auf dem Substrat gebildet werden. Der PZT-Film kann aus einer Lösung gebildet werden, die eine Teilschicht des PZT-Films erzeugt. Sie kann auch aus zwei oder mehr Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen von PZT-Komponenten hergestellt werden, aus denen Subschichten einer Teilschicht gebildet werden. Eine Lösung kann Zr-reich und eine zweite Lösung kann Ti-reich sein. Die Grundsätze der nachfolgend erläuterten Ausführungsform können auf die Fälle von zwei oder mehr Lösungen angewendet werden.According to one embodiment, a high-quality PZT layer can be formed by deposition and spin coating of a PZT solution onto the substrate. The PZT film can be formed from a single solution that creates a sublayer of the PZT film. It can also be produced from two or more solutions with different concentrations of PZT components, each forming sublayers of a sublayer. One solution can be Zr-rich and a second solution can be Ti-rich. The principles of the embodiment described below can be applied to the cases involving two or more solutions.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Verfahren mit mindestens drei Abscheidungsschritten angewendet werden. Dabei wird mindestens eine erste Subschicht mit einer ersten Lösung hergestellt. Eine zweite Subschicht wird mit einer zweiten Lösung über der ersten Subschicht abgeschieden oder angeordnet und eine dritte Subschicht wird mit einer dritten Lösung erzeugt, die über der zweiten Subschicht abgeschieden wird. Das elektrokeramische Material für diesen Ansatz ist vorzugsweise PZT oder es enthält PZT. Die erste Lösung weist in diesem Fall ein hohes Verhältnis von Zirkonium zu Titan auf. Die erste Lösung wird über der unteren Elektrode abgeschieden, wodurch die erste Subschicht gebildet wird. Die Bildung der ersten Subschicht kann über einen oder mehrere Abscheidungsschritte erfolgen. Anschließend wird die erste Subschicht getempert. Wird mehr als eine Abscheidung durchgeführt, kann eine Zwischenerhitzen erfolgen. Ebenso wird aus der zweiten Lösung, die ein mittleres Verhältnis von Zirkonium zu Titan aufweist, eine zweite Subschicht gebildet. Das mittlere Zirkonium-Titan-Verhältnis ist ein Verhältnis, das ein geringeres Verhältnis von Zirkonium zu Titan aufweist als das der ersten Lösung. Nach der Abscheidung kann ein Erhitzen durchgeführt werden. Über der zweiten Subschicht wird eine dritte Subschicht gebildet, die wiederum eine oder mehrere Schichten umfassen kann. Die dritte Subschicht wird mit einer dritten Lösung gebildet, die ein geringes Verhältnis von Zirkonium zu Titan aufweist, was bedeutet, dass der Anteil von Zirkonium im Verhältnis zu Titan im Vergleich zu den anderen Lösungen am geringsten ist. Mit anderen Worten, die erste Lösung kann als zirkoniumreich bezeichnet werden. Die zweite Lösung kann als morphotrope Phasengrenzlösung bezeichnet werden und die letzte Lösung als titanreiche Lösung. Die gebildeten Teilschichten können als zirkoniumreiche Subschicht, als morphotrope Phasengrenzsubschicht und als titanreiche Subschicht bezeichnet werden.According to one embodiment, a method with at least three deposition steps can be used. In this method, at least one first sublayer is produced using a first solution. A second sublayer is deposited or arranged over the first sublayer using a second solution, and a third sublayer is produced using a third solution deposited over the second sublayer. The electroceramic material for this approach is preferably PZT or contains PZT. In this case, the first solution has a high zirconium-to-titanium ratio. The first solution is deposited over the lower electrode, forming the first sublayer. The formation of the first sublayer can be carried out in one or more deposition steps. Subsequently, the first sublayer is annealed. If more than one deposition step is performed, intermediate heating can be carried out. Similarly, a second sublayer is formed from the second solution, which has a medium zirconium-to-titanium ratio. The medium zirconium-to-titanium ratio is a lower ratio than that of the first solution. Heating can be performed after deposition. A third sublayer is formed above the second sublayer, which in turn can comprise one or more layers. This third sublayer is formed with a solution containing a low zirconium-to-titanium ratio, meaning that the proportion of zirconium relative to titanium is the lowest compared to the other solutions. In other words, the first solution can be described as zirconium-rich. The second solution can be described as a morphotropic phase boundary solution, and the last solution as a titanium-rich solution. The resulting sublayers can be described as a zirconium-rich sublayer, a morphotropic phase boundary sublayer, and a titanium-rich sublayer.
Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass chemische Gradienten während des Glühens oder Kristallisierens reduziert oder vermieden werden können.This approach has the advantage that chemical gradients during annealing or crystallization can be reduced or avoided.
Dieses Prinzip kann auf mehr als drei Lösungen übertragen werden. Beispielsweise können vier oder fünf oder noch mehr unterschiedlich konzentrierte Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen von Zr und Ti verwendet werden, wobei die Konzentration allmählich von Zr-reich zu Ti-reich geändert wird. Wie oben beschrieben, kann auch ein auf zwei Lösungen basierender Ansatz verwendet werden, bei dem ebenfalls ein Wechsel von Zr-reich zu Ti-reich erfolgt.This principle can be applied to more than three solutions. For example, four, five, or even more solutions with different concentrations of Zr and Ti can be used, with the concentration gradually changing from Zr-rich to Ti-rich. As described above, a two-solution approach can also be used, likewise changing from Zr-rich to Ti-rich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren beschrieben. Die Figuren umfassen auch schematische Zeichnungen. Solche schematischen Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und Abmessungen oder Abmessungsverhältnisse können verzerrt sein. Dementsprechend können keine Längen oder Verhältnisse direkt aus den schematischen Figuren entnommen werden, es sei denn, es ist anders angegeben.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Mehrschichtaufbaus. -
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Mehrschichtaufbaus. -
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines Mehrschichtaufbaus. -
4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Teils eines vierten Ausführungsbeispiels eines Mehrschichtaufbaus. -
5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Teils eines fünften Ausführungsbeispiels eines Mehrschichtaufbaus. -
6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Teils eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Mehrschichtaufbaus. -
7 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Teils eines siebten Ausführungsbeispiels eines Mehrschichtaufbaus. -
8 zeigt eine polarisationselektrische Feldschleife (Englisch: polarization-electric field loop) eines Ausführungsbeispiels eines PZT-Dünnfilms innerhalb eines Mehrschichtaufbaus. -
9 zeigt eine relative Permittivitäts-Elektrizitätsfeld-Schleife (Englisch: relative permittivity-electric field loop) eines Ausführungsbeispiels einer PZT-Dünnschicht innerhalb eines Mehrschichtaufbaus. -
10 zeigt eine bipolare Verschiebungskurve Englisch: bipolar displacement curve) eines Ausführungsbeispiels einer PZT-Dünnschicht in einem Mehrschichtaufbau. -
11 zeigt eine unipolare Verschiebungskurve (Englisch: unipolar displacement curve) eines Ausführungsbeispiels einer PZT-Dünnschicht in einem Mehrschichtaufbau. -
12 zeigt ein Foto eines ersten Ausführungsbeispiels einer MEMS-Spiegelvorrichtung. -
13 zeigt ein Lichtmikroskopbild der beispielhaften Ausführungsform einer MEMS-Spiegelvorrichtung. -
14 zeigt eine optische Sichtfeldmessung als Funktion der Antriebsfrequenz für die schnelle Achse der MEMS-Spiegelvorrichtung. -
15 zeigt eine optische Sichtfeldmessung als Funktion der Antriebsfrequenz für die langsame Achse der MEMS-Spiegelvorrichtung. -
16 zeigt eine schraffiert wiedergegebene Repräsentation eines Falschfarbgraph (Englisch: false color plot graph) als Funktion der Achsenantriebsfrequenz für beide Achsen bei der horizontalen Bewegung des Spiegels. -
17 zeigt eine schraffiert wiedergegebene Repräsentation eines Falschfarbgraph als Funktion der Achsenantriebsfrequenz für beide Achsen bei der vertikalen Bewegung des Spiegels. -
18 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme einer Vorrichtung mit einer delaminierten unteren Elektrode. -
19 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme der Vorrichtung aus18 . -
20 zeigt ein Lichtmikroskopbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen MEMS-Vorrichtung. -
21 zeigt eine vergrößerte lichtmikroskopische Aufnahme des in20 gezeigten Ausführungsbeispiels ohne Delamination. -
22 zeigt ein rasterelektronenmikroskopisches Querschnittsbild eines Ausführungsbeispiels eines NTC-Dünnschicht-Mehrschichtbauteils. -
23 zeigt ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens für eine Ausführungsform eines Mehrschichtaufbaus.
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1 shows a schematic cross-section of a first embodiment of a multilayer structure. -
2 shows a schematic cross-section of a second embodiment of a multilayer structure. -
3 shows a schematic cross-section of a third embodiment of a multilayer structure. -
4 shows a schematic cross-section of part of a fourth embodiment of a multilayer structure. -
5 shows a schematic cross-section of part of a fifth embodiment of a multilayer structure. -
6 shows a schematic cross-section of part of a sixth embodiment of a multilayer structure. -
7 shows a schematic cross-section of part of a seventh embodiment of a multilayer structure. -
8 shows a polarization-electric field loop of an embodiment of a PZT thin film within a multilayer structure. -
9 shows a relative permittivity-electric field loop of an embodiment of a PZT thin film within a multilayer structure. -
10 shows a bipolar displacement curve (English: bipolar displacement curve) of an embodiment of a PZT thin film in a multilayer structure. -
11 shows a unipolar displacement curve of an embodiment of a PZT thin film in a multilayer structure. -
12 shows a photograph of a first embodiment of a MEMS mirror device. -
13 shows a light microscope image of an exemplary embodiment of a MEMS mirror device. -
14 shows an optical field of view measurement as a function of the drive frequency for the fast axis of the MEMS mirror device. -
15 shows an optical field of view measurement as a function of the drive frequency for the slow axis of the MEMS mirror device. -
16 shows a hatched representation of a false color plot graph as a function of the axis drive frequency for both axes during the horizontal movement of the mirror. -
17 shows a hatched representation of a false color graph as a function of the axis drive frequency for both axes during the vertical movement of the mirror. -
18 shows a light microscopic image of a device with a delaminated lower electrode. -
19 shows a light microscopic image of the device from18 . -
20 shows a light microscope image of an embodiment of a MEMS device according to the invention. -
21 shows an enlarged light microscopic image of the in20 The illustrated embodiment without delamination. -
22 shows a scanning electron microscope cross-sectional image of an embodiment of an NTC thin-film multilayer component. -
23 shows a flowchart of a manufacturing process for one embodiment of a multilayer structure.
In
Die für diese verschiedenen Schichten beschriebenen Materialien können die in der Einleitung genannten sein. Ein besonders bevorzugtes Beispiel für das Substrat 2 ist ein SOI-Wafer (Silizium-auf-Isolator-Wafer; Englisch: silicon-on-insulator wafer). Als Adhäsionsschicht 3 ist eine tantalhaltige Adhäsionsschicht besonders bevorzugt. Sie kann metallisches Tantal aufweisen und/oder Tantaloxid aufweisen. Auf dieser ist vorzugsweise eine Platinelektrode 4 angeordnet. Die elektrokeramische Schicht 5 kann vorzugsweise ein PZT-Material oder ein Thermistormaterial wie einem NTC-Material aufweisen. Als obere Elektrode 6 ist eine Chrom/Gold-Elektrode bevorzugt.The materials described for these various layers can be those mentioned in the introduction. A particularly preferred example for substrate 2 is a silicon-on-insulator wafer (SOI wafer). A tantalum-containing adhesion layer 3 is particularly preferred. It can comprise metallic tantalum and/or tantalum oxide. A platinum electrode 4 is preferably arranged on this. The electroceramic layer 5 can preferably be The electrode should ideally be a PZT material or a thermistor material such as an NTC material. A chromium/gold electrode is preferred as the upper electrode 6.
Das SOI-Wafersubstrat kann die folgende interne Schichtstruktur von unten nach oben aufweisen: Auf einer 1,5 µm dicken Siliziumoxidschicht befindet sich eine 450 µm dicke Siliziumträgerschicht (Englisch: silicon handle layer). Über der Siliziumträgerschicht ist eine eingebettete Siliziumoxidschicht (Englisch: silicon oxide buried layer) von 1 µm Dicke angeordnet. Auf der eingebetteten Oxidschicht ist eine 150 µm dicke Siliziumbauelementeschicht (Englisch: silicon device layer) angeordnet. Auf der Siliziumbauelementeschicht ist eine Siliziumoxidschicht von 1 µm Dicke angeordnet.The SOI wafer substrate can have the following internal layer structure from bottom to top: A 450 µm thick silicon handle layer is located on a 1.5 µm thick silicon oxide layer. A 1 µm thick silicon oxide buried layer is positioned above the silicon handle layer. A 150 µm thick silicon device layer is positioned on top of the embedded oxide layer. A 1 µm thick silicon oxide layer is positioned on top of the silicon device layer.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform mit SOI-Schicht hat die Adhäsionsschicht aus Tantal eine Dicke von 20 nm. Die untere Elektrode 4 aus Platin kann eine Dicke von 200 nm haben. Die elektrokeramische Schicht 5 aus PZT kann eine Dicke von 1,7 µm haben. Die obere Elektrode kann mit einer Chrom- und Goldelektrode gebildet werden. Diese können als nacheinander aufgebrachte Schichten realisiert werden. Eine Chromschicht kann dabei 20 nm groß sein und kann zwischen der PZT-Schicht und der Goldschicht angeordnet sein. Die Goldschicht kann eine Dicke von 200 nm haben.In a preferred embodiment with an SOI layer, the tantalum adhesion layer has a thickness of 20 nm. The lower platinum electrode 4 can have a thickness of 200 nm. The PZT electroceramic layer 5 can have a thickness of 1.7 µm. The upper electrode can be formed with a chromium and a gold electrode. These can be implemented as successively applied layers. A chromium layer can be 20 nm thick and can be positioned between the PZT layer and the gold layer. The gold layer can have a thickness of 200 nm.
Nicht explizit dargestellt, aber in vielen Fällen bevorzugt, kann eine Keimschicht zwischen der elektrokeramischen Schicht und der Elektrode angeordnet sein. Die Keimschicht kann zusätzlich das kristalline und/oder orientierte Wachstum der elektrokeramischen Schicht erleichtern.Although not explicitly shown, a nucleation layer can be positioned between the electroceramic layer and the electrode in many cases. This nucleation layer can further facilitate the crystalline and/or oriented growth of the electroceramic layer.
Der vorliegende Aufbau hat den Vorteil, dass eine elektrokeramische Schicht 5 wie die elektrokeramische PZT-Schicht oder die elektrokeramische NTC-Schicht mit einem hohen Orientierungsgrad und guter Adhäsion zum Substrat gebildet wird. Außerdem kann der Mehrschichtaufbau hergestellt werden, ohne dass das Substrat 2 poliert oder die Oberflächenrauheit anderweitig kontrolliert werden muss. Wie im Folgenden gezeigt wird, können mit solchen Mehrschichtaufbauten hervorragende Leistungen erzielt werden.The present structure has the advantage that an electroceramic layer 5, such as the electroceramic PZT layer or the electroceramic NTC layer, is formed with a high degree of orientation and good adhesion to the substrate. Furthermore, the multilayer structure can be produced without polishing the substrate 2 or otherwise controlling the surface roughness. As will be shown below, excellent performance can be achieved with such multilayer structures.
In
In ähnlicher Weise wie in
Das dritte Ausführungsbeispiel kann selbstverständlich mit dem zweiten Ausführungsbeispiel kombiniert werden, d. h. mit der zweiseitigen Anordnung, wie sie in
Nicht abgebildet, aber ebenfalls möglich ist eine umgekehrte Anordnung der Adhäsionsteilschichten. So kann beispielsweise eine übergangsmetallhaltige Adhäsionsteilschicht zwischen zwei übergangsmetalloxidhaltigen Adhäsionsteilschichten sandwichartig eingebettet sein.Not shown, but also possible, is a reversed arrangement of the adhesion sublayers. For example, a transition metal-containing adhesion sublayer can be sandwiched between two transition metal oxide-containing adhesion sublayers.
Für die in den
In den
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, wurde der effektive transversale piezoelektrische Koeffizient |e31,f| auf 20 C m-2 bestimmt. Bei dieser Messung wurde kein Heißpolen dieser Dünnschicht unter einem elektrischen Gleichspannungsfeld durchgeführt. Im Rahmen der Erfindung wäre es möglich, die piezoelektrische Dünnschicht durch zusätzliches Heißpolen noch weiter zu verbessern. Auch eine Dotierung kann die piezoelektrische Dünnschicht weiter verbessern.As can be seen from Table 1, the effective transverse piezoelectric coefficient |e 31,f | was determined to be 20 C m⁻² . No hot galvanizing of this thin film under a DC electric field was performed during this measurement. Within the scope of the invention, it would be possible to further improve the piezoelectric thin film by additional hot galvanizing. Doping can also further improve the piezoelectric thin film.
In den
Der Aktuatorring 14 umfasst einem erfindungsgemäßen Mehrschichtaufbau. Sein Aufbau ist im Wesentlichen identisch mit der in
In den
Wie man sieht, belegen die erreichten Werte für das maximale optische Sichtfeld die mit einer Adhäsionsschicht erzielte Stabilität und Haftfestigkeit. Die Haftung ist so gut, dass nicht der Schichtstapel, sondern die mechanische Festigkeit des darunter liegenden siliziumbasierten Substrats der limitierende Faktor für das erreichbare maximale optische Sichtfeld ist. Darüber hinaus zeigen die Messungen in den
Die
In den
Die Beobachtung, dass Tantal eine weitaus bessere Haftung aufweist als Titanoxid, ist in den
In
Die Anordnung wurde so vorbereitet, dass der Siliziumwafer zunächst 10 Minuten lang mit UV-Licht und Ozon behandelt wurde. Anschließend wurden das Tantal und das Platin nacheinander auf dem Siliziumwafer durch DC-Magnetronsputtern bei Raumtemperatur mit 200 W abgeschieden. Dazu wurde zunächst eine NTC-Vorstufenlösung hergestellt. Diese Lösung wurde vor der Abscheidung gefiltert. Die NTC-Vorstufenlösung wurde auf das Substrat aufgetragen und durch Spin Coating beschichtet. Eine erste Teilschicht der NTC-Vorstufenlösung wurde auf das entsprechend vorbereitete blanke Substrat aufgebracht und anschließend auf einer Heizplatte bei 350-450 °C getrocknet und pyrolysiert. Um die gewünschte Dicke zu erreichen, wurden Beschichtung, Trocknung und Pyrolyse fünfmal wiederholt. Danach wurde der amorphe Film in einem RTA-Ofen bei 650-770 °C kristallisiert.The setup was prepared such that the silicon wafer was first treated with UV light and ozone for 10 minutes. Subsequently, the tantalum and platinum were sequentially deposited onto the silicon wafer by DC magnetron sputtering at room temperature using 200 W. For this, an NTC precursor solution was first prepared. This solution was filtered before deposition. The NTC precursor solution was applied to the substrate and coated by spin coating. A first partial layer of the NTC precursor solution was deposited onto the appropriately prepared bare substrate and then dried and pyrolyzed on a hot plate at 350–450 °C. To achieve the desired thickness, the coating, drying, and pyrolysis processes were repeated five times. The amorphous film was then crystallized in an RTA furnace at 650–770 °C.
Wie in
Als Substrat wurde ein SOI-Wafer verwendet, der von unten nach oben eine etwa 1,5 µm dicke Siliziumoxidschicht, eine 450 µm dicke Siliziumträgerschicht (Englisch: silicon handle layer), eine 1 µm dicke eingebettete Siliziumoxidschicht (Englisch: silicon oxide buried layer), eine 150 µm dicke Siliziumbauelementeschicht (Englisch: silicon device layer) und eine 1 µm dicke obere Siliziumoxidschicht aufweist. Diese obere Siliziumoxidschicht wurde zunächst 10 Minuten lang mit einem UV-Ozonreiniger behandelt. Nach dieser Reinigung wurde eine Adhäsionsschicht aus Tantal mit einer Dicke von 20 nm durch DC-Magnetronsputtern bei Raumtemperatur mit 500 W abgeschieden.The substrate used was an SOI wafer, comprising, from bottom to top, an approximately 1.5 µm thick silicon oxide layer, a 450 µm thick silicon handle layer, a 1 µm thick silicon oxide buried layer, a 150 µm thick silicon device layer, and a 1 µm thick top silicon oxide layer. This top silicon oxide layer was first treated with a UV-ozone cleaner for 10 minutes. After this treatment... In nigung, an adhesion layer of tantalum with a thickness of 20 nm was deposited by DC magnetron sputtering at room temperature with 500 W.
Auf der Tantalschicht wird eine 200 nm dicke Platinschicht abgeschieden, wiederum durch DC-Magnetron-Sputtern bei Raumtemperatur und 500 W. Das Sputtern erfolgte in einer Argon-Arbeitsgasatmosphäre mit einem Argon-Druck zwischen 1×10-3 mbar und 8×10-2 mbar. Der Abstand zwischen Target und Substrat betrug 12 bis 18 cm. So entsteht ein Stapel umfassend den Siliziumwafer mit der Tantalschicht und der Platinschicht.A 200 nm thick platinum layer is deposited onto the tantalum layer, again by DC magnetron sputtering at room temperature and 500 W. The sputtering was performed in an argon working gas atmosphere with an argon pressure between 1 × 10⁻³ mbar and 8 × 10⁻² mbar. The distance between the target and substrate was 12 to 18 cm. This process creates a stack comprising the silicon wafer with the tantalum layer and the platinum layer.
Danach wird eine Bleititanat-Keimschicht (PbTiO3) auf der Platinelektrode abgeschieden. Hierfür wurde zunächst eine Keimschichtlösung aus PbTiO3 hergestellt. Die Lösung hatte eine Konzentration von 0,0625 mol/l PbTiO3 und einen 10%igen molaren Überschuss an Blei, um die Verdampfung während der Kristallisation auszugleichen. Vor der Abscheidung wurde die Keimschicht durch einen 0,2 µm PTFE-Spritzenfilter filtriert. Anschließend wurde die Keimschichtlösung auf die blanke Platinoberfläche aufgetragen und bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 2000 Umdrehungen pro Minute 30 Sekunden lang durch Spin Coating abgeschieden. Die so abgeschiedene amorphe Keimschicht wurde getrocknet und bei einer Temperatur von 150 °C auf einer Heizplatte pyrolysiert und anschließend in einem thermischen Schnellheizofen bei 520 °C kristallisiert. Dabei wurde eine Keimschicht von etwa 10 nm gebildet. So entsteht ein Stapel aus einem SOI-Substrat, einer Haftschicht aus Tantal, einer Platinelektrodenschicht und einer Keimschicht.A lead titanate seed layer ( PbTiO₃ ) is then deposited on the platinum electrode. For this purpose, a PbTiO₃ seed layer solution was first prepared. The solution had a concentration of 0.0625 mol/L PbTiO₃ and a 10% molar excess of lead to compensate for evaporation during crystallization. Before deposition, the seed layer was filtered through a 0.2 µm PTFE syringe filter. The seed layer solution was then applied to the bare platinum surface and deposited by spin coating at a rotation speed of 2000 revolutions per minute for 30 seconds. The resulting amorphous seed layer was dried and pyrolyzed on a hot plate at 150 °C and subsequently crystallized in a rapid thermal furnace at 520 °C. This process formed a seed layer approximately 10 nm thick. This creates a stack consisting of an SOI substrate, a tantalum adhesive layer, a platinum electrode layer, and a nucleation layer.
Anschließend wird die PZT elektrokeramische Schicht durch Abscheidung mehrerer Teilschichten gebildet, die jeweils aus drei Subschichten bestehen.The PZT electroceramic layer is then formed by depositing several sublayers, each consisting of three sublayers.
Zunächst wird eine zirkoniumreiche Subschicht gebildet. Dazu wird eine erste zirkoniumreiche erste Vorstufenlösung durch Auflösen von Blei(II)-acetat in einer Lösung von Zirkonium(IV)-propoxid und Titan(IV)-isopropoxid in Essigsäure und 2-Methoxyethanol hergestellt. Nach dem Auflösen des Blei-Precursors bei 60 °C wurde die resultierende Lösung 2 Stunden lang unter Stickstoffatmosphäre refluxiert. Nach Abdestillation der Nebenprodukte wurde die Mischung auf eine Konzentration von 0,5 mol/l verdünnt. Die Zusammensetzung der ersten hergestellten Lösung entspricht der Zusammensetzung von Pb (Zr0.63Ti0.37) O3 für die zu bildende Subschicht. Die Lösung wird so hergestellt, dass sie auch einen 15%igen molaren Überschuss an Blei aufweist. Vor der Abscheidung wurde die zirkoniumreiche erste Vorstufenlösung durch einen 0,2 µm PTFE-Spritzenfilter filtriert. Anschließend wurde die zirkoniumreiche erste Vorstufenlösung auf die Keimschicht aufgetragen und bei einer Rotation von 2000 Umdrehungen pro Minute 30 Sekunden lang im mittels Spin Coating beschichtet. Die so abgeschiedene, mit zirkoniumreiche Subschicht wurde bei 150 °C bzw. 350 °C getrocknet und pyrolysiert.First, a zirconium-rich sublayer is formed. For this purpose, a first zirconium-rich precursor solution is prepared by dissolving lead(II) acetate in a solution of zirconium(IV) propoxide and titanium(IV) isopropoxide in acetic acid and 2-methoxyethanol. After dissolving the lead precursor at 60 °C, the resulting solution was refluxed under a nitrogen atmosphere for 2 hours. After distilling off the byproducts, the mixture was diluted to a concentration of 0.5 mol/L. The composition of the first prepared solution corresponds to the composition of Pb(Zr 0.63 Ti 0.37 ) O3 for the sublayer to be formed. The solution is prepared to also have a 15% molar excess of lead. Before deposition, the zirconium-rich first precursor solution was filtered through a 0.2 µm PTFE syringe filter. The zirconium-rich first precursor solution was then applied to the nucleation layer and coated for 30 seconds using spin coating at a rotation speed of 2000 revolutions per minute. The resulting zirconium-rich sublayer was dried and pyrolyzed at 150 °C and 350 °C, respectively.
Anschließend wird zur Bildung einer mittelkonzentrierten zweiten Subschicht zunächst eine mittelkonzentrierte zweite Vorstufenlösung durch Auflösen von Blei(II)-acetat in einer Lösung von Zirkonium(IV)-propoxid und Titan(IV)-isopropoxid in Essigsäure und 2-Methoxyethanol hergestellt. Nach dem Auflösen des Blei-Precursors bei 60 °C wurde die resultierende Lösung 2 Stunden lang unter Stickstoffatmosphäre refluxiert. Nach Abdestillation der Nebenprodukte wurde die Mischung auf eine Konzentration von 0,5 mol/l verdünnt. Die Zusammensetzung der so hergestellten Lösung entspricht der Zusammensetzung von Pb (Zr0.53Ti0.47) O3 für die zu bildende Subschicht. Die Lösung wird so hergestellt, dass sie auch einen 15%igen molaren Überschuss an Blei aufweist. Vor der Abscheidung wurde die mittelkonzentrierte zweite Vorstufenlösung durch einen 0,2 µm PTFE-Spritzenfilter filtriert. Anschließend wurde die mittelkonzentrierte zweite Vorstufenlösung auf die getrocknete und pyrolysierte, zirkoniumreiche Subschicht aufgetragen und bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 2000 Umdrehungen pro Minute 30 Sekunden lang durch Spin Coating beschichtet. Die so abgeschiedene mittelkonzentrierte zweite Subschicht wurde bei Temperaturen von 150 °C bzw. 350 °C getrocknet und pyrolysiert.To form a medium-concentrated second sublayer, a medium-concentrated second precursor solution is first prepared by dissolving lead(II) acetate in a solution of zirconium(IV) propoxide and titanium(IV) isopropoxide in acetic acid and 2-methoxyethanol. After dissolving the lead precursor at 60 °C, the resulting solution was refluxed under a nitrogen atmosphere for 2 hours. After distilling off the byproducts, the mixture was diluted to a concentration of 0.5 mol/L. The composition of the solution thus prepared corresponds to the composition of Pb(Zr 0.53 Ti 0.47 ) O3 for the sublayer to be formed. The solution is prepared to also have a 15% molar excess of lead. Before deposition, the medium-concentrated second precursor solution was filtered through a 0.2 µm PTFE syringe filter. The medium-concentrated second precursor solution was then applied to the dried and pyrolyzed, zirconium-rich sublayer and spin-coated for 30 seconds at a rotational speed of 2000 revolutions per minute. The resulting medium-concentrated second sublayer was dried and pyrolyzed at temperatures of 150 °C and 350 °C, respectively.
Anschließend wird zur Bildung einer titanreichen dritten Teilschicht zunächst eine titanreiche dritte Vorstufenlösung durch Auflösen von Blei(II)-acetat in einer Lösung von Zirkonium(IV)-propoxid und Titan(IV)-isopropoxid in Essigsäure und 2-Methoxyethanol hergestellt. Nach dem Auflösen des Blei-Precursors bei 60 °C wurde die resultierende Lösung 2 Stunden lang unter Stickstoffatmosphäre refluxiert. Nach Abdestillation der Nebenprodukte wurde die Mischung auf eine Konzentration von 0,5 mol/l verdünnt. Die Zusammensetzung der so hergestellten Lösung entspricht der Zusammensetzung von Pb (Zr0.43Ti0.57) O3 für die zu bildende Subschicht. Die Lösung wird so hergestellt, dass sie auch einen 15%igen molaren Überschuss an Blei aufweist. Vor der Abscheidung wurde die titanreiche dritte Vorstufenlösung durch einen 0,2 µm PTFE-Spritzenfilter gefiltert. Anschließend wurde die titanreiche dritte Vorstufenlösung auf die getrocknete und pyrolysierte zweite Subschicht aufgetragen und bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 2000 Umdrehungen pro Minute 30 Sekunden lang durch Spin Coating beschichtet. Die so abgeschiedene, titanreiche dritte Subschicht wurde bei Temperaturen von 150 °C bzw. 350 °C getrocknet und pyrolysiert.To form a titanium-rich third sublayer, a titanium-rich third precursor solution is first prepared by dissolving lead(II) acetate in a solution of zirconium(IV) propoxide and titanium(IV) isopropoxide in acetic acid and 2-methoxyethanol. After dissolving the lead precursor at 60 °C, the resulting solution was refluxed under a nitrogen atmosphere for 2 hours. After distilling off the byproducts, the mixture was diluted to a concentration of 0.5 mol/L. The composition of the solution thus prepared corresponds to the composition of Pb (Zr 0.43 Ti 0.57 ) O 3 for the sublayer to be formed. The solution is prepared to also have a 15% molar excess of lead. Before deposition, the titanium-rich third precursor solution was filtered through a 0.2 µm PTFE syringe filter. The titanium-rich third precursor solution was then applied to the dried and pyrolyzed second sublayer and rotated at a speed of 2000 revolutions per minute. The third sublayer, rich in titanium, was coated by spin coating for 30 seconds. It was then dried and pyrolyzed at temperatures of 150 °C and 350 °C, respectively.
Die Teilschicht, die bisher aus den drei Subschichten gebildet ist, ist amorph. Sie hat eine Dicke von 50 bis 200 nm. Nach der Bildung dieser amorphen Teilschicht wird sie in einem thermischen Schnellheizofen bei 650°C einem Kristallisationsschritt unterzogenThe partial layer formed so far from the three sublayers is amorphous. It has a thickness of 50 to 200 nm. After the formation of this amorphous partial layer, it undergoes a crystallization step in a rapid thermal heating oven at 650°C.
Um eine PZT elektrokeramische Schicht mit einer Dicke von 1,7 bis 2,5 µm zu erhalten, wurde die oben beschriebene Bildung von Teilschichten 24 mal wiederholt. Im vorliegenden Beispiel entspricht eine Dicke von 1,7 jeweils 24 Teilschichten. So lassen sich ein SOI-Substrat, eine Adhäsionsschicht aus Tantal, eine Elektrodenschicht aus Platin, eine Keimschicht und eine PZT elektrokeramische Schicht stapeln. Schließlich kann eine obere Elektrode, die in
Das obige Verfahren kann für andere Materialien oder andere Schichtdicken angepasst werden.The above procedure can be adapted for other materials or other layer thicknesses.
ReferenzzeichenlisteReference character list
- 11
- MehrschichtaufbauMulti-layer structure
- 22
- Substratsubstrate
- 33
- Adhäsionsschichtadhesion layer
- 3'3'
- zweite Adhäsionsschichtsecond adhesion layer
- 3a3a
- erste Adhäsionsteilschichtfirst adhesion layer
- 3b3b
- zweite Adhäsionsteilschichtsecond adhesion layer
- 3a'3a'
- dritte Adhäsionsteilschichtthird adhesion layer
- 44
- Elektrodeelectrode
- 4'4'
- zweite Elektrodesecond electrode
- 55
- elektrokeramische Schichtelectroceramic layer
- 5', 5''5', 5''
- zweite elektrokeramische Schichtsecond electroceramic layer
- 66
- obere Elektrodeupper electrode
- 6', 6''6', 6''
- zweite obere Elektrodesecond upper electrode
- 77
- Säulecolumn
- 1010
- Mikrospiegelmicromirrors
- 1111
- langsame Achseslow axis
- 1212
- schnelle Achsefast axis
- 1313
- SpiegelflächeMirror surface
- 1414
- Antriebsringdrive ring
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