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Dokumentenidentifikation DE102004035386B3 08.09.2005
Titel Herstellung einer piezo- und pyroelektrischen Dünnschicht auf einem Substrat
Anmelder Fachhochschule Kiel, 24149 Kiel, DE
Erfinder Es-Souni, Mohammed, Prof. Dr., 24247 Mielkendorf, DE
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 24105 Kiel
DE-Anmeldedatum 21.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004035386
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.09.2005
IPC-Hauptklasse H01L 41/22
IPC-Nebenklasse B81C 1/00   
Zusammenfassung Verfahren zur Herstellung einer piezo- oder pyroelektrischen Dünnschicht auf einem Substrat mit den Schritten:
a. Erzeugen einer Polymerlösung durch Lösen eines Polymers in einem organischen Lösungsmittel,
b. Erzeugen einer Keramikpulversuspension durch Suspendieren eines hydrophobierten, piezo- oder pyroelektrischen Keramikpulvers mit Korngrößen kleiner als 1 Mikrometer in einem mit dem Lösungsmittel des Polymers kompatiblen organischen Lösungsmittel,
c. Vermischen von Keramikpulver-Suspension und Polymerlösung zu einem Kompositschlicker,
d. Aufbringen dieses Kompositschlickers auf das Substrat unter Erzeugung einer Kompositschicht,
e. Trocknen der aufgebrachten Schicht bei Temperaturen um 100°C.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer piezo- und pyroelektrischen Dünnschicht auf einem Substrat, insbesondere auf Mikro-Elektromechanischen Systemen (MEMS).

Die Erzeugung piezo- und/oder pyroelektrischer Dünnfilme auf Silizium-basierten MEMS ist für eine Reihe von Anwendungen interessant, z.B. für Ultraschall-Transducer, Drucksensoren, Durchflussmesser, Beschleunigungssensoren, Mikromotoren, Mikropumpen und chemische Sensoren.

Die Beschichtung von Silizium-Chips mit dem konventionellen Sol-Gel-Verfahren führt wegen der hohen Prozesstemperatur von typisch mehr als 500°C bei der Pyrolyse zu Problemen, insbesondere zur Beschädigung der Siliziumstrukturen.

Die US 6 349 455 B1 lehrt daher, ein möglichst feinkörniges Piezokeramik-Pulver (Korngrößen unter 1 &mgr;m) zunächst herzustellen und dann mit einem insbesondere organischen Lösungsmittel zu vermengen, um das Gemisch in einem Tauchprozess auf ein Substrat zu bringen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden die Keramikpartikel elektrophoretisch auf dem Substrat deponiert, und der verbliebene Porenraum wird ggf. durch Beimengung eines Sols geeigneter Zusammensetzung zu dem erstgenannten Gemisch ebenfalls infiltriert. Eine anschließende Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 100°C und 600°C (bevorzugt 150–300°C) entfernt die oder das Lösungsmittel vollständig, so dass eine kompakte keramische Schicht zurückbleibt.

Wünschenswert für die Integration von Funktionsschichten in MEMS sind jedoch Prozesstemperaturen deutlich unter 200°C bei gleichzeitig vereinfachter Bearbeitung.

Eine Möglichkeit, piezoelektrische Werkstoffe unter 200°C herzustellen, besteht darin, Piezokeramikpartikel mit einem Matrixpolymer zu vermengen, das bei entsprechend niedriger Temperatur aushärtet.

Die Herstellung von massiven Bauelementen aus Polymer-Piezokeramik-Kompositen für Anwendungen vor allem in der Ultraschalltechnik ist bekannt. Die Vorteile solche Verbundwerkstoffe sind in der einschlägigen Fachliteratur gut beschrieben (s. z.B. A.J. Moulsen, J.M. Herbert, Electroceramics, Wiley VCH 2003, s. 373). Für die Herstellung der Komposite können je nach gewünschter Konnektivität verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Zur Herstellung der Keramikstruktur eignet sich das Spritzgießen am besten augrund seiner Wirtschaftlichkeit. Nach dem Sintern wird die Piezokeramik gepolt und anschließend mit dem flüssigen Polymer befüllt. Zhang et al. (J. Am. Ceram. Soc. 83(2000), 2227–2230) stellen ein Verfahren vor, in dem Nanoteilchen aus mit Lanthan und Kalzium dotiertem Bleititanat in einer Polymerlösung aus Polyvinyldifluorid-Trifluorethylen (PVDF-TrFE) dispergiert und nach Trocknung zu kleinen Scheiben gepresst werden. Zeng et al (J. Appl. Pys. 9(2002)2674–2679)) berichten über ein ähnliches Verfahren unter Verwendung von Bleizirkonattitanat (PZT) als Piezokeramik.

Die DE 100 17 492 A1 schlägt ein Polymer-Piezokeramik-Komposit zur Beschichtung schwingender Oberflächen vor, um eine passive Schwingungsdämpfung zu erreichen. Die Druckschrift empfiehlt das Heißpressen eines Gemisches aus Polymerpartikeln und Keramikpulver zu einem Film. Ferner wird das Aufspritzen eines Lackes vorgeschlagen, dem das Keramikpulver beigemengt ist. Typische Filmdicken, die mit diesem Verfahren erzeugt werden, liegen bei 500 Mikrometer.

Die Verwendung piezoelektrischer Polymere und Kopolymere eignet sich besonders zur Herstellung freistehender Filme. Besonders PVDF wird wegen seiner hohen pyro- und piezoelektrischen Koeffizienten geschätzt, wobei sich diese Koeffizienten durch Streckung und Polung des Polymerfilms noch erheblich steigern lassen, siehe z.B. die US 5 254 296. Eine Streckung kommt allerdings nicht für eine direkt auf das Substrat aufgebrachte Dünnschicht in Frage.

Piezo- oder pyroelektrische Dünnschichten (mit Dicken von wenigen Mikrometern oder darunter) auf Substraten werden bislang – mit den herkömmlichen Sol-Gel-Verfahren – vor allem als keramische Schichten realisiert. Die hohen Sintertemperaturen verbieten dabei die Anwendung auf mit empfindlichen Mikrostrukturen versehenen Substraten, z.B. MEMS. Für piezoelektrische Polymerdünnschichten bestehen praktisch keine Erfahrungen.

Die Alternativen, etwa das Aufsprühen dickerer Lacke oder das Aufkleben von Polymerfilmen, sind vom Standpunkt der Mikrotechnik aus ungünstig, schon weil sie nicht mit den üblichen Verfahren der Chipfertigung kompatibel sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Erzeugung von piezo- und/oder pyroelektrischen Dünnschichten auf beliebigen Substraten, insbesondere Si-MEMS, anzugeben, das sich einfach in den Fertigungsprozess integrieren lässt und bei dem die Schichten weit unterhalb 200°C ausgehärtet werden, wobei sie zugleich die elektrischen Eigenschaften von PVDF-Filmen erreichen oder sogar übertreffen.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.

Erfindungsgemäß wird eine Polymer-Piezokeramik-Komposit-Schicht auf das Substrat gebracht, indem zunächst eine Keramikpulver-Dispersion mit einer Polymerlösung zu einem Kompositschlicker vermengt und nach Art eines Sol-Gel-Verfahrens auf das Substrat aufgeschleudert wird. Eine abschließende Wärmebehandlung der Schicht bei Temperaturen um etwa 100°C liefert einen haltbaren Film mit ausgezeichneten pyro- und piezoelektrischen Eigenschaften. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für weitgehend beliebige Keramikpulver und Matrixpolymere anwendbar und wird konkret für einen PZT-PMMA-Kompositfilm beschrieben (PMMA = Polymethylmethacrylat).

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung Dabei zeigt:

1 ein Schema zur Herstellung einer PMMA-Lösung,

2 ein Schema zur Herstellung einer PZT-Pulver-Suspension,

3 piezoelektrische Messungen für Kompositfilme mit unterschiedlichem PZT-Feststoffgehalt.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

  • – Hydrophobieren und Mahlen eines kommerziell erhältlichen Keramikpulvers
  • – Herstellen einer Keramikpulver-Suspension
  • – Herstellen einer Polymerlösung
  • – Vermengen von Keramikpulver-Suspension und Polymerlösung zu einem Kompositschlicker, vorzugsweise im Mischungsverhältnis zwischen 1:1 und 3:2
  • – Aufbingen des Kompositschlickers auf ein Substrat, vorzugsweise durch Aufschleudern, zur Erzeugung einer Kompositschicht, und
  • – Trocknen der aufgebrachten Schicht bei Temperaturen um 100°C.

Vorzugsweise an die kurzzeitige (im Bereich von weniger als einer bis zu mehreren Minuten andauernde) Trocknung abschließend eine Wärmebehandlung des mit der Schicht versehenen Substrats bei Temperaturen deutlich unter 100°C (bevorzugt unter 80°C) für mehrere Stunden im Trockenschrank durchgeführt, um durch Polymerisationsvorgänge im Matrixpolymer bessere mechanische Eigenschaften, insbesondere bessere Haltbarkeit, zu erzielen.

Im Folgenden werden die einzelnen Schritte am konkreten Beispiel von käuflichem PZT-Pulver und PMMA-Kunststoffpulver präzisiert. Die Übertragung des Verfahrens auf andere Substanzen ist für den Fachmann dann ersichtlich.

Das Hydrophobieren des Keramikpulvers sorgt für optimales Dispergieren in organischen Lösungsmitteln. Das Mahlen des Pulvers führt auf Korngrößen deutlich unter 1 Mikrometer, vorzugsweise 100–200 Nanometer.

Das handelsübliche PZT-Pulver PZ 21 wird vorerst bei 800°C wärmebehandelt, um eine vollständige Überführung der Keramikteilchen in die gewünschte Perowskitphase zu erzielen, und anschließend mit Ölsäure bei Raumtemperatur hydrophobiert. Hierfür werden bezogen auf die Pulvermenge 10% Ölsäure mit Oktan und dem Pulver gemischt und für 5 Stunden unter Rückfluss gekocht. Das hydrophobierte Pulver wird mit einer Zentrifuge vom Lösungsmittel abgetrennt, danach in Oktan zweimal gereinigt und im Trockenschrank bei 120°C getrocknet. Dieses Pulver wird dann mehrere Stunden in Hexan in der Planetenkugelmühle nass gemahlen und wiederum getrocknet.

Die Herstellung von Polymerlösung und Keramikpulver-Suspension erfolgt bevorzugt im Lösungsmittel des Polymers. Alternativ kann das Keramikpulver auch in anderen organischen Lösungsmitteln suspendiert werden, sofern diese mit dem Lösungsmittel des Polymers kompatibel sind, d.h. es darf beim Vermengen von Keramiksuspension und Polymerlösung nicht zu Ausfällungen kommen.

Für die PMMA-Lösung wird das Kunststoffpulver in Acetylaceton gelöst. Es wird eine 10 massenprozentige (Ma.-%ige) Lösung hergestellt. Bei 60°C löst sich das PMMA-Pulver innerhalb von 5 Minuten (1). Das Keramikpulver wird ebenfalls in Acetylaceton dispergiert, wobei hier vorzugsweise 50 Ma.-%ige Suspensionen erzeugt werden. Das PZT-Pulver wird dazu eingewogen, mit dem Lösungsmittel versetzt und mittels Ultraschall (3 mal 15 min) dispergiert (2).

Durch Mischen der beiden Stammlösungen in unterschiedlichen Verhältnissen können nun die Kompositschlicker mit verschiedenen Feststoffgehalten hergestellt werden. Wie sich zeigt, ist ein Mischungsverhältnis Keramik-Suspension/Polymerlösung zwischen 1:1 und 3:2 besonders vorteilhaft für die piezoelektrischen Eigenschaften der erzeugten Schicht. Dies entspricht einem mehr als 80 Ma.-%igen PZT-Feststoffgehalt in der getrockneten Schicht.

Der Kompositschlicker kann auf praktisch beliebige Substrate aufgebracht werden, wobei sich grundsätzlich alle in Sol-Gel-Verfahren üblichen Beschichtungsmethoden eignen. Für die dargestellten Beispiele werden vorgereinigte Silizium HD Wafer als Substrate gewählt. Bevorzugte Substrate sind jedoch MEMS-Wafer, Metallmembranen und weitere funktionale Substrate. Die Schichten werden mittels eines Spincoaters bei zunächst 800 Umdrehungen pro Minute (U/min) für 6 Sekunden und danach 1500 U/min für weitere 20 Sekunden aufgeschleudert. Nach dem Beschichten werden die Kompositschichten auf der Heizplatte für 1 Minute bei 100°C–110°C getrocknet.

Die Schichtherstellung ist hiermit bereits abgeschlossen. Besonders bevorzugt erfolgt jedoch noch eine weitere Wärmebehandlung der Schichten für 24 Stunden bei 80°C im Trockenschrank. Der Sinn dieser Maßnahme ist das Bewirken zusätzlicher Polymerisationsprozesse in der Polymermatrix, die die Haltbarkeit der Schicht steigert. Vor allem für piezoelektrische Anwendungen des so beschichteten Substrats ist diese Nachbehandlung sehr ratsam.

Um die piezoelektrischen Eigenschaften der Kompositschichten zu bewerten, ist eine Polung der Schichten erforderlich. In hier gezeigten Beispielen werden verschiedene Proben (mit unterschiedlichem Feststoffgehalt) in einer Korona-Polungsanlage bei 15 kV und 80°C für ca. 30 Minuten gepolt. Das Feld bleibt auch beim Abkühlen für weitere 30 Minuten angelegt. 3 zeigt die Ergebnisse der Dehnung in Dickenrichtung in Abhängigkeit von der angelegten Feldstärke für PMMA-PZT-Komposite mit 76,9 Ma.-%igem (oberes Diagramm) und 88,2 Ma.-%igem Feststoffgehalt PZT (unteres Diagramm). Die ermittelten piezoelektrischen Koeffizienten von d(76,9) = 15 pm/V und d(88,2) = 27 pm/V verdeutlichen, dass die Wahl eines PZT-Feststoffgehalts oberhalb von 80 Ma.-% zu bevorzugen ist.

Zum Vergleich: die US 5 254 296 gibt d = 30–35 pm/V als Maximalwerte für gestreckte und gepolte PVDF-Filme an, die mit den Maßnahmen der dort beschriebenen Erfindung auf bis zu 60 pm/V gesteigert werden können. Ungepolte PVDF-Filme liegen indes bei etwa d = 14 pm/V. Derselben Quelle entnimmt man pyroelektrische Koeffizienten für gepolte und gestreckte PVDF-Filme um p = 35 &mgr;C/m2K, die sich auf etwa p = 60 &mgr;C/m2K mit den dort vorgeschlagenen Methoden steigern lassen.

Ein PVDF-PZT-Komposit ist nach dem hier beschriebenen Verfahren herstellbar, das nach Polung einen pyroelektrischen Koeffizienten von 67 &mgr;C/m2K aufweist. Die höchste Prozesstemperatur des Verfahrens bleibt auch hier im Bereich um 100°C.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung einer piezo- oder pyroelektrischen Dünnschicht auf einem Substrat gekennzeichnet durch die Schritte

    a. Erzeugen einer Polymerlösung durch Lösen eines Polymers in einem organischen Lösungsmittel,

    b. Erzeugen einer Keramikpulversuspension durch Suspendieren eines hydrophobierten, piezo- oder pyroelektrischen Keramikpulvers mit Korngrößen kleiner als 1 Mikrometer in einem mit dem Lösungsmittel des Polymers kompatiblen organischen Lösungsmittel,

    c. Vermischen von Keramikpulver-Suspension und Polymerlösung zu einem Kompositschlicker,

    d. Aufbringen dieses Kompositschlickers auf das Substrat unter Erzeugung einer Kompositschicht,

    e. Trocknen der aufgebrachten Schicht bei Temperaturen um 100°C.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Wärmebehandlung des beschichteten Substrats für mehrere Stunden bei Temperaturen unter 100°C erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Polymerlösung und Keramikpulversuspension in einem Verhältnis gemischt werden, dass in der fertigen Schicht einen Feststoffgehalt von wenigstens 80 Massenprozent Keramik erzeugt.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikpulver im Lösungsmittel des Polymers suspendiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositschlicker durch Aufschleudern auf das Substrat gebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein siliziumbasiertes mikromechanisches System (MEMS) ist.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikpulver Bleizirkonattitanat (PZT) ist.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Polymethylmethacrylat (PMMA) ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein piezoelektrisches Polymer, insbesondere PVDF, ist.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fertige Schicht anschließend einer Koronapolung bei mehr als 10 kV und Temperaturen im Bereich der Wärmebehandlung unterzogen wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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