Piezoelektrische Mikrosysteme mit AlScN als Wandlermaterial
Mikromechaniken mit piezoelektrischem Wandlerprinzip gewinnen in nahezu allen Zielmärkten für MEMS-Applikationen an Bedeutung. Sie zeichnen sich vor allem durch eine verbesserte Dynamik sowie ein höheres Potential zur Miniaturisierung aus. Dabei lässt sich ein Trend in Richtung bleifreie Wandlermaterialien erkennen, da das häufig verwendete Blei-Zirkonat-Titanat, PZT, aufgrund der schlechten Umweltverträglichkeit und Entsorgbarkeit zunehmend kritischer gesehen wird. Piezoelektrisches Aluminiumnitrid, AlN, stellt hier eine sehr gute Alternative dar, da es leicht herzustellen, kostengünstig, CMOS-kompatibel und als Green-Technologie im hohen Maße umweltverträglich ist. Darüber hinaus zeigt AlN aufgrund seiner keramischen Eigenschaften keine Materialermüdung und keine thermische Degradation. Die piezoelektrischen Koeffizienten des AlN sind jedoch vergleichsweise gering und schränken die Verwendbarkeit ein. Um diese materialseitig zu verbessern, kann dem AlN Scandium zugegeben werden, was eine Steigerung von bis zu ≥ Faktor 5 bewirken kann. Die Herstellung geeigneter Sputtertargets für Aluminium-Scandium-Nitrid, AlScN, Schichten mit erhöhtem Scandiumanteil ist schwierig und wird gegenwärtig nur von wenigen Herstellern im asiatischen Raum angeboten. Die langen Transportwege führen dabei jedoch zur Sauerstoffkontaminationen der Targets, was die piezoelektrischen Eigenschaften der damit hergestellten Schichten deutlich verschlechtert. Die Verfügbarkeit funktionaler und kostengünstiger AlSc-Sputtertargets im europäischen Raum ist die Basis für die industrielle Anwendung der AlScN-Technologie im MEMS-Bereich in Europa.
Ziel des Projektes FastMEMS ist die Herstellung eines funktionalen Sputtertargets für piezoelektrische AlScN-Schichten im MEMS-Bereich. Die TU Chemnitz arbeitet dabei mit der robeko GmbH & Co. KG, einem nationalen Hersteller von Sputtertargets und Verdampfergranulaten, zusammen.
Die Herstellung der Targets erfolgt im Werk der robeko GmbH & Co. KG. Die TU Chemnitz hat die Aufgabe, die gefertigten Targets in ihren Sputteranlagen zu installieren und Prozesse zur Herstellung piezoelektrischer AlScN-Schichten zu entwickeln. Dabei sollen verschiedene Prozessparameter variiert und die Eigenschaften der Schichten, Stöchiometrie, Kristallinität und piezoelektrische Koeffizienten, analysiert werden. Ziel der Untersuchungen ist es, sowohl die Einflüsse des Target-Herstellungs- als auch des AlScN-Abscheideprozesses auf die piezoelektrischen Eigenschaften der herzustellenden Schichten zu analysieren, um letztlich ein funktionales Target mit zugehörigem Prozess am nationalen und europäischen Markt etablieren zu können. Untersuchungen zum Einsatz der AlScN-Schichten in fertigen MEMS-Sensoren und -Aktoren zur Analyse der Wandlereigenschaften in Hinblick auf die angestrebte Steigerung runden die Untersuchungen im Rahmen des Projektes FasMEMS ab.
MEMS-Inertialsensoren zum Test der sensorischen Wandlereigenschaften des AlScN
MEMS-Mikrospiegel zum Test der aktorischen Wandlereigenschaften des AlScN
