Erhöhung der Piezokonstanten von AlN Dünnfilmen durch Dotieren

Funktionale Dünnfilme auf Basis des piezoelektrischen Effekts sind Schlüsselkomponenten für eine Vielzahl von MEMS/NEMS basierten Sensoren und Aktuatoren, wie z.B. in Vibrationsenergiewandlern, als Elemente zur resonanten Anregung von Drehratensensoren, in SAW- (engl.: surface acoustic wave) Bauelementen, in elektrisch auslesbaren AFM- (engl.: atomic force microscope) Cantilevern für biologische Anwendungen und vielen mehr. Typischerweise werden in mikro- und nanostrukturierten Bauelementen Zinkoxid (ZnO), Bleizirkonat-Titanat (PZT) und Aluminiumnitrid (AlN) eingesetzt, wobei zuletzt genanntes Material durch seine hohe chemische Robustheit und durch seine CMOS-kompatible Abscheidung nahe Raumtemperatur besticht, jedoch im Vergleich nur moderate, piezoelektrische Konstanten aufweist. Ziel des Projekts ist es, durch gezielte Dotierung von polykristallinen AlN-Dünnfilmen mit Scandium (Sc), Chrom (Cr) oder Kupfer (Cu) die elektro-mechanischen Materialeigenschaften zu verbessern und insbesondere die piezoelektrischen Konstanten zu erhöhen. Dies würde neue Anwendungen für AlN-basierte Dünnfilme insbesondere im Bereich der Aktorik auf Grund eines erhöhten Aktorpotentials, sowie den Ersatz von schwermetallhaltigen Titanaten, wie z.B. PZT, ermöglichen. Dabei wird die Dotierung mit Cr und Cu angestrebt, da diese Elemente bereits in der Mikroelektronik etabliert sind und eine geringere Einstiegshürde für die Integration in CMOS Produktionslinien darstellen. Im Projekt soll der Einfluss dieser Dotierungselemente in unterschiedlichen Konzentrationen sowie der Prozessbedingungen auf die Mikrostruktur, Phasenausbildung, die c-Achsenorientierung und die Verzerrung des Wurtzitgitters untersucht werden, um in der Literatur bestehende Modelle zu verifizieren und systematisch zu erweitern. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf die örtlich aufgelöste, chemische Analyse von dotierten, polykristallinen AlN Dünnfilmen mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM), um mögliche Dotierungsgradienten zwischen Korn und Korngrenze zu erfassen und mit den elektro-mechanischen Kenngrößen zu korrelieren. Des Weiteren sollen elektrische, mechanische und elektromechanische Eigenschaften, sowie die Abhängigkeit von geometrischen Faktoren wie der Schichtdicke untersucht werden. Konkret sollen unter systematischer Variation dieser Einflussgrößen Messreihen zum longitudinalen und transversalen piezoelektrischen Effekt (d 33, d31) durchgeführt werden. Zusätzlich sollen rein mechanische (Elastizitätsmodul, biaxiale mechanische Verspannung) sowie rein elektrische Materialeigenschaften (Permittivität, Leckstrommechanismen) untersucht werden, da deren Kenntnis für die Auslegung und Dimensionierung von MEMS/NEMS-Bauelementen zwingend notwendig ist. Weiterhin zeigt dotiertes AlN ferromagnetische Eigenschaften, was als DMS (engl.: diluted magnetic semiconductor) in der Literatur beschrieben ist. Dieser Effekt soll mittels Magnetkraftmikroskopie (MFM), sowie einem neuentwickelten Messaufbau untersucht werden. Dieser Effekt würde zusätzlich magnetische MEMS/NEMS Bauteile ermöglichen, was derzeit schwierig ist, da ferromagnetische Elemente wie Eisen und Nickel in CMOS Prozessen vermieden werden.

Neue disruptive Technologien wie das Internet der Dinge, Industrie 4.0 und der Smartphone Trend benötigen Sensoren mit geringem Energiebedarf, sowie neuartige Energiequellen, um erfolgreich wachsen zu können. Piezoelektrische Dünnfilme stellen die Technologiebasis dar, um neue Systeme mit diesen Anforderungen verwirklichen zu können. In diesem Forschungsprojekt konnte ein bedeutender Anstieg der Effizienz eines beliebten piezoelektrisches Dünnfilmwerkstoffs erzielt werden: Aluminium Nitrid (AlN). Dies wird durch Zugeben weiterer metallischer Elemente wie Scandium, Yttrium oder Chrom erreicht. Die entsprechende Technik wird wissenschaftlich als Dotierung von AlN bezeichnet und für zwei spezifische Anwendungen genutzt: Die Erste Anwendung, ein Sensor System ist für die online Überwachung von Fluideigenschaften bestimmt, wie z.B. Überwachung der Ölqualität in Großindustriemotoren. In Zusammenhang mit Industrie 4.0 wird Geld für Standzeiten der Maschine gespart, sowie Abnutzung vermieden bei bedarfsgerechten Austausch des Schmiermittels, anstatt an vordefinierten Wartungsintervallen. Die verbesserten Scandium dotierten AlN Schichten wurden erfolgreich für ein solches System eingesetzt: Es konnte ein höheres Signalniveau gemessen werden, das eine höhere Auflösung bzw. einen weiteren Messbereich der Öl-Viskosität ermöglicht. Der zweite Anwendungsbereich ist Energy Harvesting bei dem kleine Leistungsmengen erzeugt werden für den Betrieb von drahtlosen Sensoren, beispielsweise aus Vibrationen, deren Energie im Allgemeinen ungenutzt bleibt und daher verschwendet wird. Energy Harvesting Systeme stellen daher eine nachhaltige Alternative zu Batterien dar. Mit verbesserten piezoelektrischen Schichten konnte eine Erhöhung der gewandelten Leistung gezeigt werden. Daher steigt der Anteil der Energie der in nützliche Elektrizität umgewandelt werden kann mit Scandium dotierten AlN Schichten. Zusätzlich wird AlN durch Dotierung konkurrenzfähig zu konventionellen piezoelektrischen Materialen, beispielswiese PZT eine Verbindung bestehend aus Blei, Zirkon, Titan und Sauerstoff. AlN beinhaltet keine Schwermetalle, ist biologisch verträglich und kompatibel mit vorhandenen Produktionsanlagen der Halbleiterindustrie alles Punkte die PZT nicht erfüllen kann. Während für Scandium dotiertes AlN am Projektbeginn nur der prinzipielle Effekt bekannt war konnte das Material erfolgreich in Systemen angewandt werden. Zusätzlich wurde am Einsatz von Alternativen zu Scandium geforscht, da es als seltene Erde nicht in großen Mengen abgebaut. Im nächsten Schritt wurde daher Yttrium und Chrom als mögliche Alternativen zu Scandium vorgestellt, die beide große Vorkommen aufweisen und daher auch günstiger verfügbar sind.