GigaSonic - Untersuchungen an hochfrequenten Dünnschichtschwingern für zukünftige Phased-Array-Sensoren

Für eine der nächsten Generationen an hochfrequenten Phased-Array-Ultraschallsensoren mit Frequenzen oberhalb von 100 MHz kommen nicht mehr die konventionellen PZT-Keramiken, sondern Aluminiumnitridkeramiken zum Einsatz. Aluminiumnitrid besitzt zwar einen zehnfach geringeren piezoelektrischen Koeffizienten, ist aber aufgrund seiner CMOS-Kompatibilität und dem bei höheren Frequenzen geringeren Verlustfaktor ein vielversprechender Werkstoff. Dazu wird die Keramik in einer Dicke von etwa 10 bis 20 µm auf einem Siliziumsubstrat beziehungsweise Aluminiumoxidsubstrat durch Magnetronsputtern hergestellt. Zur Erzielung guter piezoelektrischer Eigenschaften muss das Aluminiumnitrid eine bevorzugte Orientierung und geringe Porosität aufweisen. Dazu wurde das Herstellverfahren durch Variation der Abscheideparameter optimiert.

For the next generation of high-frequency Phased-Array ultrasonic sensors operating in the range above 100 MHz, conventional PZT ceramics are no longer applicable. In their place, aluminium nitride ceramics are used. While aluminium nitride has a x 10 times lower piezoelectric coefficient than PZT, its CMOS compatibility and lower loss factor at high frequencies, make it an attractive material. The ceramic is usually applied by magnetron sputtering at thicknesses from 10 to 20 µm on a silicon substrate or, less often, on an alumina substrate. To achieve the best piezoelectric performance, the aluminium nitride should have a preferred orientation structure with low porosity. To this end, the manufacturing processes are optimised by varying the relevant parameters.