Synthese neuartiger Single-Source-Precursoren für die Abscheidung piezoelektrischer Bleizirkonattitanat(PZT)-Schichten mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD)

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Sensors auf Basis einer piezokeramischen Bleizirkonattitanat (PZT, Pb(ZrxTi1-x)O3)-Schicht, abgeschieden im CVD (Chemical Vapour Deposition)-Verfahren. Ausgehend von Salzen der beteiligten Metallatome konnten gezielt bi- und trimetallische Moleküle, so genannte Single-Source-Precursoren synthetisiert werden, so dass es möglich war, erstmals PZT-Schichten mit einem einzigen Precursor abzuscheiden. Die als Flüssigkeit vorliegenden Precursoren wurden in einer hierfür entwickelten CVD-Anlage in die Gasphase überführt und bei Temperaturen um 400 °C auf mit Elektroden bedampften Siliziumsubstraten abgeschieden. Mit Hilfe von berechneten Strömungs­simulationen konnte der Abscheideprozess visualisiert und optimiert werden. Die nach der chemischen Gasphasenabscheidung amorph vorliegenden Schichten wurden thermisch in die Perowskitphase überführt. Die hierbei auftretenden thermischen Spannungen konnten durch Vorbehandlung der Substrate erfolgreich reduziert werden. Die PZT-Schichten wurden nach der Wärmebehandlung photolitographisch strukturiert und mit einer Gegen­elektrode versehen. Pro Abscheidung konnten so bis zu 64 Sensorvorstufen erzeugt werden. Diese wurden elektrisch charakterisiert, polarisiert und in einer akustischen Linse betrieben.

This thesis is focused on the processing of a sensor based upon a lead-zirconate-titanate (PZT)-film, deposited in a CVD (Chemical Vapour Deposition)-process. Based on salts of the involved metal-species, it was possible to synthesize bi- and trimetallic molecules, known as Single-Source-Precursors. With the aid of these liquid chemical compounds, it was possible to achieve PZT-films by a single precursor for the first time. In a newly developed CVD-reactor, the precursor was evaporated and deposited at temperatures around 400 °C on electrode-coated silicon-substrates. By means of computational fluid simulations (CFD) the reactor design and the deposition process was visualized and optimized. After deposition, the films were amorphous. To achieve the desired perovskite-phase, they were thermally treated at temperatures above 550 °C. Thermal stress caused by the heat treatment was reduced by a pre-treatment of the substrates. Finally, the PZT-films were structured by photolithography and coated with a counter-electrode. Thus, it was possible to achieve up to 64 preliminary sensors per deposition. They were electrically characterized, polarized and driven in an acoustic lens.