Realisierung von neuartigen, elektrisch steuerbaren Hochfrequenzkomponenten auf Basis keramischer Schichten durch elektrophoretische Abscheidung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde die Realisierung von steuerbaren HF-Kondensatoren auf Basis ferroelektrischer Schichten aus Ba0,6Sr0,4TiO3 (BST) durch elektrophoretische Abscheidung (EPD) aus Pulversuspensionen oder Gelsuspensionen untersucht. Die Kernziele dieser Arbeiten waren die Untersuchung der EPD hinsichtlich deren Eignung als neue Prozesstechnik für steuerbare HF-Bauteile unter Ausnutzung ihrer Möglichkeiten zur Generierung von 2½D-Strukturen und damit die gezielte Optimierung von HF-Bauteilen hinsichtlich sich teilweise ausschließender Anforderungen wie hohe Steuerbarkeit und niedriger dielektrischer Verlust bzw. hohe Güte. Die Optimierung der HF-Eigenschaften von steuerbaren HF-Komponenten, also Erhöhung der Bauteilgüte und -steuerbarkeit bis 10 GHz erfolgte durch die Realisierung von vertikalen Metal-Insulator-Metal (MIM)-Kondensatoren oder koplanaren Interdigitalkondensatoren (IDC). Dazu wurde eine Prozessroute zur Herstellung von vorstrukturierten BST Schichten durch Abscheidung in fotolithografisch gefertigte Lackkavitäten aus SU-8 entwickelt. Für die MIM-Technologie wurden Prozessketten und Materialsysteme entwickelt, um vorstrukturierte oder flächige Schichtedeposition zu erreichen. Um die MIM-Technologie mit niederohmigen Gold-Basiselektroden zu realisieren sind bei niedrigen Temperaturen sinternde BST- Schichten nötig. Dazu wurden reine Gel-Schichten, Pulver-Gel-Schichten („Hybride“) und Pulver-Glasbildner-Schichten (BCB (BaCuB2O3) Glasbildner) per EPD abgeschieden und untersucht. Die folgenden Ergebnisse wurden erreicht: Mittels Sol-EPD wurden durchgängige, polykristalline BST Dünnschichten mit Schichtdicken von bis zu 500 nm in einem Beschichtungsschritt hergestellt. Mischungen von BST und BCB (BaCuB2O3) können kontrolliert abgeschieden werden. Mit dem gut benetzenden Flüssigphasenbildner können sinternde BST-Dickschichten bereits bei Temperaturen von unter 1000 °C erzielt werden. Die Leistungsfähigkeit der BST-BCB Schichten sind vergleichbar mit reinen BST60-Dickschichten und erreichen bei bestimmten Sintertemperaturen und BCB-Anteilen sogar höhere Güten. Ein Optimum an BCB-Gehalt liegt bei ca. 1-2 mol% BCB. EPD und Sintern von BST-Dickschichten auf metallischen Opferelektroden wurde erfolgreich durchgeführt. Die elektrophoretische Abscheidung aus Pulversuspensionen in Kavitäten aus Photolack konnte erstmals erfolgreich demonstriert werden. Die untersuchte Technologie hat sich jedoch für die Realisierung von HF-Kondensatoren als teilweise ungeeignet erwiesen, da sich im Laufe des Projektes sehr viele nicht vorhersehbare technologische Probleme zur Abscheidung von Schichten herausgestellt haben. Die wichtigsten Probleme und Herausforderungen waren: Die Gelsuspensionen der Sol-EPD, waren nach dem Ende des thermisch induzierten Partikelwachstums (Alterung) zeitlich nicht stabil und führten zu nicht reproduzierbarem Abscheideverhalten. Hohe Porosität und Rauhigkeiten führten zu nicht bestimmbaren dielektrischen Eigenschaften der Dünnschichten. Bei der strukturierten 2½D-Abscheidung in Lackkavitäten und Opferelektroden tritt eine unerwartet starke Abhängigkeit der resultierenden Schichtdicke und -qualität von der Ausbildung des weitgehende statischen elektrischen Feldes während der EPD auf. Diese ist Abhängig von Oberflächendefekten, Kavitätsdichte und Kavitätsposition. Daher sind beide Verfahren nur sehr eingeschränkt zur Realisierung von HF- Schaltungen mit mehreren integrierten steuerbaren Komponenten geeignet. Aus den genannten Gründen konnte keine durchgehende Technologie zur Realisierung von HF-Bauteilen mit vielen integrierten Varaktoren entwickelt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Sols for inkjet-printing of tunable dielectric BST films”, ECerS Engineering Ceramics, 2011
K.F. Schumann, F. Paul, J.R. Binder, J. Haußelt
- “Impact of fluoride doping on the dielectric performance of BST”, International Symposium on Applications of Ferroelectrics, 2012
W. Menesklou, F. Paul, J. Binder, E. Ivers-Tiffée
- “Microwave sintering of Ba0.6Sr0.4TiO3 thick films”, International Symposium on Integrated Functionalities, 2012
F. Paul, W. Menesklou, J. Binder, E. Ivers-Tiffée
- “Sols for Inkjet-printing of tunable dielectric Barium-Strontium-Titanate films”, E-MRS Fall Meeting, 2012
K.F. Schumann, F. Paul, J. Binder, T. Hanemann
- „Darstellung steuerbarer dielektrischer Barium-Strontium-Titanat-Schichten mittels Tintenstrahldruck“, DKG-Jahrestagung 2012, DKG-/DGM Symposium Hochleistungskeramik, 2012
K.F. Schumann, F. Paul, J.R. Binder, J. Haußelt
- „Properties of Ba0.6Sr0.4TiO3 based Coplanar and MIM Varactors“, E-MRS Fall Meeting, 2012
H.C. Elsenheimer, F. Paul, M. Sazegar, M. Pfützner, F. Stemme, J.R. Binder, R. Jakoby, T. Hanemann
- „Phasedarray-Antennen mit integrierten Phasenschiebern auf ferroelektrischen Dickschichten“, Dissertation, TU Darmstadt, Shaker 2013
M. Sazegar
