Un método para producir una película policristalina de un compuesto metálico,

que se selecciona entre el grupo que está constituido por AlN y ZnO y compuestos metálicos con estructura de wurtzita, sobre un sustrato con inclinación media que no es cero del eje-c con relación a la normal a la superficie del sustrato, comprendiendo el sustrato una oblea portadora, y que tiene una superficie para crecimiento de cristales con eje-c inclinado con relación a la normal a la superficie del sustrato, el método comprende las etapas: i) una etapa de nucleación, que se realiza depositando cristalitas de dicho compuesto sobre el sustrato para nuclear, o para crear condiciones para la nucleación de, conos cristalinos con eje-c inclinado con relación a la normal a la superficie, en la que la etapa de nucleación se realiza en condiciones en las que los átomos de la pulverización catódica experimentan colisiones sustanciales en fase gaseosa que producen termalización y disposición aleatoria del flujo de deposición y ii) una etapa de crecimiento, que se realiza depositando átomos del compuesto metálico en las cristalitas para obtener dicha película policristalina, en la que la etapa de crecimiento se realiza en condiciones que reducen las colisiones en fase gaseosa, que provocan que el flujo de deposición en cualquier punto particular sobre el sustrato sea direccional

La presente invención se refiere a un método para producir una película policristalina de AlN o ZnO para resonadores piezoeléctricos de película delgada en modo de cizalla, tales como biosensores o sensores de presión, por ejemplo sensores de presión in vivo, especialmente para uso en medio líquido para mediciones de carga de masa y/o viscosidad y/o mediciones de presión.

Antecedentes

Los procesos de deposición para películas de AlN o ZnO delgadas muy texturadas (orientadas según el eje–c) han sido desarrollados recientemente por una serie de compañías para la fabricación de dispositivos electroacústicos de alta frecuencia, lo más particularmente resonadores, filtros de paso de banda, etc., que usan modos acústicos tanto de volumen longitudinal como de superficie. Un método preferido de deposición de película es la pulverización catódica reactiva porque se caracteriza por excelente uniformidad así como velocidades de deposición suficientemente altas. En la mayoría de los casos se desean películas muy orientadas según el eje–c para optimizar tanto el acoplamiento electromecánico kt como el valor de Q del dispositivo. El grado de orientación se cuantifica normalmente por el valor de la anchura total a la mitad del máximo (FWHM) de la curva de balanceo correspondiente al pico de difracción de rayos–X (0002) (DRX). Valores pequeños de FWHM indican cristalitas muy orientadas en las que el eje–c está casi normal a la superficie, lo que da como resultado un rendimiento mejorado del dispositivo dado que los dispositivos de este tipo utilizan normalmente el modo longitudinal excitado en espesor. Este último exhibe un acoplamiento electroacústico máximo cuando el eje–c es paralelo a la dirección de propagación de la onda y al mismo tiempo paralelo a la polarización (desplazamiento de partícula), es decir cuando el eje–c es normal a la superficie de la película. Un ejemplo típico de dispositivos de este tipo es el resonador de película delgada con onda acústica de volumen (FBAR).

Los sensores para gases basados en FBAR se fabrican fácilmente porque la pérdida en Q del modo longitudinal cuando el resonador está en contacto con un gas es suficientemente pequeña.

Sin embargo, cuando un FBAR de este tipo está en contacto con un líquido, Q disminuye más de un orden de magnitud debido a la pérdida acústica en el líquido. En tales casos es deseable utilizar el modo de cizalla excitado en espesor que exhibe pérdidas (bajas) aceptables en Q cuando se pone en contacto con un líquido. Las películas texturadas según el eje–c no son adecuadas para este tipo de resonador, porque el acoplamiento electromecánico del modo de cizalla es prácticamente cero para películas bien orientadas. En tales casos, el eje–c de las películas de AlN tiene que exhibir una inclinación media que no sea cero con relación a la superficie normal, lo que permitirá la excitación del modo cuasi–cizalla

[N.F. Foster, y col., IEEE Trans. on Sonic and Ultrasonics, Vol. SU–15, Nº 1, Enero 1968, pág. 28] en películas de este tipo y haciendo por lo tanto que estas últimas sean adecuadas para la fabricación de biosensores que funcionan en medios líquidos.

Wang y col. [patente de EE.UU. 4.719.383] han desarrollado un método para la deposición de películas de ZnO y AlN inclinadas de este tipo aplicando un campo eléctrico adicional que se piensa que fomenta el crecimiento de películas con el eje–c inclinado durante la deposición por pulverización catódica reactiva. Así, este método requiere una alteración específica de los aparatos de un sistema de pulverización catódica reactiva estándar. Además, el bombardeo iónico adicional de la película que se ha hecho crecer da como resultado tensiones muy compresoras que producen curvatura de la placa para películas más delgadas de 3 m según se ha reseñado por los autores.

También se han hecho intentos para depositar por pulverización catódica películas de ZnO con el eje–c inclinado colocando el sustrato en un ángulo de 90º con respecto al plano del blanco [M. Minakata y col., Japón. J. Appl. Phys. Vol. 12, 1973, pág. 474]. Sin embargo, este método adolece de escasa uniformidad funcional y de espesor.

El documento US3558351 describe un método de pulverización catódica en dos etapas para deposición de películas de ZnO orientadas según el eje–C. La primera etapa de nucleación tiene lugar en presencia de gas de hidrocarburo, y la segunda etapa (crecimiento) tiene lugar sin el gas de hidrocarburo pero con el sustrato inclinado con respecto al blanco.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a resonadores piezoeléctricos de película delgada en modo de cizalla y en particular a un método para producir la película piezoeléctrica delgada incluida en los mismos. El método comprende la deposición de películas piezoeléctricas delgadas con una inclinación media que no es cero del eje–c con relación a la normal a la película. La deposición se hace en un sistema de deposición por pulverización catódica reactiva de magnetrón estándar sin modificación alguna de los aparatos.

De la manera más general, el método consiste en un proceso de deposición en dos etapas en el caso en que la superficie sobre la que se ha de depositar la película piezoeléctrica carezca de una estructura cristalográfica adecuada o alternativamente de rugosidad. Normalmente esta superficie es la superficie de una película delgada conductora que sirve como electrodo de fondo en un dispositivo y película que, junto con una oblea portadora sobre la que se hace crecer comprende el sustrato para el crecimiento de la película. En casos en los que no se necesita un electrodo de fondo, la propia oblea portadora representa el sustrato. En la primera etapa (denominada etapa de nucleación) la deposición del material se hace en unas condiciones en las que los átomos que se someten a pulverización catódica experimentan colisiones sustanciales en fase gaseosa que producen termalización y disposición aleatoria del flujo de deposición. Así, se dice que el crecimiento de película va a estar limitado cinéticamente debido a la difusividad superficial limitada que se origina de la energía cinética relativamente baja de las especies que se condensan. Esto da como resultado una película con una textura relativamente baja, esto es, está constituida por pequeñas cristalitas que tienen una distribución cristalográfica relativamente amplia.

Durante la segunda etapa, que se usa para todas las realizaciones de la invención, el proceso de deposición se hace funcionar en condiciones que reducen significativamente las colisiones en fase gaseosa, lo que da origen a dos efectos. El primero es que el flujo de deposición en cualquier punto particular sobre un sustrato es direccional (o anisótropo) lo que surge de la asimetría en el flujo de deposición que emana de la pista circular y que se recibe en el punto bajo consideración. Evidentemente, esto no es válido para una pequeña zona de exclusión en el centro del sustrato. El segundo efecto es que las partículas de la pulverización catódica retienen la mayor parte de su energía original, que es del orden de la mitad de la energía de sublimación del material del blanco, y cuya energía es favorable para potenciar la difusión superficial y posteriormente el crecimiento del cristal. Este último transcurre ahora en condiciones de crecimiento competitivo en el que los planos cristalográficos que exhiben energías superficiales de enlace relativamente altas recibiendo también el mayor flujo, crecen más rápidamente. La película piezoeléctrica resultante tiene una textura inclinada definida variando la inclinación media del eje–c aproximadamente en el intervalo 28 a 32 grados sobre el sustrato excluyendo una pequeña zona de exclusión en el centro de esta última. La distribución del ángulo medio de inclinación sobre el sustrato tiene simetría circular.

En un método diferente, se puede omitir la primera etapa del proceso a condición de que la superficie del sustrato tenga propiedades que inhiban el crecimiento (002) normal a la superficie. Así, por ejemplo, puede ser una superficie que carezca de simetría hexagonal (suponiendo que la película piezoeléctrica tenga simetría de este tipo) o puede ser que la superficie tenga suficiente microrrugosidad que fomente a su vez un crecimiento cristalino preferido a lo largo de la dirección de flujo neto.

En uno y otro caso, la película resultante tiene una estructura... [Seguir leyendo]

1. Un método para producir una película policristalina de un compuesto metálico, que se selecciona entre el grupo que está constituido por AlN y ZnO y compuestos metálicos con estructura de wurtzita, sobre un sustrato con inclinación media que no es cero del eje–c con relación a la normal a la superficie del sustrato, comprendiendo el sustrato una oblea portadora, y que tiene una superficie para crecimiento de cristales con eje–c inclinado con relación a la normal a la superficie del sustrato,

el método comprende las etapas:

i) una etapa de nucleación, que se realiza depositando cristalitas de dicho compuesto sobre el sustrato para nuclear, o para crear condiciones para la nucleación de, conos cristalinos con eje–c inclinado con relación a la normal a la superficie, en la que la etapa de nucleación se realiza en condiciones en las que los átomos de la pulverización catódica experimentan colisiones sustanciales en fase gaseosa que producen termalización y disposición aleatoria del flujo de deposición y

ii) una etapa de crecimiento, que se realiza depositando átomos del compuesto metálico en las cristalitas para obtener dicha película policristalina, en la que la etapa de crecimiento se realiza en condiciones que reducen las colisiones en fase gaseosa, que provocan que el flujo de deposición en cualquier punto particular sobre el sustrato sea direccional.

2. El método según la reivindicación 1, en el que la etapa de crecimiento se realiza haciendo funcionar un sistema de deposición diseñado para pulverización catódica de átomos desde un blanco que comprende el metal del compuesto.

3. El método según la reivindicación 2, en el que dicha pulverización catódica se realiza en una atmósfera de mezcla de gases que comprende un gas inerte y nitrógeno u oxígeno, respectivamente, a una presión de proceso tal que el recorrido libre medio de los átomos de metal de la pulverización catódica es comparable o mayor que la distancia del blanco al sustrato.

4. El método según la reivindicación 3, en el que la geometría del sistema de deposición es tal que existe al menos un área arbitraria sobre el sustrato en la que la distribución del flujo de deposición es asimétrica con relación a la normal a la superficie de esa área.

5. El método según la reivindicación 1, en el que el compuesto metálico que tiene estructura de wurtzita se selecciona entre el grupo que está constituido por SnO, BN, BeO, AlBN, AlGaN.

6. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1–5, en el que el sustrato que tiene superficie para crecimiento de cristales con eje–c inclinado con relación a la normal a la superficie del sustrato se selecciona entre el grupo que está constituido por

a) un sustrato que tiene una estructura cristalina superficial que carece de simetría hexagonal, tal como molibdeno, aluminio, platino, tungsteno o tántalo.

b) un sustrato que tiene una estructura cristalina superficial similar a la de cualquier cara cristalina particular de AlN distinta de la cara–c.

c) un sustrato que tiene microrrugosidad superficial que no es cero.

d) un sustrato sobre el que se deposita una película policristalina muy delgada de menos de 200 nm de espesor y un grado relativamente bajo de textura,

e) un sustrato en el que se deposita una película policristalina muy delgada de menos de 200 nm de espesor y que tiene textura preferida que no es (002) con simetría circular, y

f) un sustrato en el que se deposita una película amorfa arbitraria pero muy delgada de menos de 200 nm de espesor y que tiene microrrugosidad superficial que no es cero.

7. El método según la reivindicación 6, en el que la película policristalina delgada en d) y e) es una película de AlN.

8. El método según la reivindicación 6, en el que la película policristalina delgada en d) y e) es una película de ZnO.

9. El método según la reivindicación 6, en el que la película policristalina delgada en d) y e) es una película de compuesto metálico con estructura de wurtzita.

10. El método según la reivindicación 6, en el que la película policristalina delgada en e) se deposita por medio de una

persiana con forma de espiral, cuya lama está inclinada bajo un ángulo específico hacia el centro de la oblea.

11. El método según la reivindicación 10, en el que la persiana se centra directamente sobre el sustrato y está en movimiento rotatorio relativo con el sustrato.

12. El método según la reivindicación 6, en el que la superficie con microrrugosidad que no es cero en c) se obtiene por ataque químico o pulido.

13. Un resonador piezoeléctrico de onda de cizalla que comprende una película policristalina de un compuesto metálico, que se selecciona entre el grupo que está constituido por AlN y ZnO y compuestos metálicos con estructura de wurtzita, producido por el método según una cualquiera de las reivindicaciones 1–12.

14. Un resonador piezoeléctrico de onda de cizalla según la reivindicación 13, que comprende al menos dos electrodos en las proximidades de la película para proporcionar medios de excitación.

15. Un resonador piezoeléctrico de onda de cizalla según la reivindicación 13 o la 14, para uso en medio líquido para mediciones de carga de masa y/o viscosidad y/o mediciones de presión.

16. Un resonador piezoeléctrico de onda de cizalla según la reivindicación 13 o la 14, para uso en un biosensor y/o sensor de presión.

17. Un resonador piezoeléctrico de onda de cizalla que comprende una película policristalina de un compuesto metálico con una inclinación media del eje–c que no es cero con relación a una normal a la superficie de un sustrato, estando producido el resonador por el método según una cualquiera de las reivindicaciones 1–12.

18. Un resonador piezoeléctrico de onda de cizalla según la reivindicación 17, en el que la película piezoeléctrica tiene una textura inclinada definida con la inclinación media del eje–c variando aproximadamente en el intervalo 10 a 50 grados sobre el sustrato.

19. Un resonador piezoeléctrico de onda de cizalla según la reivindicación 18, en el que la película piezoeléctrica tiene una textura inclinada definida con la inclinación media del eje–c variando aproximadamente en el intervalo 28 a 32 grados sobre el sustrato.

20. Un sensor de presión in vivo que comprende un resonador piezoeléctrico de onda de cizalla según la reivindicación 15 o la 16, o que se produce según cualquiera de las reivindicaciones 1–12.