Hochfrequente Dünnschicht-Phased-Array-Matrix-Sensoren

Ziel des Projektes "GigaSonic" sind grundlegende Untersuchungen für die Entwicklung einer Ultraschall Phased Array Technik mit Frequenzen von 100 MHz bis max. 1 GHz für die hochauflösende zerstörungsfreie Prüfung 3-dimensional integrierter mikrotechnischer Systeme. Schwerpunkt ist die Untersuchung und Bewertung piezoelektrischer Aluminiumnitridschichten für den Einsatz als aktives Sensormaterial in solchen Prüfsystemen.

In der Projektlaufzeit wurden zunächst der Beschichtungsprozess von Aluminiumnitridschichten von 10 µm bis 100 µm Dicke qualifiziert und hinsichtlich der piezoelektrischen Eigenschaften optimiert. Dafür wurde ein geeigneter Testaufbau konzipiert und ein Messplatz zur Bestimmung der Materialeigenschaften und des piezoelektrischen Schwingerverhaltens der Sensoren aufgebaut.

Es  wurden Teststrukturen mit verschiedenen Beschichtungsparametern auf Siliziumsubstraten hergestellt. Anschließend wurden akustische Messungen im Transmissions- und im Impuls-Echo-Betrieb durchgeführt und die elektrischen und elektromechanischen Eigenschaften bestimmt. Mit den Ergebnissen konnten zwei Parametersätze für die Beschichtung ermittelt werden, mit denen es möglich war Schichten mit einer sehr hohen piezoelektrischen Ladungskonstante von über 7 pC/N herzustellen. Für weiterführende Applikationen wurden auch unterschiedliche Substratmaterialien und der Einfluss einer Temperaturauslagerung untersucht.

Weiterhin wurde ein PSpice Modell zur eindimensionalen Simulation des zu erwartenden Prüfkopfverhaltens erstellt, dass eine Berücksichtigung aller real im Aufbau vorhandenen Schichten ermöglicht.