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DE102016225671A1 - Piezoelectric stack actuator and method of making the same - Google Patents

Piezoelectric stack actuator and method of making the same Download PDF

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DE102016225671A1
DE102016225671A1 DE102016225671.8A DE102016225671A DE102016225671A1 DE 102016225671 A1 DE102016225671 A1 DE 102016225671A1 DE 102016225671 A DE102016225671 A DE 102016225671A DE 102016225671 A1 DE102016225671 A1 DE 102016225671A1
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DE
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piezoelectric layer
piezoelectric
layer
conductive electrode
columnar
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Application number
DE102016225671.8A
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Inventor
Hans Joachim Quenzer
Dirk Kaden
Kai ORTNER
Ralf Bandorf
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

Ein Verfahren (100) zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators (200), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (110) einer piezoelektrischen Schicht (202), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) Zwischenräume (206) mit Kanälen (206a) und Gräben (206b) zwischen benachbarten Säulen (204) in der piezoelektrischen Schicht (202) ausgebildet sind; Einbringen (120) einer leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in die piezoelektrische Schicht (202), wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur (208) ausgehend von dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in Kanäle (206a) der piezoelektrischen Schicht (202) erstreckt; Einbringen (130) eines Isolationsmaterials (210) in Zwischenräume (206) in der piezoelektrischen Schicht (202), um benachbarte Säulen (204) zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln; und Anordnen (140) einer Metallisierungsstruktur (212) an dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur (208).A method (100) of manufacturing a piezoelectric stack actuator (200), comprising the steps of: providing (110) a piezoelectric layer (202) having a columnar layer structure, due to the columnar layer structure starting from a surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) spaces (206) are formed with channels (206a) and trenches (206b) between adjacent columns (204) in the piezoelectric layer (202); Introducing (120) a conductive electrode structure (208) into the piezoelectric layer (202), the conductive electrode structure (208) starting from the surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) into channels (206a) of the piezoelectric layer (202) extends; Inserting (130) an insulating material (210) into spaces (206) in the piezoelectric layer (202) to mechanically couple adjacent columns (204) at least in regions; and arranging (140) a metallization structure (212) on the surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) in electrical contact with the conductive electrode structure (208).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Stapelaktuatoren und auf ein Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf viellagige, laterale, piezoelektrische Stapelaktuatoren und auf ein Verfahren zu deren Herstellung.The present invention relates to piezoelectric stack actuators and to a process for their preparation. In particular, the present invention relates to multilayer, lateral, piezoelectric stack actuators and to a method for their production.

Piezoelektrische Keramikmaterialien erlauben den Aufbau von schnellen Aktuatoren, die große Kräfte liefern können. Ein sehr gebräuchliches Material mit großen piezoelektrischen Koeffizienten ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Allerdings sind einfache piezoelektrische Aktuatoren trotz hoher Antriebsspannungen von bis zu einigen 100 V auf geringe Auslenkungswege (Stellwege oder Hübe) beschränkt. Größere Auslenkungen lassen sich beispielsweise nur durch eine mechanische Kraft-Weg-Umsetzung oder aber durch eine Reihenschaltung einer großen Anzahl von einzelnen piezoelektrischen Aktuatoren in einem Stapel erreichen. Dazu werden eine Vielzahl von Lagen eines piezoelektrisch aktiven Materials und die jeweils zugehörigen Elektroden „aufeinander“ gestapelt, so dass sich die einzelnen Auslenkungen jeder Einheit bei deren Aktivierung addieren.Piezoelectric ceramic materials allow the construction of fast actuators that can deliver great forces. A very common material with large piezoelectric coefficients is lead zirconate titanate (PZT). However, simple piezoelectric actuators, despite high drive voltages of up to a few 100 V, are limited to small displacement paths (travel paths or strokes). Larger deflections can be achieved, for example, only by a mechanical force-displacement conversion or by a series connection of a large number of individual piezoelectric actuators in a stack. For this purpose, a multiplicity of layers of a piezoelectrically active material and the respective associated electrodes are stacked on top of each other so that the individual deflections of each unit add up when they are activated.

Während mit keramischen Verfahren hergestellte „makroskopische“ Stapelaktuatoren mit bis zu 200 Einzellagen, etwa für den Antrieb von schnellen Einspritzventilen in Dieselmotoren, bereits in der Praxis Anwendung finden, sind Stapelaktuatoren in der Mikrotechnik, d.h. Mikroaktuaktoren, bisher noch nicht im praktischen Einsatz. Als unter die Mikrotechnik fallende Herstellungsverfahren sind Verfahren zur Herstellung von Körpern und geometrischen Strukturen mit Dimensionen im Mikrometerbereich (0,1 - 1000 µm) zu berücksichtigen.While ceramic "macroscopic" stack actuators with up to 200 individual layers, such as for driving fast injectors in diesel engines, are already being used in practice, stack actuators are well known in the art of microtechnology. Microactuators, not yet in practical use. Processes for the production of bodies and geometric structures with dimensions in the micrometer range (0.1-1000 μm) are to be taken into consideration as manufacturing processes falling under the microtechnology.

Die Herstellung einer Mehrzahl gestapelter Lagen piezoelektrischen Materials in Dünnschichttechnik ist mit großen technologischen Hürden verbunden. So ist eine hohe Anzahl an Lithographie- und Strukturierungsschritten für das piezoelektrische Material und dessen Elektroden notwendig. Zudem erfordert die Herstellung in Dünnschichttechnik relativ hohe Prozesstemperaturen, die häufig zu Ablösungen am Piezomaterial-Elektroden-Verbund führen. Daher sind bisher in Dünnschichttechnik hergestellte Stapelaktuatoren in der Praxis nicht bzw. nur mit sehr wenigen Einzellagen verfügbar, da ein sehr hoher Herstellungsaufwand für entsprechende Dünnschicht-Stapelaktuatoren vorliegt, wobei Dünnschicht-Stapelaktuatoren mit mehr Einzellagen nicht zuverlässig realisiert werden können.The production of a plurality of stacked layers of piezoelectric material in thin-film technology is associated with major technological hurdles. Thus, a high number of lithography and structuring steps for the piezoelectric material and its electrodes is necessary. In addition, the production in thin-film technology requires relatively high process temperatures, which often lead to detachment at the piezomaterial-electrode composite. Therefore, previously produced in thin-film stack actuators are not available in practice or only with very few individual layers, since a very high production cost for corresponding thin-film stack actuators is present, with thin-layer stack actuators can not be reliably realized with more individual layers.

Hinsichtlich der Realisierung von piezoelektrischen Mikroaktuaktoren stellt sich also im Bereich der Dünnschichttechnologie folgende Situation dar: Piezoelektrische Mikroaktuatoren werden fast ausschließlich als Einzellagen piezoelektrischer Materialien für den Aufbau piezoelektrischer Biegewandler verwendet. In einer solchen Anordnung als piezoelektrische Biegewandler können die geringen lateralen Dehnungen der aktiven piezoelektrischen Schicht in eine Biegung überführt werden, wodurch an der Spitze des Aktuators eine deutlich vergrößerte Auslenkung erzielt werden kann. Allerdings geht diese Ausgestaltung zu Lasten der erzeugbaren Kräfte und der erreichbaren Antriebsgeschwindigkeiten. Werden hingegen große Auslenkungen (Hübe) und auch große Kräfte, d.h. eine große Kraftbereitstellung, verlangt, ist dies nur durch eine drastische Erhöhung der Dicke des piezoelektrischen Schichtmaterials möglich. Da die Dehnung der piezoelektrischen Schicht jedoch von der antreibenden, angelegten elektrischen Feldstärke abhängig ist, führt die Erhöhung der Schichtdicke gleichermaßen zu einer Erhöhung der notwendigen Antriebs- bzw. Arbeitsspannungen bis zu einigen 100 V. Solche Arbeitsspannungen können aber bei vielen praktischen Anwendungen der Mikrosystemtechnik nicht bereitgestellt und damit auch nicht toleriert werden.With regard to the realization of piezoelectric microactuators, the following situation thus arises in the field of thin-film technology: Piezoelectric microactuators are used almost exclusively as individual layers of piezoelectric materials for the construction of piezoelectric bending transducers. In such an arrangement as a piezoelectric bending transducer, the small lateral strains of the active piezoelectric layer can be converted into a bend, whereby a significantly increased deflection can be achieved at the tip of the actuator. However, this embodiment is at the expense of the forces that can be generated and the achievable drive speeds. On the other hand, if large deflections (strokes) and also large forces, i. requires a large power supply, this is only possible by drastically increasing the thickness of the piezoelectric layer material. However, since the elongation of the piezoelectric layer is dependent on the driving, applied electric field strength, increasing the layer thickness equally leads to an increase of the necessary drive or working voltages up to a few 100 V. However, such working voltages can not be achieved in many practical applications of microsystem technology provided and therefore not be tolerated.

Der Realisierung viellagiger Stapelaktuatoren stehen somit bislang eine ganze Reihe gravierender technologischer Probleme gegenüber. So führen die nötigen Prozesstemperaturen von 600°C - 700°C zu unerwünschten Reaktionen des PZT-Materials mit den bereits hergestellten Metallelektroden und letztlich zu einer schlechten Anhaftung dieser Metallelektroden am PZT-Material. Weiterhin bedeutet jede weitere Schichtebene aber auch zusätzliche Prozessschritte in Form von Lithographie- und Ätzschritten für deren Strukturierung, die den Herstellungsaufwand und damit die Herstellungskosten weiter kontinuierlich erhöhen. Aufgrund dieser Probleme haben solche Multilayer-Dünnfilmaktuatoren in der praktischen Realisierung noch keinen Einzug gefunden, wobei eine Realisierung von Multilayer-Dünnfilmaktuatoren bisher auf maximal fünf Einzelschichten mit einer Gesamtdicke von 5 µm beschränkt ist (siehe auch [1] und [6]).Thus, the realization of multi-layer stack actuators has been confronted with a whole series of serious technological problems. Thus, the necessary process temperatures of 600 ° C - 700 ° C lead to undesirable reactions of the PZT material with the metal electrodes already prepared and ultimately to a poor adhesion of these metal electrodes on the PZT material. Furthermore, each additional layer plane also means additional process steps in the form of lithographic and etching steps for their structuring, which further increase the production costs and thus the production costs. Because of these problems, multilayer thin-film actuators of this kind have not yet found their way into practical implementation, with realization of multilayer thin film actuators hitherto restricted to a maximum of five individual layers with a total thickness of 5 μm (see also [1] and [6]).

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, verbesserte piezoelektrische Aktuatoren als auch ein verbessertes Herstellungsverfahren für piezoelektrische Aktuatoren zu schaffen.Starting from this prior art, the object underlying the present invention is to provide improved piezoelectric actuators as well as an improved manufacturing method for piezoelectric actuators.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert. This object is solved by the independent claims. Inventive developments are defined in the dependent claims.

Ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators umfasst folgende Schritte: Bereitstellen einer piezoelektrischen Schicht, die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht Zwischenräume mit Kanälen und Gräben zwischen benachbarten Säulen in der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind; Einbringen einer leitfähigen Elektrodenstruktur in die piezoelektrische Schicht, wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur ausgehend von dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in Kanäle der piezoelektrischen Schicht erstreckt; Einbringen eines Isolationsmaterials in Zwischenräume in der piezoelektrischen Schicht, um benachbarte Säulen zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln; und Anordnen einer Metallisierungsstruktur an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur.A method for producing a piezoelectric stack actuator comprises the steps of: providing a piezoelectric layer having a columnar layer structure, wherein due to the columnar layer structure, spaces having channels and trenches are formed between adjacent columns in the piezoelectric layer from a surface portion of the piezoelectric layer; Introducing a conductive electrode structure into the piezoelectric layer, the conductive electrode structure extending from the surface region of the piezoelectric layer into channels of the piezoelectric layer; Introducing an insulating material into intermediate spaces in the piezoelectric layer in order to at least partially mechanically couple adjacent columns to one another; and placing a metallization structure on the surface region of the piezoelectric layer in electrical contact with the conductive electrode structure.

Ein piezoelektrischer Stapelaktuator umfasst eine piezoelektrische Schicht, die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht Zwischenräume mit Kanälen und Gräben zwischen benachbarten Säulen in der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind; eine leitfähige Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht, wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur ausgehend von dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht vertikal in eine Mehrzahl der Kanäle der piezoelektrischen Schicht erstreckt; ein Isolationsmaterial zumindest bereichsweise in verbleibenden Zwischenräumen in der piezoelektrischen Schicht, um benachbarte Säulen zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln/zu verbinden; und eine Metallisierungsstruktur an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht.A piezoelectric stack actuator includes a piezoelectric layer having a columnar layer structure, and due to the columnar layer structure, spaces having channels and trenches are formed between adjacent columns in the piezoelectric layer from a surface portion of the piezoelectric layer; a conductive electrode structure in the piezoelectric layer, the conductive electrode structure extending vertically from the surface portion of the piezoelectric layer into a plurality of the channels of the piezoelectric layer; an insulation material at least partially in remaining interstices in the piezoelectric layer in order to at least partially mechanically couple / connect adjacent columns with one another; and a metallization structure on the surface region of the piezoelectric layer in electrical contact with the conductive electrode structure in the piezoelectric layer.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, anstelle eines vertikalen Schichtaufbaus, bei dem viele Lagen piezoelektrischen Materials übereinander bzw. aufeinander geschichtet werden/sind, einen lateralen Aufbau eines piezoelektrischen Stapelaktuators zu realisieren, bei dem viele Lagen, z.B. in einem Substrat, nebeneinander angeordnet werden/sind. Dabei ist die Vielzahl dünner, lateral nebeneinander angeordneter Streifen (Lagen) mechanisch bzw. kraftschlüssig miteinander verbunden. Dazu wird die ausgeprägt kolumnare (säulenförmige) Struktur von piezoelektrischen, dicken PZT-Schichten für eine vertikale Strukturierung sowohl der piezoelektrischen Schichtelemente als auch der erforderlichen (elektrisch) leitfähigen Elektroden verwendet, wobei bei der Integration der notwendigen Elektroden und bei der mikrotechnischen „lateralen“ Strukturierung der (dazwischen liegenden) schmalen Streifen aus piezoelektrischem Material die mechanische Verbindung (Kraftschlüssigkeit) des gesamten Materialverbundes beibehalten werden kann. Die kolumnare Struktur von piezoelektrischen Schichten, die beispielsweise mit einem Gasflusssputter-Prozess hergestellt werden, ist i.A. auch ausgeprägt anisotrop ausgebildet. Die vertikale Strukturierung sowohl der piezoelektrischen Schichtelemente als auch der erforderlichen (elektrisch) leitfähigen Elektroden kann also senkrecht zur lateralen Anordnung unter Beibehaltung der mechanische Verbindung des gesamten Materialverbundes erfolgen, um die lateral abwechselnde Anordnung der leitfähigen Elektroden und der piezoelektrischen Schichtelemente zu erhalten.The core idea of the present invention is, instead of a vertical layer structure in which many layers of piezoelectric material are stacked on top of each other, to realize a lateral construction of a piezoelectric stack actuator in which many layers, e.g. in a substrate, are arranged side by side. In this case, the plurality of thin, laterally juxtaposed strips (layers) are mechanically or non-positively connected to each other. For this purpose, the pronounced columnar (columnar) structure of piezoelectric, thick PZT layers is used for vertical structuring of both the piezoelectric layer elements and the required (electrically) conductive electrodes, wherein in the integration of the necessary electrodes and in the microtechnical "lateral" structuring the (intermediate) narrow strip of piezoelectric material, the mechanical connection (positive engagement) of the entire composite material can be maintained. The columnar structure of piezoelectric layers made by, for example, a gas flow sputtering process is i.A. also pronounced anisotropic. The vertical structuring of both the piezoelectric layer elements and the required (electrically) conductive electrodes can therefore be perpendicular to the lateral arrangement while maintaining the mechanical connection of the entire composite material to obtain the laterally alternating arrangement of the conductive electrodes and the piezoelectric layer elements.

Bei der Herstellung der lateral abwechselnden Anordnung werden also Strukturen, wie Metallelektroden, ein mechanisches Verbindungsmaterial, etc., beispielsweise jeweils in einzelnen Herstellungsschritten vertikal zu dem Oberflächenbereich in das piezoelektrische Material eingebracht.In the production of the laterally alternating arrangement, therefore, structures such as metal electrodes, a mechanical bonding material, etc., for example, in each case in individual manufacturing steps are introduced vertically into the piezoelectric material to the surface area.

Bei dem Herstellungsverfahren kann beispielsweise eine einzige (zusammenhängende) relativ dicke (z.B. 5 - 50 µm oder 5 - 35 µm dicke) piezoelektrische Schicht (z.B. eine PZT-Schicht), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, bereitgestellt werden. Die säulenförmige Schichtstruktur weist ausgehend von einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht Zwischenräume (Poren) mit (breiten) Kanälen und (schmalen) Gräben zwischen benachbarten Säulen in der piezoelektrischen Schicht auf. Eine leitfähige Elektrodenstruktur wird in die säulenförmige Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht eingebracht, indem beispielsweise ein (bei einer relativ niedrigen Temperatur < 350 °C) verflüssigbares Metallmaterial bzw. Metalllegierungsmaterial, wie etwa Gallium oder Indium, periodisch in die piezoelektrische Schicht eingebracht wird. Die Infiltration kann vertikal zum Oberflächenbereich, d.h. senkrecht zur lateralen Erstreckung der piezoelektrischen Schicht, erfolgen. Mit dem Begriff „flüssige oder verflüssigbares Metalle“ sind bei niedrigen Temperaturen verflüssigbare Metalle, Metalllegierungen oder Lote gemeint.In the manufacturing method, for example, a single (continuous) relatively thick (e.g., 5 - 50 μm or 5 - 35 μm thick) piezoelectric layer (e.g., a PZT layer) having a columnar layer structure may be provided. The columnar layer structure has spaces (pores) with (wide) channels and (narrow) trenches between adjacent columns in the piezoelectric layer starting from a surface area of the piezoelectric layer. A conductive electrode structure is introduced into the columnar layer structure of the piezoelectric layer by periodically introducing a (at a relatively low temperature <350 ° C) liquefiable metal material such as gallium or indium into the piezoelectric layer. The infiltration can be vertical to the surface area, i. perpendicular to the lateral extent of the piezoelectric layer, take place. By the term "liquid or liquefiable metals" is meant at low temperatures liquefiable metals, metal alloys or solders.

Das Einbringen bzw. Infiltrieren des verflüssigten Metallmaterials kann unter erhöhtem Druck derart erfolgen, dass das verflüssigte Metallmaterial nur entlang der vertikalen Zwischenräume in (vorgegebene) Bereiche der PZT-Schicht eingebracht bzw. infiltriert wird. The introduction or infiltration of the liquefied metal material can take place under elevated pressure such that the liquefied metal material is introduced or infiltrated into (predetermined) regions of the PZT layer only along the vertical interspaces.

Die mit dem Metallmaterial zu versehenden Bereiche können beispielweise mittels einer entsprechenden Maskierung auf dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht definiert werden, d.h. diese Bereiche sind freiliegend und von dem Maskierungsmaterial nicht bedeckt. Durch eine geeignete bzw. ausreichende Druckeinstellung auf das verflüssigte Metallmaterial kann das Eindringen des flüssigen (verflüssigten) Metallmaterials auf die (relativ großen) vertikal verlaufenden Kanäle bzw. Poren, die beispielsweise einen Durchmesser zwischen 20 und 30 nm aufweisen, zwischen den Säulen der piezoelektrischen Schicht beschränkt werden. Die Elektroden sind z.B. die vertikalen Metallisierungen in der säulenförmigen Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht nach einer Verfestigung bzw. Abkühlung des Metallmaterials.The areas to be provided with the metal material may be defined, for example, by means of a corresponding masking on the surface area of the piezoelectric layer, i. these areas are exposed and not covered by the masking material. By appropriate pressure adjustment on the liquefied metal material, penetration of the liquid (liquefied) metal material onto the (relatively large) vertical channels or pores, for example having a diameter between 20 and 30 nm, can occur between the pillars of the piezoelectric layer be limited. The electrodes are e.g. the vertical metallizations in the columnar layer structure of the piezoelectric layer after solidification or cooling of the metal material.

Anschließend können die piezoelektrisch „aktiven“ Bereiche zwischen den Elektroden durch eine zusätzliche isolierende Beschichtung infiltriert, miteinander verklebt und damit mechanisch kraftschlüssig aneinander gekoppelt werden. Die zusätzliche isolierende Beschichtung kann beispielsweise mittels eines sogenannten „ALD-Prozesses“ (ALD = Atomic Layer Deposition = Atomlagenabscheidung) eingebracht werden, wobei als ein isolierendes Material für die Beschichtung neben anderen Materialien beispielsweise TiO2 verwendet werden kann.Subsequently, the piezoelectrically "active" areas between the electrodes can be infiltrated by an additional insulating coating, glued together and thus mechanically coupled to each other non-positively. The additional insulating coating (ALD Atomic layer deposition = ALD) can be introduced, for example by means of a so-called "ALD process", wherein as an insulating material can be used for the coating, among other materials, for example, TiO 2.

Nachfolgend kann beispielsweise das aufgebrachte Isolationsmaterial, d.h. die ALD-Schicht, in dem Bereich der bis an die Oberfläche reichenden Metallelektroden entfernt werden, um die Metallelektroden zumindest an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht freizulegen. Die Entfernung des Isolationsmaterials kann beispielweise ausgehend von dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht (z.B. schichtweise bzw. parallel zum Oberflächenbereich) in die säulenförmige Schichtstruktur hinein erfolgen. Die Freilegung kann beispielsweise mittels Plasmaätzen erfolgen. Daraufhin kann lokal eine weitere oberflächliche Metallstruktur (Metallisierungsstruktur) an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in elektrischen Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht vorgesehen werden und beispielsweise zu einer Interdigitalstruktur verschaltet werden.Hereinafter, for example, the applied insulating material, i. the ALD layer, in the region of the metal electrodes reaching to the surface, are removed to expose the metal electrodes at least at the surface area of the piezoelectric layer. The removal of the insulating material may take place, for example, starting from the surface region of the piezoelectric layer (for example, in layers or parallel to the surface region) into the columnar layer structure. The exposure can be done for example by means of plasma etching. Thereupon, a further superficial metal structure (metallization structure) may be locally provided on the surface region of the piezoelectric layer in electrical contact with the conductive electrode structure in the piezoelectric layer and interconnected, for example, to form an interdigital structure.

Eine elektrische Ansteuerung des gesamten Stapels, d.h. dem piezoelektrischen Stapelaktuator, kann schließlich mit einer relativ niedrigen Steuerspannung (z.B. in einem Bereich von 10 V oder von 5 - 15 V etc.) über die hergestellte Interdigitalstruktur erfolgen. Einerseits kann die durch eine elektrische Ansteuerung entstehende Auslenkung (Dehnung) des piezoelektrischen Stapels nun beispielsweise „direkt“ genutzt werden, wenn die piezoelektrische Schicht freigestellt bzw. freistehend ist, d.h. von einem Substrat mechanisch entkoppelt ist. Anderseits kann durch die piezoelektrische Schicht, d.h. den piezoelektrischen Stapelaktuator, in einer sogenannten „Bimorph-Anordnung“ eine starke Verbiegung generiert werden. Bei einer sogenannten „Bimorph-Anordnung“ ist der piezoelektrische Stapel lateral an einem Biegebalken (Cantilever) oder einer auslenkbaren Membran angeordnet, so dass eine elektrische Aktivierung des piezoelektrischen Stapelaktuators als Aktuatorbewegung eine Auslenkung des Biegebalkens oder der Membran bewirkt.An electrical drive of the entire stack, i. the piezoelectric stack actuator may eventually be made with a relatively low control voltage (e.g., in a range of 10V or 5 - 15V, etc.) across the fabricated interdigital structure. On the one hand, the deflection (expansion) of the piezoelectric stack resulting from an electric drive can now be used, for example, "directly" if the piezoelectric layer is free-standing, ie. is mechanically decoupled from a substrate. On the other hand, the piezoelectric layer, i. the piezoelectric Stapelaktuator, in a so-called "bimorph arrangement" a strong bending are generated. In a so-called "bimorph arrangement", the piezoelectric stack is arranged laterally on a bending beam (cantilever) or a deflectable membrane, so that an electrical activation of the piezoelectric stack actuator as actuator movement causes a deflection of the bending beam or the membrane.

Das erfindungsgemäße Konzept eines piezoelektrischen Stapelaktuators und dessen Herstellungsverfahren basiert also auf einer piezoelektrischen Schicht mit einer säulenförmigen Schichtstruktur und einer darin angeordneten Elektroden- bzw. Metallisierungsstruktur sowie eines darin angeordneten Isolationsmaterials. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschreibt somit die Realisierung der Integration von Metallelektroden vertikal zu einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht, d.h. in einer zusätzlichen dritten Dimension (3D-Integration), zur Kontaktierung eines piezoelektrischen Materials. Während in der Mikrosystemtechnik die Elektroden in piezoelektrischen Bauelementen bislang auf eine planare Anordnung beschränkt waren, so wird entsprechend dem vorliegenden Konzept nun eine Implementierung auch in die dritte Dimension, d.h., in das piezoelektrische Material hinein, umgesetzt. In der Kombination mit dicken, kolumnaren (säulenförmigen) piezoelektrischen Schichten kann durch die Herstellung von lateralen Stapelaktuatoren eine Vervielfachung des piezoelektrischen Effekts in mikromechanischen Bauelementen erreicht werden. Im Unterschied zu einem vertikalen Dünnschicht-Stapelaktuator kann mit relativ wenigen Prozessschritten im lateralen Stapelaktuator, d.h. in der lateral angeordneten piezoelektrischen Schicht, eine große Zahl von „Lagen“, z.B. in der Größenordnung von 100 Lagen, in Form der Elektroden- bzw. Metallisierungsstrukturen innerhalb der piezoelektrischen Schicht erzeugt werden. Obwohl jede einzelne Lage durch die Steuerung mit einer signifikanten niedrigen Spannung, z.B. im Bereich von 10 V, nur eine relativ geringe „einzelne“ Dehnung (Auslenkung) erzeugt, wird das Gesamtsystem, d.h. der gesamte laterale, piezoelektrische Stapelaktuator, über die große Anzahl von Einzelelementen, die durch die Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht definiert werden, extrem stark gedehnt.The inventive concept of a piezoelectric stack actuator and its production method is thus based on a piezoelectric layer having a columnar layer structure and an electrode or metallization structure arranged therein and an insulation material arranged therein. The manufacturing method according to the invention thus describes the realization of the integration of metal electrodes vertically to a surface area of the piezoelectric layer, i. in an additional third dimension (3D integration), for contacting a piezoelectric material. While in microsystem technology the electrodes in piezoelectric devices have heretofore been limited to a planar arrangement, according to the present concept an implementation is now also implemented in the third dimension, i.e. into the piezoelectric material. In combination with thick, columnar (columnar) piezoelectric layers, the production of lateral stack actuators can achieve a multiplication of the piezoelectric effect in micromechanical components. Unlike a vertical thin-film stack actuator, with relatively few process steps in the lateral stack actuator, i. in the laterally arranged piezoelectric layer, a large number of "layers", e.g. in the order of 100 layers, in the form of the electrode or Metallisierungsstrukturen be generated within the piezoelectric layer. Although each individual layer is controlled by the controller at a significant low voltage, e.g. in the range of 10V, producing only a relatively small "single" strain (deflection), the overall system, i. the entire lateral piezoelectric stack actuator is extremely stretched over the large number of discrete elements defined by the electrode structure in the piezoelectric layer.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1A-F ein prinzipielles Block- bzw. Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine Prinzipdarstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 3A eine Querschnittsdarstellung (Bruch) einer beispielhaften piezoelektrischen Schicht mit einer säulenförmigen Schichtstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 3B eine Draufsicht auf eine beispielhafte (schräg angeschliffene) piezoelektrische Schicht mit einer säulenförmigen Schichtstruktur mit interkolumnaren Poren gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
  • 3C eine beispielhafte Darstellung der Porengrößenverteilung sowie des kumulativen Porenvolumens in Abhängigkeit vom Porendurchmesser (Pore = Zwischenraum).
Preferred embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1A-F a schematic block or flow chart of the method for producing a piezoelectric stack actuator according to an embodiment;
  • 2 a schematic diagram of a piezoelectric stack actuator according to an embodiment;
  • 3A a cross-sectional view (fracture) of an exemplary piezoelectric layer having a columnar layer structure according to an embodiment;
  • 3B a plan view of an exemplary (obliquely ground) piezoelectric layer having a columnar layer structure with inter-columnar pores according to an embodiment; and
  • 3C an exemplary representation of the pore size distribution and the cumulative pore volume as a function of the pore diameter (pore = gap).

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators sowie der Aufbau eines Stapelaktuators selbst im Detail anhand der Zeichnungen und Figuren näher beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before embodiments of the method for producing a piezoelectric Stapelaktuators and the construction of a Stapelaktuators themselves are described in detail with reference to the drawings and figures, it is noted that identical, functionally identical or equivalent elements, objects, functional blocks and / or method steps in the different figures are provided with the same reference numerals, so that the description of these elements, objects, functional blocks and / or method steps shown in different embodiments is interchangeable or can be applied to each other.

In der folgenden Beschreibung werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele im Detail erörtert, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, dass die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele viele anwendbare Konzepte liefern, die bei einer Vielzahl von lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren und den entsprechenden Herstellungsverfahren derselben umgesetzt bzw. implementiert werden können. Die nachfolgenden erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele stellen lediglich unterschiedliche spezifische Möglichkeiten dar, das vorliegende Konzept für laterale piezoelektrische Stapelaktuatoren und deren Herstellungsverfahren durchzuführen und zu verwenden.In the following description, different embodiments will be discussed in detail, however, it should be understood that the various embodiments provide many applicable concepts that may be implemented or implemented with a variety of lateral piezoelectric stack actuators and the corresponding fabrication methods thereof. The following specific embodiments discussed are merely various specific ways of making and using the present concept for lateral piezoelectric stack actuators and their fabrication processes.

Im Folgenden wird Bezug nehmend auf 1A-F ein prinzipielles Fluss- bzw. Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators 200 beschrieben.In the following, reference will be made to 1A-F a basic flow or flow diagram of the method 100 for producing a piezoelectric stack actuator 200 described.

Zunächst wird in 1A bei Schritt 110 eine piezoelektrische Schicht 202 bereitgestellt, die eine säulenförmige (kolumnare) Schichtstruktur aufweist. Die piezoelektrische Schicht 202 weist eine Vielzahl von Säulen 204 auf. Aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht 202 sind ausgehend von einem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 Zwischenräume 206 mit Kanälen 206a und Gräben 206b zwischen benachbarten Säulen 204 in der piezoelektrischen Schicht 202 ausgebildet. In 1B ist bei Schritt 110 zusätzlich in einem gestrichelt umrandeten Bereich eine Draufsicht auf einen Teilabschnitt des Oberflächenbereichs 202a der piezoelektrischen Schicht 202 mit den Säulen 204 und mit den Zwischenräumen 206 mit Kanälen 206a und Gräben 206b beispielhaft in einer vergrößerten Darstellung angegeben. In der Teildraufsicht von 1B ist nur jeweils nur eine Säule 204 und nur ein Kanal 206a und ein Graben 206b (aus einer Vielzahl dieser Elemente) exemplarisch mit einem Bezugszeichen versehen.First, in 1A at step 110 a piezoelectric layer 202 provided, which has a columnar (columnar) layer structure. The piezoelectric layer 202 has a plurality of pillars 204 on. Due to the columnar layer structure of the piezoelectric layer 202 are starting from a surface area 202a the piezoelectric layer 202 interspaces 206 with channels 206a and trenches 206b between adjacent columns 204 in the piezoelectric layer 202 educated. In 1B is at step 110 in addition, in a dashed rimmed area a plan view of a portion of the surface area 202a the piezoelectric layer 202 with the columns 204 and with the gaps 206 with channels 206a and ditches 206b given by way of example in an enlarged view. In the partial top view of 1B is only one pillar at a time 204 and only one channel 206a and a ditch 206b (Of a variety of these elements) exemplified by a reference numeral.

In die bereitgestellte piezoelektrische Schicht 202 wird nun in 1C bei Schritt 120 eine leitfähige Elektrodenstruktur 208 in die piezoelektrische Schicht 202 eingebracht. Das strukturierte Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 kann beispielsweise durch eine optionale Maskenstruktur 214 hindurch erfolgen. Die leitfähige Elektrodenstruktur 208 erstreckt sich nun ausgehend von dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht z.B. vertikal in die Kanäle 206a der piezoelektrischen Schicht 200. Wie in der Schnittansicht von 1C bei Schritt 120 dargestellt ist, kann die leitfähige Elektrodenstruktur 208 an eine Mehrzahl von Bereichen 202-1, 202-2 (202-n) der piezoelektrischen Schicht 202 in diese piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden, um beispielsweise eine sogenannte „Interdigitalstruktur“ mit einander gegenüberliegenden, beabstandeten Elektrodenelementen 208-1, 208-2 (208-n) zu erhalten. Eine optionale Implementierung der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 (mit den einzelnen Elektrodenelementen 208-1, 208-2 bzw. 208-n) ist in 1D bei Schritt 120 zusätzlich in einem gestrichelt umrandeten Bereich als Draufsicht auf einen Teilabschnitt des Oberflächenbereichs 202a der piezoelektrischen Schicht 202 beispielhaft dargestellt.In the provided piezoelectric layer 202 will now be in 1C at step 120 a conductive electrode structure 208 in the piezoelectric layer 202 brought in. The structured introduction of the conductive electrode structure 208 can for example by an optional mask structure 214 through. The conductive electrode structure 208 now extends from the surface region 202a the piezoelectric layer, for example vertically into the channels 206a the piezoelectric layer 200 , As in the sectional view of 1C at step 120 is shown, the conductive electrode structure 208 to a plurality of areas 202 - 1 . 202 - 2 ( 202-n ) of the piezoelectric layer 202 in this piezoelectric layer 202 are introduced, for example, a so-called "interdigital structure" with opposing, spaced-apart electrode elements 208 - 1 . 208 - 2 ( 208-n ) to obtain. An optional implementation of the conductive electrode structure 208 (with the individual electrode elements 208 - 1 . 208 - 2 respectively. 208-n ) is in 1D at step 120 additionally in a dashed rimmed area as a plan view of a portion of the surface portion 202a of the piezoelectric layer 202 exemplified.

Bei Schritt 130 (1E) wird nun ein Isolationsmaterial (zumindest bereichsweise) in die (verbleibenden) Zwischenräume 206 in der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht, um jeweils benachbarte Säulen 206 zumindest bereichsweise mechanisch (kraftschlüssig) miteinander zu koppeln. Wie nun bei Schritt 130 von 1E zu erkennen ist, kann das Isolationsmaterial 210 auch dort in die Schichtbereiche 202-1, 202-2 (202-n) der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht werden bzw. eindringen, die nicht bzw. nicht vollständig mit dem Material der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 gefüllt sind.At step 130 ( 1E ) is now an insulation material (at least partially) in the (remaining) spaces 206 in the piezoelectric layer 202 introduced to each adjacent columns 206 at least partially mechanically (non-positively) to couple with each other. Like now at step 130 from 1E it can be seen, the insulation material 210 also there in the layer areas 202 - 1 . 202 - 2 ( 202-n ) of the piezoelectric layer 202 be introduced or not, or not completely with the material of the conductive electrode structure 208 are filled.

Bei einem Schritt 140 (1F) wird nun eine Metallisierungsstruktur 212 mit einer Mehrzahl Metallisierungselementen 212-1, 212-2 (212-n) an dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 im elektrischen Kontakt mit der leitfähigen, in der piezoelektrischen Schicht 202 angeordneten Elektrodenstruktur 208 mit den Elektrodenelementen 208-1, 208-2 (208-n) angeordnet.At one step 140 ( 1F ) now becomes a metallization structure 212 with a plurality of metallization elements 212 - 1 . 212 - 2 ( 212-n ) at the surface area 202a the piezoelectric layer 202 in electrical contact with the conductive, in the piezoelectric layer 202 arranged electrode structure 208 with the electrode elements 208 - 1 . 208 - 2 ( 208-n ) arranged.

Wie nun in bei der 1D zusätzlich beispielhaft dargestellten Draufsicht gezeigt, kann die Elektrodenstruktur 208 eine sogenannte „Interdigital-Struktur“ aufweisen, bei der die fingerartigen Strukturen 208-n der Elektrodenstruktur 208 wie die Zinken zweier Kämme aussehen, die ohne sich zu berühren ineinandergreifen. An die Elektrodenstruktur 208 kann nun über die Metallisierungsstruktur 212, beispielsweise zwischen die Anschlusselektroden der Metallisierungsstruktur 212 mittels einer Spannungsquelle (nicht gezeigt in 1F) ein Potenzial VP angelegt werden, dessen resultierendes elektrisches Feld innerhalb der piezoelektrischen Schicht 202 eine Auslenkung ΔS (Dehnung bzw. Kontraktion) entlang der Längsrichtung (vgl. x-Richtung des Koordinatensystems bei 1F) bewirkt. Ist die piezoelektrische Schicht 202 nun beispielsweise fest mit dem Substrat 203 verbunden, wird diese laterale Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 202 (im Betrieb) in eine Krümmung in y-Richtung umgesetzt.As in now in the 1D additionally shown by way of example top view, the electrode structure 208 have a so-called "interdigital structure" in which the finger-like structures 208-n the electrode structure 208 what the tines of two combs look like, which interlock without touching each other. To the electrode structure 208 can now via the metallization structure 212 , for example, between the terminal electrodes of the metallization structure 212 by means of a voltage source (not shown in FIG 1F ), a potential V P is applied whose resulting electric field within the piezoelectric layer 202 a deflection .DELTA.S (elongation or contraction) along the longitudinal direction (see x-direction of the coordinate system at 1F ) causes. Is the piezoelectric layer 202 Now, for example, firmly with the substrate 203 connected, this lateral deflection of the piezoelectric layer 202 (in operation) converted into a curvature in the y direction.

Im Folgenden werden nun weitere exemplarische Ausgestaltungen und Implementierungen des Verfahrens 100 zur Herstellung des piezoelektrischen Stapelaktuators 200 unter Bezugnahme auf die in den 1A-F beschriebenen Verfahrensschritte 110, 120, 130 und 140 näher erläutert.In the following, further exemplary embodiments and implementations of the method will now be described 100 for producing the piezoelectric stack actuator 200 with reference to the in the 1A-F described method steps 110 . 120 . 130 and 140 explained in more detail.

Bei Schritt 110 wird zunächst die piezoelektrische Schicht 202 bereitgestellt. So kann die piezoelektrische Schicht 202 beispielsweise mittels eines PVD-Prozesses (PVD = Physical Vapor Deposition = Physikalische Gasphasenabscheidung) auf ein Substrat 203, das beispielsweise ein Halbleitermaterial, wie Silizium, oder auch Glas, etc. aufweisen kann, aufgebracht bzw. abgeschieden werden. So kann die piezoelektrische Schicht 202 beispielsweise mittels eines Gasflusssputter-Prozesses (GFS-Prozess) abgeschieden werden, wobei die piezoelektrische Schicht 202 ein PZT-Material (PZT = Blei-Zirkonat-Titanat) oder auch andere piezoelektrische Materialien aufweisen kann. Mittels des Gasflusssputter-Prozesses kann beispielsweise die piezoelektrische Schicht 202 anisotrop und kolumnar abgeschieden werden, wobei beispielweise relative große Schichtdicken zwischen 5 und 50 µm oder zwischen 15 und 35 µm, wie z.B. 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 µm, und sämtliche Zwischenwerte für die aufgebrachte piezoelektrische Schicht 202 erhalten werden können. Durch die Ausbildung einer kolumnaren Schichtstruktur wird auch eine laterale Stressentkopplung in der piezoelektrischen Schicht 202 erreicht. Aufgrund einer Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials und des Materials der piezoelektrischen Schicht 202 kann ansonsten bei der Schichtabscheidung mechanischer Stress in der piezoelektrischen Schicht 202 auftreten. Somit können die relativ große Schichtdicken der piezoelektrischen Schicht 202 stressfrei bzw. zumindest stressarm realisiert (abgeschieden) werden.At step 110 First, the piezoelectric layer 202 provided. So can the piezoelectric layer 202 for example, by means of a PVD process (PVD = Physical Vapor Deposition) on a substrate 203 , which, for example, a semiconductor material such as silicon, or glass, etc. may have, are applied or deposited. So can the piezoelectric layer 202 For example, by means of a gas flow sputtering process (GFS process) are deposited, wherein the piezoelectric layer 202 a PZT material (PZT = lead zirconate titanate) or other piezoelectric materials may have. By means of the gas flow sputtering process, for example, the piezoelectric layer 202 Anisotropic and columnar deposition, for example, relatively large layer thicknesses between 5 and 50 microns or between 15 and 35 microns, such as 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 microns, and all intermediate values for the applied piezoelectric layer 202 can be obtained. The formation of a columnar layer structure also results in lateral stress decoupling in the piezoelectric layer 202 reached. Due to a mismatch of the thermal expansion coefficient of the substrate material and the material of the piezoelectric layer 202 Otherwise, in the layer deposition mechanical stress in the piezoelectric layer 202 occur. Thus, the relatively large layer thicknesses of the piezoelectric layer 202 stress-free or at least low-stress realized (isolated).

Hinsichtlich des PVD-Prozesses bzw. GFS-Prozesses zur Abscheidung der piezoelektrischen Schicht 202 wird darauf hingewiesen, dass durch das gezielte Einstellen von Prozessparametern, wie z.B. Prozesstemperatur, Materialien, Druck, Bias-Spannung etc., die jeweils gewünschte Schichtdicke D1 und auch die resultierende Anisotropie der erhaltenen piezoelektrischen Schicht 202 sowie die gewünschte Ausbildung der säulenförmigen Schichtstruktur mit den gewünschten mittleren Abmessungen für die Zwischenräume 206 mit den (breiteren) Kanälen 206a und den (schmäleren) Gräben 206b eingestellt werden kann. Um die gewünschte säulenförmige Struktur der piezoelektrischen Schicht 202 zu erhalten, kann beispielsweise beim Zerstäuben (Sputtern) an die zu beschichtenden Teile eine negative Spannung (Bias-Spannung) angelegt werden. Diese beschleunigt die positiv geladenen Ionen auf die aufwachsende Schicht und stellt damit eine Möglichkeit dar, die Dimension der Zwischenräume zwischen den Säulen in der Schicht in gewissen Grenzen zu steuern.Regarding the PVD process or GFS process for depositing the piezoelectric layer 202 It is pointed out that by the targeted setting of process parameters, such as process temperature, materials, pressure, bias voltage, etc., the particular desired layer thickness D1 and also the resulting anisotropy of the resulting piezoelectric layer 202 and the desired configuration of the columnar layer structure with the desired mean dimensions for the interspaces 206 with the (wider) channels 206a and the (narrower) trenches 206b can be adjusted. To the desired columnar structure of the piezoelectric layer 202 For example, when sputtering (sputtering) to the parts to be coated, a negative voltage (bias voltage) can be applied. This accelerates the positively charged ions on the growing layer and thus provides a possibility to control the dimension of the spaces between the columns in the layer within certain limits.

Um die piezoelektrische Schicht 202 beispielsweise mit einer konstanten Schichtdicke D1 zu erhalten, kann der Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht(en) 202, falls erforderlich, nach dem Aufbringen der piezoelektrischen Schicht 202 ferner planarisiert werden. Der planarisierte Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 mit einer möglichst konstanten Schichtdicke D1 kann dazu beitragen, die in 1 dargestellten Prozessschritte 120, 130 und 140 einfacher (d.h. mit geringerem technischen Aufwand), exakter (mit höherer Herstellungspräzision) und nacharbeitbarer (mit geringeren Prozessabweichungen) durchzuführen.Around the piezoelectric layer 202 For example, to obtain a constant thickness D1, the surface area 202a the piezoelectric layer (s) 202 if necessary after application of the piezoelectric layer 202 can also be planarized. The planarized surface area 202a The piezoelectric layer 202 with a very constant layer thickness D1 can contribute to the in 1 illustrated process steps 120 . 130 and 140 easier (ie with less technical effort) to perform more accurately (with higher manufacturing precision) and nacharbeitbarer (with lower process deviations).

Bei Schritt 110 kann somit die piezoelektrische Schicht 202 mittels eines Gasflusssputter-Prozesses (GFS-Prozesses) auf einem Substrat 203 abgeschieden und nachfolgend planarisiert und/oder strukturiert werden. Die piezoelektrische Schicht 202 kann mittels des GFS-Prozesses in verschiedenen Schichtdicken, z.B. zwischen 5 und 50 µm oder zwischen 15 und 35 µm hergestellt werden, wobei mit geeigneten Prozessvariationen bei dem GFS-Prozess beispielsweise jeweils die gewünschte Schichtdicke der piezoelektrische Schicht 202, die resultierende säulenförmige Schichtstruktur, d.h. die resultierenden Zwischenräume (Porengrößen) mit den Kanälen und Gräben, sowie deren anisotrope Struktur eingestellt bzw. variiert werden kann. At step 110 Thus, the piezoelectric layer can 202 by means of a gas flow sputtering process (GFS process) on a substrate 203 deposited and subsequently planarized and / or structured. The piezoelectric layer 202 can be produced by means of the GFS process in different layer thicknesses, eg between 5 and 50 μm or between 15 and 35 μm, with suitable process variations in the GFS process, for example, the desired layer thickness of the piezoelectric layer 202 , the resulting columnar layer structure, ie the resulting spaces (pore sizes) with the channels and trenches, and their anisotropic structure can be adjusted or varied.

Daraufhin wird bei dem Schritt 120 die leitfähige Elektrodenstruktur 208 in diese piezoelektrische Schicht 202 strukturiert eingebracht, um die Mehrzahl von Einzelelektrodenstrukturen 208-n abwechselnd mit dazwischenliegenden piezoelektrischen Materiallagen in der piezoelektrischen Schicht 202 zu erhalten. Um dieses strukturierte Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 in die piezoelektrische Schicht 202 durchzuführen, wird beispielsweise die (optionale) Maskenstruktur (Maske bzw. Maskierung) 214 auf dem planarisierten Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 200 aufgebracht, so dass die für die leitfähige Struktur 208 mit den einzelnen Elektrodenelementen 208-n in der piezoelektrischen Schicht 202 vorgesehenen Bereiche 202-n durch die Maskenstruktur 214 hindurch freiliegend sind. Daraufhin kann die leitfähige Elektrodenstruktur 208 in die von der Maskenstruktur 214 nicht bedeckte Bereiche 202-n der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht werden. Anschließend kann die Maskenstruktur 214 wieder von dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 entfernt werden, so dass die (planarisierte) piezoelektrische Schicht 202 wiederum von deren Oberflächenbereich 202a aus prozesstechnisch bearbeitbar ist.Then at the step 120 the conductive electrode structure 208 in this piezoelectric layer 202 structured introduced to the plurality of individual electrode structures 208-n alternating with intervening piezoelectric material layers in the piezoelectric layer 202 to obtain. To this structured introduction of the conductive electrode structure 208 in the piezoelectric layer 202 For example, the (optional) mask pattern (mask) 214 becomes on the planarized surface area 202a the piezoelectric layer 200 applied, so that for the conductive structure 208 with the individual electrode elements 208-n in the piezoelectric layer 202 intended areas 202-n through the mask structure 214 through are exposed. Thereupon, the conductive electrode structure 208 in the of the mask structure 214 uncovered areas 202-n the piezoelectric layer 202 be introduced. Subsequently, the mask structure 214 again from the surface area 202a the piezoelectric layer 202 be removed so that the (planarized) piezoelectric layer 202 In turn, from the surface region 202a of process engineering is editable.

Das Aufbringen der Maskenstruktur 214 auf die piezoelektrische Schicht 202 kann beispielsweise durch ein fotolithographisches Aufbringen einer Lackstruktur 214 auf die piezoelektrische Schicht (PZT-Schicht) 202 erfolgen, wobei die Lackstruktur 214 (in einer vertikalen Projektion in die piezoelektrische Schicht 202) die Bereiche in der piezoelektrischen Schicht 202 definiert, die von den Elektroden, d.h. der leitfähigen Elektrodenstruktur 208, durchsetzt werden sollen.The application of the mask structure 214 on the piezoelectric layer 202 For example, by a photolithographic application of a resist structure 214 on the piezoelectric layer (PZT layer) 202 done, the paint structure 214 (in a vertical projection into the piezoelectric layer 202 ) the areas in the piezoelectric layer 202 defined by the electrodes, ie the conductive electrode structure 208 to be enforced.

Unter Berücksichtigung einer beispielhaften Schichtdicke D1 von 10 - 20 µm (in einer vertikalen Richtung zu dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202) kann eine beispielhafte Breite bn der einzelnen Elektroden 208-n der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 (parallel zu dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202) 1 bis 3 µm (oder 0.5 bis 5 µm) betragen, während beispielhafte Abstände an (parallel zu dem Oberflächenbereich 202a) zwischen benachbarten Elektroden 208-n der leitfähigen Elektrodenschicht 208 2 bis 4 µm (oder 1 bis 8 µm) betragen können.Considering an exemplary layer thickness D1 of 10-20 μm (in a vertical direction to the surface area 202a the piezoelectric layer 202 ) may be an exemplary width b n of the individual electrodes 208-n the conductive electrode structure 208 (parallel to the surface area 202a the piezoelectric layer 202) are 1 to 3 μm (or 0.5 to 5 μm), while exemplary distances a n (parallel to the surface area 202a ) between adjacent electrodes 208-n the conductive electrode layer 208 2 to 4 μm (or 1 to 8 μm).

Als eine weitere Möglichkeit zum Aufbringen der Maskenstruktur 214 kann beispielsweise ein PET-Material (PET = Polyethylenterephthalat), d.h. ein thermoplastischer Kunststoff, als die Maskenstruktur 214 auf den Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 aufgebracht bzw. aufgesputtert werden. PET-Materialien können ein geringeres Anhaften von Metall (beim Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208) gegenüber einem konventionellen Fotolack als Maskenstruktur liefern und somit den Prozessablauf verbessern.As another possibility for applying the mask structure 214 For example, a PET (PET = polyethylene terephthalate) material, ie, a thermoplastic, may be used as the mask structure 214 on the surface area 202a the piezoelectric layer 202 applied or sputtered. PET materials may have less adhesion of metal (when introducing the conductive electrode structure 208 ) provide as a mask structure to a conventional photoresist and thus improve the process flow.

Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass die Maskenstruktur (Schutzmaske bzw. Schutzabdeckung) 214 beispielsweise mittels Lithographie als Lackmaterial und/oder auch als ein Polymermaterial auf dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 aufgebracht werden kann, um die freien Bereiche zum Einbringen des verflüssigten Lotmaterials zu definieren. Nach Einbringen des Lotmaterials zum Bilden der Elektrodenstruktur 208 wird diese Abdeckungsschicht, d.h. die Lack- bzw. Polymerschicht, wieder entfernt, um die Metallisierungskontakte 212-n an dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202, d. h. die Schichtstruktur 212, in Kontakt mit den Elektrodenstrukturen 208 aufbringen zu können.In summary, it can thus be stated that the mask structure (protective mask or protective cover) 214 is provided, for example, by means of lithography as a lacquer material and / or as a polymer material on the surface region 202a the piezoelectric layer 202 can be applied to define the free areas for introducing the liquefied solder material. After introducing the solder material to form the electrode structure 208 This cover layer, ie the paint or polymer layer, again removed to the metallization contacts 212-n at the surface area 202a the piezoelectric layer 202 ie the layer structure 212 in contact with the electrode structures 208 to be able to raise.

Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer Maskenstruktur 214 zum Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 nur als beispielhaft anzusehen ist, da weitere Vorgehensweisen zum „strukturierten“ Einbringen der Elektrodenstruktur 208 denkbar sind.It is noted in this regard that the use of a mask structure 214 for introducing the conductive electrode structure 208 only as an example, since further procedures for "structured" introduction of the electrode structure 208 are conceivable.

So ist beispielsweise vorstellbar, dass die leitfähige Elektrodenstruktur mit einer ausreichend hohen Genauigkeit direkt in die piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden kann, so dass eine Maskierung des Oberflächenbereichs 202a der piezoelektrischen Schicht 202 nicht erforderlich sein braucht.For example, it is conceivable that the conductive electrode structure with a sufficiently high accuracy directly into the piezoelectric layer 202 can be introduced, so that a masking of the surface area 202a the piezoelectric layer 202 does not need to be needed.

Für die leitfähige Elektrodenstruktur 208 kann beispielsweise eine Metallisierung mittels Druck in vorgegebene Bereiche 202-n der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht werden, wobei ein (bei niedrigen Temperaturen von z.B. unter 500 °C oder 350 °C) verflüssigtes Metallmaterial unter Anwenden von Druck bzw. Hochdruck in zumindest eine Mehrzahl der durch die Maskenstruktur 214 hindurch freiliegenden Kanäle 206a der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht wird. Bei dem Einbringen des Metallmaterials unter Druck in die piezoelektrische Schicht 202 können das verwendete Metallmaterial, die Temperatur des (bei dieser Temperatur) verflüssigten Metallmaterials beim Einbringen in die piezoelektrische Schicht 202 und der ausgeübte Druck auf das verflüssigte Metallmaterial so gewählt sein, um eine Mehrzahl (d.h. mehr als 50% oder mehr als 80%) der durch die Maskenstruktur 214 freigelegten Kanäle (bzw. Kapillare) 206a zu füllen, und um ferner die zwischen benachbarten Säulen ausgebildeten Gräben 206b (i.W.) nicht zu füllen oder höchstens bis zu 10% oder zu 20% zu füllen, um zu verhindern, dass sich in den (schmalen) Gräben 206b über die vorgegebenen Bereiche 202-n hinaus leitfähige Verbindungen ausbilden.For the conductive electrode structure 208 For example, a metallization by means of pressure in predetermined areas 202-n the piezoelectric layer 202 be introduced, wherein a (at low temperatures of eg below 500 ° C or 350 ° C) liquefied metal material by applying pressure or High pressure in at least a majority of the through the mask structure 214 through exposed channels 206a the piezoelectric layer 202 is introduced. When introducing the metal material under pressure into the piezoelectric layer 202 For example, the metal material used may be the temperature of the (at that temperature) liquefied metal material when placed in the piezoelectric layer 202 and the pressure applied to the liquefied metal material is selected to be a plurality (ie, greater than 50% or greater than 80%) of that through the mask structure 214 to fill exposed channels (or capillary) 206a, and further to form the trenches formed between adjacent columns 206b (iw) do not fill or fill at most up to 10% or 20% to prevent being in the (narrow) trenches 206b over the given ranges 202-n form conductive connections.

Durch diese Vorgehensweise kann ein (unerwünschtes) Ausbreiten der erzeugten leitfähigen Bereiche über die vorgegebenen Bereiche 202-n der piezoelektrischen Schicht 202 hinaus effektiv verhindert werden, so dass i.W. nur die vorgegebenen Bereiche 202-n der piezoelektrischen Schicht 202 leitfähig ausgebildet werden.By doing so, an (undesired) spreading of the generated conductive regions over the predetermined ranges 202-n the piezoelectric layer 202 Be effectively prevented, so that iW only the default areas 202-n the piezoelectric layer 202 be formed conductive.

Als verflüssigbare Metallmaterialien bzw. Metalllegierungsmaterialien zum Bilden der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 können beispielsweise Lote (aus einem Metall- oder Metalllegierungsmaterial) eingesetzt werden, die im verflüssigten Zustand mit den Oberflächenbereichen der piezoelektrischen Schicht 202 in den freigelegten Kanälen 206a „reagieren“, d.h. eine Oxidschicht an der Oberfläche des Materials der piezoelektrischen Schicht 202 ausbilden. Somit können Metallmaterialien oder Metalllegierungsmaterialien eingesetzt werden, die nach einer Benetzung in den Kapillaren bzw. Kanälen 206a verbleiben, da nach einem Inkontaktbringen des verflüssigten Metallmaterials mit der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 202 in den Kapillaren 206 eine Reaktion in Form einer Oberflächenoxidation erfolgt. Ferner ist das Metallmaterial bzw. das Metalllegierungsmaterial so zu wählen, dass dieses im verflüssigten (erwärmten) Zustand in die Kapillare unter Einwirkung von Druck eingepresst werden kann, wobei aber aufgrund der auf dieses Material einwirkenden Kapillarwirkung das Verfließen dieses Materials begrenzt ist, d.h. die zwischen benachbarten Säulen 204 (Kapillaren) gebildeten Gräben 206b im Wesentlichen nicht gefüllt werden.As liquefiable metal materials or metal alloy materials for forming the conductive electrode structure 208 For example, solders (made of a metal or metal alloy material) which in the liquefied state can be used with the surface regions of the piezoelectric layer 202 in the uncovered channels 206a "React", ie an oxide layer on the surface of the material of the piezoelectric layer 202 form. Thus, metal materials or metal alloy materials can be used after wetting in the capillaries or channels 206a remain after contacting the liquified metal material with the surface of the piezoelectric layer 202 in the capillaries 206 a reaction takes place in the form of a surface oxidation. Further, the metal material or the metal alloy material is to be chosen so that it can be pressed in the liquefied (heated) state in the capillary under the action of pressure, but due to the capillary action acting on this material, the flow of this material is limited, ie between adjacent columns 204 (Capillaries) formed trenches 206b essentially not be filled.

Als beispielhafte Materialien für die Lote, d.h. für die unter Wärmeeinwirkung verflüssigbaren Metalle bzw. Legierungen, können beispielsweise Gold (Au) und Zinn (Sn) aufweisende Lotlegierungen eingesetzt werden, wobei diesen AuSn-Lotlegierungen noch Lutetium (Lu) beigefügt werden kann. Ein weiteres Beispiel einer einsetzbaren Lotlegierung kann Silber (Ag-) und Zinn- (Sn) Anteile (AgSn-Lotlegierung) aufweisen, wobei ferner Materialanteile der Nebengruppenelemente Cer oder Titan beigefügt sein können. In diesem Zusammenhang wird häufig auch von Aktivloten bzw. aktiven bzw. reaktiven Loten gesprochen.As exemplary materials for the solders, i. for the metals or alloys which can be liquefied under heat, it is possible, for example, to use solder alloys comprising gold (Au) and tin (Sn), with lutetium (Lu) still being added to these AuSn solder alloys. Another example of an insertable solder alloy may comprise silver (Ag) and tin (Sn) components (AgSn solder alloy), wherein material constituents of the subgroup elements cerium or titanium may also be added. In this context, active solders or active or reactive solders are often spoken of.

Abhängig von den Porenstrukturgrößen, d.h. der Größe der Kanäle bzw. Kapillare 206a der piezoelektrischen Schicht 202, und der resultierenden Oberflächenspannung des verflüssigten Lotmaterials kann beispielsweise ein Druck zum Einpressen des verflüssigten Lotmaterials in der Größenordnung zwischen 500 und 1500 bar und beispielsweise von mehr als 1000 bar eingesetzt werden.Depending on the pore structure sizes, ie the size of the channels or capillaries 206a the piezoelectric layer 202 , and the resulting surface tension of the liquefied solder material, for example, a pressure for the injection of the liquefied solder material in the order of between 500 and 1500 bar and, for example, more than 1000 bar are used.

Die „Kanal- bzw. Spaltfüllung“ kann also mittels einer sogenannten Metallinfiltration unter Druck erfolgen. Da der erforderliche Kapillardruck, der zu überwinden ist, um das flüssige Metallmaterial in die Kanalstruktur einbringen bzw. einpressen zu können, von dem Durchmesser der Kanäle 206a abhängt, können durch eine entsprechende Druckeinstellung, die unter Berücksichtigung der jeweils vorliegenden (eingestellten) säulenförmigen Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht 202 gewählt ist, die großen Poren (Kanäle 206a) aufgefüllt werden, ohne dass das verflüssigte Metallmaterial in die davon ausgehenden, seitlichen, schmalen Gräben bzw. Grabenstrukturen 206b eindringt.The "channel or gap filling" can thus be carried out by means of a so-called metal infiltration under pressure. Since the required capillary pressure to be overcome in order to be able to press or inject the liquid metal material into the channel structure depends on the diameter of the channels 206a can depend on a corresponding pressure setting, taking into account the respective present (set) columnar layer structure of the piezoelectric layer 202 is selected, the large pores (channels 206a) are filled without the liquefied metal material in the outgoing, side, narrow trenches or trench structures 206b penetrates.

Die Porenverteilung bzw. Porengrößenverteilung lässt sich beispielsweise mittels einer sogenannten „Quecksilberporosimetrie“ oder auch mit einer REM-Analyse (REM = Rasterelektronenmikroskop) ermitteln, wobei beide Vorgehensweisen im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse liefern.The pore distribution or pore size distribution can be determined, for example, by means of a so-called "mercury porosimetry" or else by means of an SEM analysis (SEM = scanning electron microscope), both procedures providing essentially the same results.

Gemäß der vorliegenden Vorgehensweise werden somit die großen Poren bzw. Kanäle 206a entlang der Kontaktpunkte dreier Säulen, d.h. entlang des Bereichs benachbarter dreier Säulen, gefüllt, während ein Eindringen des verflüssigten Metallmaterials in die „schmalen“ Gräben zwischen den Säulen (zwischen zwei benachbarten Säulen) erst bei einem höheren Druckniveau auftreten würde. Somit kann die leitfähige Elektrodenstruktur 208 gezielt in die Kanäle 206a in den vorgesehenen Bereiche 208-n eingebracht werden, d.h. in die für die leitfähige Elektrodenstruktur 208 in der piezoelektrischen Schicht 202 vorgesehenen Bereiche 208-n durch die Maskenstruktur 214 hindurch eingebracht werden.Thus, according to the present approach, the large pores or channels 206a are filled along the contact points of three columns, ie, along the area of adjacent three columns, while the liquefied metal material enters the "narrow" trenches between the columns (between two adjacent columns). would occur only at a higher pressure level. Thus, the conductive electrode structure 208 can be targeted into the channels 206a in the designated areas 208-n are introduced, ie in the for the conductive electrode structure 208 in the piezoelectric layer 202 intended areas 208-n through the mask structure 214 be introduced through.

Bei dem Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 beispielsweise durch Infiltrieren von Metallelektroden mittels Hochdruck wird ein Niedertemperaturmetall, z.B. Gallium Indium etc., in die Kanäle bzw. Poren, die nicht durch die Maskierung 214 verschlossen sind, eingebracht bzw. eingepresst. Wie bereits angegeben wurde, kann anstelle eines konventionellen Fotolacks für die Maskenstruktur 214 beispielsweise auch eine aufgesputterte PET-Struktur Anwendung finden, an der beispielsweise das in die piezoelektrische Schicht 202 einzubringende verflüssigte Metallmaterial weniger anhaftet. In the introduction of the conductive electrode structure 208 For example, by infiltrating metal electrodes by means of high pressure, a low-temperature metal, for example gallium indium, etc., in the channels or pores, which is not by the masking 214 are closed, introduced or pressed. As already stated, instead of a conventional photoresist for the mask structure 214 For example, find a sputtered PET structure application, for example, in the piezoelectric layer 202 Liquefied metal material to be introduced less adhered.

In diesem Zusammenhang wird ferner darauf hingewiesen, dass grundsätzlich auch andere flüssige Metalle oder Lote als Gallium oder Indium einsetzbar sind, wenn die Verflüssigungstemperaturen dieser Metallmaterialien unterhalb von etwa 500 °C oder 350 °C liegt. Gallium weist beispielsweise einem sehr niedrigen Schmelzpunkt von 29,76 °C auf.It should also be noted in this connection that, in principle, other liquid metals or solders than gallium or indium can be used if the liquefaction temperatures of these metal materials are below about 500 ° C. or 350 ° C. For example, gallium has a very low melting point of 29.76 ° C.

Als geeignete Materialien für die Metallisierung eignet sich beispielsweise bei niedrigen Temperaturen verflüssigbare Metall- oder Metalllegierungsmaterialien, die einerseits möglichst wenig spaltgängig sind, d.h. es liegt ein negativer Kapillardruck (Gegendruck) innerhalb der schmalen Gräben 206b vor, und andererseits das Metallmaterial reaktiv ist, so dass es nach dem Benetzen der oxidischen Oberfläche an den piezoelektrischen Schichten (PZT-Oberflächen) anhaften bleibt. Metallmaterialien, wie z.B. Indium und Gallium erfüllen diese Voraussetzungen, wobei auch Zinn-Lote mit zusätzlichen reaktiven Beimischungen einsetzbar sind.As suitable materials for the metallization is, for example, at low temperatures liquefiable metal or metal alloy materials, on the one hand as little as possible gap-like, ie there is a negative capillary pressure (back pressure) within the narrow trenches 206b on the other hand, the metal material is reactive so that it remains adhered to the piezoelectric layers (PZT surfaces) after wetting of the oxidic surface. Metal materials such as indium and gallium meet these requirements, although tin solders can be used with additional reactive admixtures.

Alternativ oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verfahrensschritt des Einbringens einer Metallisierung mittels eines verflüssigten Metallmaterials unter Druck kann ferner die leitfähige Elektrodenstruktur 208 mittels eines ALD-Prozesses (ALD = Atomic Layer Deposition = Atomlagenaufbringung) in die piezoelektrische Schicht eingebracht werden. Dabei kann mittels des ALD-Prozesses eine dünne elektrisch leitfähige Schicht zumindest in eine Mehrzahl der Kanäle, die durch die Maskenstruktur hindurch freiliegend sind, als die leitfähige Elektrodenstruktur 208 in die piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden. Als Alternative oder zusätzlich zu dem Einpressen von Metallmaterialien unter Druck kann ferner mittels eines ALD-Prozesses ein elektrisch leitfähiges Oxid, z.B. dotiertes ZnO, oder ein Metall, z.B. Ruthenium, in die durch die Maskenstruktur 214 freiliegenden Zwischenräume 206 (Poren), d.h. Kanäle und/oder Gräben, eingebracht werden.As an alternative or in addition to the above-described method step of introducing a metallization by means of a liquefied metal material under pressure, the conductive electrode structure may also be used 208 be introduced into the piezoelectric layer by means of an ALD (Atomic Layer Deposition) process. In this case, by means of the ALD process, a thin electrically conductive layer at least into a plurality of the channels, which are exposed through the mask structure, as the conductive electrode structure 208 in the piezoelectric layer 202 be introduced. As an alternative or in addition to the pressing in of metal materials under pressure, an electrically conductive oxide, for example doped ZnO, or a metal, for example ruthenium, can also be introduced into the mask structure by means of an ALD process 214 exposed spaces 206 (Pores), ie channels and / or trenches are introduced.

Bei Schritt 130 wird ferner das Isolationsmaterial 210 in Zwischenräume 206 in der piezoelektrischen Schicht 200 eingebracht, um benachbarte Säulen zumindest bereichsweise miteinander mechanisch zu koppeln. Dieses Eindringen des Isolationsmaterials 210 kann beispielsweise mittels eines (weiteren) ALD-Prozesses eingebracht werden, wobei das Isolationsmaterial zumindest bereichsweise in die (verbleibenden) Zwischenräume 206 in der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht wird, um (zumindest abschnittsweise) eine laterale Kopplung der säulenförmigen Struktur zu erhalten, d.h. eine laterale mechanische bzw. kraftschlüssige Kopplung der mittels des Isolationsmaterials 210 miteinander mechanisch gekoppelten Säulen der Schichtstruktur 202. Die laterale Kopplung der PZT-Säulen kann also mittels eines (weiteren) ALD-Prozesses erfolgen, um eine ausreichend hohe, laterale Kohäsion der säulenförmigen Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht (des PCT-Films) 202 zu erreichen.At step 130 also becomes the insulating material 210 in interspaces 206 in the piezoelectric layer 200 introduced to mechanically couple adjacent columns at least partially with each other. This penetration of the insulation material 210 can be introduced, for example, by means of a (further) ALD process, wherein the insulating material at least partially into the (remaining) spaces 206 in the piezoelectric layer 202 is introduced to (at least in sections) to obtain a lateral coupling of the columnar structure, ie, a lateral mechanical or non-positive coupling of the means of the insulating material 210 mechanically coupled to each other columns of the layer structure 202 , The lateral coupling of the PZT columns can thus take place by means of a (further) ALD process in order to achieve a sufficiently high, lateral cohesion of the columnar layer structure of the piezoelectric layer (of the PCT film) 202.

Die kolumnare Struktur der piezoelektrischen Schicht (des PZT-Films) 202 ermöglicht somit neben einer stressarmen Abscheidung der dicken piezoelektrischen Schicht 202 und der Infiltration der einzelnen vertikalen Elektrodenelemente 208-n, d.h. der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 in der piezoelektrischen Schicht 202, auch das Einbringen des Isolationsmaterials 210 zum mechanischen Koppeln der Säulen 204. Um den Aufbau in der Praxis einsetzbarer lateraler Aktuatoren (piezoelektrischer Stapelaktuatoren) zu ermöglichen, wird bei dem oben beschriebenen Schritt 130 eine ausreichende Kohäsion bzw. mechanische Kopplung der PZT-Säulen durch die Infiltration eines Isolationsmaterials, wie z.B. von ALD-Schichten mit einem TiO2- oder einem Al2O3-Material bewirkt werden. Dieses zusätzliche eingebrachte Isolationsmaterial in die säulenartige Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht 202 erhöht ferner auch die (elektrische) Isolation und damit die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Gesamtsystems.The columnar structure of the piezoelectric layer (of the PZT film) 202 thus enables not only a low-stress deposition of the thick piezoelectric layer 202 and the infiltration of the individual vertical electrode elements 208-n ie the conductive electrode structure 208 in the piezoelectric layer 202 , also the introduction of the insulation material 210 for mechanically coupling the columns 204 , In order to enable the construction in practice usable lateral actuators (piezoelectric stack actuators), in the above-described step 130 sufficient cohesion or mechanical coupling of the PZT columns by the infiltration of an insulating material, such as ALD layers with a TiO 2 - or Al 2 O 3 material can be effected. This additional introduced insulating material in the columnar layer structure of the piezoelectric layer 202 also increases the (electrical) insulation and thus the electrical breakdown strength of the entire system.

Die extreme Spaltgängigkeit von ALD-Schichten, die es beispielsweise erlaubt, auch Strukturen mit Aspektverhältnissen (Höhen-zu-Breiten-Verhältnissen) von beispielsweise bis zu 25.000:1 beschichten zu können, führen zu einer innigen (starken) mechanischen Kopplung der Säulen und somit zu einer festen keramischen Bindung in der piezoelektrischen Schicht 202. Damit kann sichergestellt werden, dass sich die piezoelektrische Schicht 202 mit dem in den Zwischenräumen eingebrachten Isolationsmaterial bei einer Aktivierung (Bestromung) auch in der Schichtebene deutlich ausdehnen kann und die Verformung der Funktionsschicht (d.h. der piezoelektrischen Schicht 202) an einen Schicht-Substrat-Verbund weitergeben kann, wenn die piezoelektrische Schicht 202 auf einem Substrat angeordnet ist.The extreme fissuring of ALD layers, which, for example, allows coating of structures with aspect ratios (height-to-width ratios) of, for example, up to 25,000: 1, leads to intimate (strong) mechanical coupling of the columns and thus to a solid ceramic bond in the piezoelectric layer 202 , This can ensure that the piezoelectric layer 202 can significantly expand with the introduced in the interstices insulation material in an activation (energization) in the layer plane and the deformation of the functional layer (ie, the piezoelectric layer 202 ) to a layer-substrate composite when the piezoelectric layer 202 is arranged on a substrate.

Falls sich nun das bei Schritt 130 in die Zwischenräume der piezoelektrischen Schicht 202 eingebrachte Isolationsmaterial 210 auch auf der in der piezoelektrischen Schicht 202 eingebrachten leitfähigen Elektrodenstruktur 208 befindet, kann im Anschluss an den Schritt 130 des Einbringens des Isolationsmaterials 210 dasjenige Isolationsmaterial 210 bereichsweise von der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 entfernt werden, das sich an dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 auf bzw. oberhalb der leitfähigen Struktur 208 befindet. Dieser Schritt des Entfernens kann beispielsweise mittels Plasmaätzen durchgeführt werden. Im Anschluss an das Einbringen 130 des Isolationsmaterials 210, beispielsweise mittels eines ALD-Prozesses, wird also in dem Bereich, der bis an die Oberfläche 202a reichenden Metallelektroden 208, das aufgebrachte Isolationsmaterial 210, d.h. die ALD-Schicht, beispielsweise mittels Plasmaätzen entfernt, um die Elektrodenstruktur 208 zumindest am Oberflächenbereich 202a freizulegen. If this happens at step 130 in the interstices of the piezoelectric layer 202 introduced insulation material 210 also on the in the piezoelectric layer 202 introduced conductive electrode structure 208 can, after the step 130 the introduction of the insulation material 210 that insulation material 210 partially from the conductive electrode structure 208 be removed, attached to the surface area 202a the piezoelectric layer 202 on or above the conductive structure 208 located. This removal step can be carried out, for example, by means of plasma etching. Following the introduction 130 of the insulation material 210 For example, by means of an ALD process, that is, in the area that reaches the surface 202a reaching metal electrodes 208 , the applied insulation material 210 ie, the ALD layer removed, for example by plasma etching, around the electrode structure 208 at least on the surface area 202a expose.

Mit dem ALD-Prozess kann also unter Verwendung von nicht-leitfähigen Materialien 210, wie z.B. Aluminiumoxid (Al2O3) oder Titanoxid (TiO2), eine (verbesserte) mechanische Kopplung der Säulen 204 erhalten werden. Das durch den ALD-Prozess eingebrachte, nicht leitfähige Material kann also zu einer „Verklebung“ (mechanischen Kopplung) der Säulen 204 in der piezoelektrischen Schicht 202 führen, indem die noch freiliegenden Zwischenräume bzw. Poren 206 mit dem nicht-leitfähigen Material aufgefüllt werden. Das durch den ALD-Prozess eingebrachte nicht-leitfähige Material 210 kann also vorgesehen sein, um möglichst die noch vorhandenen freiliegenden Zwischenräume 206 bzw. die nicht durch das wiederverfestigte Lotmaterial gefüllten Zwischenräume möglichst aufzufüllen, um eine mechanische Kopplung der säulenartigen piezoelektrischen Schicht 202 zu erhalten. Da der ALD-Prozess extrem „spaltgängig“ ist, kann das nicht-leitfähige Material sehr (bzw. extrem) konform auch in sehr kleine Zwischenräume 206, d.h. Kanäle 206a und/oder Gräben 206b, der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht werden. Das durch den ALD-Prozess aufgebrachte bzw. eingebrachte nicht-leitfähige Material kann dabei relativ stressfrei, d.h. ohne mechanische Spannungen, auf das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht 202 aufgebracht werden. Diesbezüglich ist noch zu beachten, dass das aufgebrachte, nicht-leitfähige Material 210 des ALD-Prozesses zumindest noch in den Bereichen der in das piezoelektrische Material 202 eingebrachten Elektrodenstruktur 208 mit den Elektrodenelementen 208-n zu entfernen ist, um beim Aufbringen der Metallisierungsstruktur 212 den elektrischen Kontakt zwischen der Metallisierungsstruktur 212 und der Elektrodenstruktur 208 mit den Elektrodenelementen 208-n zu erhalten.Using the ALD process can therefore be done using non-conductive materials 210 , such as alumina (Al 2 O 3 ) or titanium oxide (TiO 2 ), an (improved) mechanical coupling of the columns 204 to be obtained. The introduced by the ALD process, non-conductive material can thus to a "gluing" (mechanical coupling) of the columns 204 in the piezoelectric layer 202 lead by the still exposed spaces or pores 206 filled with the non-conductive material. The non-conductive material introduced by the ALD process 210 Thus, it can be provided in order to avoid the remaining gaps that are still present 206 as far as possible to fill up the intermediate spaces not filled by the resolidified solder material, in order to mechanically couple the columnar piezoelectric layer 202 to obtain. Since the ALD process is extremely "gap-like", the non-conductive material can be very (or extremely) compliant even in very small spaces 206 ie channels 206a and / or trenches 206b , the piezoelectric layer 202 be introduced. The applied or introduced by the ALD process non-conductive material can relatively stress-free, ie without mechanical stresses on the piezoelectric material of the piezoelectric layer 202 be applied. In this regard, it should be noted that the applied, non-conductive material 210 of the ALD process at least in the areas of the piezoelectric material 202 introduced electrode structure 208 with the electrode elements 208-n to remove when applying the metallization structure 212 the electrical contact between the metallization structure 212 and the electrode structure 208 with the electrode elements 208-n to obtain.

Wie oben bei Schritt 140 angegeben ist, kann die Metallisierungsstruktur 212 an dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 in elektrischen Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 aufgebracht und angeordnet werden. Die aufgebrachte Metallisierungsstruktur 212 kann dabei eine sogenannte „Interdigitalstruktur“ aufweisen.As above at step 140 is specified, the metallization structure 212 at the surface area 202a the piezoelectric layer 202 in electrical contact with the conductive electrode structure 208 applied and arranged. The applied metallization structure 212 can have a so-called "interdigital structure".

Die Ansteuerung des gesamten Stapels, d.h. des piezoelektrischen Stapelaktuators 200, kann schließlich von einer Signalquelle mit einer relativ niedrigen Steuerspannung VP (z.B. in einem Bereich von 10 V oder zwischen 5 und 15 V) über diese Metallisierungsstruktur bzw. Interdigitalstruktur 212 erfolgen. Die entstehende Dehnung ΔS kann dann entweder direkt genutzt werden, wenn die piezoelektrische Schicht 202 freigestellt ist, d.h. von dem Substrat 203 mechanisch entkoppelt oder entfernt ist, oder es kann beispielsweise in einer Bimorph-Anordnung eine starke Verbiegung generiert werden, wenn die piezoelektrische Schicht 202 mit dem Substrat 203 mechanisch fest gekoppelt ist.The control of the entire stack, ie the piezoelectric Stapelaktuators 200 , finally, may be from a signal source having a relatively low control voltage V P (eg in a range of 10 V or between 5 and 15 V) via this metallization structure or interdigital structure 212 respectively. The resulting strain ΔS can then be used either directly when the piezoelectric layer 202 is released, ie from the substrate 203 mechanically decoupled or removed, or it can be generated in a bimorph arrangement, for example, a strong bend when the piezoelectric layer 202 with the substrate 203 mechanically firmly coupled.

Die Realisierung des lateralen Stapelaktuators 200 kann somit in mehreren Formen erfolgen. So kann einerseits die piezoelektrische Schicht (PZT-Schicht) 202 auf einem (gedünnten) Substrat 203 als bimorphes Biegeelement wirksam sein bzw. genutzt werden. Andererseits kann die piezoelektrische Schicht 202 auch von dem Substrat 203 gelöst und als eine freitragende Membran mit einem sehr großen Hub ΔS ausgebildet und betrieben werden. Somit kann die piezoelektrische Schicht des resultierenden piezoelektrischen Stapelaktuators 200 auch zur Auslenkung beispielsweise einer Membran bzw. einer Schallwandlermembran ausgebildet sein.The realization of the lateral stack actuator 200 can thus be done in several forms. So on the one hand, the piezoelectric layer (PZT layer) 202 on a (thinned) substrate 203 be effective or used as a bimorph bending element. On the other hand, the piezoelectric layer 202 also from the substrate 203 be solved and designed as a self-supporting membrane with a very large stroke ΔS and operated. Thus, the piezoelectric layer of the resulting piezoelectric stack actuator 200 be designed for the deflection, for example, a membrane or a sound transducer membrane.

Im Folgenden wird nun anhand der 2 ein piezoelektrischer Stapelaktuator 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.The following will now be based on the 2 a piezoelectric stack actuator 200 described according to an embodiment.

Der piezoelektrische Stapelaktuator 200 umfasst eine piezoelektrische Schicht 202, die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 Zwischenräume 206 mit Kanälen 206a und Gräben 206b zwischen benachbarten Säulen 204 in der piezoelektrischen Schicht 202 ausgebildet sind. Eine leitfähige Elektrodenstruktur 208 ist in der piezoelektrischen Schicht 202 angeordnet, wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur 208 ausgehend von dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 vertikal (in -y-Richtung) in eine Mehrzahl der Kanäle 206a der piezoelektrischen Schicht 202 erstreckt. Ein Isolationsmaterial 210 ist zumindest bereichsweise in verbleibenden Zwischenräume 206 in der piezoelektrischen Schicht 202 angeordnet, um benachbarte Säulen 204 zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln bzw. zu verbinden. Eine Metallisierungsstruktur 212 ist an dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht 202 in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 in der piezoelektrischen Schicht 202 angeordnet.The piezoelectric stack actuator 200 includes a piezoelectric layer 202 having a columnar layer structure, wherein due to the columnar layer structure starting from a surface region 202a the piezoelectric layer 202 interspaces 206 with channels 206a and ditches 206b between adjacent columns 204 in the piezoelectric layer 202 are formed. A conductive electrode structure 208 is in the piezoelectric layer 202 arranged, wherein the conductive electrode structure 208 starting from the surface area 202a the piezoelectric layer 202 vertically (in -y direction) into a plurality of channels 206a the piezoelectric layer 202 extends. An insulation material 210 is at least partially in remaining spaces 206 in the piezoelectric layer 202 arranged to adjacent columns 204 at least partially mechanically coupled or connect to each other. A metallization structure 212 is at the surface area 202a the piezoelectric layer 202 in electrical contact with the conductive electrode structure 208 in the piezoelectric layer 202 arranged.

Die piezoelektrische Schicht 202 weist ein PZT-Material (PZT = Blei-Zikonat-Titanat) auf, wobei die piezoelektrische Schicht 202 anisotrop und kolumnar ausgebildet sein kann, und eine Schichtdicke zwischen 5 und 50 µm oder zwischen 15 und 35 µm aufweist. Die Zwischenräume 206b zwischen benachbarten Säulen 204 sind zumindest zu 80% oder 90% von dem verflüssigten Metallmaterial freigehalten. Das Isolationsmaterial 210 ist zumindest bereichsweise in den Zwischenräumen 206 in der piezoelektrischen Schicht 202 eingebracht, um eine laterale Kopplung der säulenförmigen Schichtstruktur zu erhalten. Die piezoelektrische Stapelstruktur ist als piezoelektrischer Stapelaktuator 200 ausgebildet.The piezoelectric layer 202 has a PZT material (PZT = lead zikonate titanate), wherein the piezoelectric layer 202 may be anisotropic and columnar, and has a layer thickness between 5 and 50 microns or between 15 and 35 microns. The gaps 206b between adjacent columns 204 At least 80% or 90% of the liquefied metal material is kept free. The insulation material 210 is at least partially in the interstices 206 in the piezoelectric layer 202 introduced to obtain a lateral coupling of the columnar layer structure. The piezoelectric stack structure is a piezoelectric stack actuator 200 educated.

Die Stapelstruktur kann auf einem (gedünnten) Substrat 203 aufgebracht sein, um als ein bimorphes Biegeelement wirksam zu sein, wie dies beispielhaft in 2 dargestellt ist.The stack structure may be on a (thinned) substrate 203 be applied to be effective as a bimorph bending element, as exemplified in 2 is shown.

Wie nun in der beispielhaften perspektivischen Darstellung des piezoelektrisches Stapelaktuators 200 von 2 gezeigt ist, weist die Elektrodenstruktur 208 eine sogenannte „Interdigital-Struktur“ mit den fingerartigen Strukturen 208-n der Elektrodenstruktur 208 auf. An die Elektrodenstruktur 208 kann nun über die Metallisierungsstruktur 212, beispielsweise zwischen die Anschlusselektroden 212a, 212b der Metallisierungsstruktur 212 mittels einer Spannungsquelle 214 ein Potenzial VP angelegt werden, dessen resultierendes elektrisches Feld innerhalb der piezoelektrischen Schicht 202 eine Auslenkung ΔS (Dehnung bzw. Kontraktion) entlang der Längsrichtung (vgl. x-Richtung des Koordinatensystems bei 2) bewirkt. Ist die piezoelektrische Schicht 202 nun beispielsweise fest mit dem Substrat 203 verbunden, wird diese laterale Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 202 (im Betrieb) in eine Krümmung bzw. Auslenkung in y-Richtung umgesetzt. As in the exemplary perspective view of the piezoelectric stack actuator 200 from 2 is shown has the electrode structure 208 a so-called "interdigital structure" with the finger-like structures 208-n the electrode structure 208 on. To the electrode structure 208 can now via the metallization structure 212 , for example, between the terminal electrodes 212a . 212b the metallization structure 212 by means of a voltage source 214 a potential V P be applied, the resulting electric field within the piezoelectric layer 202 a deflection .DELTA.S (elongation or contraction) along the longitudinal direction (see x-direction of the coordinate system at 2 ) causes. Is the piezoelectric layer 202 Now, for example, firmly with the substrate 203 connected, this lateral deflection of the piezoelectric layer 202 (in operation) converted into a curvature or deflection in the y direction.

Bei einer sogenannten „Bimorph-Anordnung“ ist der piezoelektrische Stapel lateral an einem Biegebalken (Cantilever) oder einer auslenkbaren Membran angeordnet, so dass eine elektrische Aktivierung des piezoelektrischen Stapelaktuators als Aktuatorbewegung eine Auslenkung des Biegebalkens oder der Membran bewirkt.In a so-called "bimorph arrangement", the piezoelectric stack is arranged laterally on a bending beam (cantilever) or a deflectable membrane, so that an electrical activation of the piezoelectric stack actuator as actuator movement causes a deflection of the bending beam or the membrane.

Alternativ (nicht gezeigt in 2) kann die piezoelektrische Stapelstruktur 200 auch von dem Substrat 203 gelöst sein und als eine freitragende Membran mit einem großen Hub ΔS (parallel/entlang der x-Richtung von 2) ausgebildet und betrieben werden. Die piezoelektrische Stapelstruktur 200 kann zur Auslenkung einer Membran oder einer Schallwandlermembran ausgebildet sein.Alternatively (not shown in FIG 2 ), the piezoelectric stack structure 200 also from the substrate 203 be solved and as a self-supporting membrane with a large stroke ΔS (parallel / along the x-direction of 2 ) are trained and operated. The piezoelectric stack structure 200 can be designed for the deflection of a membrane or a Schallwandlermembran.

Im Folgenden wird anhand der 3A-C der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff „kolumnare“ bzw. „säulenförmige“ Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht (PZT-Schicht) 202 näher erläutert.The following is based on the 3A-C the term "columnar" or "columnar" layer structure of the piezoelectric layer (PZT layer) used in the present specification 202 explained in more detail.

3A zeigt beispielhaft eine Querschnittsansicht (einen Bruch) durch eine z.B. 25 µm dicke piezoelektrische Schicht (PZT-Schicht) 202, die beispielsweise mittels eines GFS-Prozesses auf ein Substrat 203 aufgebracht wurde. Wie in 3A ersichtlich ist, weist die piezoelektrische Schicht 202 eine ausgeprägte kolumnare Struktur auf. So erstrecken sich die einzelnen Säulen 204 von dem Oberflächenbereich 202a der piezoelektrischen Schicht bis zu deren Bodenbereich 202b. Wie in 3A ersichtlich ist, erstreckt sich ein Großteil, zumindest 70 % der Säulen 204 bis in eine Tiefe D2 der piezoelektrischen Schicht 202, die zumindest 80 % der Gesamtdicke D1 der piezoelektrischen Schicht 202 beträgt. Ein Anteil der Säulen 204 kann bis zu dem Bodenbereich 202b, d.h. bis zu dem Substrat 203 reichen, wobei zumindest ein Teil der Säulen 204 auch in dem Bodenbereich 202b bereits aufgrund des jeweiligen Herstellungsprozesses (stoffschlüssig) miteinander verbunden bzw. als ein zusammenhängender Materialverbund ausgebildet sein können. Die säulenförmige Schichtstruktur kann sich beispielsweise ausgehend von dem Oberflächenbereich 202a bis in eine Tiefe von D2 ≥ 0,8 D1 (oder zwischen 80% und 90% der Dicke D1) in die Schicht 202 erstrecken, so dass sichergestellt werden kann, dass die leitfähige Elektrodenstruktur 208 ausreichend tief, d.h. zumindest bis in eine Tiefe D2 oder auch vollständig, in die piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden kann. Das Verhältnis zwischen der Dicke D2 der säulenförmige Schichtstruktur und der Gesamtdicke D1 der piezoelektrischen Schicht 202 hängt dabei von den Prozessparametern (Abscheideparametern) des Herstellungsprozesses der piezoelektrischen Schicht 202 ab und kann somit innerhalb gewisser Grenzen auch nach Bedarf eingestellt werden. 3A shows by way of example a cross-sectional view (a fracture) through an eg 25 μm thick piezoelectric layer (PZT-layer) 202 , for example, by means of a GFS process on a substrate 203 was applied. As in 3A it can be seen has the piezoelectric layer 202 a pronounced columnar structure. This is how the individual columns extend 204 from the surface area 202a the piezoelectric layer up to its bottom area 202b , As in 3A As can be seen, a majority, at least 70% of the columns 204 to a depth D2 of the piezoelectric layer 202 which is at least 80% of the total thickness D1 of the piezoelectric layer 202 is. A proportion of the columns 204 can be up to the bottom area 202b ie, to the substrate 203 rich, with at least a portion of the columns 204 also in the ground area 202b Already due to the respective manufacturing process (cohesively) connected to each other or can be formed as a coherent composite material. The columnar layer structure may be, for example, starting from the surface area 202a to a depth of D2 ≥ 0.8 D1 (or between 80% and 90% of the thickness D1) in the layer 202 extend so that it can be ensured that the conductive electrode structure 208 sufficiently deep, ie at least to a depth D2 or completely, in the piezoelectric layer 202 can be introduced. The ratio between the thickness D2 of the columnar layer structure and the total thickness D1 of the piezoelectric layer 202 depends on the process parameters (deposition parameters) of the manufacturing process of the piezoelectric layer 202 and can therefore be adjusted within certain limits as needed.

Um möglichst eine gleichmäßige und hohe Auslenkung der piezoelektrischen Schicht 202 möglichst über die gesamte Dicke D1 zu erhalten, kann die leitfähige Elektrodenstruktur 208 „im Idealfall“ in die gesamte piezoelektrische Schicht 202 eingebracht werden, d.h. sich im Wesentlichen vertikal durch die gesamte Dicke D1 (oder zumindest zu 80 %, 85 %, 90 % oder 95%) durch die piezoelektrische Schicht 202 erstrecken. To as uniform a high and high deflection of the piezoelectric layer 202 possibly over the entire thickness D1, the conductive electrode structure 208 may "ideally" into the entire piezoelectric layer 202 are introduced, ie substantially vertically through the entire thickness D1 (or at least 80%, 85%, 90% or 95%) through the piezoelectric layer 202 extend.

Typische Abmessungen der piezoelektrischen Schicht 202 können je nach den gewählten Abscheideparametern in folgenden Bereichen liegen. So können beispielsweise die Säulen 204 der piezoelektrischen Schicht 202 einen (mittleren) Durchmesser von 10 - 30 nm aufweisen. Eine typische Schichtdicke D1 der piezoelektrischen Schicht 202 liegt in einem Bereich von 20 µm ± 10 µm, während die Dicke der säulenförmigen Schichtstruktur D2 in einem Bereich von 80% bis 90% bzw. 80% bis 85% der Gesamtdicke D1 liegt. Somit kann eine Basisschicht mit einer Schichtdicke D3 in einem Bereich von 1 - 2 µm vorliegen. Als Basisschicht wird der Bereich der piezoelektrischen Schicht 202 bezeichnet, in der keine (nutzbaren) Zwischenräume 206 mit Kanälen 206a und Gräben 206b in der piezoelektrischen Schicht 202 vorhanden sind.Typical dimensions of the piezoelectric layer 202 may be in the following ranges depending on the selected deposition parameters. For example, the columns 204 the piezoelectric layer 202 have a (mean) diameter of 10 - 30 nm. A typical layer thickness D1 of the piezoelectric layer 202 is in a range of 20 microns ± 10 microns, while the thickness of the columnar layer structure D2 is in a range of 80% to 90% and 80% to 85% of the total thickness D1. Thus, a base layer with a layer thickness D3 in a range of 1 - 2 microns are present. As the base layer, the area of the piezoelectric layer becomes 202 denotes, in the no (usable) spaces 206 with channels 206a and ditches 206b in the piezoelectric layer 202 available.

3B zeigt eine beispielhafte Aufsicht auf einen Abschnitt auf eine (z.B. schräg angeschliffene) piezoelektrische Schicht 202 (PZT-Schicht) mit den interkolumnaren Zwischenräumen bzw. Poren 206, mit den Kanälen 206a und den Gräben 206b zwischen benachbarten Säulen 204. In der Teildraufsicht von 3B ist jeweils nur eine Säule 204 und nur ein Kanal 206a und ein Graben 206b (aus einer Vielzahl dieser Elemente) exemplarisch mit einem Bezugszeichen versehen. 3B shows an exemplary plan view of a portion of a (eg obliquely ground) piezoelectric layer 202 (PZT layer) with the intercolumnar spaces or pores 206 , with the channels 206a and the trenches 206b between adjacent columns 204 , In the partial top view of 3B is only one column at a time 204 and only one channel 206a and a ditch 206b (Of a variety of these elements) exemplified by a reference numeral.

Wie aus der Draufsicht von 3B eines Abschnitts der piezoelektrischen Schicht 202 zu erkennen ist, sind die einzelnen Säulen (PZT-Säulen) 204, d.h. jeweils zwei seitlich aneinander angrenzende Säulen 204, durch relativ schmale Gräben 206b voneinander getrennt. An den Stellen in dem piezoelektrischen Substrat 202, an denen drei Säulen (Kolumnen) 204 zusammentreffen, öffnet sich bzw. bildet sich ein vertikaler Kanal 206a mit einem deutlich größeren Durchmesser bzw. einer deutlich größeren Breite als die dazu schmäleren Gräben 206b zwischen zwei benachbarten Säulen 204. Die Kanäle 206a erstrecken sich beispielsweise über eine Tiefe D2 von bis zu 80 % der Schichtdicke D1 in das Material der piezoelektrischen Schicht 202.As seen from the top view of 3B a portion of the piezoelectric layer 202 it can be seen, the individual columns (PZT columns) 204 , ie two laterally adjacent columns 204 through relatively narrow trenches 206b separated from each other. At the locations in the piezoelectric substrate 202 in which three columns (columns) 204 coincide, opens or forms a vertical channel 206a with a significantly larger diameter or a significantly larger width than the narrower trenches 206b between two adjacent columns 204 , The channels 206a extend for example over a depth D2 of up to 80% of the layer thickness D1 in the material of the piezoelectric layer 202 ,

Die Kanäle 206a bilden sich also im Wesentlichen vertikal in der piezoelektrischen Schicht 202 an Positionen aus, an denen drei Säulen 204 benachbart sind bzw. zusammentreffen. Als Kanäle 206a werden im Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung solche Bereiche zwischen benachbarten Säulen bezeichnet, deren Querschnittsfläche (i.W. parallel zum Oberflächenbereich 202a) folgender Länge(L)-zu-Breite(B)-Beziehung genügt: L n B , mit  0,3 n 3 .

Figure DE102016225671A1_0001
The channels 206a Thus, substantially vertically form in the piezoelectric layer 202 at positions at which three columns 204 are adjacent or meet. As channels 206a In the context of the present description, those areas between adjacent columns are referred to whose cross-sectional area (iW parallel to the surface area 202a ) of the following length (L) -to-width (B) relationship is sufficient: L n * B , With 0.3 n 3 ,
Figure DE102016225671A1_0001

Die Kanäle 206a können beispielsweise einen Durchmesser bzw. eine Breite von 20 bis 30 nm aufweisen.The channels 206a For example, they may have a diameter or a width of 20 to 30 nm.

Die Bereiche 206b bilden sich zwischen zwei benachbarten Säulen 204 aus, wobei die Gräben 206b eine geringere Breite als die Kanäle aufweisen, wobei hinsichtlich des Länge(L)-zu-Breite(B)-Verhältnisses der Gräben 206b folgende Annahme gilt: L>>B , mit L>m B und m>3 bzw . m 10 .

Figure DE102016225671A1_0002
The areas 206b form between two adjacent columns 204 out, with the trenches 206b have a smaller width than the channels, with respect to the length (L) -to-width (B) ratio of the trenches 206b the following assumption applies: L >> B , with L> m * B and m> 3 resp , m 10 ,
Figure DE102016225671A1_0002

Ein beispielhafter Wert für die Breite B eines Grabens liegt in dem Bereich von 1 bis 5 nm.An exemplary value for the width B of a trench is in the range of 1 to 5 nm.

Wie das Diagramm in 3C verdeutlicht, kann die beispielhaft in den 3A und 3B dargestellte piezoelektrische Schicht 202 eine mehrheitliche Porengröße von 10 bis 50 nm und ein kumulatives Porenvolumen von 4,5 mm3/g aufweisen. Diese beispielhaften Werte können mit einer Quecksilber-Porosimetrie-Messung ermittelt werden. Bei einer Quecksilber-Porosimetrie-Messung wird flüssiges Quecksilber in die Porenstruktur eingepresst. Das Quecksilber verbleibt aber im Unterschied zu flüssigem Gallium nach dem Ablassen des Drucks nicht in den Poren 206.Like the diagram in 3C clarified, the example in the 3A and 3B shown piezoelectric layer 202 have a majority pore size of 10 to 50 nm and a cumulative pore volume of 4.5 mm 3 / g. These exemplary values can be determined by a mercury porosimetry measurement. In a mercury porosimetry measurement, liquid mercury is injected into the pore structure. However, mercury, unlike liquid gallium, does not remain in the pores after release of pressure 206 ,

Die (dicken) kolumnaren piezoelektrischen Schichten (PZT-Schichten) 202 können mit einer Dicke D1 in einem Bereich von 5 µm bis 25µm (oder noch dicker) beispielsweise mittels eines GFS-Prozesses erstellt werden, wobei GFS-Prozesse für PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapor Deposition = physikalische Gasphasenabscheidung) eine vergleichsweise hohe Abscheiderate aufweisen und die ausgeprägte kolumnare (säulenförmige) Mikrostruktur der aufgebrachten piezoelektrischen Schicht 202 ergeben. Die Dichtheit und Ausprägung der kolumnaren Struktur kann durch die Prozesstemperatur und den Einsatz eines separat gesteuerten Ionenbeschusses beeinflusst werden.The (thick) columnar piezoelectric layers (PZT layers) 202 can be made with a thickness D1 in a range of 5 microns to 25 microns (or even thicker), for example by means of a GFS process, with GFS processes for PVD (PVD = Physical Vapor Deposition) have a relatively high deposition rate and the pronounced columnar ( columnar) microstructure of the deposited piezoelectric layer 202 result. The tightness and character of the columnar structure can be influenced by the process temperature and the use of a separately controlled ion bombardment.

Das vorliegende Konzept ermöglicht nun ferner die Nutzung dieser kolumnaren piezoelektrischen Schichten zur Integration in piezoelektrischen Bauelementen, wie z.B. lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren. Laterale piezoelektrische Stapelanordnungen für den Aufbau von Aktuatoren ermöglichen die erforderlichen schlanken und hohen piezoelektrischen Strukturen mit Aspektverhältnissen (Höhen-zu-Breiten-Verhältnis) von zumindest 5:1, die sich mit herkömmlichen Dünnschichtverfahren, z.B. Ätzprozessen, nicht realisieren lassen, wobei das vorliegende Konzept ferner eine (nahezu) vollständige Verfüllung mit dem Elektrodenmaterial ermöglicht, wobei ferner eine ausreichend hohe mechanische Kopplung zwischen den verschiedenen Schichten des lateralen piezoelektrischen Stapelaktuators 200 gewährleistet wird.The present concept further allows the use of these columnar piezoelectric layers for integration in piezoelectric devices, such as lateral piezoelectric stack actuators. Lateral piezoelectric stacking arrangements for the construction of actuators allow the required slender and high piezoelectric structures with aspect ratios (height-to-width ratio) of at least 5: 1, which can not be realized with conventional thin-film methods, eg etching processes, the present concept Furthermore, a (nearly) complete filling with the electrode material allows, further comprising a sufficiently high mechanical coupling between the different layers of the lateral piezoelectric stack actuator 200 is guaranteed.

Das Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur 208 in die kolumnare Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht 202 erfolgt gemäß dem vorliegenden Konzept (vertikal) entlang der Schichtdicke in die engen Spalten (Kanäle) zwischen den piezoelektrischen Säulen (PZT-Säulen), wobei aber gleichzeitig ein seitliches Untergreifen des verflüssigten Elektrodenmaterials beim Einbringen desselben (i.W.) vermieden wird, um einen elektrischen Kontakt zwischen benachbarten (elektrisch getrennten) Elektrodenstrukturabschnitten bzw. Elektrodenstrukturelementen zu verhindern. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept neben der elektrischen Kontaktierung die Realisierung der mechanischen Kopplung innerhalb des piezoelektrischen Schichtmaterials, so dass die Ausführung des Gesamtsystems, d.h. des lateralen piezoelektrischen Stapelaktuators 200, als Biegeelement oder Membran möglich ist.The introduction of the conductive electrode structure 208 in the columnar layer structure of the piezoelectric layer 202 according to the present concept (vertically) along the layer thickness in the narrow gaps (channels) between the piezoelectric columns (PZT columns), while at the same time avoiding lateral gripping of the liquefied electrode material upon introduction of the same (iW) to an electrical contact between adjacent (electrically separated) electrode structure sections or electrode structure elements. In addition, the inventive concept in addition to the electrical contacting allows the realization of the mechanical coupling within the piezoelectric layer material, so that the execution of the overall system, ie the lateral piezoelectric Stapelaktuators 200 , as a bending element or membrane is possible.

Das vorliegende Konzept ermöglicht somit die Realisierung von lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren 200 mit einem sehr hohen Wirkungsgrad und relativ niedrigen Herstellungskosten (Produktionskosten) z.B. für Lautsprecheranwendungen, eine äußerst hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit für Anwendungen in der adaptiven Optik (z.B. EUV-Lithographie - EUV = extreme ultraviolet), und ermöglicht ferner einen äußerst hohen Wirkungsgrad und besonders niedrige Antriebsspannungen, z.B. für Hörgeräteanwendungen etc. Die Vorteile eines vergrößerten PZT-Anteils können daher effizient in der Form von Viellagen-Aufbauten (Multilayer-Aufbauten) inklusive Ihrer Ansteuerelektroden genutzt werden.The present concept thus enables the realization of lateral piezoelectric stack actuators 200 with a very high efficiency and relatively low production costs (eg production costs) for loudspeaker applications, an extremely high precision and repeat accuracy for applications in adaptive optics (eg EUV lithography - EUV = extreme ultraviolet), and also allows a very high efficiency and very low Drive voltages, eg for hearing aid applications etc. The advantages of an increased PZT proportion can therefore be used efficiently in the form of multi-layer abutments including their drive electrodes.

Der GFS-Prozess ist ein Zerstäubungsverfahren (Sputterverfahren), das prinzipbedingt bei einem vergleichsweise hohen Prozessdruck von 10 bis 500 Pa betrieben wird. Der hohe Druck und die damit verbundene geringe mittlere freie Weglänge ermöglichen säulenförmige (kolumnare) Schichten mit ausgeprägter Porosität. Im Unterschied zu Verdampfungsverfahren können aber Säulen- und Porositätsparameter durch die Beschleunigung von Ionen mittels einer Bias-Spannung gezielt gesteuert werden.The GFS process is a sputtering process which, in principle, is operated at a comparatively high process pressure of 10 to 500 Pa. The high pressure and the associated low mean free path allow columnar (columnar) layers with pronounced porosity. In contrast to evaporation methods, however, column and porosity parameters can be specifically controlled by the acceleration of ions by means of a bias voltage.

Die vorhergehende Beschreibung hat ein neues Konzept für laterale piezoelektrische Stapelaktuatoren 200 und deren Herstellungsverfahren 100 vorgestellt.The previous description has a new concept for lateral piezoelectric stack actuators 200 and their production process 100 presented.

Das dargestellte Konzept für laterale piezoelektrische Stapelaktuatoren 200 und deren Herstellungsverfahren ermöglicht den Aufbau viellagiger lateraler piezoelektrischer Stapelaktuatoren, die eine hohe Leistungsfähigkeit und Effizienz aufweisen und mit relativen piezoelektrischen Spannungen von z.B. unter 20 V betrieben werden können. Damit können technische Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen in Betracht gezogen werden, die bisher auf dem Gebiet von piezoelektrischen Aktuatoren nicht berücksichtigt werden konnten.The illustrated concept for lateral piezoelectric stack actuators 200 and their method of manufacture allows the construction of multilayer lateral piezoelectric stack actuators, which have high performance and efficiency and can be operated with relative piezoelectric voltages of, for example, below 20V. Thus, technical solutions can be considered for a variety of applications that could previously not be considered in the field of piezoelectric actuators.

Im Folgenden werden einige mögliche Anwendungsgebiete der vorliegenden lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren beschrieben, wobei die nachfolgende Darstellung nicht als abschließend anzusehen ist, da die erfindungsgemäßen lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren bei einer Vielzahl von Anwendungen einsetzbar sind.In the following, some possible fields of application of the present lateral piezoelectric stack actuators are described, wherein the following representation is not to be regarded as conclusive, since the lateral piezoelectric stack actuators according to the invention can be used in a multiplicity of applications.

Eine mögliche Anwendung der lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren 200 liegt auf dem Gebiet von Lautsprechern für Mobiltelefone und Tablet-Computer. Heute wird der Markt von Lautsprechern dominiert, die elektromagnetisch nach dem Tauchspulen-Prinzip aufgebaut sind. Nachteilig ist aber deren extrem geringer akustischer Wirkungsgrad, der unterhalb von 1‰ liegt. Dadurch zählen die Lautsprecher aber zu den großen Verbrauchern im Mobiltelefon. Konventionelle Lautsprecher, die konventionelle piezoelektrische Keramiken nutzen, sind aufgrund geringer Hübe (Auslenkungen) auf den Bereich hoher Frequenzen (Piezo-Hochtöner) beschränkt, in welchem die erreichbare Beschleunigung der Membran wichtiger als deren Auslenkung ist. Eine miniaturisierte mechanische Übersetzung kann den erreichbaren Hub signifikant vergrößern und den nutzbaren Frequenzbereich deutlich in Richtung niedrigerer Frequenzen verschieben, allerdings zu Lasten der erreichbaren Kräfte bzw. Schallpegel.A possible application of the lateral piezoelectric stack actuators 200 lies in the field of speakers for mobile phones and tablet computers. Today, the market is dominated by loudspeakers, which are built up electromagnetically according to the plunger coil principle. The disadvantage, however, is their extremely low acoustic efficiency, which is below 1 ‰. This makes the loudspeakers but one of the major consumers in the mobile phone. Conventional loudspeakers using conventional piezoelectric ceramics are limited to the high frequency range (piezo tweeter) due to low strokes (deflections) in which the achievable acceleration of the diaphragm is more important than its deflection. A miniaturized mechanical translation can significantly increase the achievable stroke and the shift the usable frequency range significantly towards lower frequencies, but at the expense of the achievable forces or sound levels.

Die lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren 200 liefern dagegen leistungsfähige piezoelektrische Mikroaktuatoren in Stapelbauweise, die die für Lautsprecher erforderlichen Auslenkungen und Kräfte für den Betrieb der Membran bei Antriebsspannungen unterhalb von 20 V liefern können. Zudem kann durch eine ultrakompakte Bauweise eine Klangoptimierung am Mobiltelefon durch die Verwendung einer Mehrzahl dieser miniaturisierten Lautsprecher erreicht werden.The lateral piezoelectric stack actuators 200 on the other hand, powerful stacked piezoelectric microactuators provide the necessary speaker excursion and forces to operate the diaphragm at drive voltages below 20V. In addition, sound optimization on the mobile telephone can be achieved by using a plurality of these miniaturized loudspeakers through an ultra-compact design.

Als weitere Anwendungsgebiete für die lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren 200 gemäß dem vorliegenden Konzept liegen beispielsweise bei extrem kompakten piezoelektrischen Transformatoren, faseroptischen Schaltungen, adaptiven Spiegeln, Arrays von hochfrequenten piezoelektrischen Ultraschallwandlern, z.B. in Frequenzbereichen von größer 25 MHz, Lautsprechern für besonders niedrige Antriebsspannungen in implantierbaren Hörgeräten (z.B. kleiner 1,3 V) oder bei sehr schnellen Ablenkspiegeln für die Lasermaterialbearbeitung oder Lasertherapie.As further fields of application for the lateral piezoelectric stack actuators 200 According to the present concept, for example, in extremely compact piezoelectric transformers, fiber optic circuits, adaptive mirrors, arrays of high-frequency piezoelectric ultrasonic transducers, eg in frequency ranges greater than 25 MHz, loudspeakers for particularly low drive voltages in implantable hearing aids (eg less than 1.3 V) or at very fast deflection mirrors for laser material processing or laser therapy.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.

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Claims (20)

Verfahren (100) zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators (200), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (110) einer piezoelektrischen Schicht (202), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) Zwischenräume (206) mit Kanälen (206a) und Gräben (206b) zwischen benachbarten Säulen (204) in der piezoelektrischen Schicht (202) ausgebildet sind; Einbringen (120) einer leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in die piezoelektrische Schicht (202), wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur (208) ausgehend von dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in Kanäle (206a) der piezoelektrischen Schicht (202) erstreckt; Einbringen (130) eines Isolationsmaterials (210) in Zwischenräume (206) in der piezoelektrischen Schicht (202), um benachbarte Säulen (204) zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln; und Anordnen (140) einer Metallisierungsstruktur (212) an dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur (208).Method (100) for producing a piezoelectric stack actuator (200), comprising the following steps: Providing (110) a piezoelectric layer (202) having a columnar layer structure, wherein, due to the columnar layer structure, starting from a surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) interspaces (206) with channels (206a) and trenches (206b) between adjacent columns (204) are formed in the piezoelectric layer (202); Introducing (120) a conductive electrode structure (208) into the piezoelectric layer (202), the conductive electrode structure (208) starting from the surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) into channels (206a) of the piezoelectric layer (202) extends; Inserting (130) an insulating material (210) into spaces (206) in the piezoelectric layer (202) to mechanically couple adjacent columns (204) at least in regions; and Arranging (140) a metallization structure (212) on the surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) in electrical contact with the conductive electrode structure (208). Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit folgendem Schritt: Abscheiden der piezoelektrischen Schicht (202) mittels eines Gasflusssputter-Prozesses (GFS-Prozess), wobei die piezoelektrische Schicht (202) ein PZT-Material (PZT = Blei-Zirkonat-Titanat) aufweist, und wobei die piezoelektrische Schicht (202) anisotrop und kolumnar ausgebildet ist, und eine Schichtdicke zwischen 5 und 50 µm aufweist.Method according to Claim 1 further comprising the step of: depositing the piezoelectric layer (202) by a gas flow sputtering process (GFS process), wherein the piezoelectric layer (202) comprises a PZT (PZT = lead zirconate titanate) material, and wherein the piezoelectric layer Layer (202) is formed anisotropic and columnar, and has a layer thickness between 5 and 50 microns. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit folgenden Schritten: Planarisieren des Oberflächenbereichs (202a) der aufgebrachten piezoelektrischen Schicht (202); Aufbringen einer Maskenstruktur (214) auf den planarisierten Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202), wobei die für die leitfähige Elektrodenstruktur (208) in der piezoelektrischen Schicht (202) vorgesehenen Bereiche (202-1, 202-2) durch die Maskenstruktur (214) hindurch freiliegend sind; Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in von der Maskenstruktur (214) nicht bedeckte Bereiche (202-1, 202-2) der piezoelektrischen Schicht (202); und Entfernen der Maskenstruktur (214) von dem Oberflächenbereich (202a).Method according to Claim 1 or 2 further comprising the steps of: planarizing the surface area (202a) of the deposited piezoelectric layer (202); Depositing a mask structure (214) on the planarized surface region (202a) of the piezoelectric layer (202), wherein the regions (202-1, 202-2) provided for the conductive electrode structure (208) in the piezoelectric layer (202) pass through the mask structure (214) are exposed through; Inserting the conductive electrode structure (208) into regions (202-1, 202-2) of the piezoelectric layer (202) not covered by the mask structure (214); and removing the mask pattern (214) from the surface area (202a). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur in die piezoelektrische Schicht (202), wobei ein verflüssigtes Metallmaterial unter Anwenden von Druck in zumindest eine Mehrzahl der durch die Maskenstruktur (214) freiliegenden Kanäle (206a) der piezoelektrischen Schicht (202) eingebracht wird.Method according to one of the preceding claims, further comprising the following step: Introducing the conductive electrode structure into the piezoelectric layer (202), wherein a liquefied metal material is introduced by applying pressure to at least a majority of the channels (206a) of the piezoelectric layer (202) exposed by the mask structure (214). Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Metallmaterial, die Temperatur des verflüssigten Metallmaterials beim Einbringen in die piezoelektrische Schicht (202) und der ausgeübte Druck auf das verflüssigte Metallmaterial gewählt sind, um eine Mehrzahl der durch die Maskenstruktur (214) freiliegenden Kanäle zu füllen und um ferner die zwischen benachbarten Säulen (204) ausgebildeten Zwischenräume nicht oder im Mittel höchstens bis zu 20 % zu füllen.Method according to Claim 4 wherein the metal material, the temperature of the liquefied metal material upon insertion into the piezoelectric layer (202), and the applied pressure on the liquefied metal material are selected to fill a plurality of the channels exposed through the mask structure (214) and further between adjacent ones Columns (204) formed spaces not or on average not more than 20% to fill. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit folgendem Schritt: Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in die piezoelektrische Schicht (202) mittels eines ALD-Prozesses (ALD = Atomic Layer Deposition = Atomlagenabscheidung).Method according to one of Claims 1 to 3 further comprising the step of: introducing the conductive electrode structure (208) into the piezoelectric layer (202) by means of an ALD (Atomic Layer Deposition) process. Verfahren nach Anspruch 6, wobei mittels des ALD-Prozesses eine elektrisch leitfähige Schicht zumindest in eine Mehrzahl der Kanäle (206a), die durch die Maskenstruktur (214) freiliegend sind, als die leitfähige Elektrodenstruktur (208) eingebracht wird.Method according to Claim 6 wherein, by the ALD process, an electrically conductive layer is introduced as at least a plurality of the channels (206a) exposed through the mask pattern (214) as the conductive electrode structure (208). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Einbringen des Isolationsmaterials (210) mittels eines ALD-Prozesses zumindest bereichsweise in die (verbleibenden) Zwischenräume (206) in der piezoelektrischen Schicht (202), um zumindest bereichsweise eine laterale Kopplung der säulenförmigen Schichtstruktur zu erhalten.Method according to one of the preceding claims, further comprising the following step: Introducing the insulating material (210) by means of an ALD process at least partially into the (remaining) intermediate spaces (206) in the piezoelectric layer (202) in order at least partially to obtain a lateral coupling of the columnar layer structure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Entfernen des Isolationsmaterials (210) zumindest bereichsweise von der leitfähigen Elektrodenstruktur (208) an dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202).Method according to one of the preceding claims, further comprising the following step: Removing the insulating material (210) at least in regions from the conductive electrode structure (208) at the surface region (202a) of the piezoelectric layer (202). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht auf einem Substrat aufgebracht wird, um als ein bimorphes Biegeelement wirksam zu sein. A method according to any one of the preceding claims, wherein the piezoelectric layer is deposited on a substrate to be effective as a bimorph bending element. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht (202) als eine freitragende Membran ausgebildet wird.The method of any one of the preceding claims, wherein the piezoelectric layer (202) is formed as a cantilevered membrane. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht zur Auslenkung einer Membran oder einer Schallwandlermembran ausgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric layer for the deflection of a membrane or a Schallwandlermembran is formed. Lateraler piezoelektrischer Stapelaktuator (200), mit folgenden Merkmalen: einer piezoelektrischen Schicht (202), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) Zwischenräume (206) mit Kanälen (206a) und Gräben (206b) zwischen benachbarten Säulen (204) in der piezoelektrischen Schicht (202) ausgebildet sind; einer leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in der piezoelektrischen Schicht (202), wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur (208) ausgehend von dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) vertikal in eine Mehrzahl der Kanäle (206a) der piezoelektrischen Schicht (202) erstreckt; ein Isolationsmaterial (210) zumindest bereichsweise in verbleibenden Zwischenräume (206) in der piezoelektrischen Schicht (202), um benachbarte Säulen (204) zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln/zu verbinden, eine Metallisierungsstruktur (208) an dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in der piezoelektrischen Schicht (202).Lateral piezoelectric stack actuator (200), having the following features: a piezoelectric layer (202) having a columnar layer structure, wherein, due to the columnar layer structure, starting from a surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) there are spaces (206) with channels (206a) and trenches (206b) between adjacent columns (204 ) are formed in the piezoelectric layer (202); a conductive electrode structure (208) in the piezoelectric layer (202), the conductive electrode structure (208) extending vertically from the surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) into a plurality of the channels (206a) of the piezoelectric layer (202). extends; an insulating material (210) at least in regions in remaining intermediate spaces (206) in the piezoelectric layer (202) in order to at least partially mechanically connect / connect adjacent columns (204) with each other, a metallization structure (208) on the surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) in electrical contact with the conductive electrode structure (208) in the piezoelectric layer (202). Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß Anspruch 13, wobei die piezoelektrische Schicht (202) ein PZT-Material (PZT = Blei-Zikonat-Titanat) aufweist, und wobei die piezoelektrische Schicht (202) anisotrop und kolumnar ausgebildet ist, und eine Schichtdicke zwischen 5 und 50 µm aufweist.Piezoelectric stack structure according to Claim 13 wherein the piezoelectric layer (202) comprises a PZT material (PZT = lead zikonate titanate), and wherein the piezoelectric layer (202) is anisotropic and columnar in shape, and has a layer thickness between 5 and 50 μm. Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Zwischenräume (206) zwischen benachbarten Säulen (204) zumindest zu 80 % von dem verflüssigten Metallmaterial freigehalten sind.Piezoelectric stack structure according to Claim 13 or 14 wherein the interspaces (206) between adjacent columns (204) are at least 80% free of the liquefied metal material. Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Isolationsmaterial (210) zumindest bereichsweise in den Zwischenräumen (206) in der piezoelektrischen Schicht (202) eingebracht ist, um eine laterale Kopplung der säulenförmigen Schichtstruktur zu erhalten.Piezoelectric stack structure according to one of Claims 13 to 15 in that the insulating material (210) is introduced at least in regions in the intermediate spaces (206) in the piezoelectric layer (202) in order to obtain a lateral coupling of the columnar layer structure. Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die piezoelektrische Stapelstruktur als piezoelektrischer Stapelaktuator (200) ausgebildet ist.Piezoelectric stack structure according to one of Claims 13 to 16 wherein the piezoelectric stack structure is formed as a piezoelectric stack actuator (200). Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Stapelstruktur (200) auf einem (gedünnten) Substrat (203) aufgebracht ist und als ein bimorphes Biegeelement wirksam ist.Piezoelectric stack structure according to one of Claims 13 to 17 wherein the stacking structure (200) is mounted on a (thinned) substrate (203) and acts as a bimorph bending element. Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die piezoelektrische Stapelstruktur (200) als eine freitragende Membran ausgebildet ist.Piezoelectric stack structure according to one of Claims 13 to 17 wherein the piezoelectric stack structure (200) is formed as a cantilevered membrane. Piezoelektrische Stapelstruktur gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die piezoelektrische Stapelstruktur zur Auslenkung einer Membran oder einer Schallwandlermembran ausgebildet ist.Piezoelectric stack structure according to one of Claims 13 to 19 , wherein the piezoelectric stack structure is designed for the deflection of a membrane or a Schallwandlermembran.
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