Kristallquarz auf Silizium gezüchtet

Quarz ist nach Feldspat das zweithäufigste Mineral auf der Erde. Doch für elektronische Anwendungen, etwa als Schwingquarz in Uhren, müssen mühsam hochreine Kristalle gefertigt und zugeschnitten werden. Französische Wissenschaftler haben nun ein neues Verfahren entwickelt, um einfacher, schneller und günstiger piezoelektrische Quarzkristalle in hauchdünnen Schichten auf Silizium zu züchten. Die Methode könnte zu verbesserten Oszillatoren und mikroelektromechanischen Systemen führen.

Das Team um Clément Sanchez von der Université de Paris VI benetzte für die Fertigung von kristallinen Quarzschichten einen Träger aus Silizium mit einer Lösung, in der neben Silanen auch spezielle Bromverbindungen, Strontium- und Bariumsalze enthalten waren. Verdampfte daraufhin das wässrig-alkoholische Lösungsmittel, bildeten sich selbstständig poröse Schichten aus amorphem Siliziumdioxid. Diese heizten die Forscher mit bis zu 1000 Grad heißer Luft auf, wodurch sich das zuvor glasartige Siliziumdioxid in kleine Quarzkristalle umwandelte. Diesen Prozess nennen Experten „Devitrifikation“ oder auch Entglasung. Dank der zugesetzten Strontium- und Bariumsalze lagerten sich die sogenannten α-Quarz-Kristalle in streng geordneten Mustern an. Nur in dieser Form ist die Qualität der Quarzschichten gut genug, um als Schwingquarz in Uhren oder Drucksensoren für Waagen genutzt werden zu können.

Je nach den experimentellen Randbedingungen konnten Sanchez und Kollegen den Grad der Porösität der kristallinen Quarzschicht von etwa 200 Nanometer Dicke kontrollieren und sogar geschlossene Kristalllagen züchten. Diese zeigten trotz seines polykristallinen Aufbaus eine geordnete Orientierung der einzelnen α-Quarz-Kristalle. Die Details dieser Ordnung konnten die Forscher anhand von Röntgenbeugungsanalysen und mit Aufnahmen eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) erkennen. Als weiterer Maßstab für die Qualität der Schichten diente ein messbarer piezoelektrischer Effekt, der elektronische Anwendungen von Quarz – als Schwingquarz und Taktgeber in Uhren oder für Drucksensoren – erst möglich macht.

Obwohl dieser Fertigungsprozess mehrere Arbeitsschritte benötigt, sei er nach Aussage der Forscher schon heute leicht skalierbar und für die Produktion strukturierter, piezoelektrischer Dünnschichtfilme, die epitaktisch auf Silizium-Trägern wachsen, geeignet. Nicht nur bessere Drucksensoren und Oszillatoren für die Informationstechnik halten die Forscher mit ihren kristallinen Quarzschichten für möglich. Wegen der hohen Qualität der Schichten könne auch mit Anwendungen für filigrane elektromechanische Systeme und in der Terahertz-Optik gerechnet werden.

Jan Oliver Löfken

PH