CN108603306A - 单晶压电层的制造方法和包含该层的微电子、光子或光学器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造作为单晶压电层的层(10)的方法，其特征在于，该方法包括：‑提供所述压电材料的供体衬底(100)，‑提供受体衬底(110)，‑将称为“胚层”(102)的层从所述供体衬底(100)转移至受体衬底(110)，‑对胚层(102)上的压电材料实施外延直至获得单晶压电层(10)所需的厚度。

Description

单晶压电层的制造方法和包含该层的微电子、光子或光学 器件
技术领域
本发明涉及单晶压电材料层、特别是应用于微电子、光子或光学器件的单晶压电材料层的制造方法。具体而言但并非限制，所述器件可以是用于射频应用的体声波器件或表面声波器件。
背景技术
在射频领域中用于滤波的声学部件中，可以分为两类主要的滤波器：
-第一，“表面声波”(SAW)滤波器；
-第二，“体声波”(BAW)滤波器和谐振器；
对这些技术的综述在W.Steichen和S.Ballandras的文章“Composantsacoustiques utilisés pour le filtrage–Revue des différentes technologies”(用于滤波的声学部件——各种技术的综述),Techniques de l’Ingénieur,E2000,2008中给出。
表面声波滤波器典型地包括厚压电层(换言之，厚度通常等于数百微米(μm))和沉积在所述压电层的表面上的叉指梳状的两个电极。施加至电极的电信号(通常为电压变化)被转化为弹性波，其在压电层的表面上传播。如果波的频率与滤波器的频带相对应，则弹性波的传播得到促进。该波在到达另一电极时再次被转化为电信号。
体声波滤波器典型地包括薄压电层(换言之，厚度通常远小于1μm)和形成在所述薄层的各主面上的两个电极。施加至电极的电信号(通常为电压变化)被转化为弹性波，其传播经过压电层。如果此弹性波的频率与滤波器的频带相对应，则该弹性波的传播得到促进。该波在到达位于相反面上的电极时再次被转化为电压。
在表面声波滤波器的情形中，压电层必须具有优异的晶体质量，从而不会造成表面波的衰减。因此在此情况下，优选使用单晶层。目前，工业上可使用的合适材料为石英、LiNbO3或LiTaO3。压电层通过切割来自所述材料之一的晶锭来获得，如果波必须基本上在表面上传播，则所述层的厚度所需的精度并不十分重要。
在体声波滤波器的情形中，压电层必须在整个层中具有确定且均一的厚度，且必须受到精确控制。另一方面，由于晶体质量退至滤波器性能的重要参数的次一级别，目前对于晶体质量进行了妥协，并且长期以来认为多晶层是可接受的。因此，压电层通过在支持衬底(例如，硅衬底)上沉积而形成。目前，工业上用于这种沉积的材料是AlN、ZnO和PZT。
因此，在两种技术中的材料选择极为有限。
取决于滤波器制造商的规格，材料选择是在滤波器的不同性质间妥协的结果。
理想的是能够使用除上文列出那些以外的更多材料，以便在体声波滤波器或表面声波滤波器的设计方面提供更多自由度。特别是，传统上用于表面声波滤波器的材料可以代表用于体声波滤波器的令人关注的替代品。
然而，这迫使要获得这些材料的薄、均一且品质良好的层。
第一种可能是利用抛光和/或蚀刻技术将从晶锭切割的厚层减薄。然而，这些技术导致材料的大量损失并且无法实现具有所需均一性的数百纳米厚的层。
第二种可能是利用Smart CutTM型层转移，其通过在石英、LiNbO3或LiTaO3的供体衬底中建立弱化区从而界定待转移的薄层，通过将所述待转移层键合至支持衬底并将供体衬底沿弱化区从支持衬底剥离从而将薄层转移至支持衬底上来进行。然而，通过在供体衬底中的离子注入来建立弱化区损害转移的层并且使其压电晶体劣化。由于压电层的复杂晶体结构且损伤机制似乎不同于发生于硅中发生的机制所致，已知用于转移硅层的固化方法(特别是焙烧)并非总能完全修复所述压电层。
最后，即使已对诸如蓝宝石等衬底进行了一些测试，但目前还没有合适的衬底(特别是具有适当的晶格参数)来以足够的品质通过异质外延形成以石英、LiNbO3或LiTaO3制成的单晶薄层。
发明内容
本发明的一个目的是克服上述缺点，特别是设计由更大范围的材料制造用于微电子、光子或光学器件(具体而言但非限制，体声波器件或表面声波器件)的衬底的方法，特别是使得能够获得用于表面声波器件的材料的均一薄层(换言之，小于20μm厚，或甚至小于1μm厚)。而且，该方法必须还使得可以使用比现有体声波器件中可行的更广的多种多样的支持衬底。
本发明公开了一种制造作为单晶压电层的层的方法，其特征在于，该方法包括：
-提供所述压电材料的供体衬底，
-提供受体衬底，
-将称为“胚层”的层从所述供体衬底转移至受体衬底上，
-对胚层上的压电材料实施外延直至获得单晶压电层所需的厚度。
根据一个实施方式，胚层的转移包括以下步骤：
-在供体衬底中形成弱化区从而界定待转移的胚层，
-将供体衬底键合于受体衬底上，待转移的胚层处于界面处，
-将供体衬底沿弱化区剥离从而将胚层转移至受体衬底上。
弱化区可以通过在供体衬底中的离子注入而形成。
优选地，压电材料选自石英和具有式LiXO3的化合物，其中X选自铌和钽。
有利地，所述胚层的厚度小于2μm，且优选小于1μm。
根据一个实施方式，在所述外延步骤前，将转移至受体衬底上的胚层的厚度的一部分去除。
有利地，在所述外延步骤结束时，单晶压电层的厚度为0.2μm至20μm。
根据一个实施方式，在受体衬底和胚层之间的界面处形成至少一个电绝缘层和/或至少一个导电层。
根据一个特定实施方式，所述方法包括在外延后将单晶压电层的至少一部分转移至最终衬底。
有利地，所述方法包括在所述转移至最终衬底的步骤之后去除胚层。
有利地，受体衬底由半导体材料制成并且其包括位于胚层和受体衬底之间的中间富阱层。
另一个目的涉及用于微电子、光子或光学器件的衬底，其包括处于受体衬底上的单晶压电层，其特征在于，压电层具有位于与受体衬底的界面处的第一部分和从该第一部分延伸的第二部分，并且第二部分的特性不同于第一部分的特性。
另一个目的涉及制造体声波器件的方法，其包括在压电层相反的两个主面上形成电极，其特征在于，该方法包括利用如上所述的方法来制造所述压电层。
另一个目的涉及体声波器件，其特征在于，该体声波器件包括能够通过如上所述的方法获得的压电层以及安置于所述层的两个相反主面上的两个电极。
另一个目的涉及制造表面声波器件的方法，其包括在压电层的表面上形成两个叉指电极，其特征在于，该方法包括利用如上所述的方法来制造所述压电层。
另一个目的涉及表面声波器件，其特征在于，该表面声波器件包括能够通过如上所述的方法获得的压电层以及安置于所述压电层的一面上的两个叉指电极。
附图说明
本发明的其它特征和优点将在阅读下文的具体描述后并参照附图而变得清楚可见，其中：
-图1是表面声波滤波器的主截面图，
-图2是体声波滤波器的主截面图，
-图3A至3E示出了根据本发明的一个实施方式的单晶压电层的制造方法中的连续步骤；
-图3F至3H示出了所述方法的可选的后续步骤。
所示出的要素并不一定按比例绘制，以改善附图的可读性。此外，不同的图中由相同附图标记指定的要素是相同的。
具体实施方式
图1是表面声波滤波器的主视图。
所述滤波器包括压电层10和沉积于所述压电层的表面上的两个叉指金属梳形式的两个电极12、13。在与电极12、13相反的一侧上，压电层承载在支持衬底11上。压电层10是单晶的，优选具有优异的晶体品质从而不会导致表面波的任何衰减。
图2是体声波谐振器的主截面图。
谐振器包括薄压电层(换言之，厚度通常小于2μm，且优选小于0.2μm)和安置于所述压电层10的各侧的两个电极12、13，由于本发明的制造方法，所述压电层10是单晶的。压电层10驻留在支持衬底11上。可选地，衬底的谐振器可以通过在电极13和衬底11之间插入布拉格镜14而被隔离，由此避免波在衬底中的传播。作为另选(未示出)，这种隔离可以通过在衬底和压电层之间形成空腔来实现。这些不同的布置是本领域技术人员所已知的，因此在本文中不进行详细描述。
一般而言，本发明公开了借助于针对所考虑的压电材料转移单晶胚层来形成单晶压电层，且由压电材料的供体衬底向受体衬底进行所述转移。然后在胚层上进行外延，直至获得单晶压电层的所需厚度。
供体衬底可以为所考虑的压电材料的固体单晶衬底。作为另选，供体衬底可以是复合衬底，换言之，由至少两层不同材料的堆叠体所形成，其表面层由单晶压电材料组成。
受体衬底的一个功能是为胚层提供机械支持。其可以以任何方式适配以实施外延(特别是在保持温度方面)，有利地但非必要地，适配于目标应用。其可以为固体或复合的。
在受体衬底和胚层之间可以可行地插入至少一个中间层。例如，这种中间层可以是导电或电绝缘的。本领域技术人员能够将该层的材料和厚度作为其想要赋予包括该压电层的射频器件的性质的函数来选择。
有利地，受体衬底可以是半导体材料。例如，其可以是硅衬底。该导电材料包括“富阱”型中间层，其可以形成于受体衬底上，或者形成于受体衬底的表面上。所述富阱型中间层因此位于胚层和受体衬底之间并且能改善受体衬底的电绝缘性能。所述富阱型中间层可以由多晶型、非晶型或多孔型材料形成，特别是多晶硅、非晶硅或多孔硅，但不限于这些材料。此外，取决于富阱型中间层对于进行外延的温度抗性，可能有利的是在受体衬底和所述富阱型中间层之间引入其他层来避免中间层在热处理过程中的再结晶。
胚层的功能在于施加将要在受体衬底上生长的晶体材料的晶格参数。与单晶压电层的厚度相比，胚层的厚度可以忽略。因此，据认为其对加入了单晶压电层的射频器件的运行没有显著影响。
胚层的厚度典型地小于1μm，且优选小于0.2μm。
外延层的厚度取决于将加入单晶压电层的器件的规格。在这方面，外延层的厚度的最小值或最大值没有限制。最终压电层的厚度典型地为0.2μm至20μm。
出于参考目的，下表给出了胚层和外延层的厚度的组合：
胚层 0.5μm 0.05μm 0.1μm 0.03μm
外延层 2.5μm 0.95μm 5μm 0.15μm
有利地，压电材料由石英或具有式LiXO3的化合物制成，其中X选自铌和钽。然而，这些材料的优点不限于其压电性质。特别是对于其他应用而言，例如涉及集成光学的应用，可以根据情况针对其介电常数、其折射率或其热电、铁电或铁磁性质而考虑它们。
因此，特别是，本发明可以用于形成具有优异晶体品质的LiXO3化合物的薄层，其作为这些材料的固体衬底，在较宽的频率范围内具有受控的厚度，特别是小于20μm的厚度。
外延可以利用任何合适的技术完成，特别是通过“化学气相沉积”(CVD)、“液相外延(LPE)、“脉冲激光沉积”(PLD)等。
本领域技术人员能够将试剂和操作条件作为待生长的压电材料和所选的技术的函数来确定。
胚层的转移典型地涉及以下步骤：将供体衬底和受体衬底键合，胚层处于键合界面处，然后是受体衬底的减薄步骤，从而使胚层露出以备后续外延。
键合步骤可以例如通过在采用或不采用额外中间层的情况下通过直接“晶片键合”型分子键合来完成。
特别有利地，转移利用公知用于转移薄半导体层(特别是硅)的Smart CutTM法进行。
为了实现这点，参照图3A，提供了压电材料的供体衬底100，并通过离子注入形成弱化区101(由箭头图解示出)，其界定待转移并将形成胚层的单晶压电层102。供体衬底100在该图中以固体示出，但如上所述，其可以为复合衬底。有利地，且取决于所考虑的压电材料(LiNbO3、LiTaO3或石英)，注入的物质是单独的氢或氦，或者其组合。本领域技术人员能够确定这些物质的剂量和注入能量来以确定的深度(典型地小于2μm)形成弱化区：典型地且仍取决于所考虑的压电材料和注入物质，剂量处于2E+16至2E+17离子物质/cm2范围内，而注入能量为30keV至500keV。隐埋的弱化区也可以通过本领域技术人员已知的任何其它方式获得，例如通过增加材料的孔隙度，或通过激光照射。
参照图3B，将如此弱化的供体衬底100键合至受体衬底110，供体衬底的进行注入的表面处于键合界面处。可能的是，在键合前，可以将供体衬底和/或受体衬底用在转移后插入在受体衬底和胚层之间的电绝缘层(例如SiO2)或导电层(未示出)覆盖。
参照图3C，将供体衬底100沿弱化区101剥离。这种剥离可以通过本领域技术人员已知的任何方法(例如，热法、机械法、化学法等)来促成。然后回收剩余的供体衬底并可以可行地进行再循环，从而可以将层102转移至受体衬底110上。
参照图3D，可以可选地去除转移的层的浅表部分，例如通过机械抛光和/或化学蚀刻。这种去除的目的在于消除与注入和剥离相关的任何缺陷。在该去除结束时获得的结果是处于受体衬底110上的薄化层102，其将作为胚层用于下一步。作为另选，图3C中的转移层102可以直接用作胚层。
参照图3E，通过外延在胚层102上生长单晶压电层103，外延层104的材料与胚层102的材料几乎相同。因此，胚层102施加其晶格参数并使得能够生长品质良好的单晶材料。外延层的性质可能略微不同于胚层102，特别是因为出于各种目的(掺杂、调节压电性质、优化晶体缺陷/位错的密度、表面活性剂等)而受控引入了少量杂质。当达到单晶压电层的所需厚度时停止生长。最终压电层10由胚层102和外延层103的堆叠所形成。
如上所述，据认为胚层对于加入了外延压电层的射频器件的运行没有影响或有次级影响。因此，即使为实施Smart CutTM法而进行的注入损伤了所述层并影响了其压电性质，这些缺陷不具惩罚性或仅略有惩罚性。
作为Smart CutTM法的替代方案(未示出)，转移可以在供体衬底和受体衬底键合之后通过去除材料(例如通过对供体衬底的机械抛光和/或化学蚀刻)直至胚层露出来进行。这一变型是不太有利的，因其涉及消耗供体衬底，而Smart CutTM法使得能在有需要时将供体衬底再循环。另一方面，该变型不要求在供体衬底内的任何注入。
如图3E中可见，在过程结束时获得的结果是用于表面声波器件或体声波器件的衬底，其包含受体衬底110和处于所述受体衬底110上的单晶压电层10。这种衬底也可用于其他应用，例如光子和集成光学。
层10的特征在于存在具有不同特性的两部分：
-位于与受体衬底110的界面处的第一部分102，对应于胚层，
-从第一部分102延伸的第二部分(103)，对应于外延层，其具有与第一部分不同的晶体品质(所述品质在外延步骤期间可调节且可以优化(特别是为了在胚层上获得更好的品质))和/或不同的组成(特别是如果在外延期间引入杂质的话)，从而可能在外延层上赋予特定的性质。
该衬底有利地用于制造如图1所示的表面声波器件或如图2所示的体声波器件，或者包含压电层的任何其它微电子、光子或光学器件。
在某些情况下，其上进行外延生长的受体衬底有可能对于最终应用并非最佳。由于受体衬底必须承受外延的操作条件，合适材料的选择是有限的。特别是，受体衬底不能含有可能被外延温度损伤的任何层或元素。于是可能有利的是将压电层10转移至作为目标应用的函数来选择其性质的最终衬底111上，这通过将压电层10经外延层103的表面键合于所述衬底111上(参见图3F)并去除受体衬底(参见图3G)来进行。这种转移可以通过上文提及的任何转移技术进行。这种转移至最终衬底上的另一个优点在于，隐埋在外延后获得的结构中的胚层102然后露出并可以可行地被去除(参见图3H)，特别是如果其中具有任何缺陷的话。于是，仅有具有所需特性的外延层103(或所述层的一部分)留在最终衬底111上。
如果需要制造表面声波器件，则在受体衬底110或者可能地在最终衬底上的相反的压电层10的表面上沉积两个叉指梳形式的金属电极12、13(不论其是受体衬底110还是最终衬底111，所述衬底形成图1中标为11的支持衬底)。
如果希望制造体声波器件，则必须改造上文所述的方法。首先，在图3B所示的键合步骤之前，在要从压电供体衬底转移的层102的自由表面上沉积第一电极，且该第一电极(图2中标记13)被隐埋在最终堆叠体中。在图3E中所示的外延生长步骤之后，在与第一电极相反的压电层10的自由表面上沉积第二电极(图2中标记12)。另一个选择是如上所述将压电层转移至最终衬底上，并在所述转移之前和之后形成电极。其次且可选地，为了避免声波在受体衬底110中传播，可以在该衬底中加入绝缘手段，例如为布拉格镜(如图2所示)或者在衬底110或最终衬底111中可以预先蚀刻的空腔。
另一个对开发这类压电材料的方案特别关注的应用领域是微传感器和微致动器领域。微传感器的目的通常在于测定由外部动作引起的变形。相反，微致动器的目的是通过施加连续或可变的电场来引起元件的变形或者运动部的位移。压电材料的使用能够将机械变形和电信号相关联。例如在声学领域中，外部动作是使膜变形的压力波。其可以处于声谱内，典型地受到关注的对象是话筒(传感器模式)和扬声器(致动器模式)。其可以在频率上走得更远，例如用于制造压电微机械化超声换能器(PMUT)。其还可以涉及静态压力传感器或者惯性传感器(加速度传感器、陀螺仪等)，其中使用压电材料来测定由施加的加速度移动的可移动物体的位移。压电材料形成整个变形元件(膜、梁、悬臂等)，或例如通过将其与诸如硅等其他材料堆叠而有利地仅形成其一部分，从而更好地获得可变形部分的机械性质。在致动器范畴中，压电材料能够控制非常精确的位移，并且用于例如将墨水驱离打印机墨盒，或用于微流体系统，或者用于调节光学显微系统的焦距。
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Claims (16)

1.一种制造作为单晶压电层的层(10)的方法，其特征在于，该方法包括：
-提供所述压电材料的供体衬底(100)，
-提供受体衬底(110)，
-将称为“胚层”(102)的层从所述供体衬底(100)转移至所述受体衬底(110)上，
-对所述胚层(102)上的压电材料实施外延直至获得所述单晶压电层(10)所需的厚度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述胚层(102)的转移包括以下步骤：
-在所述供体衬底(100)中形成弱化区(101)从而界定待转移的胚层(102)，
-将所述供体衬底(100)键合于所述受体衬底(110)上，待转移的胚层(102)处于界面处，
-将所述供体衬底(100)沿所述弱化区(101)剥离，从而将所述胚层(102)转移至所述受体衬底(110)上。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述弱化区(101)通过在所述供体衬底(100)中进行离子注入而形成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述压电材料选自石英和具有式LiXO3的化合物，其中X选自铌和钽。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述胚层(102)的厚度小于2μm，且优选小于1μm。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在所述外延步骤前，将转移至所述受体衬底(110)上的所述胚层(102)的厚度的一部分去除。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在所述外延步骤结束时，所述单晶压电层(10)的厚度为0.2μm至20μm。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，在所述受体衬底和所述胚层之间的界面处形成至少一个电绝缘层和/或至少一个导电层。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在外延后将所述单晶压电层(10)的至少一部分转移至最终衬底(111)。
10.如权利要求9所述的方法，其包括在所述转移至最终衬底(111)的步骤之后去除所述胚层(102)。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述受体衬底由半导体材料制成，并且其包括位于所述胚层和所述受体衬底之间的富阱层。
12.一种用于微电子、光子或光学器件的衬底，其包括处于受体衬底(110)上的单晶压电层(10)，其特征在于，所述压电层(10)具有位于与所述受体衬底(110)的界面处的第一部分(102)和从第一部分(102)延伸的第二部分(103)，并且第二部分(103)的特性不同于第一部分(102)的特性。
13.一种制造体声波器件的方法，其包括在压电层(10)相反的两个主面上形成电极(12,13)，其特征在于，该方法包括利用权利要求1至11中任一项所述的方法来制造所述压电层(10)。
14.一种体声波器件，其特征在于，该体声波器件包括能够通过利用权利要求1至11中任一项所述的方法获得的压电层(10)以及安置于所述层(10)的两个相反的主面上的两个电极(12,13)。
15.一种制造表面声波器件的方法，其包括在压电层(10)的表面上形成两个叉指电极(12,13)，其特征在于，该方法包括利用权利要求1至11中任一项所述的方法来制造所述压电层。
16.一种表面声波器件，其特征在于，该表面声波器件包括能够通过利用权利要求1至11中任一项所述的方法获得的压电层(10)以及安置于所述压电层(10)的一面上的两个叉指电极(12,13)。
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