CN111669142A - 用于从转移的压电层或铁电层产生微机电系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从转移的压电层或铁电层产生微机电系统的方法。用于制造微机电系统的方法包括以下步骤：‑在临时衬底(100)的表面上产生堆叠以产生第一组件，包括：‑至少沉积压电材料或铁电材料以产生压电材料层或铁电材料层(300)；‑产生第一键合层(500b)；‑产生第二组件，包括至少在主衬底(700)的表面上产生第二键合层(500c)；‑在两个组件中的至少一个组件中产生至少一个声隔离结构；‑在两个组件中的至少一个组件中产生至少一个包括一个或多个电极的电极层；‑在两个组件中的至少一个组件中产生至少一个电极层之前或之后，通过两个键合层键合所述两个组件；‑移除所述临时衬底。
Description
技术领域
本发明的领域涉及压电微机电系统(micro-electro-mechanical systems，MEMS)，其用作信息处理元件(谐振器、滤波器等)、传感器(温度、压力、加速度、磁场、化学物质等的物理传感器)或者致动器(用于微流体系统的微型泵、微变形镜等)。
背景技术
机电组件形成用于各种系统中的一类独立的组件。例如，这些元件允许在电信号的作用下产生机械运动：此时称为致动器。这些组件的最常见的例子是喷墨打印机的打印头、机动车辆中使用的喷油器或者精密机械或科研设备中使用的微型或纳米定位系统。相比之下，其它系统利用机械元件对各种刺激的敏感性来传递电信息，从而使所述刺激被量化。此时称为传感器。这种情况的最常见的例子特别是加速度计、陀螺仪、压力传感器(麦克风)，以及其它。最后，最终的一类同时利用两种效果：机械结构在周期性电信号的影响下振动；如果该机械结构的振动足够稳定，则将该振动转录到电域中可以产生稳定的振荡系统。此时称为谐振器。这些组件的最常见的例子是手表和钟表制造业中使用的石英谐振器或者用于暂时性地使电路同步的振荡器。
所有这些机电系统都是基于结构的转换能力，即将一个域(电域、机械域等)中产生的信号转换到另一个域(电域、机械域等)中的能力。有多种技术是已知的，但最常见的一种是压电材料的使用。压电效应是由居里兄弟(P.Curie，《Notice sur les travauxscientifiques de M.P.Curie(关于P·居里先生的科学成果的通告)》，Gauthier-Villars(1902))在1880年发现的，其是晶体在机械应力的作用下极化的能力，或者反之亦然，是在电压的作用下变形的能力。因此，压电材料使电-机械转换或机械-电转换得以实现。
在压电组件上的创始工作使用天然晶体，例如石英或罗谢尔盐。这些材料立即被应用于谐振器的制造和第一代声纳系统中。然而，在后一应用中，这些材料的压电性能被证明太弱而不能在水中产生高压，或者相反地检测到低声压。因此，研究转向了人工材料的合成，目前仍在使用的最多的是锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3或PZT)及其衍生物。这种材料的高压电性使得能够发展用于海上运输或国防的声纳系统、用于医疗诊断的超声探头、用于汽车工业的喷油器或者甚至用于无损检测系统的感测元件。尽管这种材料具有优异的压电性能，但它有几个主要缺点：由于它是一种以铅为基础的化合物，其合成、回收和倾倒在自然环境中会引起环境毒理学相关的问题。因此，诸如RoHS(Restriction of the use ofHazardous Substances in electronic equipment，电子设备中有害物质的限制使用)和欧洲指令WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment，废弃电气和电子设备)等标准倾向于禁止其长期使用。此外，尽管这种材料在低频下具有很强的压电性能，但其电和/或机械损耗对于高频应用是不可接受的。最后，这种材料在高温下会失去其压电性能。因此，研究转向了替代材料，例如铌酸锂或钽酸盐(LiNbO3、LiTaO3)、铌酸钾(KNbO3)及其衍生物(例如KNa1-xNbxO3)、钛酸钡(BaTiO3)及其衍生物(例如(Ba1-xCax)(Ti1-yZry)O3)、钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3)或其它外来材料，例如硅酸镓镧、钽酸镓镧或其衍生物(La3Ga5SiO14、La3Ga5.5Ta0.5O14等)。
20世纪80年代，微机电系统(MEMS)的出现为传感器、致动器或谐振器的小型化开辟了道路，这有利于移动电话和用于机动车辆的传感器的发展。薄压电层的发展使压电MEMS的生产成为可能。这些层的特征是厚度为大约一微米，甚至更小。通常，只有少数常用多晶材料以薄层的形式存在：氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)或PZT。目前，后两种材料已成功应用于工业生产。
氮化铝层目前主要用于生产体声波滤波器。这些滤波器是使用多个体声波谐振器的电路，这些体声波谐振器基于通常由AlN制成的压电层的厚度模式下的共振。特别地，长期以来，这种材料的压电系数与移动电话应用的要求相对一致。特别地，传播通过压电材料的波的电磁耦合系数(该耦合系数被定义为从电域转换到机械域的能量的量或者反之亦然，与在结构中以电和机械的形式存储的能量的量，之间的比率)与可以使用滤波电路合成的相对带宽之间存在比例关系。随着声波滤波器技术的成熟和新电信标准(例如，第5代或5G移动电话)的到来，观察到在高频(3GHz以上)出现了新的频带并且出现了相对较宽的频带或所用频带之间减小的间隔。另外，目前在积极开展频率捷变滤波器的谐振器或电路的发展的研究。所有这些特别的情况都要求谐振器具有比氮化铝可以达到的更高的电磁耦合系数。
因此，过去几年来，人们目睹了来源于AlN并且合成有例如钪或铬的合金(AlScN或AlCrN)的发展。对压电材料的成分的修改使得压电耦合系数大幅度增加(从大约6％增加到10％以上)，而不需要对制造工艺进行重大修改。尽管如此，需求使得这些改进仍然不够充分。因此，人们建议将体声波谐振器建立在诸如铌酸锂或钽酸锂的材料上。理论上，铌酸锂允许激发剪切波，能够具有高达45％的电磁耦合系数。然而，这只适用于一些非常特别的晶体取向。
在实践中，关于这种材料的最先进的工作是Kadota等人(M.Kadota、Y.Suzuki和Y.Ito，2010年IEEE国际超声学术研讨会，或M.Kadota、T.Ogami、K.Yamamoto、H.Tochishita、Y.Negoro，IEEE《Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics andFrequency Control(超声、铁电和频率控制汇刊)》，第57卷，第11期，第2564页(2010))的工作，他们从由衬底/牺牲层/电极/铌酸锂外延膜/电极组成的堆叠中产生了兰姆波和体波谐振器。根据ANSI/IEEE176-1987标准，这些铌酸锂层具有所谓的c轴取向，对应于晶体轴(000.6)或Z轴方向。这种取向的电磁耦合系数几乎与氮化铝的电磁耦合系数相同，因此，考虑到沉积这种材料的难度，人们对它的兴趣相对较小。特别地，这种材料的生长需要高温(大约500℃至700℃)和相对较长的时间(大约几个小时)，在此期间，锂扩散到现有其它层中的风险很高，这使得很难控制化学成分和界面。
为了解决这些问题，许多生产方法都是基于用于转移薄单晶膜的技术。在这种情况下，从大块单晶衬底取样薄层，以便将其并入到声学组件的堆叠中。存在三种技术：
-键合/减薄：原理是将压电衬底键合到主衬底上，然后通过机械研磨来减薄压电材料，然后抛光。在一些情况下，也可以使用蚀刻步骤来更快地消耗材料；
-键合/断裂：原理是在压电衬底中的给定深度以相对高的剂量植入光离子。然后，该衬底与主衬底键合。然后，热处理使得被植入离子聚集处的界面被弱化，从而导致材料断裂。然后，一方面，只剩下键合在主衬底上的薄压电层，另一方面，还有变薄的供体压电衬底；
-键合/溶解：前一方法的这种变化形式是利用以下事实：压电材料被一定深度处大量被植入离子的局部存在而损坏。因此，在这个位置比周围区域更容易被化学溶解侵蚀。然后，该效应可以用于将键合到主衬底的薄层与压电衬底的其余部分分离。
这三种技术的优点是提供质量优良的单晶压电层，并且确实事实上具有任何晶体取向(前提是具有这种取向的单晶衬底可用)。因此，它们的用途非常广泛。然而，由于它们需要键合步骤和消耗资源的处理来实现想要保留的层的分离，因此其实施相对困难。特别地，需要进行退火以在适当的位置加固键合界面、导致断裂并且最终修复由断裂、植入或甚至晶体的机械磨损所引起的材料损伤。这可能会导致与主衬底上存在的结构的兼容性问题，从而存在由于修复退火过程中所应用的热平衡而劣化的风险。另一个问题还可能源于供体衬底(压电衬底)和受体衬底(理想情况下是由硅制成的衬底)之间的膨胀系数的差异，在断裂退火过程中使两个厚衬底经历高的热膨胀差时，在尝试应用键合/断裂过程期间，这可能会导致晶片破裂。最后，这些技术的最终限制在于很难想象转换到大尺寸(200或300mm的直径)的衬底的事实：具体地说，目前最好情况下能提供150mm直径的单晶压电衬底，随着衬底的横向尺寸的增加，膨胀差问题的突出性也随之增加。
因此，采用沉积压电材料的步骤将更简单。然而，要获得非自然生长取向的晶体取向，则需要自组织表面上的外延生长，即通常与将要生长的压电材料的晶面相容的表面原子排列。因此，衬底必须经过特殊的化学和热处理，以揭示原子台阶。这些条件是极其严格的，通常要求存在本身是单晶的或外延的并且具有严格受控的表面状态的层。这通常不是在一系列制造步骤之后获得的堆叠的情况，并且首先不是通常希望在其上沉积压电材料的金属电极的情况，更不是这些电极具有给定的几何形状并且不在衬底的整个表面延伸时的情况。另外，由于衬底和外延层之间的晶格失配，所以大厚度(几百nm到几μm，取决于材料)的生长导致应力松弛，从而导致错位的形成，如果错位数量过多，可能会对膜的完整性产生不利影响。因此，外延膜的厚度通常是有限的。此外，如上面提到的，由于沉积所需的热平衡和存在物质的化学反应性，这些结构很可能会被劣化。
专利申请US20170077386A1描述了一种可以避免此问题的技术：使材料在生长衬底上外延生长，可选地包括用于调节衬底与压电层之间的外延关系的子层。然后，形成谐振器的堆叠的顶部。然后，穿过衬底局部地蚀刻孔，这使得谐振器被释放并从衬底机械脱离。然后，在这些孔的底部，沉积并构造底电极。然而，这种技术有许多缺点：
-孔的蚀刻使衬底被大大削弱，这限制了可以产生的特征的密度。因此，这降低了滤波器的紧凑性和/或制造成品率；
-某些生长衬底，例如蓝宝石，众所周知，由于其化学惰性和硬度，很难蚀刻到较大深度。因此，假设蚀刻步骤甚至可以达到如此大的深度，蚀刻步骤也是昂贵的；
-很难在腔的底部(几百μm深)定义底电极特征，因为光刻设备那时必须在其景深之外使用。因此，这些特征可能将无法精确定义。
发明内容
为此，在这种背景下，申请人在本发明中提供了一种用于利用薄压电层生产微机电组件的方法，该方法特别适合于夹在两个电极之间的薄外延压电层的情况，并且在适当的情况下使得底电极不劣化，并且避免上述技术相对于现有技术的缺点。
更准确地说，本发明的一个主题是一种用于制造微机电系统的方法，包括以下步骤：
-在临时衬底的表面上产生堆叠以产生第一组件，包括：
-至少沉积压电材料或铁电材料以产生压电材料层或铁电材料层；
-产生第一键合层；
-产生第二组件，包括至少在主衬底的表面上产生第二键合层；
-在两个组件中的至少一个组件中产生至少一个声隔离结构；
-在两个组件中的至少一个组件中产生至少一个包含一个或多个电极的电极水平；
-在两个组件中的至少一个组件中产生至少一个电极水平之前或之后，通过两个键合层键合所述两个组件；
-移除所述临时衬底。
根据本发明的变化形式，所述压电材料或所述铁电材料是通过外延生长而沉积的。
根据本发明的变化形式，所述微机电系统包括至少一个体声波谐振器、至少一个面声波谐振器或至少一个兰姆波谐振器。
根据本发明的变化形式，所述键合包括热退火步骤。
根据本发明的变化形式，移除临时衬底的操作包括：
-减薄所述临时衬底的步骤；
-化学蚀刻减薄后的临时衬底的操作。
根据本发明的变化形式，移除所述临时衬底的操作包括：
-使在制造所述临时衬底的材料中引起沉淀或化学反应的元素扩散的步骤，或者
-向所述临时衬底中植入离子的步骤。
根据本发明的变化形式，所述方法包括：在沉积所述压电材料或所述铁电材料之前，在所述临时衬底的表面上沉积缓冲层。
根据本发明的变化形式，所述方法包括：
-在介电材料上方产生牺牲层；
-构造所述牺牲层以定义牺牲层结构；
-在所述牺牲层结构上方沉积电介质；
-移除所述牺牲层结构以定义所述声隔离结构。
根据本发明的变化形式，所述介电材料为可以是SiO2的氧化物，所述牺牲层由非晶硅或多晶硅制成。
根据本发明的变化形式，产生所述声隔离结构包括：
-在所述第一组件中产生至少一个牺牲层；
-将所述两个组件键合后释放所述牺牲层结构。
根据本发明的变化形式，产生所述声隔离结构包括产生布拉格镜结构。
根据本发明的变化形式，所述方法包括：产生由金属并且可能由钼制成的结构化层，所述结构化层被插入到可以是SiO2的电介质中。
根据本发明的变化形式，所述方法包括：
-在所述两个组件的键合之前，在所述压电材料层或铁电材料层的表面上产生至少一个所谓的底电极并且在所述第一组件中产生声隔离结构；
-在移除所述临时衬底之后，在所述压电材料层或铁电材料层上产生至少一个所谓的顶电极。
根据本发明的变化形式，所述方法包括，在所述两个组件的键合之前：
-在所述压电材料层或铁电材料层的表面上产生电极；
-在所述第二组件中产生声隔离结构。
根据本发明的变化形式，所述压电材料是LiNbO3或LiTaO3或其固溶体，或者KNbO3、AlN或GaN。
根据本发明的变化形式，所述铁电材料是：LiNbO3、LiTaO3或PZT。
根据变化形式，所述临时衬底由不是硅的材料制成，例如材料MgO、SrTiO3、LaAlO3、LSAT((LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7)、DyScO3、蓝宝石(Al2O3)、铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂，所述压电材料可能有利地是PZT。
根据本发明的变化形式，键合层由氧化物制成或聚合物制成。
本发明的另一主题是利用本发明的方法获得的微机电系统。
附图说明
通过阅读以下非限制性的描述并结合所附附图，将更好地理解本发明，并且其它优点将变得显而易见，附图中：
图1a示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第一步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1b示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第二步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1c示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第三步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1d示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第四步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1e示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第五步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1f示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第六步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1g示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第七步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1h示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第八步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1i示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第九步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1j示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第十步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1k示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第十一步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1l示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第十二步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1m示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第十三步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1n示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第十四步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图1o示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第一示例的第十五步骤，所述体波谐振器包括释放的牺牲结构；
图2a示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第二示例的第一步骤，所述体波谐振器包括布拉格镜结构；
图2b示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第二示例的第二步骤，所述体波谐振器包括布拉格镜结构；
图2c示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第二示例的第三步骤，所述体波谐振器包括布拉格镜结构；
图2d示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第二示例的第四步骤，所述体波谐振器包括布拉格镜结构；
图2e示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第二示例的第五步骤，所述体波谐振器包括布拉格镜结构；
图2f示出了根据本发明的用于产生包括体波谐振器的系统的方法的第二示例的第六步骤，所述体波谐振器包括布拉格镜结构；
图3a示出了根据本发明的用于产生包括兰姆波谐振器的系统的方法的示例的第一步骤；
图3b示出了根据本发明的用于产生包括兰姆波谐振器的系统的方法的示例的第二步骤；
图3c示出了根据本发明的用于产生包括兰姆波谐振器的系统的方法的示例的第三步骤；
图3d示出了根据本发明的用于产生包括兰姆波谐振器的系统的方法的示例的第四步骤；
图3e示出了根据本发明的用于产生包括兰姆波谐振器的系统的方法的示例的第五步骤；
图4a示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第一步骤；
图4b示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第二步骤；
图4c示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第三步骤；
图4d示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第四步骤；
图4e示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第五步骤；
图4f示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第六步骤；
图4g示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第七步骤；
图4h示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第八步骤；
图4i示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第九步骤；
图4j示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第十步骤；
图4k示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第十一步骤；
图4l示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第十二步骤；
图4m示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第十三步骤；
图4n示出了根据本发明的用于产生包括两个兰姆波谐振器的转换器的方法的示例的第十四步骤。
具体实施方式
因此，在根据某些变化形式和某些选择形式的版本中，本发明的方法包括以下主要步骤：
-制备临时衬底，该衬底是合适的生长衬底。这可能要求衬底的表面被处理并且/或者用于匹配待沉积的层和待沉积的生长衬底之间的外延关系的层被沉积；
-利用合适的技术沉积压电或铁电层，以便生长单晶或至少织构的材料；
-在沉积的层上方或在另一衬底(未来的主衬底)上产生组件的底部。该底部可以包括电极等，或至少一种用于声学隔离将要形成的声波谐振器的结构：释放阱，其将允许在谐振器或布拉格镜下方插入空气腔；
-在适当的位置将包括外延层的生长衬底和组件的底部的一些结构键合到主衬底，主衬底任选地具有该底部的其余部分(可能是牺牲层结构、至少一个电极等)；
-通过本领域技术人员已知的方法(衬底或并入生长衬底的层之一的化学或物理蚀刻)来分离临时衬底(其可以是生长衬底)；
-通过产生组件的顶部来完成组件的制造。
申请人在下文中描述了方法的多个示例，其步骤通过附图来说明，其中使用了相同的附图标记，这些附图标记分别对应于以下元件：
100：临时衬底
200：缓冲层
300：压电材料层或铁电材料层
400：至少一个底电极
500a，500b，500c->500：电介质材料，特别是用于键合
600：牺牲层结构
MR：布拉格镜结构
700：主衬底
800：至少一个顶电极
900：顶部介电层
1000：接触垫。
下面的示例是在压电材料的背景下描述的，但是同样可以很好地应用在铁电材料的背景下。
根据本发明的用于制造包括释放的牺牲结构的体波谐振器的方法的示例：
步骤1.1：
如图1a所示，通过高温退火(温度>1000℃)制备对应于临时衬底100的硅衬底，以获得在原子水平上平滑的表面。
步骤1.2：
如图1b所示，通过分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)沉积厚度例如为20nm的缓冲层200(例如ZnO)。
步骤1.3：
通过脉冲注入金属有机化学气相沉积(pulsed injection metal-organicchemical vapour deposition，PI-MOCVD)方法来沉积厚度例如为250nm的LiNbO3层。如图1c所示，例如，Si/ZnO/LiNbO3之间的晶格匹配导致c轴铌酸锂层300的生长。
步骤1.4：
如图1d所示，通过溅射沉积底电极400(其例如由厚度为100nm的钼制成)，然后通过光刻、反应离子刻蚀和抗蚀剂去除来构造。
步骤1.5：
例如通过等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapourdeposition，PECVD)方法来沉积由厚度例如为100nm的SiO2制成的保护性介电层500a，然后通过溅射来沉积由厚度例如为1μm的非晶硅制成的牺牲层。后者通过光刻、反应离子刻蚀和抗蚀剂去除来构造，以获得如图1e所示的牺牲层结构600。
步骤1.6：
如图1f所示，例如通过利用Ar/O2等离子体和化学机械抛光(chemical-mechanical polishing，CMP)对Si进行反应溅射来沉积厚度例如为2μm的SiO2电介质500b。
步骤1.7：
此外，如图1g所示，制备通过硅主衬底700的热氧化(例如达到500nm的厚度)而覆盖有层500c的衬底。
步骤1.8：
如图1h所示，激活表面，然后直接键合主衬底700和对应于生长衬底的临时衬底100，之后进行退火操作以加固通过电介质500实现的键合。
步骤1.9：
执行用于分离临时生长衬底100的操作。如图1i所示，通过机械研磨来减薄，目的是只留下大约10微米的厚度，然后在四甲基氢氧化铵(tetramethyl ammonium hydroxide，TMAH)溶液中对临时生长衬底进行化学蚀刻并且例如使用HCl对ZnO缓冲层200进行化学蚀刻。
步骤1.10：
如图1j所示，通过对压电层300的光刻、离子束蚀刻(ion-beam etching，IBE)以及抗蚀剂去除来进行用于向下电接触到底电极的蚀刻。
步骤1.11：
如图1k所示，沉积并构造顶电极800(同样由Mo制成，例如100nm的厚度)。
步骤1.12：
然后利用例如通过PECVD沉积的SiO2层900封装顶电极，并且例如再次为100nm的厚度。接下来，如图1l所示，通过光刻、反应离子蚀刻和抗蚀剂去除而在膜中产生用于电触点的孔。
步骤1.13：
如图1m所示，通过溅射、光刻、化学蚀刻和抗蚀剂去除来沉积电触点1000，其例如由厚度为1μm的铝制成。
步骤1.14：
如图1n所示，通过对SiO2/LiNbO3/SiO2堆叠的离子束蚀刻来蚀刻释放孔。
步骤1.15：
如图1o所示，然后通过利用XeF2气体蚀刻非晶硅600制成的牺牲层结构来释放谐振器(电极之间的压电材料层)。
步骤1.16：
最后，在组件的端子上施加电压并加热后者，以便将铌酸锂层中的铁电畴定向在优选方向。
用于从布拉格镜上的外延铌酸锂产生体声波谐振器的方法的示例
上述生产方法的变化形式是用布拉格镜提供的声学约束来代替位于谐振器下方的空气腔提供的声学约束，布拉格镜由交替的高声阻抗和低声阻抗层的堆叠组成。在具有高声阻抗的材料中，通常考虑钨(W)层、钼(Mo)层、氮化硅(SiN)层或氮化铝(AlN)层。关于具有低声阻抗的材料，文献首先提到了二氧化硅(SiO2)的使用，但是也提到了碳化硅(SiOC)。这些名单是非限制性的。
下面描述一种适合于生产固体安装谐振器(solidly mounted resonators，SMR)的方法，被称为安装在布拉格镜上的体波谐振器：
步骤2.1：
例如图2a所示的，执行第一方法的步骤1.1至1.4，直到产生底电极，以在临时衬底100上定义缓冲层200、压电材料层300以及底电极400。
步骤2.2：
如图2b所示，通过沉积(例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD))和底电极引起的外形的平坦化获得由例如厚度为600nm的SiO2制成的保护层500a。剩余的SiO2层将起到布拉格镜的顶层的作用。
步骤2.3：
然后沉积布拉格镜MR的后续组成层，此处例如为SiO2/Mo(250nm)/SiO2(250nm)/Mo(400nm)镜。如图2c所示，进行Mo/SiO2/Mo三层的下一步光刻操作和反应离子蚀刻。
步骤2.4：
如图2d所示，例如通过PECVD沉积2μm的SiO2层500b，并且平坦化由布拉格镜MR引起的外形。
步骤2.5：
激活表面并且直接键合主衬底700+500c(氧化硅衬底)和具有布拉格镜MR的临时生长衬底100。如图2e所示，进行退火操作以加固键合。
步骤2.6：
如前面的实施方案中那样分离临时生长衬底100，然后继续进行类似于生产方法的步骤，直到电触点完成。如图2f所示，由于存在布拉格镜MR而不是牺牲层的阱，因此不再需要释放步骤。
用于从外延铌酸锂产生兰姆波谐振器的方法的示例
上述方法不仅适用于体声波谐振器，还可以用于产生兰姆声波谐振器，其也被称为平板波谐振器。这些谐振器的不同之处在于，声波不再由夹着压电层的两个无孔电极激发，而是由位于压电层的面(顶部或底部)中的一个面上的两个叉指梳状电极激发。另一个面可以与覆盖组件表面的电极接触(以便从由此形成的垂直电场激发兰姆波)，或者相反，不包括电极，以便从形成于叉指梳的电极之间的水平电场激发波。更广泛地说，这一方法可以应用于任何一个将从外延压电层受益的声学微谐振器族。
此外，可以将变化的实施方案引入到上述方法中。特别地，设想了用于分离生长衬底的其它技术。
具体地说，第一示例方法的步骤1.9)基于生长衬底的化学蚀刻。在后者不是由硅制成因此难以化学溶解或者为了节省时间的情况下，通过研磨和化学机械抛光技术的方法来机械地进行减薄则可能是有利的。然而，仍然存在缺点：该方法导致生长衬底的消耗，因此导致其损失，这导致了显著的成本。为了避免这个问题，引起生长衬底的机械断裂可能是有利的，然后只要执行适当的修复步骤，就将可以重复使用生长衬底。可以通过多种方式获得这种断裂。可能提到以下内容：
-在压电层的生长过程中产生脆性界面。这可能主要发生在有助于元素扩散的情况下，元素的扩散引起沉淀或化学反应，其导致现有的封装材料的一者的体积增大，并且因此在施加机械应力时导致自动脱离；
-另一种技术是在压电层生长之后形成脆性界面。可以通过在生长衬底中植入离子来形成这种界面，然后利用类似于Smart CutTM过程的方法进行热退火以导致材料断裂。这在外延层和用于调节晶格参数的子层集合具有相对较小的厚度时是可以的，以便能够在植入期间使离子流通过。
因此，下文描述旨在例如产生兰姆声波谐振器的一种变化形式的生产方法：
步骤3.1：
如图3a所示，在硅上外延生长铌酸锂层300，该外延生长包括缓冲层200的生长，该缓冲层200允许调节铌酸锂和由硅制成的临时衬底100之间的晶格失配(步骤与第一示例方法中描述的步骤1.1到1.3相同)。
步骤3.2：
如图3b所示，氦和氢离子然后被植入通过外延层，从而在硅衬底内形成脆性界面I。
步骤3.3：
在该方法的这一阶段，可以任选地形成电极和钝化层，并且形成由牺牲层制成的释放阱600，然后以与上述方法的步骤1.4到1.8相同的方式，通过电介质500将供体衬底与主衬底700键合。在本示例中，如图3c所示，谐振器在压电层下没有底电极。
步骤3.4：
然后分离临时生长衬底100。在此示例中，进行了退火，使得生长衬底在被离子植入而弱化的界面I处断裂。接下来，如图3d所示，对仍然附着在结构和缓冲层上的生长衬底的薄层进行化学蚀刻。在由硅制成的生长衬底的情况下，TMAH溶液能够去除残余硅，并且如果是ZnO的话，则可以使用HCl或H3PO4溶液来对缓冲层进行化学蚀刻。
步骤3.5：
组件的制造已经完成。为此，如图3e所示，执行上述方法的步骤1.10至1.16，其示出了由此产生的兰姆波谐振器，具有主衬底700上的层300上的单个电极层800、一个介电层900和接触垫1000。
该方法的上述示例涉及从外延铌酸锂层产生组件。
本发明还可以与其它可以外延生长的材料一起使用。例如，可以提及材料AlN、GaN、LiTaO3、KNbO3等。
然而，本发明的方法并不限于外延层。先验地，它可以应用于任何类型的沉积层，前提是将沉积步骤并入到组件的完全集成是复杂的(例如，在存在金属和/或在具有外形的表面上的超高温沉积)。
这类情况的一个例子是使用PZT薄层来产生压电微变压器。这类元件类似于上述兰姆波谐振器，但是由两个叉指梳状换能器组成，一个对应于变压器的初级，另一个对应于次级。兰姆波则确保了能量从初级转移到次级。为了有效地激发PZT中的这些波，有必要提供底电极。为了确保初级和次级的电隔离，因此有必要产生两个独立的底电极，并且因此对底金属层进行图案化。然而，传统的PZT生长方法(溶胶-凝胶方法、阴极溅射或激光烧蚀等)通常被优化为在覆盖整个衬底的金属膜(通常为铂)上生长。特别地，已经发现在图案化的电极上沉积PZT会导致一些问题：沉积PZT膜的表面的性质根据它是金属表面(织构的Pt)还是另一个子层的表面(非晶SiO2或部分织构的TiO2等)而有所不同；此外，材料展现出的热膨胀系数也不同。所有这些都导致了在金属化区域和非金属化区域之间不同的残余应变的出现。此外，金属的存在可以对某些元素(特别是Pb)的扩散形成障碍。因此，发现了寄生相(缺乏Pb的多氯相)出现在非金属化区域，这在组件的制造和操作方面是不可接受的。尽管如M.Bousquet、B.Viala、H.Achard、J.Georges、A.Reinhardt、E.Nolot、G.Le Rhun、E.
的文章《用于微电子的PZT溶胶-凝胶薄膜的无铂硅集成，电陶瓷XIV，2014》中所描述的，插入合适的子层可以部分地解决该问题，但仍然难以在金属化区域和非金属化区域中获得相同的材料。
本发明使得该问题得以解决。具体来说，本发明允许PZT膜沉积在覆盖有无孔片状电极的生长衬底上，然后该膜被转移到包含(就其本身而言)图案化的电极的主衬底上。此外，本发明允许使用非硅衬底生长PZT膜，例如MgO、SrTiO3、LaAlO3、LSAT((LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7)、DyScO3、蓝宝石(Al2O3)或铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)衬底。这些单晶衬底的优点是允许PZT的外延生长，而不是像硅上沉积的大多数膜那样多晶生长。另外，衬底的选择允许沉积膜的晶体取向、铁电畴的结构(具有a/c取向的铁电畴的比例)以及形成的材料的居里温度被调整。
用于产生由PZT制成的压电变压器的方法的示例
步骤4.1：
如图4a所示，制备SrTiO3衬底100：化学处理(H2O+缓冲HF)+高温退火(温度>1000℃)，以获得原子表面台阶(TiO2表面平面)。
步骤4.2：
如图4b所示，例如通过激光烧蚀、阴极溅射或溶胶-凝胶处理来沉积PZT层300，并且优选地具有2μm的厚度。
步骤4.3：
如图4c所示，通过溅射来沉积金属层(例如由厚度为100nm的钌制成的一个金属层)，然后通过光刻、反应离子蚀刻和抗蚀剂去除来构造该层以定义底电极400。
步骤4.4：
如图4d所示，通过PECVD来沉积由SiO2制成的平面化层500a并抛光。
步骤4.5：
如图4e所示，对覆盖有氧化层500b的硅主衬底700进行光刻操作，然后还进行反应离子蚀刻，以定义例如深度为3μm的腔。
步骤4.6：
如图4f所示，在预先定义的腔中沉积厚度为3μm的多晶硅以产生牺牲多晶硅结构600，然后进行平坦化操作。
步骤4.7：
如图4g所示，进行新的热操作，以通过200nm的氧化物500c封装牺牲结构600。
步骤4.8：
如图4h所示，临时生长衬底100与硅主衬底700键合，电极特征400与多晶硅阱600对准，然后进行退火以加固衬底。
步骤4.9：
如图4i所示，然后通过最后利用化学蚀刻的机械减薄来去除临时生长衬底100。
步骤4.10：
然后沉积制造顶电极的金属，例如100nm的钌。如图4j所示，进行光刻操作和离子蚀刻，然后进行抗蚀剂去除，以构造电极800。
步骤4.11：
如图4k所示，对PZT层300进行新的光刻操作，然后进行离子蚀刻，以打开用于接触底电极400的孔。
步骤4.12：
如图4l所示，通过PECVD来沉积氧化物900(例如以200nm的厚度)，然后进行光刻操作，以打开用于电接触底电极400和顶电极800的孔。
步骤4.13：
如图4m所示，通过溅射、光刻和湿式蚀刻来沉积Cr/Au(1μm)，以形成电接触垫1000。
步骤4.14：
然后再次进行光刻操作和离子蚀刻，但是这次是针对SiO2/PZT/SiO2组件，即500/300/900，以打开通向牺牲多晶硅结构600的通道。然后通过利用XeF2气体蚀刻来去除多晶硅，如图4n所示。
步骤4.15：
通过施加电压来极化铁电材料。
该方法还允许将PZT层集成到与获得所设想的结晶PZT膜所需的沉积温度不相符的衬底中。因此，本发明例如允许在玻璃上生产PZT致动器。
最后，本发明不一定局限于谐振器应用。本发明可以应用于其它微系统，例如致动器或传感器。
Claims (19)
1.一种用于制造微机电系统的方法，包括以下步骤：
-在临时衬底(100)的表面上产生堆叠以产生第一组件，包括：
-至少沉积压电材料或铁电材料以产生压电材料层或铁电材料层(300)；
-产生第一键合层(500a，500b)；
-产生第二组件，包括至少在主衬底(700)的表面上产生第二键合层(500c)；
-在两个组件中的至少一个组件中产生至少一个声隔离结构；
-在两个组件中的至少一个组件中产生至少一个包括一个或多个电极的电极层；
-在两个组件中的至少一个组件中产生至少一个电极层之前或之后，通过两个键合层键合所述两个组件；
-移除所述临时衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压电材料或所述铁电材料是通过外延生长而沉积的。
3.根据权利要求1和权利要求2中的任一项所述的方法，其中，所述微机电系统包括至少一个体声波谐振器、至少一个面声波谐振器或至少一个兰姆波谐振器。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的方法，其中，所述键合包括热退火步骤。
5.根据权利要求1至4的任一项所述的方法，其中，移除所述临时衬底的操作包括：
-减薄所述临时衬底的步骤；
-化学蚀刻减薄后的临时衬底的操作。
6.根据权利要求1至4的任一项所述的方法，其中，移除所述临时衬底的操作包括：
-使在制造所述临时衬底的材料中引起沉淀或化学反应的元素扩散的步骤，或者
-向所述临时衬底中植入离子的步骤。
7.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其包括：在沉积所述压电材料或所述铁电材料之前，在所述临时衬底(100)的表面上沉积缓冲层(200)。
8.根据权利要求1至7的任一项所述的方法，其包括：
-在介电材料上方产生牺牲层；
-构造所述牺牲层以定义牺牲层结构；
-在所述牺牲层结构上方沉积电介质；
-移除所述牺牲层结构以定义所述声隔离结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述介电材料为可以是SiO2的氧化物，所述牺牲层由非晶硅或多晶硅制成。
10.根据权利要求8和权利要求9中的任一项所述的方法，其中，产生所述声隔离结构包括：
-在所述第一组件中产生至少一个牺牲层(600)；
-将所述两个组件键合后释放所述牺牲层结构。
11.根据权利要求1至7的任一项所述的方法，其中，产生所述声隔离结构包括产生布拉格镜结构。
12.根据权利要求11所述的方法，其包括：产生由金属并且可能由钼制成的结构化层，所述结构化层被插入到可以是SiO2的电介质中。
13.根据权利要求1至12的任一项所述的方法，其包括：
-在所述两个组件的键合之前，在所述压电材料层或铁电材料层的表面上产生至少一个所谓的底电极(400)并且在所述第一组件中产生声隔离结构；
-在移除所述临时衬底之后，在所述压电材料层或铁电材料层上产生至少一个所谓的顶电极(800)。
14.根据权利要求1至12的任一项所述的方法，其包括，在所述两个组件的键合之前：
-在所述压电材料层或铁电材料层的表面上产生电极；
-在所述第二组件中产生声隔离结构。
15.根据权利要求1至14的任一项所述的方法，其中，所述压电材料是LiNbO3或LiTaO3或其固溶体，或者KNbO3、AlN或GaN。
16.根据权利要求1至14的任一项所述的方法，其中，所述铁电材料是：LiNbO3、LiTaO3或PZT。
17.根据权利要求1至16的任一项所述的方法，其中，所述临时衬底由MgO、SrTiO3、LaAlO3、(LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7、DyScO3、蓝宝石、铌酸锂、钽酸锂或者石英制成，所述压电材料可能有利地是PZT。
18.根据权利要求1至17的任一项所述的方法，其中，键合层由氧化物制成或聚合物制成。
19.一种微机电系统，其利用根据权利要求1至18的任一项所述的方法获得。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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