EP4490991A1 - Procédé de correction d'épaisseur d'une couche piézoélectrique - Google Patents

Procédé de correction d'épaisseur d'une couche piézoélectrique

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EP4490991A1
EP4490991A1 EP23713705.4A EP23713705A EP4490991A1 EP 4490991 A1 EP4490991 A1 EP 4490991A1 EP 23713705 A EP23713705 A EP 23713705A EP 4490991 A1 EP4490991 A1 EP 4490991A1
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EP
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layer
thickness
piezoelectric layer
piezoelectric
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
EP23713705.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Alexis Drouin
Cédric CHARLES-ALFRED
Isabelle HUYET
Eric BUTAUD
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Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Filing date
Publication date
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    • H03H9/02834—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence

Definitions

  • the invention relates to a system
  • the present invention relates to a method for correcting the thickness of a piezoelectric layer, as well as a substrate of the piezoelectric type on insulator whose thickness is corrected by said method.
  • the invention finds particular application in the manufacture of radio frequency devices, such as resonators or filters.
  • a radio frequency (RF) device such as a resonator or filter
  • a substrate comprising successively, from its base towards its surface, a support substrate, generally made of a semiconductor material such as silicon, a or several intermediate layers, and a piezoelectric layer.
  • RF radio frequency
  • the piezoelectric layer is typically obtained by transferring a thick substrate of a piezoelectric material (obtained for example by cutting an ingot) onto a support substrate, for example by a layer transfer process of the Smart CutTM type.
  • the support substrate is typically a silicon substrate possibly comprising one or more layers of one or more other materials.
  • the transfer of the piezoelectric layer involves bonding the thick piezoelectric substrate to the support substrate, followed by a thinning of the thick piezoelectric substrate, so as to leave only a thin piezoelectric layer on the support substrate, of the desired thickness for manufacturing of the RF device.
  • a layer of oxide for example a silicon oxide SiC>2 is generally deposited on each of the two substrates, and said substrates are bonded using the intermediate of said oxide layers.
  • the properties of the piezoelectric layer such as the electromechanical coupling coefficient, the acoustic wave propagation speed and the frequency temperature coefficient depend on the thickness of the piezoelectric layer.
  • An aim of the invention is to provide a method making it possible to obtain a homogeneous distribution of at least one of the following parameters of the piezoelectric layer: electromechanical coupling coefficient, acoustic wave propagation speed, and coefficient of frequency temperature.
  • the invention proposes a method for correcting the thickness of a piezoelectric layer arranged on a piezoelectric-on-insulator type substrate, comprising the following steps: o measuring the thickness of at least one localized intermediate layer between the piezoelectric layer and a support substrate, o measuring the thickness of the piezoelectric layer, o from said thickness measurements of the at least one intermediate layer and of the piezoelectric layer and a digital model of at least one property of the piezoelectric layer as a function of a plurality of pairs of thicknesses of the piezoelectric layer and of said at least one intermediate layer, calculating a thickness correction of the piezoelectric layer to obtain a target value of each property, o the application of the correction of the thickness of the piezoelectric layer by an abrasion process in a topographically discriminated manner.
  • said property of the piezoelectric layer is chosen from an electromechanical coupling coefficient, a wave propagation speed and/or a temperature coefficient of the frequency.
  • the choice of the property(ies) of the piezoelectric layer can be made depending on the application for which the substrate is intended. We can either choose a single property so as to obtain a very homogeneous distribution of this property over the extent of the substrate, or choose a compromise between two or three parameters, so that each parameter is as homogeneous as possible without generating significant inhomogeneities. for the other respective parameters.
  • the measurement of the thickness of the at least one intermediate layer and of the piezoelectric layer is carried out in a localized manner at a plurality of measurement points, the method further comprising a step of linear interpolation of thickness of each layer between at least two measurement points.
  • the measurement point grid can be chosen depending on the measurement technique and the desired precision.
  • the abrasion process is an ion beam etching process.
  • the method may comprise a step of scanning the ion beam along two axes of a main plane of the piezoelectric layer, in which the duration of irradiation by said ion beam on each position is adjusted as a function of the thickness of the piezoelectric layer to obtain.
  • the intermediate layer comprises a dielectric layer, a stack of several dielectric layers, a metal layer and/or an electric charge trapping layer.
  • the measurement of the thickness of the piezoelectric layer and/or the intermediate layer is carried out by ellipsometry and/or by reflectometry.
  • ellipsometry and/or by reflectometry.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a substrate of the piezoelectric type on insulator, comprising the following steps: o providing a support substrate, o providing a piezoelectric donor substrate, o bonding the donor substrate on the support substrate, an intermediate layer being arranged at the interface between the donor substrate and the support substrate, o thinning of the donor substrate so as to transfer a piezoelectric layer of said donor substrate onto the support substrate, o correction of the thickness of said piezoelectric layer by a method as described above.
  • the thinning of the donor substrate comprises, before bonding, the formation of a weakening zone so as to delimit a piezoelectric layer to be transferred, and, after bonding, the detachment of the donor substrate along said zone of weakening.
  • the measurement of the thickness of the at least one intermediate layer is carried out after the transfer of the piezoelectric layer to the support substrate.
  • the measurement of the thickness of the at least one intermediate layer is carried out before bonding the donor substrate to the support substrate. This method also makes it possible to measure the thickness of opaque layers.
  • the at least one intermediate layer comprises: a metal layer, a dielectric layer, a stack of several dielectric layers and/or an electric charge trapping layer.
  • Another object of the invention relates to a substrate of the piezoelectric type on insulator, successively comprising a piezoelectric layer, an intermediate layer and a support substrate, characterized in that the local thickness of said piezoelectric layer is adjusted as a function of the thickness localization of the intermediate layer by abrasion of the piezoelectric layer in a topographically discriminated manner from a digital model of at least one property of the piezoelectric layer as a function of a plurality of pairs of thicknesses of the piezoelectric layer and said at least one intermediate layer, according to a method as described above.
  • Figure 1 illustrates a piezoelectric on insulator (POI) type substrate comprising a base substrate, an intermediate layer and a piezoelectric layer.
  • PPI piezoelectric on insulator
  • Figures 2A to 2E illustrate steps of a process for manufacturing a POI type substrate comprising adjusting the thickness of the piezoelectric layer according to the invention.
  • Figure 3 illustrates a grid of intermediate layer thickness measurement points.
  • Figure 4 is a map of a POI type substrate, representing the thickness of a LiTaOs layer.
  • Figure 5 is an example of reflectometry at two different angles on a POI substrate comprising a transparent intermediate layer.
  • Figure 6 shows the variation of the frequency temperature coefficient for POI type substrates having different thicknesses of an intermediate LiTaO 3 layer.
  • Figure 7 shows the variation of the electromechanical coupling coefficient and the propagation speed of acoustic waves for POI type substrates having different thicknesses of an intermediate LiTaO3 layer.
  • Figure 1 illustrates a substrate for an RF device, comprising a support substrate 1, generally made of a semiconductor material such as silicon, at least one intermediate layer 2 arranged on the support substrate, and a piezoelectric layer 3 arranged on the layer intermediate. In certain cases, several intermediate layers are arranged between the support substrate and the piezoelectric layer.
  • intermediate layer 2 and the piezoelectric layer 3 are represented with a constant thickness, said layers generally present variations in thickness not shown in Figure 1.
  • a process for manufacturing such a substrate comprises: o one or more steps of forming the substrate, which may involve steps of deposition, bonding and/or transfer of layers, o one or more steps of measuring the thickness of the intermediate layer(s), o a step of calculating 'a correction of thickness of the piezoelectric layer, and o the application of said correction to the piezoelectric layer by an abrasion process.
  • the formation of the substrate generally involves the bonding of a support substrate and a piezoelectric donor substrate via at least one intermediate layer, followed by the transfer of a piezoelectric layer from the donor substrate to the support substrate.
  • At least one intermediate layer is formed on the support substrate and/or on the donor substrate.
  • Said layer may be present on one or other of the substrates used, or be deposited during the manufacturing process of the piezoelectric substrate on insulator.
  • an intermediate layer 2 is deposited on a support substrate 1.
  • such an intermediate layer can be a dielectric layer such as an oxide layer.
  • two or more intermediate layers can be deposited on the support substrate.
  • these layers can be in the form of a stack of several superimposed dielectric layers, for example at least one oxide layer (such as SiC>2), at least one nitride layer (such as SiN ) and/or at least one oxynitride layer (such as SiON).
  • at least one metallic intermediate layer and/or at least one intermediate layer for trapping electrical charges is deposited, for example in polycrystalline silicon.
  • At least one intermediate layer as described above is deposited on the piezoelectric donor substrate.
  • the deposition is carried out so that the intermediate layer is on the face of the donor substrate intended to be glued to the support substrate.
  • At least one first intermediate layer is deposited on the support substrate, and at least one second intermediate layer on the piezoelectric donor substrate, so that the first and second intermediate layers are located at the bonding interface of the donor substrate on the support substrate.
  • the number of intermediate layers is between one and three, without limiting the invention.
  • each intermediate layer 2 has a certain variation in its thickness over the extent of the surface of the layer 2.
  • the variation in the thickness of each intermediate layer is between 5% and 30%.
  • a piezoelectric layer to the support substrate can advantageously be carried out by the Smart CutTM process.
  • a weakening zone 31 is formed in a donor substrate 30, so as to delimit the piezoelectric layer 3.
  • the weakened zone 31 is formed in the donor substrate 30 at a predetermined depth which corresponds substantially to the thickness of the piezoelectric layer 3 to be transferred.
  • the piezoelectric layer 3 typically has a thickness of between 100 nm and 15 pm.
  • the weakened zone 31 is created by implantation of hydrogen and/or helium atoms in the donor substrate 30.
  • An optional treatment can be carried out on the surface of the donor substrate to prepare said surface for bonding by molecular adhesion.
  • This treatment may include, by way of illustrative and non-limiting example, chemical cleaning or plasma activation.
  • the intermediate layer(s) are deposited on the donor substrate after the formation of the weakened zone and/or the optional treatment of the surface of the donor substrate.
  • the donor substrate 30 is then glued to the support substrate 1.
  • the intermediate layer(s) 2 are thus arranged at the bonding interface between the support substrate 1 and the donor substrate 30.
  • a detachment of the donor substrate is caused along the weakening zone 31, so as to transfer the piezoelectric layer 3 onto the support substrate 1, the intermediate layer(s) being arranged between the piezoelectric layer 3 and the support substrate 1 (cf. Figure 2D).
  • the intermediate layer(s) 2 and the piezoelectric layer 3 are arranged in direct contact over the extent of their interfaces.
  • the transfer of the piezoelectric layer and/or one or more intermediate layers can be carried out by other techniques, without creating a weakening zone.
  • the piezoelectric layer can be transferred by thinning to the rear face of the donor substrate.
  • the piezoelectric layer transferred to the support substrate has a thickness greater than the thickness of the piezoelectric layer desired for the intended application, in order to allow adjustment of the thickness by abrasion in a step later as described below.
  • a non-destructive measurement of the thickness of the intermediate layer(s) 2 and the piezoelectric layer 3 is carried out to establish a map of the thickness of the intermediate layer(s) 2.
  • a measurement of the thickness of a first intermediate layer 2A and a measurement of the thickness of the second intermediate layer 2B can be carried out successively or simultaneously to establish a map of the thickness of each intermediate layer and of the piezoelectric layer 3. In other cases, only the thicknesses of the piezoelectric layer 3 and of the upper intermediate layer 2B are determined, without measuring the thickness of possible lower intermediate layers 2A.
  • Measuring the thickness of the intermediate layer(s) is advantageously carried out using an optical measuring device.
  • a device is preferably an ellipsometry device or a reflectometry device.
  • An advantage of these optical techniques is that they allow the simultaneous measurement of the thickness of several superimposed layers, as illustrated in Figure 2F.
  • Such optical technologies are particularly suitable for piezoelectric layers such as LiTaOs and oxide intermediate layers such as SiO2, because these materials are optically transparent in the wavelength range conventionally used in the field of semiconductors (for example, 360 nm to 900 nm or 190 nm to 1700 nm).
  • a stack of these materials further exhibits a large refractive index contrast between each respective layer, which facilitates measurement of the stack of layers by optical means.
  • the invention is not limited to these measurement techniques.
  • the determination of the thickness of the intermediate layer can be carried out by any other device making it possible to measure the thickness of a layer arranged below the piezoelectric layer 3 in a non-destructive manner.
  • the thickness of one or more intermediate layers is measured before the transfer of the piezoelectric layer. This technique is particularly used in the case of opaque upper layers which do not allow thickness to be determined by optical means through the opaque layer.
  • the thickness of an opaque layer or another layer located below an opaque layer can be measured by ultrasonic analysis with a resolution of picoseconds, or by wavelength dispersive X-ray fluorescence (WDXRF, acronym for the Anglo-Saxon term “wavelength dispersive X-ray fluorescence”).
  • WDXRF wavelength dispersive X-ray fluorescence
  • the measuring device is configured so as to carry out a series of automated thickness measurements on a grid of measuring points which are distributed over the surface of the substrate.
  • a grid of points is for example illustrated in Figure 3.
  • the measurement points 5 are typically located in a plane (X, Y) parallel to the surface of the substrate. Each measurement point is associated with a pair of X, Y coordinates in this plane.
  • the measuring points are arranged along straight lines in order to facilitate the guidance of the measuring means. These lines can be radial relative to the center of the substrate. Alternatively, the measurement points can be arranged on a rectangular grid or be distributed uniformly over the surface of the substrate. If greater variations in thickness are to be expected in a particular zone, for example in the middle or, with reference to Figure 3, near the edge of the substrate, the measurement points 5 can be chosen denser in this zone.
  • the grid, density and positioning of the measuring points can be chosen according to the measurement technique, the thickness variations in the intermediate layers and the piezoelectric layer, and according to the desired precision.
  • Figure 4 illustrates a thickness map on a grid of measurement points, that is to say a spatial representation of the thicknesses measured on a grid of points as described above.
  • Each measurement point is associated with a measurement value or, in the case of several superimposed intermediate layers, with a set of measurement values of which each respective value corresponds to a respective intermediate layer.
  • each thickness range can be associated with a predefined color or shade on the map.
  • Optical reflectometry consists of measuring the variation in the intensity of a beam of light reflected on a surface or an interface, compared to the intensity of an incident beam (this ratio is called reflectivity) as a function of length wave of the beam.
  • reflectometry measurements at different angles of incidence provide reflection intensity spectra as a percentage of the incident intensity as a function of the wavelength X of the incident beam in nanometers.
  • the spectrum represented by a solid line corresponds to a reflection angle of 70°
  • the spectrum represented by a dotted line corresponds to a reflection angle of 6.5°.
  • Other angles of incidence and/or a greater number of different angles may be used.
  • the reflected intensity depends on the wavelength of the light and the thickness of each layer crossed by the incident beam and the reflected beam.
  • the intensity depends in addition the optical properties of each layer, which are known for the materials used. For each angle of reflection, the variation of intensity with wavelength is different.
  • Each spectrum recorded at a different reflection angle can thus provide additional information on the thickness of each layer in a stack of several superimposed layers.
  • n an integer.
  • the roughness of the layers can be used as an additional adjustment parameter, or be considered constant.
  • Ellipsometry is a characterization technique based on the change in polarization state of light, by reflection of light on a surface or interface.
  • An ellipsometry spectrum (not shown) therefore shows the change in polarization as a function of the wavelength of an incident beam.
  • the change in polarization also depends on the thickness of each layer crossed by the incident beam and the reflected beam, and on the angle of reflection of the beam. Similar to a set of reflectometry spectra, we can calculate the respective thicknesses of a set of n layers from n ellipsometry spectra at different angles, n being an integer.
  • a thickness interpolation step between the measurement points in order to obtain a thickness map over the extent of the substrate.
  • a linear interpolation is carried out which is quick and easy to implement.
  • the piezoelectric layer has several parameters which depend on the thickness of the piezoelectric layer and the thickness of the intermediate layer(s). These parameters are for example the electromechanical coupling coefficient, the propagation speed of acoustic waves and the temperature coefficient of the frequency.
  • Each of these parameters can depend on the thicknesses of each intermediate layer in a different way, depending on the mechanical, electrical and/or thermal properties of each layer.
  • a digital model of at least one property of a layer piezoelectric includes a data matrix for one or more parameters of the piezoelectric layer. In this matrix, the model associates each value of the respective parameter with all combinations of layer thicknesses superimposed in the substrate stack and vice versa.
  • a target value of said parameter corresponding to an indicative thickness for each respective intermediate layer present in the substrate can be chosen. Since the thickness of the intermediate layer(s) is not modified during the process, a target value is advantageously chosen which remains compatible with all the thicknesses of the intermediate layers present in the substrate.
  • a target value corresponding to an indicative thickness close to the average thickness of each respective intermediate layer is chosen. In other cases, it may be necessary to use a maximum or minimum indicative thickness, so that the target value can be achieved for all thicknesses of the intermediate layer(s) present in the substrate.
  • a target piezoelectric layer thickness value is then calculated for each position across the substrate, based on the thickness of the respective intermediate layers below the piezoelectric layer corresponding to the same position on the substrate.
  • a target thickness of the piezoelectric layer is obtained at each point of the substrate, so that the chosen parameter presents the target value corresponding to the indicative value previously chosen, independently of the actual value of the intermediate layer(s) at each respective position.
  • the chosen parameter has maxima and/or minima depending on the thickness of the piezoelectric layer
  • several target thicknesses may be possible.
  • these target values will not be the same for each respective parameter for different locations on the range of the substrate.
  • the thickness of the piezoelectric layer is chosen based on the thicknesses of the intermediate layers for each location on the substrate surface.
  • the thickness of the piezoelectric layer by taking into account the influence of the thickness of the intermediate layer on a specific parameter, or for a compromise of a set of parameters.
  • the choice of the parameter(s) to be optimized is typically made according to the intended application of the substrate.
  • the most relevant parameters of the piezoelectric layer are the electromechanical coupling coefficient, the acoustic wave propagation speed and the frequency temperature coefficient. However, other parameters of the piezoelectric layer can be adjusted with the method of the invention.
  • Figure 6 shows the propagation speeds of acoustic waves vi or Vf on a free surface, the propagation speeds of acoustic waves v m on a metallized surface in m/s, and the square of the coupling coefficient k s in%. These parameters are represented as a function of the product d*f of the thickness d of a piezoelectric layer of lithium tantalate (LiTaOs) and the frequency f in m GHz or km/s.
  • LiTaOs lithium tantalate
  • the application frequency is between 500 and 3000 MHz.
  • the representation of the parameters as a function of the thickness-frequency product makes it easy to evaluate the necessary thickness of the piezoelectric layer for a planned application frequency.
  • the parameters were measured for different thicknesses (100 nm, 500 nm and 900 nm) of an intermediate layer of silicon oxide (SiC>2).
  • SiC>2 silicon oxide
  • Lithium tantalate and silicon oxide are optically transparent and their refractive indices present a high contrast between the respective layers, which facilitates optical measurements on the layer stack.
  • the wave propagation speed v m on a metallized surface at 1 km/s of product of thickness of the piezoelectric layer times the frequency we can choose as target value the value for a thickness of 500 nm which is approximately 4100 m/s.
  • the thickness of the piezoelectric layer times the frequency will have to be adjusted to around 3 km/s.
  • this product should either be increased to 3 in order to obtain the same wave propagation speed, or reduced to around 0.4 km/s . If we simultaneously wish to maintain a certain homogeneity of the electromechanical coupling coefficient, we will rather choose a value of 3 km/s, because the coupling coefficient presents significant variations for a thickness-frequency product of 0.4 km/s.
  • the maximum of the coupling coefficient k shifts towards lower frequencies with the increase in the dielectric layer.
  • the thickness distribution will therefore be chosen according to the frequency used in the application of the substrate.
  • Figure 7 shows the temperature coefficient of the CTF frequency as a function of the product d*f of the thickness d of a lithium tantalate (LiTaOs) piezoelectric layer and the frequency f in m GHz or km/s.
  • the frequency temperature coefficient increases with the thickness d of the dielectric layer. Simultaneously, the maximum of this coefficient shifts towards higher frequencies for thicker piezoelectric layers.
  • This parameter can be adjusted, for example starting from a value of approximately 9 ppm/K for a layer of 500 nm and a thickness-frequency product of 1 km/s.
  • thickness-frequency products of approximately 0.6 km/s for a piezoelectric layer of 100 nm, of approximately 0.8 km/s for a layer of 200 nm, of 1.1 km/s for a layer of 700 nm and 1.2 km/s for a layer 900 nm thick.
  • the abrasion process is typically an ion beam etching process, typically an argon ion beam.
  • the ions impact the surface of the sample at very high speed tearing off material in the aiming zone.
  • the ion beam is scanned along two axes of a main plane of the piezoelectric layer in order to etch the piezoelectric layer over the entire extent of the substrate.
  • Such a method makes it possible to precisely adjust the thickness of the piezoelectric layer at each position over the extent of the substrate, with continuous scanning of the surface.
  • the thickness variation is continuously adapted to the desired parameters over the entire surface.
  • the abrasion process may further comprise etching with a chemical etchant, typically a reactive gas.
  • the local thickness removed is determined by the beam stopping time at each location on the surface of the piezoelectric layer. This stopping time is calculated by an algorithm in order to adapt the scanning process to the desired thickness uniformity.
  • the beam can be adjusted to the hardness of the material by varying the beam energy and current to achieve a suitable flow rate without unduly affecting the final surface roughness.
  • the nature of the ionic species used for the beam can also result in a chemical reaction with the etched material that can either speed up the etching process or smooth the surface of the piezoelectric layer.
  • the same approach can be used for correcting the thickness of the intermediate layer (for example, a dielectric layer such as SiC>2, SiON or Si N) arranged under the piezoelectric layer, in a step included after the deposition of the intermediate layer on the donor substrate or the support substrate and before the transfer of the piezoelectric layer to the support substrate.
  • This can advantageously lead to a very uniform dielectric layer, which also has a beneficial impact on the uniformity of the electromechanical coupling coefficient over the extent of the substrate.
  • the base substrate may comprise a stack of one or more layers on its surface which typically comprises a layer of polycrystalline silicon which is rich into traps for electric charge carriers.
  • the stack may further comprise a layer of silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride, aluminum oxide, tantalate nitride or a combination of said layers, other layers of dielectric materials or stacks of layers.
  • the map of the local thickness of the respective layers is injected into a digital model including data for a parameter to be optimized as a function of the thickness.
  • the mapping is injected in the form of values associated with X, Y coordinates on the measurement points used.
  • An interpolation is also carried out between the measurement points, preferably a linear interpolation.
  • the thickness of the dielectric layer is locally adjusted by an abrasion process, for example by an ion beam.
  • the thickness value after abrasion is based on the local target value determined above.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de correction d'épaisseur d'une couche piézoélectrique (3) agencée sur un substrat du type piézoélectrique sur isolant, comprenant les étapes suivantes : • la mesure de l'épaisseur d'au moins une couche intermédiaire (2) localisée entre la couche piézoélectrique (3) et un substrat support (1 ), • la mesure de l'épaisseur de la couche piézoélectrique (3), • à partir desdites mesures d'épaisseur de l'au moins une couche intermédiaire (2) et de la couche piézoélectrique (3) et d'un modèle numérique d'au moins une propriété de la couche piézoélectrique (3) en fonction d'une pluralité de couples d'épaisseurs de la couche piézoélectrique (3) et de ladite au moins une couche intermédiaire (2), le calcul d'une correction d'épaisseur de la couche piézoélectrique (3) pour obtenir une valeur cible de chaque propriété, l'application de la correction de l'épaisseur de la couche piézoélectrique (3) par un procédé d'abrasion de manière topographiquement discriminée.

Description

PROCEDE DE CORRECTION D’EPAISSEUR D’UNE COUCHE PIEZOELECTRIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne un système La présente invention concerne un procédé de correction d’épaisseur d’une couche piézoélectrique, ainsi qu’un substrat du type piézoélectrique sur isolant dont l’épaisseur est corrigée par ledit procédé. L’invention trouve notamment application dans la fabrication de dispositifs radiofréquence, tels que des résonateurs ou des filtres.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Il est connu de fabriquer un dispositif radiofréquence (RF), tel qu’un résonateur ou filtre, sur un substrat comprenant successivement, de sa base vers sa surface, un substrat support, généralement en un matériau semi-conducteur tel que du silicium, une ou plusieurs couches intermédiaires, et une couche piézoélectrique.
La couche piézoélectrique est typiquement obtenue par transfert d’un substrat épais d’un matériau piézoélectrique (obtenu par exemple par découpe d’un lingot) sur un substrat support, par exemple par un procédé de transfert de couche du type Smart Cut ™. Le substrat support est typiquement un substrat de silicium comprenant éventuellement une ou plusieurs couches d’un ou plusieurs autres matériaux.
Le transfert de la couche piézoélectrique implique un collage du substrat piézoélectrique épais sur le substrat support, suivi d’un amincissement du substrat piézoélectrique épais, de sorte à ne laisser sur le substrat support qu’une couche piézoélectrique mince, de l’épaisseur souhaitée pour la fabrication du dispositif RF.
Pour une bonne adhésion du substrat piézoélectrique sur le substrat support, on procède généralement à un dépôt d’une couche d’oxyde (par exemple un oxyde de silicium SiC>2) sur chacun des deux substrats, et on colle lesdits substrats par l’intermédiaire desdites couches d’oxyde.
Les propriétés de la couche piézoélectrique, tels que le coefficient de couplage électromécanique, la vitesse de propagation d’ondes acoustiques et le coefficient de température de la fréquence dépendent de l’épaisseur de la couche piézoélectrique.
Il est connu d”ajuster localement l’épaisseur de la couche piézoélectrique par abrasion par un faisceau d’ions, par exemple des ions d’argon, balayant la surface de la couche piézoélectrique, afin d’uniformiser cette épaisseur. Ce procédé d’ajustement est appelé « trimming » en anglais.
Cependant, la couche piézoélectrique étant très mince, des irrégularités d’épaisseur de la ou les couches situées sous la couche piézoélectrique peuvent engendrer des variations importantes de ces propriétés. EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de mettre à disposition un procédé permettant d’obtenir une distribution homogène d’au moins un parmi les paramètres suivants de la couche piézoélectrique : coefficient de couplage électromécanique, vitesse de propagation d’ondes acoustiques, et coefficient de température de la fréquence.
A cet effet, l’invention propose un procédé de correction d’épaisseur d’une couche piézoélectrique agencée sur un substrat du type piézoélectrique sur isolant, comprenant les étapes suivantes : o la mesure de l’épaisseur d’au moins une couche intermédiaire localisée entre la couche piézoélectrique et un substrat support, o la mesure de l’épaisseur de la couche piézoélectrique, o à partir desdites mesures d’épaisseur de l’au moins une couche intermédiaire et de la couche piézoélectrique et d’un modèle numérique d’au moins une propriété de la couche piézoélectrique en fonction d’une pluralité de couples d’épaisseurs de la couche piézoélectrique et de ladite au moins une couche intermédiaire, le calcul d’une correction d’épaisseur de la couche piézoélectrique pour obtenir une valeur cible de chaque propriété, o l’application de la correction de l’épaisseur de la couche piézoélectrique par un procédé d’abrasion de manière topographiquement discriminée.
Avantageusement, ladite propriété de la couche piézoélectrique est choisie parmi un coefficient de couplage électromécanique, une vitesse de propagation d’ondes et/ou un coefficient de température de la fréquence.
Le choix du ou des propriétés de la couche piézoélectrique peut être réalisé selon l’application à laquelle est destiné le substrat. On peut soit choisir une seule propriété de manière à obtenir une distribution très homogène de cette propriété sur l’étendue du substrat, soit choisir un compromis entre deux ou trois paramètres, de manière que chaque paramètre soit le plus homogène possible sans générer des inhomogénéités importantes pour les autres paramètres respectifs.
De préférence, la mesure de l’épaisseur de l’au moins une couche intermédiaire et de la couche piézoélectrique est effectuée de manière localisée en une pluralité de points de mesure, le procédé comprenant en outre une étape d’interpolation linéaire d’épaisseur de chaque couche entre au moins deux points de mesure. La grille de points de mesure peut être choisie en fonction la technique de mesure et de la précision souhaitée.
De manière avantageuse, le procédé d’abrasion est un procédé de gravure par faisceau d’ions. Le procédé peut comprendre une étape de balayage du faisceau d’ions selon deux axes d’un plan principal de la couche piézoélectrique, dans laquelle la durée d’irradiation par ledit faisceau d’ions sur chaque position est ajustée en fonction de l’épaisseur de la couche piézoélectrique à obtenir. Avantageusement, la couche intermédiaire comprend une couche diélectrique, un empilement de plusieurs couches diélectriques, une couche métallique et/ou une couche de piégeage de charges électriques.
De préférence, la mesure de l’épaisseur de la couche piézoélectrique et/ou de la couche intermédiaire est effectuée par ellipsométrie et/ou par réflectométrie. L’utilisation de ces techniques permet la mesure simultanée de plusieurs épaisseurs de couches superposées.
L’invention se rapporte aussi à un procédé de fabrication d’un substrat du type piézoélectrique sur isolant, comprenant les étapes suivantes o la fourniture d’un substrat support, o la fourniture d’un substrat donneur piézoélectrique, o le collage du substrat donneur sur le substrat support, une couche intermédiaire étant agencée à l’interface entre le substrat donneur et le substrat support, o l’amincissement du substrat donneur de sorte à transférer une couche piézoélectrique dudit substrat donneur sur le substrat support, o la correction de l’épaisseur de ladite couche piézoélectrique par un procédé tel que décrit ci-dessus.
De préférence, l’amincissement du substrat donneur comprend, avant le collage, la formation d’une zone de fragilisation de sorte à délimiter une couche piézoélectrique à transférer, et, après le collage, le détachement du substrat donneur le long de ladite zone de fragilisation.
Dans certains modes de réalisation la mesure de l’épaisseur de l’au moins une couche intermédiaire est effectuée après le transfert de la couche piézoélectrique sur le substrat support.
Dans d’autres modes de réalisation, la mesure de l’épaisseur de l’au moins une couche intermédiaire est effectuée avant le collage du substrat donneur sur le substrat support. Cette méthode permet de mesurer également l’épaisseur de couches opaques.
De manière avantageuse, l’au moins une couche intermédiaire comprend : une couche métallique, une couche diélectrique, un empilement de plusieurs couches diélectriques et/ou une couche de piégeage de charges électriques.
Un autre objet de l'invention concerne un substrat du type piézoélectrique sur isolant, comprenant successivement une couche piézoélectrique, une couche intermédiaire et un substrat support, caractérisé en ce que l’épaisseur locale de ladite couche piézoélectrique est ajustée en fonction de l’épaisseur locale de la couche intermédiaire par abrasion de la couche piézoélectrique de manière topographiquement discriminée à partir d’un modèle numérique d’au moins une propriété de la couche piézoélectrique en fonction d’une pluralité de couples d’épaisseurs de la couche piézoélectrique et de ladite au moins une couche intermédiaire, selon un procédé tel que décrit ci-dessus. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 illustre un substrat du type piézoélectrique sur isolant (POI) comprenant un substrat de base, une couche intermédiaire et une couche piézoélectrique.
Les figures 2A à 2E illustrent des étapes d’un procédé de fabrication d’un substrat du type POI comprenant un ajustement d’épaisseur de la couche piézoélectrique selon l’invention.
La figure 3 illustre une grille de points de mesure d’épaisseur de la couche intermédiaire.
La figure 4 est une cartographie d’un substrat du type POI, représentant l’épaisseur d’une couche en LiTaOs.
La figure 5 est un exemple de réflectométrie à deux angles différents sur un substrat POI comprenant une couche intermédiaire transparente.
La figure 6 montre la variation du coefficient de température de la fréquence pour des substrats du type POI présentant différentes épaisseurs d’une couche intermédiaire en LiTaO3.
La figure 7 montre la variation du coefficient de couplage électromécanique et de la vitesse de propagation d’ondes acoustiques pour des substrats du type POI présentant différentes épaisseurs d’une couche intermédiaire en LiTaO3.
Pour des raisons de lisibilité des figures, les différents éléments n’ont pas nécessairement été dessinés à l’échelle. Notamment, les variations d’épaisseur des différentes couches du substrat piézoélectrique sur isolant ont pu être exagérées.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION
La figure 1 illustre un substrat pour un dispositif RF, comprenant un substrat support 1 , généralement en un matériau semi-conducteur tel que du silicium, au moins une couche intermédiaire 2 agencé sur le substrat support, et une couche piézoélectrique 3 agencée sur la couche intermédiaire. Dans certains cas, plusieurs couches intermédiaires sont agencées entre le substrat support et la couche piézoélectrique.
Par « sur » on désigne une position relative des couches en considérant les couches de la face arrière (c’est-à-dire du côté du substrat support) vers la face avant (c’est-à-dire du côté de la couche piézoélectrique) du substrat.
Bien que la couche intermédiaire 2 et la couche piézoélectrique 3 soient représentées avec une épaisseur constante, lesdites couches présentent en général des variations d’épaisseur non représentées sur la figure 1.
Un procédé de fabrication d’un tel substrat comprend : o une ou plusieurs étapes de formation du substrat, pouvant impliquer des étapes de dépôt, de collage et/ou de transfert de couches, o une ou plusieurs étapes de mesure d’épaisseur de la ou les couches intermédiaires, o une étape de calcul d’une correction d’épaisseur de la couche piézoélectrique, et o l’application de ladite correction à la couche piézoélectrique par un procédé d’abrasion.
On va maintenant décrire chacune de ces étapes en détail.
Formation du substrat
La formation du substrat met généralement en oeuvre le collage d’un substrat support et d’un substrat donneur piézoélectrique par l’intermédiaire d’au moins une couche intermédiaire, suivi du transfert d’une couche piézoélectrique du substrat donneur sur le substrat support.
Avant l’étape de collage, au moins une couche intermédiaire est formée sur le substrat support et/ou sur le substrat donneur. Ladite couche peut être présente sur l’un et/ou l’autre des substrats utilisés, ou être déposée lors du procédé de fabrication du substrat piézoélectrique sur isolant.
En référence à la figure 2A, on dépose une couche intermédiaire 2 sur un substrat support 1. De manière illustrative et non limitative, une telle couche intermédiaire peut être une couche diélectrique telle qu’une couche d’oxyde. Bien qu’une seule couche intermédiaire 2 soit illustrée sur la figure 2A, deux couches intermédiaires ou davantage peuvent être déposées sur le substrat support. Dans certains modes de réalisation, ces couches peuvent se présenter sous forme d’un empilement de plusieurs couches diélectriques superposées, par exemple au moins une couche d’oxyde (tel que SiC>2), au moins une couche de nitrure (tel que SiN) et/ou au moins une couche d’oxynitrure (tel que SiON). Dans certains modes de réalisation, distincts ou combinés aux modes de réalisation précités, on dépose au moins une couche intermédiaire métallique et/ou au moins une couche intermédiaire de piégeage de charges électriques, par exemple en silicium polycristallin.
De manière alternative (non illustrée), on dépose au moins une couche intermédiaire telle que décrite ci-dessus sur le substrat donneur piézoélectrique. Le dépôt est réalisé de sorte que la couche intermédiaire soit sur la face du substrat donneur destinée à être collée sur le substrat support.
Dans certains modes de réalisation (non illustrés), on dépose au moins une première couche intermédiaire sur le substrat support, et au moins une deuxième couche intermédiaire sur le substrat donneur piézoélectrique, de sorte que les première et deuxième couches intermédiaires soient situées à l’interface de collage du substrat donneur sur le substrat support. Typiquement, le nombre de couches intermédiaires est compris entre un et trois, sans pour autant limiter l’invention.
Comme schématisé sur la figure 2A, chaque couche intermédiaire 2 présente une certaine variation de son épaisseur sur l’étendue de la surface de la couche 2. De manière illustrative et non limitative, la variation de l’épaisseur de chaque couche intermédiaire est comprise entre 5 % et 30 %.
Le transfert d’une couche piézoélectrique sur le substrat support peut avantageusement être réalisée par le procédé Smart Cut ™. A cet effet, en référence à la figure 2B, on forme une zone de fragilisation 31 dans un substrat donneur 30, de sorte à délimiter la couche piézoélectrique 3.
La zone de fragilisation 31 est formée dans le substrat donneur 30 à une profondeur prédéterminée qui correspond sensiblement à l'épaisseur de la couche piézoélectrique 3 à transférer. La couche piézoélectrique 3 présente typiquement une épaisseur comprise entre 100 nm et 15 pm. De préférence, la zone de fragilisation 31 est créée par implantation d'atomes d'hydrogène et/ou d'hélium dans le substrat donneur 30.
On peut effectuer un traitement optionnel de la surface du substrat donneur pour préparer ladite surface au collage par adhésion moléculaire. Ce traitement peut comporter, à titre d'exemple illustratif et non limitatif, un nettoyage chimique ou une activation plasma. Dans certains modes de réalisation, on dépose la ou les couches intermédiaires sur le substrat donneur après la formation de la zone de fragilisation et/ou le traitement optionnel de la surface du substrat donneur.
En référence à la figure 2C, on colle ensuite le substrat donneur 30 sur le substrat support 1. La ou les couches intermédiaires 2 sont ainsi agencées à l’interface de collage entre le substrat support 1 et le substrat donneur 30.
On provoque un détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation 31 , de sorte à transférer la couche piézoélectrique 3 sur le substrat support 1 , la ou les couches intermédiaires étant agencés entre la couche piézoélectrique 3 et le substrat support 1 (cf. figure 2D). La ou les couches intermédiaires 2 et la couche piézoélectrique 3 sont agencées en contact direct sur l’étendue de leurs interfaces.
De manière alternative au procédé Smart Cut ™, le transfert de la couche piézoélectrique et/ou d’une ou plusieurs couches intermédiaires peut être réalisé par d’autres techniques, sans création d’une zone de fragilisation. Par exemple, la couche piézoélectrique peut être transférée par amincissement par la face arrière du substrat donneur.
La couche piézoélectrique transférée sur le substrat support présente une épaisseur supérieure à l’épaisseur de la couche piézoélectrique souhaitée pour l’application envisagée, afin de permettre un ajustement de l’épaisseur par abrasion dans une étape ultérieure tel que décrite ci-dessous. En partant d'une couche de matériau piézoélectrique suffisamment épaisse, on dispose d'une marge pour permettre une optimisation locale.
Mesure de l’épaisseur
En référence à la figure 2E, on effectue une mesure non-destructive de l’épaisseur de la ou les couches intermédiaires 2 et de la couche piézoélectrique 3 pour établir une cartographie de l’épaisseur de la ou les couches intermédiaires 2.
Quand le substrat comprend plusieurs couches intermédiaires 2A et 2B, en référence à la figure 2F, on peut effectuer successivement ou simultanément une mesure de l’épaisseur d’une première couche intermédiaire 2A et une mesure d’épaisseur de la deuxième couche intermédiaire 2B pour établir une cartographie de l’épaisseur de chaque couche intermédiaire et de la couche piézoélectrique 3. Dans d’autres cas, uniquement les épaisseurs de la couche piézoélectrique 3 et de la couche intermédiaire supérieure 2B sont déterminées, sans mesurer l’épaisseur d’éventuelles couches intermédiaires inférieures 2A.
La mesure de l’épaisseur de la ou les couches intermédiaires est avantageusement réalisée en utilisant un dispositif de mesure optique. Un tel dispositif est de préférence un dispositif d’ellipsométrie ou un dispositif de réflectométrie. Un avantage de ces techniques optiques est qu’elles permettent la mesure simultanée de l’épaisseur de plusieurs couches superposées, comme illustré dans la figure 2F. De telles technologies optiques sont particulièrement adaptées pour des couches piézoélectriques tel que du LiTaOs et des couches intermédiaires en oxyde tel que le SiO2, car ces matériaux sont optiquement transparents dans la gamme de longueurs d'onde classiquement utilisée dans le domaine des semi-conducteurs (par exemple, 360 nm à 900 nm ou 190 nm à 1700 nm). Un empilement de ces matériaux présente en outre un grand contraste d'indice de réfraction entre chaque couche respective, ce qui facilite la mesure de l’empilement de couches par des moyens optiques.
Cependant, l’invention n’est pas limitée à ces techniques de mesure. La détermination de l’épaisseur de la couche intermédiaire peut être réalisée par tout autre dispositif permettant de mesurer l’épaisseur d’une couche agencée en-dessous la couche piézoélectrique 3 de manière non-destructive.
Dans certains modes de réalisation, on réalise la mesure d’épaisseur d’une ou plusieurs couches intermédiaires avant le transfert de la couche piézoélectrique. Cette technique est particulièrement utilisée en cas de couches supérieures opaques ne permettant pas de détermination d’épaisseur par des moyens optiques à travers la couche opaque.
Par exemple, l’épaisseur d’une couche opaque ou d’une autre couche située en- dessous d’une couche opaque peut être mesurée par analyse ultrasonique avec une résolution de picosecondes, ou par la fluorescence X à dispersion de longueur d'onde (WDXRF, acronyme du terme anglo-saxon « wavelength dispersive X-ray fluorescence »).
Avantageusement, le dispositif de mesure est configuré de manière à réaliser une série de mesures d’épaisseur automatisée sur une grille de points de mesure qui sont répartis sur la surface du substrat. Une telle grille de points est par exemple illustrée sur la figure 3.
Dans une telle grille, les points de mesure 5 se situent typiquement dans un plan (X, Y) parallèle à la surface du substrat. Chaque point de mesure est associé à une paire de coordonnées X, Y dans ce plan. De manière illustrative et non limitative, les points de mesure sont disposés le long de lignes droites afin de faciliter le guidage des moyens de mesure. Ces lignes peuvent être radiales par rapport au centre du substrat. De manière alternative, les points de mesure peuvent être disposés sur une grille rectangulaire ou être répartis de manière uniforme sur la surface du substrat. Si des variations d'épaisseur plus importantes sont à attendre dans une zone particulière, par exemple au milieu ou, en référence à la figure 3, à proximité du bord du substrat, les points de mesure 5 peuvent être choisis plus denses dans cette zone.
La grille, la densité et le positionnement des points de mesure peuvent être choisis selon la technique de mesure, les variations d’épaisseur dans les couches intermédiaires et la couche piézoélectrique, et en fonction de la précision souhaitée.
La figure 4 illustre une cartographie d’épaisseur sur une grille de points de mesure, c’est-à-dire une représentation spatiale des épaisseurs mesurées sur une grille de points telle que décrite ci-dessus. Chaque point de mesure est associé à une valeur de mesure ou, dans le cas de plusieurs couches intermédiaires superposées, à un ensemble de valeurs de mesure dont chaque valeur respective correspond à une couche intermédiaire respective. Par exemple, chaque gamme d’épaisseur peut être associée à une couleur ou nuance prédéfinie sur la cartographie.
La réflectométrie optique consiste à mesurer la variation de l'intensité d’un faisceau de lumière réfléchi sur une surface ou une interface, par rapport à l'intensité d’un faisceau incident (on appelle ce rapport la réflectivité) en fonction de la longueur d’onde du faisceau.
En référence à la figure 5, des mesures en réflectométrie sous différents angles d’incidence fournissent des spectres d’intensité de réflexion en pourcentage de l’intensité incidente en fonction de la longueur d’onde X du faisceau incident en nanomètres. Le spectre représenté par une ligne continue correspond à un angle de réflexion de 70°, et le spectre représenté par une ligne en pointillés correspond à un angle de réflexion de 6,5°. D’autres angles d’incidence et/ou un plus grand nombre d’angles différents peuvent être utilisés.
L’intensité réfléchie dépend de la longueur d’onde de la lumière et de l’épaisseur de chaque couche traversée par le faisceau incident et le faisceau réfléchi. L’intensité dépend en outre les propriétés optiques de chaque couche, qui sont connues pour les matériaux utilisés. Pour chaque angle de réflexion, la variation de l’intensité avec la longueur d’onde est différente. Chaque spectre enregistré à un angle de réflexion différent peut ainsi fournir des informations supplémentaires sur l’épaisseur de chaque couche dans un empilement de plusieurs couches superposées.
On peut calculer l’épaisseur d’un ensemble de n couches à partir de n spectres de réflectométrie à différents angles, n étant un nombre entier. La rugosité des couches peut être utilisée en tant que paramètre d’ajustement supplémentaire, ou être considérée constante.
L’ellipsométrie est une technique de caractérisation fondée sur le changement d’état de polarisation de la lumière, par réflexion de la lumière sur une surface ou interface. Un spectre d’ellipsométrie (non représenté) montre donc le changement de polarisation en fonction de la longueur d’onde d’un faisceau incident. Le changement de polarisation dépend également de l’épaisseur de chaque couche traversée par le faisceau incident et le faisceau réfléchi, et de l’angle de réflexion du faisceau. Similairement à un ensemble de spectres de réflectométrie, on peut calculer les épaisseurs respectives d’un ensemble de n couches à partir de n spectres d’ellipsométrie à différents angles, n étant un nombre entier.
De même, on peut combiner des spectres d’ellipsométrie et de réflectométrie afin de calculer les épaisseurs respectives d’un ensemble de couches intermédiaires sur chaque point de la grille choisie.
On réalise ensuite une étape d’interpolation d’épaisseur entre les points de mesure afin d’obtenir une cartographie d’épaisseur sur l’étendue du substrat. Avantageusement, on réalise une interpolation linéaire qui est rapide et facile à mettre en oeuvre.
Modèle numérique
La couche piézoélectrique présente plusieurs paramètres qui dépendent de l’épaisseur de la couche piézoélectrique et de l’épaisseur de la ou les couches intermédiaires. Ces paramètres sont par exemple le coefficient de couplage électromécanique, la vitesse de propagation d’ondes acoustiques et le coefficient de température de la fréquence.
. Chacun de ces paramètres peut dépendre des épaisseurs de chaque couche intermédiaire de manière différente, en fonction des propriétés mécaniques, électriques et/ou thermiques de chaque couche.
Quand la ou les couches intermédiaires présentent des variations d’épaisseur, on obtient une variation de chacun de ces paramètres en fonction de l’épaisseur respective de chaque couche intermédiaire.
Après obtention de la cartographie de la couche piézoélectrique et d’au moins une couche intermédiaire, les épaisseurs locales et leur localisation sur le substrat sont prises en compte dans un modèle numérique d’au moins une propriété d’une couche piézoélectrique. Un tel modèle numérique comprend une matrice de données pour un ou plusieurs paramètres de la couche piézoélectrique. Dans cette matrice, le modèle associe chaque valeur du paramètre respectif à toutes les combinaisons d’épaisseurs de couches superposées dans l’empilement du substrat et inversement.
Partant d’une valeur cible pour un tel paramètre et de l’épaisseur de chaque couche intermédiaire considérée, on peut donc déterminer une épaisseur cible de la couche piézoélectrique.
Pour homogénéiser un tel paramètre sur l’étendue du substrat, on peut choisir une valeur cible dudit paramètre correspondant à une épaisseur indicative pour chaque couche intermédiaire respective présente dans le substrat. L’épaisseur de la ou les couches intermédiaires n’étant pas modifiée pendant le procédé, on choisit avantageusement une valeur cible qui reste compatible avec toutes les épaisseurs des couches intermédiaires présentes dans le substrat.
Dans certains cas, on choisit une valeur cible correspondant à une épaisseur indicative proche de l’épaisseur moyenne de chaque couche intermédiaire respective. Dans d’autres cas, il peut s’avérer nécessaire d’utiliser une épaisseur indicative maximale ou minimale, de manière à pouvoir atteindre la valeur cible pour toutes les épaisseurs de la ou les couches intermédiaires présents dans le substrat.
On calcule ensuite une valeur cible d’épaisseur de la couche piézoélectrique pour chaque position sur l’étendue du substrat, en fonction de l’épaisseur des couches intermédiaires respectives en-dessous de la couche piézoélectrique correspondant à la même position sur le substrat. On obtient une épaisseur cible de la couche piézoélectrique en chaque point du substrat, de manière que le paramètre choisi présente la valeur cible correspondant à la valeur indicative préalablement choisi, indépendamment de la valeur réelle de la ou les couches intermédiaires à chaque position respective. On peut ainsi choisir un paramètre de la couche piézoélectrique qui sera très homogène sur l’étendue du substrat après l’obtention de l’épaisseur cibles à chaque endroit respectif de la couche piézoélectrique.
Dans le cas où le paramètre choisi présente des maxima et/ou des minima en fonction de l’épaisseur de la couche piézoélectrique, plusieurs épaisseurs cibles peuvent être possibles. Dans un tel cas, on peut soit choisir une épaisseur cible qui permet de minimiser les variations d’épaisseur sur le substrat de manière globale, soit choisir l’épaisseur cible en fonction d’autres paramètres à rendre les plus homogènes possible sur l’étendue du substrat.
De manière alternative, on peut choisir deux ou trois paramètres différents de la couche piézoélectrique, et calculer les valeurs cibles de la couche piézoélectrique pour chacun des deux ou trois paramètres respectifs. En général, ces valeurs cibles ne seront pas les mêmes pour chaque paramètre respectif pour les différents endroits sur l’étendue du substrat. On calcule donc, pour chaque position sur le substrat, une valeur moyenne présentant un compromis pour les deux ou trois paramètres, de manière que chaque paramètre soit le plus homogène possible sur l’étendue du substrat, sans pour autant générer des inhomogénéités trop importantes pour les autres paramètres respectifs. L’épaisseur de la couche piézoélectrique est choisie en fonction des épaisseurs des couches intermédiaires pour chaque endroit sur la surface du substrat.
On peut ainsi ajuster l’épaisseur de la couche piézoélectrique en tenant compte de l'influence de l'épaisseur de la couche intermédiaire sur un paramètre spécifique, ou pour un compromis d’un ensemble de paramètres. Le choix du ou des paramètres à optimiser est typiquement effectué selon l’application envisagée du substrat.
Les paramètres de la couche piézoélectrique les plus pertinents sont le coefficient de couplage électromécanique, la vitesse de propagation d’ondes acoustiques et le coefficient de température de la fréquence. Cependant, d’autres paramètres de la couche piézoélectrique peuvent être ajustés avec le procédé de l’invention.
Des logiciels disponibles dans le commerce utilisent des modèles basés sur le coefficient de Fresnel des multicouches de films minces en utilisant la méthode de la matrice de transfert. Des tels modèles permettent de déterminer les épaisseurs de manière rapide et fiable.
La figure 6 montre les vitesses de propagation d’ondes acoustiques vi ou Vf sur une surface libre, les vitesses de propagation d’ondes acoustiques vm sur surface métallisée en m/s, et le carré du coefficient de couplage ks en %. Ces paramètres sont représentés en fonction du produit d*f de l’épaisseur d d’une couche piézoélectrique en tantalate de lithium (LiTaOs) et de la fréquence f en m GHz ou km/s.
Typiquement, la fréquence des applications est comprise entre 500 et 3000 MHz. La représentation des paramètres en fonction du produit épaisseur-fréquence permet d’évaluer facilement l’épaisseur nécessaire de la couche piézoélectrique pour une fréquence d’application envisagée.
Les paramètres ont été mesurés pour différentes épaisseurs (100 nm, 500 nm et 900 nm) d’une couche intermédiaire en d’oxyde de silicium (SiC>2). Le tantalate de lithium et l’oxyde de silicium sont optiquement transparents et leurs indices de réfraction présentent un contraste important entre les couches respectives, ce qui facilite les mesures optiques sur l’empilement des couches.
Si, pour cette configuration d’une couche piézoélectrique en LiTaOs et une couche intermédiaire en SiO2, on souhaite optimiser le coefficient de couplage électromécanique, on peut choisir soit la valeur d’une couche intermédiaire de 500 nm pour une produit épaisseur-fréquence supérieur ou égal à 1 km/s, soit d’une couche intermédiaire de 100 nm pour des petits valeurs du produit épaisseur-fréquence. Partant de la couche de 500 nm à 2 km/s, on obtient un carré du coefficient de couplage électromécanique d’environ 8.5 %. La même valeur peut être obtenu pour une couche de 100 nm à 2,3 km/s et pour une couche de 900 nm à 1 ,8 km/s (lignes pointillées dans la figure 6).
Pour homogénéiser, pour la même configuration, la vitesse de propagation d’ondes vm sur surface métallisée à 1 km/s de produit d’épaisseur de la couche piézoélectrique fois la fréquence, on peut choisir comme valeur cible la valeur pour une épaisseur de 500 nm qui est d’environ 4100 m/s.
Dans les zones dans lesquelles l’épaisseur de la couche en SiC>2 est plus fine, de 100 nm, l’épaisseur de la couche piézoélectrique fois la fréquence devra être ajusté à environ 3 km/s. Dans les zones dans lesquelles l’épaisseur de la couche en SiC>2 est de 900 nm, il faudrait soit augmenter ce produit à 3 afin d’obtenir la même vitesse de propagation d’ondes, soit le réduire à environ 0.4 km/s. Si on souhaite simultanément conserver une certaine homogénéité du coefficient de couplage électromécanique, on choisira plutôt une valeur de 3 km/s, car le coefficient de couplage présente des variations importantes pour un produit épaisseur-fréquence de 0.4 km/s.
Le maximum du coefficient de couplage k se décale vers des fréquences plus basses avec l’augmentation de la couche diélectrique. La distribution d’épaisseur sera donc à choisir en fonction de la fréquence utilisée dans l’application du substrat.
La figure 7 montre le coefficient de température de la fréquence CTF en fonction du produit d*f de l’épaisseur d d’une couche piézoélectrique en tantalate de lithium (LiTaOs) et de la fréquence f en m GHz ou km/s. Le coefficient de température de la fréquence augmente avec l’épaisseur d de la couche diélectrique. Simultanément, le maximum de ce coefficient se décale vers des fréquences plus élevées pour des couches piézoélectriques plus épaisses. Quand on souhaite homogénéiser ce paramètre sur l’étendue d’un substrat, il convient également de choisir l’épaisseur souhaité en fonction de la fréquence de l’application visée.
On peut ajuster ce paramètre, par exemple partant d’une valeur d’environ 9 ppm/K pour une couche de 500 nm et un produit épaisseur-fréquence de 1 km/s. On obtiendra des produits épaisseur-fréquence d’environ 0,6 km/s pour une couche piézoélectrique de 100 nm, d’environ 0.8 km/s pour une couche de 200 nm, de 1 ,1 km/s pour une couche de 700 nm et de 1 ,2 km/s pour une couche de 900 nm d’épaisseur.
Abrasion de la couche piézoélectrique
Basé sur la valeur cible de l’épaisseur de la couche piézoélectrique déterminée par le calcul décrit ci-dessus, on effectue ensuite une abrasion locale de la couche piézoélectrique. En référence à la figure 2G, cette abrasion permet d’ajuster l’épaisseur de la couche piézoélectrique selon les paramètres pris en compte lors du calcul.
Le procédé d’abrasion est typiquement un procédé de gravure par un faisceau d’ions, typiquement un faisceau d’ions d’argon. Les ions percutent la surface de l’échantillon à très haute vitesse arrachant de la matière dans la zone de visée. De manière illustrative et non limitative, on réalise un balayage du faisceau d’ions selon deux axes d’un plan principal de la couche piézoélectrique afin de graver la couche piézoélectrique sur toute l’étendue du substrat. Un tel procédé permet d’ajuster avec précision l’épaisseur de la couche piézoélectrique à chaque position sur l’étendue du substrat, avec un balayage de la surface de manière continue. Ainsi, la variation d’épaisseur est adaptée en continu aux paramètres souhaités sur toute la surface. Le procédé d’abrasion peut en outre comprendre une gravure par un agent de gravure chimique, typiquement un gaz réactif.
L'épaisseur locale enlevée est déterminée par le temps d’arrêt du faisceau à chaque endroit sur la surface de la couche piézoélectrique. Ce temps d’arrêt est calculé par un algorithme afin d'adapter le procédé de balayage à l'uniformité d'épaisseur souhaitée.
Dans certains outils d’abrasion, le faisceau peut être ajusté à la dureté du matériau grâce à la variation de l'énergie et du courant du faisceau pour obtenir un débit adapté sans affecter trop la rugosité finale de la surface.
La nature des espèces ioniques utilisées pour le faisceau peut également entraîner une réaction chimique avec le matériau gravé qui peut soit accélérer le processus de gravure, soit lisser la surface de la couche piézoélectrique.
Correction d’épaisseur de la couche intermédiaire
La même approche peut être utilisée pour la correction de l’épaisseur de la couche intermédiaire (par exemple, une couche diélectrique telle que SiC>2, SiON ou Si N ) agencée sous la couche piézoélectrique, dans une étape comprise après le dépôt de la couche intermédiaire sur le substrat donneur ou le substrat support et avant le transfert de la couche piézoélectrique sur le substrat support. Ceci peut avantageusement conduire à une couche diélectrique très uniforme, ce qui a également un impact bénéfique sur l'uniformité du coefficient de couplage électromécanique sur l’étendue du substrat. On va maintenant décrire les étapes à réaliser pour obtenir un substrat présentant une correction d’épaisseur de la couche diélectrique tel que décrit ci-dessus.
On commence par le dépôt d’une couche de SiÛ2 sur un substrat de base qui est préférablement en Si. Le substrat de base peut comprendre un empilement d’une ou plusieurs couches sur sa surface qui comprend typiquement une couche en silicium polycristallin qui est riche en pièges pour les porteurs de charges électriques. L’empilement peut comprendre en outre une couche en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium, en nitrure de silicium, en oxyde d’aluminium, en nitrure de tantalate ou une combinaison desdites couches, d'autres couches en matériaux diélectriques ou d'empilements de couches.
On réalise ensuite une cartographie de la distribution locale de l'épaisseur de la couche diélectrique par ellipsométrie et/ou réflectométrie d'au moins le matériau diélectrique en SiO2 et la couche sous-jacente, sur une grille de points de mesure, de même manière comme décrit ci-dessus pour les couches intermédiaires en-dessous de la couche piézoélectrique.
Par la suite, on injecte la cartographe de l’épaisseur locale des couches respectives dans un modèle numérique comprenant des données pour un paramètre à optimiser en fonction de l’épaisseur. De préférence, la cartographie est injectée sous forme de valeurs associées à des coordonnées X, Y sur les points de mesure utilisés. On réalise également une interpolation entre les points de mesure, de préférence une interpolation linéaire.
On ajuste localement l'épaisseur de la couche diélectrique par un procédé d’abrasion, par exemple par un faisceau d’ions. La valeur de l’épaisseur après l’abrasion est basée sur la valeur cible locale déterminée ci-dessus.
En partant d'une couche de matériau diélectrique assez épaisse, on dispose d'une marge suffisante pour permettre une telle optimisation locale.
On peut par la suite déposer une couche piézoélectrique sur la couche diélectrique, et réajuster l'épaisseur de la couche piézoélectrique par un procédé selon l’invention. On obtient ainsi une couche piézoélectrique dont l’épaisseur est finement ajustée pour optimiser un ou plusieurs paramètres de la couche piézoélectrique.

Claims

REVENDICATIONS Procédé de correction d’épaisseur d’une couche piézoélectrique (3) agencée sur un substrat du type piézoélectrique sur isolant, comprenant les étapes suivantes : o la mesure de l’épaisseur d’au moins une couche intermédiaire (2) localisée entre la couche piézoélectrique (3) et un substrat support (1 ), o la mesure de l’épaisseur de la couche piézoélectrique (3), o à partir desdites mesures d’épaisseur de l’au moins une couche intermédiaire (2) et de la couche piézoélectrique (3) et d’un modèle numérique d’au moins une propriété de la couche piézoélectrique (3) en fonction d’une pluralité de couples d’épaisseurs de la couche piézoélectrique (3) et de ladite au moins une couche intermédiaire (2), le calcul d’une correction d’épaisseur de la couche piézoélectrique (3) pour obtenir une valeur cible de chaque propriété, l’application de la correction de l’épaisseur de la couche piézoélectrique (3) par un procédé d’abrasion de manière topographiquement discriminée. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel ladite propriété de la couche piézoélectrique est choisie parmi un coefficient de couplage électromécanique, une vitesse de propagation d’ondes et/ou un coefficient de température de la fréquence. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la mesure de l’épaisseur de l’au moins une couche intermédiaire (2) et de la couche piézoélectrique est effectuée de manière localisée en une pluralité de points de mesure, le procédé comprenant en outre une étape d’interpolation linéaire d’épaisseur de chaque couche entre au moins deux points de mesure. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le procédé d’abrasion est un procédé de gravure par faisceau d’ions. Procédé selon la revendication 4, comprenant une étape de balayage du faisceau d’ions selon deux axes d’un plan principal de la couche piézoélectrique (3), dans laquelle la durée d’irradiation par ledit faisceau d’ions sur chaque position est ajustée en fonction de l’épaisseur de la couche piézoélectrique (3) à obtenir. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche intermédiaire comprend une couche diélectrique, un empilement de plusieurs couches diélectriques, une couche métallique et/ou une couche de piégeage de charges électriques.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la mesure de l’épaisseur de la couche piézoélectrique (3) et/ou de la couche intermédiaire (2) est effectuée par ellipsométrie et/ou par réflectométrie.
8. Procédé de fabrication d’un substrat du type piézoélectrique sur isolant, comprenant les étapes suivantes : o la fourniture d’un substrat support (1 ), o la fourniture d’un substrat donneur piézoélectrique (30), o le collage du substrat donneur (30) sur le substrat support (1 ), une couche intermédiaire (2) étant agencée à l’interface entre le substrat donneur et le substrat support, o l’amincissement du substrat donneur de sorte à transférer une couche piézoélectrique (3) dudit substrat donneur sur le substrat support, o la correction de l’épaisseur de ladite couche piézoélectrique (3) par un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’amincissement du substrat donneur (30) comprend, avant le collage, la formation d’une zone de fragilisation (31 ) de sorte à délimiter une couche piézoélectrique (3) à transférer, et, après le collage, le détachement du substrat donneur le long de ladite zone de fragilisation (31 ).
10. Procédé selon l’une des revendications 8 ou 9, dans lequel la mesure de l’épaisseur de l’au moins une couche intermédiaire (2) est effectuée après le transfert de la couche piézoélectrique (3) sur le substrat support (1 ).
11 . Procédé selon l’une des revendications 8 ou 9, dans lequel la mesure de l’épaisseur de l’au moins une couche intermédiaire (2) est effectuée avant le collage du substrat donneur (30) sur le substrat support (1 ).
12. Procédé selon l’une des revendications 8 à 11 , dans lequel l’au moins une couche intermédiaire (2) comprend : une couche métallique, une couche diélectrique, un empilement de plusieurs couches diélectriques et/ou une couche de piégeage de charges électriques. Substrat du type piézoélectrique sur isolant, comprenant successivement une couche piézoélectrique (3), une couche intermédiaire (2) et un substrat support (1 ), caractérisé en ce que l’épaisseur locale de ladite couche piézoélectrique (3) est ajustée en fonction de l’épaisseur locale de la couche intermédiaire (2) par abrasion de la couche piézoélectrique de manière topographiquement discriminée à partir d’un modèle numérique d’au moins une propriété de la couche piézoélectrique (3) en fonction d’une pluralité de couples d’épaisseurs de la couche piézoélectrique (3) et de ladite au moins une couche intermédiaire (2), selon un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
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