EP4515680A1 - Dispositif a ondes élastiques de surface a electrodes encastrées dans une couche piezoelectrique, conception et fabrication de celui-ci - Google Patents

Dispositif a ondes élastiques de surface a electrodes encastrées dans une couche piezoelectrique, conception et fabrication de celui-ci

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Publication number
EP4515680A1
EP4515680A1 EP23722377.1A EP23722377A EP4515680A1 EP 4515680 A1 EP4515680 A1 EP 4515680A1 EP 23722377 A EP23722377 A EP 23722377A EP 4515680 A1 EP4515680 A1 EP 4515680A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezoelectric layer
substrate
mode
elastic
electrodes
Prior art date
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Pending
Application number
EP23722377.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Alexandre CLAIRET
Thierry LAROCHE
Sylvain Ballandras
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Soitec SA filed Critical Soitec SA
Publication of EP4515680A1 publication Critical patent/EP4515680A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
    • H03H9/02574—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of combined substrates, multilayered substrates, piezoelectrical layers on not-piezoelectrical substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03H3/08—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of resonators or networks using surface acoustic waves
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    • H03H9/64—Filters using surface acoustic waves
    • H03H9/6423—Means for obtaining a particular transfer characteristic
    • H03H9/6433—Coupled resonator filters
    • H03H9/6483—Ladder SAW filters

Definitions

  • the field of the invention is that of elastic surface wave devices (SAW devices for Surface Acoustic Wave in English terminology) with composite structures integrating electrodes embedded in a thin layer of piezoelectric material.
  • SAW devices for Surface Acoustic Wave in English terminology
  • SAW devices Surface elastic wave devices, or SAW devices, are used in many applications, and in particular in electronic applications where they form the central element of filters, oscillators, delay lines or even transformers.
  • Piezoelectric materials generate an electrical voltage when they are deformed under the action of a mechanical stress, and, conversely, deform when an electrical voltage is applied to them.
  • the mechanical signal propagating in the piezoelectric material has a frequency dependence on the alternating electrical signal, a dependence which is a function of the characteristics of the electrode(s), the properties of the piezoelectric material and other factors such as the shape of the elastic wave device and other structures constituting the device.
  • a SAW filter comprises at least one surface elastic wave transducer, potentially surrounded by reflecting mirrors made up of electrodes arranged periodically and satisfying the so-called Bragg condition, forming a resonator by reflection of the waves emitted by the transducer in phase towards the latter .
  • the filter can advantageously be composed of a combination of such resonators, it can also have at least one so-called input transducer and at least one so-called output transducer. It can exploit electrical or elastic couplings between resonators or transducers. Its temporal response can be finite (case of classic transverse filters) or infinite (case of resonator filters). In all cases, those skilled in the art designate these structures indiscriminately as SAW filters.
  • the geometry and dimensions of the transducers, the types and shapes of the materials used determine the characteristics of the SAW filter such as the coupling and reflection factors, the quality factor Q, the bandwidth, the spurious responses, the suppression of resonances orders higher than the resonance used, or even the temperature dependence of the mode used.
  • Patent document WO 2021/053401 discloses a SAW transducer comprising electrodes forming combs interdigitated and having the particularity of being embedded in the piezoelectric layer, as illustrated in Figure 1.
  • the acoustic impedance of these electrodes is lower than that of the piezoelectric layer, so as to contain the propagation of a shear mode essentially in the volume of the electrodes by reflection against the walls of the electrodes at a frequency higher than that of the mode.
  • fundamental shearing of the piezoelectric layer this mode being designated by “electrode mode”, or “electrode mode” in English terminology.
  • the interdigitated comb configuration of the electrodes and the excitation by means of opposite polarities of two adjacent fingers of the combs allows the electrode mode to generate, in the piezoelectric layer, coherent propagative shear waves leading to a resonance phenomenon for an operational elastic wavelength.
  • a SAW transducer from patent document WO 2021/053401 makes it possible to use higher frequencies than those used in conventional SAW transducers, usually based on thin layer electrodes located on the surface of the piezoelectric layer and for which the waves elastics have frequencies resulting from the natural modes of the latter.
  • mentions of conventional SAW devices or transducers will refer to such transducers, based on thin layer electrodes located on the surface of the piezoelectric layer.
  • the resonance frequency f r of the electrode mode is defined by the resonance of the elastic waves in the volumes of the electrodes, which occurs at a higher frequency. higher than those of the natural modes of the piezoelectric layer of conventional devices.
  • a first aim of the invention is to provide elastic surface wave devices capable of using an electrode mode and of presenting acceptable performance for practical applications, with in particular spectral purity of the frequency response. acceptable from the point of view of practical applications and conditioned by the attenuation of the fundamental shear mode of the piezoelectric layer by the substrate.
  • a second aim of the invention is to provide a method for choosing a substrate suitable for a SAW device comprising electrodes embedded in a piezoelectric layer and intended to operate by excitation of an elastic mode specific to these electrodes.
  • a third aim of the invention is to provide a manufacturing method integrating the choice of a suitable substrate in the manufacturing of a SAW device.
  • the invention relates to a surface elastic wave device comprising a piezoelectric layer, electrodes embedded in the piezoelectric layer and a substrate supporting the piezoelectric layer and the electrodes, the substrate satisfying the following two conditions:
  • an attenuation of an elastic electrode mode in the piezoelectric layer is less than 0.1 dB/;
  • a speed ratio between a speed of a volumetric elastic mode of shearing of the substrate and a speed of a fundamental elastic mode of shearing of the piezoelectric layer is smaller than a predetermined value of speed ratio equal to 1, the substrate being chosen from gallium arsenide and a glass having a Young's modulus of between 60 GPa and 180 GPa, a Poisson's ratio of between 0.15 and 0.35, and a density of between 2000 kg/m 3 and 6000 kg/m 3 .
  • Such a SAW device with embedded electrodes and intended to operate by excitation of a specific elastic mode of these electrodes can operate satisfactorily if it uses a substrate chosen in such a way that, in combination with a piezoelectric layer and embedded electrodes, the two conditions on the attenuation and the speed ratio defined above are respected, that is to say that the mode of the electrode which propagates is preponderant in relation to the fundamental shear mode of the piezoelectric layer.
  • This elastic electrode mode allows access to relatively high working frequencies (for example greater than 3 GHz), and this for devices not requiring manufacturing methods located at the limits of which is currently technically feasible, and whose reliability and robustness are assured.
  • a ratio of an attenuation of the fundamental shear mode of the piezoelectric layer to the attenuation of the electrode elastic mode is greater than 10; the electrodes pass entirely through the piezoelectric layer;
  • the substrate is made of glass having a Young's modulus of between 60 GPa and 80 GPa, a Poisson's ratio of between 0.15 and 0.25, and a density of between 2100 kg/m 3 and 2400 kg/ m 3 ;
  • the substrate is formed of gallium arsenide.
  • the invention extends to a method for determining the adaptation of a substrate to a surface elastic wave device comprising a piezoelectric layer, electrodes embedded in the piezoelectric layer and said substrate, the method being implemented in means of a computer system and comprising the step of emitting a signal representative of an adaptation of the substrate to the surface elastic wave device, when:
  • an attenuation of an elastic electrode mode in the piezoelectric layer is less than 0.1 dB/
  • a speed ratio between a speed of a volumetric elastic mode of shearing of the substrate and a speed of a fundamental elastic mode of shearing of the piezoelectric layer is smaller than a predetermined value of speed ratio equal to 1.
  • the speed ratio is smaller than the predetermined speed ratio value.
  • the attenuation Attn of the elastic mode of the electrode is defined by the formula Attn where, for an excitation of the electrodes generating a propagative mode of an elastic shear wave, A is the acoustic reflection coefficient per electrode, the log function represents the decimal logarithm such that log(e) ⁇ 0.434 and f h and f b are frequencies associated with a resonance of the elastic shear wave at which an electrical susceptance of the elastic wave device reaches a maximum and a minimum respectively.
  • the invention also extends to a method of manufacturing the SAW device with electrodes embedded in the piezoelectric layer, a method comprising said determination method.
  • FIG. 1 Figure 1 schematically illustrates in plan view a SAW transducer with electrodes embedded in a piezoelectric layer
  • FIG. 2 Figure 2 schematically illustrates the SAW transducer of Figure 1 according to a sectional view of this transducer along the plane passing through the segment indicated by YY' on the plan view and perpendicular thereto
  • Figure 3 illustrates a possible geometry of the electrodes of the SAW transducer of Figure 1, used for computer modeling of this transducer
  • Figure 4 shows a simulation graph of the electrical admittance of a SAW resonator centered on the resonance of an electrode mode
  • Figure 5 shows a simulation graph of the electrical admittance of a SAW transducer showing the effects of a volumetric elastic mode of shearing of the substrate and of a fundamental elastic mode of shearing of the piezoelectric layer;
  • Figure 6 illustrates a ladder SAW filter
  • Figure 7 shows a theoretical transfer function of a first example of a ladder filter
  • Figure 8 shows a theoretical transfer function of a second example of a ladder filter
  • Figure 9 shows a substrate evaluation diagram for a SAW device
  • FIG. 10 Figure 10 illustrates a device for implementing a method corresponding to the diagram in Figure 9; and [Fig. 11] Figure 11 illustrates a method of manufacturing a SAW device.
  • SAW devices surface elastic wave devices
  • a first approach consists of reducing the wavelength of the elastic waves used in the devices, the frequency being inversely proportional to this wavelength.
  • a second approach to increase the operating frequency of SAW devices consists of increasing the speed of the elastic waves in the device, the frequency being proportional to this speed.
  • the solution envisaged in the context of this document is based on the integration of the electrodes in the piezoelectric layer in order to increase the speed of the working mode, that is to say the speed of the elastic wave exploited in the SAW device considered.
  • a piezoelectric layer is a layer made up of one or more piezoelectric materials, that is to say a layer of one or more materials having piezoelectric characteristics.
  • IDTs Inter-Digitated Transducer in English terminology
  • Electrode mode an elastic shear mode mainly confined in each of the electrodes.
  • the acoustic impedance of these electrodes is lower than that of the piezoelectric layer.
  • a problem to be resolved is that there is no standard or table of material characteristics to which to refer to determine the materials suitable for the manufacture of such a transducer.
  • the choice of a substrate is particularly critical, since it conditions the very possibility of using the transducer according to the electrode mode and, beyond that, the performance of the device.
  • the inventors of the present invention tested numerous materials as candidates to serve as substrates, and investigated which characteristics could serve as selection criteria.
  • the inventors were able to determine characteristics that prove predictive of the suitability of a substrate material for a SAW device intended to implement an electrode mode. Two characteristics have been isolated, making it possible to select a substrate in such a way that a SAW device comprising the selected substrate will actually be able to properly implement an electrode mode.
  • the electrode mode propagates predominantly in relation to the fundamental shear mode of the piezoelectric layer, that is to say that the ratio between the attenuation (or coefficient of attenuation) of the fundamental mode of the piezoelectric layer on the attenuation of the electrode mode is preferably greater than 10, more preferably greater than 50, even more preferably greater than 100. Under these conditions, it is possible to exploit a mode d electrode having an attenuation less than or equal to that of a SAW mode in a conventional transducer.
  • the SAW devices 100 considered as an example consist of a SAW transducer consisting of a piezoelectric layer 120 of thickness h, a first and a second interdigitated electrodes 150A and 150B, embedded in the piezoelectric layer 120 and of height h corresponding here to the thickness of the piezoelectric layer, and a substrate 130 supporting the piezoelectric layer and the electrodes.
  • the electrodes are preferably electrodes which pass entirely through the piezoelectric layer and are of the same thickness as the latter, that is to say they are in direct contact with the substrate 130, or with an intermediate layer interposed between it and the piezoelectric layer, and do not exceed in height the piezoelectric layer 120, as illustrated by Figures 2 and 3, other geometries are acceptable as long as the electrode mode can excite the piezoelectric layer: it it is enough for the electrodes to partially pass through the piezoelectric layer, they could also exceed the piezoelectric layer in height. They could thus completely cross the piezoelectric layer and exceed it in height.
  • Non-through electrode In the case of a non-through electrode, electric charges which do not appear in the case where the electrode is through will appear under the electrodes. This means that the overall contribution of the charges from one electrode to the other in the periodic interdigitated network may turn out to be reduced compared to the case where the electrode is through. Consequently, a SAW device provided with through-through electrodes will exhibit stronger, and therefore better, electromechanical coupling than a SAW device provided with non-through-through electrodes. Non-through electrodes are also likely to couple a residue of a fundamental mode which could harm the spectral purity of the frequency response.
  • the present embodiment presents the situation of direct contact between the substrate 130 and each of the piezoelectric layer 120 and the electrodes 150A and 150B, it is however entirely possible to have an intermediate layer covering the substrate and interposed between it and each of the piezoelectric layer 120 and the electrodes 150A and 150B, as already mentioned above.
  • This intermediate layer may comprise for example a bonding layer used to fix the piezoelectric layer to the substrate, such as a layer of silicon dioxide having a thickness of 10 nm to 400 nm, preferably between 20 nm and 150 nm for example. nm thickness without this being restrictive.
  • the pair of electrodes comprises a first electrode 150A and a second electrode 150B each with a lower face in direct contact or not with an upper face 130 up of the substrate and side faces 150i a t in direct contact or not with the piezoelectric layer 120 .
  • the electrodes 150A and 150B respectively comprise fingers 152A and 152B extending in the same direction D, so as to form a periodic structure of period p in a direction perpendicular to the direction D, in which the fingers of the two electrodes are placed in alternation, so as to form a pair of interdigitated electrodes or IDTs.
  • the elastic wavelength of the mode excited by the transducer is equal to twice the period p, i.e. 2p, the transducer operating under Bragg conditions for this particular wavelength which corresponds to the operational elastic wavelength mentioned upper .
  • This wavelength is also understood as the distance separating the central axes of extension of two adjacent fingers of the same electrode, that is to say axes each forming an axis of symmetry of the corresponding finger in view plane, this axis being parallel to the direction D of extension of the fingers.
  • Figure 1 The structure described by Figure 1 has been modeled by computer, for example by a finite element calculation method, as illustrated by Figure 3, which shows a period of the model in the x direction parallel to the surface of the substrate and perpendicular in the D direction, only a small part of the substrate being illustrated in the y direction perpendicular to the surface of the substrate, the latter being considered semi-infinite.
  • This modeling was used by the inventors to determine by computer simulation the electromechanical characteristics of the SAW devices as a function of the materials used, and thus test the relevance of numerous characteristics in the selection of the material constituting the substrate.
  • the inventors have noted that two characteristics make it possible to predict the suitability of a substrate of a given nature for the manufacture of a SAW device intended to use an electrode mode, on the one hand the attenuation of the elastic electrode mode in the substrate, and on the other hand the attenuation of the fundamental shear mode in the piezoelectric layer, parameters to be simulated as a function of the piezoelectric layer and the electrodes.
  • a substrate located under the piezoelectric layer can, if it is adapted to the characteristics (natures, geometries) of the embedded electrodes and the piezoelectric layer, improve the confinement and propagation of the electrode mode, but not all materials are suitable to form a substrate allowing the structure illustrated in Figure 1 and modeled as illustrated in Figure 3 to properly exploit an electrode mode, that is to say that the electrode mode has an attenuation less than or equal to to that of the mode used in a SAW device equipped with surface electrodes, for example for the design of filters.
  • the electrode mode propagates in the piezoelectric layer and is attenuated there by radiation in the substrate, hence the importance of the latter in the characteristics of the device.
  • This attenuation limit value was chosen in such a way that a SAW device designed to operate with an electrode mode and which includes a substrate matched to the characteristics of the electrodes and the piezoelectric layer, which makes it possible to achieve this criterion, has performances at least equivalent to the typical performances of a conventional SAW device based on the exploitation of a mode of the piezoelectric layer by means of surface electrodes, with in addition the possibility of operating at higher frequencies thanks to the operation based on the electrode mode. It should be understood here that an attenuation of an elastic mode of an electrode of a SAW device according to the invention has an attenuation less than or equal to the attenuation of a mode of a piezoelectric layer excited by means of electrodes. of surface.
  • the substrates leading, in accordance with given electrodes and a given piezoelectric layer, to an attenuation of the electrode mode in the piezoelectric layer less than or equal to the attenuation limit value of 0.1 dB/X, preferably 0, 05 dB/X, more preferably 0.01 dB/X, are retained in the context of the present invention as suitable for the excitation of the electrode mode, in the sense that the expected performances in terms of attenuation of the mode electrode are at least equivalent to that of a conventional SAW device based on the exploitation of a mode of the piezoelectric layer by means of surface electrodes.
  • Figure 4 shows a simulation graph of the electrical admittance of a SAW transducer in linear scales with, as a function of the frequency indicated on the abscissa and extending from 2.36 to 2.37 GHz, a conductance G and the associated susceptance B indicated in Siemens per meter on the ordinate and extending between -IxlO 10 S/m and 2*1O 10 S/m.
  • the resonance peak of the conductance G is associated with a minimum and a maximum of the susceptance B at the respective frequencies fh and fb located on either side of the peak.
  • Attn The attenuation of the electrode mode in the piezoelectric layer, denoted by Attn hereafter, can be expressed by the equation Eq. 1 next: in which A is the reflection coefficient per electrode, fh and fb are respectively the frequencies of the maximum and the minimum susceptance (imaginary part of the admittance) associated with the SAW device considered, as illustrated in Figure 4.
  • Compliance with the first condition ensures that an electrode mode can be effectively excited in a SAW device and propagate under conditions similar to or close to those of an elastic wave excited by a conventional SAW device, designed to operate with a mode of the piezoelectric layer excited by surface electrodes.
  • the general response of the device as well as the purity of the frequency response determine its performance for practical applications such as telecommunication signal filtering operations.
  • This suppression can be done by attenuation of this mode in the substrate, and can be evaluated using a formula identical to the equation Eq. 1 above, this time applied to the fundamental shear mode of the piezoelectric layer.
  • This condition reflects the fact that a substrate adapted to a given piezoelectric layer allows sufficiently strong attenuation of the mode of this piezoelectric layer so that this mode is absorbed by the substrate and does not propagate. in the piezoelectric layer, which would have unacceptable effects on the purity of the frequency response, in particular the presence of a second conductance peak with high coupling.
  • the value of 1 dB/ represents a limit value at which we can still have a superposition of modes likely to produce spurious responses.
  • this attenuation can be calculated in the same way as the attenuation of the electrode mode.
  • a substrate in which this ratio C (Subst) /C (Piezo) is less than 1 propagates the fundamental elastic shear mode of the piezoelectric layer in the volume of the substrate and this absorbs the mode, preventing it from deteriorating the frequency response of the device in question.
  • Such a substrate could be used for the manufacture and implementation of the device considered.
  • the celerities of the modes can be determined by measurements on one or more test structures on the substrate.
  • the celerities can be determined by a finite element calculation method, and more specifically a FEM-BEM method, Finite Element Method - Boundary Element Method in English terminology, modeling in two dimensions a period of a given SAW transducer taking into account takes into account the radiation effects in the substrate, geometry as illustrated in Figure 3.
  • a finite element calculation method makes it possible to take into account the embedding of the electrodes in the piezoelectric layer as well as the mass effect of the electrodes.
  • the wavelength ⁇ is determined by the geometry of the electrodes of the given SAW transducer and the frequency of the mode considered, this frequency being able to be extracted from the frequency response of this transducer, as illustrated in Figure 5.
  • Figure 5 shows, for a given SAW transducer illustrated by Figure 1, a simulation graph of the electrical impedance of a SAW transducer in linear scale on the abscissa and in logarithmic scale on the ordinate with, as a function of the frequency indicated in abscissa and extending from 2.2 to 2.6 GHz, a conductance G and the associated susceptance B indicated in Siemens per meter on the ordinate, the ordinates visible on the graph extending between 100 S/m and IxlO 11 S/ mr.
  • the particular signatures of the volume elastic mode of shearing of the substrate and of a fundamental elastic mode of shearing of the piezoelectric layer are indicated respectively by BS and FS on the graph.
  • Such a method is preferably implemented by means of a computer system 1000 illustrated in Figure 10, comprising a computer calculation unit 1010 and a computer memory 1020 functionally in communication with the computer calculation unit and storing a database of data storing parameters of geometry and nature of the electrodes, the piezoelectric layer, and the substrate.
  • the computer unit 1010 retrieves data from the database 920 including parameters of geometry and nature of the electrodes, the piezoelectric layer, and the substrate.
  • the computer unit calculates an attenuation of an elastic mode of the electrode in the piezoelectric layer from the data recovered in step 910.
  • the computer unit compares the attenuation calculated in step 920 to a predefined attenuation value.
  • the computer unit If the attenuation of the elastic mode of the electrode is greater than or equal to the predefined attenuation value, then the computer unit emits a signal RI rejecting the substrate, the latter not being able to allow the SAW device to implement an electrode mode by acousto-electric excitation.
  • the computer unit If the attenuation of the elastic electrode mode is smaller than the predefined attenuation value (situation indicated by “Y”), then the computer unit emits a signal Al of partial acceptance of the substrate, the latter respecting at least minus one of the conditions necessary for its acceptance, which here is that of its ability to allow the SAW device to implement an electrode mode by acousto-electric excitation.
  • This predefined attenuation value can be 1 dB/, for the reasons explained above.
  • the computer unit calculates a speed ratio between a volumetric elastic mode of shearing of the substrate on a fundamental elastic mode of shearing of the piezoelectric layer, from the data recovered.
  • the computer unit compares the speed ratio calculated in step 930 to a predetermined speed ratio value.
  • the computer unit emits a signal A2 of partial acceptance of the substrate, the latter respecting at least one conditions necessary for its acceptance, which here is that of its ability to sufficiently attenuate the fundamental shear mode of the piezoelectric layer so that the SAW device considered presents acceptable performance in terms of purity of its frequency response.
  • the computer unit If the speed ratio is greater than or equal to the predetermined speed ratio value, then the computer unit emits a signal R2 for rejecting the substrate, the latter not being able to allow the SAW device to operate in a manner acceptable.
  • the predetermined speed ratio value may be equal to 1, preferably equal to 0.9 as explained above.
  • the computer unit checks whether the two signals A1 and A2 have actually been emitted and, in this case, emits a signal A representative of acceptance of the substrate in the sense that it fulfills the two necessary conditions to be considered capable of forming a SAW device intended to operate by implementing an electrode mode.
  • This method of evaluating a substrate makes it possible to choose a substrate to be associated with given electrodes and a piezoelectric layer to obtain a SAW device intended to implement an electrode mode, without having to go through a time-consuming and expensive phase of manufacturing test samples and characterizing them from an electro-acoustic point of view, or at least allows targeting the type of samples to be produced.
  • these conditions of acceptance of a substrate apply particularly to cases where the electrodes are made of a relatively light metal, such as aluminum or an aluminum alloy (for example an aluminum alloy). aluminum with 2% copper A1CU2%), and where the piezoelectric layer is formed of lithium tantalate LiTaCb or lithium niobate LiNbCb, according to the geometry described in Figures 1 and 2.
  • the method of evaluating a substrate described above can be integrated into a method 1100 of manufacturing a SAW device illustrated by the diagram in Figure 11, and of which the first step 1110 consists of the selection of the substrate for a device with already partially defined characteristics, that is to say for geometry and materials of piezoelectric layers and electrodes already fixed.
  • This first step 1110 may consist of the implementation of the method 900 illustrated in Figure 9.
  • a piezoelectric layer is formed directly on a substrate selected as being acceptable at the end of step 1110.
  • the piezoelectric layer can be obtained separately, then attached to the substrate by molecular bonding.
  • the piezoelectric layer is prepared to accommodate the electrodes, for example by etching a predetermined pattern in the thickness of the piezoelectric layer.
  • the electrodes are formed so as to be embedded in the piezoelectric layer according to conventional methods.
  • a quartz glass substrate or “fused quartz” in English terminology, was considered in association with electrodes of an aluminum alloy with 2% copper A1CU2% and a piezoelectric layer made up of lithium tantalate LiTaCh or lithium niobate LiNbOs, for SAW transducers designed to operate at 4.8 GHz or 2.4 GHz.
  • C (Subst) and C (Piezo) respectively indicate the speed of a volumetric elastic mode of shearing of the substrate and the speed of a fundamental elastic mode of shearing of the piezoelectric layer, C (Subst) /C (Piezo) indicates the report of these celerities.
  • Attenuation (Elec) and Attenuation (Piezo) respectively indicate the attenuations of an electrode elastic mode in the piezoelectric layer and the fundamental mode of the piezoelectric layer in the substrate.
  • quartz glass as a substrate for each of the SAW transducers considered, which the table indicates by a substrate status as "OK”.
  • the table thus indicates by (NOK) the violation of the condition on the attenuation of the fundamental mode of the piezoelectric layer in the substrate which must be greater than or equal to 1 dB/ to respect the condition.
  • the table also indicates by (NOK) the violation of the condition on the ratios of celerities of a volumetric elastic mode of shearing of the substrate to the celerity of a fundamental elastic mode of shearing of the piezoelectric layer, which must be less than 1 .
  • a silicon substrate (100) is considered instead of the quartz glass of the first series, the other parameters remaining the same.
  • the ratio between attenuation of the fundamental shear mode and electrode mode is, at least, greater than 10.
  • the nature of the electrode determines whether or not the criteria relating to (i) the attenuation of an elastic mode of the electrode in the piezoelectric layer and (ii) are respected. ) the speed ratio between a volumetric elastic mode of shearing of the substrate on a fundamental elastic mode of shearing of the piezoelectric layer indicates that a match between the substrate, the electrodes and the piezoelectric layer is necessary. This adequacy is contained in compliance with the two criteria (i) and (ii) recalled above.
  • these criteria make it possible to choose, depending on each other, the materials to be used for the substrate, the electrodes and the piezoelectric layer of a surface elastic wave device based on the excitation of an electrode mode in a manner such that it presents a sufficiently pure spectral response to respond to an envisaged application. Furthermore, it should be noted that the phenomena implemented in order to attenuate the fundamental shear mode of the piezoelectric layer do not in any way influence the electrode mode.
  • Figure 7 illustrates the theoretical transfer function of such a filter, formed of resonators designed to operate at 4.8 GHz and comprising a quartz glass substrate provided with a piezoelectric layer of LiTaCh and A1CU 2 alloy electrodes %.
  • quartz glass is a material considered acceptable for forming the substrate.
  • the fundamental shear mode signature of the piezoelectric layer appears at around 2.4 GHz and increases the rejection to ⁇ 34 dB.
  • a second application example repeats application example 1, with the difference except that the substrate of the resonators is formed of AT cut quartz.
  • AT cut quartz is not considered acceptable to form the substrate, as the attenuation of the fundamental shear mode of the piezoelectric layer in the substrate is insufficient.
  • Figure 8 illustrates the theoretical transfer function of such a filter.
  • the signature of the fundamental shear mode of the piezoelectric layer appears at around 2.4 GHz and increases the rejection to almost 0 dB.

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Abstract

L'invention porte sur un dispositif (100) à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique (120), des électrodes (150A, 150B) encastrées dans la couche piézoélectrique, et un substrat (130) supportant la couche piézoélectrique et les électrodes, le substrat vérifiant les deux conditions suivantes : une atténuation d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/λ; et un rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit qu'une valeur prédéterminée de rapport de célérité de valeur égale à 1, le substrat étant choisi parmi l'arséniure de gallium et un verre ayant un module d'Young compris entre 60 GPa et 180 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,35, et une masse volumique comprise entre 2000 kg/m3 et 6000 kg/m3.

Description

DESCRIPTION
TITRE : DISPOSITIF A ONDES ÉLASTIQUES DE SURFACE A ELECTRODES ENCASTRÉES DANS UNE COUCHE PIEZOELECTRIQUE, CONCEPTION ET FABRICATION DE CELUI-CI
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs à ondes élastiques de surface (dispositifs SAW pour Surface Acoustic Wave en terminologie anglaise) à structures composites intégrant des électrodes encastrées dans une couche mince de matériau piézoélectrique .
TECHNIQUE ANTERIEURE
Les dispositifs à ondes élastiques de surface, ou dispositifs SAW, sont employés dans de nombreuses applications, et en particulier dans les applications électroniques où ils forment l'élément central de filtres, d'oscillateurs, de lignes à retard ou encore de transformateurs.
Les matériaux piézoélectriques génèrent une tension électrique lorsqu'ils sont déformés sous l'action d'une contrainte mécanique, et, réciproquement, se déforment lorsqu'une tension électrique leur est appliquée.
Par conséquent, lorsqu'un signal électrique alternatif est appliqué à une ou plusieurs électrodes en contact avec une couche piézoélectrique, un signal mécanique (c'est-à-dire une oscillation ou une vibration) est généré au niveau de ce matériau piézoélectrique : le signal électrique est transformé en un signal mécanique.
Le signal mécanique se propageant dans le matériau piézoélectrique présente une dépendance en fréquence par rapport au signal électrique alternatif, dépendance qui est fonction des caractéristiques de la ou des électrodes, des propriétés du matériau piézoélectrique et d'autres facteurs tels que la forme du dispositi f à ondes élastiques et d ' autres structures constituant le dispositi f .
Les dispositi fs à ondes élastiques exploitent cette dépendance en fréquence pour fournir une ou plusieurs fonctions au moyen de résonateurs à ondes élastiques de surface ( SAW en terminologie anglaise , pour Surface Acoustic Wave ) ou transducteurs SAW, qui sont de plus en plus utilisés pour former, par exemple , des filtres dits « filtres SAW » mis en œuvre dans la transmission et la réception de signaux RF pour des applications dans les télécommunications .
Un filtre SAW comprend au minimum un transducteur à ondes élastiques de surface , potentiellement entouré de miroirs réfléchissants constitués d' électrodes agencées périodiquement et satis faisant la condition dite de Bragg, formant un résonateur par réflexion des ondes émises par le transducteur en phase vers ce dernier . Le filtre peut être avantageusement composé d' une combinaison de tels résonateurs , il peut également présenter au moins un transducteur dit d' entrée et au moins un transducteur dit de sortie . I l peut exploiter des couplages électriques ou élastiques entre résonateurs ou transducteurs . Sa réponse temporelle peut-être finie ( cas des filtres transverses classiques ) ou infinie ( cas des filtres à résonateurs ) . Dans tous les cas , la personne du métier désigne indistinctement ces structures comme des filtres SAW .
La géométrie et les dimensions des transducteurs , les types et les formes des matériaux utilisés conditionnent les caractéristiques du filtre SAW telles que les facteurs de couplage et de réflexion, le facteur de qualité Q, la bande passante , les réponses parasites , la suppression de résonances d' ordres plus élevés que la résonance employée , ou encore la dépendance en température du mode exploité .
Le document de brevet WO 2021 / 053401 divulgue un transducteur SAW comprenant des électrodes formant des peignes interdigités et ayant la particularité d' être encastrées dans la couche piézoélectrique , comme illustré par la figure 1 .
L' impédance acoustique de ces électrodes est inférieure à celle de la couche piézoélectrique , de manière à contenir la propagation d' un mode de cisaillement essentiellement dans le volume des électrodes par réflexion contre les parois des électrodes à une fréquence plus élevée que celle du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique , ce mode étant désigné par « mode d' électrode », ou « electrode mode » en terminologie anglaise .
La configuration en peignes interdigités des électrodes et l ' excitation au moyen de polarités opposées de deux doigts adj acents des peignes permet cependant au mode d' électrode de générer, dans la couche piézoélectrique , des ondes de cisaillement propagatives cohérentes menant à un phénomène de résonance pour une longueur d' ondes élastiques opérationnelle .
La longueur d' ondes élastiques opérationnelle À du transducteur est liée à la fréquence de résonance fr de ce transducteur par la relation fr = v/ , v représentant la vitesse de propagation dans la couche piézoélectrique .
Un transducteur SAW du document de brevet WO 2021 / 053401 permet d' employer des fréquences plus élevées que celles employées dans les transducteurs SAW conventionnels , d' ordinaire basés sur des électrodes en couches minces situées en surface de la couche piézoélectrique et pour lesquelles les ondes élastiques ont des fréquences découlant des modes propres de cette dernière . Dans la suite de ce document , les mentions à des dispositi fs ou des transducteurs SAW conventionnels feront références à de tels transducteurs , basés sur des électrodes en couches minces situées en surface de la couche piézoélectrique .
En ef fet , la fréquence de résonance fr du mode d' électrode est définie par la résonance des ondes élastiques dans les volumes des électrodes , qui se produit à une fréquence plus élevée que celles des modes propres de la couche piézoélectrique des dispositifs conventionnels.
Cependant, d'autres caractéristiques que la fréquence de résonance fr sont importantes en vue d'applications pratiques, en particulier la pureté de la réponse en fréquence, et l'homme du métier est en recherche d'optimisation et/ou d'alternatives quant au choix des matériaux aptes à former le substrat d'un transducteur SAW pour employer un mode d'électrode.
EXPOSE DE L' INVENTION
Un premier but de l'invention est de fournir des dispositifs à ondes élastiques de surfaces capables d' employer un mode d' électrode et de présenter des performances acceptables en vue d'applications pratiques, avec en particulier une pureté spectrale de la réponse en fréquence acceptable du point de vue des applications pratiques et conditionnée par l'atténuation du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique par le substrat.
Un deuxième but de l'invention est de fournir un procédé de choix d'un substrat adapté à un dispositif SAW comportant des électrodes encastrées dans une couche piézoélectrique et destiné à fonctionner par excitation d'un mode élastique propre à ces électrodes .
Un troisième but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication intégrant le choix d'un substrat adapté dans la fabrication d'un dispositif SAW.
A ces effets, l'invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique, des électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique et un substrat supportant la couche piézoélectrique et les électrodes, le substrat vérifiant les deux conditions suivantes :
- une atténuation d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/ ; et - un rapport de célérités entre une célérité d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et une célérité d'un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit qu'une valeur prédéterminée de rapport de célérités égale à 1, le substrat étant choisi parmi l'arséniure de gallium et un verre ayant un module d' Young compris entre 60 GPa et 180 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,35, et une masse volumique comprise entre 2000 kg/m3 et 6000 kg/m3.
Un tel dispositif SAW à électrodes encastrées et destiné à fonctionner par excitation d'un mode élastique propre de ces électrodes pourra fonctionner de manière satisfaisante s'il emploie un substrat choisi de manière telle que, en combinaison avec une couche piézoélectrique et des électrodes encastrées, les deux conditions sur l'atténuation et le rapport de célérités définies ci-dessus sont respectées, c'est-à-dire que le mode d' électrode qui se propage est prépondérant par rapport au mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique.
Le respect de la condition sur l'atténuation, ou pertes par propagation, assure que le substrat est capable d'accéder au mode élastique d'électrode, c'est-à-dire que le mode élastique d'électrode pourra effectivement être excité et se propager convenablement dans la couche piézoélectrique, et être utilisé dans des dispositifs SAW tels que décrits ci-dessus, comprenant une électrode encastrée dans la couche piézoélectrique.
Un avantage de ce mode élastique d'électrode est qu'il permet d'accéder à des fréquences de travail relativement hautes (par exemple supérieures à 3 GHz) , et ceci pour des dispositifs ne requérant pas des méthodes de fabrication se situant aux limites de ce qui est actuellement techniquement réalisable, et dont la fiabilité et la robustesse sont assurées.
Selon d'autres caractéristiques non limitatives de l'invention, prises seules, ou selon toute combinaison techniquement réalisable : un rapport d'une atténuation du mode fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique sur l'atténuation du mode élastique d'électrode est supérieur à 10 ; les électrodes traversent entièrement la couche piézoélectrique ;
- le substrat est formé de verre ayant un module d' Young compris entre 60 GPa et 80 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,25, et une masse volumique comprise entre 2100 kg/m3 et 2400 kg/m3 ;
- le substrat est formé d' arséniure de gallium.
L'invention s'étend à un procédé de détermination de l'adaptation d'un substrat à un dispositif à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique, des électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique et ledit substrat, le procédé étant mis en œuvre au moyen d'un système informatique et comprenant l'étape d'émettre un signal représentatif d'une adaptation du substrat au dispositif à ondes élastiques de surface, lorsque :
- une atténuation d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/ ; et
- un rapport de célérités entre une célérité d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et une célérité d'un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit qu'une valeur prédéterminée de rapport de célérité égale à 1.
Selon d'autres caractéristiques non limitatives de l'invention, prises seules, ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- le système informatique comprend une unité informatique de calcul et une mémoire informatique fonctionnellement en communication avec l'unité de calcul informatique et stockant une base de données stockant des paramètres de géométrie et de nature des électrodes, de la couche piézoélectrique, et du substrat, l'unité de calcul informatique mettant en œuvre les étapes suivantes :
- récupérer dans la base de données de la mémoire informatique des données incluant des paramètres de géométrie et de nature des électrodes, de la couche piézoélectrique, et du substrat ;
- calculer une atténuation d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique, à partir des données récupérées ;
- comparer l'atténuation du mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique à une valeur prédéfinie d'atténuation de 0,1 dB/ ;
- calculer un rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique, à partir des données récupérées ;
- comparer le rapport de célérités à une valeur prédéterminée de rapport de célérités ;
- émettre le signal représentatif d'une adaptation du substrat au dispositif à onde élastique de surface, lorsque :
- l'atténuation du mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique est plus petite que la valeur prédéfinie d'atténuation ; et
- le rapport de célérités est plus petit que la valeur prédéterminée de rapport de célérité.
Selon d'autres caractéristiques non limitatives de l'invention, s'appliquant au dispositif ainsi qu'au procédé, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- la valeur prédéterminée de rapport de célérités est égale à 0,9 ; - l'atténuation Attn du mode élastique d'électrode est définie par la formule Attn où, pour une excitation des électrodes générant un mode propagatif d'une onde élastique de cisaillement, A est le coefficient de réflexion acoustique par électrode, la fonction log représente le logarithme décimal tel que log(e)~0,434 et fh et fb sont des fréquences associées à une résonance de l'onde élastique de cisaillement auxquelles une susceptance électrique du dispositif à ondes élastiques atteint respectivement un maximum et un minimum.
L'invention s'étend également à un procédé de fabrication du dispositif SAW à électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique, procédé comprenant ledit procédé de détermination .
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées, sur lesquelles : [Fig. 1] La figure 1 illustre schématiquement en vue plane un transducteur SAW avec des électrodes encastrées dans une couche piézoélectrique ; [Fig. 2] La figure 2 illustre schématiquement le transducteur SAW de la figure 1 selon une vue en coupe de ce transducteur selon le plan passant par le segment indiqué par Y-Y' sur la vue plane et perpendiculaire à celle-ci ; [Fig. 3] La figure 3 illustre une géométrie possible des électrodes du transducteur SAW de la figure 1, utilisée pour la modélisation informatique de ce transducteur ; [Fig. 4] La figure 4 montre un graphe de simulation de l'admittance électrique d'un résonateur SAW centré sur la résonance d'un mode d'électrode ;
[Fig. 5] La figure 5 montre un graphe de simulation de l'admittance électrique d'un transducteur SAW montrant les effets d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et d'un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique ;
[Fig. 6] La figure 6 illustre un filtre SAW en échelle ;
[Fig. 7] La figure 7 montre une fonction de transfert théorique d'un premier exemple de filtre en échelle ;
[Fig. 8] La figure 8 montre une fonction de transfert théorique d'un deuxième exemple de filtre en échelle ;
[Fig. 9] La figure 9 montre un diagramme d'évaluation d'un substrat pour un dispositif SAW ;
[Fig. 10] La figure 10 illustre un dispositif de mise en œuvre d'un procédé correspondant au diagramme de la figure 9 ; et [Fig. 11] La figure 11 illustre un procédé de fabrication d'un dispositif SAW.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION
La fréquence de travail des dispositifs à ondes élastiques de surface (dispositifs SAW) est définie par la fréquence de synchronisme des transducteurs.
Afin d'augmenter la fréquence de travail des dispositifs à ondes élastiques de surface, différentes approches peuvent être envisagées .
Une première approche consiste à diminuer la longueur d'onde des ondes élastiques employées dans les dispositifs, la fréquence étant inversement proportionnelle à cette longueur d' ondes .
Cependant, cette méthode est limitée par les frontières techniques actuelles de la lithographie UV en usage dans l'industrie des filtres SAW qui ne permettent pas de fabriquer des électrodes d'une largeur inférieure à quelques centaines de nanomètres, la longueur d'ondes mentionnée ci-dessus étant égale à deux fois la période p des électrodes interdigitées des dispositifs SAW.
En outre, des problèmes de stabilité structurelle des électrodes peuvent également apparaître : la tenue en puissance de ces dispositifs est insuffisante pour satisfaire aux besoins en courant en raison de la petite taille des électrodes et de la densité de puissance qui en découle.
Une seconde approche pour augmenter la fréquence de fonctionnement des dispositifs SAW consiste à augmenter la célérité des ondes élastiques dans le dispositif, la fréquence étant proportionnelle à cette célérité.
Cependant, la célérité des ondes élastiques dans les dispositifs SAW est limitée par les propriétés des matériaux servant de substrat.
Afin de contourner cette limitation, on peut envisager, par exemple, l'utilisation d'ondes guidées au moyen de substrats composites .
La solution envisagée dans le cadre du présent document repose sur l'intégration des électrodes dans la couche piézoélectrique afin d'augmenter la célérité du mode de travail, c'est-à-dire la célérité de l'onde élastique exploitée dans le dispositif SAW considéré.
Il est entendu dans ce document qu'une couche piézoélectrique est une couche constituée d'un ou plusieurs matériaux piézoélectriques c'est-à-dire une couche d'un ou plusieurs matériaux possédant des caractéristiques piézoélectriques .
On considère une paire d'électrodes interdigitées (IDTs pour Inter-Digitated Transducer en terminologie anglaise) de formes générales similaires à celles utilisées dans un transducteur SAW conventionnel avec des électrodes reposant sur la couche piézoélectrique, à la différence près que les électrodes sont ici encastrées dans la couche piézoélectrique.
Grâce à l'intégration des IDTs dans la couche piézoélectrique, un mode élastique de cisaillement majoritairement confiné dans chacune des électrodes (appelé "mode d'électrode") peut être excité. L'impédance acoustique de ces électrodes est inférieure à celle de la couche piézoélectrique .
Cette onde est polarisée parallèlement au substrat et perpendiculairement aux parois latérales des électrodes et produit un déplacement de cisaillement dans la direction orthogonale à la direction de propagation, avec des avantages sensibles par rapport aux ondes de surfaces employées conventionnellement, particulièrement en matière de fréquence atteignable pour un mode élastique propagatif pour une géométrie et des dimensions données d'un transducteur SAW, comme détaillé dans le document de brevet W021053401.
Un problème à résoudre est qu'il n'existe pas de standard ou de table de caractéristiques de matériaux auxquels se référer pour déterminer les matériaux adaptés à la fabrication d'un tel transducteur .
Le choix d'un substrat est particulièrement critique, puisqu'il conditionne la possibilité même d'employer le transducteur selon le mode d'électrode et, au-delà, les performances du dispositif.
Dans ce contexte, les inventeurs de la présente invention ont testé de nombreux matériaux en tant que candidats pour servir de substrat, et recherché quelles caractéristiques pouvaient servir de critères de sélection.
Ainsi, les inventeurs ont pu déterminer des caractéristiques s'avérant prédictives de l'adéquation d'un matériau de substrat à un dispositif SAW destiné à mettre en œuvre un mode d'électrode. Deux caractéristiques ont été isolées, permettant de sélectionner un substrat de manière telle qu'un dispositif SAW comprenant le substrat sélectionné sera effectivement capable de mettre convenablement en œuvre un mode d'électrode.
On entend par « convenablement » le fait que le mode d' électrode se propage de façon prépondérante par rapport au mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique, c'est-à-dire que le rapport entre l'atténuation (ou coefficient d'atténuation) du mode fondamental de la couche piézoélectrique sur l'atténuation du mode d'électrode est préférablement supérieur à 10, plus préférablement supérieur à 50, encore plus préférablement supérieur à 100. Dans ces conditions, il est possible d'exploiter un mode d'électrode présentant une atténuation inférieure ou égale à celle d'un mode SAW dans un transducteur conventionnel.
Comme illustré par les figures 1 et 2, les dispositifs SAW 100 considérés en exemple consistent en un transducteur SAW constitué d'une couche piézoélectrique 120 d'épaisseur h, d'une première et d'une deuxième électrodes 150A et 150B interdigitées, encastrées dans la couche piézoélectrique 120 et de hauteur h correspondant ici à l'épaisseur de la couche piézoélectrique, et d'un substrat 130 supportant la couche piézoélectrique et les électrodes.
Bien que les électrodes soient de préférence des électrodes qui traversent entièrement la couche piézoélectrique et sont de la même épaisseur que celle-ci, c'est-à-dire qu'elles sont en contact direct avec le substrat 130, ou avec une couche intermédiaire interposée entre celui-ci et la couche piézoélectrique, et ne dépassent pas en hauteur la couche piézoélectrique 120, comme illustré par les figure 2 et 3, d' autres géométries sont acceptables tant que le mode d'électrode peut exciter la couche piézoélectrique : il suffit que les électrodes soient partiellement traversantes vis-à-vis de la couche piézoélectrique, elles pourraient également dépasser en hauteur la couche piézoélectrique. Elles pourraient ainsi traverser entièrement la couche piézoélectrique et dépasser celle-ci en hauteur.
Dans le cas d'une électrode non traversante, des charges électriques qui n'apparaissent pas dans le cas où l'électrode est traversante apparaîtront sous les électrodes. Cela signifie que la contribution globale des charges d'une électrode à l'autre dans le réseau interdigité périodique peut s'avérer diminuée par rapport au cas où l'électrode est traversante. En conséquence, un dispositif SAW muni d'électrodes traversantes présentera un couplage électromécanique plus fort, donc meilleur, qu'un dispositif SAW muni d'électrodes non traversantes. Des électrodes non traversantes sont aussi susceptibles de coupler un résidu d'un mode fondamental qui pourrait nuire à la pureté spectrale de la réponse en fréquence.
Le présent mode de réalisation présente la situation d'un contact direct entre le substrat 130 et chacune de la couche piézoélectrique 120 et des électrodes 150A et 150B, il est cependant tout-à-fait possible d'avoir une couche intermédiaire recouvrant le substrat et interposée entre celui-ci et chacune de la couche piézoélectrique 120 et des électrodes 150A et 150B, comme déjà mentionné plus haut.
Cette couche intermédiaire peut comprendre par exemple une couche de collage utilisée pour fixer la couche piézoélectrique au substrat, telle qu'une couche de dioxyde de silicium ayant de 10 nm à 400 nm d'épaisseur, préférablement entre 20 nm et 150 nm par exemple 30 nm d'épaisseur sans que cela soit restrictif.
Il est à noter que l'ensemble des calculs et conclusions mentionnés dans cette description s'applique également aux situations où cette couche intermédiaire est présente et pour les différentes géométries d'électrodes mentionnées plus haut, les inventeurs ayant obtenu des conclusions identiques pour les différents cas de figure. La paire d' électrodes comprend une première électrode 150A et une deuxième électrode 150B chacune avec une face inférieure en contact direct ou non avec une face supérieure 130up du substrat et des faces latérales 150iat en contact direct ou non avec la couche piézoélectrique 120 .
De la même manière que pour la couche intermédiaire interposée entre le substrat et la couche piézoélectrique , il est ici envisageable d' avoir une couche interposée entre les électrodes et la couche piézoélectrique ainsi qu' entre la face inférieure des électrodes et le substrat ou la couche intermédiaire , sans que cela influe sur les conclusions des auteurs sur le choix d' un substrat .
Les électrodes 150A et 150B comprennent respectivement des doigts 152A et 152B s ' étendant selon une même direction D, de manière à former une structure périodique de période p selon une direction perpendiculaire à la direction D, dans laquelle les doigts des deux électrodes sont placés en alternance , de manière à former une paire d' électrodes interdigitées ou IDTs .
La longueur d' ondes élastique du mode excité par le transducteur est égale à deux fois la période p, soit 2p, le transducteur fonctionnant dans les conditions de Bragg pour cette longueur d' ondes particulière qui correspond à la longueur d' ondes élastique opérationnelle mentionnée plus haut .
Cette longueur d' onde s ' entend également comme la distance séparant les axes centraux d' extension de deux doigts adj acents d' une même électrode , c' est-à-dire des axes formant chacun un axe de symétrie du doigt correspondant en vue plane , cet axe étant parallèle à la direction D d' extension des doigts .
La structure décrite par la figure 1 a été modélisée par voie informatique , par exemple par une méthode de calcul par éléments finis , comme illustré par la figure 3 , laquelle montre une période du modèle selon la direction x parallèle à la surface du substrat et perpendiculaire à la direction D, seule une petite partie du substrat étant illustrée selon la direction y perpendiculaire à la surface du substrat, celui-ci étant considéré comme semi-infini.
Cette modélisation a été employée par les inventeurs pour déterminer par simulation informatique les caractéristiques électromécaniques des dispositifs SAW en fonction des matériaux employés, et tester ainsi la pertinence de nombreuses caractéristiques dans la sélection du matériau constituant le substrat .
Les inventeurs ont constaté que deux caractéristiques permettent de prédire l'adéquation d'un substrat de nature donnée à la fabrication d'un dispositif SAW destiné à employer un mode d'électrode, d'une part l'atténuation du mode élastique d'électrode dans le substrat, et d'autre part l'atténuation du mode de cisaillement fondamental dans la couche piézoélectrique, paramètres à simuler en fonction de la couche piézoélectrique et des électrodes.
Première condition - atténuation du mode d'électrode
Un substrat situé sous la couche piézoélectrique peut, s'il est adapté aux caractéristiques (natures, géométries) des électrodes encastrées et de la couche piézoélectrique, améliorer le confinement et la propagation du mode d'électrode, mais tous les matériaux ne sont pas aptes à former un substrat permettant à la structure illustrée par la figure 1 et modélisée comme illustré par la figure 3 d'exploiter convenablement un mode d'électrode, c'est-à-dire que le mode d'électrode présente une atténuation inférieure ou égale à celle du mode exploité dans un dispositif SAW muni d'électrodes surfaciques, par exemple pour la conception de filtres.
Ainsi, le mode d'électrode se propage dans la couche piézoélectrique et s'y atténue par rayonnement dans le substrat, d'où l'importance de celui-ci dans les caractéristiques du dispositif . Parmi les caractéristiques considérées et utilisées par les inventeurs pour simuler le comportement de dispositifs SAW, il s'est avéré que ceux dont le substrat est tel que l'atténuation du mode d'électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à la valeur limite d'atténuation de 0,1 dB/X, préférablement 0,05 dB/X, plus préférablement 0,01 dB/X, sont les substrats permettant au dispositif d'exploiter convenablement un mode d'électrode. Cette valeur limite d'atténuation a été choisie de manière telle qu'un dispositif SAW conçu pour fonctionner avec un mode d' électrode et qui comprend un substrat en adéquation avec les caractéristiques des électrodes et de la couche piézoélectrique, ce qui permet d'atteindre ce critère, ait des performances au moins équivalentes aux performances typiques d'un dispositif SAW conventionnel reposant sur l'exploitation d'un mode de la couche piézoélectrique au moyen d'électrodes surfaciques, avec en outre la possibilité de fonctionner à des fréquences plus élevées grâce au fonctionnement reposant sur le mode d'électrode. On doit ici comprendre qu'une atténuation d'un mode élastique d'électrode d'un dispositif SAW selon l'invention présente une atténuation inférieure ou égale à l'atténuation d'un mode d'une couche piézoélectrique excité au moyen d'électrodes de surface.
Ainsi, les substrats amenant, en adéquation avec des électrodes et une couche piézoélectrique données, à une atténuation du mode d'électrode dans la couche piézoélectrique inférieure ou égale à la valeur limite d'atténuation de 0,1 dB/X, préférablement 0,05 dB/X, plus préférablement 0,01 dB/X, sont retenus dans le cadre de la présente invention comme aptes à l'excitation du mode d'électrode, dans le sens où les performances attendues en terme de l'atténuation du mode d'électrode sont au moins équivalentes à celle d'un dispositif SAW conventionnel reposant sur l'exploitation d'un mode de la couche piézoélectrique au moyen d'électrodes surfaciques. A l'inverse, les substrats qui, combinés à des électrodes et une couche piézoélectrique donnée, amènent à une atténuation du mode d'électrode dans la couche piézoélectrique supérieure à la valeur limite d'atténuation de 0,1 dB/ sont rejetés, considérés comme impropres à l'excitation et l'exploitation d'un mode d'électrode dans un dispositif SAW comprenant ces électrodes et cette couche piézoélectrique. En effet, une onde acoustique de surface est, dans une telle configuration, trop atténuée pour se propager convenablement dans le réseau d'électrodes. L'utilisation d'un tel dispositif présentant cette configuration pour réaliser un filtre par exemple est impossible, car présentant en particulier des pertes d'insertion trop importantes.
Un mode de calcul de l'atténuation est détaillé dans la thèse de doctorat de Y. Fusero « Etude théorique et expérimentale de dispositifs a ondes de surface à haute vitesse et fort couplage : application aux filtres télécom haute fréquence », Université de Franche-Comté, pp . 74-75, 2001.
La figure 4 montre un graphe de simulation de l'admittance électrique d'un transducteur SAW en échelles linéaires avec, en fonction de la fréquence indiquée en abscisse et s'étendant de 2,36 à 2,37 GHz, une conductance G et la susceptance B associée indiquées en Siemens par mètre en ordonnée et s'étendant entre -IxlO10 S/m et 2*1O10 S/m.
Le pic de résonance de la conductance G est associé à un minimum et à un maximum de la susceptance B aux fréquences respectives fh et fb situés de part et d'autre du pic.
L'atténuation du mode d'électrode dans la couche piézoélectrique, désigné par Attn par la suite, peut s'exprimer par l'équation Eq. 1 suivante : dans laquelle A est le coefficient de réflexion par électrode, fh et fb sont respectivement les fréquences du maximum et du minimum de la susceptance (partie imaginaire de l'admittance) associés au dispositif SAW considéré, comme illustré par la figure 4.
Deuxième condition - atténuation du mode de cisaillement fondamental
Le respect de la première condition assure qu'un mode d'électrode peut être effectivement excité dans un dispositif SAW et se propager dans des conditions similaires à ou proches de celles d'une onde élastique excitée par un dispositif SAW conventionnel, conçu pour fonctionner avec un mode de la couche piézoélectrique excité par des électrodes surfaciques.
Cependant, ce seul critère ne garantit pas l'exploitabilité pratique de ce mode.
En effet, la réponse générale du dispositif ainsi que la pureté de la réponse en fréquence conditionnent ses performances pour des applications pratiques telles que des opérations de filtrage de signaux de télécommunication.
Afin d'obtenir une réponse en fréquence de pureté acceptable, il est en particulier nécessaire de supprimer le mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique.
Cette suppression peut se faire par atténuation de ce mode dans le substrat, et peut s'évaluer au moyen d'une formule identique à l'équation Eq. 1 ci-dessus, appliquée cette fois au mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique.
Il a été déterminé à la suite de nombreuses simulations que l'atténuation du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique par le substrat devait être supérieure ou égale à 1 dB/ pour que le dispositif SAW ait une réponse en fréquence de pureté acceptable.
Cette condition traduit le fait qu'un substrat adapté à une couche piézoélectrique donnée permet une atténuation suffisamment forte du mode de cette couche piézoélectrique pour que ce mode soit absorbé par le substrat et ne se propage pas dans la couche piézoélectrique, ce qui aurait des effets inacceptables sur la pureté de la réponse en fréquence, en particulier la présence d'un deuxième pic de conductance avec un couplage élevé.
La valeur de 1 dB/ représente une valeur limite à laquelle on peut encore avoir une superposition de modes susceptibles de produire des réponses parasites.
Comme déjà mentionné, on peut calculer à l'aide de l'équation 1 cette atténuation de la même manière que l'atténuation du mode d'électrode.
Alternativement, le respect de cette condition, qui porte sur un critère d'atténuation, peut se vérifier au moyen d'un critère portant sur le rapport de la célérité C(Subst) d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur la célérité C (Piezo) du mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique.
Ainsi, avec un substrat dans lequel ce rapport C ( Subst ) /C ( Piezo ) est supérieur ou égal à 1 (célérité d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat supérieure ou égale à la célérité d'un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique) , le mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique aura tendance à être guidé dans la couche piézoélectrique plutôt qu'être absorbé par le substrat, et aura donc tendance à détériorer la réponse en fréquence du dispositif considéré, en particulier sa pureté spectrale.
Un tel substrat sera rejeté comme impropre à assurer un fonctionnement satisfaisant du dispositif considéré.
A l'inverse, un substrat dans lequel ce rapport C ( Subst ) /C ( Piezo ) est inférieur à 1 (célérité d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat inférieure à la célérité du mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique) propage le mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique dans le volume du substrat et celui-ci absorbe le mode, l'empêchant de détériorer la réponse en fréquence du dispositif considéré.
Un tel substrat pourra être retenu pour la fabrication et la mise en œuvre du dispositif considéré.
Plus le rapport de célérités décrit précédemment sera petit, plus le rayonnement dans le substrat du mode de la couche piézoélectrique sera fort et meilleure sera la pureté spectrale de la réponse en fréquence du dispositif.
Même si un rapport de 1 peut être considéré comme acceptable pour certaines applications, il est préférable de retenir un rapport plus petit que 1, un rapport de 0,9 permettant déjà une amélioration nette de la réponse en fréquence et donc des performances du dispositif.
Les célérités des modes peuvent être déterminées par mesures sur une ou des structures de test sur le substrat.
Alternativement, les célérités peuvent être déterminées par une méthode de calcul par éléments finis, et plus spécifiquement une méthode FEM-BEM, Finite Element Method - Boundary Element Method en terminologie anglaise, modélisant en deux dimensions une période d'un transducteur SAW donné en tenant compte des effets de rayonnement dans le substrat, de géométrie telle qu'illustré par la figure 3.
Une méthode de calcul par éléments finis permet de prendre en compte l'encastrement des électrodes dans la couche piézoélectrique ainsi que l'effet de masse des électrodes.
La réponse en fréquences du transducteur SAW donné ayant été calculée selon la méthode ci-dessus, on peut obtenir la célérité d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et la célérité d'un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique de la formule Eq. 2 ci-dessous : c = A X f Eq . 2 où c représente la célérité d'une onde considérée, A sa longueur d'ondes et f sa fréquence. La longueur d'ondes  est déterminée par la géométrie des électrodes du transducteur SAW donné et la fréquence du mode considéré, cette fréquence pouvant s'extraire de la réponse en fréquences de ce transducteur, comme illustré par la figure 5.
La figure 5 montre, pour un transducteur SAW donné illustré par la figure 1, un graphe de simulation de l'impédance électrique d'un transducteur SAW en échelle linéaire en abscisse et en échelle logarithmique en ordonnée avec, en fonction de la fréquence indiquée en abscisse et s'étendant de 2,2 à 2, 6 GHz, une conductance G et la susceptance B associée indiquées en Siemens par mètre en ordonnée, les ordonnées visibles sur le graphe s'étendant entre 100 S/m et IxlO11 S/m.
Les signatures particulières du mode élastique volumique de cisaillement du substrat et d'un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique sont indiquées respectivement par BS et FS sur le graphe.
On peut tirer de ce graphe la fréquence du mode « Bulk Shear » à environ 2,55 MHz et la fréquence du mode « Fundamental Shear » à environ 2,36 MHz, qui permettent de calculer les célérités de ces modes à partir de l'équation Eq. 2 dans ce dispositif SAW donné.
Procédé d'évaluation d'un substrat
Sur la base des conditions d'acceptation d'un substrat détaillées ci-dessus, on peut détailler un procédé 900 d'évaluation d'un matériau pour son utilisation en tant que substrat dans un dispositif SAW à électrodes encastrées dans une couche piézoélectrique, procédé illustré par le diagramme de la figure 9.
Un tel procédé est de préférence mis en œuvre au moyen d'un système informatique 1000 illustré par la figure 10, comprenant une unité informatique de calcul 1010 et une mémoire informatique 1020 fonctionnellement en communication avec l'unité de calcul informatique et stockant une base de données stockant des paramètres de géométrie et de nature des électrodes, de la couche piézoélectrique, et du substrat.
A une étape 910, l'unité informatique 1010 récupère dans la base de données 920 des données incluant des paramètres de géométrie et de nature des électrodes, de la couche piézoélectrique, et du substrat.
Ces données incluent en particulier les caractéristiques du matériau considéré pour le substrat : sa nature et, le cas échéant, son orientation cristallographique.
A une étape 920, l'unité informatique calcule une atténuation d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique à partir des données récupérées à l'étape 910.
A une étape 925, l'unité informatique compare l'atténuation calculée à l'étape 920 à une valeur prédéfinie d'atténuation.
Si l'atténuation du mode élastique d'électrode est plus grande ou égale à la valeur prédéfinie d'atténuation, alors l'unité informatique émet un signal RI de rejet du substrat, celui-ci n'étant pas apte à permettre au dispositif SAW de mettre en œuvre un mode d'électrode par excitation acousto-électrique .
Si l'atténuation du mode élastique d'électrode est plus petite que la valeur prédéfinie d'atténuation (situation indiquée par « Y ») , alors l'unité informatique émet un signal Al d'acceptation partielle du substrat, celui-ci respectant au moins l'une des conditions nécessaires à son acceptation, qui est ici celle de son aptitude à permettre au dispositif SAW de mettre en œuvre un mode d' électrode par excitation acousto- électrique .
Cette valeur prédéfinie d'atténuation peut être 1 dB/ , pour les raisons expliquées plus haut.
A une étape 930, l'unité informatique calcule un rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique, à partir des données récupérées. A une étape 935, l'unité informatique compare le rapport de célérités calculé à l'étape 930 à une valeur prédéterminée de rapport de célérités.
Si le rapport de célérités est plus petit que la valeur prédéterminée de rapport de célérités (situation indiquée par « Y ») , alors l'unité informatique émet un signal A2 d'acceptation partielle du substrat, celui-ci respectant au moins l'une des conditions nécessaires à son acceptation, qui est ici celle de son aptitude à atténuer suffisamment le mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique pour que le dispositif SAW considéré présente des performances acceptables en termes de pureté de sa réponse en fréquence.
Si le rapport de célérités est plus grand ou égal à la valeur prédéterminée de rapport de célérités, alors l'unité informatique émet un signal R2 de rejet du substrat, celui-ci n'étant pas apte à permettre au dispositif SAW de fonctionner de manière acceptable.
La valeur prédéterminée de rapport de célérités peut être égale à 1, préférablement égale à 0,9 comme expliqué ci-dessus.
A une étape 940, l'unité informatique vérifie si les deux signaux Al et A2 ont effectivement été émis et, dans ce cas, émet un signal A représentatif d'une acceptation du substrat dans le sens où celui-ci remplit les deux conditions nécessaires pour être considéré comme apte à former un dispositif SAW destiné à fonctionner en mettant en œuvre un mode d'électrode.
Ce procédé d'évaluation d'un substrat permet d'effectuer le choix d'un substrat à associer à des électrodes et une couche piézoélectrique données pour obtenir un dispositif SAW destiné à mettre en œuvre un mode d'électrode, sans avoir à passer par une phase chronophage et coûteuse de fabrication d'échantillons de test et de caractérisation de ces derniers du point de vue électro-acoustique, ou permet au moins de cibler le type d'échantillons à produire. Il est à noter que ces conditions d'acceptation d'un substrat s'appliquent particulièrement aux cas où les électrodes sont faites d'un métal relativement léger, tel que l'aluminium ou un alliage d'aluminium (par exemple un alliage d'aluminium à 2% de cuivre A1CU2%) , et où la couche piézoélectrique est formée de tantalate de lithium LiTaCb ou de niobate de lithium LiNbCb, selon la géométrie décrite dans les figures 1 et 2.
Cependant, ces conditions restent valides pour d'autres matériaux d'électrodes et de couches piézoélectriques, ainsi qu'à des géométries ne se limitant pas à celles des figures 1 et 2.
Procédé de fabrication d'un dispositif SAW
Le procédé d'évaluation d'un substrat décrit ci-dessus peut être intégré à un procédé 1100 de fabrication d'un dispositif SAW illustré par le diagramme de la figure 11, et dont la première étape 1110 consiste en la sélection du substrat pour un dispositif de caractéristiques déjà partiellement définies, c'est-à-dire pour une géométrie et des matériaux de couches piézoélectriques et d'électrodes déjà fixées.
Cette première étape 1110 peut consister en la mise en œuvre du procédé 900 illustré par la figure 9.
A une étape 1120, une couche piézoélectrique est formée directement sur un substrat retenu comme étant acceptable à l'issue de l'étape 1110.
Alternativement, à l'étape 1120, la couche piézoélectrique peut être obtenue séparément, puis fixée au substrat par collage moléculaire .
A une étape 1130, la couche piézoélectrique est préparée pour accueillir les électrodes, par exemple par gravure d'un motif prédéterminé dans l'épaisseur de la couche piézoélectrique . A une étape 1140, les électrodes sont formées de manière à être encastrées dans la couche piézoélectrique selon des procédés conventionnels.
En procédant selon ce procédé, on peut s'attendre à obtenir un dispositif SAW apte à exploiter un mode d'électrode d'excitation électro-acoustique.
Exemples de substrats
Le respect des première et seconde caractéristiques définies ci-dessus a été vérifié pour un ensemble de transducteurs de géométrie illustrée par les figures 1 et 2.
Dans une première série de transducteurs, un substrat de verre de quartz, ou « fused quartz » en terminologie anglaise, a été considéré en association avec des électrodes d'un alliage d'aluminium à 2% de cuivre A1CU2% et une couche piézoélectrique constituée de tantalate de lithium LiTaCh ou de niobate de lithium LiNbOs, pour des transducteurs SAW de conçus pour fonctionner à 4,8 GHz ou 2,4 GHz .
Les résultats des simulations sont exposés dans la table 1 ci-dessous .
[Table 1] C(Subst) et C (Piezo) indiquent respectivement la célérité d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et la célérité d'un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique, C ( Subst ) /C ( Piezo ) indique le rapport de ces célérités.
Atténuation (Elec) et Atténuation (Piezo) indiquent respectivement les atténuations d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique et du mode fondamental de la couche piézoélectrique dans le substrat.
Les commentaires (OK) indiquent que le substrat respecte la condition concernée par la case correspondante du tableau, c'est-à-dire l'un des critères d'atténuation ou de rapport de célérités détaillés plus haut.
Nous constatons ici qu'il est possible d'utiliser du verre de quartz en tant que substrat pour chacun des transducteurs SAW considérés, ce que le tableau indique par un statut du substrat comme « OK » .
Dans une deuxième série de transducteurs, on considère un verre commercial Planoptik Eagle XG présentant un module d' Young de 64 GPa, un coefficient de poisson de 0,2 et une masse volumique de 2200 kg/m3 au lieu du verre de quartz de la première série, les autres paramètres restant les mêmes.
Les résultats des simulations sont exposés dans la table 2 ci-dessous .
[Table 2]
Nous constatons qu'il est possible d'utiliser ce verre en tant que substrat pour chacun des transducteurs SAW considérés. Dans une troisième série de transducteurs, on considère un substrat de quartz de coupe AT (de notation IEEE (YXl) /36°) au lieu du verre de quartz de la première série, les autres paramètres restant les mêmes.
Les résultats des simulations sont exposés dans la table 3 ci-dessous.
[Table 3]
Nous constatons ici qu'il n'est possible d'utiliser du quartz de coupe AT en tant que substrat pour aucun des transducteurs SAW considérés, les substrats étant rejetés et leurs statuts étant alors indiqués comme NOK. En effet, même si la condition sur l'atténuation du mode d' électrode dans le substrat est respectée pour un fonctionnement à 4,8 GHz pour les deux types de couche piézoélectrique (LiTaCL et LiNbCh) , la condition sur l'atténuation du mode propre de la couche piézoélectrique n'est pas respectée, comme indiqué par les commentaires (NOK) .
Le tableau indique ainsi par (NOK) la violation de la condition sur l'atténuation du mode fondamental de la couche piézoélectrique dans le substrat qui doit être supérieure ou égale à 1 dB/ pour respecter la condition.
Le tableau indique également par (NOK) la violation de la condition sur les rapports de célérités d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur la célérité d'un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique, qui doit être inférieure à 1.
Dans une quatrième série de transducteurs, on considère un substrat de silicium (100) au lieu du verre de quartz de la première série, les autres paramètres restant les mêmes.
Les résultats des simulations sont exposés dans la table 4 ci-dessous .
[Table 4] Comme pour le substrat de quartz de coupe AT, nous constatons qu'il n'est possible d'utiliser du silicium (100) en tant que substrat pour aucun des transducteurs SAW considérés, les substrats étant rejetés et leurs statuts étant alors indiqués comme NOK.
Des résultats de calculs complémentaires similaires à ceux présentés ci-dessus ont validé l'emploi des substrats suivants : un substrat d' arséniure de gallium et un verre commercial Planoptik Borofloat présentant un module d' Young de 73 GPa , un coefficient de poisson de 0,23 et une masse volumique de 2380 kg/m3.
D'autres simulations montrent que le choix du substrat en fonction des électrodes et de la couche piézoélectrique n'est absolument pas intuitif. La Table 5 ci-dessous liste des verres et leurs propriétés physiques (Densité p, vitesses longitudinale et transversale de propagation du son VL et vT, module d' Young E et coefficient de Poisson v) .
[Table 5]
La Table 6 et la Table 7 ci-dessous indiquent le résultat de simulations pour des dispositifs munis d'une couche de piézoélectrique de tantale de lithium de 600 nm de hauteur h, et prévus pour fonctionner à une longueur d'onde avec des électrodes de hauteur h vérifiant, respectivement, h/ =15% et h/ =30%. Plus spécifiquement, ces tables indiquent pour les verres de la Table 5 associés à des électrodes d'or Au, de molybdène Mo et d'alliage AICu2% le rapport C ( Subst ) /C ( Piezo ) des célérités C (Subst) d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et C (Piezo) du mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique, l'atténuation Attn.Elec. du mode élastique d'électrode dans le substrat, l'atténuation Attn.Cis. du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique, et le rapport Attn . Cis . /Attn . Elec . de ces deux dernières.
[Table 6]
[Table 7]
Les commentaires « NOK » indiquent que les valeurs associées interdisent au substrat correspondant d'être utilisé pour un dispositif SAW basé sur un mode d'électrode selon les critères de rapport de célérités, d'atténuation du mode élastique d'électrode, d'atténuation du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique et de rapport des atténuations définis dans le présent document.
Selon les critères définis dans ce document, seuls un substrat constitué de l'un des verres C, D, E, Planoptik Eagle XG, Planoptik Borofloat et du Pyrex, associé à des électrodes constituées d'un alliage d'aluminium à 2% de cuivre A1CU2% permettent d'obtenir une pureté spectrale de la réponse en fréquence telle que le mode de cisaillement fondamental soit atténué (pertes de propagation supérieures à 1 dB/X) , avec de plus un mode d'électrode guidé (pertes de propagation inférieures à 0,1 dB/X) . Pour chaque configuration respectant ces critères, le rapport entre atténuation du mode de cisaillement fondamental et mode d'électrode est, au moins, supérieur à 10.
En outre, le fait que pour un même type de verre, la nature de l'électrode conditionne le respect ou non des critères portant sur (i) l'atténuation d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique et sur (ii) le rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique indique qu'une adéquation entre le substrat, les électrodes et la couche piézoélectrique est nécessaire. Cette adéquation est contenue dans le respect des deux critères (i) et (ii) rappelés ci-dessus.
Ainsi, ces critères permettent de choisir en fonction les uns des autres les matériaux à employer pour le substrat, les électrodes et la couche piézoélectrique d'un dispositif à ondes élastiques de surface basé sur l'excitation d'un mode d'électrode de manière telle qu'il présente une réponse spectrale suffisamment pure pour répondre à une application envisagée. De plus, il est à noter que les phénomènes mis en œuvre afin d'atténuer le mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique n'influent en aucun cas sur le mode d ' électrode .
Exemple d'application 1
Afin d'illustrer l'influence du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique dans le cas d'un dispositif résultant d'un choix adéquat de substrat, on a calculé la fonction de transfert théorique (paramètre S21) d'un filtre SAW en échelle 600 conventionnel comportant douze résonateurs 620 identiques montés en échelle (huit en série et quatre en parallèle) entre une entrée 630 et une sortie 640 SAW, comme illustré par la figure 6.
La figure 7 illustre la fonction de transfert théorique d'un tel filtre, formé de résonateurs prévus pour fonctionner à 4,8 GHz et comprenant un substrat de verre de quartz muni d'une couche piézoélectrique de LiTaCh et d'électrodes en alliage A1CU2%.
Comme indiqué par la table 1, le verre de quartz est un matériau considéré comme acceptable pour former le substrat. La signature du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique apparaît à environ 2,4 GHz et augmente la réjection à -34 dB .
Exemple d'application 2
Afin d'illustrer l'influence du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique dans le cas d'un dispositif résultant d'un choix inapproprié de substrat, un second exemple d'application reprend l'exemple d'application 1, à la différence près que le substrat des résonateurs est formé de quartz de coupe AT.
Comme vu dans la table 3, le quartz de coupe AT n'est pas considéré comme acceptable pour former le substrat, l'atténuation du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique dans le substrat étant insuffisante.
La figure 8 illustre la fonction de transfert théorique d'un tel filtre.
La signature du mode de cisaillement fondamental de la couche piézoélectrique apparaît à environ 2,4 GHz et augmente la réjection à quasiment 0 dB .
La comparaison de l'exemple d'application 1 rend évidente que l'atténuation du mode de la couche piézoélectrique est insuffisante, largement dégradée par rapport à l'exemple d'application précédent, et vient perturber la réponse du filtre, avec une réjection montant quasiment à 0 dB .
Bien entendu l'invention n'est pas limitée à la description ci-dessus, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (100) à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique (120) , des électrodes (150A, 150B) encastrées dans la couche piézoélectrique, et un substrat (130) supportant la couche piézoélectrique et les électrodes, le dispositif étant caractérisé en ce que le substrat vérifie les deux conditions suivantes : une atténuation d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/ ; et un rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit qu'une valeur prédéterminée de rapport de célérité égale à 1, le substrat étant choisi parmi l'arséniure de gallium et un verre ayant un module d' Young compris entre 60 GPa et 180 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,35, et une masse volumique comprise entre 2000 kg/m3 et 6000 kg/m3.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel un rapport d'une atténuation du mode fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique sur l'atténuation du mode élastique d'électrode est supérieur à 10.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les électrodes traversent entièrement la couche piézoélectrique.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat est formé de verre ayant un module d' Young compris entre 60 GPa et 80 GPa, un coefficient de poisson compris entre 0,15 et 0,25, et une masse volumique comprise entre 2100 kg/m3 et 2400 kg/m3.
5. Dispositif selon l'une quelconques des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat est formé de d' arséniure de gallium.
6. Dispositif selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, dans lequel la valeur prédéterminée de rapport de célérités est égale à 0,9.
7. Dispositif selon l'une quelconques des revendications 1 à 6, dans lequel l'atténuation du mode élastique d'électrode est définie par la formule Attn = où, pour une excitation des électrodes générant un mode propagatif d'une onde élastique de cisaillement, A est le coefficient de réflexion acoustique par les électrodes, la fonction log représente le logarithme décimal tel que log (e) ~0, 434, et fh et fb sont des fréquences associées à une résonance de l'onde élastique de cisaillement auxquelles une susceptance du dispositif à ondes élastiques atteint respectivement un maximum et un minimum.
8. Procédé (900) de détermination de l'adaptation d'un substrat à un dispositif à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique, des électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique et ledit substrat, le procédé étant mis en œuvre au moyen d'un système informatique et caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'émettre (840) un signal représentatif d'une adaptation du substrat au dispositif à onde élastique de surface, lorsque : une atténuation d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique est inférieure à 0,1 dB/ ; et un rapport entre une célérité d'un mode élastique volumique de cisaillement du substrat et une célérité d'un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique est plus petit qu'une valeur prédéterminée de rapport de célérité égale à 1.
9. Procédé (900) de détermination de l'adaptation d'un substrat à un dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système informatique (900) comprend une unité informatique de calcul (910) et une mémoire informatique (920) fonctionnellement en communication avec l'unité de calcul informatique et stockant une base de données stockant des paramètres de géométrie et de nature des électrodes, de la couche piézoélectrique, et du substrat, l'unité de calcul informatique mettant en œuvre les étapes suivantes : récupérer (810) dans la base de données de la mémoire informatique (920) des données incluant des paramètres de géométrie et de nature de l'électrode, de la couche piézoélectrique, et du substrat ; calculer (820) une atténuation d'un mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique, à partir des données récupérées ; comparer (825) l'atténuation du mode élastique d'électrode dans la couche piézoélectrique à une valeur prédéfinie d'atténuation de 0, 1 dB/À ; calculer (830) un rapport de célérités entre un mode élastique volumique de cisaillement du substrat sur un mode élastique fondamental de cisaillement de la couche piézoélectrique, à partir des données récupérées ; comparer (835) le rapport de célérités à une valeur prédéterminée de rapport de célérités de valeur égale à 1 ; émettre (840) le signal représentatif d'une adaptation du substrat au dispositif à onde élastique de surface, lorsque : l'atténuation du mode élastique d'électrode dans le substrat est plus petite que la valeur prédéfinie d'atténuation ; et le rapport de célérités est plus petit que la valeur prédéterminée de rapport de célérité.
10. Procédé selon la revendications 8 ou 9, dans lequel la valeur prédéterminée de rapport de célérités est égale à 0,9.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel l'atténuation est définie par la formule Attn = loq(e)où, pour une excitation des électrodes - fh+fb générant un mode propagatif d'une onde élastique de cisaillement, A est le coefficient de réflexion acoustique par les électrodes, la fonction log représente le logarithme décimal tel que log (e) ~0, 434, et fh et fb sont des fréquences associées à une résonance de l'onde élastique de cisaillement auxquelles une susceptance du dispositif à ondes élastiques atteint respectivement un maximum et un minimum.
12. Procédé (1100) de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques de surface comprenant une couche piézoélectrique, des électrodes encastrées dans la couche piézoélectrique et un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend le procédé (900) de détermination de l'adaptation d'un matériau de substrat selon l'une quelconque des revendications 8 à 11.
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