FR2616022A1 - Dispositif d'ondes acoustiques de surface - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif d'ondes acoustiques de surface. Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend une couche vitreuse réalisée sur une surface d'une couche piézo-électrique 22 et un certain nombre de rainures 26 périodiquement espacées s'étendant le long d'une surface de la couche vitreuse à travers une direction de propagation de l'onde acoustique de surface. L'invention s'applique notamment aux résonateurs.
Description
La présente invention concerne un dispositif d'ondes acoustiques de
surface ayant un film piézo-électrique sur un substrat semi-conducteur, et plus particulièrement un perfectionnement à un réflecteur d'ondes acoustiques de surface qui est un élément important d'un résonateur, oscillateur, ligne à retard dispersive, etc., et un perfectionnement à un dispositif
d'ondes acoustiques de surface pour un résonateur.
On sait que l'application d'une perturbation périodique à une surface d'un substrat d'ondes acoustiques de surface produit une grille ou relief analogue qui fonctionne comme un réflecteur d'ondes de surface ayant une caractéristique de sélection de fréquence. Des réflecteurs d'ondes de surface antérieurs de ce type comprennent un réflecteur du type à bandes ayant un métal ou autre film, un réflecteur du type à groupe ayant des rainures sur une surface de celui-ci, un réflecteur à implantation à ions, etc. Le réflecteur du type à bande peut être un agencement utilisant un film d'or (Au) ou autre métal lourd pour utiliser principalement son effet de charge de masse ou utiliser l'effet de court-circuit de champ électrique (effet a v/v) du film métallique ou un agencement utilisant un film relativement épais d'aluminium (Al) ou autre métal ou un isolant pour utiliser l'effet de pertubation géométrique d'une raie,
strie, crête ou. analogue.
Cependant, l'utilisation d'une bande de film en or ou autre métal lourd, bien qu'onéreuse, ne produit pas un taux de réflexion par grille élevé. L'effet de court-circuit du champ électrique n'est pas attendu à moins que le matériau ait un coefficient k2 de couplage électromécanique élevé. L'effet de pertubation géométrique d'une strie est déterminé absolument par les caractéristiques élastiques de la strie et du substrat, et le film métallique léger réalisé normalement à partir d'aluminium (Al) ne présente pas un taux de réflexion élevé. Le réflecteur du type-groupe qui produit un taux de réflexion relativement grand est largement utilisé. Cependant, ce réflecteur n'est pas efficace à moins d'utiliser un matériau qui facilite une attaque pour réaliser les rainures. L'attaque la plus connue est une attaque à sec telle qu'une attaque à ions réactifs
permettant une attaque anisotropique.
Le réflecteur à implantation d'ions a une pertubation relativement faible et un taux de réflexion
relativement faible.
De ce fait, ces réflecteurs d'ondes de surface ne sont pas satisfaisants des points de vue de production
et de caractéristique de réflexion.
La plupart des résonateurs de l'art antérieur comportant un film piézoélectrique utilisent un film piézo-électrique en oxyde de zinc (ZnO) ou en nitrure d'aluminium (AlN) a entre autres les inconvénients suivants: 1. Une instabilité électrique se produit lors de l'application d'une tension; 2. Il est difficile de former un film ayant les qualités requises; 3. Un film protecteur (SiO2) est exigé sur un substrat monocristallin en silicium; 4. La perte de propagation d'une onde acoustique de surface est grande dans des gammes de fréquences élevées; et 5. Il ne s'accorde pas à un processus normal de
circuit intégré en silicium.
De ce fait, un film en AiN est préféré particulièrement comme film piézoélectrique pour
l'intégration du circuit dans une seule pastille ou puce.
Comme exemple produisant un résonateur utilisant un film en AiN sur un substrat monocristallin en silicium, il existe un rapport (L.G. Piearce et al., Appln. Phys. Letl Vol 39 (1981) Dec., Vo. 11, New York, U.S.A.) qui décrit l'application d'un film en AlN à un
résonateur à deux ports.
Le résonateur a un agencement AlN/SiO2/Si dans lequel son réflecteur à grilles consiste en quatre cents
bandes court-circuitées en Au.
On rapporte que le résonateur présente des caractéristiques de fréquence de résonance: 121,7 MHz, une perte d'insertion: 27 dB et un facteur de qualité:
3370. Ce ne sont pas des caractéristiques suffisantes.
Ainsi, il est très difficile d'obtenir un résonateur à petite échelle, à caractéristiques
excellentes, utilisant l'agencement de l'art antérieur.
C'est par conséquent un objet de l'invention de réaliser un élément multicouches d'ondes acoustiques de surface comprenant un film piézoélectrique, lequel élément peut être facilement fabriqué pour former un réflecteur d'ondes acoustiques de surface ayant un
excellent rapport ou taux de réflexion.
Un autre objet de l'invention est de réaliser un dispositif d'ondes acoustiques de surface pour utilisation dans un résonateur, lequel dispositif est convenable pour incorporation d'un élément d'ondes acoustiques de surface et de ses circuits périphériques
dans une seule pastille.
Afin d'accomplir ces objets, le dispositif comprend une couche vitreuse réalisée sur une couche piézo-électrique sur un substrat semi-conducteur et comprend un certain nombre de rainures périodiques qui s'étendent à travers la direction de propagation des ondes acoustiques de surface sur la surface de la couche vitreuse. La couche vitreuse peut être réalisée à partir de dioxyde de silicium (SiO2), de verre à l'acide phosphorosilicique (PSG), de verre à l'acide boro-silicique (BSG), de l'acide borophosphoro-silicique (BPSG), etc. Les rainures périodiques réalisées sur la surface de la couche vitreuse effectuent une réflexion excellente des ondes acoustiques de surface. De plus, des ondes stationnaires des ondes acoustiques de surface sont produites entre l'électrode et les rainures et sont
détectées par l'électrode.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaîtront plus clairement au cours de la description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels - la figure i est une vue en coupe longitudinale d'une partie principale d'un dispositif d'ondes acoustiques de surface suivant un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective d'un élément d'ondes acoustiques de surface pour évaluation de son rapport de réflexion; - la figure 3 est un graphe de caractéristiques de transmission de l'élément; - la figure 4 est une vue en perspective d'une partie principale d'un réflecteur de l'art antérieur utilisé pour l'évaluation de son rapport de réflexion; - la figure 5 est un graphe représentant la caractéristique de taux de réflexion du réflecteur; - la figure 6 est une vue en perspective fragmentaire d'un réflecteur de l'invention utilisé pour l'évaluation de son rapport de réflexion; - la figure 7 est un graphe représentant la caractéristique de rapport de réflexion du réflecteur; - la figure 8 est une vue en coupe longitudinal d'un résonateur d'ondes acoustiques de surface qui est également un mode de réalisation de l'invention; - la figure 9 est une vue en plan du même résonateur; - la figure 10 est un graphe représentant la caractéristique de transmission du résonateur; - la figure 11 est une vue pour expliquer l'agencement d'un résonateur; - la figure 12 est une vue en coupe longitudinale d'un autre résonateur d'ondes acoustiques de surface de l'invention; et - la figure-13 est une vue en plan du même résonateur. La figure 1 représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel la référence i désigne un substrat monocristallin semi-conducteur, la référence 2 une couche piézo- électrique réalisée sur une surface du substrat 1, la référence 3 une couche de dioxyde de silicium réalisée sur la couche piézo-électrique 2, et la référence 4 des rainures périodiques réalisées sur la
surface exposée de la couche de dioxyde de silicium 3.
Elles forment toutes un réflecteur d'ondes acoustiques de surface. Lorsqu'une onde acoustique de surface entre dans l'agencement de la figure 1, les rainures
périodiques la réfléchissent.
Dans les fréquences dans lesquelles le cycle des rainures est un nombre entier de la moitié de la longueur d'onde de l'onde de surface, toutes les ondes réfléchies sont en phase, et le dispositif de l'invention fonctionne comme un excellent réflecteur. L'un des mérites structurels du réflecteur d'ondes acoustiques de surface ci-dessus est qu'un réflecteur excellent est obtenu en réalisant également une couche de dioxyde de silicium également sur la surface d'un matériau stable chimiquement et physiquement tel qu'un film piézo-électrique en AIN et réalisant des rainures sur la surface. Lorsque le film de dioxyde de silicium a une épaisseur au-dessus d'une certaine valeur, la caractéristique de la couche de dioxyde de silicium détermine le rapport de réflexion de la rainure, sensiblement indépendament de la caractéristique du matériau de base. Les rainures formées sur la surface du film du dioxyde de silicium présentent
un rapport de réflexion significativement élevé.
La couche de dioxyde de silicium permet une attaque anisotropique avec une faible dépouille ou dégagement en utilisant l'attaque à ions réactifs susmentionnée (RIE). Ainsi, la couche de dioxyde de silicium facilite la réalisation des rainures et améliore la caractéristique de température des ondes acoustiques
de surface.
Dans la technologie de l'art antérieur, lorsque un élément'd'ondes acoustiques de surface ayant un film piézo-électrique en AlN sur un substrat monocristallin en silicium était utilisé pour former un réflecteur, l'attaque de réalisation des rainures était difficile car AIN est stable chimiquement et physiquement. De ce fait,
le réflecteur était réalisé en bandes de film métallique.
De plus, il était pratiquement avantageux de former une
strie par un film relativement épais en aluminium (Ai).
Cependant, le rapport de réflexion du réflecteur obtenu
par la strie en aluminium est très petit.
Un procédé représenté à la figure 2 est généralement utilisé pour l'évaluation du rapport de réflexion du réflecteur. Plus spécifiquement, un substrat élastique piézo-électrique 10 est réalisé avec des transducteurs d'entrée et de sortie IDT et un réflecteur de grilles GR comportant N pièces de grilles est réalisé entre les transducteurs IDT. La caractéristique de transmission de l'élément d'ondes acoustiques de surface est représentée en figure 3 comme un graphe de la fréquence f et la perte d'insertion L. Il existe la relation suivante entre la quantité d'atténuation IL Pl, les pièces de grilles N et le rapport de réflexion IPI d'une grille: l PI = 8,686N IPI - 6,02 (dB) A partir de cette équation, le rapport de
réflexion IPI peut être évalué en mesurant lâ Pl.
Des exemples particuliers sont pris ci-dessous pour comparer le réflecteur d'ondes acoustiques de surface de l'art antérieur et des réflecteurs d'ondes
acoustiques de surface de l'invention.
Par exemple, lorsque le réflecteur, comme représenté en figure 4, consiste en un substrat en silicium 10 taillé (100), un film en aluminium O d'épaisseur de 5000A sur le substrat 10, transducteurs IDT (non représentés) sur le film en AlN 11 et stries 12 sous forme d'un film en Al pour former des grilles, l'évaluation du réflecteur utilisant une onde acoustique de surface d'une longueur d'onde de 32 um et le film en AlN ayant une épaisseur h n'excédant pas environ 1,2 ym résulte au rapport de réflexion IPI par grille. Ceci est un faible résultat comme représenté par la ligne en
pointillés dans le graphe de la figure 5.
Ceci est uniformément déterminé par les caractéristiques élastiques de l'agencement Al/AlN/Si. En figure 4, h désigne la hauteur des stries en Al (profondeur des rainures) et A est la longueur d'onde
d'une onde acoustique de surface.
La présente invention est particulièrement efficace lorsque la réalisation des rainures est difficile, et un rapport de réflexion suffisament élevé
n'est pas obtenu par un film en Al ou autre métal.
Lorsque le réflecteur d'onde acoustique de surface consiste en un substat en Si taillé (100), un film en AlN de 5000A d'épaisseur sur le substrat, un PSG (verre à l'acide phosphoro-silicique) d'une épaisseur de 2,3 ym sur le film en AlN 11, et rainures formées en retirant partiellement la surface du PSG par le procédé susmentionné de réalisation des rainures RIE, l'évaluation du réflecteur utilisant une onde acoustique de surface d'une longueur d'onde de 32ym résulte en un rapport de réflexion grand et satisfaisant représenté par la ligne en trait plein en figure 5. Ainsi, le réflecteur formé sur la surface du film PSG assure un rapport de réflection de dix fois le rapport de réflexion du
réflecteur réalisé par les stries du film en A1.
Lorsque le réflecteur, comme représenté en figure 6, consiste en un substrat en Si 10 taillé (100), un film en AlN 11 sur le substrat 10, un film PSG 13 sur le film en AlN 11 et des grilles de profondeur h formées en retirant partiellement le film PSG 13, l'évaluation de la relation entre 2rVH/> et le rapport de réflexion sous épaisseur H du film PSG résulte dans le graphe de la figure 7. C'est-à-dire, lorsque l'épaisseur du film PSG augmente et amène 21TH/ à augmenter de 0,1 à 0,5, le
rapport de réflexion IPI par grille augmente.
L'augmentation du rapport de réflexion, bien que petite dans 2qrH/? > 0,5, continue jusqu'à atteindre environ 2f H/t '. 1. Il vaut mieux que le film PSG 13 ait une épaisseur dans la gamme évaluée. Cependant, en choisissant une épaisseur dans la gamme de 2' H/?> 0,1, un
rapport de réflexion pratiquement acceptable est obtenu.
Les figures 8 et 9 représentent un mode de réalisation de l'invention utilisé dans un résonateur à deux ports dans lequel la référence 21 désigne un substrat monocristallin en silicium, la référence 22 un film piézo-électrique en AIN réalisé sur le substrat 21, la référence 23 une couche de dioxyde de silicium réalisée sur la couche piézo-électrique en AlN 22. Les références 24 et 25 désignent des électrodes conformées en peigne réalisées entre la couche piézo-électrique en AlN 22 et la couche de dioxyde de silicium 23 pour produire et détecter des ondes acoustiques de surface. La référence 26 désigne des groupes de rainures périodiques réalisées sur la surface de la couche de dioxyde de silicium 23 pour réfléchir des ondes acoustiques de surface. Les groupes de rainures sont situés aux côtés
opposés des transducteurs d'entrée et de sortie 24 et 25.
Une onde acoustique de surface produite dans l'électrode 24 ou 25 se propage en direction opposée de l'électrode, et est efficacement réfléchie par les rainures 26. espacées d'un cycle qui est environ un nombre entier de fois la moitié de la longueur d'onde de l'onde acoustique de surface. Comme résultat, les ondes stationnaires de l'onde acoustique de surface sont produites entre les groupes de rainures respectives et
sont détectées par l'électrode 24 ou 25.
Le graphe de la figure 10 représente la caractéristique de transmission d'un résonateur à deux ports ayant l'agencement représenté en figure. 11. Plus spécifiquement, le résonateur à deux ports consiste en un substrat en Si 21 taillé (100), une couche piézo-électrique 22 en AlN de 0,5ym d'épaisseur sur le substrat 21 et un PSG (verre à l'acide phosphorosilicique) de 2,5jm d'épaisseur réalisé sur la couche piézo-électrique 22 en AlN. Les transducteurs IDT utilisés comme électrodes 24 et 25 sont réalisés à partir d'aluminium. La longueur d'onde d'une onde acoustique de surface est de 32 >m, la direction de propagation de l'onde acoustique de surface est Si E100], et la profondeur des rainures de réflexion 26 est d'environ o
5000A.
Le résonateur ci-dessus présente les caractéristiques suivantes: fréquence de résonance: 145 MHz perte d'insertion: 5 dB Q chargé: 4000 o le nombre de paires de transducteurs IDT est de 16, la largeur entre électrode est de 1 mm, le nombre de rainures est de 230, et la distance entre les centres des transducteurs IDT respectifs est de 20? (ô est la longueur d'onde de l'onde acoustique de surface), et la distance (Lc) entre les transducteurs IDT et une
extrémité de la rainure est d'environ 5/82.
Dans le résonateur ci-dessus ayant un agencement PSG/AlN/Si, la condition de Lc = 5/8A (environ 3/8 dans le cas de rainures d'agencement de l'art antérieur) est très important pour un couplage efficace d'ondes stationnaires de l'onde acoustique de
surface.
Les figures 12 et 13 représentent un autre mode de réalisation de l'invention utilisé dans un résonateur
d'un port.
il Comme décrit ci-dessus, puisque le réflecteur ou le résonateur d'ondes acoustiques de surface de l'invention est produit en réalisant une couche vitreuse sur une couche piézo-électrique sur un substrat semi-conducteur monocristallin et en produisant des rainures périodiques s'étendant à travers la direction de propagation de l'onde acoustique de surface, il est possible d'obtenir un réflecteur présentant un rapport de réflexion excellent ou un dispositif d'ondes acoustiques de surface présentant une caractéristique de résonance excellente en comparaison aux dispositifs de l'art antérieur.
RE V E N D I C AT I 0 N S
* 1. Dispositif d'ondes acoustiques de surface ayant une couche piézoélectrique sur un substrat semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend une couche vitreuse réalisée sur une surface de la couche piézoélectrique (22) et un certain nombre de rainures (4) périodiquement espacées s'étendant le long d'une surface de la couche vitreuse à travers une direction de
propagation de l'onde acoustique de surface.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semi-conducteur (21) est réalisé à partir d'un monocristal en silicium, la couche piézo-électrique (22) est réalisée à partir de nitrure d'aluminium (AIN) et la couche vitreuse est réalisée à partir de dioxyde de silicium (SiO2), de verre à l'acide phosphoro-silicique, de verre à l'acide
boro-silicique ou de verre à l'acide boro-phosphoro-
silicique. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche vitreuse précitée a une épaisseur (H) par rapport à la longueur d'onde (7S) d'une onde acoustique de surface qui satisfait la relation:
2rH/t > 0,1.
4. Dispositif d'ondes acoustiques de surface comprenant une couche piézoélectrique sur une surface d'un substrat semi-conducteur, une électrode de production d'une onde acoustique de surface et une électrode de détection d'une onde acoustique de surface réalisées toutes les deux sur une surface de la couche piézo-électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une couche vitreuse réalisée sur une surface de la couche piézo- électrique (22) et des groupements de rainures (4) périodiquement espacées le long d'une surface de la couche vitreuse à des positions correspondants aux côtés
opposés des électrodes (IDT).
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la distance (Lc) entre les extrémités opposées de chaque électrode et de chaque groupe de rainures est Lc ', (5/8) par rapport à la
longueur d'onde () d'une onde acoustique de surface.
6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche piézo-électrique précitée
est réalisée à partir de nitrure d'aluminium (AliN).
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