JP2018537888A - 複合構造および関連する作製方法 - Google Patents
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Abstract
本発明はヘテロ構造（５）を備えた、音響波デバイスのための複合構造（９）に関し、ヘテロ構造（５）は、第１および第２の面を有する圧電材料の有用層（２）であって、第１の面は有用層（２）と比べて小さい熱膨張係数を有する支持基板（１）上の、第１の接合界面に配置される、有用層（２）を含み、複合構造（９）は、それが、有用層（２）の第２の面上の第２の接合界面にその表面全体が配置され、有用層（２）と比べて小さい熱膨張係数を有する、機能層（６）を備えることを特徴とする。本発明はまた、複合構造（９）を作製する方法に関する。
Description
本発明は複合構造およびヘテロ構造の分野に関する。より具体的にはそれは音響波デバイスのための複合構造に関する。
表面またはバルク音響波デバイス（本明細書の以下ではそれぞれ「ＳＡＷ」および「ＢＡＷ」）の分野において、シリコン基板上に配置されたタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）の層を備えたヘテロ構造に関心が高まっており、なぜならそれらは一方では、それらのシリコン支持基板のおかげで標準のマイクロエレクトロニクス機器およびプロセスと適合性があるからであり、他方ではそれらは例えば、論文（例えば、非特許文献１参照。）で説明されているように、ＳＡＷデバイスの周波数応答の、より低い温度依存性などの技術的利点を有するからである。
ＬｉＴａＯ3／Ｓｉヘテロ構造は、例えばそれぞれＬｉＴａＯ3およびＳｉでできた２つの基板の分子付着による接合を通じた組み立てに基づいて構築されることができる。これらのヘテロ構造上に音響波デバイスを製造するために、材料およびプロセスの使用を可能にするように少なくとも２５０℃の温度に達することができることが有利であり、高性能のデバイスが達成されることを保証する。ＬｉＴａＯ3層とＳｉ支持基板との間の接合界面の強度は高温度、具体的には２５０℃以上の温度において、適切な機械的強度を有する構造を提供することにおいて不可欠な要因の１つである。
これは２つの材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）の顕著な差にもかかわらず、およそ２５０℃の温度範囲において、音響波デバイスのいずれの製造ステップより前に、ヘテロ構造の結合エネルギーを増加させるという問題に繋がる。
さらに、非常に薄いＬｉＴａＯ3層を有するヘテロ構造が必要とされるとき（例えばバルク音響波デバイス、すなわちＢＡＷデバイスを製造するために）、１つの解決策は、水素および／またはヘリウムなどの軽い化学種を導入することによる、ＬｉＴａＯ3ドナー基板内に埋め込まれた脆弱平面の形成、このドナー基板の、シリコン支持基板上への直接接合、および埋め込まれた脆弱平面で分離することによってＬｉＴａＯ3表面層をＳｉ上に転写することを含む、Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（登録商標）プロセスを用いて層を転写することである。表面層はそれが転写された後も依然として、その厚さ内に欠陥および軽い化学種を有することが知られている。従ってこの層を修復するために、転写された薄層の品質、またはヘテロ構造の機械的強度を損なわずに、欠陥が修復され、軽い化学種が解放されることを可能にするように、適切な温度範囲においてアニールすることが有利である。例としてＬｉＴａＯ3層に対して選ぶべき適切な温度範囲は、４００℃と６００℃の間となる。
やはり、ＬｉＴａＯ3およびＳｉ材料の間の熱膨張係数の非常に顕著な差を考えれば、問題はＬｉＴａＯ3／Ｓｉヘテロ構造がこれらの高いサーマルバジェットに対処することができないことである。
Ｋ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ， Ｍ．Ｋａｄｏｔａ ｅｔ ａｌ．， "Ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ＳＡＷ ｄｅｖｉｃｅｓ"， ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎ．Ｓｙｍｐ．２０１１， ｐａｇｅｓ ７９ ｔｏ ８６， ２０１１
従って本発明の１つの目的は、従来技術の欠点を克服する構造および製造方法を提供することである。より具体的には本発明の１つの目的は、界面における支持体上に配置された有用層を備え、この界面を補強するため、もしくは表面層上の欠陥を少なくとも部分的に修復するために、またはいくつかの構成要素を構築するために、十分なサーマルバジェットに対処することができる、複合構造を提供することである。
本発明はヘテロ構造を備えた、音響波デバイスのための複合構造に関し、ヘテロ構造は以下を含む：
− 第１および第２の面を有する圧電材料の有用層であって、第１の面は有用層と比べて低い熱膨張係数を有する支持基板上の、第１の接合界面に配置される、圧電材料の有用層
− 第１および第２の面を有する圧電材料の有用層であって、第１の面は有用層と比べて低い熱膨張係数を有する支持基板上の、第１の接合界面に配置される、圧電材料の有用層
複合構造はそれが、有用層の第２の面上の第２の接合界面にその表面全体が配置され、有用層と比べて小さい熱膨張係数を有する、機能層を備えるという点で注目すべきである。
本発明による複合構造は従って、機能層がない場合に、それより高いとヘテロ構造が劣化または破損する限界温度と比べて、高い温度に対処することが可能である。複合構造は従って、ヘテロ構造の第１の接合界面を強固化するため、または有用層上の欠陥を修復するために必要な熱処理を適用することを可能にする。有用層および支持基板が作られている材料の熱膨張係数の顕著な差により、これらの熱処理をヘテロ構造に直接適用することは不可能であったであろう。
個別にまたは組み合わせて、本発明の有利な特徴によれば：
・機能層は、１０ミクロン以上の厚さを有する
・有用層は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）の群の中から選択される材料からなる
・機能層は、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、炭化珪素、ガラス、サファイアの群の中から選択される材料からなる
・支持基板は、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、炭化珪素、ガラス、サファイアの群の中から選択される材料からなる
・機能層は、支持基板と同じ材料からなる
・ヘテロ構造の有用層と支持基板との間の第１の接合界面の付着エネルギーは、１５００ｍＪ／ｍ2以上である
・機能層とヘテロ構造との間の第２の接合界面の付着エネルギーは、それの分解を可能にするように、１０００ｍＪ／ｍ2未満である
・機能層は、有用層の第２の面の少なくとも１つの第１の部分へのアクセスを可能にする、少なくとも１つの第１の局所的開口を備え、有用層の第２の面の前記第１の部分は音響波デバイス、具体的にはＳＡＷデバイスを形成する金属要素を備える
・機能層は、有用層の第２の面の少なくとも１つの第１の部分へのアクセスを可能にする、少なくとも１つの第１の局所的開口を備える
・支持基板は、第１の局所的開口と少なくとも部分的に対向し、有用層の第１の面の少なくとも１つの第２の部分へのアクセスを可能にする、少なくとも１つの第２の局所的開口を備える
・有用層の第２および第１の面の、それぞれ前記第１および第２の部分は音響波デバイス、具体的にはＢＡＷデバイスを形成する金属要素を備える
・機能層および／または支持基板は、有用層上に配置された金属要素に電気的に接続された、金属コンタクトおよび／または電子デバイスを備える
・機能層は、１０ミクロン以上の厚さを有する
・有用層は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）の群の中から選択される材料からなる
・機能層は、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、炭化珪素、ガラス、サファイアの群の中から選択される材料からなる
・支持基板は、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、炭化珪素、ガラス、サファイアの群の中から選択される材料からなる
・機能層は、支持基板と同じ材料からなる
・ヘテロ構造の有用層と支持基板との間の第１の接合界面の付着エネルギーは、１５００ｍＪ／ｍ2以上である
・機能層とヘテロ構造との間の第２の接合界面の付着エネルギーは、それの分解を可能にするように、１０００ｍＪ／ｍ2未満である
・機能層は、有用層の第２の面の少なくとも１つの第１の部分へのアクセスを可能にする、少なくとも１つの第１の局所的開口を備え、有用層の第２の面の前記第１の部分は音響波デバイス、具体的にはＳＡＷデバイスを形成する金属要素を備える
・機能層は、有用層の第２の面の少なくとも１つの第１の部分へのアクセスを可能にする、少なくとも１つの第１の局所的開口を備える
・支持基板は、第１の局所的開口と少なくとも部分的に対向し、有用層の第１の面の少なくとも１つの第２の部分へのアクセスを可能にする、少なくとも１つの第２の局所的開口を備える
・有用層の第２および第１の面の、それぞれ前記第１および第２の部分は音響波デバイス、具体的にはＢＡＷデバイスを形成する金属要素を備える
・機能層および／または支持基板は、有用層上に配置された金属要素に電気的に接続された、金属コンタクトおよび／または電子デバイスを備える
本発明はさらに、第１および第２の面を有する圧電材料の有用層を備えたヘテロ構造を提供するステップを含む、音響波デバイスのための複合構造を製造する方法に関し、第１の面は有用層と比べて小さい熱膨張係数を有する支持基板上の、第１の接合界面に配置され、方法は以下の点で注目すべきである：
・機能層の表面全体と有用層の第２の面との間に第２の接合界面を形成して、複合構造を形成する組み立てステップであって、機能層は有用層と比べて小さい熱膨張係数を有する、ステップ
・機能層がない場合に、それより高いとヘテロ構造が劣化または破損する限界温度と比べて、高い温度で複合構造に熱処理が適用されるステップ
個別にまたは組み合わせて、本発明の有利な特徴によれば：
・組み立てステップは、１０ミクロン以上の機能層厚さを達成するために、熱処理ステップの前に行われる、機能層の厚さを調整するステップを含む
・熱処理ステップの温度は２５０℃以上、具体的には２５０℃と６００℃の間である
・製造方法は、熱処理ステップの後に、機能層と有用層との間の第２の接合界面における分解を通じて、機能層が除去されるステップを含む
・分解は、複合構造の第２の接合界面において、機械的応力を印加することによって行われる
・製造方法は、機能層を局所的に除去して、有用層の第２の面の第１の部分へのアクセスを可能にするステップと、前記第１の部分上に金属要素を備えた音響波デバイスを作製するステップとを含む
・製造方法は、支持基板を局所的に除去して、有用層の第１の面の第２の部分へのアクセスを可能にするステップと、前記第２の部分上に金属要素を備えた音響波デバイスを作製するステップとをさらに含む
・製造方法は、機能層上および／または支持基板上に構成要素を作製するステップ、および／または有用層上に配置された金属要素と、機能層上および／または支持基板上に配置された金属コンタクトとの間の電気的接続のステップをさらに含む
・機能層の表面全体と有用層の第２の面との間に第２の接合界面を形成して、複合構造を形成する組み立てステップであって、機能層は有用層と比べて小さい熱膨張係数を有する、ステップ
・機能層がない場合に、それより高いとヘテロ構造が劣化または破損する限界温度と比べて、高い温度で複合構造に熱処理が適用されるステップ
個別にまたは組み合わせて、本発明の有利な特徴によれば：
・組み立てステップは、１０ミクロン以上の機能層厚さを達成するために、熱処理ステップの前に行われる、機能層の厚さを調整するステップを含む
・熱処理ステップの温度は２５０℃以上、具体的には２５０℃と６００℃の間である
・製造方法は、熱処理ステップの後に、機能層と有用層との間の第２の接合界面における分解を通じて、機能層が除去されるステップを含む
・分解は、複合構造の第２の接合界面において、機械的応力を印加することによって行われる
・製造方法は、機能層を局所的に除去して、有用層の第２の面の第１の部分へのアクセスを可能にするステップと、前記第１の部分上に金属要素を備えた音響波デバイスを作製するステップとを含む
・製造方法は、支持基板を局所的に除去して、有用層の第１の面の第２の部分へのアクセスを可能にするステップと、前記第２の部分上に金属要素を備えた音響波デバイスを作製するステップとをさらに含む
・製造方法は、機能層上および／または支持基板上に構成要素を作製するステップ、および／または有用層上に配置された金属要素と、機能層上および／または支持基板上に配置された金属コンタクトとの間の電気的接続のステップをさらに含む
本発明の他の特性および利点は、添付の図を参照してなされる本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。
本発明によるヘテロ構造および複合構造を示す図である。
本発明によるヘテロ構造および複合構造を示す図である。
本発明によるヘテロ構造および複合構造を示す図である。
複合構造の代替的実装形態を示す図である。
複合構造の代替的実装形態を示す図である。
複合構造の代替的実装形態を示す図である。
複合構造の他の代替的実装形態を示す図である。
複合構造の、本発明による製造方法のステップを示す図である。
複合構造の、本発明による製造方法のステップを示す図である。
複合構造の、本発明による製造方法のステップを示す図である。
本発明はヘテロ構造５を備えた音響波デバイスのための複合構造９（図１ｃに示される）に関する。ヘテロ構造５は図１ａに示されるように、第１の面３および第２の面４を有する圧電材料でできた有用層２を含む。それはまた、有用層２と比べて低い熱膨張係数を有する、支持基板１を含む。ヘテロ構造５を形成するために、有用層２はそれの第１の面３に沿って、支持基板１上に配置される（図１ｂ）。ヘテロ構造５の有用層２は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｉＯ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）の群の中から選択される材料からなり得る。ヘテロ構造５の支持基板１は、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、炭化珪素、ガラス、サファイアの群の中から選択される材料からなり得る。支持基板１上の有用層２の組み立ては、例えば分子付着による直接接合によって達成される。一変形形態によれば組み立ての前に、例えば酸化シリコンでできた追加の層（図示せず）が、支持基板１上に、および／または有用層の第１の面３上に堆積され得る。この構成は例えば、有用層２と支持基板１との間の接合を容易にすることができる。
中でもモバイル電話用途および無線周波数通信のために用いられる音響波デバイスの分野において、圧電材料でできた有用層２を備えたヘテロ構造５に対する関心の高まりがある。ヘテロ構造５上に音響波デバイスを製造するためにいくつかのステップ、中でも絶縁層および導電層の堆積、ウェットまたはドライエッチング、熱処理（１５０〜２５０℃の範囲での）が必要である。本出願人は、有用層２と支持基板１との間の接合界面の適切な強固化はデバイス構築ステップ、具体的には熱処理ステップ時の、ヘテロ構造５の安定性に有利であることを認めた。従って本発明による複合構造９の目的は、後続のデバイス構築ステップに鑑みて、ヘテロ構造５の有用層２と支持基板１との間の界面（第１の接合界面と呼ばれる）の結合エネルギーを増加させることを可能にすることである。
本発明による複合構造９は従って、２つの面７および８を有する機能層６（図１ｂ）を備える。この層６は、有用層２の第２の面４上に組み立てられ、その結果それの面７、８の１つの表面全体（この場合は図１ｃにおける面７）は、有用層２の第２の面４上に配置される（第２の接合界面のレベルにおいて）。機能層６はまた、有用層２と比べて低い熱膨張係数を有する。機能層６は、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、炭化珪素、ガラス、サファイアの群の中から選択される材料からなり得る。機能層６は、支持基板１と同じ材料からなり得ることが有利である。一変形形態によれば、機能層６と有用層２との間に、例えば酸化シリコン、窒化シリコンなどでできた中間層（図示せず）が存在することができる。中間層は、組み立ての前に有用層２の第２の面４上に、および／または機能層６の面７上に堆積されていてもよい。
本発明による複合構造９は、機能層６がない場合に、それより高いヘテロ構造５が劣化または破損する限界温度と比べて、高い熱処理温度と適合性がある。実際、有用層２を形成する圧電材料と、支持基板１を形成する材料との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の大きな差のために、ヘテロ構造５は、それが限界温度より高い温度にさらされた場合、劣化するようになる（支持基板１が亀裂を生じるまたは破損する、有用層２がそれの第１の面３から分離する、有用層２は位置がずらされるまたは変形される）。この限界温度は、有用層２と支持基板１との間のＣＴＥの差、ならびに有用層２および支持基板１のそれぞれの厚さに関係する。例として１０ミクロン厚のＬｉＴａＯ3でできた有用層２、および６２５ミクロン厚のＳｉでできた支持基板１からなるヘテロ構造に対して、限界温度は１５０℃程度である。本発明による複合構造９は、この限界温度より高い温度が適用されることを可能にする。例えばヘテロ構造５の前述の例への、２００ミクロン厚のＳｉでできた機能層６の追加は、２００〜４００℃の範囲での熱処理が適用されることを可能にする。この温度範囲での熱処理は、ヘテロ構造５の有用層２と支持基板１との間の第１の接合界面を強固化するのに有利であり、１５０℃未満の温度での処理より高い結合エネルギーを達成することを可能にする。
圧電材料でできた非常に薄い有用層２を備えたヘテロ構造５はまた、音響波デバイス、具体的にはＢＡＷデバイスの分野で関心がもたれ得る。このようなヘテロ構造を作製するための１つの解決策は、水素またはヘリウムなどの軽い化学種を導入することによる、圧電材料でできたドナー基板内に埋め込まれた脆弱平面の形成、このドナー基板の、シリコンでできた支持基板１上への直接接合、および埋め込まれた脆弱平面で分離することによって圧電材料でできた表面層をＳｉ上に転写することを含む、Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（登録商標）プロセスを用いて有用層２を転写することである。表面層はそれが転写された後も依然として、その厚さ内に欠陥および軽い化学種を有することが知られており、これは中でもそれの圧電特性を劣化させ得る。従ってこの層を修復するために、転写された薄層の品質、またはヘテロ構造５の機械的強度を損なわずに、欠陥の少なくとも一部が修復され、軽い化学種が解放されることを可能にするように、適切な温度範囲において熱処理を適用することが不可欠である。例としてＬｉＴａＯ3層に対して選ぶべき適切な温度範囲は、４００℃と６００℃の間、すなわち材料のキュリー温度未満となる。
本発明による複合構造９の他の目的は、その圧電特性を回復させるために、ヘテロ構造５の有用層２に修復アニーリングが適用されることを可能にすることである。例として０．５ミクロン厚のＬｉＴａＯ3でできた有用層２、および６２５ミクロン厚のＳｉでできた支持基板１からなるヘテロ構造に対して、限界温度は４００℃程度である。本発明による複合構造９は、この限界温度より高い温度が適用されることを可能にする。例えば前述のヘテロ構造５上への、５０〜１００ミクロン厚のＳｉでできた機能層６の追加は、５００〜６００℃の範囲での熱処理が適用されることを可能にし得る。
有用層２と支持基板１（および機能層６）との間のＣＴＥの顕著な差を考慮して、機能層６は１０ミクロン以上の厚さを有するようになることが有利である。機能層６はさらには、５０ミクロン以上の厚さを有するようになることが好ましい。
本発明による複合構造９の実装形態の第１の変形形態によれば、ヘテロ構造５の第１の接合界面を強固化すること、および／または有用層２内の欠陥のすべてまたは一部を修復することを目的とする熱処理が、複合構造９に適用された後、機能層６は除去される。ヘテロ構造５の機能層６と有用層２の第２の面４との間の第２の接合界面の選択される付着エネルギーは、機能層６の分解を可能にするように、１０００ｍＪ／ｍ2未満となる。ここでは分解という用語は、第２の接合界面における機能層６とヘテロ構造５との間の分離を意味するように用いられる。
本発明は従って、その機械的強度（強固化された接合界面）、および電気的特性（十分にまたは部分的に修復された有用層の欠陥）が後続の、有用層２上の音響波デバイスの構築と適合性がある、ヘテロ構造５を得ることを可能にする。具体的には、ヘテロ構造５の有用層２と支持基板１との間の付着エネルギーは、１５００ｍＪ／ｍ2以上である。
本発明による複合構造９の第２の実装変形形態によれば、図２ａに示されるように、有用層２の第２の面４の少なくとも１つの第１の部分１１へのアクセスを可能にする、１つまたは複数の第１の局所的開口１０が、複合構造９の機能層６内に配置される。従って少なくとも１つの第１の部分１１のレベルにおいて、有用層２上に構成要素が構築されることができる。有用層の第２の面４の第１の部分１１は、中でも音響波デバイス、具体的にはＳＡＷデバイスを形成する金属要素１２を備える（図２ｂ）。金属要素１２は例えば、互いにかみ合わされた電極、および関連するコンタクトパッドからなり得る。
この第２の変形形態による複合構造９は、ヘテロ構造５単独より、さらに有利な機械的強度をもたらすことができる。より具体的にはそれは、音響波デバイスを製造するとき、機能層６が全くないヘテロ構造９と比べて、高い温度での熱処理と適合性があり得る。
この第２の変形形態の任意選択の実装様式によれば機能層６は、有用層２上に配置されたいくつかの金属要素１２に電気的に接続された、金属コンタクト１３および／または電子デバイス１４を備える。この実装様式において複合構造９は、有用層２上のＳＡＷデバイスのコンタクトパッドが、機能層６の面８に移動されることを可能にする。この構成は、特に垂直相互接続、およびカバー１５を用いた組み立てを容易にするために関心がもたれ得る（図２ｃに示される「ウェハレベルパッケージング」）。複合構造９はさらに、圧電材料（有用層２）上に構築されたいくつかの構成要素１２、機能層６（例えばシリコンタイプの半導体層）上に構築された他の構成要素１４を、一緒に統合することを可能にする。
本発明による複合構造９の実装形態の第３の変形形態によれば、図３に示されるように支持基板１はまた、有用層２の第１の面３の少なくとも１つの第２の部分１７へのアクセスを可能にする、１つの（またはいくつかの）第２の局所的開口１６を備える。第２の局所的開口１６は、機能層６内に配置された第１の局所的開口１０と少なくとも部分的に対向するようになり、第１の局所的開口１０は、有用層２の第２の面４の少なくとも１つの第１の部分１１へのアクセスを可能にする。有用層２の第２の面４および第１の面３のそれぞれ第１の部分１１および第２の部分１７は、音響波デバイス、例えばＢＡＷデバイスを形成する金属要素を備える。機能層６および／または支持基板１は、有用層２の第１の部分１１および第２の部分１７上に配置されたいくつかの金属要素１２、１８に電気的に接続された、金属コンタクト１３、２０および／または電子デバイス１４を備える。図３に示されるように有用層２の第２の部分１７に配置された金属要素１８は、スルーホールビア１９によって、機能層６上のコンタクトパッド２０に接続され得る。
本発明はまた、音響波デバイスのための複合構造９を製造する方法に関する。方法は、第１の面３および第２の面４を有する圧電材料の有用層２を備えるヘテロ構造５（図４ａ）を提供するステップを含む。第１の面３は、有用層２と比べて低い熱膨張係数を有する支持基板１上に配置される。方法は、機能層６（図４ａ）の面７の表面全体を、有用層２の第２の面４上に組み立てて、複合構造９（図４ｂ）を形成するステップをさらに含み、機能層６は有用層２と比べて低い熱膨張係数を有する。この組み立てステップは、分子付着による直接接合に本質があり得る。それぞれ機能層６および有用層２の、組み立てられることになる表面は、それらを直接接合のために準備するようにクリーニングシーケンスを受け得ることが有利となり得る。例えばオゾンおよびＲＣＡに基づく化学的クリーニングが、表面活性化のためのＯ2およびＮ2プラズマ処理と共に適用され得る。任意選択で機能層６の面７に、および／または有用層２の面４に中間層、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコン層が堆積され得る。
本発明による方法はまた、機能層６がない場合に、それより高いとヘテロ構造５が劣化または破損する限界温度と比べて、高い温度で複合構造９に熱処理が適用されるステップを含む。実際、有用層２を形成する圧電材料と、支持基板１を形成する材料との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の大きな差のために、ヘテロ構造５は、それが限界温度より高い温度にさらされたときは劣化するようになる（支持基板１が亀裂を生じるまたは破損する、有用層２がそれの第１の面３から分離する、有用層２が位置がずらされるまたは変形される）。この限界温度は、有用層２と支持基板１との間のＣＴＥの差、ならびに有用層２および支持基板１のそれぞれの厚さに関係する。
機能層６と有用層２との間の膨張の差を一様に制御するように、および後続の熱処理時に最良の機械的強度を有する複合構造を提供するように、機能層６の面７の表面全体が、有用層２の第２の面４上に組み立てられることが不可欠である。有用層２への機能層６の局所的接合は、ヘテロ構造５によって支持される限界温度より高い温度において、複合構造９の機械的強度に対して不都合となり得る。従って熱処理ステップ時に複合構造９は、機能層６および有用層２の、ならびに支持基板１の、材料およびそれぞれの厚さに応じて２５０℃以上、より具体的には２５０℃と６００℃の間の温度と適合性があるようになる。
一変形形態によれば本発明による方法は、閾値厚さ以上である機能層６厚さを達成するために、熱処理ステップの前に行われる、機能層６（図４ｃ）の厚さを調整するステップを含む。この閾値厚さは、１０ミクロン以上となるように選ばれることが有利である。機能層６はさらには、５０ミクロン以上の厚さを有するようになることが好ましい。
厚さ調整ステップは、機械的、化学機械的、および／または化学的薄層化に本質があり得る。
第１の実装変形形態によれば、本発明による方法は、熱処理ステップの後に、機能層６と有用層２との間の接合界面（第２の接合界面と呼ばれる）における複合構造９の分解を通じて、機能層６が除去されるステップを含むことができる。方法の機能層６と有用層２との間の組み立てステップは、第２の接合界面が後に分解されることができるように行われていなければならない。より具体的には、この界面における結合エネルギーが１０００ｍＪ／ｍ2未満であるように行われていなければならない。例として組み立てステップは、酸化物／酸化物接合に本質があるものとすることができ、機能層６の面７、および有用層２の面４には、酸化シリコン層が設けられる。１０００ｍＪ／ｍ2未満、例えば５００ｍＪ／ｍ2程度の結合エネルギーを得るために、酸化物層の表面粗さは、０．１から０．５ｎｍＲＭＳの範囲内に選ばれなければならない。
熱処理ステップの後の分解は例えば、複合構造９の第２の接合界面、すなわち機能層９と有用層２との間の界面において、機械的応力を印加することによって行われ得る。
機能層９を除去するこのステップの後、ヘテロ構造５は、音響波デバイスを製造する後続のステップと適合性がある強固化された接合界面を有した状態で得られる。
あるいは機能層６の完全な除去は、機械的、化学機械的、または化学的薄層化技法によって達成されることができる。
実装形態の第２の変形形態によれば、本発明による方法は、有用層２の第２の面４の少なくとも１つの第１の部分１１へのアクセスを可能にするために、機能層６の局所的除去のステップを含む。この局所的除去ステップは、例えばフォトリソグラフィ技法を用いて画定された領域における、ウェットまたはドライ化学エッチングに本質があり得る。例として局所的除去は、複数の領域上で達成されることができ、有用層２の第２の面４のパーセンテージ（開口率）へのアクセスを可能にする。開口率は、構築されることになるデバイスに応じて数％から１００％未満の範囲である。次いで方法は、複数の第１の部分１１上に、金属要素１２を含んだ音響波デバイスを作製するステップを含む（図２ｂ）。デバイスを作製するこのステップは中でも機能層６上での、有用層２の音響波デバイスに電気的に接続された、コンタクトパッド１３の構築を含むことができる。
第２の実装様式と組み合わされてもされなくてもよい第３の実装変形形態によれば、本発明による方法は、支持基板１を局所的に除去して、有用層２の第１の面３の少なくとも１つの第２の部分１７へのアクセスを可能にするステップをさらに含むことができる。この局所的除去ステップは、例えばフォトリソグラフィ技法を用いて画定された領域における、ウェットまたはドライ化学エッチングに本質があり得る。
例として局所的除去は、１％から５０％の範囲の開口率で、複数の領域において達成され得る。バルク音響波デバイスの作製を可能にするように、複数の第２の部分１７および複数の第１の部分１１は、少なくとも部分的に互いに対向するようになり、従って局所的セルフベアリング有用層２膜を得ることを可能にするので有利である。次いで方法は図３に示されるように、有用層２の複数の第２の部分１７上に、金属要素１８を備えた音響波デバイスを作製するステップを含む。
任意選択で方法は、機能層６上および／または支持基板１上に構成要素１４を作製するステップ、および／または有用層２上に配置された金属要素１２、１８と、機能層６上および／または支持基板１上に配置された金属コンタクト１３、２０との間の電気的接続のステップを含むことができる。
２０ミクロン厚のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）でできた有用層２と、６２５ミクロン厚で直径が１５０ｍｍのシリコン（Ｓｉ）でできた支持基板１とを備えたヘテロ構造５は、１Ｊ／ｍ2より十分低い結合エネルギーを有する。このヘテロ構造上に音響波デバイスを作製する前に、その接合界面を強化することが不可欠である。これを達成するためにそれに対して、２ｈの間２５０℃の温度において熱処理が適用されなければならない。
機能層６は、その前面７上に４００ｎｍ厚の酸化シリコンの中間層を備えた、シリコン基板（直径が１５０ｍｍで、６２５ミクロン厚）である。酸化シリコン層は、０．２ｎｍＲＭＳ程度の表面粗さを有する。次いで機能層６は、ヘテロ構造５の有用層２の第２の面４上へのそれの組み立ての前に、クリーニング（通常、オゾンおよびＲＣＡ）を受ける。次いで複合構造９に、２ｈの間、２５０℃での熱処理が適用される。複合構造は、損傷されず、およびヘテロ構造５の劣化を生じることなく、２５０℃／２ｈのサーマルバジェットに耐えることができる。単独で用いられた場合ヘテロ構造５は、それがその接合界面を補強する前にこのサーマルバジェットにさらされたならば、または２００℃程度のより低いサーマルバジェットにおいてさえも、劣化したであろう（支持基板１の亀裂または破損、および／または有用層２の部分的または完全な分離）。
熱処理が行われた後、機能層６は、機能層６と有用層２との間の接合界面のレベルにおいて、斜角がつけられたツールを挿入することによって分解される。ヘテロ構造５は、１．５Ｊ／ｍ2程度の補強された接合界面を有し、これは後続の音響波デバイス構築ステップ時に適切な機械的強度をもたらす。
ヘテロ構造９は、０．３ミクロン厚のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）でできた有用層２と、６２５ミクロン厚で直径が１５０ｍｍのシリコン（Ｓｉ）でできた支持基板１とから形成される。有用層２は、Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（登録商標）プロセスを用いて転写され、分離後に、その厚さ内には、有用層２の圧電特性に影響を及ぼすので音響波デバイスを作製するためには禁止的である欠陥を有した。従ってこのヘテロ構造５上に音響波デバイスを作製する前に、これらの欠陥のすべてまたは一部を修復することが不可欠である。これを達成するために、２ｈの間、５５０℃の温度で熱処理が適用されなければならない。
機能層６は、その前面７上に４００ｎｍ厚の酸化シリコンでできた中間層を備えたシリコン基板（直径が１５０ｍｍで、６２５ミクロン厚）である。それはヘテロ構造５の有用層２の第２の面４上に組み立てられる前に、クリーニング（通常、オゾンおよびＲＣＡ）、およびＯ2プラズマ処理を受ける。次いで機能層６に、機械的薄層化（研削）、次いで２００ミクロン最終厚さを達成するための化学機械研磨を用いて、厚さ調整ステップが実行される。
このように形成された複合構造９は、損傷されず、およびヘテロ構造５の劣化を生じることなく、５５０℃／２ｈのサーマルバジェットに耐えることができる。単独で用いられた場合ヘテロ構造５は、それが機能層６なしに、このサーマルバジェットにさらされたならば劣化したであろう（支持基板１の亀裂または破損、および／または有用層２の部分的または完全な分離）。
複合構造９に熱処理が適用されて、機能層６は、機能層６と有用層２との間の第２の接合界面に局所的応力を印加することによって分解される。あるいは機能層６は、機械的、その後の化学的薄層化シーケンスによって除去される。
ヘテロ構造５は、適用されたサーマルバジェットにより１．５Ｊ／ｍ2以上の補強された接合界面を有し、有用層２は、水素またはヘリウムなどの軽い化学種の注入に関連する欠陥の大部分が修復されており（Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（登録商標）プロセス）、音響波デバイスの作製との適合性をもたせている。例として有用層２内の欠陥が修復された程度は、電気的デバイスを作製し、それらの性能のレベルをテストすることによって評価されることができ、有用層２の電気的品質を検証することを可能にする。
ヘテロ構造９は、０．３ミクロン厚のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）でできた有用層２と、６２５ミクロン厚で直径が１５０ｍｍのシリコン（Ｓｉ）でできた支持基板１とから形成される。有用層２は、Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（登録商標）プロセスを用いて転写され、分離後に、その厚さ内には、有用層２の圧電特性に影響を及ぼすので音響波デバイスを作製するためには禁止的である欠陥を有した。従ってこのヘテロ構造５上に音響波デバイスを作製する前に、これらの欠陥を修復することが不可欠である。これを達成するために、２ｈの間、５００℃の温度で熱処理が適用されなければならない。
機能層６は、その前面７上に４００ｎｍ厚の酸化シリコンでできた中間層を備えたシリコン基板（直径が１５０ｍｍで、６２５ミクロン厚）である。それはヘテロ構造９の有用層２の第２の面４上に組み立てられる前に、クリーニング（通常、オゾンおよびＲＣＡ）、およびＯ2プラズマ処理を受ける。次いで機能層６に、機械的薄層化（研削）、次いで１０ミクロン最終厚さを達成するための化学機械研磨を用いて、厚さ調整ステップが実行される。
このように形成された複合構造９は、損傷されず、およびヘテロ構造５の劣化を生じることなく、５００℃／２ｈのサーマルバジェットに耐えることができる。単独で用いられた場合ヘテロ構造５は、それが機能層６なしに、このサーマルバジェットにさらされたならば劣化したであろう（支持基板１の亀裂または破損、および／または有用層２の部分的または完全な分離）。
複合構造９に熱処理が適用されているので、ヘテロ構造５は、適用されたサーマルバジェットにより１．５Ｊ／ｍ2より大きな補強された接合界面を有し、有用層２は、水素またはヘリウムなどの軽い化学種の注入に関連する欠陥の大多数が修復されており（Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（登録商標）プロセス）、音響波デバイスの作製との適合性をもたせている。
次いで機能層６の局所的除去に本質があるステップが実行されて、有用層２の第２の面４の少なくとも１つの第１の部分１１へのアクセスを可能にする。この局所的除去ステップは、フォトリソグラフィを用いて画定された領域のレベルにおける、ウェットまたはドライ化学エッチングに本質があり得る。複数の領域において局所的除去が行われて、複数の第１の部分１１へのアクセスを可能にし、５０％程度の開口率を示すことができる。次いで有用層２の複数の第１の部分１１上に、音響波デバイスが構築されることができる。これらのデバイスは金属要素１２、通常は互いにかみ合わされた電極を備える。有用層２上の機能層６の存在は、部分的であっても、ヘテロ構造５が単独で用いられる場合と比べて、高い温度で処理を実行することを可能にする。これは、より効率的な材料または技術を用いて音響波デバイスを作製するために都合が良い。
機能層６上のコンタクトパッド１３は、有用層２上の音響波デバイスに電気的に接続されることができる。構成要素はまた、機能層６上に構築されることができる。従って複合構造９は、圧電材料（有用層）上、および半導体材料（機能層）上の構成要素を一緒に統合することを容易にする。
もちろん本発明は、述べられた実装様式だけに限定されず、特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱せずに、様々な実装形態がもたらされることができる。
本発明による複合構造は例えば、音響波デバイスの製造に対して、無線周波数用途のためのＳＡＷおよびＢＡＷフィルタの分野だけでなく、圧電センサの分野においても、大きな関心がもたれる。実際、後者は機械的運動の電気信号への変換を、非常に高い感度を有して可能にするので、温度センサ、エネルギーハーベスティングなどの領域において、いくつかの応用分野が開かれ、または開かれる可能性がある。
Claims (19)
- ヘテロ構造（５）を備えた、音響波デバイスのための複合構造（９）であって、前記ヘテロ構造（５）は、
第１の面（３）および第２の面（４）を有する圧電材料の有用層（２）であって、前記第１の面（３）は前記有用層（２）と比べて低い熱膨張係数を有する支持基板（１）上の、第１の接合界面に配置される、有用層（２）を含み、
前記複合構造（９）はそれが、前記有用層（２）の前記第２の面（４）上の第２の接合界面にその表面全体が配置され、前記有用層（２）と比べて低い熱膨張係数を有する、機能層（２）を備えることを特徴とする複合構造（９）。 - 前記機能層（６）は、１０ミクロン以上の厚さを有する請求項１に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。
- 前記有用層（２）は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）の群の中から選択される材料からなる請求項１または２に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。
- 前記機能層（６）は、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、炭化珪素、ガラス、サファイアの群の中から選択される材料からなる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。
- 前記支持基板（１）は、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、炭化珪素、ガラス、サファイアの群の中から選択される材料からなる請求項１乃至４のいずれか一項に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。
- 前記機能層（６）は、前記支持基板（１）と同じ材料からなる請求項１乃至５のいずれか一項に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。
- 前記ヘテロ構造（５）の前記有用層（２）と前記支持基板（１）との間の前記第１の接合界面の付着エネルギーは、１５００ｍＪ／ｍ2以上である請求項１乃至６のいずれか一項に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。
- 前記機能層（６）と前記ヘテロ構造（５）との間の前記第２の接合界面の付着エネルギーは、それの分解を可能にするように、１０００ｍＪ／ｍ2未満である請求項１乃至７のいずれか一項に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。
- 前記機能層（６）は、前記有用層（２）の前記第２の面（４）の少なくとも１つの第１の部分（１１）へのアクセスを可能にする、少なくとも１つの第１の局所的開口（１０）を備え、前記有用層（２）の前記第２の面（４）の前記第１の部分（１１）は音響波デバイス、具体的にはＳＡＷデバイスを形成する金属要素（１２）を備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。
- ・前記機能層（２）は、前記有用層（２）の前記第２の面（４）の少なくとも１つの第１の部分（１１）へのアクセスを可能にする、少なくとも１つの第１の局所的開口（１０）を備え、
・前記支持基板（１）は、前記第１の局所的開口（１０）と少なくとも部分的に対向し、前記有用層（２）の前記第１の面（３）の少なくとも１つの第２の部分（１７）へのアクセスを可能にする、少なくとも１つの第２の局所的開口（１６）を備え、
・前記有用層（２）の前記第２の面（４）および前記第１の面（３）の、それぞれ前記第１の部分（１１）および前記第２の部分（１７）は音響波デバイス、具体的にはＢＡＷデバイスを形成する金属要素（１２、１８）を備える
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。 - 前記機能層（６）および／または前記支持基板（１）は、前記有用層上に配置された金属要素（１２、１８）に電気的に接続された、金属コンタクト（１３）および／または電子デバイス（１４）を備える請求項９または１０に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）。
- 第１の面（３）および第２の面（４）を有する圧電材料でできた有用層（２）を備えたヘテロ構造（５）を提供するステップを含む、音響波デバイスのための複合構造（９）を製造する方法であって、前記第１の面（３）は前記有用層（２）と比べて低い熱膨張係数を有する支持基板（１）上の、第１の接合界面に配置され、前記方法は、
・機能層（６）の表面全体と前記有用層（２）の前記第２の面（４）との間に第２の接合界面を形成して、複合構造（９）を形成する組み立てステップであって、前記機能層（６）は前記有用層（２）と比べて低い熱膨張係数を有する、ステップと、
・機能層（６）がない場合に、それより高いと前記ヘテロ構造（５）が劣化または破損する限界温度と比べて、高い温度で複合構造（９）に熱処理が適用されるステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 前記組み立てステップは、１０ミクロン以上の機能層（６）厚さを達成するために、前記熱処理ステップの前に行われる、前記機能層（６）の厚さを調整するステップを含む請求項１２に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）を製造する方法。
- 前記熱処理ステップの温度は２５０℃以上、より具体的には２５０℃と６００℃の間に含まれる請求項１３に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）を製造する方法。
- 前記熱処理ステップの後に、前記機能層（９）と前記有用層（２）との間の前記第２の接合界面のレベルにおける分解を通じて、前記機能層（６）が除去されるステップを含む請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）を製造する方法。
- 前記分解は、前記複合構造（９）の前記第２の接合界面において、機械的応力を印加することによって行われる請求項１５に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）を製造する方法。
- 前記機能層（９）を局所的に除去して、前記有用層（２）の前記第２の面（４）の第１の部分（１１）へのアクセスを可能にするステップと、前記第１の部分（１１）上に金属要素（１２）を備えた音響波デバイスを作製するステップとを含む請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）を製造する方法。
- 前記支持基板（１）を局所的に除去して、前記有用層（２）の前記第１の面（３）の第２の部分（１７）へのアクセスを可能にするステップと、前記第２の部分（１７）上に金属要素（１８）を備えた音響波デバイスを作製するステップとをさらに含む請求項１７に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）を製造する方法。
- 前記機能層（６）上および／または前記支持基板（１）上に構成要素（１４）を作製するステップ、および／または前記有用層（２）上に配置された金属要素（１２、１８）と、前記機能層（６）上および／または前記支持基板（１）上に配置された金属コンタクト（１３、２０）との間の電気的接続のステップをさらに含む請求項１７または１８に記載の音響波デバイスのための複合構造（９）を製造する方法。
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