JP6847957B2 - 温度補償表面音響波デバイスまたはバルク音響波デバイス用の基板 - Google Patents

Description

本発明は、温度補償表面音響波デバイスまたはバルク音響波デバイス用の基板、ならびにそのような基板を含んでなるそのような基板および表面音響波デバイスまたはバルク音響波デバイスの製造方法に関する。

表面音響波デバイスは（頭字語ＳＡＷで表されるデバイス）は概して、無線周波数（ＲＦ）通信の分野（特にフィルタ用途）において利用されている。

ＳＡＷデバイスは典型的に、圧電層と、前記圧電層の表面上に配設された２つの電極と、を含み、２つの互いに嵌合した金属製櫛の形態を成している。

電極に印加された電気信号（例えば電圧変化）は弾性波に変換され、この弾性波は圧電層の表面上に伝播される。この波は、他の電極に到達すると、もう一度電気信号に変換される。

圧電材料を選択する際には、電磁結合係数が考慮される。この電磁結合係数は、前記材料による電磁変換の速度、および圧電材料の発振周波数の温度安定性を表す。

ＳＡＷデバイスは、温度の変動に極めて敏感であり、これらの材料の熱膨張係数の差異によって、圧電層と金属電極との膨張度差が引き起こされる。

より正確には、周波数の温度係数（頭字語ＴＤＦで表され、所与の周波数ｆの変化として定義される）は、温度Ｔの関数として定義され、次式で指定される。

式中、

Ｖは表面音響波のシードであり、且つ
ＣＴＥは、表面音響波の伝播方向における圧電材料の熱膨張係数である。

ＳＡＷデバイスに対する温度の影響を補償するための手段は既に存在している。

特に、Ｈａｓｈｉｍｏｔｏらの論文［１］には、ＳＡＷデバイスの様々な温度補償技術に関する総論が掲載されている。
これらの様々な技術のなかでも、本質的に以下：

（１）圧電層および電極の表面を、圧電層の熱膨張係数とは意味的に相反する熱膨張係数を呈する誘電材料（典型的には酸化シリコン（ＳｉＯ_２））で被覆する工程からなる、いわゆる「オーバーレイ」技術と、
（２）圧電層を、熱膨張係数ができるだけ低い支持体に接合して、圧電層の熱膨張を制圧する工程を含む、いわゆる「ウェーハ接合」技術と、
を識別できる。前記支持基板は、例えば、シリコン製、サファイア製、ガラス製またはスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）製である場合があり、そのため、圧電層に対し補強機能を施す。圧電層は、その厚さを考慮すると、電極から離れる方向へ無限大に延伸するので、支持基板が存在しても表面音響波の伝播に干渉しないものと考えられている。にもかかわらず、支持基板の接合によって、デバイスの主周波数よりも高い周波数でスプリアス共鳴を生ずると思われる（［１］、図５参照）。

この第２の技術において支持基板に対して想定される材料のなかでも、シリコンは、基板スケール（いわゆる「ウェーハレベル」）にて電子コンポーネントの集積方法を実現できるという点で、最も有望であると見られている。

それにもかかわらず、圧電材料とシリコンとでは熱膨張係数に有意差がある（異方性ＬｉＴａＯ_３結晶の場合はＣＴＥ値が約４×１０^−６／℃および１４×１０^−６／℃であるのに対し、シリコンの場合はＣＴＥが２．３×１０^−６／℃程度である）。このため、表面音響波デバイスの製造方法では、圧電層スタックが後続の工程中に高温に曝された場合、支持基板／圧電層スタックの安定性に影響が及ぶ。そのような工程を考慮すると、圧電層／支持基板スタックの熱安定性は、最高約２５０℃の温度まで確保しなければならない。

略語ＢＡＷで知られているバルク（ボリューム）音響波フィルタおよび共振器についても同様の問題が生じる。

バルク音響波フィルタおよび共振器は、薄い圧電層（すなわち、概ね１μｍ未満の厚さを有する）と、前記薄い層の各主面上に配置された２つの電極と、を備えるのが一般的である。電極に印加された電気信号（例えば電圧変化）は弾性波に変換され、この弾性波は圧電層を通って伝播される。この波は、反対側の面に位置する電極に到達すると、もう一度電気信号に変換される。

Hashimoto et al, Recent Development of Temperature Compensated SAW Devices, Ultrasonics Symposium (IUS), 18-21 Oct. 2011, pp. 79-86, 2011 IEEE International FR 2 816 445

本発明の一目的は、上述の欠点を克服する温度補償表面波音響デバイスまたはバルク音響波デバイス用の基板を設計することである。特に、そのような基板は、最高約３００℃の温度にて、上述のシリコン支持基板／圧電層スタックよりも安定性に優れる一方、電子コンポーネントを容易に集積できることを要求されている。

本発明によれば、支持基板と、前記支持基板上の圧電層と、を備える表面音響波デバイスまたはバルク音響波デバイス用の基板が提案されている。前記支持基板が、補強基板上の半導体層を含み、補強基板の熱膨張係数は、シリコン層よりも圧電層の材料の熱膨張係数に近似し、半導体層が圧電層と補強基板との間に配置されていることを特徴とする。

補強基板は、サファイア、ガラス、および／またはスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）を含むことが好都合である。

半導体層は、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＩＩＩ−Ｖ材料のうちの１つから形成されることが好ましい。

半導体層は、少なくとも１つの電子コンポーネントを含むことが特に好都合である。前記電子コンポーネントは、特にＣＭＯＳトランジスタ、スイッチおよび電力増幅器の中から選択できる。

一実施形態によれば、圧電層の厚さの補強基板の厚さに対する比は０．１２５以下である。

例えば、圧電層の厚さは５０μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満、更に好ましくは１μｍ未満であり、補強基板の厚さは４００〜８００μｍである。

一実施形態によれば、基板は、圧電層と半導体層との間に誘電体層を含み、且つ／あるいは前記誘電体層と半導体層との間の界面、および／または誘電体層と圧電層との間の界面に電荷捕捉層を含む。

前記電荷捕捉層は、多結晶シリコン層を含みうる。

圧電層が異方性であるために、基板の主面に平行な平面内に少なくとも２つの異なる熱膨張係数を呈する場合、補強基板の熱膨張係数との関係において最大の不一致をもたらす熱膨張係数が考慮される。

本発明はまた、上述の基板と、圧電層の表面上に２つの相互に嵌合された金属製櫛から形成された２つの電極と、を備える表面音響波デバイスに関する。

本発明はまた、上述の基板と、圧電層の両側に配置された２つの電極と、を備えるバルク音響波デバイスに関する。
別の目的は、
半導体層を第１のドナー基板から補強基板に移送する工程と、
圧電層を第２のドナー基板から半導体層に移送する工程と、
を含むことを特徴とする、上述の基板の製造方法に関する。
一実施形態によれば、移送工程のうちの少なくとも１つが、以下の副工程：
第１、第２のドナー基板のそれぞれに原子種を注入することによって脆化ゾーンを形成する工程と、
補強基板および半導体層上に第１、第２ドナー基板をそれぞれ接合する工程と、
脆化ゾーンに沿って前記第１、第２の基板をそれぞれ分離する工程と、
を含む。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら説明する以下の詳細説明から明らかになるであろう。
温度補償表面音響波フィルタの概略断面図である。 温度補償バルク音響波共振器概略断面図である。 本発明の一実施形態による、基板の概略断面図である。 本発明の一実施形態による、温度補償表面音響波フィルタの概略断面図である。 本発明の代替実施形態による、温度補償表面音響波フィルタの概略断面図である。 本発明の一実施形態による基板を製造する連続工程を示す。 本発明の一実施形態による基板を製造する連続工程を示す。 本発明の一実施形態による基板を製造する連続工程を示す。 本発明の一実施形態による基板を製造する連続工程を示す。 本発明の一実施形態による基板を製造する連続工程を示す。

判読し易いように、図示されている要素が必ずしも一定の縮尺で表されているとは限らない。加えて、同じコンポーネントは、様々な図面において同じ参照符号で表されている。

図１は、表面音響波フィルタの機能図である。

前記フィルタは、圧電層１０と、前記圧電層の表面上に配設された２つの電極１２、１３と、を含み、２つの互いに嵌合した金属製櫛の形態を成している。電極１２、１３から離れた側では、圧電層が、温度補償を提供することを意図した支持基板１１上に載置されている。以下、その構造を詳述する。表面波の減衰を引き起こさないためには、圧電層１０が結晶性に優れるものであることが好ましい。したがって、前記層は単結晶である。現在、工業的に使用可能な材料としては、石英、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３が、好適である。圧電層１０は、前記材料のうちの１つのインゴットを切断することで得られるのが一般的であり、波が本質的にその表面に伝播させる必要がある限りにおいて、前記層の厚さに対し本質的に高い精度は要求されない。

図２は、バルク音響波共振器の概略図である。

共振器は、薄い圧電層（すなわち、厚さが概ね２０ｎｍ未満の層）と、前記圧電層１０の両側に配置された２つの電極１２、１３と、を備える。圧電層１０は支持基板１１上に載置されている。この支持基板の構造については、以下に詳述する。共振器を基板から絶縁させ、それによって波が基板内を伝播するのを防止するには、電極１３と基板１１との間にブラッグミラー１４を介在させる。代わりに、基板と圧電層との間に空洞を配することによって絶縁を達成することも可能である（不図示）。これらの様々なアレンジは、当業者に公知であるので、本明細書中では詳述しないものとする。

バルク音響波デバイスの場合、圧電層１０は、層全体にわたって判別される均一な厚さを有する。一方、結晶品質は、共振器の性能に関して特に重要であるため、多結晶の圧電材料であれば許容可能である。したがって、圧電層１０は概して、支持体（例えば、シリコン支持体）上への配設によって形成される。そのような配設用に現在工業的に利用されている材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯおよびＰＺＴである。

図３は、本発明の一実施形態による温度補償表面音響波デバイスまたはバルク音響波デバイスの製造に用いられる基板の概略断面図である。

前記基板１は電極の受容を意図した圧電層１０を具備することによって、表面音響波デバイスまたはバルク音響波デバイスを形成する。

前記圧電層１０の材料、結晶品質および厚さは、目的の用途に応じて当業者が選択する。選択基準はそれ自体が公知であり、本明細書中で詳述する必要はない。

選択された圧電材料が異方性である場合、圧電材料は異なる方向において異なる熱膨張係数を有する。

圧電層１０は、複合支持基板１１（すなわち、異なる幾つかの材料層のスタックから形成された支持基板）上に配置される。

前記支持基板１１は、基板１の内部において特に熱処理操作中にスタックの剛性を確保する機能を有する、いわゆる補強基板１１０を含む。

補強基板１１０は、サファイア、ガラス、および／またはスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）を含むことが好都合である。

これらの材料を用いると、シリコンよりも圧電材料の熱膨張係数に対する近似性が高まり、結果として、スタックの温度安定性（約３００℃まで）を向上させるという利点がもたらされるが、この熱膨張係数の近似性向上は温度補償効果の面ではやや不利益となる。

しかも、補強基板１１０は、典型的には４００〜８００μｍ程度の大きな厚さを呈する。この厚さは基板１の他の層よりもはるかに大きく、特に圧電層の厚さ（一般的には５０μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満、更により好ましくは１μｍ未満）よりもはるかに大きい。それゆえ、補強基板の温度挙動は、他の層の温度挙動と比較してひときわ目立つ。

補強基板１１０および圧電層１０の熱膨張係数が相対的に近似していることから、基板１が受ける熱処理中の熱膨張係数の差異に起因する応力は最小限に抑えられる。

この補強基板１１０と圧電層１０との間には、半導体層１１１が挿入されている。前記半導体層としては、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、またはＩＩＩ型〜Ｖ型の材料（例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮもしくはＩｎＧａＮ）を挙げることができるが、これらに非限定されるものではない。これらの材料のうち、ゲルマニウムおよびＧａＡｓは、脆弱であるという点で好ましくない。本発明の好ましい一実施形態によれば、半導体層はシリコンの層である。

半導体層１１１は、少なくとも１つの電子コンポーネント１１２を含むことが特に好都合である。前記コンポーネントは、マイクロエレクトロニクスにおいて公知の技術を用いて製造される。このコンポーネントとしては、限定されないがＣＭＯＳトランジスタ、スイッチ、電力増幅器が包含されうる。それ以外に、様々なコンポーネントの電気的接続を可能にする経路１１３が、半導体層１１１の内部に形成される場合もある。これらのコンポーネントおよび経路は、従来のマイクロエレクトロニクス技術によって形成される（この技術は、本明細書中には詳述されていない）。

半導体層１１１は、補強基板１１０よりも実質的に薄い。例えば、半導体層１１１の典型的な厚さは、１０ｎｍ〜２μｍである。半導体層１１１は十分薄く、結果的に、半導体層材料の、圧電材料に対する熱膨張係数の差が、補強基板１１０の材料と圧電材料１０との間の熱膨張係数の差よりも大きい場合であっても、熱処理中に圧電層１０内に機械的応力を生じさせない程度のものとされる。

しかも、サファイア補強基板１１０と半導体層１１１から形成される複合基板１１は、圧電層１０の裏面に電子コンポーネントを集積できるという点で、バルクサファイア基板とは対照的である。

好都合ではあるが必須ではない一実施形態によれば、半導体層１１１と圧電層１０との間の界面に誘電体層１１４を配置する。そのような誘電体層を使用することで、概して、圧電層１０を半導体層１１１に接合し易くなる。圧電層１０を半導体層１１１上に接合する際には、事前に、これらの層の一方のみにまたは両方に、誘電体層を形成してもよい。両方に形成する場合には酸化物間（ｏｘｉｄｅ−ｏｘｉｄｅ）系の接合を行う。この場合、半導体層１１１内に配置された電子コンポーネントの動作を干渉する可能性のある電荷を捕捉するための電荷捕捉層１１５を、圧電層の下に、好都合には誘電体層１１４と圧電層１０の間に、または半導体層１１１と誘電体層１１４との間に作る。前記捕捉層１１５は、例えば、多結晶または非晶質シリコンの層を備えうるが、電荷捕捉機能を果たす他の任意の層（または層のスタック）を使用することもできる。

図３の基板１上に形成された表面音響波フィルタを、図４に概略的に図示する。この目的に向けて、圧電層１０の自由表面上に、２つ互いに嵌合された櫛形態の金属製電極１２、１３が配設されている。

図５に示す代替の一実施形態によれば、圧電層１０上に電極１２、１３を形成した後、上述の「オーバーレイ」技術に従い、基板を誘電体層（典型的には酸化シリコン（ＳｉＯ_２））で被覆してもよい。誘電体層１５の典型的な厚さは、１００〜１００００ｎｍ程度である。

図４の実施形態とは対照的に、誘電体層１５は、圧電層１０の熱膨張係数とは意味的に相反する熱膨張係数を有し、温度補償を向上させる。

ここで、図６Ａ〜図６Ｅを参照しながら、本発明の非限定的な一実施形態による表面音響波デバイスまたはバルク音響波デバイス用の基板の製造方法について説明する。後述の方法には、ドナー基板どうしを接合し続いてこれを薄層化することを含むが、文献「仏国特許出願公開２８１６４４５号（ＦＲ ２ ８１６ ４４５）」に記載されているような他の技術、例えば「除去可能な基板」の類が用いられる場合もある。そのような「除去可能な」基板はコンポーネントの製造前に作られる。この基板に脆化ゾーンまたは界面が含まれていれば、補強基板上に組み立てられた後のドナー基板を破損させてしまうことになる。

図６Ａを参照すると、半導体層１１１を含むドナー基板１１６が提供されている。この半導体層には、マイクロエレクトロニクスにおいて繁用されている技術に準拠して、電子コンポーネント１１２および／または経路１１３が、好都合に組み込まれている。

図６Ｂを参照すると、補強基板１１０上にドナー基板１１６が接合されていて、その接合界面に半導体層１１１が位置している。

図６Ｃを参照すると、半導体層１１１から離れた側を通ったドナー基板は、その層１１１を含んだ層が補強基板１１０に移送されるように、薄層化される。前記薄層化は、機械的な（研磨型の）ものでも化学的（エッチング）なものでもよいし、または他のものでも差し支えない。次いで、必要に応じて、前記層内に、電子コンポーネントおよび／または経路が組み込まれる。

図６Ｄを参照すると、圧電材料で作られたドナー基板１１８が設けてある。前記原子種の注入によって、脆化ゾーン１１９が形成され、これにより、移送対象の圧電層（すなわち、図３に示す最終基板の圧電層１０）が画定される。この注入条件（すなわち、５〜１５Ｅ１６程度の用量および２０〜２００ｋｅＶのエネルギー）は、従来技術において公知である。

図６Ｅを参照すると、補強基板１１０および半導体層１１１から形成されたスタック上にドナー基板１１８が接合され、その接合界面には半導体層１１１および圧電層１０がある。上述のように、これらの層の一方、および／または他方に誘電層（図６Ｅには図示せず）を予め形成することによって、接合を容易にすることができる。必要に応じて、電荷捕捉層（図６Ｅには図示せず）を前記誘電体層と圧電層との間に形成できる。前記捕捉層は、圧電基板１１８内への注入が為された後に形成されるのが、好都合である。これらの条件下では、低温法が必要とされる。例えば、圧電基板上に非晶質シリコン層が配設されるか、または半導体層１１１上に形成された誘電体層上に、多結晶シリコン層が配設される。

バルク音響波デバイスを形成することが望ましい場合には、金属層を用いて接合を遂行できる。この場合、前記層は、デバイスに埋め込まれた電極の役目を果たす。

次いで、脆化ゾーン１１９に沿って圧電ドナー基板１１８を分割し、圧電層１０を半導体層１１１に移送する。必要に応じて、圧電層の薄層化を実施することで、注入に関連する欠陥をなくすことができる。

半導体層が電子コンポーネントを含まない場合には、Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ（商標）法を実施することによって、半導体層１１１を補強基板１１０に移送することもできる。このプロセスは当業者に周知である。特に、ドナー基板１１６に原子種を注入することによって脆化ゾーンが形成され、結果として、層１１１を備える被移送層が画定される。この注入では、水素および／またはヘリウム原子も使用されるので、当業者は、ドナー基板材料および到達すべき深さに応じて、注入用量およびエネルギーを特定することができる。次いで、補強基板１１０上にドナー基板を接合した後、このドナー基板を脆化ゾーンに沿って分離する。この分離は機械的、化学的または他の手段によって開始できる。

表面音響波デバイスを製造することが望まれる場合には、２つの互いに嵌合する櫛形態の金属製電極を、圧電層１０の表面上に配設する。

バルク音響波デバイスを製造することが所望される場合には、上述の工程をそれに応じて適合させる必要がある。一方では、図６Ｅに示す接合工程の前に、圧電ドナー層の一部を形成する圧電層１０の自由表面上に第１の電極を配設し、この第１の電極を最終スタックに位置決めして埋め込む。圧電層１０を半導体層１１１に移送した後、第２の電極を、第１の電極から離れた圧電層の自由表面上に配設する。一方、半導体層１１１および補強基板１１０における音波の伝播防止を目的に、分離手段を半導体層１１１に組み込むことができる。この分離手段は、例えば、ブラッグミラー（図２に図示）または半導体層１１１内にエッチングされた空洞でありうる。

Claims (13)

1. 支持基板（１１）と、前記支持基板上のＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、および石英からなる群から選択される材料を含む圧電層（１０）と、を備える表面音響波デバイスまたはバルク音響波デバイス用の基板（１）であって、前記支持基板（１１）が、補強基板（１１０）上の半導体層（１１１）を含み、前記補強基板が、サファイア、ガラス、および／またはスピネル（ＭｇＡｌ _２ Ｏ _４ ）を含み、前記補強基板の熱膨張係数が、シリコンの材料よりも圧電層（１０）の材料の熱膨張係数に近似し、前記半導体層（１１１）が前記圧電層（１０）と前記補強基板（１１０）との間に配置され、前記基板（１）が、前記圧電層（１０）と前記半導体層（１１１）との間に誘電体層（１１４）を含むことを特徴とする、基板（１）。
2. 前記補強基板（１１０）が、サファイアを含むことを特徴とする、請求項１に記載の基板。
3. 前記半導体層（１１１）が、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＩＩＩ−Ｖ材料のうちの１つから形成されることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の基板。
4. 前記半導体層（１１１）が、少なくとも１つの電子コンポーネント（１１２）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の基板。
5. 前記電子コンポーネント（１１２）がＣＭＯＳトランジスタ、スイッチおよび電力増幅器から選択されることを特徴とする、請求項４に記載の基板。
6. 前記圧電層（１０）の厚さの前記補強基板（１１０）の厚さに対する比が０．１２５以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の基板。
7. 前記圧電層（１０）の厚さが５０μｍ未満であり、且つ前記補強基板（１１０）の厚さが４００〜８００μｍであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の基板。
8. 前記基板（１）は、前記誘電体層と前記半導体層との間の界面、および／または前記誘電体層と前記圧電層との間の界面に電荷捕捉層（１１５）と、を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の基板。
9. 前記電荷捕捉層（１１５）が多結晶シリコンの層を含むことを特徴とする、請求項８に記載の基板。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の基板（１）と、前記圧電層（１０）の表面に２つの互いに嵌合する金属製櫛で形成された２つの電極（１２、１３）と、を含む、表面音響波デバイス。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の基板（１）と、前記圧電層（１０）の両側に配置された２つの電極（１２、１３）と、を含む、バルク音響波デバイス。
12. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の基板（１）の製造方法であって、
    前記半導体層（１１１）を第１のドナー基板（１１６）から前記補強基板（１１０）に移送する工程と、
    前記圧電層を第２のドナー基板（１１８）から前記半導体層（１１１）に移送する工程と、
    を含むことを特徴とする、製造方法。
13. 移送工程のうちの少なくとも１つが、以下の副工程：
    前記第１、第２のドナー基板のそれぞれに原子種を注入することによって脆化ゾーンを形成する工程と、
    前記補強基板および半導体層上に前記第１、第２ドナー基板をそれぞれ接合する工程と、
    前記脆化ゾーンに沿って前記第１、第２の基板をそれぞれ分離する工程と、を含む、請求項１２に記載の方法。

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