KR102367379B1 - 표면 음향파 디바이스를 위한 하이브리드 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 자유로운 제1면(1), 및 유용층(10)의 열 팽창 계수보다 그 열 팽창 계수가 더 낮은 지지 기판(20) 상에 배치된 제2면(2)을 갖는 압전 재료의 유용층(10)을 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)에 관한 것이다.
하이브리드 구조체(100)는,
· 유용층(10)과 지지 기판(20) 사이에 개재된 트래핑층(30),
· 유용층(10)과 트래핑층(30) 사이의 결정된 조도(roughness)의 적어도 하나의 기능 계면(31)을 포함한다.

Description

표면 음향파 디바이스를 위한 하이브리드 구조체
본 발명은 표면 음향파 디바이스 분야에 관한 것이다. 특히, 표면 음향파 디바이스의 제조를 위해 적응된 하이브리드 구조체 및 상기 하이브리드 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
표면 음향파 디바이스(SAW: Surface Acoustic Wave devices)는 압전 기판 상에서 전개된 하나 이상의 인터-디지털 트랜스듀서를 사용하여 전기 신호를 음향파로 변환하고 그 역으로도 변환한다. 이러한 SAW 디바이스 또는 공진기는 종종 필터링 어플리케이션에 사용된다. 압전 기판 상의 무선 주파수(RF: Radio Frequency) SAW 기술은 높은 절연성과 낮은 삽입 손실과 같은 우수한 성능을 제공한다. 이러한 이유 때문에, 무선 통신 어플리케이션에서 RF 듀플렉서용으로 사용된다. 그럼에도 불구하고, 벌크 음향파(BAW: Bulk Acoustic Wave) 기술에 기반한 RF 듀플렉서의 경쟁력을 높이기 위해, RF SAW 디바이스는, 그 주파수 응답의 온도 안정성이 향상될 것을 필요로 한다.
한편, 온도에 따른 SAW 디바이스의 동작 주파수 의존성 또는 주파수의 열 계수(TCF: thermal coefficient of frequency)는 트랜스듀서의 인터디지털 전극 사이의 간격의 변동에 의존하며, 이는 일반적으로 사용되는 압전 기판의 비교적 높은 열 팽창 계수(CTE: coefficient of thermal expansion)로 인한 것이며; 다른 한편, TCF는, 압전 기판의 팽창 또는 수축이 표면 음향파의 속도의 증가 또는 감소를 수반하기 때문에, 열 속도 계수에 의존한다. 주파수의 열 계수(TCF)를 최소화하기 위해서, 그에 따라 특히 음향파가 전파되는 표면 존(zone)에서 압전 기판의 팽창/수축을 최소화하는 것이 목적이다.
K.Hashimoto, M. Kadota 등에 의한 "온도 보상 SAW 디바이스의 최근 개발" 논문, IEEE Ultrasonic. Symp. 2011, 페이지 79-86, 2011은 SAW 디바이스의 주파수 응답의 온도 의존성 문제를 극복하기 위해 일반적으로 사용되는 접근법에 대한 개요를 제공한다.
하나의 접근법은 예를 들어, 실리콘 기판 상에 배치된 압전 재료층으로 구성된 하이브리드 기판을 사용하는 것이다. 실리콘의 낮은 CTE는 온도에 따라 압전층의 팽창/수축을 제한하는 것을 가능하게 한다. 탄탈산 리튬(LiTaO3)의 압전층의 경우에, 상기 논문은 LiTaO3의 두께와 실리콘 기판의 두께 사이의 10의 비율이 주파수의 열 계수(TCF)를 적절하게 향상시킬 수 있음을 나타낸다.
문헌 DE102004045181호는 또한 보상층(예를 들어, 실리콘) 상에 배치된 압전층을 포함하는, SAW 어플리케이션에 적절한 구조체를 개시한다.
이러한 하이브리드 기판의 단점 중 하나는 간섭하는 음향파(BPAbbott 등의 논문 "감소된 TCF를 갖는 RF 필터에 대한 결합된 웨이퍼의 특성화", Proc 2005 IEEE International Ultrasonics Symposium, Sept 19-21, 2005, pp. 926-929에서 "스퓨리어스(spurious) 음향 모드"로 칭해짐)의 존재에 기인하며, 이는 하이브리드 기판 상에 배치된 공진기의 주파수 특성에 부정적 영향을 미친다. 이러한 간섭 공진은 특히 하부 계면, 특히 LiTaO3와 실리콘 사이의 계면 상의 간섭 반사(interfering reflections)와 관련된다. 이러한 간섭 공진을 감소시키기 위한 하나의 해결책은 LiTaO3 층의 두께를 증가시키는 것이며; 이는 또한 TCF 개선을 유지하기 위해 실리콘 기판의 두께를 증가시키도록 되어 있으며, 하이브리드 기판의 전체 두께는 특히 셀폰 시장에서, 최종 구성 요소의 두께 감소 필요성과 더 이상 양립될 수 없다. K. Hashimoto에 의해 제안된 또 다른 해결책은 LiTaO3 층에 대한 음향파 반사를 제한하기 위해 LiTaO3 층의 하부 표면을 조도화(roughen)하는 것이다. 이러한 조도화는 매우 매끄러운 표면이 조립되는 것을 필요로 하는 직접 접합 프로세스가 하이브리드 기판의 제조를 위해 사용되는 경우의 취급상의 곤란함을 제시한다.
종래 기술에 따른 하이브리드 기판의 다른 단점은 반도체 실리콘 재료의 지지체의 존재에 기인하며, 이는 비록 높은 저항성이 있어도 자유 전하 캐리어를 포함할 수 있고, 특히 고체 압전 기판에 대한 RF 신호의 삽입 손실 및 왜곡(선형성)을 증가시킴으로써 디바이스의 성능에 영향을 줄 수 있다.
무선 주파수 디바이스의 성능을 개선하기 위해, 문헌 WO2016/087728호는 지지 기판 상에 배치된 특정 결함의 밀도에 의해 특성화되는 트래핑층(trapping layer)을 포함하는 구조체를 제안한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 일부 또는 전부 해결하는 것이다. 본 발명의 목적은 상기 간섭하는 음향파의 감소 및/또는 제거를 가능하게 하고 고주파수에서 동작하는 디바이스에 대해 안정한 성능을 보장하는 하이브리드 구조체를 제안하는 것이다.
본 발명은, 자유로운 제1면, 및 유용층의 열 팽창 계수보다 그 열 팽창 계수가 더 낮은 지지 기판 상에 배치된 제2면을 갖는 압전 재료의 유용층을 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체에 관한 것이다. 하이브리드 구조체는:
· 유용층과 지지 기판 사이에 개재된 트래핑층;
· 유용층과 트래핑층 사이의 결정된 조도(roughness)의 적어도 하나의 기능 계면을 포함한다.
본 발명에 따른 하이브리드 구조체의 트래핑층은 상기 하이브리드 구조체에 대해 정교화된 SAW RF 디바이스를 작동시키면서 지지 기판에서 잠재적으로 생성된 자유 전하 캐리어를 효과적으로 트래핑한다. 따라서, RF 성능(선형성, 삽입 손실)은 대규모 압전 기판에 대한 기술 수준과 비슷하거나 심지어 우수한 매우 양호한 수준에 도달한다.
결정된 조도의 기능계면은 유용층으로 깊숙이 전파될 수 있는 음향파의 효과적인 확산을 가능하게 하여, SAW장치의 신호 품질에 부정적인 영향을 주는 간섭반사를 회피한다. 음향파의 이러한 분산은, 기능 계면이 유용층과 트래핑층 사이에 위치된다는 사실에 의해 보다 효율적으로 된다: 실제로, 자유 캐리어를 트래핑하는 그 품질에 추가하여, 트래핑층은 지지 기판과의 하부 계면을 효율적으로 스크리닝할 수 있게 하며, 상기 계면은 음향파를 반사시키기 위해 하이브리드 구조체에서 기여한다.
단독으로 또는 조합하여, 본 발명의 유리한 특징에 따르면:
· 트래핑층은 지지 기판과 직접 접촉한다;
· 트래핑층은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 또는 다결정 게르마늄 중에서 선택된 재료로 형성된다;
· 트래핑층은 지지 기판의 표면층에의 주입 또는 지지 기판의 표면층의 에칭 및 구조화에 의해 형성된다;
· 기능 계면의 결정된 조도는 0.3 마이크론 초과, 유리하게는 0.5 마이크론, 또는 심지어 1 마이크론 이상의 피크-대-밸리 진폭을 갖는다;
· 기능 계면은 유용층과 트래핑층 사이의 계면에 의해 형성되고, 유용층의 제2면은 결정된 조도를 갖는다;
· 기능 계면은 유용층의 제2면 상에 배치된 제1 중간층과 트래핑층 사이의 계면에 의해 형성되고; 트래핑층은 결정된 조도를 갖는다;
· 제1 중간층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 유용층을 형성하는 재료와 동일한 유형의 재료 중에서 선택된 재료를 포함한다;
· 하이브리드 구조체는 제2 기능 계면을 포함한다;
· 제2 기능 계면은 유용층과 제1 중간층 상에 배치된 제2 중간층 사이의 계면에 의해 형성되고, 제2 기능 계면은 0.1 마이크론보다 큰 피크-대-밸리 진폭의 제2 결정된 조도를 갖는다;
· 제2 중간층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 유용층을 형성하는 재료와 동일한 유형의 재료 중에서 선택된 재료를 포함한다;
· 제1 중간층과 제2 중간층은 동일한 재료로 형성된다;
· 유용층은 탄탈산 리튬(LiTaO3), 니오브산 리튬(LiNbO3), 석영, 산화 아연(ZnO) 또는 질화 알루미늄(AlN) 중에서 선택되는 압전 재료를 포함한다;
· 지지 기판은 고체 기판 또는 적어도 하나의 블랭크(blank)층을 포함하거나 마이크로 전자 구성 요소들의 전부 또는 일부를 포함하는 복합 기판이다.
본 발명은 또한 상술한 바와 같은 하이브리드 구조체를 포함하는 표면 음향파 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 추가로 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체의 제조 방법에 관한 것으로:
· 제1면 및 결정된 조도를 갖는 제2면을 포함하는 압전 재료의 유용층을 제공하는 단계;
·유용층(10)의 열팽창 계수보다 더 낮은 열 팽창 계수를 갖는 지지 기판을 제공하는 단계;
· 지지 기판 상에 유용층을 배치하기 위한 조립 단계를 포함하고;
본 방법은, 조립 단계 전에, 유용층의 제2면 상에 트래핑층을 형성하는 단계를 포함하고, 트래핑층과 유용층 사이의 계면은 결정된 조도의 기능 계면을 형성하고; 조립 단계는 트래핑층과 지지 기판 사이에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체의 다른 제조 방법에 관한 것으로:
· 제1면 및 제2면을 포함하는 압전 재료의 유용층을 제공하는 단계;
· 유용층(10)의 열팽창 계수보다 더 낮은 열 팽창 계수를 갖는 지지 기판을 제공하는 단계;
· 지지 기판 상에 유용층을 배치하기 위한 조립 단계를 포함하고;
본 방법은, 조립 단계 이전에:
· 지지 기판 상에 결정된 조도를 갖는 트래핑층을 형성하는 단계;
· 트래핑층 상에 제1 중간층을 형성하는 단계로서, 트래핑층과 제1 중간층 사이의 계면은 결정된 조도의 기능 계면을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
단독으로 또는 조합하여, 본 제조 방법의 유리한 특징에 따르면:
· 기능 계면의 결정된 조도는 0.3 마이크론 초과, 유리하게는 0.5 마이크론, 또는 심지어 1 마이크론 이상의 피크-대-밸리 진폭을 갖는다;
· 조립 단계는 제1 중간층과 유용층의 제2면 사이에서 일어난다;
· 하이브리드 구조체의 제조 방법은, 조립 단계 전에, 제2 결정된 조도를 갖는 유용층의 제2면 상에 제2 중간층을 형성하는 단계를 포함하고, 조립 단계는 제1 중간층과 제2 중간층 사이에서 수행되고; 유용층과 제2 중간층 사이의 계면은 제2 기능 계면을 형성한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 드러날 것이다:
· 도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 구조체를 나타낸다;
· 도 4는 본 발명에 따른 표면 음향파 디바이스를 나타낸다;
· 도 5a 내지 도 5e, 도 6a 내지 도 6e 및 도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 하이브리드 구조체의 제조 방법을 나타낸다.
설명 부분에서, 도면에서 동일한 참조가 동일 유형의 요소에 대해 사용될 수 있다.
도면은 명료성을 위해 스케일대로가 아닌 개략적인 표현이다. 특히, z 축을 따른 층의 두께는 x 및 y 축을 따른 횡방향 치수에 대해 스케일대로가 아니다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 자유로운 제1면(1) 및 제2면(2)을 갖는 압전 재료의 유용층(10)을 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)에 관한 것이다. 유용층(10)은 예를 들어, 탄탈산 리튬(LiTaO3), 니오브산 리튬(LiNbO3), 석영, 산화 아연(ZnO), 또는 질화 알루미늄(AlN) 중에서 선택된 압전 재료를 포함한다.
유용층(10)은, 그 열 팽창 계수가 유용층(10)의 열 팽창 계수보다 낮은 지지 기판(20) 상에 배치된다. 지지 기판(20)은 예를 들어, 실리콘 또는 게르마늄으로 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 구조체(100)는 유용층(10)과 지지 기판(20) 사이에 개재된 트래핑층(30)을 포함한다. "트래핑층"이라는 용어는 지지 기판(20)에 존재할 가능성이 있는 자유 전하 캐리어를 트래핑할 수 있는 층을 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 트래핑층(30)은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 또는 다결정 게르마늄 중에서 선택된 재료로 형성된다. 트래핑층(30)은 또한 이하를 포함하는 기술 또는 기술들의 조합에 의해 형성될 수 있다:
ㆍ 지지 기판(20)의 표면층으로의 이온 주입; 실리콘 기판의 경우, 예를 들어, 아르곤, 실리콘 또는 질소 이온의 주입이 지지 기판(20)으로부터 발원하는 전하 캐리어를 트래핑할 수 있는 교란된 표면층을 생성하기 위해 수행될 수 있다.
ㆍ 또는 지지 기판(20)의 표면층을 에칭 및 구조화함으로써; 예를 들어, 기계적, 습식 또는 건식 화학 에칭에 의해, 지지 기판(20)으로부터 발원하는 전하 캐리어에 대한 바람직한 트래핑 사이트인 표면의 구조화를 유도한다.
트래핑층(30)의 두께는 수십 nm와 수 마이크론, 또는 심지어 수십 마이크론 사이일 수 있다.
유리하게는, 트래핑층(30)은 지지 기판(20)에 직접 접촉하며, 이는 지지 기판(20)에서 생성된 전하 캐리어의 효율적인 트래핑을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 구조체(100)는 또한 유용층(10)과 트래핑층(30) 사이에 결정된 조도(roughness)의 적어도 하나의 기능 계면(31)을 포함한다. 기능 계면(31)의 조도는 예를 들어, 약 50 내지 500 마이크론의 측정 프로파일 또는 약 50x50 내지 500x500 ㎛2의 측정 표면 상의 기계적 또는 광학적 프로파일 측정에 의해 측정된 최대 피크-대-밸리(peak-to-valley) 진폭에 의해 규정된다. 유리하게는, 피크-대-밸리 결정 조도는 0.3 마이크론보다 크다. 유리하게는, 이는 심지어 0.5 마이크론 이상, 또는 심지어 1 마이크론 이상이다. 바람직하게는, 이는 0.3 마이크론과 5 마이크론 사이이다.
또한 유리하게는, 기능 계면(31)의 조도의 스펙트럼 밀도(PSD: spectral density)는 제거되기를 원하는 간섭파의 파장의 스펙트럼 대역의 전부 또는 일부를 커버한다. 바람직하게는, 결정된 조도는 공간 파장 및 적어도 간섭 파장의 1/4과 동일한 진폭을 갖는다.
따라서, 기능 계면(31)의 결정된 조도는 유용층(10)에서 확산될 수 있는 음향파를 효율적으로 분산시킬 수 있는 그 능력을 위해 하이브리드 구조체(100) 상에 제조될 SAW 디바이스의 음향파의 주파수에 따라 진폭 및 잠재적으로 스펙트럼 밀도에서 적응될 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 구조체(100)의 트래핑층(30)은 상기 하이브리드 구조체(100)의 제1면(1) 상에 전개된 RF SAW 디바이스의 동작 동안 지지 기판(20)에서 잠재적으로 생성된 자유 전하 캐리어를 효과적으로 트래핑한다. 따라서, RF 성능(선형성, 삽입 손실)은 대규모 압전 기판에 대한 기술 수준과 비슷하거나 심지어 우수한 매우 양호한 수준에 도달한다.
결정된 조도의 기능계면(31)은 유용층(10)으로 깊숙이 전파될 수 있는 음향파의 효과적인 확산을 가능하게 하여, SAW디바이스의 신호 품질에 부정적인 영향을 주는 간섭반사를 회피한다.
도 1에 나타낸 제1 실시예에 따르면, 기능 계면(31)은 유용층(10)과 트래핑층(30) 사이의 계면에 의해 형성된다.
도 2에 나타낸 제2 실시예에 따르면, 기능 계면(31)은 유용층(10)의 제2면(2) 상에 배치된 제1 중간층(40)과 트래핑층(30) 사이의 계면에 의해 형성된다. 예를 들어, 제1 중간층(40)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 유용층과 동일 유형의 재료 중에서 선택된 재료를 포함할 수 있다.
이들 2개의 실시예는, 트래핑층(30)이 지지 기판(20)과의 하부 계면을 이격시켜 스크리닝할 수 있게 한다는 점에서 유리하며, 지지 기판(20)은 통상의 하이브리드 구조체에서, 유용층(10)의 체적에서 음향파 확산의 반사에 대한 강한 요인이다. 기능 계면(31)에 도달하는 음향파의 전부는 아니더라도 대다수가 기능 계면(31)에 의해 효율적으로 분산되어 그 계면에 도달하지 않을 것이라는 점에서 스크리닝된다.
도 3에 나타낸 제3 실시예에 따르면, 하이브리드 구조체(100)는, 그 피크-대-밸리 진폭이 0.1 마이크론 초과인 제2 결정 조도를 갖는 제2 기능 계면(32)을 포함한다. 이는 바람직하게는 0.1 마이크론과 5 마이크론 사이이다. 제2 기능 계면(32)은 진폭 및 스펙트럼 밀도 모두에서 제1 기능 계면(31)의 결정된 조도와 다른 제2 결정 조도를 가질 수 있음에 유의한다. 유리하게는, 스펙트럼 밀도는 제거되기를 원하는 간섭파의 파장의 스펙트럼 대역을 상보적인 방식으로 커버하도록 선택될 수 있다.
제2 기능 계면(32)은 유용층(10)과 제1 중간층(40) 상에 배치된 제2 중간층(50) 사이의 계면에 의해 형성된다. 예를 들어, 제2 중간층(50)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 중에서 선택된 재료를 포함하며; 또한 유용층(10)을 구성하는 재료와 동일 유형의 재료를 포함할 수 있으며: LiTaO3로 이루어진 유용층(10)의 경우, 제2 중간층(50)은 예를 들어 증착된 비정질 LiTaO3 층으로 구성될 수 있다.
이 제3 실시예의 유리한 변형에 따르면, 제1 중간층(40) 및 제2 중간층(50)은 동일 재료로 형성되고; 따라서, 이 두 층 사이의 계면은 두 층 사이의 음향 임피던스의 어떠한 차이도 없음으로 인해, 간섭 반사에 거의 또는 전혀 기여하지 않는다.
설명된 다양한 실시예에서, 지지 기판은 벌크 기판이다. 대안적으로, 이는 마이크로 전자 구성 요소의 전부 또는 일부를 포함하는 적어도 하나의 블랭크층 또는 구조화된 층을 포함하는 복합 기판으로 구성될 수 있으며; 이들 구성은 유용층(10) 내 및 그 상의 표면 음향파 디바이스 및 지지 기판의 구성 요소(스위치, 증폭기, 다른 필터 등)를 포함하는 공동-집적 시스템을 생산하는 데 특히 유리하다.
또한, 본 발명은 도 4에 나타낸 하이브리드 구조체(100)를 포함하는 표면 음향파 디바이스(200)에 관한 것이다. 디바이스(200)는 예를 들어, 그 사이에서 음향파를 확산시키는, 유용층(10)의 제1면(1) 상의 인터디지털 금속 전극(201)을 포함한다.
하이브리드 구조체(100)는 700MHz 내지 3GHz 범위의 음향파 주파수를 사용하는 표면 음향파 디바이스(200)의 제조에 특히 적절하다.
본 발명은 또한 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명되는 표면 음향파 디바이스(200)용 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법에 관한 것이다.
제조 방법은 제1면(1) 및 결정된 조도를 갖는 제2면(2)을 포함하는 압전 재료의 유용층(10)을 제공하는 단계를 우선 포함한다. 상기 조도는 약 50 내지 500 마이크론의 측정 프로파일 또는 약 50x50 내지 500x500 μm2의 측정 표면에서 예를 들어, 기계적 또는 광학 프로파일 측정에 의해 측정된 피크-대-밸리 최대 진폭에 의해 규정된다. 유리하게는, 결정된 조도는 0.3 마이크론 초과, 심지어 0.5 마이크론 이상, 또는 심지어 1 마이크론 초과이다. 바람직하게는, 심지어 0.3 마이크론과 5 마이크론 사이이다.
또한 유리하게는, 기능 계면(31)의 조도의 스펙트럼 밀도는 제거되기를 원하는 간섭파의 파장의 스펙트럼 대역의 전부 또는 일부를 커버한다. 바람직하게는, 결정된 조도는 간섭 파장의 1/4와 적어도 동등한 공간 파장 및 진폭을 갖는다.
따라서, 기능 계면(31)의 결정된 조도는 유용층(10)에서 확산될 수 있는 음향파를 효과적으로 분산시키는 그 능력을 위해 하이브리드 구조체(100) 상에서 제조되는 SAW 디바이스의 음향파의 주파수에 따라 진폭 및 잠재적으로 스펙트럼 밀도에서 적응될 수 있다.
결정된 조도는 기계적 래핑(lapping) 기술, 화학적-기계적 연마, 습식 또는 건식 화학 에칭, 또는 이들 다양한 기술의 조합에 의해 제2면(2) 상에서 달성될 수 있다. 그 목적은 유용층(10)의 제2면(2) 상에 전체면에 걸쳐 결정된 진폭의 균일한 조도를 생성하는 것이다. 예를 들어, 이러한 조도는 반도체 산업에서 사용되는 웨이퍼(탄탈산 리튬, 니오브산 리튬 등)의 조도화된 후면의 통상적인 처리에 의해 얻어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 그리고 제한 없이, 유용층(10)은 탄탈산 리튬(LiTaO3), 니오브산 리튬(LiNbO3), 석영, 산화 아연(ZnO), 또는 질화 알루미늄(AlN) 중에서 선택된 압전 재료를 포함한다.
유리한 실시예에 따르면, 유용층(10)은 결정된 조도의 제2면(2) 및 제1면(1')을 갖는 도너 기판(11)에 포함된다(도 5a).
또한, 본 발명에 따른 제조 방법은 유용층(10) 또는 도너 기판(11)의 제2면(2) 상에 트래핑층(30)을 형성하는 단계를 포함한다(도 5b). 트래핑층(30)과 유용층(10)(또는 도너 기판(11)) 사이의 계면은 결정된 조도의 기능 계면(31)을 형성한다. 유리하게는, 트래핑층(30)은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 또는 다결정 게르마늄 중에서 선택된 재료로 형성된다. 트래핑층(30)은 알려진 화학 증착 기술(PECVD, LPCVD 등)에 의해 준비될 수 있다.
트래핑층(30)은 통상적으로 수십 nm와 수 마이크론, 또는 심지어 수십 마이크론 사이의 두께를 갖는다.
유리하게는, 트래핑층(30)의 형성 단계는 예를 들어, 화학적 기계적 연마, 평활화 플라즈마 에칭 또는 습식 화학적 에칭으로 이루어지는, 트래핑층(30)의 자유 표면을 평활화하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 트래핑층(30)의 자유 표면은 후속 조립 단계를 위해 낮은 조도(원자력 현미경으로 측정하여 통상적으로 0.5 nm RMS 미만) 및 양호한 평탄도를 가질 것이다.
제조 방법은 또한 유용층(10)의 열팽창 계수보다 낮은 열팽창 계수를 갖는 지지 기판(20)(도 5c)을 제공하는 단계를 포함한다. 유리하게는, 지지 기판(20)은 실리콘으로 이루어지며, 이러한 재료는 반도체 산업에서 광범위하게 이용 가능하고 호환 가능하다. 대안적으로, 이는 게르마늄 또는 방법의 후속 단계 및 표면 음향파 디바이스의 제조와 호환될 수 있는 다른 재료로 또한 이루어질 수 있다.
그 후, 제조 방법은 지지 기판(20) 상에 도너 기판(11)(또는 유용층(10))을 배치하는 조립 단계를 포함한다(도 5d). 조립 단계는 트래핑층(30)과 지지 기판(20) 사이에서 일어나므로, 트래핑층(30) 및 지지 기판(20)의 표면 특성이 적절하게 제어되어야 한다. 유리하게는, 조립 단계는 분자 접착에 의한 직접 결합을 포함하며: 이 결합 기술은 추가의 재료층의 사용을 필요로 하지 않기 때문에 바람직하다.
대안적으로, 조립 단계는 접착 결합, 금속 결합, 양극 결합, 또는 종래 기술로부터 알려져 있고 의도된 활용과 호환될 수 있는 임의의 다른 유형의 결합을 포함할 수 있다.
유리하게는, 조립 단계는 결합 전에 표면으로부터 양호한 수준의 청결(입자, 탄화수소 및 금속 오염물 등의 제거)을 보장하는 세정 시퀀스를 결합 전에 포함한다.
본 방법의 변형에 따르면, 트래핑층(30)과 동일한 유형의 층이 조립 단계 이전에 지지 기판(20) 상에 배치될 수 있고, 트래핑층(30)에 결합되도록 준비될 것이다. 실제로, 트래핑층(30)과 지지 기판(20)의 유형에 따라, 특히 분자 접착에 의한 직접 결합의 경우에, 동일한 유형의 2개의 재료 사이에 결합 계면을 형성하는 것이 유리할 수 있다.
결합 계면을 강화하기 위해, 결합된 하이브리드 구조체(101)는 열처리될 수 있다. 도너 기판(11)(또는 유용층(10))의 재료 및 지지 기판(20)의 재료는 매우 상이한 열팽창 계수를 나타내므로, 가해진 열처리는 손상 또는 결합된 구조체(101)의 파손 온도보다 낮은 온도에서 유지되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 온도 범위는 통상적으로 수십 ℃ 내지 500 ℃ 사이이다.
유용층(10)이 도너 기판(11)에 포함되는, 도 5a 내지 도 5e에 나타낸 경우에서, 제조 프로세스는 도너 기판(11)을 씨닝(thinning)하는 단계(도 5e)를 더 포함하여, 유용층(10) 및 표면 음향파 디바이스가 그 위에 준비되는 제1면(1)을 형성한다.
이러한 씨닝 단계는 종래 기술의 다양한 알려진 기술을 사용하여 수행될 수 있으며, 특히:
· 매우 얇은 유용층(통상적으로 1 마이크론 이하의 두께)의 형성에 특히 적합한 Smart-Cut® 프로세스: 이는 약화된 매립된 평면을 형성하기 위해 조립 단계 전에 그 제2면(2)의 수준에서, 도너 기판(11)의 기상 종(gaseous species)의 주입에 기초하며, 조립 후에, 도너 기판(11)은 유용층(10)만을 지지 기판(20)과 일체로 남게 하도록, 약화된 평면을 따라 분리될 것이다.
· 수 마이크론에서 수십, 또는 심지어 수백 마이크론까지의 범위의 두께의 유용층을 형성하는 데 적절한, 기계적 그라인딩(grinding) 또는 래핑, 화학-기계적 연마 및 화학적 에칭을 포함하는 화학-기계적 씨닝 프로세스.
이러한 제조 프로세스의 끝에서, 본 발명에 따른 하이브리드 구조체(100)가 얻어진다(도 5e).
본 발명은 제1면(1) 및 제2면(2)을 포함하는 압전 재료의 유용층(10)의 제공 단계를 우선 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)의 다른 제조 방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같이, 그리고 제한 없이, 유용층(10)은 탄탈산 리튬(LiTaO3), 니오브산 리튬(LiNbO3), 석영, 산화 아연(ZnO), 또는 질화 알루미늄(AlN) 중에서 선택된 압전 재료를 포함한다.
유리한 실시예에 따르면, 유용층(10)은 제2면(2) 및 제1면(1')을 갖는 도너 기판(11)에 포함된다(도 6a).
제조 방법은 또한 유용층(10)보다 낮은 열팽창 계수를 갖는 지지 기판(20)을 제공하는 단계를 포함한다. 유리하게는, 지지 기판(20)은 실리콘으로 이루어지며, 재료는 반도체 산업에서 광범위하게 이용 가능하고 호환될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이는 대안적으로 게르마늄 또는 후속 제조 단계와 호환 가능한 다른 재료로 형성되거나 이를 포함할 수 있다.
제조 방법은 또한 지지 기판(20) 상에 트래핑층(30)의 형성 단계를 포함한다(도 6b). 트래핑층(30)은 미리 결정된 조도를 갖는다.
유리하게는, 트래핑층(30)은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 또는 다결정 게르마늄 중에서 선택된 재료로 형성된다. 이는 화학 증착(CVD)의 알려진 기술에 의해 준비될 수 있다.
트래핑층(30)은 또한 이하를 포함하는 기술 또는 기술의 조합에 의해 형성될 수 있다:
ㆍ 지지 기판(20)의 표면층에의 이온 주입; 실리콘 기판의 경우, 지지 기판(20)으로부터 전하 캐리어를 트래핑할 수 있는 교란된 표면층을 생성하기 위해, 예를 들어, 아르곤 이온, 실리콘, 질소 등의 주입이 수행될 수 있다;
ㆍ 또는 지지 기판(20)의 표면층을 에칭 및 구조화함으로써; 예를 들어, 지지 기판(20)으로부터 전하 캐리어를 위한 표면, 트래핑 특화 사이트의 구조화를 유도하는 기계적 에칭, 습식 또는 건식 화학 에칭에 의해 수행될 수 있다.
트래핑층(30)은 수십 nm 내지 수 마이크론 또는 수십 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있다.
트래핑층(30)의 자유 표면의 조도는, 지지 기판(20) 상의 그 형성 후에, 예를 들어, 약 50 마이크론 내지 500 마이크론의 측정 프로파일에 또는 약 50x50 내지 500x500 μm2의 측정 표면에 대한 기계적 또는 광학 프로파일 측정에 의해 측정된 최대 피크-대-밸리 진폭에 의해 규정된다. 유리하게는, 결정된 조도는 0.3 마이크론 초과, 또는 심지어 0.5 마이크론 이상, 또는 심지어 1 마이크론 이상이다. 바람직하게는 0.3 마이크론과 5 마이크론 사이이다.
또한 유리하게는, 기능 계면(31)의 조도의 스펙트럼 밀도는 제거되기를 원하는 간섭파의 파장의 스펙트럼 대역의 전부 또는 일부를 커버한다. 바람직하게는, 결정된 조도는 간섭 파장의 1/4와 적어도 동등한 공간 파장 및 진폭을 갖는다.
결정된 조도는 층의 증착 후에 직접 또는 기계적 래핑 기술, 화학-기계적 연마, 습식 또는 건식 화학 에칭 또는 이들 기술의 조합에 의해 트래핑층(30)의 자유 표면 상에서 얻어질 수 있다. 그 목적은 트래핑층(30)의 자유 표면 상에 결정된 진폭의 균일한 조도를 생성하는 것이다. 예를 들어, 이러한 조도는 반도체 산업에서 사용되는 실리콘 웨이퍼의 조도화된 후면의 처리를 위해 만들어진 "산 에칭" 유형 처리 또는 "알칼리 에칭"에 의해 얻어질 수 있다. 다른 예에 따르면, 트래핑층(30)의 자유 표면의 결정된 조도는 다결정 실리콘에 트래핑층(30)을 증착하기 전에 지지 기판(20)의 표면의 기계적 연마(통상적으로 입자 2000의 다이아몬드 휠) 및 습식 화학적 에칭(통상적으로 TMAH에 의함)에 의해 얻어질 수 있으며; 지지 기판(20) 상에 증착한 후에 트래핑층(30)의 자유 표면은 약 0.5 마이크론의 피크-대-밸리의 결정된 조도를 갖는다(6b).
그 후, 제조 방법은 트래핑층(30) 상에 제1 중간층(40)의 형성 단계를 포함한다. 트래핑층(30)과 제1 중간층(40) 사이의 계면은 결정된 조도의 기능 계면(31)을 형성한다. 제1 중간층(40)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 유용층(10)과 동일한 유형의 재료 중에서 선택된 재료를 포함할 수 있다. 이는 화학 증착에 의해 준비될 수 있다. 바람직하게는, 평활화 단계(예를 들어, 화학-기계적 연마)는 도너 기판(11)(또는 유용층(10)) 상의 후속 조립 단계의 목적을 위해 제1 중간층(40)의 자유 표면 상에서 수행된다. 이 옵션은, 후속 조립 단계가 분자 접착에 의한 결합을 포함할 때 특히 적절하다.
제1 중간층(40)은 또한 예를 들어, 원심 분리에 의해 증착될 수 있는 중합체 재료를 포함할 수 있다. 이러한 유형의 재료의 이점은, 증착 중에 평활화가 직접 수행될 수 있다는 것이다. 이 옵션은, 후속 접합 단계가 접착 결합을 포함할 때 특히 적절하다.
마지막으로, 제조 방법은 지지 기판(20) 상에 도너 기판(11)(또는 유용층(10))을 배치하는 조립 단계를 포함하며; 특히, 조립은 제1 중간층(40)과 도너 기판(11)의 제2면(2) 사이에서 수행된다(도 6d).
유리하게는, 조립 단계는 분자 접착에 의한 직접 결합을 포함한다: 이 결합 기술은 추가 재료층의 사용을 필요로 하지 않는다는 점에서 유리하다. 대안적으로, 접합 단계는 접착 결합, 금속 결합, 양극 결합, 또는 종래 기술에서 알려져 있고 의도된 어플리케이션과 호환 가능한 임의의 다른 종류의 결합을 포함할 수 있다. 유리하게는, 조립 단계는 결합 전에 표면으로부터 양호한 수준의 청결(입자, 탄화수소 및 금속 오염물 등의 제거)을 보장하는 세정 시퀀스를 결합 전에 포함한다.
결합 계면을 강화하기 위해, 결합된 하이브리드 구조체(101)는 헤테로-구조체에 대한 손상을 방지하기 위해 저온 또는 중온에서 열처리될 수 있으며: 통상적으로 수십 ℃와 500 ℃ 사이이다.
유용층(10)이 도너 기판(11)에 포함되는, 도 6a 내지 도 6e에 나타낸 예에서, 제조 방법은 유용층(10) 및 표면 음향파 디바이스가 그 위에 전개되는 제1면(1)을 형성하기 위해 도너 기판(11)의 씨닝 단계를 더 포함한다(도 6e).
이러한 씨닝 단계는 상술한 바와 같이, 종래 기술에서 알려진 다양한 기술로부터 이루어질 수 있다.
이 제조 방법의 끝에서, 본 발명에 따른 하이브리드 구조체(100)가 얻어진다(도 6e).
도 7a 내지 도 7e에 나타낸 상술한 제조 방법의 변형에 따르면, 유용층(10)(또는 유용층(10)이 도너 기판에 포함되는 경우에 도너 기판(11))의 제2면(2)은 제2 결정 조도를 갖는다(도 7a). 제2 결정 조도의 피크-대-밸리 진폭은 유리하게는 0.1 마이크론보다 크다.
이러한 제조 방법의 변형은 도 7b에 나타낸 바와 같이, 유용층(10) 또는 도너 기판(11)의 제2면(2) 상에 제2 중간층(50)의 형성 단계를 포함한다. 제2 중간층(50)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물로부터 선택된 재료 또는 재료의 스택을 포함할 수 있다. 제2 중간층(50)은 또한 열 팽창의 차이와 연관된 문제점을 제한하기 위해 유용층(10)을 형성하는 것과 동일한 유형의 재료를 포함할 수 있다.
유용층(10)과 제2 중간층(50) 사이의 계면은 제2 기능 계면(32)을 형성한다. 유리하게는, 제2 중간층(50)의 형성 단계는 조립 단계의 목적을 위해 그 자유 표면의 평활화 단계를 포함한다.
조립 단계 이전에, 제1 미리 결정된 조도를 갖는 트래핑층(30)이 지지 기판(20) 상에 형성된다. 그 후, 제1 중간층(40)이 트래핑층(30) 상에 형성된다(도 7c). 이들 두 층 사이의 계면은 결정된 조도의 기능 계면(31)을 형성한다.
선택적으로, 제1 중간층(40) 및 제2 중간층(50)은 동일한 재료로 구성될 수 있다.
제조 방법의 변형은 유리하게는 직접 결합에 의해 제1 중간층(40) 및 제2 중간층(50)의 조립을 더 포함하지만, 이는 제한적인 방식으로 이해되어서는 안된다.
열처리는 결합된 구조체(101)의 결합 계면을 강화하기 위해 선택적으로 수행될 수 있다.
유용층(10)이 도너 기판(11)에 포함되면, 이미 상술한 바와 같이, 씨닝 단계가 실현되어 하이브리드 구조체(100)를 얻는 것으로 이어진다(도 7e).
물론, 본 발명은 설명된 실시예들에 한정되지 않고, 청구항에 의해 규정된 본 발명의 범위 내의 대안적인 실시예들에 적용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 자유로운 제1면(1), 및 유용층(10)의 열 팽창 계수보다 그 열 팽창 계수가 더 낮은 지지 기판(20) 상에 배치된 제2면(2)을 갖는 압전 재료의 상기 유용층(10)을 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)로서,
    상기 하이브리드 구조체(100)는:
    상기 유용층(10)과 상기 지지 기판(20) 사이에 개재된 트래핑층(30);
    상기 유용층(10)과 상기 트래핑층(30) 사이에서, 0.3 마이크론보다 큰 피크-대-밸리(peak-to-valley) 진폭을 갖는 결정된 조도(roughness)의 기능 계면(31)으로서, 상기 기능 계면(31)은 상기 유용층(10)의 상기 제2면(2) 상에 배치된 제1 중간층(40)과 상기 트래핑층(30) 사이의 계면에 의해 형성되고, 상기 트래핑층(30)은 상기 결정된 조도를 갖는, 기능 계면(31);
    제2 기능 계면(32)으로서, 상기 제2 기능 계면(32)은 상기 유용층(10)과 상기 제1 중간층(40) 상에 배치된 제2 중간층(50) 사이의 계면에 의해 형성되고, 상기 제2 기능 계면(32)은 그 피크-대-밸리 진폭이 0.1 마이크론보다 큰 제2 결정된 조도를 갖는, 제2 기능 계면(32);을 포함하는 것을 특징으로 하는, 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트래핑층(30)은 상기 지지 기판(20)과 직접 접촉하는, 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 트래핑층(30)은 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 또는 다결정 게르마늄 중에서 선택된 재료로 형성되는, 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 트래핑층(30)은 상기 지지 기판(20)의 표면층에의 주입 또는 상기 지지 기판(20)의 상기 표면층의 에칭 및 구조화에 의해 형성되는, 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 중간층(40)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 상기 유용층(10)을 형성하는 재료와 동일한 유형의 재료 중에서 선택된 재료를 포함하는, 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 중간층(50)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 상기 유용층(10)을 형성하는 재료와 동일한 유형의 재료 중에서 선택된 재료를 포함하는, 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 중간층(40)과 상기 제2 중간층(50)은 동일한 재료로 형성되는, 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유용층(10)은 탄탈산 리튬(LiTaO3), 니오브산 리튬(LiNbO3), 석영, 산화 아연(ZnO) 및 질화 알루미늄(AlN) 중에서 선택되는 압전 재료를 포함하는, 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지 기판은 벌크(bulk) 기판 또는 적어도 하나의 블랭크(blank)층을 포함하거나 마이크로 전자 구성 요소들의 전부 또는 일부를 포함하는 복합 기판인, 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 하이브리드 구조체(100)를 포함하는 표면 음향파 디바이스(200).
  15. 삭제
  16. 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법으로서:
    제1면(1) 및 제2면(2)을 포함하는 압전 재료의 유용층(10)을 제공하는 단계;
    상기 유용층(10)의 열팽창 계수보다 더 낮은 열 팽창 계수를 갖는 지지 기판(20)을 제공하는 단계;
    상기 지지 기판(20) 상에 상기 유용층(10)을 배치하기 위한 조립 단계를 포함하고,
    상기 방법은, 상기 조립 단계 이전에:
    상기 지지 기판(20) 상에 결정된 조도를 갖는 트래핑층(30)을 형성하는 단계;
    ·상기 트래핑층(30) 상에 제1 중간층(40)을 형성하는 단계로서, 상기 트래핑층(30)과 상기 제1 중간층(40) 사이의 계면은 결정된 조도의 기능 계면(31)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 조립 단계는 상기 제1 중간층(40)과 상기 유용층(10)의 상기 제2면(2) 사이에서 수행되는, 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 조립 단계 전에, 제2 결정된 조도를 갖는 상기 유용층(10)의 상기 제2면(2) 상에 제2 중간층(50)을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 조립 단계는 상기 제1 중간층(40)과 상기 제2 중간층(50) 사이에서 수행되고; 상기 유용층(10)과 상기 제2 중간층(50) 사이의 계면은 제2 기능 계면(32)을 형성하는, 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법.
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