TW202207495A - 用於製作射頻裝置用壓電結構之方法，該壓電結構可用於壓電層的移轉，以及移轉該壓電層之方法 - Google Patents
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Abstract
一種用於製作壓電結構(10, 10’)之方法，該方法之特徵在於其包括提供一壓電材料底材(20)；提供一支撐底材(100)；在300°C或更低溫度下沈積一介電鍵合層(1001)至該壓電材料底材(20)之單個面上；透過該介電鍵合層(1001)將該壓電材料底材(20)與該支撐底材(100)接合之步驟(1’)；一薄化步驟(2’)，以形成該壓電結構(10, 10’)使其包含與該支撐底材(100)接合之一壓電材料層(200)。
Description
本發明涉及一種用於製作射頻元件用壓電結構之方法，該壓電結構可用於壓電層的移轉，本發明亦涉及移轉該壓電層之方法。
在底材上製作例如諧振器或濾波器等射頻元件為習知方法；該射頻元件從基底到表面依次包括通常由矽或藍寶石等材料製成之一支撐底材、一中間鍵合層及一壓電層。
表面聲波(SAW)濾波器通常包括一壓電層，以及沉積在該壓電層表面之兩個指叉金屬柵(interdigitated metallic comb)形式之電極。該壓電層之厚度可為約數十奈米至數十微米，該厚度取決於SAW濾波器的功能。在厚度為數十微米的情況下，次要傳播模式(secondary modes of propagation)會延伸至壓電層中且傾向於在與下方支撐底材之間的交界面處被反射。此現象稱爲「響振」(rattle)。為了避免次要傳播模式，習知的作法為確保位於壓電層與鍵合層交界的壓電層表面具有足夠粗糙度，以允許次波被反射至各方向。考量到所述諧振器的操作波長，該壓電層的粗糙表面的粗糙度應非常高，約與操作波長的數量級(magnitude)相同(數微米)。
壓電層通常透過將壓電材料製之厚底材(其可以諸如切割晶錠的方式獲得)移轉至一支撐底材上而獲得。該支撐底材，舉例而言，可為矽底材。
移轉壓電層包括將厚壓電底材鍵合至支撐底材，接著薄化厚壓電底材，以在支撐底材上只留下所需厚度之薄壓電層以用於製作射頻元件。
一般而言，為使壓電底材與支撐底材良好黏附，可在兩個底材上各沉積一層氧化物(例如SiO2等矽氧化物)，並透過該氧化物層鍵合所述兩個底材。
然而，該壓電材料及該支撐底材的材料具有非常不同的熱膨脹係數，因此在回火這類組裝件時會引發嚴重變形。
此外，在厚壓電底材上沉積一層氧化物會造成壓電底材嚴重彎曲(bow)，該彎曲與必須在平面底材上進行之後續步驟不相容。
最後，如前所述，該異質結構無法承受強固回火，因為厚壓電底材及操作底材(handling substrate)二者的熱膨脹係數存在差異。然而，若不進行強固回火，兩個底材的氧化物層的鍵合能量仍然很低，亦即類供體底材(pseudo donor substrate)的機械強度會不足。因此，在薄化厚壓電底材的步驟中，斷裂可能會在鍵合交界面發生。
為確保厚壓電底材及支撐底材之間的良好黏附，尤其在厚壓電底材的粗糙度相當高的情況下，習知方法必須操作大量步驟，例如沉積數個氧化物層，然後對其進行化學機械研磨(CMP)，這些氧化物層係交替沉積在厚壓電底材的兩個面上，以避免因嚴重彎曲而無法鍵合。
本發明之目的在於克服前述習知技術之限制，並提出一種用於製作射頻元件用壓電結構之方法，該壓電結構亦可用於壓電層的移轉，以及一種用於移轉該壓電層之方法。
本發明涉及一種用於製作一壓電結構之方法，該方法之特徵在於其包括提供一壓電材料底材；提供一支撐底材；在300°C或更低溫度下沈積一介電鍵合層至該壓電材料底材之單個面上；透過該介電鍵合層將該壓電材料底材與該支撐底材接合之步驟；一薄化步驟，以形成該壓電結構，該壓電結構包含與該支撐底材接合之一壓電材料層。
因此，在前述300°C或更低之低溫下沉積介電鍵合層所誘發的微小應力，可確保足夠的機械安定性，從而得以如下文所述進行薄化步驟，以及在封裝步驟(其係在後續的元件製作期間實施)期間進行薄化步驟。
在某些實施例中，介電鍵合層包含以電漿增強化學氣相沉積法沉積在該壓電材料底材上之一矽氧化物層。
在有利實施例中，該接合步驟包括介電鍵合層與支撐底材間之分子鍵合，或介電鍵合層與介電鍵合層間之分子鍵合。
在有利實施例中，該方法包括在低於沉積介電鍵合層的溫度下，進行鍵合交界面之強固回火。
在有利實施例中，所述薄化步驟係在低於沉積介電鍵合層的溫度下進行。
在有利實施例中，壓電材料底材具有適於反射射頻波之粗糙表面。
在有利實施例中，介電鍵合層之厚度在200 nm至500 nm範圍內。
在有利實施例中，該方法包括在該支撐底材上提供一介電鍵合層。
在有利實施例中，薄化步驟包括蝕刻及/或化學機械研磨。
本發明亦涉及一種用於將一壓電層移轉到一最終底材之方法，其包括提供以實施前述製作方法所獲得的一壓電結構；在該壓電材料層中形成一弱化區以界定出待移轉之壓電層；提供該最終底材；優選地在該最終底材及/或該壓電材料層之主要面上形成介電鍵合層；鍵合該壓電材料層與該最終底材；在低於或等於沈積該介電鍵合層的溫度下，使該壓電結構沿該弱化區斷裂及分離。
在有利實施例中，弱化區係透過將原子物種植入壓電材料層而形成。
在有利實施例中，最終底材及支撐底材具有完全相同的膨脹係數。
圖1繪示一支撐底材100，優選由矽材料形成，一壓電材料層200被移轉到支撐底材100上，壓電材料層200優選爲單晶壓電材料，詳言之爲鉭酸鋰或鈮酸鋰。壓電材料層200亦可由其他材料形成。待移轉之主動層200亦可包括鐵電材料，例如LiTaO3
、LiNbO3
、LiAlO3
、BaTiO3
、PbZrTiO3
、KNbO3
、BaZrO3
、CaTiO3
、PbTiO3
或KTaO3
。
包括此主動層之供體底材，其形式可為標準尺寸的圓形晶圓，例如直徑150 mm或200 mm的圓形晶圓。然而，本發明不限於所述尺寸或形狀。供體底材可從鐵電材料晶錠切割而來，其切割之方式使供體底材具有預定的晶向(crystal orientation)，或者，供體底材事實上可包括與支撐底材接合之一鐵電材料層。待移轉之鐵電材料主動層的晶向係根據預期應用而選定。因此，就LiTaO3
材料而言，通常選定30°至60°XY範圍內的方向或40° 至 50°XY範圍內的定向，尤其是在薄層的特性將被利用以形成SAW濾波器時。就LiNbO3
材料而言，通常選定約128°XY的晶向。但本發明不限於任何特定晶向。
無論供體底材鐵電材料的晶向為何，所述方法皆包含，舉例而言，將氫及/或氦等物種(離子及/或原子)導入該供體底材。所述導入可對應於，舉例而言，氫的植入，即對供體底材的平面進行氫離子轟擊。眾所皆知，被植入的離子係用於形成一弱化平面，其劃分出待移轉的第一層鐵電材料(位於平面那側)，以及形成底材剩餘部的另一部分。植入物種的性質與劑量、植入離子的類型及植入能量，係根據待移轉層的厚度及供體底材的物理化學性質而選定。在供體底材由LiTaO3
製成的情況下，可選擇以30至300 keV範圍內的能量，植入劑量在1x1016
至5x1017
at/cm² 範圍內的氫，以界定出約10至2000 nm之第一層。
由矽材料製成的支撐底材100亦可以藍寶石材料、多晶氮化鋁(AlN)、玻璃，或熱膨脹係數低於或相對於壓電材料層200之壓電材料的熱膨脹係數的任何材料，製成的支撐底材100取代(在本發明中，重要的是平行於底材主表面之平面中的熱膨脹係數)。因此，支撐底材100作為強固件(stiffener)使用，可限制多晶結構10在承受溫度變化期間的膨脹程度，這表示可降低壓電材料層200的頻率溫度係數(temperature coefficient of frequency)，亦即在壓電材料層200中傳播的波的頻率隨溫度變化的程度。矽是特別優選的材料，因其可允許添加功能，這些功能可透過增加一表面捕捉層爲射頻應用實現電氣隔離。
矽的使用不但具有將壓電材料薄膜的應用領域擴展到300 mm大型裝置的優點，且在使用非矽特殊材料(尤其是鉭酸鋰或鈮酸鋰)的生產線方面可相容於要求嚴格的微電子產業。吾人亦可設想到將從鐵電材料層或壓電材料層中獲得或製作的元件(例如SAW及/或BAW濾波器)，與在矽底材中獲得或形成的元件(例如電晶體、功率放大器或開關)進行集成，從而減少不同類型元件之間互連的損耗，並使這類集成多個元件的系統更加小巧。
圖1概要地繪示將壓電材料底材20及支撐底材100接合之步驟1’，該支撐底材100優選由矽材料製成。將壓電材料20及優選爲矽製之支撐底材100接合的步驟1’優選透過分子鍵合步驟進行。該分子鍵合步驟包括優選在環境溫度下進行鍵合之步驟，接著可對鍵合交界面進行強固回火。
圖1亦繪示在經由介電鍵合層1001將壓電材料底材20與支撐底材100接合之步驟1’前，將介電鍵合層1001沉積在壓電材料底材20的單個面上之步驟。介電鍵合層1001在300°C或更低的溫度下沉積。一般而言，沉積介電鍵合層1001的溫度係經過選定，以使壓電材料底材20及介電鍵合層1001二者熱膨脹係數差異所引起的彎曲變形(bow deformation)能保持相容於分子鍵合步驟，壓電材料底材20與介電鍵合層1001之接合件具有之彎曲為100 μm或更小。介電鍵合層1001的厚度必須納入考量。在設想的200 nm及500 nm之間的厚度範圍內，300°C或更低的沉積溫度表現出良好的結果。申請人已證明不僅該彎曲(在500 nm介電鍵合層1001的情況下為80至90 μm)保持在低於相容於分子鍵合的閾值(約100 μm)，介電鍵合層1001的性質亦可使介電鍵合層1001及支撐底材100之間的鍵合能量獲得提升。該鍵合能量可達到超過1J/m²的高值。該能量係足夠高，以在例如薄化或強固回火等後續步驟中實現穩定的機械行為。
分子鍵合步驟優選在環境溫度下進行，亦即約20°C。然而，直接鍵結亦可在加熱至20°C至50°C的溫度範圍內進行。此外，該鍵合步驟可有利地在低壓中進行，亦即在5 mTorr或更低的壓力下進行(1 Torr等於101325/760 pascals，亦即約133.322 Pa)，這表示水可從形成鍵合交界面的表面被脫附(desorbed)。在真空下進行接合步驟可更提升鍵合交界面處的水氣脫附效果。
在一有利實施例中，壓電材料底材20具有適於反射射頻波之粗糙表面。「粗糙表面」一詞在此係指一表面之粗糙度與要在諧振器或濾波器的壓電層中傳播的射頻波之波長爲相同數量級，以允許次波(secondary wave)在所有方向上反射，從而不再影響來自諧振器或濾波器的輸出訊號。在本說明書中，這類表面的粗糙度在1.0至1.8 µm的範圍內，該粗糙度係從波峰至波谷進行測量。為了使該粗糙度平滑化，介電鍵合層1001的厚度係大於該粗糙度，以透過化學及/或機械蝕刻步驟使其平坦。
介電鍵合層1001可包括沉積在壓電材料底材20上之一矽氧化物層，優選以電漿增強化學氣相來沉積。
根據另一實施例，介電鍵合層1001為矽氧化物層，或矽氮化物層，或包括二者組合的層，或堆疊在一矽氮化物層上的至少一矽氧化物層，前述優選以電漿增強化學氣相沉積而獲得。
在一有利實施例中，該方法包括在鍵合交界面進行強固回火，以強化壓電結構之機械強度。所述回火係在低於沉積介電鍵合層1001的溫度下進行，因此可用於增加鍵合能量，而不會因任何雜質(例如氫)的存在而在鍵合交界面處造成缺陷，以及使雜質在這類回火過程中發生脫氣(degassing)及向該交界面遷移。所述強固回火通常在300°C或更低溫度下進行，持續時間可從數分鐘至多達數小時不等。
如圖1所示，將壓電材料20與支撐底材100接合之後，接著進行薄化壓電材料20之步驟2’。圖1概要地繪示薄化步驟2’可透過例如化學及/或機械蝕刻(拋光、研磨、銑削(milling)等)進行。從而獲得壓電材料層200。該薄化步驟亦可由SmartCutTM
方法構成。圖3及圖4概要繪示所述SmartCutTM
方法，其包括在待移轉層中形成弱化區以從經選定用於移轉的底材中界定出待移轉層及剩餘層，提供待移轉層將被移轉到其上之受體底材，將待移轉層與受體底材組裝的步驟(通常透過分子鍵合)，接著是一分離步驟，其包括沿弱化區進行斷裂及分離，從而形成包含移轉層在受體底材上的異質結構。該薄化步驟通常透過在低於沉積介電鍵合層1001的溫度下進行，因此可避免因任何雜質(例如氫)的存在而在鍵合交界面處造成前文所述缺陷，並避免雜質在這類薄化過程中發生脫氣及向該交界面遷移。
圖2繪示的製作方法不同於圖1之處在於，在組裝步驟1’之前，有一介電鍵合層1002在支撐底材100上形成且存在於依照本發明的方法所獲得之壓電結構10’中。取決於支撐底材100所選定的材料，介電鍵合層1002的形成的方式，能夠促成壓電材料底材20與介電鍵合層1001之接合件，以及支撐底材100與介電鍵合層1002之接合件100’，二者之間的分子鍵合。接合件100’的彎曲因此可維持小於或等於100 µm。
介電鍵合層1002優選包括一矽氧化物層。在支撐底材100由矽材料製成的情況下，介電鍵合層1002可為熱氧化物，但本發明不限於此。介電鍵合層1002亦可透過電漿輔助化學氣相沉積獲得，但此不具有任何限制性。
圖3概要地繪示一種用於將壓電層200’移轉到最終底材300’之方法之實施例，該方法包括提供壓電結構10’(使用如圖2所示之方法獲得，但本發明不限於此實施方式)；在壓電材料層200中形成一弱化區0”以區分出待移轉之壓電層200’及壓電材料層200之剩餘層201；提供最終底材300’；接合壓電材料層200與最終底材300’之步驟1”；一分離步驟2”，其包括使壓電結構10’沿該弱化區斷裂及分離，從而形成包括設置在最終底材300’上之壓電層200’之異質結構30’。該分離步驟優選在小於或等於沉積介電鍵合層1001的溫度下進行，優選在300℃或更低溫度下進行。
圖4繪示的製作方法不同於圖3之處在於，在組裝步驟1”之前，在壓電結構10’上形成介電鍵合層2001，且在最終底材300’上形成介電鍵合層2002；因此，介電鍵合層2001及介電鍵合層2002皆存在於依照本發明的方法所獲得之異質結構30”中。
因此，最終結構之介電層厚度為兩個介電鍵合層的厚度總和。若最終結構的介電層厚度必須落入特定範圍值，從壓電結構或最終底材上獲得這些層的製程可具有一些彈性。舉例而言，最終底材上可早已包含前文所述之元件，因此不能超過特定熱預算，以免使這些元件劣化。因此，在壓電結構上所形成的介電層，可厚於在最終底材上形成者。
本發明不限於此，本發明可以只在壓電結構10’上或在最終底材300’上形成介電鍵合層。
組裝壓電結構10’及最終底材300’(優選爲矽材料製)之步驟1”優選透過分子鍵合步驟進行。該分子鍵合步驟包括優選在環境溫度下進行鍵合之步驟，且可接著進行鍵合交界面之強固回火。
在圖3及圖4所示之移轉方法中，弱化區0”係透過將原子物種植入壓電材料層200而形成。一般而言，植入步驟0”係以氫離子進行。本發明所屬技術領域習知的一個重要替代方法則是以氦離子取代全部或部分的氫離子。
在壓電材料層200由鉭酸鋰製成的情況下，氫的植入劑量通常在6x1016
cm-2
至1x1017
cm-2
的範圍內。植入能量通常在50至170keV的範圍內。因此，分離通常在150°C及300°C之間的溫度下進行。這樣可獲得厚度約10 nm至500 nm的壓電層200’。
最終底材300’及支撐底材100可有利地具有完全相同或至少非常相似之熱膨脹係數，從而具有較佳機械強度，並在鍵合交界面的強固回火期間發生較少變形。最終底材300’及支撐底材100可具有完全相同的性質，除了介電鍵合層或可能存在的捕捉層之外，二底材基本上皆由矽形成。該捕捉層的厚度不足以顯著影響「三明治」結構的優點，該三明治結構具有相同材料製成之最終底材300’及支撐底材100。
在分離操作之後，可有利地增加額外技術步驟，以強化鍵合交界面，恢復良好粗糙度，或修復植入步驟期間可能產生的缺陷(或製備表面以用於重複該方法之其他步驟，例如形成SAW元件的電極)。所述額外技術步驟可為，舉例而言，研磨、化學蝕刻(濕式或乾式)、回火、化學清潔等。這些步驟可根據熟習本發明所屬技術領域者認為合適的方式單獨實施或組合實施。
在有利實施例中，支撐底材100及/或最終底材300’可為電阻率大於1 k ohm.cm之矽底材。支撐底材100及/或最終底材300’亦可包括用於捕捉在待組裝矽底材表面上之電荷的層。該捕捉層可包括未摻雜之多晶矽。在某些情況下，尤其是當捕捉層夠厚時，例如超過30 µm厚時，矽基底材可具有小於1 k ohm.cm的標準電阻率。一般而言，該捕捉層為具有結構缺陷(例如錯位、晶界、非晶區、間隙、包藏、孔洞等)的非晶層。這些結構缺陷形成可在材料中流動的電荷的陷阱，例如在不完整或懸垂(incomplete or pendant)化學鍵處的電荷。捕捉層中的傳導因而受到遏止，進而具有高電阻率。為了便於實施，該捕捉層可有利地由一層多晶矽形成。捕捉層厚度可在0.3 μm至3 μm範圍，尤其是當其形成在具有電阻性的矽基底材上時。然而，吾人亦可取決於預期的射頻效能水準，而設想其他低於或高於此範圍之厚度。為了在支撐底材100或最終底材300’的熱處理過程中保持捕捉層的多晶特性，在沉積電荷捕捉層之前，可先在底材上有利地提供由諸如二氧化矽製的非晶層。作為替代方案，捕捉層可透過將例如氬等重元素植入底材的表面厚度而形成，以在其中形成構成電荷陷阱的結構缺陷。捕捉層亦可經由使底材之表層厚度孔隙化(porosification)而形成。
0”:弱化區
1’,1’’:接合步驟
2’:薄化步驟
2’’:分離步驟
10,10’:壓電結構
20:壓電材料底材
30’:異質結構
100:支撐底材
100’:接合件
200:壓電材料層
200’:壓電層
201:剩餘層
300’:最終底材
1001,1002,2001,2002:介電鍵合層
下文關於本發明之實施方式一節，將更清楚說明本發明其他特徵和優點，實施方式係參照所附圖式提供，其中：
圖1繪示依照本發明一實施例之製作方法及根據此實施例製作之一底材；
圖2繪示依照本發明另一實施例之製作方法及根據此實施例製作之一底材；
圖3繪示依照本發明一實施例之移轉方法；
圖4繪示依照本發明另一實施例之移轉方法。
為便於理解，各層之間不一定按比例繪製。
1’:接合步驟
2’:薄化步驟
10’:壓電結構
20:壓電材料底材
100:支撐底材
100’:接合件
200:壓電材料層
1001,1002:介電鍵合層
Claims (12)
- 一種用於製作射頻元件用之壓電結構(10, 10’)之方法，該方法之特徵在於其包括提供一壓電材料底材(20)；提供一支撐底材(100)；在300°C或更低溫度下沈積一介電鍵合層(1001)至該壓電材料底材(20)之單個面上；透過該介電鍵合層(1001)將該壓電材料底材(20)與該支撐底材(100)接合之步驟(1’)；一薄化步驟(2’)，以形成該壓電結構(10, 10’)使其包含與該支撐底材(100)接合之一壓電材料層(200)。
- 如請求項1之方法，其中該介電鍵合層(1001)包含以電漿增強化學氣相沉積沈積在該壓電材料底材(20)上之一矽氧化物層。
- 如請求項1或2之方法，其中所述接合步驟(1’)包括該介電鍵合層(1001)與該支撐底材(100)間之分子鍵合，或該介電鍵合層(1001)與該介電鍵合層(1002)間之分子鍵合。
- 如請求項1至3任一項之方法，其更包括在低於沈積該介電鍵合層(1001)的溫度下進行之該鍵合交界面之一強固回火。
- 如請求項1至4任一項之方法，其中所述薄化步驟(2’)係在低於沈積該介電鍵合層(1001)的溫度下進行。
- 如請求項1至5任一項之方法，其中該壓電材料底材(20)具有適於反射射頻波之粗糙表面。
- 如請求項1至6任一項之方法，其中該介電鍵合層(1001)之厚度在200 nm至500 nm範圍內。
- 如請求項1至7任一項之方法，其更包括在該支撐底材(100)上提供一介電鍵合層(1002)。
- 如請求項1至8任一項之方法，其中所述薄化步驟(2’)包括一蝕刻及/或化學機械研磨。
- 一種用於將一壓電層(200’)移轉到一最終底材(300’)之方法，該方法包括提供透過如請求項1至9任一項之方法而獲得的一壓電結構(10, 10’)；在該壓電材料層(200)中形成一弱化區(0’’)以界定出待移轉之該壓電層(200’)；提供該最終底材(300’)；優選地在該最終底材及/或該壓電材料層(200)之主要面上形成介電鍵合層(2001, 2002)；透過鍵合方式接合該壓電材料層(200)與該最終底材(300’)之步驟(1’’)；一分離步驟(2’’)，其包括在低於或等於沈積該介電鍵合層(1001)的溫度下，使該壓電結構(10, 10’)沿該弱化區斷裂及分離。
- 如請求項10之方法，其中該弱化區係透過將原子物種植入該壓電材料層(200)而形成。
- 如請求項10或11之方法，其中該最終底材(300’)及該支撐底材(100)具有完全相同的膨脹係數。
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