WO2023232562A4 - Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques de surface - Google Patents

Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques de surface Download PDF

Info

Publication number
WO2023232562A4
WO2023232562A4 PCT/EP2023/063810 EP2023063810W WO2023232562A4 WO 2023232562 A4 WO2023232562 A4 WO 2023232562A4 EP 2023063810 W EP2023063810 W EP 2023063810W WO 2023232562 A4 WO2023232562 A4 WO 2023232562A4
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
substrate
manufacturing
poi
formation
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/063810
Other languages
English (en)
Other versions
WO2023232562A1 (fr
Inventor
Sylvain Ballandras
Thierry LAROCHE
Florent Bernard
Emilie Courjon
Saly N'DIAYE
Isabelle HUYET
Original Assignee
Soitec
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR2205312A external-priority patent/FR3136327A1/fr
Priority claimed from FR2205313A external-priority patent/FR3136325A1/fr
Priority claimed from FR2205311A external-priority patent/FR3136326A1/fr
Application filed by Soitec filed Critical Soitec
Publication of WO2023232562A1 publication Critical patent/WO2023232562A1/fr
Publication of WO2023232562A4 publication Critical patent/WO2023232562A4/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/08—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of resonators or networks using surface acoustic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
    • H03H9/02574—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of combined substrates, multilayered substrates, piezoelectrical layers on not-piezoelectrical substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02818—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02818—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02826—Means for compensation or elimination of undesirable effects of adherence
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02818—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02834—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02818—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02866—Means for compensation or elimination of undesirable effects of bulk wave excitation and reflections

Definitions

  • the present invention relates to the field of surface elastic wave devices. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a surface elastic wave device formed from a POI substrate that includes a layer of piezoelectric material.
  • SAW filter Surface Acoustic Wave filter
  • POI insulator
  • the support substrate plays the role of stiffener and makes it possible to limit thermal expansion as well as to influence the thermoelastic behavior of the layer of piezoelectric material.
  • a surface elastic mode propagating on a POI substrate, from which a surface elastic wave device is formed presents a temperature coefficient of the frequency (CTF or “TCF” for “Temperature coefficient of Frequency” according to Anglo-Saxon terminology) relatively low, and in particular less than 10 ppm.K -1 , in a frequency range which extends from 1.4 GHz to 2.4 GHz.
  • CTF or “TCF” for “Temperature coefficient of Frequency” according to Anglo-Saxon terminology relatively low, and in particular less than 10 ppm.K -1 , in a frequency range which extends from 1.4 GHz to 2.4 GHz.
  • the manufacturing of POI substrates can implement a process called “SmartCutTM” well known in the field of microelectronics, in particular for the manufacturing of silicon-on-insulator substrates.
  • the document [2] cited at the end of the description also discloses the implementation of a POI substrate using a layer of LiTaO 3 for the manufacture of a surface elastic wave filter.
  • the surface elastic wave filter described in this document comprises a lithium tantalate film on a mirror layer formed by alternating layers of low acoustic impedance and layers of high acoustic impedance on a silicon substrate.
  • trapping layer for example made of polycrystalline silicon, between the support substrate and the layer of dielectric material, and intended to limit the mean free path of the charges at the interfaces of the stack as well as the crosstalk likely to occur within a filter formed from the POI substrate considered.
  • the SmartCutTM process for forming a POI substrate.
  • the SmartCutTM process allows the removal of a layer of piezoelectric material, of a controlled thickness, from a massive substrate of piezoelectric material called a donor substrate.
  • the donor substrate can again be used for the formation of other POI substrates. This last aspect makes the SmartCutTM process competitive.
  • POI substrates thus capable of being formed according to the SmartCutTM process, are generally used for the design of elastic surface wave filters operating at resonance/anti-resonance frequencies above 1 GHz.
  • SmartCutTM process presents the versatility necessary to adapt the thicknesses of these layers.
  • a layer of thin dielectric material is no longer an effective barrier against the diffusion of certain species capable of forming the layer of piezoelectric material.
  • a layer of dielectric material with a thickness of less than 300 nm will allow lithium to diffuse from a layer of piezoelectric material comprising LaTiO3.
  • the lithium having thus diffused into the layer of dielectric material is a source of radio frequency losses.
  • An aim of the present invention is therefore to propose a method of manufacturing an elastic surface wave device, operating at frequencies below 1 GHz, implementing a SmartCutTM process and for which the diffusion of species during of the execution of said process remains limited.
  • the object of the present invention is achieved by a method of manufacturing an elastic wave device configured to operate at a frequency below 1 GHz, and formed on a POI substrate, the formation of the POI substrate comprising the following steps:
  • a step of transferring the useful layer onto a front face of a support substrate comprising in order an assembly of the useful layer with a face, called the front face, of the support substrate, and a heat treatment intended to initiate a fracture wave along the weakening in order to transfer the useful layer to the front face;
  • the method further comprising the formation of an intermediate stack, inserted between the front face and the useful layer, and which comprises, from the front face, a first layer, a second layer and a third layer, the first layer and comprising silicon dioxide, the second layer comprising silicon nitride, alumina or aluminum nitride, and the third layer comprising silicon dioxide or amorphous silicon.
  • the formation of the POI substrate also comprises a layer, called the trapping layer, interposed between the intermediate stack and the front face, the trapping layer being adapted to limit the mean free path of electrical carriers to the interface formed between the intermediate stack and said trapping layer with regard to the mean free path of electrical carriers at an interface formed between the intermediate stack and the support substrate.
  • the trapping layer comprises a defect density greater than a predetermined defect density, the predetermined defect density being a defect density for which the resistivity of the trapping layer is greater than or equal to 10 Kilo-ohm for temperatures between -20°C and 120°C.
  • the trapping layer comprises at least one of the materials included among: amorphous silicon, polycrystalline silicon.
  • the formation of the stack includes the formation of the third layer on the main face before the execution of step a) of implantation.
  • the formation of the stack comprises the formation of the first layer and the second layer on the front face so that the assembly, during the execution of step b), comprises bringing the second layer and the third layer into contact.
  • the third layer has a thickness of between 10 nm and 100 nm.
  • said method comprises a preliminary step, executed before step a), and during which the donor substrate is subjected to an oxygen treatment in the vapor phase so as to limit, or even reduce, the pyroelectric effects likely to appear in the donor substrate, and consequently in the useful layer, when it is subjected to an increase in temperature.
  • the donor substrate comprises lithium tantalate doped with iron, the iron doping being between 0.001% and 0.05%, advantageously between 0.002% and 0.01%, in percentage by weight.
  • the first layer has a thickness of between 100 nm and 1000 nm, advantageously between 300 nm and 800 nm, and the second layer has a thickness of between 20 nm and 300 nm.
  • said method comprises the formation of at least one electroacoustic transducer formed on and/or in the useful layer.
  • the support substrate comprises at least one of the elements chosen from: a silicon substrate having the orientation 110, a quartz substrate having an orientation (YX t )/ ⁇ /90° with ⁇ between -20° and 60°, advantageously between -10° and 30°, for example equal to 5°.
  • the LiTaO3 material has an orientation (YX)/ ⁇ with ⁇ between 10° and 52°, advantageously between 15° and 30°.
  • TCF coefficient 1 vertical axis, in ppm/K
  • standard POI substrate which comprises in order, from the front face, a cutting lithium tantalate layer (YXl)/42° defined according to the IEEE Std-176 standard on 600 nm thick piezoelectricity, a 500 nm thick silicon dioxide layer, a 1 ⁇ m polysilicon layer, and a 100 type silicon substrate;
  • TCF 1 vertical axis in ppm/K
  • ⁇ horizontal axis, in ° of angle
  • phase speed of the waves capable of propagating in layer 5 of LiTaO 3 of a surface elastic wave device formed from the POI substrate described above the phase speed, denoted v ⁇ (vertical axis, in m/s), is represented as a function of the operating frequency of the device (axis A in MHz) and the thickness of layer 6 of SiO 2 (axis B in nm ) ;
  • the electromechanical coupling factor of the fundamental elastic mode of surface shear propagating on a POI substrate described above is represented as a function of the operating frequency of an infinite periodic transducer formed on said POI substrate (axis A in MHz) and the thickness of layer 6 of SiO 2 (axis B in nm);
  • TCF 1 the coefficient of the fundamental elastic mode of surface shear propagating in a POI substrate described above
  • TCF 1 vertical axis, in ppm/ K
  • TCF 1 the coefficient of the fundamental elastic mode of surface shear propagating in a POI substrate described above
  • TCF 1 vertical axis, in ppm/ K
  • the electromechanical coupling factor of the fundamental elastic mode of surface shear propagating in the POI substrate described above and whose thickness of the layer 5 of LiTaO 3 is equal to 700 nm the electromechanical coupling factor, denoted k s 2 (vertical axis, in %), is represented as a function of the operating frequency of the transducer formed on said POI substrate (axis A in MHz) and the thickness of the layer 6 of SiO 2 (B axis in nm).
  • TCF 1 the coefficient of the fundamental elastic mode of surface shear propagating on a POI substrate described above and whose thickness of the LiTaO 3 layer is equal to 700 nm
  • TCF 1 vertical axis, in ppm/K
  • the electromechanical coupling factor of the fundamental elastic mode of surface shear propagating on the POI substrate described above and whose thickness of the LiTaO 3 layer is equal to 800 nm the electromechanical coupling factor, noted k s 2 (vertical axis, in %), is represented as a function of the operating frequency of the transducer formed on the POI substrate (axis A in MHz) and the thickness of the layer SiO 2 (B axis in nm);
  • TCF 1 the coefficient of the fundamental elastic mode of surface shear propagating on a POI substrate described above and whose thickness of the LiTaO 3 layer is equal to 700 nm
  • TCF 1 vertical axis, in ppm/K
  • step a) of the process according to the present invention There is a schematic representation of step a) of the process according to the present invention.
  • the present invention relates to a surface elastic wave device formed from a POI substrate.
  • document FR3127660 describes an elastic surface wave device as well as its operating principle.
  • the surface elastic wave device can be either: a filter, a resonator, a sensor. It is understood, however, that the present invention is not limited to these aspects, and those skilled in the art will be able to adapt the principles to any type of elastic surface wave device formed from a POI substrate.
  • the present invention relates to a surface elastic wave device produced on a POI substrate.
  • the POI substrate comprises, from a front face to a rear face, a layer of piezoelectric material, a layer of dielectric material and a support substrate.
  • the support substrate comprises at least one of the elements chosen from: a silicon substrate having an orientation of the type (110), a quartz substrate having an orientation (YXt)/ ⁇ /90° with ⁇ between -20° and 60°, advantageously between -10° and 30°, for example equal to 5°.
  • the device according to the present invention comprises, formed on and/or in the layer of piezoelectric material, at least one electroacoustic transducer.
  • the surface elastic wave device comprises at least one input electroacoustic transducer and at least one output electroacoustic transducer formed on or in the layer of piezoelectric material.
  • the at least one electroacoustic transducer according to the present invention can be equipped with Bragg mirrors with electrodes. Said electrodes can be arranged periodically, and in particular present a repetition period close to that of electrodes of the at least one transducer, located on either side of the transducer.
  • the structure may include at least one free surface interval within it.
  • the resonator thus formed is used as the impedance element of a filter combining one or more identical cells incorporating at least one resonator as described above.
  • orientation of a substrate or layer must be associated with its crystal orientation, defined according to the IEEE 1949 Std-176 standard.
  • FIG. 1 There is a schematic illustration of an elastic wave device of surface 1 (in particular on this , the device is a resonator).
  • the surface elastic wave device 1 comprises a POI substrate 2.
  • the POI substrate 2 comprises, in this regard, from a front face 3 towards a rear face 4, a layer of piezoelectric material 5, a first layer 6 of dielectric material and a support substrate 7.
  • the surface elastic wave device 1 is a band-pass filter which has a central frequency f 0 and a bandwidth ⁇ f which can be expressed as a fraction of this central frequency, typically between 0 .1% and 10% with a POI substrate provided with a piezoelectric layer 5 made of lithium tantalate LiTaO 3 .
  • a piezoelectric layer 5 made of lithium tantalate LiTaO 3 .
  • the consideration of a piezoelectric layer 5 based on LiNbO 3 makes it possible to push the upper limit of this fraction to 15% and more by choosing the crystalline orientation of said layer so as to maximize the electromechanical coupling of the mode thus exploited.
  • the surface elastic wave device 1 comprises at least one electroacoustic transducer, for example, and as illustrated in , at least one electroacoustic input transducer 8 and at least one electroacoustic output transducer 9.
  • the surface elastic wave filter is composed of at least one cell provided with at least one surface elastic wave resonator forming a quadrupole with an input port and an output port .
  • LCRF Longitudinally Coupled Resonator Filter
  • DMS Double Mode SAW
  • SCAW Surface Cavity Acoustic Wave
  • the electromagnetic signal to be filtered is applied to the filter input port and the filtered electromagnetic signal is taken from the filter output port.
  • the designation "input” and "output” is perfectly arbitrary and that the device, and in particular the filter, with elastic surface waves 1 can be operated by applying/taking indifferently an electromagnetic signal on one or the other of the two ports.
  • the electroacoustic input transducer 8 and the electroacoustic output transducer 9, as well as the resonators used as impedance elements in filters with cells arranged in cascades, conform to those known from the state of the art, some characteristics of which are recalled below.
  • Each transducer 8 and 9 comprises two interdigitated comb electrodes.
  • Such transducers 8 and 9 are each formed of a network of metal fingers which are alternately connected to two buses between which an electrical potential difference is applied/taken. With this device, it is thus possible to directly generate/detect an elastic surface wave in the layer of piezoelectric material 5.
  • the input electroacoustic transducer 8 and the output electroacoustic transducer 9 are generally configured to be identical. However, the invention is not limited to this aspect; those skilled in the art may consider two different transducers.
  • the filters that can be formed in this way are generally referred to as transverse filters. Indeed, their transfer function can advantageously be modulated by the interpenetration of the comb-shaped electrodes along the direction of propagation of the wave. For this type of component, the transducers are likely to operate outside the Bragg condition. These filters are known to have a finite impulse response. Those skilled in the art can also use transducers operating under the Bragg condition to which mirrors are advantageously added at each end of the filter to return the energy in phase in the structure considered, and thus giving rise to filters with infinite impulse response.
  • the previously mentioned impedance element filters also correspond to infinite impulse response filters in that they are made up of resonant elements.
  • the metal of the electrodes is typically based on aluminum, for example pure aluminum or an aluminum alloy such as aluminum doped with Cu, Si or Ti. It is nevertheless possible to use another material, for example to establish a higher reflection coefficient for a lower relative electrode thickness than that necessary with aluminum to achieve similar characteristics.
  • the preferred electrode materials are copper (Cu), molybdenum (Mo), nickel (Ni), platinum (Pt) or gold (Au) with an adhesion layer such as titanium (Ti) or tantalum (Ta) or chromium (Cr), zirconium (Zr), palladium (Pd), iridium (Ir), tungsten (W), etc.
  • the electrodes can also be composed of two materials among those designated above with the aim of optimizing the operation of the transducer via its functions of acoustic reflection, electromechanical coupling and losses, in particular ohmic.
  • the transducer then operates under the Bragg condition already mentioned above.
  • the speed of the elastic wave on a free surface or under an electroacoustic transducer depends in particular on the nature of the material in which the wave propagates. The latter is generally known or accessible to those skilled in the art by specifically using the elastic, piezoelectric and dielectric constants as well as the density tabulated in the literature in suitable models.
  • the bandpass filter in particular of given frequency and bandwidth, it may be considered to implement transducers whose synchronization frequencies are chosen to meet the aforementioned requirements.
  • the methods for implementing this or these choices are known to those skilled in the art and are therefore not described.
  • the width of metallization of the electrodes is generally chosen so that the a/p ratio is of the order of 0.5. This aspect is not likely to limit the scope of the present invention, and those skilled in the art may consider other relationships which may prove more advantageous for a given mode/material pair.
  • the number of pairs of fingers of each transducer is usually chosen in the order of 20 or 100 without restriction. Generally speaking, increasing the number of finger pairs increases the rejection of frequencies outside the passband and reduces the spectral extent of the admittance or impedance response of the transducer around its synchronism frequency.
  • the surface elastic wave device 1 can also comprise two external mirrors 10 and 11 arranged on either side of the pair of input 8 and output 9 electroacoustic transducers.
  • these mirrors 10 and 11 allow to confine a maximum of the elastic energy between the two electroacoustic transducers of input 8 and output 9.
  • they are designed to present a very high reflection coefficient, as close as possible to 1 (total reflection of the incident energy), by choosing the thickness of the mirror electrodes and the number of these electrodes, typically a few dozen per mirror in the case of a POI substrate for a shear wave.
  • these two external mirrors are in no way essential to the invention, and that a device conforming to the invention and fully functional may be without them.
  • the present invention aims to propose a device, for example a filter (without however limiting the invention to this aspect alone), with elastic surface waves 1 for which the temperature sensitivity remains limited for frequencies below 1 GHz.
  • the requirements in terms of temperature sensitivity require controlling the TCF 1 coefficient below a threshold value over the operating frequency range of the surface elastic wave device. More particularly, it is advantageous to maintain the TCF coefficient 1 at a value less than 20 ppm/K, advantageously less than 15 ppm/K, even more advantageously less than 10 ppm/K.
  • the inventors were able to observe that the POI substrates known from the state of the art have a relatively high temperature sensitivity when they are used for the manufacture of elastic surface wave devices operating at frequencies lower than 1 GHz, and more particularly between 400 MHz and 1 GHz.
  • the (curve A) illustrates the variation of the TCF coefficient 1 of the fundamental elastic mode of surface shear propagating on a POI substrate known from the state of the art.
  • this substrate comprises, from a front face to a rear face, the following layers:
  • the TCF coefficient 1 of the fundamental elastic mode of surface shear propagating on the POI substrate known from the state of the art remains less than 15 ppm/K for operating frequencies above 1.3 GHz, but can reach values greater than 20 ppm/K, or even 25 ppm/K, as long as the frequency is less than 1 GHz.
  • the inventors were able to clearly observe a reduction in the TCF coefficient 1 when the silicon substrate of type 100 is replaced by a silicon substrate 110.
  • the consideration of a silicon substrate 110 induces a reduction, and more particularly a reduction in 1%, of the electromechanical coupling factor of the mode considered.
  • the consideration of a support substrate made of silicon 110 makes it possible to reduce the TCF coefficient 1 for frequencies below 1 GHz, and in particular between 400 MHz and 1 GHz.
  • a support substrate made of silicon of type 110 (or (XYw)/45° cut according to standard IEEE Std-176) or of type IEEE Std-176 (XYt )/45°.
  • each POI substrate considered comprises a layer of piezoelectric material made of LiTa0 3 and a thickness equal to 700 nm, and a layer of dielectric material made of SiO 2 and a thickness equal to 350 nm.
  • curve C is obtained for a POI substrate which comprises a silicon support substrate of type 110 while curve D is obtained for a POI substrate which comprises a silicon support substrate of type IEEE Std-176 (XYt)/ 45° or (YXt)/45°.
  • the TCF 1 coefficient remains less than 13 ppm/K while the electromechanical coupling of the surface elastic mode considered is little affected compared to that observed when the fundamental elastic surface shear mode is guided by a POI substrate known from the state of the art.
  • a support substrate made of quartz having an orientation (YX/t)/ ⁇ /90° with ⁇ between -20° and 60°, advantageously between -10° and 30° , for example equal to 5°.
  • the first layer 6 of dielectric material comprises silicon dioxide and has a thickness greater than 300 nm, advantageously between 300 nm and 600 nm, even more advantageously between 300 nm and 400 nm.
  • the inventors also studied the effect of the crystalline orientation of the layer of piezoelectric material on the amplitude of the TCF 1 coefficient.
  • a surface mode guided by a POI substrate which comprises, from its front face to its rear face, a layer of LiTaO 3 which has a thickness of 700 nm and a crystal orientation (YZl)/ ⁇ (with ⁇ between 0° and 30°), a layer of SiO 2 which has a thickness of 350 nm and a support substrate made of silicon.
  • the and the represent the variation, respectively, of the coefficient TCF 1 and of the electromechanical coupling associated with the fundamental elastic mode of surface shear guided by a POI substrate described above and as a function of the angle ⁇ of the LiTaO 3 layer.
  • the TCF 1 coefficient remains less than 15 ppm/K and the electromechanical coefficient is greater than 10%.
  • the POI substrate according to the present invention may further comprise a second layer 12 interposed between the layer of piezoelectric material 5 and the first layer 6 of dielectric material ( ).
  • the second layer 12 is advantageously associated with a temperature coefficient of the frequency of sign opposite to that with which the layer of dielectric material 5 is associated. This last aspect makes it possible to compensate for the effect associated with the dielectric layer 6 on the coefficient TCF 1 .
  • a temperature coefficient of the frequency associated with a layer of a given material corresponds to the temperature coefficient of the frequency of a surface elastic mode propagating on said layer. It is also understood that, in the present case, two frequency temperature coefficients are compared for frequencies below 1 GHz.
  • the additional layer may comprise a dielectric material and/or a semiconductor or even piezoelectric material.
  • the dielectric layer 6, for example made of SiO 2 is associated with a positive frequency temperature coefficient, that with which the second layer 12 is associated, for example made of SiN, of Al 2 O 3 or AlN, is negative.
  • the additional layer can present, for frequencies below 1 GHz, an acoustic impedance greater than or equal to that of the first layer 6 of dielectric material.
  • the second layer 12 also makes it possible to reduce the TCF coefficient 1 of a fundamental elastic shear mode guided on POI. Since the layer includes silicon nitride (SiN), this reduction can reach 5 ppm/K or even more depending on the thickness of said layer.
  • SiN silicon nitride
  • silicon nitride considered in the present invention is not necessarily stoichiometric.
  • the inventors have also noted that the positioning of the second layer 12 under the first layer 6 of dielectric material does not produce a notable effect on the TCF coefficient 1 of a surface elastic mode propagating in the POI substrate.
  • the second layer 12 has a thickness of between 20 nm and 300 nm.
  • the implementation of the second layer 12 advantageously makes it possible to consider a dielectric layer 6 of greater thickness.
  • a second layer 12 made of SiN and a first layer 6 of dielectric material made of SiO 2 can be formed during the same process step, and in particular in a chemical vapor deposition frame under pressure conditions extended (PECVD for Pressure Enhanced Chemical Vapor Deposition according to the Anglo-Saxon name).
  • PECVD Pressure Enhanced Chemical Vapor Deposition according to the Anglo-Saxon name
  • the inventors have estimated the effect on the TCF coefficient 1 of the fundamental elastic mode of surface shear guided on the POI substrate.
  • This simulation implements an analysis based on Green functions representing the dispersive behavior of modes on stratified substrates.
  • the POI substrate considered in this analysis comprises, from its front face to its rear face:
  • the POI substrate can also include a trapping layer made of polycrystalline silicon and having a thickness of around 1 ⁇ m and more generally between 400 nm and 2 ⁇ m.
  • the inventors were able to evaluate the phase speed of the waves likely to propagate in layer 5 of LiTaO 3 , the electromechanical coupling factor as well as the TCF coefficient 1 of the fundamental elastic mode of surface shear guided on the POI substrate described below. Before.
  • the represents, graphically (according to a 3D representation), the phase speed of the waves likely to propagate in layer 5 of LiTaO 3 of the fundamental elastic mode of surface shear guided on the POI substrate described above.
  • the phase speed of this mode noted v ⁇ (vertical axis, in m/s), is represented as a function of the operating frequency of the filter (axis A in MHz) and the thickness of layer 6 of SiO 2 (B axis in nm).
  • the electromechanical coupling factor denoted k s 2 (vertical axis, in %), is represented as a function of the operating frequency of the mode (axis A in MHz) and the thickness of layer 6 of SiO 2 (axis B in nm).
  • TCF 1 the coefficient of the fundamental elastic mode of surface shear guided on the POI substrate described above.
  • the TCF coefficient 1 (vertical axis, in ppm/K) is represented as a function of the operating frequency of the mode (axis A in MHz) and the thickness of layer 6 of SiO 2 (axis B in nm).
  • the TCF 1 of the surface elastic mode considered is less than 10 ppm/K for frequencies between 600 MHz and 2 GHz and for SiO 2 thicknesses less than or equal to 350 nm.
  • This relatively low value of the TCF 1 coefficient with regard to the modes used for the manufacture of filters known from the state of the art, is attributable to the implementation of layer 12 of SiN.
  • the implementation of the second layer 12 induces an increase in the phase speed and a reduction in the electromechanical coupling factor of the order of 1% with regard to an elastic guided surface shear wave known from the state of the technique, that is to say devoid of the SiN layer.
  • a trapping layer made of polycrystalline silicon and having a thickness of around 1 ⁇ m;
  • the electromechanical coupling factor denoted k s 2 (vertical axis, in %), is represented as a function of the operating frequency of the mode (axis A in MHz) and the thickness of layer 6 of SiO 2 (axis B in nm).
  • TCF 1 the coefficient of the fundamental elastic mode of surface shear guided on the POI substrate described above and whose thickness of the layer 5 of LiTaO 3 is equal to 700 nm .
  • the coefficient TCF 1 denoted TCF 1 (vertical axis, in ppm/K), is represented as a function of the operating frequency of the mode (axis A in MHz) and the thickness of the layer 6 of SiO 2 (axis B in nm).
  • the electromechanical coupling factor denoted k s 2 (vertical axis, in %), is represented as a function of the operating frequency of the mode (axis A in MHz) and the thickness of layer 6 of SiO 2 (axis B in nm).
  • TCF 1 the coefficient of the fundamental elastic mode of surface shear guided on the POI substrate described above and whose thickness of the layer 5 of LiTaO 3 is equal to 800 nm (The star corresponds to an operating point for which k s 2 is maximum while the TCF coefficient 1 is minimum).
  • the coefficient TCF 1 denoted TCF 1 (vertical axis, in ppm/K), is represented as a function of the operating frequency of the mode (axis A in MHz) and the thickness of the layer 6 of SiO 2 (axis B in nm).
  • the implementation of the second layer 12 of SiN allows, for a layer 6 of SiO 2 with a thickness less than 400 nm and a layer of LiTaO 3 with a thickness equal to 700 nm, to obtain a factor of electromechanical coupling of the mode greater than 10% ( ) for frequencies between 800 MHz and 1600 MHz, and a TCF 1r coefficient close to 10 ppm/K ( ).
  • the same second layer 12 of SiN allows, for a layer 6 of SiO 2 with a thickness less than 400 nm and a layer of LiTaO 3 with a thickness equal to 800 nm, to obtain a factor of electromechanical coupling of the mode greater than 11% ( ) for frequencies between 800 MHz and 1600 MHz, and a TCF 1r coefficient close to less than 10 ppm/K ( ).
  • an elastic surface wave device based on the exploitation of the mode of interest also has a resonance frequency and an anti-resonance frequency, itself characterized by its own coefficient TCF 1 .
  • a very weak TCF 1 coefficient, characterizing the resonance, or even zero, can have a negative impact on the TCF 1 coefficient characterizing the anti-resonance of the device considered, in particular in the case of single rotation cuts of niobate and tantalate of lithium known to present for the same mode and particularly for the TCF shear modes of resonance and antiresonance different from each other.
  • the present invention therefore also proposes an optimization of the parameters characterizing the POI substrate in order to better appreciate the TCF 1 coefficients relating, respectively, to the resonance and the anti-resonance of a device formed on said substrate. More particularly, the present invention proposes to adjust the coefficient TCF 1 relating to resonance (hereinafter TCF 1r ) and the coefficient TCF 1 relating to anti-resonance (hereinafter TFC 1AR ). In particular, the present invention proposes to adjust the TCF 1r coefficient to values less than 15 ppm/K and the TFC 1AR coefficient to values between –4 ppm/K and 0 ppm/K. Equivalently, the present invention proposes to adjust the TCF 1R coefficient to lower values of between 5 ppm/K and 10 ppm/K and the TFC 1AR term to values of between –10 ppm/K and -5 ppm/ K.
  • the inventors have also studied materials other than SiN to form the second layer 12.
  • the second layer 12 may comprise at least one of the materials chosen from: SiC, Al 2 O 3 , AlN, Diamond carbon, GaN, LiNbO 3 , ZnO.
  • LiNbO 3 is the most favorable material for minimizing the modal sensitivity to frequency in the range 800-1200 MHz.
  • a second layer 12 made of diamond carbon seems advantageous for frequencies below 800 MHz.
  • the present invention as described above covers a plurality of aspects which can be considered independently or in combination in order to optimize (reduce) the TCF coefficient 1 to values less than 20 ppm/K, advantageously less than 15 ppm/ K, even more advantageously less than 10 ppm/K, since the operating frequency of the device and in particular of the elastic surface wave filter is less than 1 GHz.
  • the POI substrate also comprises a trapping layer interposed between the layer of dielectric material and the support substrate, the trapping layer being adapted to limit the mean free path of electrical carriers at the interface formed between the layer of material dielectric and the trapping layer with regard to the mean free path of electrical carriers at an interface formed between the layer of dielectric material and the support substrate.
  • the trapping layer may comprise polycrystalline silicon and advantageously has a thickness of between 400 nm and 2000 nm.
  • Said method notably comprises forming the surface elastic wave device from a POI substrate.
  • the method advantageously comprises the formation of the POI substrate.
  • a step of transferring the useful layer onto a front face of a support substrate comprising in order an assembly of the useful layer with a face, called the front face, of the support substrate, and a heat treatment intended to initiate a fracture wave along the weakened zone in order to transfer the useful layer to the front face;
  • the method further comprises the formation of an intermediate stack 101, inserted between the front face and the useful layer, and which comprises, from the front face, a first layer, a second layer and a third layer, the first layer and the third layer comprising silicon dioxide, and the second layer comprising silicon nitride.
  • the POI substrate comprises, in order, a support substrate 110, a first layer 120, a second layer 130, a third layer 140 (the first layer 120, the second layer 130 and the third layer 140 forming an intermediate stack 101) and a useful layer 150.
  • the first layer 120 may comprise SiO2
  • the second layer 130 may comprise silicon nitride (SiN)
  • the third layer 140 may comprise SiO 2 .
  • the POI substrate 100 may also comprise a trapping layer 160.
  • the trapping layer 160 may comprise amorphous silicon and/or polycrystalline silicon.
  • the trapping layer 160 is interposed between the intermediate stack 101 and a front face 110a of the support substrate 110.
  • the trapping layer 160 is adapted to limit the mean free path of electrical carriers at the interface formed between the stack intermediate and said trapping layer with regard to the mean free path of electrical carriers at an interface formed between the intermediate stack and the support substrate.
  • the support substrate comprises at least one of the elements chosen from: a silicon substrate having the orientation 110, a quartz substrate having an orientation (YX/t)/ ⁇ /90° with ⁇ between - 20° and 60°, advantageously between -10° and 30°, for example equal to 5°.
  • step a) comprises the implantation of species by one face, called the main face 200, of a donor substrate 210 which comprises a piezoelectric material.
  • step a) is carried out so as to form a layer, called the weakening zone 211, in the volume of the donor substrate 210, and delimiting, with the main face 200 of said donor substrate, the useful layer 150.
  • the weakening zone 211 forms a layer essentially parallel to the main face 200.
  • the thickness of the useful layer 150 depends on the conditions of implantation of the species and their nature.
  • step a may consider the implantation of hydrogen or helium ions.
  • step a) can be preceded by a preliminary step, and during which the piezoelectric material is subjected to an oxygen treatment in the vapor phase so as to limit, or even reduce, the pyroelectric effects likely to appear in the donor substrate, and consequently in the useful layer, when it is subjected to an increase in temperature.
  • the method can also include the formation of the layer of dielectric material on one or the other of the donor substrate or the support substrate, in particular by PECVD.
  • the method can also include the formation of the additional layer, for example on the dielectric layer if the latter is formed first on the support substrate.
  • the donor substrate 210 may comprise lithium tantalate doped with iron, the iron doping being between 0.001% and 0.05%, advantageously between 0.002% and 0.01%, in percentage by weight.
  • the formation of the intermediate stack 101 may include the formation of the third layer 140 on the main face before the execution of implantation step a).
  • the third layer 140 can be formed by PECVD.
  • the third layer has a thickness of between 10 nm and 100 nm.
  • the aforementioned thicknesses typically correspond to one of the thicknesses less than ⁇ /20 and ideally less than ⁇ /50 where ⁇ is the acoustic wavelength equal to twice the mechanical period of a inter-digital transducer operating at the Bragg frequency.
  • the formation of the intermediate stack may comprise the formation of the first layer 120 on a front face 110 of a support substrate 110, then the formation of the second layer 130 covering the first layer 120 ( ).
  • the first layer has a thickness of between 100 nm and 1000 nm, advantageously between 300 nm and 800 nm, and the second layer has a thickness of between 20 nm and 300 nm.
  • the ratio of the thickness of the second layer to the thickness of the first layer will advantageously be between 1:4 and 1:3.
  • the thickness of the piezoelectric layer made of LaTiO 3 can be included between 500 nm and 800 nm
  • the second layer, made of SiN may have a thickness of between 100 nm and 200 nm
  • the first layer, made of SiO 2 may have a thickness of between 300 and 600 nm.
  • the formations of the third layer 140 on the one hand, and of the first layer 120 and the second layer 130 on the other hand are followed by a step b) of transferring the useful layer 150 onto a front face of a support substrate, the transfer step comprising in order an assembly of the useful layer with a face, called the front face 110a, of the support substrate 110, and a heat treatment intended to initiate a fracture wave along the zone of weakening in order to transfer the useful layer 150 to the front face 110a.
  • the assembly can include bringing the second layer 130 and the third layer 140 into contact ( ).
  • the third layer is an adhesion layer formed at least partly on the donor substrate and more particularly on the main face of said donor substrate.
  • the second layer which comprises SiN
  • the second layer is obtained by gas phase deposition of a mixture of silane with NH3 and/or N2. Consequently, said second layer comprises hydrogen which should be eliminated in order to avoid its migration towards the piezoelectric layer at the end of step b).
  • the formation of the second layer on the front face of the support substrate makes it possible to carry out a heat treatment only on the support substrate, the first layer and the second layer.
  • This last aspect makes it possible to limit the thermal history of the piezoelectric material and to preserve its properties (in particular limiting the risks of domain inversion).
  • Consideration of the third layer formed, at least partly on the main face of the donor substrate, makes it possible to consider the latter as a bonding layer. In other words, this aspect limits the thermal history of the piezoelectric material and limits the risks of domain inversion.
  • the thickness of the third layer of SiO 2 is between 10nm (covering the entire surface) and 50nm.
  • ADB bonding with a third layer made of amorphous silicon with a thickness of a few nm.
  • the assembly is advantageously a molecular bonding.
  • the method may also include forming the trapping layer 160 on the support substrate 110 prior to the formation of the first layer 120.
  • the first layer 120 is formed covering the trapping layer.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

L'invention concerne un Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques configuré pour fonctionner à une fréquence inférieure à 1 GHz, et formé sur un substrat POI, la formation du substrat POI comprenant les étapes suivantes : - a) une étape d'implantation d'espèces dans un substrat LiTaO3, (210) pour former une couche utile (150); - b) une étape de report de la couche utile sur une face avant d'un substrat support (110); le procédé comprenant en outre la formation d'un empilement intermédiaire, intercalé entre la face avant et la couche utile, et qui comprend à partir de la face avant, une première couche (120), une deuxième couche (130) et une troisième couche (140), la première couche et comprenant du dioxyde de silicium, la deuxième couche comprenant du nitrure de silicium, de l'alumine ou du nitrure d'aluminium, et la troisième couche comprenant du dioxyde de silicium ou du silicium amorphe.

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UN DISPOSITIF À ONDES ÉLASTIQUES DE SURFACE DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs à ondes élastiques de surface. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI qui comprend une couche de matériau piézoélectrique.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Initialement fabriqués sur des substrats massifs de matériaux piézoélectriques monocristallins (ci-après « substrat massif »), les filtres à ondes élastiques de surface (« SAW filter » ou « Surface Acoustic Wave filter », selon la terminologie Anglo-Saxone) mettent désormais en œuvre des substrats piézoélectriques sur isolant (ci-après « POI »). Ces derniers comprennent notamment, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique et un substrat support.
Ces substrats POI, contrairement aux substrats massifs, permettent de répondre à certaines exigences en termes de sensibilité à la température des modes élastiques de surface guidés dans la couche de matériau piézoélectrique.
Notamment, le substrat support joue le rôle de raidisseur et permet de limiter la dilatation thermique ainsi que d’influer sur le comportement thermoélastique de la couche de matériau piézoélectrique.
Ainsi, de manière générale, un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI, à partir duquel est formé un dispositif à ondes élastiques de surface, présente un coefficient de température de la fréquence (CTF ou « TCF » pour « Temperature coefficient of Frequency » selon la terminologie Anglo-Saxonne) relativement faible, et notamment inférieur à 10 ppm.K-1, dans une gamme de fréquences qui s’étend de 1,4 GHz à 2,4 GHz.
La fabrication des substrats POI peut mettre en œuvre un procédé dit « SmartCut™ » bien connu du domaine de la micro-électronique, notamment pour la fabrication des substrats de silicium sur isolant.
A cet égard, le document [1] cité à la fin de la description propose de transférer une couche de matériau piézoélectrique, et plus particulièrement de LiNbO3 (ci-après « LNO »), sur un substrat de silicium selon le procédé SmartCut™.
Le document [2] cité à la fin de la description divulgue également la mise en œuvre d’un substrat POI exploitant une couche de LiTaO3 pour la fabrication d’un filtre à ondes élastiques de surface. Le filtre à ondes élastiques de surface décrit dans ce document comprend un film de tantalate lithium sur une couche miroir formée d’une alternance de couches à impédance acoustique faible et des couches à impédance acoustique élevée sur un substrat de silicium.
Il a également été considéré d’intercaler une couche dite de piégeage, par exemple faite de silicium polycristallin, entre le substrat support et la couche de matériau diélectrique, et destinée à limiter le libre parcours moyen des charges aux interfaces de l’empilement ainsi que les diaphonies susceptibles d’intervenir au sein d’un filtre formé à partir du substrat POI considéré.
Les avantages du procédé SmartCut™ pour la formation d’un substrat POI sont bien connus. Notamment, le procédé SmartCut™ permet le prélèvement d’une couche de matériau piézoélectrique, d’une épaisseur contrôlée, à partir d’un substrat massif de matériau piézoélectrique dit substrat donneur. Par ailleurs, après son recyclage, le substrat donneur peut à nouveau être utilisé pour la formation d’autres substrats POI. Ce dernier aspect permet de rendre le procédé SmartCut™ compétitif.
Les substrats POI, ainsi susceptibles d’être formés selon le procédé SmartCut™, sont généralement mis en œuvre pour la conception de filtres à ondes élastiques de surface fonctionnant à des fréquences de résonance/anti-résonance supérieures à 1 GHz.
Il existe aujourd’hui un intérêt pour la formation des filtres à ondes élastiques de surface formés sur des substrats POI et fonctionnant à des fréquences de résonance/anti-résonance inférieures à 1 GHz. Toutefois, afin de contenir le coefficient de température de la fréquence d’un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI à des valeurs raisonnables (par exemple inférieures à 10 ppm.K-1), il peut être nécessaire d’adapter les épaisseurs de la couche de matériau piézoélectrique et/ou de la couche de matériau diélectrique. Plus particulièrement, il peut être requis de réduire l’épaisseur de la couche de matériau diélectrique et/ou d’augmenter l’épaisseur de la couche de matériau piézoélectrique.
A cet égard, le procédé SmartCut™ présente la versatilité nécessaire pour adapter les épaisseurs de ces couches.
Néanmoins, une couche de matériau diélectrique fine, et notamment d’une épaisseur inférieure à 300 nm voire inférieure à 200 nm, n’est plus une barrière efficace contre la diffusion de certaines espèces susceptibles de former la couche de matériau piézoélectrique. Par exemple, une couche de matériau diélectrique d’une épaisseur inférieure à 300 nm laissera diffuser le lithium d’une couche de matériau piézoélectrique comprenant du LaTiO3. Notamment, le lithium ayant ainsi diffusé dans la couche de matériau diélectrique (par exemple du SiO2) est source de pertes radiofréquences.
Également, il n’est pas souhaitable de considérer une couche de matériau piézoélectrique d’une épaisseur trop importante, et notamment supérieure à 500 nm. En effet, ces épaisseurs nécessitent, lors de la mise en œuvre du procédé SmartCut™ pour la formation du substrat POI, de considérer des énergies d’implantation dans le substrat massif de matériau piézoélectrique (le substrat donneur) relativement importantes, qui, par voie de conséquence génèrent des endommagements souvent rédhibitoires pour la formation de filtres à ondes élastiques de surface.
Un but de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication d’un dispositif à ondes élastiques de surface, fonctionnant à des fréquences inférieures à 1 GHz, mettant en œuvre un procédé SmartCut™ et pour lequel la diffusion d’espèces au cours de l’exécution dudit procédé reste limitée.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
Le but de la présente invention est atteint par un procédé de fabrication d’un dispositif à ondes élastiques configuré pour fonctionner à une fréquence inférieure à 1 GHz, et formé sur un substrat POI, la formation du substrat POI comprenant les étapes suivantes :
a) une étape d’implantation d’espèces dans un substrat donneur, comprenant du LaTiO3, l’implantation d’espèce étant destinée à former une couche, dite zone de fragilisation dans le volume du substrat donneur, et délimitant avec une face, dite face principale, dudit substrat donneur, une couche utile ;
b) une étape de report de la couche utile sur une face avant d’un substrat support, l’étape de report comprenant dans l’ordre un assemblage de la couche utile avec une face, dite face avant, du substrat support, et un traitement thermique destiné à initier une onde de fracture le long de fragilisation afin de transférer la couche utile sur la face avant ;
le procédé comprenant en outre la formation d’un empilement intermédiaire, intercalé entre la face avant et la couche utile, et qui comprend à partir de la face avant, une première couche, une deuxième couche et une troisième couche, la première couche et comprenant du dioxyde de silicium, la deuxième couche comprenant du nitrure de silicium, de l’alumine ou du nitrure d’aluminium, et la troisième couche comprenant du dioxyde de silicium ou du silicium amorphe.
Selon un mode de mise en œuvre, la formation du substrat POI comprend également une couche, dite couche de piégeage, intercalée entre l’empilement intermédiaire et la face avant, la couche de piégeage étant adaptée pour limiter le libre parcours moyen de porteurs électriques à l’interface formée entre l’empilement intermédiaire et ladite couche de piégeage au regard du libre parcours moyen de porteurs électriques à une interface formée entre l’empilement intermédiaire et le substrat support.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche de piégeage comprend une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminée, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage est supérieure ou égale à 10 Kilo-ohm pour des températures comprises entre -20°C et 120°C.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche de piégeage comprend au moins l’un des matériaux compris parmi : le silicium amorphe, le silicium polycristallin.
Selon un mode de mise en œuvre, la formation de l’empilement comprend la formation de la troisième couche sur la face principale avant l’exécution de l’étape a) d’implantation.
Selon un mode de mise en œuvre, la formation de l’empilement comprend la formation de la première couche et de la deuxième couche sur la face avant de sorte que l’assemblage, lors de l’exécution de l’étape b), comprenne la mise en contact de la deuxième couche et de la troisième couche.
Selon un mode de mise en œuvre, la troisième couche est d’une épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé comprend un étape préliminaire, exécutée avant l’étape a), et au cours de laquelle le substrat donneur est soumis à un traitement d’oxygène en phase vapeur de manière à limiter, voire réduire, les effets de pyroélectricité susceptible d’apparaître dans le substrat donneur, et par voie de conséquence dans la couche utile, lorsqu’il est soumis à une hausse de température.
Selon un mode de mise en œuvre, le substrat donneur comprend du tantalate de lithium dopée au fer, le dopage au fer étant compris entre 0,001 % et 0,05 %, avantageusement entre 0,002 % et 0,01%, en pourcentage massique.
Selon un mode de mise en œuvre, la première couche est d’une épaisseur comprise entre 100 nm et 1000 nm, avantageusement entre 300 nm et 800 nm, et la deuxième couche est d’une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé comprend la formation d’au moins un transducteur électroacoustique formé sur et/ou dans la couche utile.
Selon un mode de mise en œuvre, le substrat support comprend au moins l’un des éléments choisis parmi : un substrat de silicium présentant l’orientation 110, un substrat de quartz présentant une orientation (YXt)/θ/90° avec θ compris entre -20° et 60°, avantageusement compris entre -10° et 30°, par exemple égal à 5°.
Selon un mode de mise en œuvre, le matériau LiTaO3 présente une orientation (YX)/θ avec θ compris entre 10° et 52°, avantageusement compris entre 15° et 30°.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
La est une représentation schématique d’un résonateur à ondes élastiques de surface selon un plan de coupe perpendiculaire à une face principale du substrat support du substrat POI conforme aux principes de la présente invention ;
La est une représentation graphique de l’évolution du coefficient TCF1 (axe vertical, en ppm/K), du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant sous un réseau d’électrodes périodique d’un substrat POI, en fonction de la fréquence (axe horizontal, en MHz), le substrat POI dit standard qui comprend dans l’ordre, à partir de la face avant, une couche de tantalate de lithium de coupe (YXl)/42° définie selon le standard IEEE Std-176 sur la piézoélectricité de 600 nm d’épaisseur, une couche de dioxyde de silicium de 500 nm d’épaisseur, une couche de polysilicium de 1 µm, et un substrat de silicium de type 100;
La est une représentation graphique de l’évolution du coefficient TCF1 (axe vertical, en ppm/K), d’un mode élastique de surface se propageant sous un réseau d’électrodes périodique d’un substrat POI, en fonction de la fréquence (axe horizontal, en MHz), notamment la courbe C et la courbe D représentent le coefficient TCF1 associé à un substrat POI qui comprend un substrat support fait de silicium, respectivement, du type 110 ou du type (XYt)/45° ou (YXt)/45° selon la norme IEEE Std-176 ;
La représente la variation du TCF1 (axe vertical en ppm/K) du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant sur un substrat POI et en fonction de l’angle θ de coupe (axe horizontal, en ° d’angle) de la couche de LiTaO3, le substrat POI considéré comprenant un substrat support fait de silicium, et une couche de SiO2 de 350 nm d’épaisseur et intercalée entre le substrat support et la couche de LiTaO3 ;
La représente la variation du couplage électromécanique (axe vertical, en %) du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant sur un substrat POI décrit en relation avec la et en fonction de l’angle θ de coupe (axe horizontal, en °) de la couche de LiTaO3 ;
La est une représentation schématique d’un résonateur à ondes élastiques de surface selon un plan de coupe perpendiculaire à une face principale du substrat support du substrat POI conforme aux principes de la présente invention ;
la représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), la vitesse de phase des ondes susceptibles de se propager dans la couche 5 de LiTaO3 d’un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir du substrat POI décrit ci-avant, la vitesse de phase, notée vϕ (axe vertical, en m/s), est représentée en fonction de la fréquence de fonctionnement du dispositif (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm) ;
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le facteur de couplage électromécanique du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant sur un substrat POI décrit ci-avant, le facteur de couplage électromécanique, notée ks 2 (axe vertical, en %), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement d’un transducteur périodique infini formé sur ledit substrat POI (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm) ;
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant dans un substrat POI décrit ci-avant, le coefficient TCF1, notée TCF1 (axe vertical, en ppm/K), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du transducteur (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm) ;
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le facteur de couplage électromécanique du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant dans le substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche 5 de LiTaO3 est égale à 700 nm, le facteur de couplage électromécanique, notée ks 2 (axe vertical, en %), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du transducteur formé sur ledit substrat POI (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm).
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant sur un substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche de LiTaO3 est égale à 700 nm, le coefficient TCF1, noté TCF1 (axe vertical, en ppm/K), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du transducteur (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche de SiO2 (axe B en nm).
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le facteur de couplage électromécanique du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant sur le substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche de LiTaO3 est égale à 800 nm, le facteur de couplage électromécanique, noté ks 2 (axe vertical, en %), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du transducteur formé sur le substrat POI(axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche de SiO2 (axe B en nm) ;
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant sur un substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche de LiTaO3 est égale à 700 nm, le coefficient TCF1, notée TCF1 (axe vertical, en ppm/K), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du transducteur (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm) ;
La est représentation graphique de l'évolution de la vitesse de phase du mode fondamental de cisaillement (axe vertical, en m/s) en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) et se propageant dans un substrat POI qui comprend une couche de LiTaO3 (YXl)42° de 600 nm, une couche additionnelle de 100 nm, une couche diélectrique de 400 nm, et un substrat support de Silicium, la couche additionnelle pouvant comprendre Carbone diamant, GaN, ZnO, LiNbO3 ;
La est représentation graphique de l’évolution de la vitesse de phase du mode fondamental de cisaillement (axe vertical, en m/s) en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz),et se propageant dans un substrat POI qui comprend une couche de LiTaO3 (YXl)42° de 600 nm, une couche additionnelle de 100 nm, une couche diélectrique de 400 nm, et un substrat support de Silicium, la couche additionnelle pouvant comprendre : SiN, poly Si, AlN, Al2O3 ;
La est représentation schématique d’un dispositif à ondes élastiques de surface selon un plan de coupe perpendiculaire à une face avant du substrat support conforme aux principes de la présente invention ;
La est représentation schématique de l’étape a) du procédé selon la présente invention ;
La est représentation schématique de la formation de la première couche et de la deuxième couche sur le substrat support ;
La est représentation schématique de l’assemblage de la deuxième couche avec la troisième couche ;
La est représentation schématique de la fracture le long de la zone de fragilisation.
 
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Par souci de simplification de la description à venir, les mêmes références sont utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction dans les différents modes de mise en œuvre exposés de l’invention et dans l’état de la technique.
La présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI. A cet égard, le document FR3127660 décrit un dispositif à onde élastique de surface ainsi que son principe fonctionnement.
Selon la présente invention, le dispositif à ondes élastiques de surface peut être au choix : un filtre, un résonateur, un capteur. Il est toutefois entendu que la présente invention n’est pas limitée à ces aspects, et l’homme du métier pourra en adapter les principes à tout type de dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI.
Notamment, la présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface réalisé sur un substrat POI. Notamment, le substrat POI comprend, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique et un substrat support.
A cet égard, le substrat support comprend au moins l’un des éléments choisis parmi : un substrat de silicium présentant une orientation du type (110), un substrat de quartz présentant une orientation (YXt)/θ/90° avec θ compris entre -20° et 60°, avantageusement compris entre -10° et 30°, par exemple égal à 5°.
Par ailleurs, le dispositif selon la présente invention comprend, formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique, au moins un transducteur électroacoustique. Par exemple, et sans toutefois limiter la portée de la présente invention, le dispositif à ondes élastiques de surface comprend au moins un transducteur électroacoustique d’entrée et au moins un transducteur électroacoustique de sortie formés sur ou dans la couche de matériau piézoélectrique. L’au moins un transducteur électroacoustique selon la présente invention peut être équipé de miroirs de Bragg à électrodes. Lesdites électrodes peuvent être arrangées périodiquement, et notamment présenter une période de répétition proche de celle d‘électrodes de l’au moins un transducteur, localisées de part et d’autre du transducteur. La structure peut inclure au moins un intervalle de surface libre en son sein. Le résonateur ainsi formé est utilisé comme élément d’impédance d’un f iltre combinant une ou plusieurs cellules identiques incorporant au moins un résonateur tel que décrit plus haut.
Il est entendu que l’orientation d’un substrat ou d’une couche doit être associée à son orientation cristalline, définie selon la norme IEEE 1949 Std-176.
Il est par ailleurs entendu qu’une déviation angulaire par rapport à une orientation cristalline peut être admise. Notamment, quelle que soit l’orientation cristalline considérée, il sera généralement admis que cette dernière est spécifiée à 10° près, avantageusement à 5° près, autour de ladite orientation.
La est une illustration schématique d’un dispositif à ondes élastiques de surface 1 (notamment sur cette , le dispositif est un résonateur).
Notamment, le dispositif à ondes élastiques de surface 1 comprend un substrat POI 2.
Le substrat POI 2 comprend, à cet égard, d’une face avant 3 vers une face arrière 4, une couche de matériau piézoélectrique 5, une première couche 6 de matériau diélectrique et un substrat support 7.
A titre d’exemple, le dispositif à ondes élastiques de surface 1 est un filtre passe bande qui présente une fréquence centrale f0 et une largeur de bande passante Δf qui peut s’exprimer comme une fraction de cette fréquence centrale, typiquement comprise entre 0,1% et 10% avec un substrat POI pourvu d’une couche piézoélectrique 5 faite de tantalate de lithium LiTaO3. La considération d’une couche piézoélectrique 5 à base de LiNbO3 permet de repousser la limite haute de cette fraction à 15 % et plus en choisissant l’orientation cristalline de ladite couche de façon à maximiser le couplage électromécanique du mode ainsi exploité.
Selon un mode de mise en œuvre, le dispositif à ondes élastiques de surface 1 comprend au moins un transducteur électroacoustique, par exemple, et tel qu’illustré à la , au moins un transducteur électroacoustique d’entrée 8 et au moins un transducteur électroacoustique de sortie 9.
Selon un autre mode de mise en œuvre, le filtre à ondes élastiques de surface est composé d’au moins une cellule pourvue d’au moins un résonateur à ondes élastiques de surface formant un quadripôle avec un port d’entrée et un port de sortie. Il s’agit alors de filtre à couplage acoustique connus par l’homme de l’art sous les appellations anglo-saxonnes de LCRF (Longitudinally Coupled Resonator Filter), filtres DMS (Double Mode SAW) ou filtres SCAW (Surface cavity Acoustic Wave). Lorsque plusieurs cellules pourvues d’un seul transducteur ou de plusieurs transducteurs connectés entre eux pour former un dipôle sont agencées en cascade par connexion électrique uniquement, le filtre résultant est généralement désigné comme un filtre à éléments d’impédance. En fonctionnement, le signal électromagnétique à filtrer est appliqué sur le port d’entrée du filtre et le signal électromagnétique filtré est prélevé sur le port de sortie du filtre. On note toutefois que la désignation « d’entrée » et « de sortie » est parfaitement arbitraire et que le dispositif, et notamment le filtre, à ondes élastiques de surface 1 peut être exploité en appliquant/prélevant indifféremment un signal électromagnétique sur l’un ou l’autre des deux ports.
D’une manière très générale, le transducteur électroacoustique d’entrée 8 et le transducteur électroacoustique de sortie 9, de même que les résonateurs utilisés comme éléments d’impédance dans les filtres à cellules agencées en cascades, sont conformes à ceux connus de l’état de la technique, dont on rappelle quelques caractéristiques ci-après.
Chaque transducteur 8 et 9 comprend deux électrodes en peigne interdigitées. De tels transducteurs 8 et 9 sont chacun formés d’un réseau de doigts métalliques qui sont alternativement reliés a deux bus entre lesquels une différence de potentiel électrique est appliquée/prélevée. Avec ce dispositif, on peut ainsi générer/détecter directement une onde élastique de surface dans la couche de matériau piézoélectrique 5. Le transducteur électroacoustique d’entrée 8 et le transducteur électroacoustique de sortie 9 sont généralement configurés pour être identiques. Toutefois, l’invention n’est pas limitée à cet aspect, l’homme du métier pourra considérer deux transducteurs différents.
Les filtres ainsi susceptibles d’être constitués sont généralement désignés comme filtres transverses. En effet, leur fonction de transfert peut avantageusement être modulée par l’interpénétration des électrodes en forme de peignes le long de la direction de propagation de l’onde. Pour ce type de composant, les transducteurs sont susceptibles de fonctionner hors de la condition de Bragg. Ces filtres sont réputés à réponse impulsionnelle finie. L’homme de l’art peut également mettre en œuvre des transducteurs fonctionnant à la condition de Bragg auxquels sont avantageusement adjoints des miroirs à chaque extrémité du filtre pour renvoyer l’énergie en phase dans la structure considérée, et donnant lieu ainsi à des filtres à réponse impulsionnelle infinie. Les filtres à éléments d’impédance mentionnés précédemment correspondent également à des filtres à réponse impulsionnelle infinie dans la mesure où ils sont constitués d’éléments résonnants.
Le métal des électrodes est typiquement à base d'aluminium, par exemple de l'aluminium pur ou un alliage d'aluminium tel que l'aluminium dopé avec Cu, Si ou Ti. Il est néanmoins possible d'utiliser un autre matériau, par exemple pour établir un coefficient de réflexion plus élevé pour une épaisseur relative d'électrode plus faible que celle nécessaire avec de l’aluminium pour atteindre des caractéristiques similaires. À cet égard, les matériaux d'électrode préférés sont le cuivre (Cu), le molybdène (Mo), le nickel (Ni), le platine (Pt) ou l'or (Au) avec une couche d'adhérence telle que le titane (Ti) ou le tantale (Ta) ou le chrome (Cr), le zirconium (Zr), le palladium (Pd), l'iridium (Ir), le tungstène (W), etc. Les électrodes peuvent également être composées de deux matériaux parmi ceux désignés ci-dessus dans le but d’optimiser le fonctionnement du transducteur via ses fonctions de réflexion acoustique, de couplage électromécanique et de pertes, en particulier ohmiques.
La période p des électrodes est généralement choisie telle que p = λ/2, λ étant la longueur d’onde de l’onde élastique qui se propage dans la couche de matériau piézoélectrique 5 à la fréquence de synchronisme fs du transducteur donnée par fs=Vφ/λ, Vφ représentant la vitesse de phase du mode exploité. Le transducteur fonctionne alors à la condition de Bragg déjà mentionnée plus haut. D’autres configurations sont possibles, et plus généralement la période p peut s’écrire comme p = λ/(nb_elec), avec nb_elec le nombre de doigts (électrodes) par longueur d’onde. Ces paramètres sont reliés par la relation λ= V/fs, dans laquelle V représente la vitesse de phase de l’onde élastique sous le transducteur. La vitesse de l’onde élastique en surface libre ou sous un transducteur électroacoustique dépend notamment de la nature du matériau dans lequel l’onde se propage. Cette dernière est généralement connue ou accessible à la personne du métier en utilisant spécifiquement les constantes élastiques, piézoélectriques et diélectriques ainsi que la masse volumique tabulées dans la littérature dans des modèles idoines.
Dans le cas du filtre passe-bande, notamment de fréquence et de bande passante données, il peut être considéré de mettre en œuvre des transducteurs dont les fréquences de synchronisme sont choisies pour répondre aux exigences susmentionnées. Les méthodes pour mettre en œuvre ce ou ces choix sont connues de l’homme du métier et ne sont donc pas décrites.
La largeur de métallisation des électrodes, notée a, est généralement choisie pour que le rapport a/p soit de l’ordre de 0,5. Cet aspect n’est pas de nature à limiter la portée de la présente invention, et l’homme du métier pourra considérer d’autres rapports pouvant se révéler plus avantageux pour un couple mode/matériau donné. Le nombre de paires de doigts de chaque transducteur est usuellement choisi de l’ordre de 20 ou 100 sans caractère restrictif. D’une manière générale, augmenter le nombre de paires de doigts permet d’augmenter le rejet des fréquences hors de la bande passante et réduit l’étendue spectrale de la réponse en admittance ou en impédance du transducteur autour de sa fréquence de synchronisme.
Le dispositif à ondes élastiques de surface 1 peut également comprendre deux miroirs externes 10 et 11 disposés de part et d’autre du couple des transducteurs électroacoustiques d’entrée 8 et de sortie 9. Comme cela est bien connu, ces miroirs 10 et 11 permettent de confiner un maximum de l’énergie élastique entre les deux transducteurs électroacoustiques d’entrée 8 et de sortie 9. À ce titre, ils sont conçus pour présenter un coefficient de réflexion très important, aussi proche que possible de 1 (réflexion totale de l’énergie incidente), en choisissant l’épaisseur des électrodes des miroirs et le nombre de ces électrodes, typiquement quelques dizaines par miroir dans le cas d’un substrat POI pour une onde de cisaillement. On note toutefois que ces deux miroirs externes ne sont nullement essentiels à l’invention, et qu’un dispositif conforme à l’invention et entièrement fonctionnel peut en être dépourvu.
La présente invention vise à proposer un dispositif, par exemple un filtre (sans toutefois limiter l’invention à ce seul aspect), à ondes élastiques de surface 1 pour lequel la sensibilité en température reste limitée pour des fréquences inférieures à 1 GHz.
A cet égard, le comportement en température d’un filtre à ondes élastiques de surface est généralement correctement représenté par la relation suivante :
Les exigences en termes de sensibilité en température imposent de maîtriser le coefficient TCF1 en dessous d’une valeur seuil sur la gamme de fréquences de fonctionnement du dispositif à ondes élastiques de surface. Plus particulièrement, il est avantageux de maintenir le coefficient TCF1 à une valeur inférieure à 20 ppm/K, avantageusement inférieure à 15 ppm/K, encore plus avantageusement inférieure à 10 ppm/K.
Les inventeurs ont pu constater que les substrats POI connus de l’état de la technique présentent une sensibilité en température relativement importante dès lors qu’ils sont mis en œuvre pour la fabrication de dispositifs à ondes élastiques de surface fonctionnant à des fréquences inférieures à 1 GHz, et plus particulièrement comprises entre 400 MHz et 1 GHz.
Il est entendu que l’ensemble des représentations graphiques décrites dans la suite de l’énoncé de la présente invention sont le résultat de simulations numériques sur la base de modèles (mettant en œuvre une analyse à base de fonctions de Green des substrats et de méthodes numériques telles qu’éléments finis et éléments de frontière) tenant compte des caractéristiques des transducteurs étudiés. Les détails relatifs à ces simulations ne sont pas présentés dans l’énoncé qui suit. Toutefois, l’homme du métier trouvera dans le document [3], cité à la fin de la description, les éléments théoriques permettant de les reproduire.
A titre d’exemple, la (courbe A) illustre la variation du coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface se propageant sur un substrat POI connu de l’état de la technique. Notamment, ce substrat comprend, d’une face avant vers une face arrière, les couches suivantes :
- une couche de LiTaO3 de coupe (XYl)/42° d’une épaisseur égale à 600 m
- une couche de SiO2 d’une épaisseur égale à 500 nm
- un substrat de silicium du type 100 et d’une épaisseur égale à 650 µm (le substrat de silicium est supposé semi-infini au sein du calcul de la variation du coefficient TCF1).
Sur cette , le coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisiallement de surface se propageant sur le substrat POI connu de l’état de la technique reste inférieur à 15 ppm/K pour des fréquences de fonctionnement supérieures à 1,3 GHz, mais peut atteindre des valeurs supérieures à 20 ppm/K, voire 25 ppm/K, dès lors que la fréquence est inférieure à 1 GHz.
Afin de pallier ce problème, les inventeurs ont pu étudier l’effet de l’orientation cristalline du substrat de silicium 7.
Notamment, les inventeurs ont pu clairement observer une diminution du coefficient TCF1 lorsque le substrat de silicium du type 100 est remplacé par un substrat de silicium 110. La considération d’un substrat de silicium 110 induit une diminution, et plus particulièrement une diminution de 1%, du facteur de couplage électromécanique du mode considéré.
La considération d’un substrat support fait de silicium 110 permet de réduire le coefficient TCF1 pour des fréquences inférieures à 1 GHz, et notamment comprises entre 400 MHz et 1 GHz.
Plus particulièrement, selon la présente invention, il est également possible de considérer un substrat support fait de silicium du type 110 (ou (XYw)/45° cut selon la norme IEEE Std-176) ou encore du type IEEE Std-176 (XYt)/45°.
A cet égard, la illustre de manière graphique l’évolution du coefficient TCF1 en fonction de la fréquence de modes élastiques fondamentaux de cisaillement de surface guidés chacun sur un substrat POI différent. Chaque substrat POI considéré comprend une couche de matériau piézoélectrique faite de LiTa03 et d’une épaisseur égale à 700 nm, et une couche de matériau diélectrique faite de SiO2 et d’une épaisseur égale à 350 nm. Par ailleurs, la courbe C est obtenue pour un substrat POI qui comprend un substrat support en silicium du type 110 tandis que la courbe D est obtenue pour un substrat POI qui comprend un substrat support en silicium du type IEEE Std-176 (XYt)/45° ou (YXt)/45°.
Dans les deux cas, le coefficient TCF1 reste inférieur à 13 ppm/K tandis que le couplage électromécanique du mode élastique de surface considéré est peu affecté au regard de celui observé lorsque le mode élastique fondamental de cisaillement de surface est guidé par un substrat POI connu de l’état de la technique.
Les inventeurs notent qu’il est également possible de considérer un substrat support fait de quartz présentant une orientation (YX/t)/θ/90° avec θ compris entre -20° et 60°, avantageusement compris entre -10° et 30°, par exemple égal à 5°.
De manière alternative ou complémentaire, et dans le but de réduire le coefficient TCF1, il est possible d’adapter l’empilement formé sur le substrat support 7. Notamment, la première couche 6 de matériau diélectrique comprend du dioxyde de silicium et présente une épaisseur supérieure à 300 nm, avantageusement comprise entre 300 nm et 600 nm, encore plus avantageusement comprise entre 300 nm et 400 nm.
De manière équivalente, il est possible de considérer une couche de matériau piézoélectrique 5 faite de LaTiO3 ou de LiNbO3 et d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 1000 nm, avantageusement inférieure à 800 nm, encore plus avantageusement inférieure à 700 nm.
Les inventeurs ont également étudié l’effet de l’orientation cristalline de la couche de matériau piézoélectrique sur l’amplitude du coefficient TCF1. Afin d’illustrer l’effet de l’orientation cristalline de la couche de matériau piézoélectrique, il est proposé de considérer un mode de surface guidé par un substrat POI qui comprend, de sa face avant vers sa face arrière, une couche de LiTaO3 qui présente une épaisseur de 700 nm et une orientation cristalline (YZl)/θ (avec θ compris entre 0° et 30°), une couche de SiO2 qui présente une épaisseur de 350 nm et un substrat support fait de silicium.
Plus particulièrement, la et la représentent la variation, respectivement, du coefficient TCF1 et du couplage électromécanique associé au mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé par un substrat POI décrit ci-avant et en fonction de l’angle θ de la couche de LiTaO3. Ainsi, pour des valeurs de θ comprises entre 10° et 35°, avantageusement comprises entre 15° et 30°, le coefficient TCF1 reste inférieure à 15 ppm/K et le coefficient électromécanique est supérieur à 10 %.
Selon un aspect complémentaire ou alternatif à ce qui précède, le substrat POI selon la présente invention, peut comprendre en outre une deuxième couche 12 intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique 5 et la première couche 6 de matériau diélectrique ( ). La deuxième couche 12 est avantageusement associée à un coefficient de température de la fréquence de signe opposé à celui auquel est associée la couche de matériau diélectrique 5. Ce dernier aspect permet de compenser l’effet associé à la couche de diélectrique 6 sur le coefficient TCF1.
Il est entendu, selon la présente invention, qu’un coefficient de température de la fréquence associé à une couche d’un matériau donné, correspond au coefficient de température de la fréquence d’un mode élastique de surface se propageant sur ladite couche. Il est également entendu que, dans le cas présent, on compare deux coefficients de température de la fréquence pour des fréquences inférieures à 1 GHz.
La couche additionnelle peut comprendre un matériau diélectrique et/ou un matériau semi-conducteur, voire piézoélectrique.
Selon la présente invention, dès lors que la couche de diélectrique 6, par exemple faite de SiO2, est associée à un coefficient de température de la fréquence positif, celui auquel est associée la deuxième couche 12, par exemple faite de SiN, de Al2O3 ou de AlN, est négatif.
Par ailleurs, afin de ne pas perturber les propriétés des modes acoustiques fondamentaux de cisaillement guidés par l’empilement de matériau formant le substrat POI, la couche additionnelle peut présenter, pour des fréquences inférieures à 1 GHz, une impédance acoustique supérieure ou égale à celle de la première couche 6 de matériau diélectrique.
La considération de la deuxième couche 12 permet également de réduire le coefficient TCF1 d’un mode élastique fondamental de cisaillement guidé sur POI. Dès lors que la couche comprend du nitrure de silicium (SiN), cette réduction peut atteindre 5 ppm/K voire plus selon l’épaisseur de ladite couche.
L'ajout d'une étape de réalisation d'une couche additionnelle de TCF de signe opposé à celui de la couche de matériau diélectrique permet de respectivement réduire/augmenter les épaisseur de la couche piézoélectrique/couche diélectrique pour atteindre un TCF donné, et ainsi reporter la couche piézoélectrique par un procédé SmartCut™ sans l'endommager et sans induire une diffusion de lithium dans le substrat support. Le risque de diffusion de lithium intervient au moment des recuits pour renforcer l'interface de collage ou pour exodiffuser l'hydrogène d'implantation (susceptible d'inverser des µ-domaines).
Il est entendu sans qu’il soit nécessaire de le préciser que le nitrure de silicium considéré dans la présente invention n’est pas nécessairement stœchiométrique.
Les inventeurs ont par ailleurs remarqué que le positionnement de la deuxième couche 12 sous la première couche 6 de matériau diélectrique ne produit pas d’effet notable sur le coefficient TCF1 d’un mode élastique de surface se propageant dans le substrat POI.
De manière avantageuse, la deuxième couche 12 présente une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm.
La mise en œuvre de la deuxième couche 12 permet avantageusement de considérer une couche de diélectrique 6 d’une épaisseur plus importante.
Par ailleurs, une deuxième couche 12 faite de SiN et une première couche 6 de matériau diélectrique faite de SiO2 peuvent être formées au cours d’une même étape de procédé, et notamment dans un bâti de dépôt en phase vapeur chimique sous conditions de pression étendue (PECVD pour Pressure Enhanced Chemical Vapor Deposition selon la dénomination anglo-saxonne).
A titre d’illustration de mise en œuvre de la deuxième couche 12, les inventeurs en ont estimé l’effet sur le coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé sur le substrat POI. Cette simulation met en œuvre une analyse à base de fonctions de Green représentant le comportement dispersif des modes sur substrats stratifiés.
Le substrat POI considéré dans cette analyse comprend, de sa face avant vers sa face arrière :
- Une couche 5 de LiTaO3 orienté selon la coupe (YXl)/42° de ce cristal et d’une épaisseur égale à 600 nm ;
- Une couche 12 de SiN présentant une épaisseur égale à 100 nm
- Une couche 6 de SiO2 présentant une épaisseur susceptible de prendre l’une des valeurs comprises entre 300 nm et 600 nm
- Un substrat support 7 fait de silicium.
Le substrat POI peut également comprendre une couche de piégeage faite de silicium poly cristallin et présentant une épaisseur de l’ordre de 1 µm et plus généralement comprise entre 400 nm et 2µm.
Les inventeurs ont pu évaluer la vitesse de phase des ondes susceptibles de se propager dans la couche 5 de LiTaO3, le facteur de couplage électromécanique ainsi que le coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé sur le substrat POI décrit ci-avant.
Les résultats de ces évaluations sont représentés à la , à la et à la .
Notamment, la représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), la vitesse de phase des ondes susceptibles de se propager dans la couche 5 de LiTaO3 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé sur le substrat POI décrit ci-avant. La vitesse de phase de ce mode, notée vϕ (axe vertical, en m/s), est représentée en fonction de la fréquence de fonctionnement du filtre (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm).
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le facteur de couplage électromécanique du mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé sur le substrat POI décrit ci-avant. Le facteur de couplage électromécanique, notée ks 2 (axe vertical, en %), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du mode (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm).
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé sur le substrat POI décrit ci-avant. Le coefficient TCF1 (axe vertical, en ppm/K) est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du mode (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm).
Conformément à la , le TCF1 du mode élastique de surface considéré est inférieur à 10 ppm/K pour des fréquences comprises entre 600 MHz et 2 GHz et pour des épaisseurs de SiO2 inférieures ou égales à 350 nm. Cette valeur relativement faible du coefficient TCF1, au regard des modes exploités pour la fabrication des filtres connus de l’état de la technique, est imputable à la mise en œuvre de la couche 12 de SiN. Toutefois, tel qu’illustré à la et à la , la mise en œuvre de la deuxième couche 12 induit une augmentation de la vitesse de phase et une réduction du facteur de couplage électromécanique de l’ordre de 1% au regard d’une onde élastique de cisaillement de surface guidée connu de l’état de la technique, c’est à dire dépourvu de la couche de SiN.
L’ensemble des éléments décrits dans l’énoncé de la présente invention permet d’aboutir à un ajustement du coefficient TCF1. En effet, conformément à l’objectif technique que la présente invention se propose de résoudre, il s’agit de limiter, ou de maîtriser, l’effet de la température sur le fonctionnement d’un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI.
Un ajustement est illustré à titre d’exemple en considérant un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir du substrat POI qui comprend de sa face avant vers sa face arrière :
- Une couche 5 de LiTaO3 orienté selon un angle (YXl)/42° ;
- Une couche 12 de SiN présentant une épaisseur égale à 100 nm ;
- Une couche 6 de SiO2 présentant une épaisseur susceptible de prendre l’une des valeurs comprises entre 300 nm et 600 nm
- Une couche de piégeage faite de silicium poly cristallin et présentant une épaisseur de l’ordre de 1 µm ;
- Un substrat support 7 fait de silicium.
Les résultats de ces évaluations sont représentés à la , à la , à la et à la .
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le facteur de couplage électromécanique du mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé sur le substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche 5 de LiTaO3 est égale à 700 nm. Le facteur de couplage électromécanique, notée ks 2 (axe vertical, en %), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du mode (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm).
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé sur le substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche 5 de LiTaO3 est égale à 700 nm. Le coefficient TCF1, noté TCF1 (axe vertical, en ppm/K), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du mode (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm).
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le facteur de couplage électromécanique du mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé sur le substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche 5 de LiTaO3 est égale à 800 nm. Le facteur de couplage électromécanique, notée ks 2 (axe vertical, en %), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du mode (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm).
La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le coefficient TCF1 du mode élastique fondamental de cisaillement de surface guidé sur le substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche 5 de LiTaO3 est égale à 800 nm (L’étoile correspond à un point de fonctionnement pour lequel ks 2 est maximum tandis que le coefficient TCF1 est minimum). Le coefficient TCF1, notée TCF1 (axe vertical, en ppm/K), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du mode (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO2 (axe B en nm).
La mise en œuvre de la deuxième couche 12 de SiN, permet, pour une couche 6 de SiO2 d’une épaisseur inférieure à 400 nm et une couche de LiTaO3 d’une épaisseur égale à 700 nm, d’obtenir un facteur de couplage électromécanique du mode supérieur à 10 % ( ) pour des fréquences comprises entre 800 MHz et 1600 MHz, et un coefficient TCF1r proche de 10 ppm/K ( ).
De manière équivalente, la même deuxième couche 12 de SiN, permet, pour une couche 6 de SiO2 d’une épaisseur inférieure à 400 nm et une couche de LiTaO3 d’une épaisseur égale à 800 nm, d’obtenir un facteur de couplage électromécanique du mode supérieur à 11 % ( ) pour des fréquences comprises entre 800 MHz et 1600 MHz, et un coefficient TCF1r proche inférieur à 10 ppm/K ( ).
L’ensemble de la description se limite aux paramètres relatifs au mode fondamental de cisaillement selon sa fréquence de fonctionnement, et plus particulièrement à la maîtrise du paramètre TCF1 caractérisant le mode élastique de surface considéré. Toutefois, l’homme du métier comprendra qu’un dispositif à ondes élastiques de surface fondé sur l’exploitation du mode d’intérêt présente également une fréquence de résonance et une fréquence d’anti-résonance, elle-même caractérisée par son propre coefficient TCF1. Un coefficient TCF1, caractérisant la résonance, très faible, voire nul, peut avoir un impact négatif sur le coefficient TCF1 caractérisant l’anti-résonance du dispositif considéré, en particulier dans le cas des coupes à simple rotation de niobate et de tantalate de lithium connue pour présenter pour un même mode et particulièrement pour les modes de cisaillement des TCF de la résonance et de l’antirésonance différents entre eux.
La présente invention propose donc également une optimisation des paramètres caractérisant le substrat POI afin de mieux apprécier les coefficients TCF1 relatifs, respectivement, à la résonance et à l’anti-résonance d’un dispositif formé sur ledit substrat. Plus particulièrement, la présente invention propose d’ajuster le coefficient TCF1 relatif à la résonance (ci-après TCF1r) et le coefficient TCF1 relatif à l’anti-résonance (ci-après TFC1AR). Notamment, la présente invention propose d’ajuster le coefficient TCF1r à des valeurs inférieures à 15 ppm/K et le coefficient TFC1AR à des valeurs comprises entre –4 ppm/K et 0 ppm/K. De manière équivalente, la présente invention propose d’ajuster le coefficient TCF1R à des valeurs inférieures comprises entre 5 ppm/K et 10 ppm/K et le terme TFC1AR à des valeurs comprises entre –10 ppm/K et -5 ppm/K.
Ces objectifs peuvent notamment être atteints par la mise en œuvre de simulations de l’évolution des différents termes et coefficients décrits ci-avant afin de procéder aux définitions des couches matériaux et de leurs épaisseurs respectives.
Les inventeurs ont également étudié des matériaux autres que le SiN pour former la deuxième couche 12.
Plus particulièrement, la deuxième couche 12 peut comprendre au moins un des matériaux choisi parmi : SiC, Al2O3, AlN, Carbone diamant, GaN, LiNbO3, ZnO.
La est une représentation graphique de l'évolution de la vitesse de phase du mode de cisaillement fondamental (axe vertical, en m/s) en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) sur un substrat POI qui comprend une couche de LiTaO3 (YXl)42° de 600 nm, une couche additionnelle de 100 nm, une couche diélectrique de 400 nm, et un substrat support de Silicium, la couche additionnelle pouvant comprendre du Carbone diamant, du GaN, du ZnO, du LiNbO3.
La est une représentation graphique de l'évolution de la vitesse de phase du mode de cisaillement fondamental (axe vertical, en m/s) en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) sur un substrat POI qui comprend une couche de LiTaO3 (YXl)42° de 600 nm, une couche additionnelle de 100 nm, une couche diélectrique de 400 nm, et un substrat support de Silicium, la couche additionnelle pouvant comprendre du SiN, du poly-Si, de l’AlN, de l’Al2O3.
Ainsi, à l’exception du carbone diamant, le même comportement est observé lorsque la vitesse de phase du mode tend vers la vitesse de l'onde de cisaillement dans le silicium aux basses fréquences. La diminution de ladite vitesse mode équivaut à augmenter la longueur d'onde du mode considéré pour une fréquence donnée, et réduit ainsi l'influence de la structure composite du substrat POI.
De ces observations et d’un traitement mathématique approprié (la considération de la dérivée de la vitesse de phase par rapport à la fréquence), il ressort que le LiNbO3 est le matériau le plus favorable pour minimiser la sensibilité modale à la fréquence dans la gamme 800-1200 MHz.
Une deuxième couche 12 faite de Carbone diamant semble avantageuse pour les fréquences inférieures à 800 MHz.
La mise en œuvre d’une couche additionnelle de LiNbO3, et d’une épaisseur de 100 nm, disposée entre une couche diélectrique 6 faite de SiO2 et une couche piézoélectrique 5 faite de LiTaO3, permet de réduire le coefficient TCF1 à une valeur inférieure à 10 ppm/K, et ce quelle que soit l’orientation cristalline de la couche piézoélectrique.
La présente invention telle que décrite précédemment couvre une pluralité d’aspects qui peuvent être considérés de manière indépendante ou en combinaison afin d’optimiser (réduire) le coefficient TCF1 à des valeurs inférieures à 20 ppm/K, avantageusement inférieures à 15 ppm/K, encore plus avantageusement inférieures à 10 ppm/K, dès lors que la fréquence de fonctionnement du dispositif et en particulier du filtre à ondes élastiques de surface est inférieure à 1 GHz.
De manière avantageuse, le substrat POI comprend également une couche de piégeage intercalée entre la couche de matériau diélectrique et le substrat support, la couche de piégeage étant adaptée pour limiter le libre parcours moyen de porteurs électriques à l’interface formée entre la couche de matériau diélectrique et la couche de piégeage au regard du libre parcours moyen de porteurs électriques à une interface formée entre la couche de matériau diélectrique et le substrat support.
A cet égard, la couche de piégeage peut comprendre du silicium poly cristallin et présente avantageusement une épaisseur comprise entre 400 nm et 2000 nm.
L’invention concerne également un procédé de fabrication du dispositif à ondes élastiques de surface.
Ledit procédé comprend notamment la formation du dispositif à ondes élastiques de surface à partir d’un substrat POI. Le procédé comprend avantageusement la formation du substrat POI.
Procédé de fabrication d’un dispositif à ondes élastiques configuré pour fonctionner à une fréquence inférieure à 1 GHz, et formé sur un substrat POI.
La formation du substrat POI comprend avantageusement les étapes suivantes :
a) une étape d’implantation d’espèces dans un substrat donneur, fait d’un matériau piézoélectrique, l’implantation d’espèce étant destinée à former une couche, dite zone de fragilisation dans le volume du substrat donneur, et délimitant avec une face, dite face principale, dudit substrat donneur, une couche utile ;
b) une étape de report de la couche utile sur une face avant d’un substrat support, l’étape de report comprenant dans l’ordre un assemblage de la couche utile avec une face, dite face avant, du substrat support, et un traitement thermique destiné à initier une onde de fracture le long de la zone de fragilisation afin de transférer la couche utile sur la face avant ;
Le procédé comprend par ailleurs la formation d’un empilement intermédiaire 101, intercalé entre la face avant et la couche utile, et qui comprend à partir de la face avant, une première couche, une deuxième couche et une troisième couche, la première couche et la troisième couche comprenant du dioxyde de silicium, et la deuxième couche comprenant du nitrure de silicium.
Ainsi, la est une illustration d’un substrat POI 100 susceptible d’être obtenu par l’exécution du procédé de fabrication selon la présente invention. Notamment, le substrat POI comprend, dans l’ordre, un substrat support 110, une première couche 120, une deuxième couche 130, une troisième couche 140 (la première couche 120, la deuxième couche 130 et la troisième couche 140 formant un empilement intermédiaire 101) et une couche utile 150.
A cet égard, la première couche 120 peut comprendre du SiO2, la deuxième couche 130 peut comprendre du nitrure de silicium (SiN), et la troisième couche 140 peut comprendre du SiO2.
De manière avantageuse, le substrat POI 100 peut également comprendre une couche de piégeage 160. Notamment, la couche de piégeage 160 peut comprendre du silicium amorphe et/ou du silicium polycristallin.
La couche de piégeage 160 est intercalée entre l’empilement intermédiaire 101 et une face avant 110a du substrat support 110. Notamment, la couche de piégeage 160 est adaptée pour limiter le libre parcours moyen de porteurs électriques à l’interface formée entre l’empilement intermédiaire et ladite couche de piégeage au regard du libre parcours moyen de porteurs électriques à une interface formée entre l’empilement intermédiaire et le substrat support.
De manière avantageuse, le substrat support comprend au moins l’un des éléments choisis parmi : un substrat de silicium présentant l’orientation 110, un substrat de quartz présentant une orientation (YX/t)/θ/90° avec θ compris entre -20° et 60°, avantageusement compris entre -10° et 30°, par exemple égal à 5°.
La est une illustration de l’étape a). Notamment, l’étape a) comprend l’implantation d’espèces par une face, dite face principale 200 d’un substrat donneur 210 qui comprend un matériau piézoélectrique.
Notamment, l’étape a) est exécutée de manière à former une couche, dite zone de fragilisation 211 dans le volume du substrat donneur 210, et délimitant avec la face principale 200, dudit substrat donneur, la couche utile 150.
Il est entendu, sans qu’il soit nécessaire de le préciser, que la zone de fragilisation 211 forme une couche essentiellement parallèle à la face principale 200.
Il est également entendu que l’épaisseur de la couche utile 150 est fonction des conditions d’implantation des espèces et de leur nature.
Par exemple, l’homme du métier, pour l’exécution de l’étape a), pourra considérer l’implantation d’ions d’hydrogène ou d'hélium.
De manière avantageuse, l’étape a) peut être précédée d’une étape préliminaire, et au cours de laquelle le matériau piézoélectrique est soumis à un traitement d’oxygène en phase vapeur de manière à limiter, voire réduire, les effets de pyroélectricité susceptibles d’apparaître dans le substrat donneur, et par voie de conséquence dans la couche utile, lorsqu’il est soumis à une hausse de température.
Le procédé peut également comprendre la formation de la couche de matériau diélectrique sur l’un ou l’autre du substrat donneur ou du substrat support, notamment par PECVD.
Le procédé peut également comprendre la formation de la couche additionnelle, par exemple sur la couche diélectrique si cette dernière est formée en premier lieu sur le substrat support.
De manière avantageuse, le substrat donneur 210 peut comprendre du tantalate de lithium dopée au fer, le dopage au fer étant compris entre 0,001 % et 0,05 %, avantageusement entre 0,002 % et 0,01%, en pourcentage massique.
De manière avantageuse, la formation de l’empilement intermédiaire 101 peut comprendre la formation de la troisième couche 140 sur la face principale avant l’exécution de l’étape a) d’implantation. La troisième couche 140 peut être formée par PECVD.
De manière avantageuse, la troisième couche est d’une épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm.
Dès lors que la troisième couche comprend du SiO2, les épaisseurs précités correspondent typiquement un des épaisseurs inférieures à λ/20 et idéalement inférieures à λ/50 où λ est la longueur d'onde acoustique égale à deux fois la période mécanique d'un transducteur inter-digité fonctionnant à la fréquence de Bragg.
De manière équivalente, la formation de l’empilement intermédiaire peut comprendre la formation de la première couche 120 sur une face avant 110 d’un substrat support 110, puis la formation de la deuxième couche 130 en recouvrement de la première couche 120 ( ).
De manière avantageuse, la première couche est d’une épaisseur comprise entre 100 nm et 1000 nm, avantageusement entre 300 nm et 800 nm, et la deuxième couche est d’une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm.
La rapport de l’épaisseur de la deuxième couche sur l’épaisseur de la première couche sera avantageusement compris entre 1:4 et 1:3.A titre d’exemple, l’épaisseur de la couche piézoélectrique faite de LaTiO3 peut être comprise entre 500 nm et 800 nm, la deuxième couche, faite de SiN, peut présenter une épaisseur comprise entre 100 nm et 200 nm, et la première couche, faite de SiO2, peut présenter une épaisseur comprise entre 300 et 600nm.
Les formations de la troisième couche 140 d’une part, et de la première couche 120 et de la deuxième couche 130 d’autre part sont suivies d’une étape b) de report de la couche utile 150 sur une face avant d’un substrat support, l’étape de report comprenant dans l’ordre un assemblage de la couche utile avec une face, dite face avant 110a, du substrat support 110, et un traitement thermique destiné à initier une onde de fracture le long de la zone de fragilisation afin de transférer la couche utile 150 sur la face avant 110a.
De manière avantageuse, l’assemblage peut comprendre la mise en contact de la deuxième couche 130 et de la troisième couche 140 ( ).
Ainsi, selon la présente invention, la troisième couche est une couche d'adhésion formée au moins pour partie sur le substrat donneur et plus particulièrement sur la face principale dudit substrat donneur.
Ce dernier aspect autorise ainsi l’exécution, avant l’assemblage, d’un traitement thermique d’exodiffusion de l’hydrogène susceptible d’être présent dans la deuxième couche. En effet, la deuxième couche, qui comprend du SiN, est obtenue par dépôt en phase gazeuse d’un mélange de silane avec du NH3 et/ou du N2. Par voie de conséquence, ladite deuxième couche comprend de l’hydrogène qui convient d’éliminer afin d’éviter sa migration vers la couche piézoélectrique à l’issue de l’étape b). Ainsi, la formation de la deuxième couche sur la face avant du substrat support permet d’exécuter un traitement thermique uniquement au substrat support, à la première couche et à la deuxième couche. Ce dernier aspect permet de limiter l’histoire thermique du matériau piézoélectrique et d’en préserver les propriétés (notamment limiter les risques d’inversion de domaine). La considération de la troisième couche formée, au moins en partie sur la face principale du substrat donneur permet de considérer cette dernière comme une couche de collage. En d’autres termes, cet aspect limite l’histoire thermique du matériau piézoélectrique et limite les risques d’inversion de domaines.
L'épaisseur de la troisième couche de SiO2 est comprise entre 10nm (couvrante sur toute la surface) et 50nm.
Alternativement, il est possible de faire un collage ADB avec une troisième couche faite de silicium amorphe d’une épaisseur de quelques nm.
L’assemblage est avantageusement un collage moléculaire.
La illustre un traitement thermique destiné à initier une onde de fracture le long de la zone de fragilisation afin de transférer la couche utile 150 sur la face avant afin de former le substrat POI représenté à la .
Le procédé peut également comprendre la formation la couche de piégeage 160 sur le substrat support 110 préalablement à la formation de la première couche 120. En d’autres termes, le première couche 120 est formée en recouvrement de la couche de piégeage.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et l’on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.
RÉFÉRENCES
[1] T. Pastureaud, et al., “High-Frequency Surface Acoustic Waves Excited on Thin-Oriented LiNbO 3 Single-Crystal Layers Transferred Onto Silicon”, IEEE Trans. on UFFC, vol. 54, no. 4, pp.870-876, 2007;
[2] US 2014/0152146 A1 ;
[3] S. Ballandras, et al., “Simulations of surface acoustic wave devices built on stratified media using a mixed finite element/boundary integral formulation”, Journal of Applied Physics, Vol. 95, n  12, pp. 7731-7741, 2004.

Claims (14)

  1. Procédé de fabrication d’un dispositif à ondes élastiques configuré pour fonctionner à une fréquence inférieure à 1 GHz, et formé sur un substrat POI, la formation du substrat POI comprenant les étapes suivantes :
    a) une étape d’implantation d’espèces dans un substrat donneur, comprenant du LiTaO3, l’implantation d’espèce étant destinée à former une couche, dite zone de fragilisation dans le volume du substrat donneur, et délimitant avec une face, dite face principale, dudit substrat donneur, une couche utile ;
    b) une étape de report de la couche utile sur une face avant d’un substrat support, l’étape de report comprenant dans l’ordre un assemblage de la couche utile avec une face, dite face avant, du substrat support, et un traitement thermique destiné à initier une onde de fracture le long de la zone de fragilisation afin de transférer la couche utile sur la face avant ;
    le procédé comprenant en outre la formation d’un empilement intermédiaire, intercalé entre la face avant et la couche utile, et qui comprend à partir de la face avant, une première couche, une deuxième couche et une troisième couche, la première couche et comprenant du dioxyde de silicium, la deuxième couche comprenant du nitrure de silicium, de l’alumine ou du nitrure d’aluminium, et la troisième couche comprenant du dioxyde de silicium ou du silicium amorphe.
  2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel l’empilement intermédiaire comprend également une troisième couche de sorte que la deuxième couche soit intercalée entre la première couche et la troisième couche, ladite troisième couche comprenant du dioxyde de silicium ou du silicium amorphe.
  3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel la formation du substrat POI comprend également une couche, dit couche de piégeage, intercalée entre l’empilement intermédiaire et la face avant, la couche de piégeage étant adaptée pour limiter le libre parcours moyen de porteurs électriques à l’interface formée entre l’empilement intermédiaire et ladite couche de piégeage au regard du libre parcours moyen de porteurs électriques à une interface formée entre l’empilement intermédiaire et le substrat support.
  4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel la couche de piégeage comprend une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminée, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage est supérieure ou égale à 10 Kilo-ohm pour des températures comprises entre -20°C et 120°C.
  5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, dans lequel la couche de piégeage comprend au moins l’un des matériaux compris parmi : silicium amorphe, silicium polycristallin.
  6. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel la formation de l’empilement comprend la formation de la troisième couche sur la face principale avant l’exécution de l’étape a) d’implantation.
  7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel la formation de l’empilement comprend la formation de la première couche et de la deuxième couche sur la face avant de sorte que l’assemblage, lors de l’exécution de l’étape b), comprenne la mise en contact de la deuxième couche et de la troisième couche.
  8. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 2 à 7, dans lequel la troisième couche est d’une épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm.
  9. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel ledit procédé comprend un étape préliminaire, exécutée avant l’étape a), et au cours de laquelle le substrat donneur est soumis à un traitement d’oxygène en phase vapeur de manière à limiter, voire réduire, les effets de pyroélectricité susceptible d’apparaître dans le substrat donneur, et par voie de conséquence dans la couche utile, lorsqu’il est soumis à une hausse de température.
  10. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le substrat donneur comprend du tantalate de lithium dopée au fer, le dopage au fer étant compris entre 0,001 % et 0,05 %, avantageusement entre 0,002 % et 0,01%, en pourcentage massique.
  11. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la première couche est d’une épaisseur comprise entre 100 nm et 1000 nm, avantageusement entre 300 nm et 600 nm, et la deuxième couche est d’une épaisseur comprise entre 100 nm et 200 nm.
  12. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel ledit procédé comprend la formation d’au moins un transducteur électroacoustique formé sur et/ou dans la couche utile.
  13. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le substrat support comprend au moins l’un des éléments choisis parmi : un substrat de silicium présentant l’orientation 110, un substrat de quartz présentant une orientation (YX/t)/θ/90° avec θ compris entre -20° et 60°, avantageusement compris entre -10° et 30°, par exemple égal à 5°.
  14. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel le matériau LiTaO3 présente une orientation (YX)/θ avec θ compris entre 10° et 52°, avantageusement compris entre 15° et 30°.
PCT/EP2023/063810 2022-06-02 2023-05-23 Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques de surface WO2023232562A1 (fr)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2205312A FR3136327A1 (fr) 2022-06-02 2022-06-02 Dispositif a ondes elastiques de surface
FRFR2205312 2022-06-02
FRFR2205313 2022-06-02
FR2205313A FR3136325A1 (fr) 2022-06-02 2022-06-02 Dispositif a ondes elastiques de surface
FR2205311A FR3136326A1 (fr) 2022-06-02 2022-06-02 Filtre dispositif a ondes elastiques de surface
FRFR2205311 2022-06-02

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2023232562A1 WO2023232562A1 (fr) 2023-12-07
WO2023232562A4 true WO2023232562A4 (fr) 2024-01-25

Family

ID=86605673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/063810 WO2023232562A1 (fr) 2022-06-02 2023-05-23 Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques de surface

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023232562A1 (fr)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103283147B (zh) 2010-12-24 2016-09-21 株式会社村田制作所 弹性波装置及其制造方法
FR3029682B1 (fr) * 2014-12-04 2017-12-29 Soitec Silicon On Insulator Substrat semi-conducteur haute resistivite et son procede de fabrication
CN110114974B (zh) * 2016-11-25 2024-01-12 国立大学法人东北大学 弹性波器件
US11722121B2 (en) * 2017-02-14 2023-08-08 Kyocera Corporation Acoustic wave element
CN112840561A (zh) * 2018-07-27 2021-05-25 福瑞斯恩系统 谐振腔表面声波(saw)滤波器
US11616491B2 (en) * 2019-11-19 2023-03-28 Skyworks Solutions, Inc. Surface acoustic wave device
FR3127660A1 (fr) 2021-09-27 2023-03-31 Frec'n'sys Filtre a ondes elastiques de surface et a cavites resonantes

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023232562A1 (fr) 2023-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3694008B1 (fr) Structure hybride pour dispositif a ondes acoustiques de surface
EP3113362B1 (fr) Dispositif a ondes elastiques de surface comprenant un film piezoelectrique monocristallin et un substrat cristallin, a faibles coefficients viscoelastiques
EP2486655B1 (fr) Dispositif à ondes acoustiques comprenant un à de surface et un filtre à ondes de volume et procédé de fabrication
EP2628245B1 (fr) Filtre baw a couplage lateral utilisant des cristaux phononiques
EP2628242B1 (fr) Filtre passe bande à ondes acoustiques comprenant un guidage acoustique intégré avec conversion d'impédance et/ou de mode
EP3394908B1 (fr) Substrat pour un dispositif a ondes acoustiques de surface ou a ondes acoustiques de volume compense en temperature
EP2518898B1 (fr) Dispositif électromécanique à ondes acoustiques comprenant une zone de transduction et une zone de propagation libre représentant une structure résonante
EP4006998B1 (fr) Procede de fabrication d'un composant comprenant une couche en materiau monocristallin compatible avec des budgets thermiques eleves
EP2642662B1 (fr) Résonateur HBAR comportant une structure d'amplification de l'amplitude d'au moins une résonance dudit résonateur et procédés de réalisation de ce résonateur
EP3465784B1 (fr) Structure hybride pour dispositif a ondes acoustiques de surface
EP2909932B1 (fr) Transducteur a ondes de volume guidees en surface par des structures d'excitation synchrone
FR3079668A1 (fr) Dispositif d'onde acoustique de surface sur substrat composite
WO2023047042A1 (fr) Filtre a ondes elastiques de surface et a cavites resonantes
EP1704396A1 (fr) Capteur de temperature interrogeable a distance
WO2023232562A1 (fr) Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques de surface
FR3136326A1 (fr) Filtre dispositif a ondes elastiques de surface
FR3136327A1 (fr) Dispositif a ondes elastiques de surface
FR3136325A1 (fr) Dispositif a ondes elastiques de surface
EP2324516B1 (fr) Dispositif a ondes acoustiques d'interfaces
FR3079101A1 (fr) Structure de transducteur pour suppression de source dans les dispositifs de filtres a ondes acoustiques de surface
WO2003010888A1 (fr) Dispositif a ondes acoustiques de surface a faibles pertes avec couche dielectrique de forte permittivite
EP4391374A1 (fr) Procédé de réalisation d'un filtre à ondes acoustiques de volume
WO2023169962A1 (fr) Substrat piézoélectrique sur isolant (poi) et procédé de fabrication d'un substrat piézoélectrique sur isolant (poi)
FR3114931A1 (fr) Structure réflectrice pour dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW)

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23727382

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1