CN119301873A

CN119301873A - 表面弹性波器件的制造方法

Info

Publication number: CN119301873A
Application number: CN202380044070.4A
Authority: CN
Inventors: S·巴朗德拉斯; T·拉罗什; F·伯纳德; E·库尔容; S·恩迪亚耶; I·于耶
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2023-05-23
Publication date: 2025-01-10
Also published as: WO2023232562A4; EP4533661A1; WO2023232562A1

Abstract

本发明涉及一种弹性波器件的制造方法，该弹性波器件被配置为在小于1GHz的频率下工作并且形成在POI衬底上，形成该POI衬底包括以下步骤：‑a)在LiTaO₃衬底(210)中注入物质以形成有用层(150)的步骤；以及‑b)将该有用层转移到支撑衬底(110)的正面上的步骤；该方法还包括形成中间堆叠体，该中间堆叠体位于该正面与该有用层之间，并且该中间堆叠体从该正面开始包括第一层(120)、第二层(130)和第三层(140)，该第一层包括二氧化硅，该第二层包括氮化硅、氧化铝或氮化铝，并且该第三层包括二氧化硅或非晶硅。

Description

表面弹性波器件的制造方法

技术领域

本发明涉及表面弹性波器件领域。更具体地，本发明涉及一种表面弹性波器件的制造方法，该表面弹性波器件由包括压电材料层的POI衬底形成。

背景技术

最初在单晶压电材料的固体衬底(solid substrate)(下文中称为“固体衬底”)上制造的表面声波滤波器(“SAW滤波器”或“表面声波滤波器”)现在使用绝缘体上压电衬底(下文中称为“POI”)。后者特别地从正面到背面包括压电材料层、介电材料层和支撑衬底。

与固体衬底不同，这些POI衬底能够满足压电材料层中的引导表面弹性模式的温度灵敏度方面的某些要求。

特别地，支撑衬底起到加强件的作用，限制热膨胀以及影响压电材料层的热弹性行为。

通常而言，在由其形成表面弹性波器件的POI衬底上传播的表面弹性模式具有相对低的频率温度系数(CTF或英语术语“频率温度系数”(“TCF)，特别是小于10ppm.K^-1，频率范围为1.4GHz至2.4GHz。

POI衬底的制造可采用微电子领域中公知的称为“SmartCut^TM”的工艺，特别是用于绝缘体上硅衬底的制造。

在这方面，说明书末尾引用的文献[1]提出了使用SmartCut^TM工艺，将压电材料层、并且更具体地LiNbO₃(下文称为“LNO”)转移到硅衬底上的步骤。

说明书末尾引用的文献[2]还公开了采用LiTaO₃层的POI衬底用于表面弹性波滤波器的制造。该文献中描述的表面弹性波滤波器包括在反射镜(mirror layer)层上的钽酸锂膜，该反射镜层由低声阻抗层和高声阻抗层在硅衬底上交替形成。

还考虑了在支撑衬底与介电材料层之间插置所谓的俘获层，该俘获层例如由多晶硅制成，并且旨在限制电荷在堆叠体的界面处的平均自由程以及在由相关POI衬底形成的滤波器内可能发生的串扰。

用于形成POI衬底的SmartCut^TM工艺的优点是众所周知的。特别地，SmartCut^TM工艺允许从称为供体衬底的固体压电材料衬底中去除受控厚度的压电材料层。此外，在其再循环之后，供体衬底可以再次用于形成其他POI衬底。后一方面使得SmartCut^TM工艺具有竞争力。

因此能够使用SmartCut^TM工艺形成的POI衬底通常用于设计在大于1GHz的谐振/反谐振频率下工作的表面弹性波滤波器。

现今，人们关注的是形成表面弹性波滤波器，该滤波器形成在POI衬底上并且在小于1GHz的谐振/反谐振频率下工作。但是，为了将在POI衬底上传播的表面弹性模式的频率温度系数控制在合理的值(例如，小于10ppm.K^-1)，可能需要调整压电材料层和/或介电材料层的厚度。更具体地，可能需要减小介电材料层的厚度和/或增加压电材料层的厚度。

在这方面，SmartCut^TM工艺具有调整这些层的厚度所需的通用性。

然而，薄的介电材料层、特别是厚度小于300nm或甚至小于200nm的介电材料层，已不再是有效屏障以阻止可能形成压电材料层的某些物质的扩散。例如，厚度小于300nm的介电材料层会使锂从包括LaTiO₃的压电材料层扩散。特别地，扩散到介电材料(例如，SiO₂)层中的锂引起射频损耗。

此外，不希望考虑厚度过大、特别是大于500nm的压电材料层。实际上，当采用SmartCut^TM工艺形成POI衬底时，这些厚度需要考虑相对较高的注入固体压电材料衬底(供体衬底)的能量，这会因此产生对于形成表面弹性波滤波器而言通常不可接受的损坏。

因此，本发明的一个目的是提出一种表面弹性波器件的制造方法，该表面弹性波器件在小于1GHz的频率下工作，采用SmartCut^TM工艺，并且其中在所述方法的执行期间物质的扩散保持受限。

发明内容

本发明的目的通过一种弹性波器件的制造方法来实现，该弹性波器件被配置为在小于1GHz的频率下工作并且形成在POI衬底上，形成所述POI衬底包括以下步骤：

a)在包括LaTiO₃的供体衬底中注入物质的步骤，所述物质的注入旨在在供体衬底的体积中形成称为脆化区的层，并且与所述供体衬底的称为主面的面一起界定有用层；

b)将有用层转移到支撑衬底的正面上的步骤，该转移步骤按顺序包括将有用层与支撑衬底的称为正面的面组装，以及进行热处理，该热处理旨在沿着弱化引发断裂波，以便将有用层转移到正面上；

该方法还包括形成中间堆叠体，该中间堆叠体位于正面与有用层之间，并且该中间堆叠体从正面开始包括第一层、第二层和第三层，该第一层包括二氧化硅，该第二层包括氮化硅、氧化铝或氮化铝，并且该第三层包括二氧化硅或非晶硅。

根据一个实施方案，形成POI衬底还包括称为俘获层的层，该俘获层位于中间堆叠体与正面之间，该俘获层适于相对于在中间堆叠体与支撑衬底之间形成的界面处的电载流子的平均自由程来限制在该中间堆叠体与该俘获层之间形成的界面处的电载流子的平均自由程。

根据一个实施方案，俘获层包括大于预定缺陷密度的缺陷密度，该预定缺陷密度是对于介于-20℃与120℃之间的温度，该俘获层的电阻率大于或等于10Kilo-ohm的缺陷密度。

根据一个实施方案，俘获层包括以下材料中的至少一种：非晶硅、多晶硅。

根据一个实施方案，形成堆叠体包括在执行注入步骤a)之前在主面上形成第三层。

根据一个实施方案，形成堆叠体包括在正面上形成第一层和第二层，使得在执行步骤b)时，组装包括使第二层和第三层接触。

根据一个实施方案，第三层具有介于10nm与100nm之间的厚度。

根据一个实施方案，所述方法包括在步骤a)之前执行的预备步骤，并且在该预备步骤期间，供体衬底经受气相氧处理，以便限制或甚至减少当供体衬底经受温度升高时可能出现在供体衬底中并因此出现在有用层中的热电效应。

根据一个实施方案，供体衬底包括铁掺杂的钽酸锂，按重量百分比计，铁掺杂介于0.001％与0.05％之间、有利地介于0.002％与0.01％之间。

根据一个实施方案，第一层的厚度介于100nm与1000nm之间、有利地介于300nm与800nm之间，并且第二层的厚度介于20nm与300nm之间。

根据一个实施方案，所述方法包括形成至少一个电声换能器，该至少一个电声换能器形成在有用层上和/或有用层中。

根据一个实施方案，支撑衬底包括选自以下的元件中的至少一种：具有110取向的硅衬底、具有(YXt)/θ/9O°取向的石英衬底，其中0介于-20°与60°之间、有利地介于-10°与30°之间，例如等于5°。

根据一个实施方案，LiTaO3材料具有取向(YX)/θ，其中θ介于10°与52°之间、有利地介于15°与30°之间。

附图说明

本发明的其他特征和优势将在以下参考附图的详细说明中阐释，其中：

[图1]是符合本发明的原理的表面弹性波谐振器在垂直于POI衬底的支撑衬底的主面的截面平面上的示意图；

[图2]是在POI衬底的周期性电极阵列下传播的表面剪切基本弹性模式的TCF₁系数(竖直轴，单位为ppm/K)随频率(水平轴，单位为MHz)变化的图形表示，所谓的标准POI衬底，其从正面开始按顺序包括：600nm厚度的的钽酸锂层(根据IEEE Std-176压电性标准，该钽酸锂层具有(YXl)/42°切割)、500nm厚度的二氧化硅层、1μm的多晶硅层和100类型硅衬底；

[图3]是在POI衬底的周期性电极阵列下传播的表面弹性模式的TCF₁系数(竖直轴，单位为ppm/K)随频率(水平轴，单位为MHz)变化的图形表示，特别地，曲线C和曲线D表示与包括由硅制成的支撑衬底的POI衬底相关联的TCF₁系数，该支撑衬底分别为110类型或根据标准IEEE Std-176的(XYt)/45°或(YXt)/45°类型；

[图4]显示在POI衬底上传播的表面剪切基本弹性模式的TCF₁(竖直轴，单位为ppm/K)随LiTaO₃层的切割角度θ(水平轴，单位为角度°)的变化，所考虑的POI衬底包括由硅制成的支撑衬底，以及350nm厚度的位于支撑衬底与LiTaO₃层之间的SiO₂层；

[图5]显示在与[图4]相关描述的POI衬底上传播的表面剪切基本弹性模式的机电耦合(竖直轴，单位为％)随LiTaO₃层的切割角度θ(水平轴，单位为°)的变化；

[图6]是符合本发明的原理的表面弹性波谐振器在垂直于POI衬底的支撑衬底的主面的截面平面上的示意图；

[图7]以图形方式(根据3D表示)显示由上述POI衬底形成的表面弹性波器件的LiTaO₃层5中能够传播的波的相速度。以vφ表示的该相速度(竖直轴，单位为m/s)绘制为器件工作频率(A轴，单位为MHz)和SiO₂层6的厚度(B轴，单位为nm)的函数；

[图8]以图形方式(根据3D表示)表示在上述POI衬底上传播的表面剪切基本弹性模式的机电耦合因子，以k_s ²表示的该机电耦合因子(竖直轴，单位为％)表示为在所述POI衬底上形成的无限周期性换能器的工作频率(A轴，单位为MHz)和SiO₂层6的厚度(B轴，单位为nm)的函数；

[图9]以图形方式(根据3D表示)表示在上述POI衬底中传播的表面剪切基本弹性模式的TCF₁系数。以TCF₁表示的该TCF₁系数(竖直轴，单位为ppm/K)表示为换能器工作频率(A轴，单位为MHz)和SiO₂层6的厚度(B轴，单位为nm)的函数；

[图10]以图形方式(根据3D表示)显示在上述POI衬底中传播的表面剪切基本弹性模式的机电耦合因子，所述POI衬底的其LiTaO₃层5的厚度等于700nm。以k_s ²表示的该机电耦合因子(竖直轴，单位为％)表示为在所述POI衬底上形成的换能器的工作频率(A轴，单位为MHz)和SiO₂层6的厚度(B轴，单位为nm)的函数；

[图11]以图形方式(根据3D表示)表示在上述POI衬底上传播的表面剪切基本弹性模式的TCF₁系数，所述POI衬底的LiTaO₃层的厚度等于700nm。以TCF₁表示的该TCF₁系数(竖直轴，单位为ppm/K)表示为换能器工作频率(A轴，单位为MHz)和SiO₂层的厚度(B轴，单位为nm)的函数；

[图12]以图形方式(根据3D表示)显示在上述POI衬底上传播的表面剪切基本弹性模式的机电耦合因子，所述POI衬底的LiTaO₃层的厚度等于800nm。以k_s ²表示的该机电耦合因子(竖直轴，单位为％)表示为在POI衬底上形成的换能器的工作频率(A轴，单位为MHz)和SiO₂层的厚度(B轴，单位为nm)的函数；

[图13]以图形方式(根据3D表示)显示在上述POI衬底上传播的表面剪切基本弹性模式的TCF₁系数，所述POI衬底的LiTaO₃层的厚度等于700nm。以TCF₁表示的该TCF₁系数(竖直轴，单位为％)表示为换能器工作频率(A轴，单位为MHz)和SiO₂层6的厚度(B轴，单位为nm)的函数；

[图14]是基本剪切模式相速度(竖直轴，单位为m/s)随频率(水平轴，单位为MHz)变化的图形表示，并且该剪切基本模式在POI衬底中传播，该衬底包括600nm的LiTaO₃(YX1)42°层、100nm的附加层，400nm的介电层和硅支撑衬底，附加层能够包括金刚石碳、GaN、ZnO、LiNbO₃；

[图15]是基本剪切模式相速度(竖直轴，单位为m/s)随频率(水平轴，单位为MHz)变化的图形表示，并且该剪切基本模式在POI衬底中传播，该衬底包括600nm的LiTaO₃(YX1)42°层、100nm的附加层，400nm的介电层和硅支撑衬底，附加层可包括：SiN、多晶硅、AlN、A1₂O₃；

[图16]是符合本发明的原理的表面弹性波器件在垂直于支撑衬底的正面的截面平面上的示意图；

[图17]是根据本发明的方法的步骤a)的示意图；

[图18]是在支撑衬底上形成第一层和第二层的示意图；

[图19]是第二层与第三层组装的示意图；

[图20]是沿着脆化区的断裂的示意图。

具体实施方式

为了简化下面的描述，在本发明和现有技术公开的不同实施方案中，相同的附图标记用于相同的元件或执行相同功能的元件。

本发明涉及一种由POI衬底形成的表面弹性波器件。在这方面，文献FR3127660描述了一种表面弹性波器件及其操作原理。

根据本发明，表面弹性波器件可选自：滤波器、谐振器或传感器。然而，应当理解的是，本发明不限于这些方面，并且本领域技术人员可将其原理适用于由POI衬底形成的任何类型的表面弹性波器件。

特别地，本发明涉及一种在POI衬底上产生的表面弹性波器件。特别地，POI衬底从正面到背面包括压电材料层、介电材料层和支撑衬底。

在这方面，支撑衬底包括选自以下元素中的至少一种：

具有(110)类型取向的硅衬底，具有(YXt)/θ/90°取向的石英衬底，其中θ介于-20°与60°之间、有利地介于-10°与30°之间，例如等于5°。

此外，根据本发明的器件包括形成在压电材料层上和/或压电材料层中的至少一个电声换能器。例如，但不限制本发明的范围，表面弹性波器件包括至少一个输入电声换能器和至少一个输出电声换能器，它们形成在压电材料层上或压电材料层中。根据本发明的至少一个电声换能器可配备带电极的布拉格反射镜。所述电极可以周期性地布置，并且特别地其重复周期与位于换能器任一侧的该至少一个换能器的这些电极的重复周期接近。该结构可以在其内部包括至少一个自由表面间隔。以这种方式形成的谐振器被用作结合一个或多个相同单元的滤波器的阻抗元件，该一个或多个相同单元包括如上所述的至少一个谐振器。

应当理解的是，衬底或层的取向必须与其根据标准IEEE 1949Std-176定义的晶体取向相关联。

此外，应当理解的是，相对于晶体取向的角度偏差是可以接受的。特别地，无论考虑什么晶体取向，通常都会接受后者被规定在所述取向周围的10°内、有利地在5°内。

[图1]是表面弹性波器件1的示意图(特别地，在该[图1]中，该器件是谐振器)。

特别地，表面弹性波器件1包括POI衬底2。

在这方面，POI衬底2从正面3到背面4包括压电材料层5、第一介电材料层6和支撑衬底7。

例如，表面弹性波器件1是具有中心频率f₀以及带宽Δf的带通滤波器，该带宽可表示为该中心频率的分数，通常介于0.1％与10％之间，其中POI衬底设置有由钽酸锂LiTaO₃制成的压电层5。考虑到基于LiNbO₃的压电层5允许通过选择所述层的晶体取向将该分数的上限推回到15％或更高，以便最大化由此采用的模式的机电耦合。

根据一个实施方案，表面弹性波器件1包括至少一个电声换能器，例如，如[图1]所示，至少一个输入电声换能器8和至少一个输出电声换能器9。

根据另一实施方案，表面弹性波滤波器由至少一个单元组成，该至少一个单元设置有至少一个表面弹性波谐振器，该至少一个表面弹性波谐振器形成具有输入端口和输出端口的四极杆。这些是本领域技术人员所知的声耦合滤波器，英语称为LCRF(纵向耦合谐振器滤波器)、DMS(双模SAW)滤波器或SCAW(表面腔体声波)滤波器。当具有单个换能器的多个单元或连接在一起以形成偶极杆的多个换能器仅通过电连接级联布置时，所得滤波器通常被称为阻抗元件滤波器。在操作中，将待滤波的电磁信号施加到滤波器的输入端口，并且从滤波器的输出端口获取经滤波的电磁信号。然而，应当注意的是，术语“输入”和“输出”是完全任意的，并且可以通过在两个端口中任一个上施加/采样电磁信号来使用表面弹性波器件1，特别是滤波器。

一般来说，输入电声换能器8和输出电声换能器9以及用作级联布置的单元滤波器中的阻抗元件的谐振器与现有技术中已知的那些相一致，其一些特征将在下文中回顾。

每个换能器8和9包括两个叉指梳状电极。这些换能器8和9各自由金属指状物的阵列形成，这些金属指状物交替地连接到两个总线，在这两个总线之间施加/采样电势差。因此，利用该器件，可以在压电材料层5中直接生成/检测表面弹性波。输入电声换能器8和输出电声换能器9通常被配置为相同。然而，本发明不限于该方面，本领域技术人员可以考虑两个不同的换能器。

由此能够形成的滤波器通常被称为横向滤波器。实际上，这些滤波器的传递函数可以有利地通过梳状电极沿着波的传播方向的互穿来调制。对于这种类型的部件，换能器能够在布拉格条件之外工作。这些滤波器被认为具有有限脉冲响应。本领域技术人员还可以使用在布拉格条件下工作的换能器，有利地在滤波器的每个端部处添加反射镜，以将能量同相返回到所考虑的结构中，从而产生具有无限脉冲响应的滤波器。上述阻抗元件滤波器也对应于无限脉冲响应滤波器，因为它们由谐振元件组成。

电极的金属通常基于铝，例如纯铝或铝合金，诸如掺杂有Cu、Si或Ti的铝。然而，可以使用另一种材料，例如，通过使用比铝所需的相对电极厚度更小的厚度来建立更高的反射系数，以实现相似的特性。在这方面，优选的电极材料是铜(Cu)、钼(Mo)、镍(Ni)、铂(Pt)或金(Au)，其具有粘附层，诸如钛(Ti)或钽(Ta)或铬(Cr)、锆(Zr)、钯(Pd)、铱(Ir)、钨(W)等。电极也可以由上述两种材料组成，以便通过其声反射、机电耦合和特别是欧姆损耗的功能来优化换能器的操作。

通常选择电极的周期p使得p＝λ/2，λ为弹性波在压电材料层5中以换能器的同步频率f_s传播的波长，给出为所用模式的相速度。然后换能器在上面已经提到的布拉格条件下工作。其他配置也是可能的，更一般地，周期p可以表示为p＝λ/(nb_elec)，其中nb_elec是每个波长的指状物(电极)的数量。这些参数通过关系式λ＝V/f_s联系起来，其中，V表示换能器下的弹性波的相速度。自由表面上或电声换能器下的弹性波的速度特别地取决于波在其中传播的材料的性质。后者通常是已知的，或者本领域技术人员可具体通过使用文献中列出的合适模型中的弹性常数、压电常数和介电常数以及密度来获得。

在带通滤波器的情况下，特别是具有给定频率和带宽的带通滤波器的情况下，可以考虑使用其同步频率被选择来满足上述要求的换能器。用于实施这种选择或这些选择的方法是本领域技术人员已知的，因此不进行描述。

通常选择电极的金属化宽度(记作a)，使得a/p的比率约为0.5。该方面不限制本发明的范围，并且本领域技术人员可以考虑其他可能对于给定模式/材料组合更有利的比率。每个换能器的指状物对的数量通常被选择为大约20或100，这不是限制性的。通常，增加指状物对的数量使得可以增加对带宽之外的频率的抑制，并且减小换能器在其同步频率附近的导纳或阻抗响应的频谱范围。

表面弹性波器件1还可以包括设置在输入电声换能器8和输出电声换能器9对的两侧的两个外部反射镜10和11。众所周知，这些反射镜10和11能够将最大弹性能量限制在输入电声换能器8与输出电声换能器9之间。为此，这些反射镜被设计成具有非常高的反射系数，尽可能接近1(即对入射能量的全反射)，具体通过选择反射镜电极的厚度和这些电极的数量来实现，通常在用于剪切波的POI衬底的情况下，每个反射镜有几十个电极。然而，应当注意的是，这两个外部反射镜对于本发明不是必需的，并且符合本发明的完全功能性的器件可以不具有它们。

本发明的目的是提出一种器件，例如表面弹性波滤波器1(但不将本发明仅限于该方面)，对于该器件，在频率低于1GHz时温度灵敏度保持受限。

在这方面，表面弹性波滤波器的温度行为通常由以下关系式正确地表示：

Δf/f＝TCF₁×(T-T₀)+TCF₂×(T-T₀)²

温度灵敏度方面的要求是指必须将TCF₁系数保持在低于表面弹性波器件的工作频率范围内的阈值。更具体地，保持TCF₁系数小于20ppm/K、有利地小于15ppm/K、甚至更有利地小于10ppm/K的值是有利的。

发明人能够观察到，现有技术中已知的POI衬底在用于制造在小于1GHz、并且更具体地介于400MHz与1GHz之间的频率下工作的表面弹性波器件时，表现出相对高的温度灵敏度。

应当理解的是，考虑到所研究的换能器的特性，本发明的陈述的其余部分中描述的所有图形表示是基于模型的数字模拟的结果(基于衬底的格林函数和诸如有限元和边界元的数字方法来实施分析)。与这些模拟有关的细节不在以下陈述中给出。然而，本领域技术人员将在说明书末尾引用的文献[3]中找到允许重现这些模拟的理论要素。

例如，[图2](曲线A)示出了在现有技术中已知的POI衬底上传播的表面剪切基本弹性模式的系数TCF₁的变化。特别地，该衬底从正面到背面包括以下各层：

-厚度为600m的LiTaO₃层，带有(XYl)/42°切面

-厚度为500nm的SiO₂层

-100型硅衬底，厚度等于650μm(在计算TCF₁系数变化时，假定硅衬底为半无限大)。

在图2中，本领域已知的在POI衬底面上传播的基本表面剪切弹性模式的TCF₁系数在工作频率高于1.3GHz时保持在15ppm/K以下，但当频率低于1GHz时，其值可达到20ppm/K以上，甚至25ppm/K。

为了克服这一问题，发明人研究了硅衬底7结晶取向的影响。

特别地，当100型硅衬底被110型硅衬底取代时，发明人能够清楚地观察到TCF₁系数的下降。考虑硅衬底110会导致所考虑模式的机电耦合系数下降，尤其是下降1％。

考虑由硅110制成的支撑衬底可以降低频率低于1GHz、特别是介于400MHz与1GHz之间的TCF₁系数。

更具体地，根据本发明，还可以考虑110型(或IEEE Std-176标准规定的(XYw)/45°)或IEEE Std-176(XYt)/45°型硅制成的支撑衬底。

在这方面，[图3]以图表示出了TCF₁系数的演变与不同POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模态频率的函数关系。每个POI衬底包括由LiTa0₃制成的厚度等于700nm的压电材料层，以及由SiO₂制成的厚度等于350nm的介电材料层。此外，曲线C是由110型硅支撑衬底构成的POI衬底获得的，而曲线D则是由包含IEEE Std-176型硅支撑衬底(XYt)/45°或(YXt)/45°的POI衬底获得的。

在这两种情况下，TCF₁系数保持低于13ppm/K，而与本领域已知的POI衬底引导的表面剪切基本弹性模式时观察到的情况相比，所考虑的表面弹性模式的机电耦合几乎没有受到影响。

发明人指出，也可以考虑由石英制成的支撑衬底，其取向为(YX/t)/θ/90°，θ介于-20°与60°之间，有利地介于-10°与30°之间，例如等于5°。

作为选择或另外，为了降低TCF₁系数，还可以调整在支撑衬底7上形成的堆叠体。特别地，第一介电材料层6包括二氧化硅，厚度大于300nm，有利地介于300nm与600nm之间，甚至更有利地介于300nm与400nm之间。

同样，也可以考虑由LaTiO₃或LiNbO₃制成的压电材料层5，其厚度介于300nm与1000nm之间，有利地小于800nm，甚至更有利地小于700nm。

发明人还研究了压电材料层的晶体取向对TCF₁系数振幅的影响。为了说明压电材料层结晶取向的影响，建议考虑由POI衬底引导的表面模态，该衬底从正面到背面包括厚度为700nm、结晶取向为(YZl)/θ(θ介于0°与和30°之间)的LiTaO₃层，厚度为350nm的SiO₂层，以及由硅制成的支撑衬底。

更具体地，[图4]和[图5]分别显示了TCF₁系数和与上述POI衬底引导的表面剪切基本弹性模式相关的机电耦合的变化，以及作为LiTaO₃层角度θ的函数的变化。因此，对于0的值介于10°与35°之间，有利地介于15°与30°之间，TCF₁系数保持在15ppm/K以下，机电系数大于10％。

根据上述内容的补充或替代方面，根据本发明的POI衬底还可以包括第二层12，该第二层位于压电材料层5与第一介电材料层6之间([图6])。第二层12的频率温度系数有利地与介电材料层5的频率温度系数符号相反。后一个方面弥补了介电层6对TCF₁系数的影响。

根据本发明应该理解，与给定材料层相关的频率温度系数对应于在所述层上传播的表面弹性模式的频率温度系数。还可以理解，在这种情况下，我们比较的是频率低于1GHz的两个频率温度系数。

附加层可以包括介电材料和/或半导体或压电材料。

根据本发明，当介电层6(例如由SiO₂制成)与正值频率温度系数相关时，则相关的第二层12(例如由SiN、A1₂O₃或AIN制成)的频率温度系数为负值。

此外，为了不干扰由形成POI衬底的材料的堆叠体引导的基本声学剪切模式的特性，对于低于1GHz的频率，附加层的声阻抗可大于或等于第一介电材料层6的声阻抗。

考虑第二层12也可以降低POI上引导的基本剪切弹性模式的TCF₁系数。如果层包含氮化硅(SiN)，则根据层的厚度，这种降低可达到5ppm/K，甚至更高。

增加与介电材料层符号相反的额外TCF层的生产步骤，可以分别减小/增加压电层/介电层的厚度，以达到给定的TCF，从而通过SmartCut^TM工艺转移压电层，而不会损坏压电层，也不会在支撑衬底中引起锂扩散。在进行退火以加强键合界面或外扩散注入氢(可能导致p-域反转)时，存在锂扩散的风险。

无需特别说明的是，本发明所考虑的氮化硅并不一定具有化学计量性。

发明人还注意到，在第一介电材料层6下设置第二层12不会对在POI衬底中传播的表面弹性模式的TCF₁系数产生明显影响。

有利的是，第二层12具有介于20nm与300nm之间的厚度。

使用第二层12可以有利地考虑使用厚度更大的介电层6。

此外，由SiN制成的第二层12和由SiO₂制成的第一介电材料层6可以在同一工艺步骤中形成，特别是在压力增强化学气相沉积框架(PECVD)中形成。

为了说明第二层12的使用，发明人估算了其对POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模式的TCF₁系数的影响。该模拟采用格林函数分析以代表了分层衬底上模式的扩散行为。

本分析中考虑的POI衬底从其正面到背面包括：

-沿该晶体的(YXl)/42°断面取向的LiTaO₃层5，厚度等于600nm；

-厚度等于100nm的SiN层12

-具有可以假定其值之一介于300nm与600nm之间的厚度的SiO₂层6

-由硅制成的支撑衬底7。

POI衬底还可以包括多晶硅俘获层，其厚度约为1pm，一般介于400nm与2μm之间。

发明人能够评估可能在LiTaO₃层5中传播的波的相速度、机电耦合系数以及在上述POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模式的TCF₁系数。

这些评估结果见[图7]、[图8]和[图9]。

特别地，[图7]以图形方式(根据3D表示)显示了上述POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模式可能在LiTaO₃层5中传播的波的相速度。该模式的相速度，表示为v_φ(竖直轴，单位m/s)，绘制为滤波器工作频率(A轴，单位MHz)和SiO₂层6厚度(B轴，单位nm)的函数。

[图8]显示了上述POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模式的机电耦合系数的示意图(3D)。机电耦合系数k_s ²(竖直轴，单位％)绘制为模式工作频率(A轴，单位MHz)和SiO₂层6厚度(B轴，单位nm)的函数。

[图9]显示了上述POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模式的TCF₁系数的示意图(3D)。TCF₁系数(竖直轴，单位ppm/K)绘制为模式工作频率(A轴，单位MHz)和SiO₂层6厚度(B轴，单位nm)的函数。

根据[图9]，对于介于600MHz与2GHz之间的频率和厚度小于或等于350nm的SiO₂，所考虑的表面弹性模式的TCF₁小于10ppm/K。与用于制造本领域已知的滤波器的方法相比，TCF₁系数的数值相对较低，这要归功于SiN层12的使用。然而，如[图7]和[图8]所示，与现有技术中已知的导波表面剪切弹性波(即不含SiN层)相比，使用第二层12会导致相速度增加，机电耦合系数降低1％。

本发明中所述的所有要素导致对TCF₁系数的调整。实际上，本发明的技术目标是限制或控制温度对由POI衬底形成的表面弹性波器件的运行的影响。

通过考虑由POI衬底形成的表面弹性波器件，举例说明调整的方法，该表面弹性波器件从其正面到背面包括：

-以(YXl)/42°角取向的LiTaO₃层5；

-厚度等于100nm的SiN层12；

-具有可以假定其值之一介于300nm与600nm之间的厚度的SiO₂层6

-俘获层包含多晶硅，厚度约为1μm。

-由硅制成的支撑衬底7。

评估结果见[图10]、[图11]、[图12]和[图13]。

[图10]以图形方式(根据3D表示)显示了上述POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模式的机电耦合系数，其中LiTaO₃层5的厚度等于700nm。机电耦合系数，记作k_s ²(竖直轴，单位％)，绘制为模式工作频率(A轴，单位MHz)和SiO₂层6厚度(B轴，单位nm)的函数。

[图11]以图形方式(根据3D表示)显示了在上述POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模式的TCF₁系数，其LiTaO₃层5的厚度等于700nm。TCF₁系数，记作TCF₁(竖直轴，单位ppm/K)，绘制为模式工作频率(A轴，单位MHz)和SiO₂层6厚度(B轴，单位nm)的函数。

[图12]以图形方式(根据3D表示)显示了上述POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模式的机电耦合系数，其中LiTaO₃层5的厚度等于800nm。机电耦合系数，记作k_s ²(竖直轴，单位％)，绘制为模式工作频率(A轴，单位MHz)和SiO₂层6厚度(B轴，单位nm)的函数。

[图13]以图形方式(根据3D表示)表示在上述POI衬底上引导的表面剪切基本弹性模式的TCF₁系数，其中LiTaO₃层5厚度等于800nm(星号对应于k_s ²最大而TCF₁系数最小的工作点)。TCF₁系数，记作TCF₁(竖直轴，单位ppm/K)，绘制为模式工作频率(A轴，单位MHz)和SiO₂层6厚度(B轴，单位nm)的函数。

对于厚度小于400nm的SiO₂层6和厚度为700nm的LiTaO₃层来说，第二SiN层12可以使得频率介于800MHz与1600MHz之间的模式的机电耦合系数大于10％([图10])，TCF_1r系数接近10ppm/K([图11])。

同样，对于厚度小于400nm的SiO₂层6和厚度等于800nm的LiTaO₃层，相同的第二SiN层12可以使得频率介于800MHz与1600MHz之间的模式的机电耦合系数大于11％([图12])，TCF_1r系数接近小于10ppm/K([图13])。

根据其工作频率，尤其是对表征表面弹性模式的参数TCF₁的控制，整个描述仅限于与基本剪切模式有关的参数。然而，本领域的技术人员会明白，利用相关模式的表面弹性波器件也有共振频率和反共振频率，这些频率本身由其自身的TCF₁系数表征。表征共振的TCF₁系数非常低，甚至为零，会对表征相关设备反共振的TCF₁系数产生负面影响，尤其是在铌酸锂和钽酸锂单旋转切割的情况下，众所周知，对于相同的模式，尤其是剪切模式，共振和反共振的TCF相互不同。

因此，本发明还提出对表征POI衬底的参数进行优化，以便更好地理解分别与在所述衬底上形成的器件的共振和反共振有关的TCF₁系数。更具体地，本发明建议调整与共振有关的TCF₁系数(以下简称TCF_1r)和与反共振有关的TCF₁系数(以下简称TFC_1AR)。特别地，本发明建议将TCF_1r系数调整到低于15ppm/K的值，将TFC_1AR系数调整到介于-4ppm/K与0ppm/K之间的值。同样，本发明建议将TCF_1R系数调整到介于5ppm/K介于10ppm/K之间的较低值，并将TFC_1AR项调整到介于-10ppm/K与-5ppm/K之间的值。

这些目标可以通过模拟上述各种项和系数的演变来实现，从而确定材料层及其各自的厚度。

发明人还研究了用于形成第二层12的SiN以外的其他材料。

更具体地，第二层12可以包括选自以下材料中的至少一种：SiC、A1₂O₃、AlN、金刚石碳、GaN、LiNbO₃、ZnO。

图14是基本剪切模式相速度(竖直轴，单位m/s)随频率(水平轴，单位MHz)变化的图示，POI衬底包括600nm的LiTaO₃(YX1)42°层、100nm的附加层、400nm的介电层和硅支撑衬底，该附加层可以包括金刚石碳、GaN、ZnO、LiNbO₃。

图15是基本剪切模式相速度(竖直轴，单位m/s)随频率(水平轴，单位MHz)变化的图示，POI衬底包括600nm的LiTaO₃(YX1)42°层、100nm的附加层、400nm的介电层和硅支撑衬底，该附加层可以包括SiN、多晶硅、AlN、Al₂O₃。

除了金刚石碳之外，在低频下当模式的相速度趋向于硅的剪切波速度时，也会观察到相同的行为。在给定频率下，降低所述模式速度相当于增加有关模式的波长，从而减少POI衬底复合结构的影响。

根据这些观察结果和适当的数学处理(考虑相速度相对于频率的导数)，可以得出结论：LiNbO₃是在800MHz至1200MHz范围内将模态对频率的敏感性最小化的最理想材料。

第二层12由金刚石碳制成，对于频率低于800MHz的情况似乎更有优势。

在由SiO₂介电层6以及LiTaO₃压电层5之间，厚度100nm的LiNbO₃附加层，可将TCF₁系数降至10ppm/K以下，而与压电层的晶体取向无关。

如上所述，本发明涵盖了多个方面，只要设备尤其是表面弹性波滤波器的工作频率低于1GHz，就可以独立或组合考虑这些方面，以优化(降低)TCF₁系数，使其值低于20ppm/K，有利地低于15ppm/K，甚至更有利地低于10ppm/K。

有利的是，POI衬底还包括位于介电材料层与支撑衬底之间的俘获层，该俘获层适于限制在介电材料层和俘获层之间形成的界面处的电载流子的平均自由程与介电材料层和支撑衬底之间形成的界面上的电载流子的平均自由程。

在这方面，俘获层可以由多晶硅组成，厚度有利地介于400nm与2000nm之间。

本发明还涉及一种制造表面弹性波器件的方法。

所述方法包括由POI衬底形成表面弹性波器件。该工艺有利地包括形成POI衬底。

制造弹性波器件的方法，该器件构造成的工作频率低于1GHz，并在POI衬底上形成。

POI衬底的形成有利地包括以下步骤：

a)在由压电材料制成的供体衬底中注入物质，注入物质的目的是在供体衬底的体积中形成称为脆化区的层，并在所述供体衬底的称为主面的面上划出有用层；

b)将有用层转移到支撑衬底的正面的步骤，该转移步骤依次包括将有用层与支撑衬底的一个面(称为正面)组装，以及进行热处理，以沿着脆化区引发断裂波，从而将有用层转移到正面；

该方法还包括在正面与有用层之间形成中间堆叠体101，该中间堆叠体从正面开始包括第一层、第二层和第三层，该第一层和该第三层包括二氧化硅，该第二层包括氮化硅。

因此，[图16]是可以根据本发明的制造工艺获得的POI衬底100的示意图。特别地，POI衬底依次包括支撑衬底110、第一层120、第二层130、第三层140(第一层120、第二层130和第三层140构成中间堆叠体101)和有用层150。

在这方面，第一层120可以包括SiO2，第二层130可以包括氮化硅(SiN)，第三层140可以包括SiO₂。

有利的是，POI衬底100还可以包括俘获层160。特别地，俘获层160可以包括非晶硅和/或多晶硅。

俘获层160位于中间堆叠体101与支撑衬底110的正面110a之间。特别地，相对于在中间堆叠体和支撑衬底之间形成的界面上的电载流子平均自由程，俘获层160适于限制中间堆叠体和所述俘获层之间形成的界面上的电载流子的平均自由程。

有利的是，支撑衬底包括至少一种选自以下的元件：具有取向110的硅衬底；具有取向(YX/t)/θ/90°的石英衬底，θ介于-20°与60°之间，有利地介于-10°与30°之间，例如等于5°。

[图17]是步骤a)的图示。特别地，步骤a)包括通过一个面注入物质，该面称为供体衬底210的主面200，该供体衬底包括压电材料。

特别地，步骤a)的执行方式是，在供体衬底210的体积中形成一个层，称为脆化区211，并与所述供体衬底的主面200划定有用层150。

无需规定，可以理解的是，脆化区211形成与主面200基本平行的层。

还可以理解的是，有用层150的厚度取决于物质的注入条件及其性质。

例如，当执行步骤a)时，技术人员可以考虑注入氢离子或氦离子。

有利的是，步骤a)之前可以有预备步骤，在此期间，压电材料进行气相氧处理，以限制甚至减少当所述供体衬底经受温度升高时可能出现在所述供体衬底中并因此出现在所述有用层中的热电效应。

该方法还可以包括在供体衬底或支撑衬底上形成介电材料层，特别是通过PECVD。

该过程还可能包括形成附加层，例如，如果介电层首先在支撑衬底上形成，则在介电层上形成。

有利的是，供体衬底210可以包括铁掺杂的钽酸锂，铁掺杂范围介于0.001％与0.05％之间，并且有利地介于0.002％与0.01％之间(按重量计)。

有利的是，中间堆叠体101的形成可以包括在执行实施步骤a)之前在主面上形成第三层140。第三层140可以通过PECVD形成。

有利的是，第三层的厚度介于10nm与100nm之间。

当第三层包括SiO₂时，上述厚度通常对应于小于λ/20且理想情况下小于λ/50的厚度，其中λ是声波长等于在布拉格频率下工作的叉指式换能器的机械半衰期的两倍。

同样，中间堆叠体的形成可以包括在支撑衬底110的正面110上形成第一层120，然后形成覆盖在第一层120的第二层130([图18])。

有利的是，第一层的厚度介于100nm与1000nm之间，有利地介于300nm与800nm之间，第二层的厚度介于20nm与300nm之间。

第二层的厚度与第一层的厚度之比将有利地介于1：4与1：3之间，例如，由LaTiO₃制成的压电层的厚度可以介于500nm与800nm之间，由SiN制成的第二层的厚度可以介于100nm与200nm之间，由SiO₂制成的第一层的厚度介于300nm与600nm之间。

一方面是第三层140的形成，另一方面是第一层120和第二层130的形成，之后是将有用层150转移到支撑衬底的正面的步骤b)，转移步骤包括按顺序将有用层与支撑衬底110的一个面(称为正面110a)组装在一起，以及进行热处理以旨在沿脆化区引发断裂波从而将有用层150转移到正面110a的热处理。

有利的是，组装可以包括使第二层130和第三层140接触([图19])。

因此，根据本发明，第三层是至少部分地形成于所述供体衬底上，更具体地说，形成于所述供体衬底的主面上的粘附层。

因此，最后一个方面允许在组装之前进行热处理，以将可能存在于第二层中的氢进行外扩散。事实上，第二层(包括SiN)是通过硅烷与NH3和/或N2的混合物的气相沉积而获得的。因此，第二层包括氢，必须将其去除，以避免在步骤b)结束时其迁移到压电层。因此，在支撑衬底正面上形成第二层允许仅在支撑衬底、第一层和第二层上进行热处理。最后一个方面可以限制压电材料的热历史并保持其特性(特别是限制域反转的风险)。考虑到第三层至少部分地形成于供体衬底的主面上，这使得可以将后者视为键合层。换句话说，这方面限制了压电材料的热历史，并限制了域反转的风险。

第三SiO₂层的厚度介于10nm(全部范围)与50nm之间。

或者，可以使用厚度为几纳米的非晶硅制成的第三层进行ADB键合。

该组装有利地是分子键合。

[图20]示出了一种热处理，其旨在沿脆化区引发断裂波，以便将有用层150转移到正面，以形成[图16]所示的POI衬底。

该方法还可以包括在形成第一层120之前在支撑衬底110上形成俘获层160。换句话说，第一层120是通过覆盖俘获层形成的。

当然，本发明不限于描述的实施方式，在不脱离权利要求书所定义的本发明的范围的情况下，可以提出实施变型。

参考文献

[1]T.Pastureaud等人，“High-Frequency Surface Acoustic Waves Excited onThin-Oriented LiNbO₃ Single-Crystal Loyers Transferred Onto Silicon”，IEEETrans.on UFFC，第54卷，第4期，第870-876页，2007；

[2]US2014/0152146 A1；

[3]S.Ballandras等人，“Simulations of surface acoustic wave devicesbuilt on stratified media using a mixed finite element/boundary intégralformulation”，Journal of Applied Physics，第95卷，第12期，第7731-7741页，2004。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种弹性波器件的制造方法，所述弹性波器件被配置为在小于1GHz的频率下工作并且形成在POI衬底上，形成所述POI衬底包括以下步骤：a)在包括LiTaO₃的供体衬底中注入物质的步骤，所述物质的注入旨在在所述供体衬底的体积中形成称为脆化区的层，并且与所述供体衬底的称为主面的面一起界定有用层；

b)将所述有用层转移到支撑衬底的正面上的步骤，所述转移步骤按顺序包括将所述有用层与所述支撑衬底的称为正面的面组装，以及热处理，所述热处理旨在沿着所述脆化区引发断裂波，以便将所述有用层转移到所述正面上；所述方法还包括形成中间堆叠体，所述中间堆叠体位于所述正面与所述有用层之间，并且所述中间堆叠体从所述正面开始包括第一层、第二层，所述第一层包括二氧化硅，所述第二层包括氮化硅、氧化铝或氮化铝。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述中间堆叠体还包括第三层，使得所述第二层位于所述第一层与所述第三层之间，所述第三层包括二氧化硅或非晶硅。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，形成所述POI衬底还包括称为俘获层的层，所述俘获层插置在所述中间堆叠体与所述正面之间，所述俘获层适于相对于在所述中间堆叠体与所述支撑衬底之间形成的界面处的电载流子的平均自由程来限制在所述中间堆叠体与所述俘获层之间形成的界面处的电载流子的平均自由程。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其中，所述俘获层包括大于预定缺陷密度的缺陷密度，所述预定缺陷密度是指在介于-20℃与120℃之间的温度下，所述俘获层的电阻率大于或等于10Kilo-ohm的缺陷密度。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其中，所述俘获层包括以下材料中的至少一种：非晶硅、多晶硅。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的制造方法，其中，形成所述堆叠体包括在执行所述注入步骤a)之前在所述主面上形成所述第三层。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其中，形成所述堆叠体包括在所述正面上形成所述第一层和所述第二层，使得在执行所述步骤b)时，组装包括使所述第二层和所述第三层接触。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的制造方法，其中，所述第三层具有介于10nm与100nm之间的厚度。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的制造方法，其中，所述方法包括在所述步骤a)之前执行的预备步骤，并且在所述预备步骤期间，所述供体衬底经受气相氧处理，以便限制或甚至减少当所述供体衬底经受温度升高时可能出现在所述供体衬底中并因此出现在所述有用层中的热电效应。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的制造方法，其中，所述供体衬底包括铁掺杂的钽酸锂，按重量百分比计，铁掺杂介于0.001％与0.05％之间、有利地介于0.002％与0.01％之间。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的制造方法，其中，所述第一层的厚度介于100nm与1000nm之间、有利地介于300nm与600nm之间，并且所述第二层的厚度介于100nm与200nm之间。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的制造方法，其中，所述方法包括形成至少一个电声换能器，所述至少一个电声换能器形成在所述有用层上和/或所述有用层中。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的制造方法，其中，所述支撑衬底包括选自以下的元件中的至少一种：具有取向110的硅衬底、具有取向(YX/t)/θ/90°的石英衬底，其中θ介于-20°与60°之间、有利地介于-10°与30°之间，例如等于5°。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的制造方法，其中，所述LiTaO₃材料具有(YX)/θ取向，其中θ介于10°与52°之间、有利地介于15°与30°之间。

Claims

b)将所述有用层转移到支撑衬底的正面上的步骤，所述转移步骤按顺序包括将所述有用层与所述支撑衬底的称为正面的面组装，以及热处理，所述热处理旨在沿着所述脆化区引发断裂波，以便将所述有用层转移到所述正面上；所述方法还包括形成中间堆叠体，所述中间堆叠体位于所述正面与所述有用层之间，并且所述中间堆叠体从所述正面开始包括第一层、第二层和第三层，所述第一层包括二氧化硅，所述第二层包括氮化硅、氧化铝或氮化铝，并且所述第三层包括二氧化硅或非晶硅。