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EP2517354A1 - Dispositif electromecanique a base d'electret mineral, et son procede de fabrication - Google Patents

Dispositif electromecanique a base d'electret mineral, et son procede de fabrication

Info

Publication number
EP2517354A1
EP2517354A1 EP10799024A EP10799024A EP2517354A1 EP 2517354 A1 EP2517354 A1 EP 2517354A1 EP 10799024 A EP10799024 A EP 10799024A EP 10799024 A EP10799024 A EP 10799024A EP 2517354 A1 EP2517354 A1 EP 2517354A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
electrode
substrate
electret
stack
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
EP10799024A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Emmanuel Defay
Sébastien Boisseau
Ghislain Despesse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2517354A1 publication Critical patent/EP2517354A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02015—Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles
    • 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
    • H03H3/02—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 piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
    • H03H3/04—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 piezoelectric or electrostrictive resonators or networks for obtaining desired frequency or temperature coefficient
    • 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
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02015—Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles
    • H03H9/02031—Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles consisting of ceramic
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/173—Air-gaps
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
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    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/174—Membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/175—Acoustic mirrors

Definitions

  • the present invention relates to an electromechanical device (MEMS or NEMS) such as, for example, an electromechanical actuator or a sensor or an acoustic resonator, in particular a high quality factor, and a method of manufacturing this device.
  • MEMS electromechanical device
  • NEMS acoustic resonator
  • an oscillator whose oscillation frequency is regulated by a piezoelectric resonator, a resonator whose electromechanical resonance frequency has an impedance variation sufficient to impose the frequency of the oscillator, is used for the most part.
  • the merit factor of a resonator for an application to the oscillators, is the product of the quality factor Q by the resonance frequency F.
  • the desired value of the QxF product is of the order of 10 14 Hz for the most accurate frequency sources of nomadic systems.
  • the most commonly used resonators include bulk elements (in English, bulk) made of quartz.
  • quartz based resonators is highly desirable, especially for silicon embedded technology.
  • a resonator which is smaller than a quartz-based structure and whose resonant frequency is already of the order of 1 GHz, namely a FBAR type structure (for Bulk Acoustic Resonator Film), comprising a thin layer piezoelectric which is deposited on a substrate and often based on aluminum nitride.
  • a FBAR type structure for Bulk Acoustic Resonator Film
  • the quality factor is then only of the order of 1000, as is for example described in the article by R. C. Ruby et al., Thin film bulk acoustic wave resonators for wireless applications,
  • a resonator of HBAR High-tone Bulk Acoustic Resonator
  • HBAR High-tone Bulk Acoustic Resonator
  • the electrical excitation of the piezoelectric thin film by means of the electrodes makes it possible to generate a whole series of harmonics, due to the presence of the acoustic cavity.
  • HBAR resonator has the advantages of the two previous solutions (Quartz resonator and FBAR type resonator): the quality factor is very high and the resonance frequencies of the different harmonics persist up to frequencies of the order of several gigahertz.
  • the quality factor of a HBAR type resonator results mainly from the presence of the substrate which constitutes the acoustic cavity and must be made of a monocrystalline material with very low acoustic losses, such as sapphire.
  • the existence of resonances at frequencies of the order of 1 GHz is due, for its part, to the presence of the piezoelectric thin film.
  • the low quality factor of the thin layer has little influence on the effective quality factor of the resonator.
  • the subject of the present invention is an electromechanical device, in particular a acoustic resonator, which overcomes the previous disadvantages.
  • the invention relates to an electromechanical device comprising:
  • a dielectric stack having two opposite faces and comprising at least one electret layer
  • the electret is a mineral electret.
  • the present invention is therefore limited to inorganic electrets (which may be amorphous or crystalline): the polymeric electrets are excluded.
  • Mineral electrets such as SiO 2 , SiN, Al 2 O 3 and SrTiO 3, for example, have the advantage of being much more rigid than polymer electrets.
  • acoustic resonators which comprise electrets made of polymeric materials. But such materials can not be suitable for the manufacture of resonators intended to operate at frequencies of the order of a few gigahertz: they are too viscous. On the contrary, electrets based on mineral materials are well suited to such frequencies.
  • the dielectric stack forming part of the device, object of the invention may comprise a single layer which is then the electret layer, or several dielectric layers, at least one of which is the electret layer.
  • a dielectric material is an electrostrictive material; on the other hand, the dielectric materials are not necessarily piezoelectric.
  • the electret layer may comprise permanent electrical charges, forming an electromechanical coupling.
  • the dielectric stack comprises in addition to the electret layer one or more non-piezoelectric layers
  • the use of charges in the electret layer makes it possible to create an electromechanical coupling that can be used to form an acoustic resonator as well. an electromechanical actuator, or even an electromechanical sensor.
  • the dielectric stack outside the electret may or may not be piezoelectric.
  • the electret can be, for its part, piezoelectric or non-piezoelectric.
  • the thickness of the electret layer can be chosen from a few nanometers to a few tens of micrometers; preferably, it is less than or equal to about 1 ⁇ m.
  • the electromechanical device, object of the invention may further comprise a substrate on one side of which are arranged the stack and the electrodes. It is specified that whatever the thickness of the electret layer, the electromechanical device may comprise a substrate.
  • the substrate is provided with a cavity, or hole, which opens at least on the face of the substrate on which one of the two electrodes rests, said electrode being at least partly above the cavity.
  • the substrate and the electrode there may be an intermediate layer, in particular to improve the adhesion or to isolate the electrode.
  • a substrate having a hole allows the stack, provided with the electrodes, to move perpendicular to the plane of the layers.
  • This embodiment is particularly interesting for the production of electromechanical actuator type structures or electromechanical sensor or acoustic resonator such as, for example, a FBAR (for Bulk Acoustic Resonator Film).
  • a FBAR for Bulk Acoustic Resonator Film
  • the corresponding device is particularly interesting for the production of acoustic resonators and in particular resonators HBAR type (for High overtone Bulk Acoustic Resonator).
  • the electromechanical device further comprises a Bragg grating acoustic having two opposite faces, one of which rests on one side of the substrate and the other carries one of the two electrodes.
  • the mineral electret layer may be crystalline or, on the contrary, amorphous.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing an electromechanical device, comprising:
  • first and second electrodes respectively on these two opposite faces, characterized in that the dielectric material is a mineral dielectric material.
  • the thickness of the electret layer may be chosen from a few nanometers to a few tens of micrometers; preferably, it is less than or equal to about 1 ⁇ m.
  • the dielectric stack and the electrodes can be made above a substrate, either directly or indirectly (for example above an intermediate layer that can serve as an etch stop layer).
  • the dielectric stack comprising at least the layer of dielectric material
  • the second electrode is formed on said stack
  • the sacrificial layer is removed to form a hole, or cavity, under the first electrode.
  • an etching stop layer is formed, and then the first electrode which rests on this face of the substrate, above the stop layer when it exists,
  • the dielectric stack comprising at least the layer of dielectric material is formed on the first electrode
  • the second electrode is formed on said stack, and the substrate is etched from the face opposite the first face to the stop layer when it exists, so as to make a hole, or cavity, under the first electrode.
  • an acoustic Bragg grating is formed on a substrate, at one face of this substrate,
  • the first electrode and the dielectric stack comprising at least the layer of dielectric material are then formed on this network, the permanent electrical charging of the layer of dielectric material is carried out, and
  • the second electrode is formed on said stack.
  • the permanent electrical charging can be carried out by a method selected from ion implantation and / or electronic implantation and / or corona discharge and / or the wet electrode method.
  • the electric charging is done by contact with a liquid, before the formation of the second electrode.
  • the order of the steps of the method, object of the invention can be modified.
  • the charging of the electret can be performed after the formation of the second electrode.
  • FIGS. 1 to 3 diagrammatically illustrate a first particular embodiment of the method, object of the invention
  • FIGS. 4 to 7A schematically illustrate a second particular embodiment of the method, object of the invention
  • FIG. 7B schematically illustrates an alternative embodiment of the method illustrated in FIG. 7A
  • FIGS. 8 to 10 schematically illustrate a third particular embodiment of the method, object of the invention.
  • FIGS. 11 to 13 schematically illustrate a fourth particular embodiment of the method, object of the invention.
  • FIGS. 14 to 17 schematically illustrate a fifth particular embodiment of the method, object of the invention.
  • FIGS 18, 19 and 20 illustrate schematically the principle of the method of the wet electrode, which is usable in the invention.
  • Corona discharge reference may be made for example to the article by J.A. Giacometti et al., Corona Charging of Polymers, IEEE Transactions on Electrical Insulation, vol. 27, No. 5, October 1992.
  • a non-piezoelectric dielectric material with very low acoustic losses for example sapphire or STO (SrTiOs)
  • STO STO
  • a permanent electrical charge is made of this material in order to transform it into electret.
  • this loading can be done by ion implantation, by implantation electronic or by the technique known as Corona discharge.
  • the material becomes piezoelectric induced.
  • the first example concerns the manufacture of a solid sapphire resonator.
  • a thick sapphire layer 2 having a thickness of at least 100 ⁇ m is used, for example 500 ⁇ m (FIG. 1).
  • the permanent electrical charge of the layer 2 is then carried out by ion implantation, by electronic implantation or by corona discharge, to transform it into a 2E electret layer.
  • Figure 2 illustrates this step by taking the example of the Corona discharge.
  • the layer 2 rests on an electrode 4 which is grounded.
  • a tip-shaped electrode 6 is placed above the layer 2.
  • a gate 8 is disposed between the electrode 6 and the layer 2.
  • the discharge is obtained by bringing the electrode 6 to a high positive potential, for example 10 kV, by means of a suitable voltage source 10.
  • the current of the discharge is measured by an ammeter 12 and controlled by adjusting the potential of the gate 8 by means of a suitable voltage source 14.
  • An electrode 16 is then formed on one face 18 of the layer 2E and another electrode 20 on the opposite face 22 of the layer 2E.
  • a metal for example aluminum
  • the reference 23 designates the charged zone (whose thickness is non-zero).
  • the second example concerns the manufacture of a monocrystalline thin-film resonator using a dielectric, non-piezoelectric material.
  • This resonator does not require the application of a DC voltage between its electrodes, during its operation.
  • a monocrystalline sapphire thin film 24 is used (FIG. 4).
  • the thickness of this layer is for example 1 ⁇ m.
  • a substrate 26 is formed, for example made of silicon, provided with an electrode 28 and a sacrificial layer 30 at a face 32 of the substrate.
  • the electrode 28 rests on this face, above the sacrificial layer 30.
  • the electrode 28 is for example obtained by evaporation deposition of a metal, for example aluminum, above the layer 30.
  • the thin layer 24 is then transferred to the electrode 28.
  • TM Smart Cut
  • a thick monocrystalline sapphire layer is used; it is bonded to the electrode 28, for example by molecular bonding; then the thick layer is thinned, for example by grinding, until the desired thickness for the thin layer is obtained.
  • the permanent electric charge of the layer 24 is carried out by ionic or electrical implantation or by corona discharge (FIG. 5).
  • a layer of aluminum is deposited on this layer 24E; then we proceed to the structuring of the aluminum layer, by photolithography and etching.
  • the sacrificial layer 30 is removed, for example by chemical etching (FIG. 7A), hence the formation of a cavity 37 under the resonator.
  • one "releases" the formed resonator it is then surrounded by air.
  • the release of the membrane constituted by the resonator can also be obtained by an etching of the silicon substrate 26, by the rear face of the latter. It is then a deep etching in this substrate.
  • An intermediate layer may be added between the lower electrode 28 and the substrate 26. This layer may be used as an etch stop layer.
  • FIG. 7B This is schematically illustrated by FIG. 7B in which the etch stop layer 37a, formed between the substrate 26 and the electrode 28, and a through hole 37b, formed through the substrate, under the coating layer are seen. etching stop 37a.
  • the etching stop layer is not essential; its use depends on the etching process and the materials used.
  • a resonator having a HBAR type structure is manufactured.
  • a thin sapphire layer can be used.
  • the substrate itself is sapphire, we obtain a structure "all sapphire".
  • the substrate 38 is provided with an electrode 40, for example made of aluminum, which rests on a face 42 of the substrate (FIG. 8).
  • the sapphire thin film 44 is formed on the electrode 40; then (FIG. 9) the permanent electrical charging of the layer 44 (the arrows 46 symbolizing this charging) is carried out, to transform the layer 44 into an electret layer 44E; and forming another electrode 48 on the layer 44E (FIG. 10).
  • the layer 44 has a thickness of 1 ⁇ m and the electrodes 40 and 48 have a thickness of 100 nm respectively, a substrate 38 with a thickness of 50 ⁇ m can be used.
  • a resonator is made with a thin layer of STO (SrTiOs) on an acoustic Bragg grating.
  • this network is used to confine the acoustic energy of the resonator which consists of the SrTiO3 layer and two electrodes.
  • the acoustic Bragg grating 50 (FIG. 11), for example in W / SiO 2 / W / SiO 2, is formed on a substrate 52, for example made of silicon. Then an electrode 53, for example platinum, is formed on the acoustic Bragg grating 50.
  • the thin film 54 of STO is formed on the electrode 53.
  • the layer 54 can be postponed or refined.
  • an electrode 58 for example platinum, is formed on the electret layer 54E by deposition and then structuring (FIG. 13).
  • the method which is the subject of the invention, can also be implemented with dielectric, non-piezoelectric materials of lower acoustic quality than sapphire or STO, for example materials deposited by any possible technique (in particular sputtering, evaporation, CVD, MOCVD, ALD, MBE), in particular the following materials: S1O 2, Si x N y, Al2O3, Hf0 2, Y2O3, Zr0 2, Ti0 2, SrTi0 3 deposited (Ba, Sr) Ti0 3.
  • any possible technique in particular sputtering, evaporation, CVD, MOCVD, ALD, MBE
  • Such a method is particularly interesting for the integrated silicon technology.
  • This example uses amorphous S1O 2 , which is deposited by CVD.
  • the method implemented in this example is particularly advantageous in the case of a microelectronic integration.
  • This layer is loaded by ionic or electronic implantation or Corona discharge.
  • the upper electrode is deposited and structured.
  • a structure comprising a substrate 60, for example made of silicon, a sacrificial layer 62, an electrode 64, for example made of aluminum or copper, on the substrate 60, above the sacrificial layer; and forming the thin layer 66 in S1O 2 on the electrode 64 ( Figure 14).
  • the layer 66 is electrically charged permanently to form the electret layer (FIG. 15).
  • an electrode 70 for example aluminum or copper, is formed on the electret layer 66E (FIG. 16); then removing the sacrificial layer 62 (hence the formation of a cavity 72) to release the resonator which is thus surrounded by air ( Figure 17).
  • the Corona discharge is generally used in photocopiers, for the production of ozone or to improve the wettability of certain materials.
  • its purpose is to inject charges in a dielectric material which is capable of keeping them for a long time (typically several years): it is an electret. This results in the appearance of a surface potential and the creation of an electric field within the material. It is an electric dipole, just as the permanent magnet is a magnetic dipole.
  • d is the thickness of the sample and E is the electric field.
  • the quantity of charges that are present in the sample material depends on the thickness of this material (d), its dielectric constant ( ⁇ ) and the capacity of the material to preferentially keep the charges on its surface, at depth. , or, for multilayer systems, at the interfaces.
  • a typical order of magnitude is a load of 2 mC / m 2 which corresponds to a surface potential of 200 V over 500 nm of Si0 2 .
  • the charging can be carried out under standard conditions of temperature and pressure (20 ° C to 10 5 Pa); nevertheless, it is not excluded to achieve it under other conditions and in particular at higher temperatures or lower pressures and vice versa. Nor is it possible to heat the sample while it is being loaded, which generally has the effect of increasing the penetration depth of the charges in the material as well as the stability. Charging is usually done in ambient air (0 2 : 20%, 2: 80%). Nevertheless, it is not excluded to change these ratios, or even to change gas.
  • the voltage of the tip (V p ) is of the order of magnitude of a few kilovolts.
  • the voltage of the gate (V g ) can vary between 0 V and 500 V. The two values can be positive (Corona +) or negative (Corona-). These voltages can, for example, be obtained using DC / HT converters.
  • the space between the tip and the grid, as well as the space between the grid and the sample is of the order of 1 cm.
  • the holes in the grid have a millimeter size.
  • the reference 72 designates a platinum upper electrode, the reference 74 a cotton pad, the reference 76 an aqueous solution of electrolytes, the reference 78 a layer constituting a sample, and the reference 80 a lower electrode which carries the sample and which is grounded.
  • the upper electrode is negatively charged (by appropriate means, not shown) and surrounded by the buffer 74. And the upper electrode is on the sample.
  • a second step (FIG. 19) the solution is absorbed by the buffer and the positive charges remain on the sample.
  • the upper electrode provided with the impregnated buffer is then removed from the solution.
  • These techniques are unique techniques that allow a monocrystalline layer to be postponed onto a host substrate. These techniques are perfectly controlled on silicon and allow, among other things, the industrial manufacture of SOI wafers (for Silicon On Insulator). These two techniques are differentiated by the range of material thicknesses that we seek to report, the Smart Cut TM process to achieve very small thicknesses that can typically be less than about 0.5 ym.
  • Step 1 Hydrogen implantation is performed on an oxidized Si substrate A.
  • the oxide layer is then the future buried insulation film of the SOI structure.
  • This implantation step generates the formation of a zone weakened in depth, which consists of microcavities whose growth is at the base of the phenomenon of detachment.
  • Step 2 The molecular bonding bonding makes it possible to secure the implanted plate A on the support plate (against plate or base) B which is not necessarily oxidized. A surface preparation is necessary to obtain a good quality bonding.
  • Step 3 The fracture step is performed at the weakened zone by means of a heat treatment in the range of 400 ° C-600 ° C.
  • the SOI structure is obtained, and on the other hand the initially implanted substrate A, peeled from the layer transferred. The latter can then be recycled for the realization of another transfer.
  • Step 4 Final treatments consist, on the one hand, of a high temperature annealing to consolidate the bonding interface between the transferred thin film and the support substrate and, on the other hand, of a polishing which allows to obtain the final thickness of silicon surface film desired, as well as a good surface finish.
  • the thickness of the transferred layer is directly related to the ion beam implantation energy, and thus makes it possible to obtain good flexibility in the thickness combinations (thin film and buried oxide).
  • the thickness of transferred silicon may range from a few tens of nanometers to about 2 ⁇ m using a conventional implanter (energy less than 210 keV).
  • the transferred layers are uniform and homogeneous in thickness because they are defined by a depth of implantation and not by a mechanical thinning.
  • Manufacturing costs are reduced, on the one hand, by the recycling of the substrates (the initially implanted plates can be reused after transfer of the thin film), and on the other hand by the use of standard equipment in microelectronics.
  • GaN - see A. Tauzin et al., "Transfers of 2-inch GaN films onto substrates using Smart CutTM technology,” Electronics Letters 2005, vol. 41, No. 11;
  • Germanium-On-Insulator (GeOI) structures realized from epitaxial Germanium wafers by the Smart Cut TM technology", Electro Chemical Society 2005.
  • acoustic transposition consists of producing a stack under the resonator in which quarter-wave layers of low acoustic impedance materials alternate with quarter-wave layers of high acoustic impedance materials.
  • the resonators are also called SMR (for Solidly Mounted Resonator).
  • the reflection coefficient depends on the materials and the number of layers used and is not constant over the entire frequency band. We will therefore specify the key parameters and the characteristics of the response of a Bragg mirror.
  • the reflection coefficient presented by the Bragg mirror is a function of the number of layers.
  • the pair of S1O 2 / W materials is commonly used because it allows, from four layers, to fulfill the sound insulation function.
  • the ratio of acoustic impedances also defines the width of the reflection bandwidth of the Bragg mirror.
  • this reflection band for a six-layer mirror reaches 1.5 GHz for the torque S1O 2 / AIN and 2.8 GHz for the torque
  • the S1O 2 / W couple has the advantage of using few layers and presenting a very wide reflection range.
  • its integration into BAW filters requires burning the tungsten outside the active zones in order to avoid parasitic capacitive couplings.

Landscapes

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  • Micromachines (AREA)

Abstract

Dispositif électromécanique à base d'électret minéral, et son procédé de fabrication. Ce dispositif comprend un empilement diélectrique comportant au moins une couche d'électret (2E), et deux électrodes (16, 20) sur deux faces opposées (18, 22) de l'empilement. L'électret est minéral. Le dispositif s'applique notamment au domaine des télécommunications.

Description

DISPOSITIF ELECTROMECANIQUE A BASE D'ELECTRET MINERAL, ET SON PROCEDE DE FABRICATION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif électromécanique (MEMS ou NEMS) tel que, par exemple, un actionneur électromécanique ou un capteur ou encore un résonateur acoustique, notamment à fort facteur de qualité, ainsi qu'un procédé de fabrication de ce dispositif.
Elle s'applique notamment au domaine des télécommunications .
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Dans le domaine des télécommunications, il est nécessaire de disposer de bases de temps très précises, avec des fréquences allant de quelques centaines de mégahertz à quelques gigahertz.
Pour ce faire, on utilise la plupart du temps un oscillateur dont la fréquence d'oscillation est réglée par un résonateur piézoélectrique, résonateur dont la fréquence de résonance électromécanique présente une variation d' impédance suffisante pour imposer la fréquence de l'oscillateur.
On rappelle que le facteur de mérite d'un résonateur, pour une application aux oscillateurs, est le produit du facteur de qualité Q par la fréquence de résonance F. La valeur souhaitée du produit QxF est de l'ordre de 1014 Hz pour les sources de fréquence les plus précises des systèmes nomades.
Les résonateurs les plus couramment utilisés comportent des éléments massifs (en anglais, bulk) en quartz.
Ils présentent l'inconvénient de résonner à des fréquences F de quelques mégahertz car ils sont épais : leur épaisseur est de l'ordre de 100 ym au minimum ; mais ils possèdent un facteur de qualité Q très élevé, de l'ordre de 100000, d'où une très bonne stabilité des oscillateurs à quelques mégahertz.
Pour avoir des fréquences plus élevées, on peut multiplier la fréquence de résonance du quartz ; mais alors le facteur de qualité diminue de sorte que le produit QxF reste à peu près constant, de l'ordre de 1012 Hz.
De plus, la multiplication de la fréquence nécessite de l'énergie, ce qui n'est pas souhaitable pour les systèmes nomades.
Finalement, une solution de remplacement des résonateurs à base de quartz est fortement souhaitable, tout particulièrement pour la technologie intégrée sur silicium.
Pour éviter la multiplication de la fréquence et travailler dans cette dernière technologie, on peut utiliser un résonateur qui est plus petit qu'une structure à base de quartz et dont la fréquence de résonance est déjà de l'ordre de 1 GHz, à savoir une structure de type FBAR (pour Film Bulk Acoustic Resonator) , comportant une couche mince piézoélectrique qui est déposée sur un substrat et souvent à base de nitrure d'aluminium.
Le facteur de qualité est alors seulement de l'ordre de 1000, comme cela est par exemple décrit dans l'article de R.C. Ruby et al., Thin film bulk acoustic wave resonators for wireless applications,
IEEE Ultrason. Symp. pp. 813-821, 2001) . Mais le produit QxF maximum est de l'ordre de 1012 Hz.
Toutefois, cette solution nécessite l'utilisation de nouveaux matériaux dans la technologie intégrée sur silicium, à savoir des matériaux tels que AIN, ZnO, Mo et Pt par exemple.
Une autre possibilité est d'utiliser un résonateur de type HBAR (pour High-tone Bulk Acoustic Resonator) , comprenant une cavité résonante acoustique, autrement dit un substrat de qualité acoustique, sur lequel on dépose successivement une électrode, une couche mince piézoélectrique et une autre électrode.
Dans un tel résonateur, l'excitation électrique de la couche mince piézoélectrique par le biais des électrodes permet de générer toute une série d'harmoniques, dues à la présence de la cavité acoustique .
Au sujet des résonateurs de type HBAR, on peut se reporter à l'article de M. Pijolat et al.,
Large Qxf product for HBAR using Smart Cut™ transfer of LiNb03 thin layers onto LiNb03 substrate, 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium, 2008 : 201-4 IEEE, Piscataway, NJ, USA, Conférence Paper.
L'utilisation d'un résonateur de type HBAR présente les avantages des deux solutions précédentes (résonateur à base de quartz et résonateur de type FBAR) : le facteur de qualité est très élevé et les fréquences de résonance des différentes harmoniques persistent jusqu'à des fréquences de l'ordre de plusieurs gigahertz.
En outre, l'utilisation de ce type de résonateur permet d' atteindre des produits QxF de l'ordre de 1014 Hz (notamment dans le cas où la couche mince est en AIN et le substrat en saphir) . Cependant, la présence des très nombreuses harmoniques, dont les fréquences sont très proches les unes des autres, induit souvent une instabilité de l'oscillateur.
Il convient de noter que le facteur de qualité d'un résonateur de type HBAR résulte principalement de la présence du substrat qui constitue la cavité acoustique et doit être fait d'un matériau monocristallin à très faibles pertes acoustiques, tel que le saphir. L'existence de résonances à des fréquences de l'ordre de 1 GHz est due, quant à elle, à la présence de la couche mince piézoélectrique.
Comme cette dernière est déposée sur le substrat, elle ne présente pas un facteur de qualité intrinsèquement très élevé.
Mais comme l'énergie acoustique est principalement concentrée dans la cavité, le faible facteur de qualité de la couche mince a peu d' influence sur le facteur de qualité effectif du résonateur.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
La présente invention a pour objet un dispositif électromécanique, en particulier un résonateur acoustique, qui remédie aux inconvénients précédents .
L'invention concerne un dispositif électromécanique comprenant :
- un empilement diélectrique ayant deux faces opposées et comportant au moins une couche d'électret, et
deux électrodes respectivement portées par les deux faces opposées de l'empilement,
caractérisé en ce que l'électret est un électret minéral.
La présente invention est donc limitée à des électrets minéraux (qui peuvent être amorphes ou cristallins) : les électrets polymères en sont exclus.
Jusqu'à présent, les électrets non polymères n'avaient jamais été utilisés pour fabriquer des résonateurs.
Les électrets minéraux, tels que Si02, SiN, AI2O3 et SrTi03 par exemple, présentent l'avantage d'être beaucoup plus rigides que les électrets polymères .
Le document US 2007/063793 décrit des résonateurs acoustiques qui comportent des électrets en matériaux polymères. Mais de tels matériaux ne peuvent convenir à la fabrication de résonateurs destinés à fonctionner à des fréquences de l'ordre de quelques gigahertz : ils sont trop visqueux. Au contraire, les électrets à base de matériaux minéraux conviennent bien à de telles fréquences.
On précise que l'empilement diélectrique faisant partie du dispositif, objet de l'invention, peut comporter une seule couche qui est alors la couche d'électret, ou plusieurs couches diélectriques dont au moins une est la couche d'électret.
Remarquons qu'un matériau diélectrique est un matériau électrostrictif ; par contre, les matériaux diélectriques ne sont pas forcément piézoélectriques.
Dans l'invention, la couche d'électret peut comporter des charges électriques permanentes, formant un couplage électromécanique.
On précise que lorsque l'empilement diélectrique comporte en plus de la couche d'électret une ou plusieurs couches non piézoélectriques, l'utilisation de charges dans la couche d'électret permet de créer un couplage électromécanique, utilisable pour former aussi bien un résonateur acoustique qu'un actionneur électromécanique, voire un capteur électromécanique.
L'empilement diélectrique en dehors de l'électret peut être ou non piézoélectrique. L'électret peut être, quant à lui, piézoélectrique ou non piézoélectrique .
L'épaisseur de la couche d'électret peut être choisie de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres ; de préférence, elle est inférieure ou égale à environ 1 ym.
Le dispositif électromécanique, objet de l'invention, peut comporter en outre un substrat sur une face duquel sont disposés l'empilement et les électrodes . On précise que, quelle que soit l'épaisseur de la couche d'électret, le dispositif électromécanique peut comporter un substrat.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le substrat est pourvu d'une cavité, ou trou, qui débouche au moins sur la face du substrat sur laquelle repose l'une des deux électrodes, ladite électrode étant au moins en partie au-dessus de la cavité .
Bien entendu, entre le substrat et l'électrode, il peut y avoir une couche intermédiaire notamment pour améliorer l'adhérence ou pour isoler 1 ' électrode .
On précise que l'utilisation d'un substrat présentant un trou (borgne ou non) permet à l'empilement, muni des électrodes, de se déplacer perpendiculairement aux plans des couches.
Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant pour la réalisation de structures de type actionneur électromécanique ou capteur électromécanique ou encore résonateur acoustique tel que, par exemple, un FBAR (pour Film Bulk Acoustic Resonator) .
Lorsque le substrat du dispositif selon l'invention ne présente pas de trou, le dispositif correspondant est particulièrement intéressant pour la réalisation de résonateurs acoustiques et notamment de résonateurs de type HBAR (pour High overtone Bulk Acoustic Resonator) .
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, le dispositif électromécanique comporte en outre un réseau de Bragg acoustique ayant deux faces opposées dont l'une repose sur une face du substrat et l'autre porte l'une des deux électrodes.
On précise que l'utilisation d'un substrat associé à un réseau de Bragg sous l'empilement et les électrodes permet notamment la réalisation d'un résonateur acoustique.
Dans l'invention, la couche d'électret minéral peut être cristalline ou, au contraire, amorphe.
La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un dispositif électromécanique, comprenant :
- la formation d'un empilement diélectrique ayant deux faces opposées, ledit empilement comportant au moins une couche en matériau diélectrique,
le chargement électrique permanent de ladite couche en matériau diélectrique pour former une couche d'électret, et
- la formation de première et deuxième électrodes respectivement sur ces deux faces opposées, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est un matériau diélectrique minéral.
Dans ce procédé, l'épaisseur de la couche d'électret peut être choisie de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres ; de préférence, elle est inférieure ou égale à environ 1 ym.
L'empilement diélectrique et les électrodes peuvent être réalisés au-dessus d'un substrat, soit directement soit indirectement (par exemple au-dessus d'une couche intermédiaire qui peut servir de couche d'arrêt de gravure) .
Selon un premier mode de réalisation particulier de ce procédé, à partir d'un substrat pourvu d'une couche sacrificielle et de la première électrode qui repose au-dessus de la couche sacrificielle,
on forme, sur la première électrode, l'empilement diélectrique comportant au moins la couche en matériau diélectrique,
on effectue le chargement électrique permanent de la couche en matériau diélectrique,
- on forme la deuxième électrode sur ledit empilement, et
- on élimine au moins en partie la couche sacrificielle pour former un trou, ou cavité, sous la première électrode.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier :
- on forme, au niveau d'une face du substrat, éventuellement une couche d'arrêt de gravure puis la première électrode qui repose sur cette face du substrat, au-dessus de la couche d'arrêt lorsqu'elle existe,
- on forme sur la première électrode, l'empilement diélectrique comportant au moins la couche en matériau diélectrique,
on effectue le chargement électrique permanent de la couche en matériau diélectrique,
- on forme la deuxième électrode sur ledit empilement, et - on grave le substrat à partir de la face opposée à la première face jusqu'à la couche d'arrêt lorsqu'elle existe, de façon à réaliser un trou, ou cavité, sous la première électrode.
Selon un troisième mode de réalisation particulier :
- on forme un réseau de Bragg acoustique (en anglais, acoustic Bragg grating) sur un substrat, au niveau d'une face de ce substrat,
on forme ensuite, sur ce réseau, la première électrode et l'empilement diélectrique comportant au moins la couche en matériau diélectrique, on effectue le chargement électrique permanent de la couche en matériau diélectrique, et
- on forme la deuxième électrode sur ledit empilement .
Dans le procédé, le chargement électrique permanent peut être effectué par une méthode choisie parmi l'implantation ionique et/ou l'implantation électronique et/ou la décharge Corona et/ou la méthode de l'électrode humide.
Dans cette méthode de l'électrode humide, le chargement électrique est réalisé par contact avec un liquide, avant la formation de la deuxième électrode .
On reviendra sur cette méthode à la fin de la présente description.
On précise que l'ordre des étapes du procédé, objet de l'invention, peut être modifié. En particulier, le chargement de l'électret peut être réalisé après la formation de la deuxième électrode .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
les figures 1 à 3 illustrent schématiquement un premier mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention,
les figures 4 à 7A illustrent schématiquement un deuxième mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention,
- la figure 7B illustre schématiquement une variante de réalisation du procédé illustré par la figure 7A,
- les figures 8 à 10 illustrent schématiquement un troisième mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention,
les figures 11 à 13 illustrent schématiquement un quatrième mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention,
les figures 14 à 17 illustrent schématiquement un cinquième mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention, et
les figures 18, 19 et 20 illustrent schématiquement le principe de la méthode de l'électrode humide, qui est utilisable dans 1 ' invention .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Au sujet de la technique « Smart Cut™ », on se reportera par exemple à l'article de M. Bruel, Application of hydrogen ion beams to Silicon On Insulator material technology, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B Beam Interactions with Materials and Atoms, Février 1996, B 108(3) : 313-19, ou bien au brevet FR 2 681 472.
Ce procédé est également décrit par exemple dans l'article de B. Aspar et al., « Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications », edited by S. S. Iyer and A.J. Auberton-Hervé, 2002, INSPEC, London, Chapter 3, pages 35-52.
On mentionne aussi dans la suite la mise en oeuvre d'une décharge Corona.
Au sujet de la décharge Corona, on pourra se reporter par exemple à l'article de J.A. Giacometti et al., Corona Charging of Polymers, IEEE Transactions on Electrical Insulation, vol. 27, n°5, octobre 1992.
Selon un aspect de l'invention, on utilise un matériau diélectrique, non piézoélectrique, à très faibles pertes acoustiques, par exemple le saphir ou le STO (SrTiOs) et l'on effectue un chargement électrique permanent de ce matériau afin de le transformer en électret .
Comme on l'a vu, ce chargement peut se faire par implantation ionique, par implantation électronique ou bien par la technique connue sous le nom de décharge Corona.
Lorsque le matériau ainsi chargé de manière permanente se trouve entre deux électrodes, une résonance électro-acoustique apparaît lorsqu'on impose un champ électrique aux électrodes.
Autrement dit, le matériau devient piézoélectrique induit.
On décrit ci-après divers exemples du procédé, objet de l'invention, pour obtenir un résonateur à très faibles pertes acoustiques.
Le premier exemple concerne la fabrication d'un résonateur massif en saphir.
Dans cet exemple, on utilise une couche épaisse 2 de saphir, ayant une épaisseur d'au moins 100 ym, par exemple 500 ym (figure 1) .
On effectue ensuite le chargement électrique permanent de la couche 2 par implantation ionique, par implantation électronique ou par décharge Corona , pour la transformer en une couche d'électret 2E .
La figure 2 illustre cette étape en prenant l'exemple de la décharge Corona.
Pour mettre en œuvre cette technique, la couche 2 repose sur une électrode 4 qui est mise à la masse .
Une électrode 6 en forme de pointe est placée au-dessus de la couche 2.
Une grille 8 est disposée entre l'électrode 6 et la couche 2. La décharge est obtenue en portant l'électrode 6 à un potentiel positif élevé, par exemple 10 kV, au moyen d'une source de tension appropriée 10.
Comme le voit sur la figure 2, le courant de la décharge est mesuré par un ampèremètre 12 et commandé en réglant le potentiel de la grille 8 au moyen d'une source de tension appropriée 14.
On forme ensuite une électrode 16 sur une face 18 de la couche 2E et une autre électrode 20 sur la face opposée 22 de la couche 2E. Pour former ces électrodes, on peut déposer un métal, par exemple l'aluminium, sur ces faces 18 et 22 (figure 3) .
Sur la figure 3, la référence 23 désigne la zone chargée (dont l'épaisseur est non nulle) .
Le deuxième exemple concerne la fabrication d'un résonateur à couche mince, monocristalline, en utilisant un matériau diélectrique, non piézoélectrique .
Ce résonateur ne nécessite pas l'application d'une tension continue entre ses électrodes, lors de son fonctionnement.
Dans cet exemple, on utilise une couche mince 24 en saphir monocristallin (figure 4) . L'épaisseur de cette couche vaut par exemple 1 ym.
Par ailleurs, on forme un substrat 26 par exemple en silicium, pourvu d'une électrode 28 et d'une couche sacrificielle 30 au niveau d'une face 32 du substrat .
L'électrode 28 repose sur cette face, au- dessus de la couche sacrificielle 30. L'électrode 28 est par exemple obtenue par dépôt par évaporation d'un métal, par exemple l'aluminium, au-dessus de la couche 30.
La couche mince 24 est alors reportée sur l'électrode 28. Pour ce faire, on peut utiliser la technique « Smart Cut » (TM) sur laquelle on reviendra à la fin de la présente description.
En variante, on utilise une couche épaisse de saphir monocristallin ; on la colle sur l'électrode 28, par exemple par collage moléculaire ; puis on amincit la couche épaisse, par exemple par meulage (en anglais, grinding) , jusqu'à ce que l'on obtienne l'épaisseur souhaitée pour la couche mince.
Ensuite, on effectue le chargement électrique permanent de la couche 24 par implantation ionique ou électrique ou par décharge Corona (figure 5) .
Les charges électriques envoyées dans la couche 24 portent la référence 34 sur la figure 5.
Puis on forme une autre électrode 36 sur la couche d'électret 24E (figure 6) qui résulte du chargement de la couche 24.
Pour ce faire, on dépose par exemple une couche d'aluminium sur cette couche 24E ; puis on procède à la structuration de la couche d'aluminium, par photolithographie et gravure.
Ensuite, on élimine la couche sacrificielle 30, par exemple par gravure chimique (figure 7A) , d'où la formation d'une cavité 37 sous le résonateur.
Ainsi, on « libère » le résonateur formé : il est alors entouré d'air. La libération de la membrane constituée par le résonateur peut aussi être obtenue par une gravure du substrat 26 en silicium, par la face arrière de ce dernier. Il s'agit alors d'une gravure profonde dans ce substrat.
On peut ajouter une couche intermédiaire entre l'électrode inférieure 28 et le substrat 26. Cette couche peut être utilisée comme couche d'arrêt de gravure .
Ceci est schématiquement illustré par la figure 7B où l'on voit la couche d'arrêt de gravure 37a, formée entre le substrat 26 et l'électrode 28, et un trou traversant 37b, formé à travers le substrat, sous la couche d'arrêt de gravure 37a.
On précise que la couche d'arrêt de gravure n'est pas indispensable ; son utilisation dépend du procédé de gravure et des matériaux utilisés.
Dans un troisième exemple, on fabrique un résonateur ayant une structure de type HBAR. Comme précédemment, on peut utiliser une couche mince en saphir. Et si le substrat est lui-même en saphir, on obtient une structure « tout saphir ».
Le substrat 38 est pourvu d'une électrode 40, par exemple en aluminium, qui repose sur une face 42 du substrat (figure 8) .
Comme précédemment, on forme la couche mince 44 en saphir sur l'électrode 40 ; puis (figure 9) on effectue le chargement électrique permanent de la couche 44 (les flèches 46 symbolisant ce chargement), pour transformer la couche 44 en couche d'électret 44E ; et l'on forme une autre électrode 48 sur la couche 44E (figure 10) .
Par exemple, si la couche 44 a une épaisseur de 1 ym et les électrodes 40 et 48 une épaisseur de 100 nm respectivement, on peut utiliser un substrat 38 dont l'épaisseur vaut 50 ym.
Dans un quatrième exemple, on fabrique un résonateur comportant une couche mince en STO (SrTiOs) sur un réseau de Bragg acoustique.
Dans ce cas, on utilise ce réseau pour confiner l'énergie acoustique du résonateur qui est constitué par la couche de SrTi03 et par deux électrodes .
Au sujet d'un tel réseau, on se reportera par exemple à l'article de K.M. Lakin et al.,
Development of miniature filters for wireless applications, IEEE Trans . Microwave Theory Tech., vol. 43, n°12, pp. 2933-2939, 1995.
On forme le réseau de Bragg acoustique 50 (figure 11), par exemple en W/Si02/W/Si02, sur un substrat 52 par exemple en silicium. Puis on forme une électrode 53, par exemple en platine, sur le réseau de Bragg acoustique 50.
On reviendra sur un tel réseau à la fin de la présente description.
Ensuite, on forme la couche mince 54 de STO sur l'électrode 53. Comme précédemment, la couche 54 peut être reportée ou affinée.
Puis on effectue le chargement électrique permanent de la couche 54 pour la transformer en couche d'électret, comme le montre la figure 12 où les flèches 56 symbolisent ce chargement.
Puis on forme une électrode 58, par exemple en platine, sur la couche d'électret 54E, par dépôt puis structuration (figure 13) .
Le procédé, objet de l'invention, peut également être mis en œuvre avec des matériaux diélectriques, non piézoélectriques, de moindre qualité acoustique que le saphir ou le STO, par exemple des matériaux déposés par toute les techniques possibles (notamment pulvérisation, évaporation, CVD, MOCVD, ALD, MBE) , en particulier les matériaux suivants : S1O2, SixNy, AI2O3, Hf02, Y2O3, Zr02, Ti02, SrTi03 déposé, (Ba, Sr) Ti03.
Un tel procédé est particulièrement intéressant pour la technologie intégrée sur silicium.
En effet, il s'agit d'un procédé qui peut être entièrement compatible avec des structures CMOS et qui n'utilise que des matériaux bien connus dans le domaine des CMOS.
On illustre ceci par un exemple, en faisant référence aux figures 14 à 17.
Cet exemple utilise du S1O2 amorphe, qui est déposé par CVD.
Le procédé mis en œuvre dans cet exemple est particulièrement avantageux dans le cas d'une intégration microélectronique.
En effet, comme on va le voir, il ne requiert que des matériaux qui sont totalement compatibles avec la technologie CMOS : Si, S1O2 et Al ou Cu . Les étapes de cet exemple correspondent aux étapes du deuxième exemple qui a été donné plus haut en faisant référence aux figures 4 à 7 (ces dernières correspondant respectivement aux figures 14 à 17), à ceci près que la couche mince de saphir est remplacée par une couche mince de Si02.
Cette couche est chargée par implantation ionique ou électronique ou par décharge Corona.
Puis, l'électrode supérieure est déposée et structurée.
Plus précisément, on forme une structure comprenant un substrat 60 par exemple en silicium, une couche sacrificielle 62, une électrode 64, par exemple en aluminium ou en cuivre, sur le substrat 60, au- dessus de la couche sacrificielle ; et l'on forme la couche mince 66 en S1O2 sur l'électrode 64 (figure 14) .
Puis on charge électriquement la couche 66 de façon permanente, pour former la couche d'électret (figure 15) .
Le chargement est symbolisé par les flèches
68.
Ensuite, on forme une électrode 70, par exemple en aluminium ou en cuivre, sur la couche d'électret 66E (figure 16) ; puis on élimine la couche sacrificielle 62 (d'où la formation d'une cavité 72) pour libérer le résonateur qui est ainsi entouré d'air (figure 17) .
Dans ce qui précède, on a donc décrit une variante du deuxième exemple. Mais on peut également mettre en œuvre des variantes comparables pour les troisième et quatrième exemples. Et, dans le premier exemple, on pourrait aussi remplacer la couche épaisse de saphir par une couche épaisse d'un matériau diélectrique, non piézoélectrique, amorphe, par exemple une couche épaisse de S1O2 amorphe.
On revient ci-après sur la décharge Corona. La décharge Corona est généralement utilisée dans les photocopieurs, pour la production d'ozone ou encore pour améliorer la mouillabilité de certains matériaux.
Dans le cas de la présente invention, son but est d'injecter des charges dans un matériau diélectrique qui est capable de les conserver pendant une longue période (typiquement plusieurs années) : il s'agit d'un électret. Il en résulte l'apparition d'un potentiel de surface et la création d'un champ électrique au sein du matériau. Il s'agit d'un dipôle électrique, au même titre que l'aimant permanent est un dipôle magnétique.
Afin de contrôler la valeur du champ électrique permanent, il est généralement plus aisé de contrôler le potentiel de surface de l'échantillon. En effet, grâce au système Corona triode (pointe 6/grille 8/électrode 4 - voir figure 2), le potentiel de surface de l'échantillon 2 (Vs) prend la valeur du potentiel imposé à la grille (Vg) et ainsi :
V V
E = -^ = ^
d d où d est l'épaisseur de l'échantillon et E le champ électrique.
La quantité des charges qui sont présentes dans le matériau de l'échantillon dépend de l'épaisseur de ce matériau (d) , de sa constante diélectrique ( ε ) et de la capacité du matériau à conserver préférentiellement les charges à sa surface, en profondeur, ou, pour des systèmes multicouches , aux interfaces .
On estime ainsi que si un matériau conserve ses charges (Q) à a surface (S) , alors la densité surfacique de charge ( σ) vaut : σ =— Q =—εε-ο^— ( ε0 : permittivite du vide).
Dans le cas d'un stockage en profondeur, il est plus difficile de déterminer la densité volumique de charge ( p ) dans le matériau.
Un ordre de grandeur typique est une charge de 2 mC/m2 qui correspond à un potentiel de surface de 200 V sur 500 nm de Si02.
Le chargement peut être réalisé sous des conditions standard de température et de pression (20°C à 105 Pa) ; néanmoins, il n'est pas exclu de le réaliser sous d'autres conditions et notamment à de plus hautes températures ou de plus basses pressions et inversement. Il n'est pas non plus exclu de chauffer l'échantillon pendant son chargement, ceci ayant généralement pour effet d' augmenter la profondeur de pénétration des charges dans le matériau ainsi que la stabilité . Le chargement est généralement réalisé à l'air ambiant (02 : 20%, 2 : 80%) . Néanmoins, il n'est pas exclu de changer ces ratios, voire de changer de gaz .
La tension de la pointe (Vp) est de l'ordre de grandeur de quelques kilovolts. La tension de la grille (Vg) peut varier entre 0 V et 500 V. Les deux valeurs peuvent être positives (Corona+) ou négatives (Corona-) . Ces tensions peuvent, par exemple, être obtenues à l'aide de convertisseurs DC/HT.
Généralement, l'espace entre la pointe et la grille, de même que l'espace entre la grille et l'échantillon, est de l'ordre de 1 cm. Les trous de la grille ont, quant à eux, une taille millimétrique.
Pour le chargement, on peut utiliser une autre technique, à savoir la méthode de l'électrode humide (encore appelée méthode de l'électrode liquide), au lieu de la décharge Corona.
Au sujet de cette méthode, on pourra se reporter à l'article de K. Ikezaki et al., Thermally Stimulated Currents from Ion-Injected Teflon-FEP Film Electrets, Jpn . J. Appl . Phys . 20 (1981) pp. 1741-1747.
Le principe de cette méthode est schématiquement illustré par les figures 18, 19 et 20.
Sur ces figures, la référence 72 désigne une électrode supérieure en platine, la référence 74 un tampon en coton, la référence 76 une solution aqueuse d' électrolytes , la référence 78 une couche constituant un échantillon, et la référence 80 une électrode inférieure qui porte l'échantillon et qui est mise à la masse . L'électrode supérieure est chargée négativement (par des moyens appropriés, non représentés) et entourée du tampon 74. Et l'électrode supérieure se trouve sur l'échantillon.
Dans une première étape (figure 18), on approche l'électrode supérieure de la solution. Cette dernière et l'échantillon se chargent alors positivement par influence.
Dans une deuxième étape (figure 19), la solution est absorbée par le tampon et les charges positives restent sur l'échantillon. On éloigne alors l'électrode supérieure pourvue du tampon imbibé de la solution .
Une fois l'électrode supérieure escamotée, on dispose donc d'un échantillon chargé positivement sur l'électrode 80 (figure 20) .
On revient maintenant sur le procédé Smart
Cut™.
Afin de réaliser une couche fine de matériau monocristallin, on peut avantageusement avoir recours à deux types de techniques existantes de report de couches minces, permettant de conserver le caractère monocristallin : la technologie Smart Cut™, basée sur l'implantation d'ions gazeux (typiquement des ions hydrogène), et la technique de collage/amincissement.
Ces techniques sont des techniques uniques qui permettent de reporter une couche monocristalline sur un substrat hôte. Ces techniques sont parfaitement maîtrisées sur le silicium et permettent entre autres la fabrication industrielle de plaquettes SOI (pour Silicon On Insulator) . Ces deux techniques se différencient par la gamme des épaisseurs de matériau que l'on cherche à reporter, le procédé Smart Cut™ permettant d'atteindre de très faibles épaisseurs qui peuvent être typiquement inférieures à environ 0,5 ym.
Le procédé Smart Cut™ (voir l'article de M. Bruel, Silicon on insulator material technology, Electronic letters, 31 (14), p.1201-1202, 1995), permet la réalisation de substrats SOI, comprenant du silicium sur un isolant.
La technologie Smart Cut™ peut être schématiquement résumée par les quatre étapes essentielles suivantes :
Etape 1 : L'implantation d'hydrogène est réalisée sur un substrat A de Si oxydé. La couche d'oxyde constitue alors le futur film d'isolant enterré de la structure SOI. Cette étape d'implantation génère la formation d'une zone fragilisée en profondeur, laquelle est constituée de microcavités dont la croissance est à la base du phénomène de détachement.
Etape 2 : Le collage par adhésion moléculaire permet de solidariser la plaque implantée A sur la plaque support (contre-plaque ou base) B qui n'est pas forcément oxydée. Une préparation de surface est nécessaire à l'obtention d'un collage de bonne qualité .
Etape 3 : L'étape de fracture est effectuée au niveau de la zone fragilisée au moyen d'un traitement thermique dans la gamme des 400°C-600°C. On obtient d'une part la structure SOI, et d'autre part le substrat initialement implanté A, pelé de la couche transférée. Ce dernier peut alors être recyclé pour la réalisation d'un autre transfert.
Etape 4 : Des traitements finaux sont constitués, d'une part, d'un recuit à haute température pour consolider l'interface de collage entre le film mince transféré et le substrat support et, d'autre part, d'un polissage qui permet d'obtenir l'épaisseur finale de film superficiel de silicium désirée, ainsi qu'un bon état de surface.
L'épaisseur de la couche transférée est directement reliée à l'énergie d'implantation du faisceau d'ions, et permet donc d'obtenir une bonne flexibilité au niveau des combinaisons d'épaisseurs (film mince et oxyde enterré) . A titre d'exemple, l'épaisseur de silicium transférée peut aller de quelques dizaines de nanomètres à environ 2 ym en utilisant un implanteur classique (énergie inférieure à 210 keV) .
Les couches transférées sont uniformes et homogènes en épaisseur car elles sont définies par une profondeur d'implantation et non par un amincissement mécanique .
Les coûts de fabrication sont réduits, d'une part, par le recyclage des substrats (les plaques initialement implantées peuvent être réutilisées après transfert du film mince), et d'autre part, par l'utilisation d'équipements standard en microélectronique .
C'est un procédé flexible qui permet par exemple la réalisation d' hétérostructures . Ainsi, la technologie Smart Cut™ permet par exemple de coupler les avantages d'un substrat support en Si massif (notamment coût, poids et caractéristiques mécaniques) et d'une couche mince active. On peut ainsi réaliser le transfert de couches de différents matériaux tels que :
- le Sic - voir L. DiCioccio et al.,
« Silicon carbide on insulator formation by Smart Cut™ process », Master, Sci. Eng. vol. B46, pp.349-356 (1997) ;
le GaAs - voir E. Jalaguier et al., « Transfer on thin GaAs film on silicon substrate by proton implantation process », Electronic letters, vol.34, n°4, pp.408-409 (1998) ;
l'InP - voir E. Jalaguier et al., « Transfer of thin InP film onto silicon substrate by proton implantation process », IEEE Proc.llth International Conférence on Indium Phosphide and Related Materials, Davos (Suisse) (1999) ;
le GaN - voir A. Tauzin et al., « Transfers of 2- inch GaN films onto sapphire substrates using Smart CutTM technology », Electronics Letters 2005, vol. 41, N°ll ;
- ou le Ga - voir C. Deguet et al. - « 200 mm Germanium-On-Insulator (GeOI) structures realized from epitaxial Germanium wafers by the Smart Cut™ technology », Electro Chemical Society 2005.
Ces transferts peuvent être réalisés sur différents substrats, notamment quartz, Si, Ge, GaAs et saphir .
On revient à présent sur le miroir de Bragg. Une solution pour isoler le résonateur acoustique de type BAW (pour Bulk Acoustic Wave) du substrat est fondée sur un principe très largement exploité en optique : le miroir de Bragg.
Sa transposition acoustique consiste à réaliser sous le résonateur un empilement dans lequel des couches quart d'onde de matériaux à basse impédance acoustique alternent avec des couches quart d' onde de matériaux à haute impédance acoustique. Dans cette configuration, les résonateurs sont aussi appelés SMR (pour Solidly Mounted Resonator) .
Cette idée, proposée dès 1965 - voir l'article de W.E. Newell qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description - pour les résonateurs à quartz, a été reprise dans les résonateurs BAW SMR réalisés par K.M. Lakin et al. (1995).
Dans le cas du miroir de Bragg, le coefficient de réflexion dépend des matériaux et du nombre de couches utilisés et n'est pas constant sur toute la bande de fréquence. Nous allons donc préciser les paramètres-clefs et les caractéristiques de la réponse d'un miroir de Bragg.
Il est possible de calculer le coefficient de réflexion que présente un miroir de Bragg pour une onde longitudinale en utilisant un modèle de type ligne de transmission - voir l'article de K.M. Lakin (1991) . Ce modèle permet de représenter l'impédance acoustique Zn présentée par une couche en fonction de l'impédance acoustique de la couche inférieure Zn_i par l'expression : Ζη_γ . cos(9 mat ) + i.Zmat . sin(9 mat )
zma, · cos(0 mat ) + ί.Ζη_γ . sin(0 mat )
o u ^ mat = ' ma' est la pulsation et Zmat, emat et Vmat sont respectivement l'impédance acoustique, l'épaisseur et la vitesse de l'onde longitudinale de la couche .
A partir de cette expression, il est possible de déterminer l'impédance ZBragg présentée par le miroir de Bragg à l'interface entre l'électrode inférieure et le miroir de Bragg. Le coefficient de réflexion R pour l'onde longitudinale s'écrit :
elec Bragg où Zeiec représente l'impédance acoustique de l'électrode inférieure.
Le coefficient de réflexion présenté par le miroir de Bragg est fonction du nombre de couches. Le couple de matériaux S1O2/W est couramment utilisé car il permet, à partir de quatre couches, de remplir la fonction d'isolation acoustique.
Le nombre de couches nécessaire augmente lorsqu'on utilise des matériaux qui présentent un plus faible rapport des impédances acoustiques. Ainsi, dans le cas du couple SÎ02/A1 , qui fut un des premiers à être exploité, deux couches sont nécessaires pour atteindre une réflexion suffisante - voir l'article de M. A. Dubois.
Le rapport des impédances acoustiques définit également la largeur de la bande passante de réflexion du miroir de Bragg. Plus le rapport des impédances acoustiques est élevé, plus la plage de fréquences sur laquelle le miroir de Bragg présente une bonne réflexion est grande. Ainsi, cette bande de réflexion pour un miroir à six couches atteint 1,5 GHz pour le couple S1O2/AIN et 2,8 GHz pour le couple
Le couple S1O2/W présente donc l'avantage d'utiliser peu de couches et de présenter une plage de réflexion très large. En revanche, son intégration dans des filtres BAW nécessite de graver le tungstène en dehors des zones actives afin d'éviter des couplages capacitifs parasites.
Les articles mentionnés plus haut sont les suivants :
W.E. Newell, Face-mounted piezoelectric resonators, Proc. of IEEE, pp. 575-581, 1965,
K.M. Lakin et al., Development of miniature filters for wireless applications, IEEE Trans . Microwave Theory. Tech., vol. 43, n°12, pp. 2933-2939, 1995
K.M. Lakin, Fundamental properties of thin film resonators, IEEE Freq. Contr. Symp., pp.201-206, 1991
M. A. Dubois, Aluminium nitride and lead zirconate-titanate thin films for ultrasonics applications : intégration, properties and devices, Thèse de l'EPFL, 1999.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif électromécanique comprenant :
- un empilement diélectrique (2E, 24E, 44E, 54E, 66E) , ayant deux faces opposées et comportant au moins une couche d'électret, et
- deux électrodes (16, 20 ; 28, 36 ; 40, 48 ; 53, 58 ; 64, 70) respectivement portées par les deux faces opposées de l'empilement,
caractérisé en ce que l'électret est un électret minéral.
2. Dispositif électromécanique selon la revendication 1, dans lequel la couche d'électret comporte des charges électriques permanentes, formant un couplage électromécanique.
3. Dispositif électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel l'empilement diélectrique en dehors de l'électret est non-piézoélectrique .
4. Dispositif électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'épaisseur de la couche d'électret (2E) est choisie de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres, et elle est de préférence inférieure ou égale à environ 1 ym.
5. Dispositif électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant en outre un substrat sur une face duquel sont disposés l'empilement et les électrodes.
6. Dispositif électromécanique selon la revendication 5, dans lequel le substrat (26, 60) est pourvu d'une cavité (37, 72), ou trou, qui débouche au moins sur la face du substrat sur laquelle repose l'une (28, 64) des deux électrodes, ladite électrode étant au moins en partie au-dessus de la cavité.
7. Dispositif électromécanique selon la revendication 5, comportant en outre un réseau de Bragg acoustique (50) ayant deux faces opposées dont l'une repose sur une face du substrat et l'autre porte l'une (53) des deux électrodes.
8. Dispositif électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la couche d'électret (2E, 24E, 44E, 54E) est cristalline.
9. Dispositif électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la couche d'électret (66E) est amorphe.
10. Procédé de fabrication d'un dispositif électromécanique, comprenant :
- la formation d'un empilement diélectrique (2, 24, 44, 54, 66), ledit empilement comportant au moins une couche en matériau diélectrique, le chargement électrique permanent de ladite couche de matériau diélectrique pour former une couche d'électret (2E, 24E, 44E, 54E, 66E) , et
la formation de première et deuxième électrodes (16, 20 ; 28, 36 ; 40, 48 ; 53, 58 ; 64, 70) respectivement sur ces deux faces opposées,
caractérisé en ce que le matériau diélectrique est un matériau diélectrique minéral.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'épaisseur de la couche d'électret (2E) est choisie de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres et elle est de préférence inférieure ou égale à environ 1 ym.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, dans lequel l'empilement diélectrique et les électrodes sont réalisés au-dessus d'un substrat.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel, à partir d'un substrat (26, 60) pourvu d'une couche sacrificielle (30, 62) et de la première électrode qui repose au-dessus de la couche sacrificielle,
on forme, sur la première électrode, l'empilement diélectrique comportant au moins la couche (24, 66) en matériau diélectrique,
on effectue le chargement électrique permanent de la couche (24, 66) en matériau diélectrique, - on forme la deuxième électrode (36, 70) sur ledit empilement, et
- on élimine au moins en partie la couche sacrificielle (30, 62) pour former un trou, ou cavité, sous la première électrode.
14. Procédé selon la revendication 12, dans lequel
on forme, au niveau d'une face du substrat, éventuellement une couche d'arrêt de gravure puis la première électrode qui repose sur cette face du substrat, au-dessus de la couche d'arrêt lorsqu'elle existe,
on forme sur la première électrode, l'empilement diélectrique comportant au moins la couche en matériau diélectrique,
on effectue le chargement électrique permanent de la couche (24, 66) en matériau diélectrique,
- on forme la deuxième électrode (36, 70) sur ledit empilement, et
- on grave le substrat à partir de la face opposée à la première face jusqu'à la couche d'arrêt lorsqu'elle existe, de façon à réaliser un trou, ou cavité, sous la première électrode.
15. Procédé selon la revendication 12, dans lequel
- on forme un réseau de Bragg acoustique (50) sur un substrat (52), au niveau d'une face de ce substrat, on forme ensuite, sur ce réseau, la première électrode et l'empilement diélectrique comportant au moins la couche en matériau diélectrique, on effectue le chargement électrique permanent de la couche (24, 66) en matériau diélectrique, et
- on forme la deuxième électrode (36, 70) sur ledit empilement.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, dans lequel le chargement électrique permanent est effectué par une méthode choisie parmi l'implantation ionique et/ou l'implantation électronique et/ou la décharge Corona et/ou la méthode de l'électrode humide.
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