Brevet FR2514567A1 — publié le 19830415

La présente invention se rapporte à un élément à onde élastique de surface, en particulier ayant une forte efficacité et seulement un faible coefficient de tempéra- ture. De nos jours, divers élémentsà onde élastique de surface utilisant une onde élastique de surface qui se propage le long d'une surface d'un matériau élastique, sont en développement. On connaît, comme matériau de substrat piézoélectrique pour les éléments à onde élastique de surface, un mono- cristal piézoélectrique comme le niobate de lithium (Li Nb O 3), une céramique piézoélectrique comme le zirconate titanate de plomb (PZT) ou une combinaison d'un substrat non-piézo- électrique et d'une couche piézoélectrique comme de l'oxyde de zinc (Zn O) Parmi eux, le niobate de lithium présente l'avantage d'avoir un facteur de couplage électro- mécanique K important et que la perte de propagation de l'onde de surface est faible, mais il présente l'inconvé- nient d'avoir un coefficient de température important. La céramique piézoélectrique présente l'avantage que son facteur de couplage électro-mécanique K est important mais ellle présente l'inconvénient que la perte de propagation de l'onde de surface augmente avec l'augmentation de la fréquence, parce que c'est un matériau fritté Par ailleurs, comme le mono-cristal piézoélectrique et la céramique piézoélectrique n'ont que leurs propres fonctions spécifiques, respectivement, on ne peut les utiliser que de façon assez limitée, et ils ne sont pas adaptés à une combinaison avec un circuit intégré pour obtenir des dispositifs ayant des fonctions nobles. Par ailleurs, quand on utilise la couche piézoélec- trique, l'élément se compose, comme on peut le voir sur la figure 1, d'une couche d'oxyde de zinc 2, par exemple, qui est déposée sur un substrat non piézoélectrique comme un substratensilicium 1, avec des électrodes 3 et 4 formées sur la couche d'oxyde de zinc 2 Cela permet un changement des éléments semi-conducteurs à former sur le substraten silicium 1, conduisant à la réalisation de dispositifs ayant des fonctions nobles. Cependant, un élément à onde élastique de surface ayant une telle couche piézoélectrique présente l'incon- vénient que le facteur de couplage électro-mécanique est plus faible que celui du mono-crital piézoélectrique ou de la céramique piézoélectrique, donc sa fonction est inefficace Par ailleurs,il présente un autre inconvénient, son coefficient de température est assez important, ce qui le rend peu adapté à une utilisation dans des disposi- tifs o le retard du signal est un facteur important. La présente invention a par conséquent pour objet de surmonter les problèmes ci-dessus mentionnés de l'art antérieur en prévoyant un élément à onde élastique de surface composé d'une couche d'oxyde de zinc qui est déposée sur une suface d'un substrat en silicium découpé avec une surface cristalline donnée et une couche diélec- trique ainsi que des électrodes formées en contact avec la couche d'oxyde de zinc. Selon la présente invention, on prévoit un élément à onde élastique de surface qui comprend: un substrat en silicium dont la surface principale a une, orientation cristalline donnée; une couche d'oxyde de zinc et une couche diélectrique touo Esdeux déposées sur la surface prncipale du substrat en silicium des électrodes formées sur la couche d'oxyde de zinc; les électrodes étant excitées afin de permettre à l'onde élastique de surface de se propager lelong d'un axe cristallin donné du substrat en silicium L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels: -1 la figure 1 est une vue en coupe montrant un élément à onde élastique de surface selon l'art antérieur; les figures 2, 4, 6 et 7 sont des vues en coupe illustrant des modes de réalisation selon l Invention, respectivement; les figures 3 et 5 montrent des courbes obtenues par la présente invention; les figures 8 à 11 montrent d'autres modes de réalisation selon l'invention. La présente invention sera maintenant décrite en détail par des modes de réalisation se référant aux dessins. La figure 2 montre une vue en coupe d'un mode de réalisation de l'élément à onde élastique de surface selon l'invention Le repère 5 désigne un substrat en silicium dont la surface principale est orientée selon lê plan ( 110) et le repère 6 désigne une couche d'oxyde de zinc formée sur le substrat en silicium 5 de façon que l'axe piézoélectrique de la première soit perpendiculaire à la surface principale du dernier Le repère 7 désigne une couche diélectrique en bioxyde de silicium, par exemple, et qui est partiellement déposée sur la couche d'oxyde de zinc 6, et lesrepères 8 et 9 désignent des électrodes d'entrée et de sortie en forme depeige respectivement qui sont formées sur la couche d'oxyde de zinc 6 o n'existe pas la couche diélectrique 7. La couche d'oxyde de zinc 6 et la couche diélectrique 7 peuvent être formées par pulvérisation ou dépôt de vapeur chimique (CVD) et les électrodes en forme de peigne 8 et 9 peuvent être formées en déposant des atomes d'aluminium par dépôt connu de vapeur. L'électrode d'entrée 8 est excitée de façon à produire une onde de Sezawa en tant qu'onde élastique de surface se propageant dans la direction de l'axe 001 l du substrat en silicium 5 Alors, l'onde élastique de surface se propage le long de la surface de la couche d'oxyde de zinc 6 et atteint les électrodes de sortie 9. La figure 3 montre une courbe obtenue avec l'élément à onde élastique de surface de la figure 2 L'axe des abscisses représente l'épaisseur normalisée -2th/À de l'épaisseur h de la couche d'oxyde de zinc 6 (ô = longueur d'onde de l'onde élastique de surface) tandis que l'axe des ordonnées représente la valeur au carré K 2 du facteur de couplage électromécanique K, en pourcentage Quand la conductivité à proximité de la limite entre le substrat en silicium 5 et la couche d'oxyde de zinc 6 est élevée dans le mode de réalisation de la figure 2, la valeur au carré K 2 du facteur de couplage-électromécanique K varie comme le montre la figure 3 par la courbe A Il faut noter que la courbe A est une courbe obtenue par l'onde de Sezawa. La ligne droite Bestla valeur maximum de K 2 quand le substrat est fait en niobate de lithium et représente environ 5,5 %. Comme cela est apparent par les courbes de la figure 3,quand l'onde élastique de surface est forcée à se propager dans la direction de l'axel 0011 du substrat en silicium 5, un facteur de couplage électromécanique suffisamment important pour actionner effectivement l'élément, peut être obtenu en déterminant l'épaisseur h de la couche d'oxyde de zinc 6 pour avoir 0,9 La figure 4 montre une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de l'élément à onde élastique de surface selon l'invention Le répère 5 ' désigne un substrat en silicium coupé avec une surface orientée suivant le plan ( 100) Les autres parties qui sont les mêmes que sur la figure 2 sont dénotées par les mêmes repères. L'électrode d'entrée 8 est excit 5 e afin de produire une onde de Sezawa en tant qu'onde élastique de surface pour propagation dans la direction de l'axe f 110) du substrat en silicium 5 ' La figure 5 montre une courbe caractéristique obtenue par l'élément à onde élastique de surface de la figure 4. Quand la conductivité à proximité de la limite entre le substrat en silicium 5 ' et la couche d'oxyde de zinc 6 est C,= 4567 élevée, la valeur au carré K 2 du facteur de couplage électromécanique K varie comme le montre la figure 5 par la courbe A Il faut noter que la courbe A est une courbe caractéristique obtenue par l'onde de Sézawa. La ligne droite Bestla valeur maximum de K 2 quand le substrat est fait en niobate de lithium et représente ,5 % environ. Comme cela est apparent par les courbes de la figure , quand l'onde élastique de surface est forcée à se pro- pager dans la direction de l'axe ( 011 l du substrat en silicium 5 ', on peut obtenir un facteur de couplage électro- mécanique suffisamment important pour actionner efficacement 19 lément, en déterminant l'épaisseur h de la couche d'oxyde de zinc 6 pour avoir 0,9 \ Le fait que la conductivité à proximité de la limite entre le substrat en silicium 5 et la couche d'oxyde de zinc 6 est élevée comme on l'a décrit ci-dessus, signifie que l'on obtient égalementle même effet si une couche de métal 10 est formée à la limite comme le montre la figure 6. Par ailleurs, également quand le substrat en silicium a une couche tirée par épitaxie, on peut obtenir le même effet que celui obtenu par la structure de la figure 2, parce que la résistance apparente peut diminuer. La figure 7 montre un autre mode de réalisation selon l'invention Une couche diélectrique 11 en bioxyde de silicium,par exemple,et bien g Lus mince que la longueur d'onde de l'onde élastique de surfaceest déposée régulièrement sur toute la surface de la couche de zinc comprenant les électrodes en forme de peigne Cette structure offre également le même effet que les modes de réalisation des figures 2 et 4. Les figures 8 à 11 montrent d'autres modes de réalisation selon l'invention, respectivement. Dans le mode de réalisation de la figure 8,la couche diélectrique 7 est partiellement formée sur le substrat en silicium 5 qui a une surface principale orientée suivant le plan ( 110), la couche d'oxyde de zinc est déposée sur la I 456 7 surface principale du substrat 5 et la couche diélectrique 7, et les électrodes d'entrée de sortie 8 et 9 sont formées sur la couche d'oxyde de zinc 6. Dans le mode de réalisation de la figure 9, le substrat en silicium 5 ' a une surface principale orientée suivant le plan ( 100) Les autres parties sont les mêmes que sur la figure 8. La figure 10 montre un élément à onde élastique de surface ayant la couche métallique 10 qui est formée entre le substrat en silicium 5 ( 5 ') et la couche d'oxyde de zinc 6 de la figure 8 ou de la figure 9. Dans le mode de réalisation de la figure 11, la couche diélectrique 11 est régulièrement déposée sur toute la surface principale du substrat en silicium 5 ( 5 '). Avec ces agencements, le bioxyde de silicium qui forme la couche diélectrique 7 réduit le coefficient de température de l'élément qui est déterminé par le substrat en silicium 5 et la couche d'oxyde de zinc 6 Cela signifie que Le coefficient de température de l'élément est assez faible dans l'ensemble. Les électrodes en forme de peigne peuvent être formées sur le substrat en silicium De même, la couche en métal peut être déposée sur la couche d'oxyde de zinc qui fait face aux électrodes en forme de peigne. Dans les modes de réalisation ci-dessus, la couche d'oxyde de zinc est formée de façon que son axe piézo- électrique soit perpendiculaire à la surface principale du substrat en silicium 5 Cependant, également que l'axe piézoélectrique est incliné à 100, environ, par rapport à cette ligne perpendiculaire, on peut obtenir sensible- ment les mêmes caractéristiques De même, quand la surface principale du substrat en silicium 5 et l'axe de propaga - tion pour exciter l'onde élastique de surface s'écartent de plusieurs degrés de la surface ( 110) ou de la surface ( 100) et de l'axe l 001 l ou de l'axe l 011 lrespectivement, on peut obtenir sensiblement les mêmes caractéristiques. Comme cela est apparent à la lecture de la descrip- tion qui précède, l'élément à onde élastique de surface selon l'invention est composé d'un substrat en silicium qui est coupé avec une surface cristalline donnéed'une couche d'oxyde de zinc déposée sur le substrat en silicium etd'une couche diélectrique et d'électrodes formées sur la couche d'oxyde de zinc Par conséquent, le facteur de couplage électromécanique est rendu flexible et peut être déterminé à une valeur souhaitée Par ailleurs, le coefficient de température peut être rendu plus petit en formant une couche diélectrique. Comme le facteur de couplage électromécanique peut être augmenté, l'impédance du traisducteur à onde élastique de surface peut être rendue faible, ce qui permet une facilité d'adaptation Cela conduit à la réalisation d'un élément à onde élastique de surface pouvant fonctionner à un haut rendement. En même temps, comme il est possible de réduire le nombre d'électrodes du transducteur à onde élastique de surface, l'élément peut être rendu plus compact et fabriqué à un plus faible prix. Un faible coefficient de température garantit un fonctionnement fiable de l'élément à onde élastique de surface. Quand on utilise l'onde de Sezawa comme onde élastique de surface, une plus grande vitesse de phase de l'onde de Sezawa est avantageuse pour la réalisation d'un élément particulièrement adapté à une haute fréquence. Si l'on utilise un substrat de circuit intégré comme substrat en silicium, il est possible d'obtenir un disposi- tif compact', très intégré et ayant des fonctions nobles. Ce dispositif sera efficace dans de nombreux usages. REVENDICATION-S 1 Elément à onde élastique de surface caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat en silicium ( 5) ayant une surface principale avec une orientation cristalline donnée; une couche dioxyde de zinc ( 6) et une couche diélec- trique ( 7) toutes deux déposées sur ladite surface princi- pale du substrat en silicium; des électrodes ( 8,9) formées sur ladite couche d'oxyde de zinc; et lesdites électrodes étant excitées afin de permettre à l'onde élastique de surface de se propager le long d'un axe cristallin donné dudit substrat en silicium. 2 Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche précitée d'oxyde de zinc est déposée sur la surface principale du substrat en silicium-tandis que la couche diélectrique précitée et les électrodes précitées sont formées sur ladite couche d'oxyde de zinc. 3 Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une couche en métal ( 10) déposée entre la couche d'oxyde de -zinc précitée et le substrat en sili- cium précité. 4 Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche diélectrique précitée est déposée régu- lièrement sur toute la surface de la couche d'oxyde de zinc précitée comprenant les électrodes. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche diélectrique précitée est déposée partiel- lement sur la surface principale du substrat en silicium, la couche de zinc précitée est déposée sur ladite couche diélectrique et les parties restantes de la surface principale dudit-substrat en silicium et les électrodes précitées sont formées sur ladite couche d'oxyde de zinc. 6 Elément selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une couche en métal ( 10) qui est formée entre le substrat en silicium précité et la couche d'oxyde de zinc précitée. 7 Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche diélectrique précitée est régulièrement déposée sur toute la surface principale du substrat en silicium, la couche d'oxyde de zinc précitée est déposée sur ladite couche diélectrique et les électrodes précitées sont formées sur ladite couche d'oxyde de zinc. 8 Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la surface principale précitée a une orientation cristalline suivant le plan ( 110). 9 Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'axe cristallin est l 001 l Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe piézoélectrique de la couche d'oxyde de zinc précitée forme un angle de à 900 avec la surface principale du substrat en silicium précité. 11 Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur h de la couche d'oxyde de zinc précitée par rapport à la longueur d'onde A' de l'onde élastique de surface est telle que l'on ait 0,9 c 27 h/X 12 Elément selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche diélectrique précitée est formée en bioxyde de silicium.