Brevet FR2534089A1 — publié le 19840406

La présente invention se rapporte à un dispositif à onde acoustique de surface ayant une nouvelle structure avec d'excellentes caractéristiques. Jusqu'à maintenant, on connaissait les structures suivantes (substrats) formant un dispositif à onde acousti- que de surface pour le traitement de différents signaux électriques en utilisant les ondes acoustiques de surface: ( 1) Structure consistant seulement en un substrat en une substance piézo-électrique (substrat piézo-électrique monocristallin, substrat céramique piézo-électrique, etc) ( 2) Structure consistant en un substrat non piézo- électrique et une couche piézo-électrique formée par dessus;et ( 3) Structure consistant en un substrat semi-conducteur et une couche piézo-électrique formée par dessus. Parmi les structures multicouches mentionnées à l'article 2, on utilise actuellement très largement une structure consistant en un substrat fait de saphir ou de verre et une couche en oxyde de zinc (Zn O) qui y est formée par dessus par une méthode de pulvérisation ou autres Cependant, cette couche de Zn O présente les inconvénients qui suivent et, par conséquent, son usage dans la pratique pose des problèmes: ( 1) Comme il est difficile d'obtenir une couche de haute qualité, il n'est pas possible de former une couche d'une reproductibilité suffisamment élevée par rapport à sa piézo-électricité, etc. ( 2) Les pertes de propagation des ondes acoustiques de surface sont importantes dans les régions des hautes fréquences. ( 3) La fluctuation des caractéristiques de propagation des ondes acoustiques de surface est importante. ( 4) Il est difficile de contrôler le rapport de variation du temps de retard (T) selon la température pour les ondes acoustiques de surface ( 1/3 S) (^/^ T) (T = température ambiante). La présente invention a pour objet l'élimination de ces difficultés et la production d'un nouveau dispositif à onde acoustique de surface, utilisant en particulier un substrat en silicium monocristallin. Afin d'atteindre cet objectif, la présente invention est caractérisée par l'utilisation d'une structure élastique qui comprend un substrat élastique, dont le coefficient de température dans le temps de retard des ondes acoustiques de surface est positif, une couche en bioxyde de silicium disposée par dessus, et une couche de nitrure d'aluminium superposée sur ladite couche de bioxyde de 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: les figures 1 à 4 sont des vues en coupe transversale de quatre dispositifs à onde acoustique différents selon l'invention; et les figures 5 (A) à 5 (F), les figures 6 (A) et 6 (B) et les figures 7 (A) à 7 (F) sont toutes des schémas représentant les résultats obtenus en utilisant les dispositifs à onde acoustique de surface selon l'invention. La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif à onde acoustique de surface selon un mode de réalisation de l'invention o 1 désigne un substrat en silicium monocristallin coupé le long d'une surface cristallographique équivalente à ( 111), ( 110) ou ( 100) 2 représente une couche de bioxyde de silicium (Si O 2) disposée sur le substrat en silicium monocristallin 1; et 3 repré- sente une couche de nitrure d'aluminium qui est formée sur cette couche de bioxyde de silicium 2 (Si O 2) de façon que son axe piézo-éectrique (axe C ou axe lo 001 j) soit perpen- diculaire ou parallèle au substrat 1 en silicium mono- cristallin 4 et 5 représentent une électrode pour produire des ondes acoustiques de surface et une électrode pour les détecter, respectivement, toutes deux étant disposées sur la structure multicouche ainsi formée, par exemple en une forme de peigne sur la couche 3 en nitrure d'aluminium. D représente l'épaisseur de la couche 2 en bioxyde de silicium et H désigne l'épaisseur de la couche 3 en nitrure d'aluminium. Pour un dispositif à onde acoustique de surface ainsi construit, quand les ondes acoustiques de surface sont excitées (se propagent) perpendiculairement à la direction de l'axe piézo-électrique de la couche 3 en bioxyde de silicium, les caractéristiques de dispersion de vitesse des ondes acoustiques de surface que l'on peut voir sur les figures 5 (A), 5 (B) et 5 (C) sont obtenues Sur cette figure, l'axe des abscisses représente l'épaisseur normalisée de la couche de nitrure d'aluminium 3 en 2 t 1 H/) (o désigne la longueur d'onde-de l'onde acoustique de surface) et l'axe des ordonnées représente -la vitesse de phase Vp de l'onde acoustique de surface, le paramètre utilisé étant l'épaisseur normalisée 2 q D/X de la couche de silicium 2. Sur le dessin,les figures 5 (A), 5 (B) et 5 (C) montrent des caractéristiques de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe t 112 l sur une surface ( 111) du substrat en silicium mono- cristallin 1, de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe lmool sur une surface ( 110) du substrat en silicium monocristallin 1 et de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à-l'axe L 11 i sur une surface ( 001) du substrat en silicium monocristallin 1, respectivement. Comme cela est apparent sur les courbes caractéristiques des figures 5 (A) , 5 (B) et 5 (C), la dispersion de la vitesse de phase Vp est faible Par ailleurs, il est possible d'obtenir de très grandes valeurs pour la vitesse de phase Vp. La figure 6 (A) montre des courbes caractéristiques du coefficientde couplage électromécanique obtenu avec les résultats précédemment montrés, o l'axe des abscisses représente 2 q H// et l'axe des ordonnées le carré K du coefficient de couplage électromécanique K, en pourcentage. La figure montre les caractéristiques dans le cas o les ondes acoustiques de surface se propagent le long de la direction équivalente à r 110 l sur une surface ( 001) du substrat en silicium monocristallin 1 Le dispositif A de cette figure est celui représenté sur la figure 1 Les courbes de la figure montrent que, en général, il est possible d'obtenir des valeurs de K 2 qui sont suffisantes pour produire et-détecter des ondes acoustiques de surface et que les dispositifs ont de bonnes propriétés piézo- électriques. Les figures 7 (A), 7 (B) et 7 (C) montrent des courbes caractéristiques pour le coefficient de température du temps de retard (TCD) pour les ondes acoustiques de surface obtenues -en utilisant les dispositifs montrés ci-dessus, o l'axe des abscisses représente 2 1 H//0 et l'axe des ordonnées le rapport de variation dans e temps de retard (t) selon la température ( 1/1 T) ( 4 (/ T) en ppm/0 C. Sur le dessin, les figures 7 (A), 7 (B) et 7 (C) montrent les caractéristiques de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe C 112 J sur une surface ( 111) du substrat en silicium monocristallin 1, de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe L 001 j sur une surface ( 110) du substrat en silicium monocristallin 1 et de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe l 110 î sur une surface ( 001) du substrat en silicium monocristallin 1, respectivement Il faut noter ici que, comme le substrat en silicium mono- cristallin 1 a des coefficients positifs de température dans le temps de retard, tandis que la couche de bioxyde de silicium 2 et la couche de nitrure d'aluminium 3 ont des coefficients négatifs de température dans le temps de retard, les caractéristiques résultantes donnent des valeurs pour lesquelles ces coefficients se compensent et que les coeffi- cients de température dans le temps de retard varient selon l'épaisseur D de la couche de bioxyde de silicium 2 et l'épaisseur H de la couche de nitrure d'aluminium 3 En conséquence, en choisissant ces épaisseurs D et H de façon appropriée, il est possible que le coefficient de température s'approche de zéro. Dans le cas o les ondes acoustiques de surface se propagent parallèlement à la direction piézo-électrique de la couche de nitrure d'aluminium 3, contrairement au dispositif à onde acoustique de surface dont la structure est représentée sur la figure 1, on a obtenu les caractéris- tiques de la dispersion de vitesse de l'onde acoustique de surface telles que représentées sur les figures 5 (D), 5 (E) et 5 (F). Sur le dessin, les figures 5 (D), 5 (E) et 5 (F) montrent les caractéristiques de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe F 1122 sur une surface ( 111) du substrat en silicium monocristallin 1, de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe Lo O 1 j sur une surface ( 110) et de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe l 1103 sur une surface ( 001). Comme cela est apparent sur les courbes caractéris- tiques des figures 5 (D), 5 (E) et 5 (F), la dispersion de la vitesse de phase est faible Par ailleurs, il est possible d'obtenir de très grandes valeurs pour la vitesse de phase Vp. La figure 6 (B) montre des courbes caractéristiques représentant les coefficients de couplage électromécanique obtenus dans le cas o les ondes acoustiques de surface se propagent le long de la direction équivalente à l'axe l 100 l sur une surface ( 001) du substrat en silicium mono- cristallin 1 Le dispositif A de cette figure est celui représenté sur la figure 1 Les courbes de la figure montrent en général, qu'il est possible d'obtenir des valeurs de K 2 qui sont suffisantes pour produire et détecter des ondes acoustiques de surface et que les dispositifs ont de bonnes propriétés piézo-électriques. Les figures 7 (D), 7 (E) et 7 (F) montrent des courbes caractéristiques du coefficient de température du temps de retard (TCD) pour les ondes acoustiques de surface obtenues en utilisant ces dispositifs. Les figures 7 (D), 7 (E) et 7 (F) montrent des caractéris- tiques de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe 12 j sur une surface ( 111) du substrat en silicium monocristallin 1, de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe looîl sur une surface ( 110) et de la propagation de l'onde acoustique de surface le long de la direction équivalente à l'axe î 1109 sur une surface ( 001). Comme cela est apparent sur les figures 7 (A) à 7 (F), il est possible d'obtenir de faibles rapports de variation du temps de retard selon la température en choisissant une épaisseur D de la couche 2 en bioxyde de silicium dans une région représentée par 0 2 1 D/ X 41,0 et une épaisseur H de la couche de nitrure d'aluminium 3 dans une région représentée par 0, 1 dans le temps de retard s'approche de zéro. Les figures 2 à 4 sont des vues en coupe transversale représentant d'autres modes de réalisation selon l'invention. La figure 2 montre la structure d'un dispositif, o une couche 2 en bioxyde de silicium est d'abord formée sur un substrat 1 en silicium monocristallin et après avoir disposé une électrode pour produire des ondes acoustiques de surface 4 et une électrode pour les détecter 5, tandis que la figure 3 montre la structure d'un autre dispositif o une couche de bioxyde de silicium est d'abord formée sur un substrat en silicium monocristallin 1; après avoir disposé deux électrodes de blindage ou de protection 6 en tant que secondes électrodes sur la couche 2 en bioxyde de silicium, une couche de nitrure d'aluminium est formée qui couvre la couche -de bioxyde de silicium comprenant:Les électrodes de blindage; et enfin une électrode pour produire des ondes acoustiques de surface 4 et une électrode pour les détecter en tant que premières électrodes sont formées sur la surface de cette couche 3 de nitrure d'aluminium. Par ailleurs, la figure 4 montre la structure d'un autre dispositif, o une couche de bioxyde de silicium est- d'abord formée sur un substrat 1 en silicium monocristallin; après avoir disposé une électrode de production d'ondes acoustiques de surface 4 et une électrode les détectant 5 en tant que premières électrodes à la surface de cette couche de bioxyde de silicium, une couche 3 de nitrure d'aluminium est formée sur la couche 2 en bioxyde de silicium comprenant les premières électrodes; et enfin deux électro- des de blindage 6 sont formées, en tant que secondes électro- des, à la surface de cette couche 3 de nitrure d'aluminium. Pour les dispositifs à onde acoustique de surface décrits ci-dessus, dans le cas o les-ondes acoustiques de surface se propagent perpendiculairement à la direction piézo-électrique de la couche 3 de nitrure d'aluminium, on obtient les caractéristiques de dispersion de vitesse de l'onde acoustique de surface représentées sur-les figures (A), 5 (B) et 5 (C) Comme cela est apparent sur ces courbes, la dispersion de la vitesse de phase V est faible Par ailleurs, il est possible d'obtenir de très grandes valeurs pour la vitesse de phase V o Par ailleurs, en se basant sur ces résultats, on a obtenu les caractéristiques de K 2 représentées sur la- figure 6 (A). Sur cette figure, les dispositifs B, C et D corres- pondent à ceux montrés respectivement sur les figures 2, 3 et 4 Les courbes de la figure montrent qu'en général, il est possible d'obtenir des valeurs de K qui sont suffisantes pour produire et détecter des ondes acoustiques de surface et que les dispositifs ont de bonnes propriétés piézo- électriques. En utilisant ces dispositifs, on a obtenu les courbes 8 2534089 du coefficient de température du temps de retard (TCD) pour les ondes acoustiques de surface comme cela est représenté sur les figures 7 (A), 7 (B) et 7 (C). Comme cela est apparent sur ces courbes, il est possible que les rapports de variation de temps de retard selon la température s'approchent de zéro, en choisissant de façon appropriée l'épaisseur D de la couche 2 en bioxyde de silicium et l'épaisseur H de la couche 3 en nitrure d'aluminium. Pour les dispositifs à onde acoustique de surface des figures 2 à 4, dans le cas o les ondes acoustiques de surface se propagent parallèlement à la direction piézo- électrique de la couche 3 en nitrure d'aluminium, on a obtenu les caractéristiques de dispersion de vitesse de l'onde acoustique de surface telles que représentées sur les figures 5 (D), 5 (E) et 5 (F), respectivement Comme cela est apparent sur ces courbes, la dispersion de la vitesse de phase Vp est faible Par ailleurs, il est possible d' obtenir de très grandes valeurs de la vitesse de phase Vp. Par ailleurs, en se basant sur ces résultats, on a obtenu les caractéristiques de K 2 montrées sur les figures 6 (B) Comme cela est apparent sur ces figures, en général, il est possible d' obtenir des valeurs de K 2 qui sont suffisantes pour produire et détecter les ondes acoustiques de surface et les dispositifs ont de bonnes propriétés piézoélectriques. En utilisant ces dispositifs, on a obtenu les courbes du coeffient de température du temps de retard (TCD) pour les ondes acoustiques de surface que l'on peut voir sur les figures 7 (D), 7 (E) et 7 (F) Comme cela est apparent sur les courbes de ces figures, il est possible d'obtenir de faibles rapports de variation du temps de retard selon la température en choisissant l'épaisseur D de la couche de bioxyde de silicium 2 dans une région représentée par O 2534 & 89 cristallographique du substrat en silicium monocristallin 1 l'épaisseur D de la couche 2 en bioxyde de silicium et l'épaisseur H de la couche 3 en nitrure d'aluminium et en les combinant de façon appropriée, il est possible que le coefficient de température du temps de retard s'approche de zéro. Comme la couche 3 en nitrure d'aluminium utilisée dans les modesde réalisation ci-dessus mentionnés a un grand intervalle de bande qui est de l'ordre de 6,2 e V et qu'il est également facile d'obtenir une couche ayant une forte résistance spécifique qui est supérieure à î 16 cm, c'est une très bonne couche isolante Cette couche 3 en nitrure d'aluminium peut facilement être formée par toute méthode connue, comme une méthode MO-CVD, une méthode de pulvérisation et autres Par ailleurs, comme la couche 3 en nitrure d'aluminium a une bonne reproductibilité et une bonne uniformité, de faibles pertes de propagation peuvent être maintenues particulièrement dans les régions des hautes fréquences. Comme la couche de nitrure d'aluminium etla couche de bioxyde de silicium ont des coefficients négatifs de température dans le temps de retard pour les ondes acousti- ques de surface, quand on les forme sur un substrat en sili- cium monocristallin ayant un coeffient positif de température dans le temps de retard, les coefficients de température se compensent En conséquence, il est possible d'obtenir des caractéristiques stables par rapport aux variations de température La stabilité du dispositif par rapport aux variations de température est l'une des propriétés les plus importantes pour des dispositifs de traitement de signaux sur bande étroite, comme un résonateur, un oscilla- teur et autres et ainsi ces dispositifs peuvent fonctionner de façon stable par rapport aux variations de température en utilisant les structures montrées dans les modes de réalisation ci-dessus mentionnés. Par ailleurs, une vitesse élevée de l'onde acoustique de surface peut être obtenue en utilisant les structures représentées dans les modes de réalisation ci-dessus selon l'invention Par ailleurs, la dispersion en fréquence de la vitesse de l'onde acoustique de surface et le rapport de variation de fréquence du fait des variations d'épaisseur peuvent être maintenus faibles et en même temps on peut obtenir de bonnes propriétés piézo-électriques. Le substrat sur lequel la couche de bioxyde de silicium et la couche de nitrure d'aluminium doivent être formées, n'est pas limité à un silicium monocristallin mais tout matériau peut être utilisé à condition qu'il ait un coeffient négatif de température en temps de retard. Comme cela est apparent par la description qui précède, comme le dispositif à onde acoustique de surface selon l'invention a une structure élastique o une couche de bioxyde de silicium est formée sur un substrat élastique ayant un coefficient positif de température dans le temps de retard pour les ondes acoustiques de surface et une couche de nitrure d'aluminium est déposée par dessus, les deux couches ayant des coefficients négatifs de temps de retard les caractéristiques peuvent être excellentes. Comme on l'a expliqué ci-dessus, les effets qui suivent peuvent être obtenus 1 Comme la longueur d'onde est importante dans les régions des hautes fréquences grâce aux vitesses élevées de l'onde acoustique de surface, la fabrication d'électrodes en peigne et autres est facile. 2 Comme la fabrication du dispositif ajusté a une fréquence nominale de fonctionnement est facile grâce aux faibles variations de fréquence dues aux variations de l'épaisseur des couches, le rendement de production est accru et le prix de production baisse. 3 Les rapports de variation du temps de retard selon la température pour le dispositif à onde acoustique de surface peuvent être réduits à zéro. 4 On peut facilement obtenir une couche de bioxyde de silicium et une couche de nitrure d'aluminium de bonne qualité par une méthode bien connue comme la méthode MO-CVD, et autres. Par ailleurs, la surface cristallographique et l'orientation cristallographique-o les ondes acoustiques de surface se propagent sur le-substrat et la couche de nitrure d'aluminium qui y est formée ne sont pas limitées à ce qui est représenté dans les modes de-réalisation, mais on peut les choisir de façon adéquate Cela est également vrai pour la structure de l'électrode produisant les ondes acoustiques de surface et de l'électrode les détectant. R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif à onde acoustique de surface caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat ( 1) en un matériau élastique ayant un silicium monocristallin dont le coefficient de température dans le temps de retard pour les ondes acoustiques de surface est positif; une structure multicouche disposée à la surface dudit substrat et consistant en une couche de bioxyde de silicium ( 2) et une couche de nitrure d'aluminium ( 3) formée sur la couche de bioxyde de silicium de façon que son axe piézoélectrique ait une direction prédéterminée; une électrode ( 4) pour produire lesdites ondes acous- tiques de surface et une autre électrode ( 5) pour les détecter, lesdites électrodes étant formées en des positions prédéterminées sur ladite structure multicouche. 2 Dispositif selon la 'revendication 1, caractérisé en ce que le substrat ( 1) comprend un silicium monocristallin. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface du substrat est une surface cristallo- graphique équivalente à ( 111), l'axe piézo-électrique de la couche de nitrure d'aluminium étant soit perpendiculaire ou parallèle à la surfacé sur laquelle la couche de bioxyde de silicium ( 2) est disposée sur le silicium monocristallin, les ondes acoustiques de surface se propageant perpendiculaire- ment ou parallèlement à la direction de l'axe piézo-électrique de ladite couche de nitrure d'aluminium. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur H de ladite couche de nitrure d'alu- minium est dans une région représentée par 21 N H/4 désigne la longueur d'onde des ondes acoustiques de surface Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface du substrat est une surface cristallo- graphique équivalente à ( 110), l'axe piézo-électrique de ladite couche de nitrure d'aluminium étant soit perpendiculaire ou parallèle à la surface sur laquelle la couche de bioxyde de silicium est disposée sur le silicium monocristallin, les ondes acoustiques de surface se propageant perpendiculai- rement ou parallèlement à la direction de l'axe piézo- électrique de la couche de nitrure d'aluminium. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur H de la couche de nitrure d'aluminium est dans une région représentée par 2 T H/)\ 6,0. 7 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface du substrat est une surface cristallo- graphique équivalente à ( 100), l'axe piézo-électrique de ladite couche de nitrure d'aluminium étant soit perpendi- culaire ou parallèle à la surface sur laquelle la couche de bioxyde de silicium est disposée sur le silicium mono- cristallin, les ondes acoustiques de surface se propageant perpendiculairement ou parallèlement à la direction de l'axe piézo-électrique de la couche de nitrure d'aluminium. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'épaisseur H de la couche de nitrure d'aluminium est dans une région représentée par 2 T H/JÀ