Brevet FR2553554A1 — publié le 19850419

Résonateur acoustique et son procédé de fabrication Le gouvernement des Etats-Unis d'Amérique possède des droits sur la présente invention conformément au contrat n W-7405-ENG-82 entre le Département Américain de l'Energie "U S Department of Energy" et l'Université de l'Etat de l'Iowa. La présente invention concerne un résonateur acoustique et un procédé de fabrication dudit résonateur Plus précisément, l'invention concerne un 10 procédé de fabrication dudit résonateur, caractérisé en ce que toutes les opérations de traitement sont effectuées sur un seul côté de son substrat de support. Au cours des dernières années, de nombreux 15 efforts ont été consacrés au développement de composants de circuits microéLectroniques Des matières piézoélectriques sous forme de pellicules déposées ont été utilisées dans des résonateurs microélectroniques, des transducteurs et d'autres dispositifs Ces 20 pellicules sont généralement déposées sur des substrats de silicium comportant des membranes de silicium + + dopées p Cependant, les membranes de silicium p peuvent poser certains problèmes lors de l'intégration de ces dispositifs dans des circuits actifs. Le semi-isolant Gp As est utilisable comme matière de substrat dans des dispositifs électroniques Sa haute mobilité électronique est avantageuse dans les transistors à haute vitesse, les circuits intégrés, les ampliticateurs large bande et les transis30 tors à effet de champ de puissance Cependant, il existe un besoin de résonateurs passifs miniaturisés pouvant être incorporés dans ces circuits actifs Plus précisément, il serait souhaitable d'être en mesure de produire ces résonateurs directement sur un substrat de Ga As qui porte déjà d'autres composants électroni- 2 1 2553554 ques pour faciliter l'intégration des circuits Il serait en outre souhaitable d'être en mesure d'effectuer La totalité des opérations de traitement d'un seul côté du substrat. L'invention a donc pour but de fournir un résonateur acoustique pouvant être intégré avec des dispositifs actifs sur un substrat de Ga As. L'invention a également pour but de fournir un procédé de fabrication d'un résonateur de ce type. 10 L'invention a en outre pour but de fournir un procédé de fabrication d'un résonateur de ce type, caractérisé en ce que la totalité des opérations de traitement sont effectuées d'un seul côté dudit substrat de Ga As. D'autres buts, avantages et caractéristiques nouvelles de l'invention ressortiront à la lecture de la description ci-après. L'invention fournit un résonateur comprenant deux couches pratiquement parallèles d'électro20 des d'AL séparées par une couche d'excitation d'Al N située entre celles-ci et une couche de blindage d'Al N portée par la surface extérieure de l'une desdites électrodes La fréquence de résonance fondamentale est fonction de l'épaisseur de la structure composite La 25 couche de blindage a une épaisseur suffisante pour protéger les électrodes qui y sont adjacentes lors de la fabrication du résonateur Elle est également suffisamment épaisse pour servir à limiter les transductions parasites lors du fonctionnement du résonateur. 30 Le résonateur est fabriqué par dépôt par pulvérisation de couches d'Al N et d'Al alternées sur un substrat de Ga As Cette opération est effectuée par pulvérisation d'une cible d'Al dans une atmosphère alternativement constituée de N 2, auquel cas de l'Al N 35 est déposé, et par de l'Ar, auquel cas de l'Al métal- Lique est dépose Les couches sont déposées successivement sans ouverture du système sur l'environnement de façon à pouvoir conserver la pureté du système La couche d'Al N de blindage est déposée en premier, el Le 5 est suivie par une couche d'Al, puis par la couche d'ALN d'excitation et enfin d'une autre couche d'Al. Une fois le dép 8 t achevé, La structure multicouches est traitée en plusieurs opérations pour fabriquer un résonateur Une électrode est définie dans la couche 10 d'Al déposée en dernier Puis une cavité est pratiquée à travers le composite multicouches pour offrir un accès au substrat de Ga As Enfin, un décapant sélectif est introduit dans la cavité pour éliminer le Ga As en face de l'électrode d'Al définie, de telle manière que 15 le résonateur obtenu ait une structure à couches multiples étagées, portées sur sa périphérie par le Ga As. Ce procédé permet de réaliser la totalité des opérations de traitement en travaillant d'un seul côté du substrat. La figure 1 est une vue en plan d'une coupe transversale de la structure de la figure 2, La figure 2 est une vue verticale en coupe de résonateurs fabriqués par le procédé de la présente invention, La figure 3 est un graphique représentant la valeur absolue de l'impédance et la phase en fonction de la fréquence pour un résonateur à mode longitudinal de la présente invention. La figure 4 est un graphique représentant le 30 coefficient de température de la résonance en fonction de la température à la fois pour des résonateurs à onde longitudinale et à onde de cisaillement conformément à la présente invention. On décrira dans ce qui suit un mode de réa35 lisation préféré de l'invention D'autres modes de réalisation apparaîtront aux spécialistes. 4 2553554 La présente invention sera mieux comprise en se référant aux figures 1 et 2 qui illustrent la structure à couches multiples du résonateur de l'invention déposé sur une structure de Ga As On a repré5 senté en 10 un substrat de Ga As sur lequel sont déposées une première couche 12 d'Al N, une seconde couche 14 d'Al, une troisième couche 16 d'Al N et une quatrième couche 18 d'Al Les couches électrodes 14 et 18 ont une épaisseur telle qu'elles fournissent une conducti10 vité électrique suffisante pour favoriser le fonctionnement du résonateur et ont normalement une épaisseur d'environ 0,10 à 0,20 pm La couche 16 d'Al N est une matière piézoélectrique qui résonne à une fréquence particulière en réponse à un champ électrique produit 15 par les électrodes, la fréquence de résonance étant une fonction de l'épaisseur de la couche 16 La couche 16 a normalement une épaisseur d'environ 1,00 à 25,0 pm, ce qui conduit à des fréquences fondamentales comprises environ entre + 1,0 G Hz et -200 M Hz La cou20 che 12 d'ALN a une épaisseur suffisante pour protéger la couche 14 lors du procédé de décapage comme cela sera décrit ultérieurement La couche 12 a également une épaisseur suffisante pour servir à réguler la transduction parasite lors du fonctionnement du réso25 nateur La couche 12 a normalement une épaisseur d'environ 0,5 pm. Le résonateur de la présente invention est fabriqué par dépôt de couches alternées d'AIN et d'Al sur un substrat de Ga As dans un système de pulvérisa30 tion, tel qu'un système de pulvérisation par magnétrons à courant continu réactif Un substrat de Ga As et une cible d'Al sont introduits dans une chambre du système de pulvérisation Le substrat de Ga As est de préférence un cristal unique ayant une orientation de 35 ( 100) et la cible d'Al a de préférence une pureté de 99,999 % Le dépôt s'effectue avantageusement à une température de substrat relativement faible, généralement de 110 C ou moins, la cible d'Al est pulvérisée dans une atmosphère qui est alternativement constituée 5 de N 2 et Ar par des moyens connus dans la technique, de telle manière que du N 2 soit introduit dans la chambre pour le dépôt d'Al N, et que de l'Ar soit introduit dans la chambre pour le dépôt d'Al Ce procédé permet par conséquent de déposer des couches alternées 10 d'Al N et d'Al sans ouvrir la chambre sur l'extérieur, ce qui présente l'avantage de permettre l'exclusion de l'oxygène, qui constitue l'impureté majeure de l' Al et des composés de l'Al, de la chambre de pulvérisation. Le dépôt peut s'effectuer sur un substrat de Ga As qui porte déjà d'autres dispositifs microélectroniques Ces dispositifs peuvent être protégés lors du dépôt par masquage, soit au moyen d'une couche photorésistante, soit en fournissant un écran entre la 20 cible et le substrat lors du dépôt, l'écran comportant un orifice au travers duquel la matière pulvérisée est déposée Ces techniques sont connues des spécialistes. La température relativement faible du substrat lors du dépôt évite également que la chaleur n'endommage les 25 éventuels dispositifs préexistants. Un résonateur acoustique est ensuite fabriqué à partir du composite à couches multiples déposé. La première opération consiste à définir une électrode d'Al à partir de la couche 18 La surface de la couche 30 18 dans laquelle on souhaite obtenir une électrode, est masquée de la façon connue dans la technique, puis les parties non masquées de la couche 18 sont éliminées, définissant ainsi l'électrode de la couche 18. Les figures 1 et 2 illustrent un mode de réalisation 35 obtenu par le procédé de l'invention, dans lequel plu- 6 2553554 sieurs résonateurs sont fabriqués à partir d'un seul composite à couches multiples Dans la figure 1, les électrodes 20 sont constituées par un élément 21 pouvant normalement mesurer 200 pm x 200 pm et un conduc5 teur 22 au moyen duquel le résonateur peut être intégré avec d'autres composants de circuit sur le substrat Les parties non masquées de la couche 18 peuvent être retirées par des moyens tels que le fraisage ionique ou de préférence, le décapage chimique Le dé10 capant utilisé pour définir L'électrode 20 doit attaquer l'Al métallique mais pas l'Al N Comme décapants se prêtant à cette opération, on citera le HF dilué, par exemple à environ 10 %, ou une solution de H 3 PO 4-CH 3 COOH-HN 03, qui peut par exemple être combinée 15 selon le rapport 4:4:1. Après avoir défini l'électrode 20, une cavité 25 est pratiquée à proximité de celle-ci et traverse Les couches 16, 14 et 12 pour fournir un accès vers le substrat de Ga As 10 Bien que d'autres techniques 20 connues telles que le fraisage ionique soient disponibles, cette opération s'effectue également de préférence par décapage chimique Le décapant servant à cette opération doit attaquer à la fois l'Al et LI'ALN, et non la matière photorésistante ou une autre matière 25 de masquage Le décapant préféré est une solution de Na OH très diluée, par exemple constituée d'une partie de Na OH pour 800 parties d'H 20 en poids. Enfin, un décapant est introduit par la cavité 25 sur le substrat de Ga As 10 pour éliminer par 30 décapage la partie de Ga As opposée à l'élément d'électrode 21 Le décapant grave un orifice de forme globalement pyramidale 27 en face de l'élément 21 de façon à ce que le résonateur obtenu ait une structure globalement étagée portée sur sa périphérie par le substrat 35 de Ga As Tous les décapants connus pour le Ga As provo- 7 2553554 quent également le décapage de l'Al, mais on connaît des décapants de Ga As qui n'attaquent pas l'Al N Un décapant de ce dernier type est utilisé dans cette opération De ce fait, la couche d'Al N 12 protège la 5 surface 13 de la couche d'AL 14 lors de l'attaque du Ga As Cette solution de décapant approprié pour le Ga As est une solution de 1 H 2504-8 H 202-300 H 20. On remarquera que le procédé de l'invention tel qu'il est décrit ici permet d'effectuer toutes les 10 opérations de traitement d'un côté du substrat de Ga As L'un des principaux avantages de ce traitement sur une seule face est qu'il permet de conserver la surface du substrat, ce qui conduit à une plus haute densité en dispositifs et facilite l'interconnexion en 15 matrices sans contamination de la surface supérieure du résonateur Un autre avantage est que la formation de la structure étagée fragile est la dernière opération de traitement du procédé Cela facilite également l'intégration des résonateurs avec d'autres disposi20 tifs actifs. La couche 14, qui est une électrode du résonateur, peut être mini d'un contact électrique par un procédé quelconque A titre d'exemple, la couche 14 peut être reliée de façon capacitive à l'électrode 20, 25 comme cela est connu dans la technique En variante, la couche 14 pourrait être partiellement masquée par des moyens connus lors du dépôt des couches 16 et 18 en laissant une parté de la couche 14 non recouverte, cette portion pouvar: être munie d'un contact électri30 que Une autre vari-nte consiste à déposer la couche 14 de telle manièr qu'elle soit en contact direct avec un autre dispositif sur le substrat de Ga As, d'une façon connue Dans un autre mode de réalisation de l'in35 vention, la couche d'Al N 16 peut être déposée en ayant 8 2553554 son axe cristallographique C incliné par rapport à la normale du résonateur Cela peut par exemple être réalisé en disposant le substrat en position oblique par rapport à la cible lors du dépôt, ou en appliquant un 5 champ électrique dans la chambre de pulvérisation lors du dépôt Lorsque cela se produit avec une matière de 6 mm telle que l'Al N, la pellicule déposée est capable d'une excitation d'onde de quasicisaillement. Les résonateurs peuvent être caractérisés par leur impédance et leur coefficient de résonance Q. L'impédance Z est déterminée à partir de l'équation: 1 +? Z = 50 1 + o P est le coefficient de réflexion mesuré en fonction de la fréquence Le coefficient de résonance Q est une mesure du rapport de l'énergie stockée à L'énergie perdue et est déterminé à partir du calcul 20 de la phase de Z, Z 0, défini par: f d Z O Q fr 0/ fr Q = fr o fr est la fréquence de résonance Cette définition 25 de Q découle directement de celle des circuits RLC parallèle ou série Comme l'impédance est une propriété du résonateur seul et qu'elle n'est pas déterminée par le circuit externe, le coefficient Q déterminé de cette manière est le Q non chargé ou Q du dispositif. 30 EXEMPLE 1 Un résonateur à onde longitudinale a été réalisé selon le procédé de la présente invention Les électrodes d'Al ont une épaisseur de 0,2 pm, la couche de blindage d'Al N a une épaisseur de 0,5 pm et la couche résonnante, une épaisseur de 6,5 pm La réso- 9 2553554 nance série fondamentale est de 994,96 M Hz et la résonance parallèle fondamentale est de 1000,21 M Hz Comme autres paramètres du résonateur, on peut citer un Q-série de 802, un Q-parallèle de 374 une résistance série de 10 J, et une résistance parallèle de 513 JQ La phase et la valeur absolue de l'impédance sont tracées en fonction de la fréquence dans la figure 3 Le coefficient de température de résonance est d'environ -24 ppm/ C comme le montre la figure 4. 10 EXEMPLE 2 Un résonateur à onde de cisaillement a été réalisé selon le procédé de la présente invention Les couches du résonateur ont la même épaisseur que le résonateur de l'exemple 1 Le résonateur a une réso15 nance série fondamentale de 567,81 M Hz et une résonance parallèle fondamentale de 568,79 M Hz Le Q-série est de 2246, la résistance série est de 32 S Qet la résistance parallèle est de 3802 Z Le coefficient de température de résonance est de -26,5 ppm/ C comme le 20 montre la figure 4. Il est à noter que les paramètres du résonateur donnés ci-dessus ne sont cités qu'à titre d'exemple et ne doivent pas être considérés comme limitant le cadre de l'invention. De nombreuses modifications et variantes apparaîtront aux spécialistes de la technique à la lecture des directives données ci-dessus Le mode de réalisation a été choisi et décrit pour mieux expliquer le principe de l'invention et son application 30 pratique. 2553554 REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un résonateur à ondes acoustiques caractérisé en ce qu'il consiste à: fournir sur un substrat de Ga As ( 10) un composite à couches multiples comprenant une première couche constituée d'ALN ( 12), une seconde couche constituée d'A 1 ( 14), une troisième couche constituée d'ALN ( 16) et une quatrième couche constituée d'Al ( 18), définir une électrode ( 20) dans ladite quatrième couche ( 18), former une cavité ( 25) dans Ledit composite pour permettre un accès audit substrat de Ga As ( 10), appliquer un décapant du Ga As à travers ladite cavité ( 25) sur ledit substrat ( 10) pour éliminer par 15 décapage une partie dudit substrat de Ga As en face de ladite électrode ( 20) en laissant un composite à couches multiples à structure étagée portée sur sa périphérie par ledit substrat de Ga As restant ( 10). 2 Procédé selon la revendication 1, carac20 térisé en ce que ledit Ga As est un cristal ayant une orientation de ( 100). 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit décapant du Ga As est une solution de 1 H 2 SO 4-8 H 202-300 H 20. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite électrode ( 20) est définie par élimination par décapage d'une partie de ladite quatrième couche ( 18) au moyen d'un décapant de l'Al. Procédé selon la revendication 4, carac30 térisé en ce que ledit décapant de l'Al est choisi parmi du HF dilué et une solution de 4 H 3 PO 4-4 CH 3 COOH-1 HNO 3. 3 4 33 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cavité est formée par décapage 35 dudit composite au moyen d'un décapant de l'Al et de l 'AIN. il 2553554 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit décapant de L'Al et de l'AIN est du Na OH très dilué. 8 Procédé selon la revendication 1, carac5 térisé en ce que l'étape de production dudit composite à couches multiples consiste en outre à: fournir un systèmc de pulvérisation réactif ayant une chambre, introduire une cible d'aluminium et un substrat de 10 Ga As ( 10) dans lad te chambre, fournir une atmosphère de N 2 dans ladite chambre et pulvériser ladite cible pour déposer une première couche constituée d'Al N ( 12) sur ledit substrat ( 10), fournir une atmosphère d'Ar dans ladite chambre et pulvériser ladite cible pour déposer une seconde couche constituée d'Al ( 14), fournir une atmosphère de N 2 dans ladite chambre et pulvériser ladite cible pour déposer une troisième 20 couche constituée J'Al N ( 16), et fournir une atmosphère d'Ar dans ladite chambre et pulvériser ladite zible pour déposer une quatrième couche constituée l'Al ( 18). 9 Procédé selon la revendication 8, carac25 térisé en ce que l'oxygène est pratiquement exclu de ladite chambre. Procéd; selon la revendication 8, caractérisé en ce que le Jit substrat ( 10) est maintenu à une température d'en:iron 110 C ou moins. 11 Procéd selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un camp électrique est appliqué dans ladite chambre lors du dépôt desdites couches d'Al N ( 12, 16) de façon à ce que l'axe C de ladite couche soit pratiquement incliné par rapport à la normale du35 dit résonateur, grâce à quoi ledit résonateur présente une résonance à onde de cisaillement. 12 2553554 12 Résonateur à onde acoustique caractérisé en ce qu'il comprend: deux électrodes d'aluminium ( 14, 20) pratiquement parallèLes L'une à L'autre, une couche d'excitation d'Al N ( 16) entre lesdites électrodes ( 14, 20), et une couche de blindage d'Al N ( 12) portée par la surface extérieure de l'une des électrodes ( 14), lesdites électrodes et couche d'Al N ayant la configura10 tion d'une structure étagée étant portée par le substrat de Ga As ( 10) sur sa périphérie. 13 Résonateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite couche d'excitation d'Al N ( 16) a une épaisseur telle que la fréquence fondamen15 tale du résonateur est dans la gamme de plus d'environ 1,0 G Hz à moins d'environ 200 M Hz. 14 Résonateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite couche d'excitation ( 16) a une épaisseur comprise entre environ 1,0 pm et 20 25,0 pm. Résonateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite couche de blindage d'Al N ( 12) a une épaisseur suffisante pour protéger ladite électrode d'AL ( 14) de support du décapant du Ga As. 16 Résonateur selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite couche de blindage d'Al N ( 12) a en outre une épaisseur suffisante pour limiter les effets de transduction parasites lors du fonctionnement du résonateur. 17 Résonateur selon la revendication 16, caractérisé en ce que ladite couche de blindage d'Al N ( 12) a une épaisseur d'environ 0,5 pm. 18 Résonateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque électrode ( 14, 20) a une 35 épaisseur telle qu'elle assure une conductivité élec- trique suffisante pour permettre le fonctionnement du dispositif. 19 Résonateur selon la revendication 18, caractérisé en ce que chaque électrode ( 14, 20) a une épaisseur d'environ 0,1 pm à 0,2 pim. Résonateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'axe C de ladite couche d'excitation d'Al N ( 16) est pratiquement incliné par rapport à la normale du résonateur, ledit résonateur présen10 tant de ce fait une résonance à onde de cisaillement.