Brevet FR2837636A1 — publié le 20030926

1. DISPOSITIF A ONDES ACOUSTIQUES D'INTERFACE EN TANTALATE DE LITHIUM. Le domai ne de l' invention est cel u i des dispositifs à ondes acoustiques d'interface et notamment celui des filtres, réalisés à l'interface de deux substrats en Tantalate de Lithium. 11 est connu de réaliser des dispositifs à ondes acoustiques de surface qui utilisent la propagation d'ondes à la surface d'un substrat piézoalectrique. Dans le cas des ondes dites de Rayleigh, la génération et la réception des ondes sont assurées par des transducteurs à peignes interdigités composés d'électrodes entrelacées entre lesquelles on impose une différence de potentiel. Ces dispositifs présentent deux inconvénients principaux: D'une part, pour que ies ondes de surface se propagent correctement à la surface du substrat, cette surface doit rester libre. Cette condition est obtenue par des technologies d'encapsulation permettant d'obtenir une cavité. D'autre part, le pas des électrodes composant les peignes interdigités est souvent faib le, de l'o rd re de q uelques centaines de nanomètres. Aussi, des particules conductrices de très faibles dimensions présentes à i'intérieur du bo'^tier peuvent court-circuiter un transducteur et perturber le fonctionnement normal du dispositif. Pour pallier cet inconvénient, il faut, soit rendre les bo^tiers des composants hermétiques, soit déposer sur les transducteurs une fine couche de matériau diélectrique i so lant. Cette opé ratio n ap pelée passivation pe mm et d e s u pp ri mer la sensibilité aux particules conductrices. Elle ne permet néanmoins pas d'éliminer l'opération d'encapsulation qui est une opération coûteuse à réaliser. L'utilisation de dispositifs à ondes acoustiques d'interface permet de résoudre ies différents problèmes liés à l'encapsulation. On utilise, dans ce cas, non plus la propagation des ondes acoustiques à la surface du substrat mais à itinterface entre deux substrats. Ce dispositif pern^,et d'obtenir naturellement un composant passivé ne nécessitant plus de réalisation de cavité. C)'autre part, le bo^tier peut être complétement supprimé. En 1924, Stoneley a montré la possibilité de guider une onde acoustique à l'interface entre deux matériaux [proc. Roy. Soc. London A 106, 416]. Ces ondes étaient considérées comme étant polarisées dans le plan sagittal. En 1971, Maerfeld et Tournois ont démontré l'existence d'ondes de cisailiement horizontal se propageant à l'interface entre deux matériaux. 0 Le cas piézoélectrique était considéré [C. Maerfeld, P. Tournois, Appl. Phys. Lett. 19, 117, 1971]. Une premiére utilisation de ce type d'onde pour des composants acoustiques est divulgué dans le brevet FR2145750. L' invention décrite util ise la propagation d'ondes de cisail lement pu r à l'interface entre deux matériaux dont un au moins est piézoelectrique. Le cas o les deux matériaux sont identiques est considéré. Ce brevet ne fait cependant pas mention de transd ucteu rs placés à l' interface entre les deux matériaux. En 1983, la propagation d'ondes à l'interface entre un matériau piezoélectrique et un matériau isotrope dans le but de réaliser des dispositifs SAW sans bo^'tier est décrite, ce qui suppose, de façon implicite, que les transducteurs sont placés à l'interface. D'autre part, le coefficient de couplage est étudié [Shimitzu et al. Stoneley waves propagating along an interface between piezoelectric material and isotropic material, 1983 IEEE US proc pp 373-375]. Plus récemment, en 1998, une combinaison différente de matériau en vue de faire du filtrage a été examinée [M. Yamaguchi, T. Yamashita, K. Hashimoto, T. Omori, Highly Piezoelectric Waves in Si/SiO2/LiNbO3 and Si/SiO2/LiNBO3 structures, unpublished]. Enfin, en 1999, le brevet FR 2 799 906 décrivait des filtres utilisant des transducteurs à linterface entre deux matériaux piézoélectriques identiques. le façon généraie, un dispositif à ondes acoustiques d'interface est constitué de deux substrats notés S. et S2, dont l'un au moins est piézoélectrique et d'une zone d'interface I située entre ces deux substrats comme il est indiqué sur la figure 1. Dans le cas général, La zone d'interface I est une structure qui comprend au moins les dispositifs de transduction électro-acoustiques E. Des interconnexions électriques couplées auxdits dispositifs permettent l'émission et la transmission des signaux. Les ondes d'interface sont utilisables pour réaliser des composants passifs. De façon générale, tout type de dispositif obtenu à l'aide d'ondes se propageant à la surface d'un cristal peut être réalisé en utilisant des ondes d' interface. En particulie r, il est possi ble de réfléchir les on des d'interface à l'aide de réseaux d'électrodes métalliques de période égale à une demi-longueur d'onde placé à l'interface. On réalise ainsi, d'abord un résonateur en plaçant un transducteur interdigité entre deux réseaux réflecteurs et ensuite un filtre en couplant des résonateurs entre eux par des moyens électriques ou acoustiques. On améliore la directivité d'un transducteur en y intercalant des réflecteurs. Toutes les applications des composants à ondes de surface sont alors accessibies, notamment les lignes à retard, les filtres de bande, les résonateurs et les filtres dispersifs. Les applications de ces composants en tant que capteurs de mesure sont également possibles. Les dispositifs à code de phase possèdent des dispositifs de transduction spécifiques caractérisés par une répartition des électrodes tel le que l'on sait associer un code particulier à un composant à code de phase donné. Les dispositifs interrogeables à distance par onde radio utilisent ce principe. Le fonctionnement est le suivant: un code de phase est utilisé à l'émission de l'onde, l'onde est captée par une antenne relise à l'entrée du composant à code de phase; de façon classique, le transducteur convertit le signal en on de m écan iq ue. Lad ite onde se propage j u sq u 'au tran ducteu r de sortie o elle est alors reconvertie en signal électrique et réémise. Le signal reçu est analysé et le composant qui a reçu et transformé le signal est ainsi identifié. Les dispositifs à ondes d'interface peuvent être utilisés en tant que dispositifs interrogeables à distance, notamment pour les applications de mesure comme la mesure de pression, de température ou d'accéleration. Le choix des structures des composants à ondes d'interface peut être très varié. On citera notamment les associations suivantes: Le substrat S. est piézoélectrique et S2 ne l'est pas. L)ans ce cas, on choisit S2 en fonction de ses propriétés mécaniques de façon à faciliter la réalisation des composants. Par exemple, si S. est du Niobate de Lithium ou du Tantalate de Lithium, S2 sera préférentiellement de la silice fondue ou du siliclum mono cristailin. Les deux substrats sont tous deux piézoélectriques mais de nature différente. On citera, par exemple, les associations suivantes: Quartz- Niobate de Lithium Quartz - Tantalate de Lithium Tantalate de Lithium - Niobate de Lithium À Les deux substrats sont de même nature mais de coupe cristalline différente. La figure 2 représente, suivant les conventions IEEE 1949 dans le repère orthonormé initial (X, Y. Z) avec Z parallèle à l'axe optique du cristal, X défini par la piézoélectricité du cristal et Y perpendiculaire à (X,Z) la représentation géométrique du plan de coupe définie par deux angles de rotation successifs p et D. p correspond-à une première rotation autour de l'axe Z. le repère obtenu ainsi est noté (X', Y', Z') avec Z' confondu avec Z. correspond à une seconde rotation autour de l'axe X', le repère obtenu ainsi est noté (X", Y", Z"), avec X" confondu avec X'. Dans ce repère final, la direction de propagation des ondes acoustiques est alors définie par un troisième angle 4 représentant une rotation autour de l'axe Y". A titre d'exemple, avec ces conventions, les valeurs des angles pour les coupes habituellement utilisées en ondes de surface pour le quartz ST sont les suivantes: p=0 , 0=42.75 , r=0 . Enfin, les deux substrats peuvent étre de même nature et de méme coupe. On peut utiliser, par exemple, du quarz, du Niobate de Lithium ou du Tantalate de Lithium. Dans ce cas, en règle généraie, I'assemblage se fera suivant la même orientation cristalline des deux substrats. Ce dernier cas est particulièrement intéressant dans la mesure o les problèmes de compatibilité entre les substrats S. et S2, en particulier les problèmes de dilatation thermique ou d'assemblage sont résolus implicitement. Dans ce cas, les orientations des faces des cristaux sont choisies afin d'obtenir des polarisations de même direction. Quatre caractéristiques majeures définissent les propriétés de l o propagation des ondes acoustiques des matériaux piézoélectriques. Ce sont: La vitesse V de propagation de l'onde acoustique d'interface. Ce paramètre est important dans la mesure o pour une fréquence d'utilisation donnce F. il conditionne le pas P du réseau des dents des peignes d'électrodes proportionnel à V / F. Lorsque l'on travaille à haute fréquence, typiquement de l'ordre de quelques GHz, I'obtention de vitesses élevées permet de garder des pas suffisamment larges compatibles des technologies actuelles de gravure; L'atténuation A ou perte d'insertion exprimée en dB par longueur d'onde acoustique, paramètre que l'on cherche, en général, à diminuer de façon à réduire les pertes d'insertion du dispositif; 25. Le coefficient CFT du premier ordre de la variation de fréquence en fonction de la température au voisinage de la température ambiante exprimé en ppm.C4. La configuration du dispositif sera d'autant plus insensible aux variations thermiques que ce coefficient sera faible; 30. Le coefficient de couplage électromécanique K2 représentatif de la bande de fréquence relative maximale que l'on peut obtenir avec un dispositif et calculé comme le demi-écart relatif des vitesses des ondes de surface sur le substrat libre et le substrat métallisé. Ce coefficient est. de façon générale, le paramètre que l'on cherche à maximiser. K2 est un paramètre sans dimensions exprimé en pour cent. Ces différents paramètres, et en particulier le coefficient de couplage K2 dépendent fortement de l'angle de coupe du cristal piézoélectrique et de la direction de propagation. On peut ainsi obtenir suivant l'angle de coupe pour le Tantalate de Lithium des valeurs de K2 variant entre 0 et 7 comme il est indiqué sur les figures 3a et 3b. La figure 3a représente la variation de K2 en fonction de (p, r) à nul et la figure 3b représente la variation de K2 en fonction de (é, r) à les ondes acoustiques de surface. Le brevet 2 799 906 de Pierre Tournois concernant la réalisation de filtres à ondes acoustiques d'interface donne quelques recommandations générales citées à titre d'exemple permettant de choisir des angles de coupe o optimaux. Il est notamment cité dans le cas de l'utilisation du Tantalate de Lithium que les coupes peuvent être prises suivant l'axe cristallographique Y (o Y est tourné d'un certain angle par exemple 175 ). L'invention propose, quant à elle, une sélection de plages d'angles de coupe optimisés. En effet, elle donne précisément les tolérances sur les angles de coupe; I'ensemble des angles de coupe optimaux permettant d'obtenir, dans le cas du Tantalate de Lithium, les meilleures caractéristiques possibles, en particulier les valeurs les plus élevoes du paramètre K2; et enfin les valeurs des caractéristiques principales, permettant d'atteindre les performances attendues. Les différentes étapes de réalisation des composants sont également décrites. Dans ce contexte, I'invention a pour objet un dispositif à ondes acoustiques d'interface comprenant: un premier substrat cristallin en Tantalate de Lithium (LiTaO3); un second substrat cristallin également en Tantalate de Lithium; assemblés par une zone d'interface plane servant à la propagation des ondes acoustiques et comprenant au moins les dispositifs de transduction électroacoustiques; des moyens d'interconnexion permettant de raccorder électriquement lesdits dispositifs de transduction; les substrats, référencés dans un repère orthonormé initial (X, Y. Z) avec Z parallèle à l'axe optique, X défini par la piézoélectricité du cristal et Y perpendiculaire à (X, Z), ayant leur plan de coupe identique et une orientation cristalline commune, ledit plan de coupe étant identifié par deux an gles de rotation success ifs:p et 0, p co rrespondant à u ne prem ière rotation autour de l'axe Z. le repère obtenu ainsi étant noté (X', Y', Z') avec Z' confondu avec Z. H représentant une seconde rotation autour de l'axe X', le repère obtenu ainsi étant noté (X", Y", Z"), avec X" confondu avec X'; la direction de propagation des ondes acoustiques étant définie par un troisième angle pris dans ledit repère (X", Y", Z") représentant une rotation autour de l'axe Y", caractérisé en ce que, pour toute direction de propagation : les angles ( - 20 coupe (60, 0, )a + 55 -10 -5 - 1 0 _5O Avantageusement, les épaisseurs des deux substrats sont lo grandes devant la longueur d'onde acoustique d'utilisation (). Dans ces conditions, les ondes acoustiques restent confinées à l'intérieur des deux substrats, ce qui empêche toute perturbation possible de l'extérieur. L'épaisseur de la zone d'interface est. à l'inverse, choisie faible devant cette méme longueur d'onde acoustique d'utilisation afin que les perturbations introduites par les caractéristiques mécaniques propres de ladite zone soient négligeables. Avantageusement, la zone d' interface se présente sous la fo rme d'une structure stratifiée comprenant au moins les dispositifs de transduction électro-acoustiques ainsi qu'une ou plusieurs couches de matériau diélectrique. Les principaux avantages de ces couches sont de faciliter soit la propagation des ondes, soit l'adhérence du second substrat sur la zone d'interface. Avantageusement, la zone d'interface comprend uniquement les dispositifs de transduction électro-acoustiques qui sont alors gravés sur une des deux surfaces des substrats en contact, ladite zone d'interface étant alors réduite à un plan d'interface. Dans ces conditions, I'ensemble des deux substrats et de la zone d'interface une fois assemblés est équivalent à un substrat unique à l'intérieur duquel se trouvent les dispositifs de transduction. Avantageusement, le dispositif peut être utilisé pour toutes les applications accessibles aux dispositifs à ondes acoustiques de surface, notamment comme composant passif de type résonateur ou filtre ou ligne à retard ou dispositif à code de phase. Enfin, il est possible de l'utiliser, soit dans une chane de mesure, so it dans un ensemb le de d is pos itifs fonctionn ant su ivant le principe des dispositifs codés comme dispositif interrogeable à distance. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaitront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexces parmi lesquelles: - la figure 1 donne la configuration générale exposée de façon lo schématique d'un dispositif à ondes d'interface; - la figure 2 donne la représentation géométrique de l'angle de coupe définie par les angles p et et la représentation de la direction de propagation dans le repère de l'angle de coupe; - les figures 3a et 3b donnent les variations de K2 en fonction de I'angle de coupe et de la direction de propagation pour le Tantalate de Lithium dans les deux configurations suivantes: nul et p nul; - les figures 4a et 4b donnent la cartographie des variations du coefficient de couplage K2 et de pertes d'insertion en fonction des variations deet(ppourlacoupe(O,O,O)aà nul; - les figures 5a et 5b donnent la cartographie des variations du coefficient de couplage K2 et de pertes d'insertion en fonction des variations de et (p pour la coupe (60, 0, )a à r nul; - les figures 6a, 6b et 6c donnent les variations du coefficient de co u plage K2 et des pertes d'insertion au vo is inage de la coupe (0, 0, )a en fonction des variations d'un des trois angles 0, p et r, ies deux autres angles étant choisis constants; - les figures 7a, 7b et 7c donnent les variations du coefficient de couplage K2 et des pertes d'insertion au voisinage de la coupe (60, 0, )a en fonction des variations d'un des trois angles 0, p et r, les deux autres angtes étant choisis constants. Pour obtenir de bons coefficients de couplage K2, typiquement supérieurs à 3% et des atténuations réduites, pour toutes directions de propagation des ondes dans le plan de l'interface, les angies de coupe ( - 1 0 -5 -10 -5 Le tableau ci-dessous donne pour chaque plage l'angle de coupe en coordonnces (p, 0,) permettant d'obtenir la valeur maximale du coefficient de couplage K2. Il donne pour cet angle ies valeurs des quatre . prncpaux parametres. Orientation K2 max. en % Vitesse en Atténuation CFf en (P, (3, V) ms, en dB\-4 ppmCi Plage 1 (0, 0, 0) 6.8 4073 -3. 10-6 -22 Plage 2 (60, 0, 0) 6. 7 4073 -3. 10-6 -41 Les variations de K2 autour de ces valeurs maximales sont décrites par les figures 6a à 7c. La réalisation d'un composant à ondes d'interface en Tantalate de Lithium passe par les étapes suivantes: Réalisation de la zone d'interface sur un des deux substrats. Cette réalisation comportant nécessairement la sous-étape de réalisation des peignesd'électrodes, Assemblage et découpage des deux substrats Réalisation des interconnexions électroniques. La réalisation des peignes d'électrodes se fait soit par un procédé o dit des électrodes enterrées, soit par un procédé dit des électrodes déposées. Dans le premier cas, les principales étapes du procédé sont: Réalisation d'une coupe plane du premier substrat en Tantalate de lithium suivant l'angle de coupe retenu, À Gravure des emplacements des électrodes, Dépôt du matériau destiné à réaliser les électrodes, qui peut être de l'aluminium pur ou un alliage d'aluminium permettant de limiter la thermo-migration comme le cuivre titane. Planarisation enfin de façon à ne laisser le matériau qu'aux emplacements de gravure. Dans le second cas, les principales étapes du procédé sont: Dépôt sur le substrat plan du matériau destiné à réaliser les électrodes. Découpe ensuite de ce matériau pour ne laisser subsister que les électrodes. Dépôt d'une couche C intercalaire entre les électrodes, Surfaçage de la couche C de façon à obtenir une couche plane de i'épaisseur des électrodes. Dans une variante de réalisation, on peut commencer par déposer la couche C, réaliser dans cette couche des ouvertures aux empiacements des électrodes, déposer le matériau des électrodes sur cette couche et enfin araser de façon à obtenir le résultat précédent. Si l'épaisseur de ia couche est suffisamment faible devant la longueur d'onde acoustique, les caractéristiques électro-acoustiques de l'ensemble ne sont que peu modifiées. Des couches supplémentaires de matériau diélectrique peuvent ensuite étre rapportées pour des raisons technologiques ou acoustiques pour compléter la zone d'interface. Ces couches peuvent notamment faciliter le collage entre les deux substrats. L'épaisseur finale de I doit cependant rester faible devant la longueur d'onde acoustique d'utilisation si l'on souhaite conserver les propriétés dues aux angles de coupe des substrats. Le second substrat qui a été découpé également dans du Tantalate de lithium suivant le même angle de coupe que le premier substrat est ensuite rapporté sur ledit substrat en fin de procédé de fabrication des électrodes. Cet assemblage peut étre fait soit par collage moléculaire soit par soudure anodique. Géométriquement, le second substrat a la méme orientation cristalline que le premier. On réalise ensuite les interconnexions électriques. ll existe plusieurs implantations possibles. On citera, à titre d'exemples non limitatifs: Réalisation de l'interconnexion dans le plan de la zone d'interface. Réalisation de l'interconnexion à travers un des deux substrats. REVENDICATIONS 1. Dispositif à ondes acoustiques d'interface comprenant: un premier substrat cristallin (S.) en Tantalate de Lithium (LiTaO3); un second substrat cristallin (S2) également en Tantalate de Lithium; 10. assemblés par une zone d'interface plane (I) servant à ia propagation des ondes acoustiques et comprenant au moins les dispositifs de transduction électroacoustiques; des moyens d'interconnexion permettant de raccorder électriquement lesdits dispositifs de transduction; les substrats, référencés dans un repère orthonormé initial (X, Y. Z) avec Z parallèle à l'axe optique, X défini par la piézoélectricité du cristal et Y perpendiculaire à (X, Z), ayant leur plan de coupe identique et une orientation cristalline commune, ledit plan de coupe étant identifié par deux angies de rotation successifs p et 0, p correspondant à une première rotation autour de l'axe Z. le repère obtenu ainsi étant noté (X', Y', Z') avec Z' confondu avec Z. représentant une seconde rotation autour de l'axe X', le repère obtenu ainsi étant noté (X", Y", Z"), avec X" confondu avec X'; la direction de propagation des ondes acoustiques étant définie par un troisième angle yr pris dans ledit repère (X", Y", Z") représentant une rotation autour de l'axe Y", caractérisé en ce que, pour toute direction de propagation : les angles de coupe (p, 0) sont compris dans l'une des deux plages angulaires suivantes appelées coupe (0, 0, )a et coupe (60, 0, )a: coupe (0, 0, )a 5 (P -30 2. Dispositif à ondes acoustiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les angles ( -10 -5 -10 -5 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les épaisseurs des deux substrats sont grandes devant la longueur d'onde acoustique d'utilisation () et l'épaisseur de la zone d'interface est faible devant la longueur d'onde acoustique d'utilisation (). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la zone d'interface se présente sous la forme d'une structure stratifiée comprenant au moins les dispositifs de transduction électro acoustiques ainsi qu'une ou plusieurs couches de matériau diélectrique. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la zone d'interface comprend uniquement les dispositifs de transduction électro-acoustiques qui sont alors gravés sur une des deux surfaces des substrats en contact, ladite zone d'interface étant alors réduite à un plan d' interface. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif est un composant passif de type résonateur ou filtre ou ligne à retard ou dispositif à code de phase. 7. Caeur de mesum compose done china da dpos#i cams an ca qua lignite china compound au mods On dispose sewn [une des revendlcadons prAcAdentes. 8. Dpos#T fonionnant surest le pEnca des codes de phase compose d'une ch^a da disposes cacthsA an ca qua lade ch^e