Brevet FR3033462A1 — publié le 20160909

DISPOSITIF A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE COMPRENANT UN FILM PIEZOELECTRIQUE MONOCRISTALLIN ET UN SUBSTRAT CRISTALLIN, A FAIBLES COEFFICIENTS VISCOELASTIQUES Le domaine de l'invention est celui des dispositifs à ondes élastiques de surface et plus particulièrement celui des résonateurs à ondes élastiques de surface. De tels résonateurs présentent des coefficients de qualité élevés (> 10000) à des fréquences de quelques centaines de MHz à quelques GHz. Leur utilisation est particulièrement avantageuse dans des boucles d'oscillations destinées à la synthèse de fréquences ou de références de temps stables et compactes pour applications embarquées. De manière générale, les composants utilisant des ondes de surface dénommés couramment composants SAW pour « Surface Acoustic Wave » sont bien connus et présents dans de nombreuses applications. Parmi celles-ci, on peut citer celle du traitement du signal, et notamment le filtrage de bande. Ces composants peuvent également constituer des dispositifs d'identification par radiofréquences (SAW-tags ou étiquettes à ondes de surface). Ils peuvent aussi être utilisés pour réaliser des capteurs de différentes grandeurs physiques, comme la température ou la pression par exemple. Les dispositifs SAW sont généralement réalisés par dépôt d'électrodes métalliques sous forme d'un réseau de peignes inter-digités sur un matériau piézoélectrique. Celui-ci consiste généralement en un substrat monocristallin tels que le quartz (SiO2), le niobate de lithium (LiNbO3), le tantalate de lithium (LiTaO3) ou plus récemment la langasite (La3Ga5Si014). De façon plus marginale, ils peuvent également être réalisés sur des couches minces déposées par différentes voies, telles que le nitrure d'aluminium (AIN) ou l'oxyde de zinc (ZnO). Les substrats piézoélectriques monocristallins sont généralement disponibles sous forme de substrats (en anglais wafers) de 100 mm de diamètre (« 4 pouces ») orientés selon des angles particuliers pour optimiser les propriétés des ondes de surface. Pour le quartz les orientations les plus courantes sont les coupes AT, ST, SC, BT etc. Les coupes ainsi dénommées correspondent à des plans réticulaires définis par des rotations angulaires autour des axes X,Y,Z permettant de décrire l'état de la plaque par rapport à la norme IEEE Std-176, version 1949 (Std-176 IRE). Dans cette norme, la coupe AT correspond à une plaque dite 3033462 2 YX (l'axe Y est orthogonal au plan de la plaque - colinéaire à son épaisseur - et l'axe X est défini suivant la longueur de la plaque) tournée de 36° autour de l'axe X. Elle est désignée par la nomenclature (YXI)/35,25°. La coupe ST correspond à la nomenclature (YXI)/42,75°, la coupe BT à (YXI)/-49°, quant à 5 la coupe SC, elle procède de deux rotation successives, l'une de 21,9° autour de l'axe Z et la seconde de 34° autour de làxe X selon la nomenclature (YXwl)/21,9°/34°. Chaque coupe correspnd à des conditions de propagation élastique particulières qui impactent directement les caractéristiques des dispositifs. 10 En particulier, le choix d'un substrat et de son orientation cristalline pour réaliser un dispositif SAW est dicté par un certain nombre de critères, les deux suivants étant les principaux considérés pour les applications de filtrage : 15 - le coefficient de couplage électromécanique (0% REVENDICATIONS1. Dispositif à ondes élastiques de surface comprenant un 5 empilement comportant au moins : - un film mince réalisé en un premier matériau piézoélectrique ; - un substrat réalisé en un second matériau ; - des moyens d'excitation pour générer au moins un mode de propagation d'ondes acoustiques de surface au niveau dudit 10 film piézoélectrique ; caractérisé en ce que : - le premier matériau est un matériau monocristallin et le second matériau est un matériau cristallin ; le premier matériau et le second matériau présentant des 15 coefficients viscoélastiques inférieurs ou égaux à ceux du quartz pour le mode de propagation induit par les moyens d'excitation. 2. Dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 20 1, caractérisé en ce que le second matériau est un matériau monocristallin. 3. Dispositif à ondes élastiques de surface selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un premier film intermédiaire entre le substrat et le film piézoélectrique, assurant le collage 25 dudit film sur ledit substrat. 4. Dispositif à ondes élastiques de surface selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un second film intermédiaire en matériau métallique, situé entre le substrat et le film 30 piézoélectrique, dont l'épaisseur et la nature du film permettent d'ajuster le coefficient de température de la fréquence du mode de propagation 5. Dispositif à ondes élastiques de surface selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier matériau est du 35 quartz. 3033462 22 6. Dispositif à ondes élastiques de surface selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier matériau est l'un des matériaux suivants : GaPO4 ou Si02 dopé, ou de la langasite (LGS - La3Ga5S10.14), du langatate (LGT - La3Ga5,5Ta0,5014) , de la langanite (LGN - La Ga NID 0 11 ou Sr N'In Si n (smr: ^" _ _3 _ _ 5,5. __ 0,5 - 14,, - - . 3. vu. Ca3NbGa3Si2014 (CNGS), ou Ca3TaGa3Si2014 (CTGS), ou Sr3TaGa3Si2014 (STGS) ou Ca3TaAl3Si2014 (CTAS)). 7. Dispositif à ondes élastiques de surface selon l'une des 10 revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second matériau est du saphir. 8. Dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 7, caractérisé en ce que le second matériau présente une orientation cristalline de type C-plane, ou R-plane, ou M-plane ou A-plane. 15 9. Dispositif à ondes élastiques de surface selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le second matériau est du niobate de lithium ou du tantalate de lithium. 20 10. Dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 9, caractérisé en ce que : le substrat de niobate de lithium présente une coupe choisie parmi les suivantes : coupe (YX), coupe (YX/)/+ 41°, coupe (YX/)/ + 64°, coupe (YX/)/ + 128° avec une tolérance de ±5° ou ; 25 le substrat de tantalate de lithium présente une coupe choisie parmi les suivantes : coupe (XY), coupe (YX/)/ + 36°, coupe (YX/)/ + 42°, coupe (YX/)/+ 8 avec 8 compris entre 30° et 50°. 11. Dispositif à ondes élastiques de surface selon l'une des 30 revendications précédentes, caractérisé en ce que le film mince a une épaisseur comprise entre environ 1 pm et environ 20 pm. 12. Résonateur comprenant un dispositif selon l'une des revendications précédentes. 35 3033462 23 13. Filtre de fréquence comprenant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 11. 5 14. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend : le transfert d'un premier substrat comprenant ledit premier matériau piézoélectrique sur un second substrat comprenant ledit second matériau ; une opération d'amincissement dudit premier substrat pour définir le film de premier matériau piézoélectrique ; la réalisation de moyens d'excitation dudit premier matériau piézoélectrique sur ledit film de premier matériau. 15. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de transfert comporte une étape de collage par collage hydrophile direct par l'intermédiaire d'une couche diélectrique pouvant être en S102 déposée sur le premier et/ou le second substrat(s). 16. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de transfert comporte une étape de collage par collage hydrophile direct ou par collage assisté par thermocompression, par l'intermédiaire d'une couche métallique, pouvant être de l'or, déposée sur le premier et/ou le second substrat(s).