Brevet FR3136327A1 — publié le 20231208

L’invention concerne un dispositif (1) à ondes élastiques de surface qui comprend : - un substrat POI (2) qui comprend, d’une face avant (3) vers une face arrière (4), une couche de matériau piézoélectrique (5), une couche de matériau diélectrique (6) et un substrat support (7) ; - au moins un transducteur électroacoustique (8,9) formé sur ou dans la couche de matériau piézoélectrique (5) ; le dispositif (1) à ondes élastiques de surface étant caractérisé en ce que le substrat POI (2) comprend en outre une couche additionnelle intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique (5) et la couche de matériau diélectrique (6), la couche additionnelle étant associée à un coefficient de température de la fréquence de signe opposé à celui auquel est associée la couche de matériau diélectrique (6). Figure 7 DISPOSITIF A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention se rapporte au domaine des dispositif à ondes élastiques de surface. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI qui comprend une couche de matériau piézoélectrique. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface qui présente une sensibilité à la température maîtrisée au regard des dispositifs à ondes élastiques de surface connus de l’état de la technique. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Initialement fabriqués sur des substrats massifs de matériaux piézoélectriques monocristallins (ci-après « substrat massif »), les filtres à ondes élastiques de surface (« SAW filter » ou « Surface Acoustic Wave filter », selon la terminologie Anglo-Saxone) mettent désormais en œuvre des substrats piézoélectriques sur isolant (ci-après « POI »). Ces derniers comprennent notamment, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique et un substrat support. Ces substrats POI, contrairement aux substrats massifs, permettent de répondre à certaines exigences en termes de sensibilité à la température des modes élastiques de surface guidés dans la couche de matériau piézoélectrique. Notamment, le substrat support joue le rôle de raidisseur et permet de limiter la dilatation thermique et d’influer sur le comportement thermoélastique de la couche de matériau piézoélectrique. Ainsi, de manière générale, un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI présente un coefficient de température de la fréquence(« TCF » ou « Temperature coefficient of Frequency » selon la terminologie Anglo-Saxonne) relativement faible, et notamment inférieur à 10 ppm.K -1 , dans une gamme de fréquences qui s’étend de 1,4 GHz à 2,4 GHz. La fabrication des substrats POI peut mettre en œuvre un procédé dit « SmartCut™ » bien connu du domaine de la micro-électronique, notamment pour la fabrication des substrats de silicium sur isolant. A cet égard, le document [1] cité à la fin de la description propose de transférer une couche de matériau piézoélectrique, et plus particulièrement de LiNbO 3 (ci-après « LNO »), sur un substrat de silicium selon le procédé SmartCut™. Le document [2] cité à la fin de la description divulgue également la mise en œuvre d’un substrat POI exploitant une couche de LiTaO 3 pour la fabrication d’un filtre à ondes élastiques de surface. Le filtre à ondes élastiques de surface décrit dans ce document comprend une couche miroir formée d’une alternance de couches à impédance acoustique faible et des couches à impédance acoustique élevée sur un substrat de silicium. Il a également été considéré d’intercaler une couche dite de piégeage, par exemple faite de silicium poly cristallin, entre le substrat support et la couche de matériau diélectrique, destinée à limiter le libre parcours moyen des charges aux interfaces de l’empilement et les diaphonies susceptibles d’intervenir au sein d’un filtre formé à partir du substrat POI considéré. Les avantages du procédé SmartCut™ pour la formation d’un substrat POI sont bien connus. Notamment, le procédé SmartCut™ permet le prélèvement d’une couche de matériau piézoélectrique, d’une épaisseur contrôlée, à partir d’un substrat massif de matériau piézoélectrique dit substrat donneur. Par ailleurs, après son recyclage, le substrat donneur peut à nouveau être utilisé pour la formation d’autres substrats POI. Ce dernier aspect permet de rendre le procédé SmartCut™ compétitif. Les substrats POI, ainsi susceptibles d’être formés selon le procédé SmartCut™, sont généralement mis en œuvre pour la conception de filtres à ondes élastiques de surface fonctionnant à des fréquences de résonnance/anti-résonnance supérieures à 1 GHz. Il existe aujourd’hui un intérêt pour la formation des filtres à ondes élastiques de surface formés sur des substrats POI et fonctionnant à des fréquences de résonnance/anti-résonnance inférieures à 1 GHz. Toutefois, afin de contenir le coefficient de température de la fréquence d’un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI à des valeurs raisonnables (par exemple inférieures à 10 ppm.K -1 ), il peut être nécessaire d’adapter les épaisseurs de la couche de matériau piézoélectrique et/ou de la couche de matériau diélectrique. Plus particulièrement, il peut être requis de réduire l’épaisseur de la couche de matériaux diélectrique et/ou d’augmenter l’épaisseur de la couche de matériau piézoélectrique. A cet égard, le procédé SmartCut™ présente la versatilité nécessaire pour adapter les épaisseurs de ces couches. Néanmoins, une couche de matériau diélectrique fine, et notamment d’une épaisseur inférieure à 300 nm voire inférieure à 200 nm, n’est plus une barrière efficace contre la diffusion de certaines espèces susceptibles de former la couche de matériau piézoélectrique. Par exemple, une couche de matériau diélectrique d’une épaisseur inférieure à 300 nm laissera diffuser le lithium d’une couche de matériau piézoélectrique comprenant du LNO. Notamment, le lithium ayant ainsi diffusé dans la couche de matériau diélectrique (par exemple du SiO 2 ) est source de pertes radiofréquences. Également, il n’est pas souhaitable de considérer une couche de matériau diélectrique d’une épaisseur trop importante, et notamment supérieure à 500 nm voire 1000 nm. En effet, ces épaisseurs nécessitent, lors de la mise en œuvre du procédé SmartCut™ pour la formation du substrat POI, de considérer des énergies d’implantation dans le substrat massif de matériau piézoélectrique (le substrat donneur) relativement importantes, qui, par voie de conséquence génèrent des endommagement souvent rédhibitoires pour la formation de filtre à ondes élastiques de surface. Un but de la présente invention est donc de proposer un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI, le substrat POI permettant la propagation d’ondes élastiques de surface présentant un coefficient de température de la fréquence à la résonnance et à l’anti-résonnance contrôlé, avantageusement inférieur à 10 ppm.K -1 , pour des fréquences de fonctionnement inférieures à 1 GHz. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI, le substrat POI permettant la propagation d’ondes élastiques de surface présentant un coefficient de température de la fréquence équilibrés pour des fréquences de fonctionnement inférieures à 1 GHz. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI, le substrat POI permettant la propagation d’ondes élastiques de surface présentant un coefficient de température de la fréquence à la résonnance et à l’anti-résonnance sensiblement égaux pour des fréquences de fonctionnement inférieures à 1 GHz. BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION La présente invention concerne de façon générale un dispositif et plus spécifiquement un filtre à ondes élastiques de surface qui comprend : - un substrat POI qui comprend, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique et un substrat support ; - au moins un transducteur électroacoustique formé sur ou dans la couche de matériau piézoélectrique ; le dispositif à ondes élastiques de surface étant remarquable en ce que le substrat POI comprend en outre une couche additionnelle intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique et la couche de matériau diélectrique, la couche additionnelle étant associée un coefficient de température de la fréquence de signe opposé à celui auquel est associée la couche de matériau diélectrique. De manière avantageuse, l’au moins un transducteur électroacoustique peut comprendre au moins un transducteur électroacoustique d’entrée et au moins un transducteur électroacoustique de sortie. Selon un mode de mise en œuvre, le coefficient de température de la fréquence auquel est associée la couche additionnelle est négatif. Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle présente, pour des fréquences inférieures à 1 GHz, une impédance acoustique supérieure ou égale à celle de la couche de matériau diélectrique. Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle présente une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm. Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle comprend au moins un des matériaux choisi parmi : SiN, Al 2 O 3 , AlN, Carbone diamant, GaN, LiNbO 3 , ZnO. Selon un mode de mise en œuvre, le substrat support comprend au moins l’un des éléments choisis parmi : un substrat de silicium présentant l’orientations 110, un substrat de quartz présentant une orientation (YX/t)/θ/90° avec θ compris entre -20° et 60°, avantageusement compris entre -10° et 30°, par exemple égal à 5°. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau diélectrique présente une épaisseur supérieure à 300 nm, avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 600 nm, encore plus avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 400 nm. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau diélectrique comprend du dioxyde de silicium. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau piézoélectrique présente une épaisseur comprise entre 300 nm et 1000 nm, avantageusement supérieure à 700 nm, encore plus avantageusement supérieure à 800 nm. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau piézoélectrique comprend l’un ou l’autre du LiTaO 3 et du LiNbO 3 . Selon un mode de mise en œuvre, le matériau formant la couche de matériau piézoélectrique présente un angle de coupe (YX)/θ avec θ compris entre 10° et 52°, avantageusement compris entre 15° et 30°. Selon un mode de mise en œuvre, le substrat POI comprend également une couche de piégeage intercalée entre la couche de matériau diélectrique et le substrat support, la couche de piégeage étant adaptée pour limiter le libre parcours moyen de porteurs électriques à l’interface formée entre la couche de matériau diélectrique et la couche de piégeage au regard du libre parcours moyen de porteurs électriques à une interface formée entre la couche de matériau diélectrique et le substrat support. La couche de piégeage comprend avantageusement un matériau semi-conducteur qui présente une résistivité électrique supérieure à 1kΩ.cm, avantageusement comprise entre 2kΩ.cm et 5kΩ.cm. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de piégeage comprend du silicium poly cristallin et présente avantageusement une épaisseur comprise entre 400 nm et 2000 nm. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : La est une représentation schématique d’un dispositif à ondes élastiques de surface selon un plan de coupe perpendiculaire à une face principale du substrat support du substrat POI conforme aux principes de la présente invention, dans le cas présent, le mode d’intérêt correspond au mode fondamental présentant une polarisation de cisaillement pur dont il sera toujours question dans la suite du document ; La est une représentation graphique de l’évolution du coefficient TCF 1 (axe vertical, en ppm/K), d’un mode élastique de surface se propageant sous un réseau d’électrodes périodique d’un substrat POI, en fonction de la fréquence (axe horizontal, en MHz), notamment la courbe A représente le coefficient TCF 1 associé à un substrat POI standard qui comprend, dans l’ordre, à partir de la face avant, une couche de tantalate de lithium de coupe (YXl)/42° définie selon le standard IEEE Std-176 sur la piézoélectricité de 600 nm d’épaisseur, couche de dioxyde de silicium de 500 nm d’épaisseur, une couche de polysilicium de 1 µm, et un substrat de silicium de type 100 tandis que la courbe B représente le coefficient TCF 1 associé à un substrat POI qui diffère du substrat POI standard en ce que le substrat support est fait de silicium du type 111 plutôt que de silicium 100 ; La est une représentation graphique de l’évolution du coefficient TCF 1 (axe vertical, en ppm/K) , d’un mode élastique de surface se propageant sous un réseau d’électrodes périodique d’un substrat POI, en fonction de la fréquence (axe horizontal, en MHz), notamment la courbe C et la courbe D représentent le coefficient TCF 1 associé à un substrat POI qui comprend un substrat support fait de silicium, respectivement, du type 110 ou du type (XYt)/45° ou (YXt)/45° selon la norme IEEE Std-176 ; La est une représentation graphique de l’évolution du coefficient TCF 1 (axe vertical, en ppm/K), d’un mode élastique de surface se propageant sous un réseau d’électrodes périodique d’un substrat POI, en fonction de la fréquence (axe horizontal, en MHz), notamment la courbe E est obtenue pour un résonateur formé à partir d’un substrat POI qui comprend de la face avant vers la face arrière une couche de LiTaO 3 d’une épaisseur égale à 700 nm, une couche de SiO 2 d’une épaisseur égale à 350 nm et un substrat de silicium du type 100, la courbe F est obtenue pour un filtre formé à partir d’un substrat POI qui comprend de la face avant vers la face arrière une couche de LiTaO 3 d’une épaisseur égale à 700 nm, une couche de SiO 2 d’une épaisseur égale à 350 nm et un substrat de silicium du type 111 ; La représente la variation du TCF 1 (axe vertical en ppm/K) d’un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI et en fonction de l’angle θ de coupe (axe horizontal, en °) de la couche de LiTaO 3 , le substrat POI considéré comprenant un substrat support fait de silicium du type 111, et une couche de SiO2 de 350 nm d’épaisseur et intercalée entre la substrat support et la couche de LiTaO 3 ; La représente la variation du couplage électromécanique (axe vertical, en %) d’un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI décrit en relation avec la et en fonction de l’angle θde coupe (axe horizontal, en °) de la couche de LiTaO 3 ; La est une représentation schématique d’un dispositif à ondes élastiques de surface selon un plan de coupe perpendiculaire à une face principale du substrat support du substrat POI conforme aux principes de la présente invention ; la représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), la vitesse de phase des ondes susceptibles de se propager dans la couche 5 de LiTaO 3 d’un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir du substrat POI décrit ci-avant, la vitesse de phase, notée v φ (axe vertical, en m/s), est représentée en fonction de la fréquence de fonctionnement du mode (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO 2 (axe B en nm) ; La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le facteur de couplage électromécanique d’un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI décrit ci-avant, le facteur de couplage électromécanique, noté k s 2 (axe vertical, en %), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement d’un transducteur périodique infini formé sur ledit substrat POI (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO 2 (axe B en nm) ; La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le coefficient TCF 1 d’un mode élastique de surface se propageant dans un substrat POI décrit ci-avant, le coefficient TCF 1 , noté TCF 1 (axe vertical, en ppm/K), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du filtre (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO 2 (axe B en nm) ; La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le facteur de couplage électromécanique d’un mode élastique de surface se propageant dans le substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche 5 de LiTaO 3 est égale à 700nm, le facteur de couplage électromécanique, noté k s 2 (axe vertical, en %), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du transducteur formé sur ledit substrat POI (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO 2 (axe B en nm). La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le coefficient TCF 1 d’un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche 5 de LiTaO 3 est égale à 700nm, le coefficient TCF 1 , noté TCF 1 (axe vertical, en ppm/K), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du transducteur (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO 2 (axe B en nm). La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le facteur de couplage électromécanique du mode élastique de surface se propageant sur le substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche 5 de LiTaO 3 est égale à 800nm, le facteur de couplage électromécanique, noté k s 2 (axe vertical, en %), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du transducteur formé sur le substrat POI (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO 2 (axe B en nm) ; La représente, de manière graphique (selon une représentation 3D), le coefficient TCF 1 d’un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI décrit ci-avant et dont l’épaisseur de la couche 5 de LiTaO 3 est égale à 700nm, le coefficient TCF 1 , noté TCF 1 (axe vertical, en ppm/K), est représenté en fonction de la fréquence de fonctionnement du transducteur (axe A en MHz) et de l’épaisseur de la couche 6 de SiO 2 (axe B en nm) ; La est représentation graphique de l'évolution de la vitesse de phase du mode de cisaillement (axe vertical, en m/s) en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) d’un substrat POI qui comprend une couche de LiTaO 3 (YXl)42° de 600nm, une couche additionnelle de 100 nm, une couche diélectrique de 400 nm, et un substrat support de Silicium 111, la couche additionnelle pouvant comprendre Carbone diamant, GaN, ZnO, LiNbO 3 ; La est représentation graphique de l'évolution de la vitesse de phase du mode de cisaillement (axe vertical, en m/s) en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) d’un substrat POI qui comprend une couche de LiTaO 3 (YXl)42° de 600nm, une couche additionnelle de 100 nm, une couche diélectrique de 400 nm, et un substrat support de Silicium 111, la couche additionnelle pouvant comprendre : SiN, poly Si, AlN, Al 2 O 3 . Dispositif (1) à ondes élastiques de surface qui comprend : - un substrat POI (2) qui comprend, d’une face avant (3) vers une face arrière (4), une couche de matériau piézoélectrique (5), une couche de matériau diélectrique (6) et un substrat support (7) ; - au moins un transducteur électroacoustique (8,9) formé sur ou dans la couche de matériau piézoélectrique (5) ; le dispositif (1) à ondes élastiques de surface étant caractérisé en ce que le substrat POI (2) comprend en outre une couche additionnelle intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique (5) et la couche de matériau diélectrique (6), la couche additionnelle étant associée à un coefficient de température de la fréquence de signe opposé à celui auquel est associée la couche de matériau diélectrique (6). Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon la revendication 1, dans lequel le coefficient de température de la fréquence de la couche additionnelle est négatif. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche additionnelle présente, pour des fréquences inférieures à 1 GHz, une impédance acoustique supérieure ou égale à celle de la couche de matériau diélectrique (6). Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche additionnelle présente une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche additionnelle comprend au moins un des matériaux choisi parmi : SiN, Al 2 O 3 , AlN, Carbone diamant, GaN, LiNbO 3 , ZnO. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le substrat support comprend au moins l’un des éléments choisis parmi : un substrat de silicium présentant l’orientations 110, un substrat de quartz présentant une orientation (YX/t)/θ/90° avec θ compris entre -20° et 60°, avantageusement compris entre -10° et 30°, par exemple égal à 5°. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la couche de matériau diélectrique (6) présente une épaisseur supérieure à 300 nm, avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 600 nm, encore plus avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 400 nm. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche de matériau diélectrique (6) comprend du dioxyde de silicium. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (5) présente une épaisseur comprise entre 300 nm et 1000 nm, avantageusement supérieure à 700 nm, encore plus avantageusement supérieure à 800 nm. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (5) comprend l’un ou l’autre du LiTaO 3 et du LiNbO 3 . Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la matériau formant la couche de matériau piézoélectrique (5) présente un angle de coupe (YX)/θ avec θ compris entre 10° et 52°, avantageusement compris entre 15° et 30°. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le substrat POI (2) comprend également une couche de piégeage intercalée entre la couche de matériau diélectrique (6) et le substrat support, la couche de piégeage étant adaptée pour limiter le libre parcours moyen de porteurs électriques à l’interface formée entre la couche de matériau diélectrique (6) et la couche de piégeage au regard du libre parcours moyen de porteurs électriques à une interface formée entre la couche de matériau diélectrique (6) et le substrat support. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon la revendication 12, dans lequel la couche de piégeage comprend du silicium poly cristallin et présente avantageusement une épaisseur comprise entre 400 nm et 2000 nm.