(57)【要約】  本発明は、無機エレクトレットベースの電気機械デバイスおよびその作成方法に関する。前記デバイスは、少なくとも1つのエレクトレット層2Eを含む誘電性積層、および誘電性積層の2つの反対面18、22上の2つの電極16、20を含む。エレクトレットは、無機エレクトレットであり、また、電気機械結合を形成する恒久的な電荷を含む。エレクトレット層の厚さは、数ナノメートルから数十マイクロメートルまで選択することができるが、略1μm未満または略1μmに等しいことが好ましい。本デバイスは、特に遠隔通信の分野に使用される。
2013516099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
-  2つの反対面を有し、少なくとも1つのエレクトレット層を含む誘電性積層(2E、24E、44E、54E、66E)と、
-  前記積層の前記2つの反対面によりそれぞれ支持される2つの電極(16、20;28、36;40、48;53、58;64、70)と、を含む電気機械デバイスであって、
前記エレクトレットは、無機エレクトレットであることを特徴とする、電気機械デバイス。
【請求項２】
前記エレクトレット層は、電気機械結合を形成する、恒久的な電荷を含む、請求項1に記載の電気機械デバイス。
【請求項３】
前記エレクトレットの外部の誘電性積層は、非圧電性である、請求項1または2のいずれかに記載の電気機械デバイス。
【請求項４】
前記エレクトレット層(2E)の厚さは、数ナノメートルから数十マイクロメートルまで選択することができるが、略1μm未満または略1μmに等しいことが好ましい、請求項1から3のいずれか一項に記載の電気機械デバイス。
【請求項５】
その一方の面上に前記積層および前記電極が配置される基板をさらに含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の電気機械デバイス。
【請求項６】
前記基板(26、60)は、少なくとも前記基板の面内に現れるキャビティ(37、72)または孔を有し、前記2つの電極の一方(28、64)は、前記基板上に載置され、前記電極は、前記キャビティの少なくとも一部分上にある、請求項5に記載の電気機械デバイス。
【請求項７】
2つの反対面を有する音響ブラッグ格子(50)をさらに含み、前記反対面の一方は、前記基板の面上に載置され、前記反対面の他方は、前記2つの電極の一方(53)を支持する、請求項5に記載の電気機械デバイス。
【請求項８】
前記エレクトレット層(2E、24E、44E、54E)は、結晶である、請求項1から7のいずれか一項に記載の電気機械デバイス。
【請求項９】
前記エレクトレット層(66E)は、非結晶である、請求項1から7のいずれか一項に記載の電気機械デバイス。
【請求項１０】
-  誘電性積層(2、24、44、54、66)を作成するステップであって、前記積層は、誘電材料から作られる少なくとも1つの層を含む、ステップと、
-  エレクトレット層(2E、24E、44E、54E、66E)を作成するために、前記誘電材料の層を恒久的に帯電させるステップと、
-  第1および第2の電極(16、20;28、36;40、48;53、58;64、70)をそれぞれ、これら2つの反対面上に作成するステップと、
を含む、電気機械デバイスを作成するための方法であって、
前記誘電材料は、無機誘電材料であることを特徴とする、方法。
【請求項１１】
前記エレクトレット層(2E)の厚さは、数ナノメートルから数十マイクロメートルまで選択することができるが、略1μm未満または略1μmに等しいことが好ましい、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記誘電性積層および前記電極は、基板上に作成される、請求項10または11のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
犠牲層(30、62)を有する基板(26、60)から、および前記犠牲層上に載置される前記第1の電極から、
-  少なくとも誘電材料から作られる前記層(24、66)を含む前記誘電性積層が、前記第1の電極上に作成され、
-  誘電材料から作られる前記層(24、66)の恒久的な帯電が達成され、
-  前記第2の電極(36、70)が、前記積層上に作成され、
-  前記犠牲層(30、62)が、前記第1の電極の下に孔またはキャビティを作成するために、少なくとも部分的に除去される、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
-  前記基板の一方の面に、エッチング停止層が作成される可能性があり、次いで、前記基板のこの面上、存在するときは前記停止層上に載置される前記第1の電極が作成され、
-  少なくとも誘電材料から作られる前記層を含む前記誘電性積層が、前記第1の電極上に作成され、
-  誘電材料から作られる前記層(24、66)の恒久的な帯電が達成され、
-  前記第2の電極(36、70)が、前記積層上に作成され、
-  前記基板が、前記第1の電極の下に孔またはキャビティを作成するために、前記第1の面の反対の面から、存在するときは前記停止層までエッチングされる、請求項12に記載の方法。
【請求項１５】
-  基板(52)の一方の面において前記基板上に、音響ブラッグ格子(50)が作成され、
-  次いで、前記第1の電極、および少なくとも誘電材料から作られる前記層を含む前記誘電性積層が、この格子上に作成され、
-  誘電材料から作られる前記層(24、66)の恒久的な帯電が達成され、
-  前記第2の電極(36、70)が、前記積層上に作成される、請求項12に記載の方法。
【請求項１６】
恒久的な帯電は、イオン注入、および/または電子注入、および/またはコロナ放電、および/または湿式電極法のうちから選択された方法により達成される、請求項10から15のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電気機械式アクチュエータもしくはセンサ、またはさらに音響共振器、特に高いQ値を有する共振器などの電気機械デバイス(MEMSまたはNEMS)、および本デバイスを作成する方法に関する。
【０００２】
本発明は、特に、遠隔通信分野に適用される。
【背景技術】
【０００３】
遠隔通信分野では、数百メガヘルツから数ギガヘルツまでの範囲の周波数を伴う、極めて正確な時間ベースを有することが必要である。
【０００４】
これを達成するために、その発振周波数が圧電共振器により調整される発振器が最もよく使用されるが、その発振器において、電気機械共振周波数は、発振器の周波数を印加するには十分に高いインピーダンス変化を有する。
【０００５】
発振器に適用するための共振器の長所の数字は、Q値Qと共振周波数Fとの積であることを想起されたい。
【０００６】
積QxFの所望の値は、ローミングシステムの最も正確な周波数源では1014Hz程度である。
【０００７】
最も一般に使用される共振器は、水晶から作られるバルク要素を含む。
【０００８】
これらの共振器は、厚く、その厚さは、最低で100μm程度であるが、数メガヘルツで発振器の極めて良好な安定性を作り出しながら、100000程度の極めて高いQ値を有するので、数メガヘルツの周波数Fで共振する欠点を有する。
【０００９】
より高い周波数を有するために、水晶の共振振動数は、より高くすることができるが、その際、Q値は低減し、その結果、積QxFは、1012Hz程度でほぼ一定のままである。
【００１０】
それに加えて、周波数の増大は、エネルギーを必要とし、それは、ローミングシステムには望ましくない。
【００１１】
最終的に、特にシリコン上の集積技術においては、水晶ベースの共振器置換え解決法が極めて望ましい。
【００１２】
周波数の増大を防止し、この集積技術で働くために、水晶ベースの構造よりも小さく、事前に1GHz程度の共振振動数を有する共振器、すなわち、基板上に堆積する圧電性薄層を含み、しばしば窒化アルミニウムベースを有する、FBARタイプの構造(膜バルク音響共振器)を使用することができる。
【００１３】
その際、Q値は、例えば、論文R.C. Rubyら、「Thin film bulk acoustic wave resonators for wireless applications」、IEEE Ultrasound. Symp.、813〜821頁、2001年に説明されるように、1000程度にすぎない。しかし、積QxFの最大値は、1012Hz程度である。しかし、この解決法は、シリコン上の集積技術の新規材料、すなわち、例えばAlN、ZnO、Mo、およびPtなどの材料の使用が必要である。
【００１４】
別の可能性は、音響共振キャビティ、いいかえれば、電極、圧電性薄層、および別の電極が連続的に堆積する、音質の良い基板を含む、HBARタイプ共振器(高調バルク音響共振器)を使用することである。
【００１５】
そうした共振器では、電極による圧電性薄層の電気励振が、音響キャビティの存在により、連続する全高調波を発生させる。
【００１６】
HBARタイプ共振器に関して、論文M. Pijolatら、「Large Qxf product for HBAR using Smart CutTM transfer of LiNbO3 thin layers onto LiNbO3 substrate」、2008 IEEE International Ultrasonics Symposium、2008年: 201-4 IEEE、Piscataway、 NJ、USA, Conference Paperを参照することができる。
【００１７】
HBARタイプ共振器の使用は、上述の両解決法(水晶ベースの共振器およびFBARタイプ共振器)の利点を有し、Q値は極めて高く、様々な高調波の共振振動数は、数ギガヘルツ程度の周波数と同じ高さを維持する。
【００１８】
それに加えて、このタイプの共振器の使用により、1014Hz程度のQxF積を達成することができる(特に、薄層がAlNから作られ、基板がサファイアから作られるとき)。しかし、互いに極めて近い周波数を有する、極めて多くの高調波の存在は、しばしば、発振器の不安定性の源となる。
【００１９】
HBARタイプ共振器のQ値は、音響キャビティを構成し、サファイアなどの、音響損失が極めて低い単結晶材料から作らなければならない基板の存在から主に生じることに留意されたい。一方、1GHz程度の周波数の共振の存在は、圧電性薄層の存在によるものである。
【００２０】
圧電性薄層は、基板上に堆積されるので、本質的に極めて高いQ値を有しない。
【００２１】
しかし、音響エネルギーが主にキャビティ内に集中するので、薄層の低いQ値は、共振器の有効Q値にほとんど影響を及ぼさない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許出願第2007/063793号
【特許文献２】仏国特許発明第2681472号明細書
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】R.C. Rubyら、「Thin film bulk acoustic wave resonators for wireless applications」、IEEE Ultrasound. Symp.、813〜821頁、2001年
【非特許文献２】M. Pijolatら、「Large Qxf product for HBAR using Smart CutTM transfer of LiNbO3 thin layers onto LiNbO3 substrate」、2008 IEEE International Ultrasonics Symposium、2008年: 201-4 IEEE、Piscataway、 NJ、USA, Conference Paper
【非特許文献３】M.Bruel、「Application of hydrogen ion beams to Silicon On Insulator material technology」、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research、Section B Beam Interactions with Materials and Atoms、1996年2月、B 108(3)、313〜19
【非特許文献４】B.Asparら、「Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications」、S.S.Iyer および A.J.Auberton-Herve編、2002年、INSPEC、London、Chapter3、35〜52頁
【非特許文献５】J.A.Giacomettiら、「Corona Charging of Polymers」、IEEE Transactions on Electrical Insulation、vol.27、n°5、1992年10月
【非特許文献６】K.M.Lakinら、「Development of miniature filters for wireless applications」、IEEE Trans. Microwave Theory Tech.、vol.43、n°12、2933〜2939頁、1995年
【非特許文献７】K.Ikezakiら、「Thermally Stimulated Currents from Ion-Injected Teflon-FEP Film Electrets」、Jpn.J.Appl.Phys.20(1981)、1741〜1747頁
【非特許文献８】L.DiCioccioら、「Silicon carbide on insulator formation by Smart CutTM process」、Master、Sci. Eng. vol. B46、349〜356頁 (1997)
【非特許文献９】E. Jalaguierら、「Transfer on thin GaAs film on silicon substrate by proton implantation process」、Electronic letters、vol.34、n°4、408〜409 頁(1998)
【非特許文献１０】E. Jalaguierら、「Transfer of thin InP film onto silicon substrate by proton implantation process」、 IEEE Proc.llth International Conference on Indium Phosphide and Related Materials、Davos (Switzerland) (1999)
【非特許文献１１】A. Tauzinら、「Transfers of 2- inch GaN films onto sapphire substrates using Smart CutTM technology」、 Electronics Letters 2005、vol. 41、N°11
【非特許文献１２】C. Deguetら「200 mm Germanium--On-Insulator (GeOI) structures realized from epitaxial Germanium wafers by the Smart CutTM technology」、Electro Chemical Society 2005
【非特許文献１３】W.E. Newell、「Face-mounted piezoelectric resonators」、Proc. of IEEE、575〜581頁、1965年
【非特許文献１４】K.M. Lakin、「Fundamental properties of thin film resonators」、IEEE Freq. Contr. Symp.、201〜206頁、1991年
【非特許文献１５】M.A. Dubois、「Aluminium nitride and lead zirconate-titanate thin films for ultrasonics applications:integration, properties and devices」、Thesis of EPFL、1999年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の対象は、電気機械デバイス、具体的には、上述の欠点に対する解決法を提供する音響共振器である。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、
-  2つの反対面を有し、少なくとも1つのエレクトレット層を含む誘電性積層と、
-  積層の反対面により、それぞれ支持される2つの電極とを含む電気機械デバイスであって、
エレクトレットは、無機エレクトレットであることを特徴とする、電気機械デバイスに関する。
【００２６】
したがって、本発明は、無機エレクトレット(非結晶または結晶とすることができる)に限定される。すなわち、ポリマーエレクトレットは、これから除外される。
これまで、共振器を作成するのに、非ポリマーエレクトレットは使用されなかった。
例えば、SiO2、SiN、Al2O3、およびSrTiO3などの無機エレクトレットは、ポリマーエレクトレットよりも大幅に剛性が高いという利点を有する。
【００２７】
文献米国特許出願第2007/063793号は、ポリマー材料から作られるエレクトレットを含む音響共振器を説明する。しかし、そうした材料は、数ギガヘルツ程度の周波数で動作することを目的とする共振器の作成に適していない可能性があり、すなわち、それらは、粘性がある。逆に、無機材料ベースのエレクトレットは、そうした周波数に極めて適している。
【００２８】
本発明の対象であるデバイスの一部分を作成する誘電性積層は、次にエレクトレット層となる単一の層、またはその少なくとも1つがエレクトレット層であるいくつかの誘電層を含むことができることを明言する。
【００２９】
誘電材料は、電歪材料であるが、誘電材料は、必ずしも圧電性でないことを述べたい。
【００３０】
本発明では、エレクトレット層は、電気機械結合を形成する、恒久的な電荷を含むことができる。
【００３１】
誘電層が、エレクトレット層に加えて、1つまたは複数の非圧電層を含むとき、エレクトレット層内の電荷の使用により、音響共振器または電気機械式アクチュエータ、および電気機械式センサも等しく作成するのに使用することができる電気機械結合を形成することができることを明言する。
【００３２】
前記エレクトレットの外部の誘電性積層は、圧電性または非圧電性とすることができる。一方、エレクトレットは、圧電性または非圧電性とすることができる。
【００３３】
エレクトレット層の厚さは、数ナノメートルから数十マイクロメートルまで選択することができるが、約1μm未満または約1μmに等しくなることが好ましい。
【００３４】
本発明の対象を作成する電気機械デバイスは、その一方の面上に積層および電極が配置される基板を含むこともできる。
【００３５】
エレクトレット層の厚さに無関係に、電気機械デバイスは、基板を含むことができることを明言する。
【００３６】
本発明の特定の実施形態によれば、基板は、少なくとも基板の面内に現れるキャビティまたは孔を有し、2つの電極の一方は、基板上に載置され、前記電極は、キャビティの少なくとも一部分上にある。
【００３７】
特に、接着性を改善し、または電極を絶縁するために、当然、基板と電極との間に中間層が存在する可能性がある。
【００３８】
孔(止り孔であってもなくても)を有する基板の使用により、電極を有する積層は、層の平面に直角に動くことができることを明言する。
【００３９】
本実施形態は、電気機械式アクチュエータタイプもしくは電気機械式センサタイプ、またはさらに、例えばFBER(膜バルク音響共振器)などの音響共振器タイプの構造の作成に特に有利である。
【００４０】
本発明によるデバイスの基板が孔を有しないとき、対応するデバイスは、音響共振器、特にHBARタイプの共振器(高倍音バルク音響共振器)の作成に特に有利である。
【００４１】
本発明の別の特定の実施形態によれば、電気機械デバイスは、2つの反対面を有する音響ブラッグ格子をさらに含み、反対面の一方は、基板の面上に載置され、反対面の他方は、2つの電極の一方を支持する。
【００４２】
積層および電極の下でのブラッグ格子に付随する基板の使用により、特に音響共振器の作成が可能になることを明言する。
【００４３】
本発明では、無機エレクトレット層は、結晶または逆に非結晶となる可能性がある。
【００４４】
本発明は、さらに、
-  2つの反対面を有する誘電性積層を作成するステップであって、前記積層は、誘電材料から作られる少なくとも1つの層を含む、ステップと、
-  エレクトレット層を作成するために、誘電材料から作られる前記層を恒久的に帯電させるステップと、
-  第1および第2の電極をそれぞれ、これら2つの反対面上に作成するステップと
を含む、電気機械デバイスの作成方法であって、
誘電材料は、無機誘電材料であることを特徴とする、方法に関する。
【００４５】
本方法では、エレクトレット層の厚さは、数ナノメートルから数十マイクロメートルまで選択することができるが、約1μm未満または約1μmに等しくなることが好ましい。
【００４６】
誘電性積層および電極は、直接または間接的に基板上に(例えば、エッチング停止層として働くことができる中間層上に)作成することができる。
【００４７】
犠牲層を有する基板、および犠牲層上に載置される第1の電極から始まる、本方法の第1の特定の実施形態によれば、
-  少なくとも誘電材料から作られる層を含む誘電性積層が、第1の電極上に作成され、
-  誘電材料から作られる層の恒久的な帯電が達成され、
-  第2の電極が、前記積層上に作成され、
-  犠牲層が、第1の電極の下に孔またはキャビティを作成するために、少なくとも部分的に除去される。
【００４８】
第2の特定の実施形態によれば、
-  基板の一方の面に、エッチング停止層が作成される可能性があり、次いで、基板のこの面上に、停止層が存在するときはその上に載置される第1の電極が作成され、
-  少なくとも誘電材料から作られる層を含む誘電性積層が、第1の電極上に作成され、
-  誘電材料から作られる層の恒久的な帯電が達成され、
-  第2の電極が、前記積層上に作成され、
-  基板が、第1の電極の下に孔またはキャビティを作成するために、存在するときは、第1の面の反対の面から停止層までエッチングされる。
【００４９】
第3の特定の実施形態によれば、
-  基板の一方の面において基板上に、音響ブラッグ格子が作成され、
-  次いで、第1の電極、および少なくとも誘電材料から作られる層を含む誘電性積層が、この格子上に作成され、
-  誘電材料から作られる層の恒久的な帯電が達成され、
-  第2の電極が、前記積層上に作成される。
【００５０】
本方法では、恒久的な帯電は、イオン注入、および/または電子注入、および/またはコロナ放電、および/または湿式電極法のうちから選択された方法により達成することができる。
【００５１】
この湿式電極法では、第2の電極の作成前の液体との接触により、帯電が達成される。
【００５２】
本発明の説明の終わりに、本方法に戻るものとする。
【００５３】
本発明の対象を作成する方法のステップの順序を変更することができることを明言する。
【００５４】
具体的には、エレクトレットは、第2の電極の作成後に帯電させることができる。
【００５５】
本発明は、添付の図を参照しながら、純粋に例示し、限定する意図はないものとして以下に示す、例示的な実施形態の説明を読むことで、より十分に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の対象を作成する方法の第1の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図２】本発明の対象を作成する方法の第1の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図３】本発明の対象を作成する方法の第1の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図４】本発明の対象を作成する方法の第2の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図５】本発明の対象を作成する方法の第2の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図６】本発明の対象を作成する方法の第2の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図７Ａ】本発明の対象を作成する方法の第2の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図７Ｂ】図7Aに示す方法の変形実施形態を概略的に示す図である。
【図８】本発明の対象を作成する方法の第3の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図９】本発明の対象を作成する方法の第3の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図１０】本発明の対象を作成する方法の第3の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図１１】本発明の対象を作成する方法の第4の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図１２】本発明の対象を作成する方法の第4の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図１３】本発明の対象を作成する方法の第4の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図１４】本発明の対象を作成する方法の第5の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図１５】本発明の対象を作成する方法の第5の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図１６】本発明の対象を作成する方法の第5の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図１７】本発明の対象を作成する方法の第5の特定の実施形態を概略的に示す図である。
【図１８】本発明に使用することができる湿式電極法の原理を概略的に示す図である。
【図１９】本発明に使用することができる湿式電極法の原理を概略的に示す図である。
【図２０】本発明に使用することができる湿式電極法の原理を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
「Smart Cut(商標)」技法に関して、例えば、論文M.Bruel、「Application of hydrogen ion beams to Silicon On Insulator material technology」、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research、Section B Beam Interactions with Materials and Atoms、1996年2月、B 108(3)、313〜19または仏国特許発明第2681472号明細書が参照されよう。
【００５８】
本方法は、例えば、論文B.Asparら、「Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications」、S.S.Iyer および A.J.Auberton-Herve編、2002年、INSPEC、London、Chapter3、35〜52頁にも説明されている。
【００５９】
以下では、コロナ放電の使用法も述べられている。
【００６０】
コロナ放電に関して、例えば、論文J.A.Giacomettiら、「Corona Charging of Polymers」、IEEE Transactions on Electrical Insulation、vol.27、n°5、1992年10月が参照されよう。
【００６１】
本発明の一態様によれば、サファイアまたはSTO(SrTiO3)などの、音響損失が極めて低い非圧電性誘電材料が使用され、この材料をエレクトレットに変換するために、この材料の恒久的な帯電が達成される。
【００６２】
理解されるように、この帯電は、イオン注入、電子注入、またはコロナ放電の名前で知られている技法により達成することができる。
【００６３】
この方法で恒久的に帯電された材料が、2つの電極間に配置されるとき、電極に電界をかければ、電気音響共振が現れる。
【００６４】
いいかえれば、材料に圧電気が誘導される。
【００６５】
音響損失が極めて低い共振器を得るための、本発明の対象を作成する方法の様々な例を以下に説明する。
【００６６】
第１の例は、サファイアのバルク共振器の作成に関する。
【００６７】
この例では、少なくとも100μm厚、例えば500μm厚のサファイアの厚層2が使用される(図1)。
【００６８】
次いで、層2をエレクトレット層2Eに変換するために、層2の恒久的な帯電が、イオン注入、電子注入、またはコロナ放電により達成される。
【００６９】
図2は、例で、コロナ放電を使用する、このステップを示す。
【００７０】
この技法を実施するとき、層2は、接地された電極上に載置される。
【００７１】
尖頭状の電極6が、層2上に配置される。
【００７２】
グリッド8が、電極6と層2との間に配置される。
【００７３】
適当な電圧源10を用いて、電極6に10kVなどの高い正電位を印加することにより、放電が達成される。
【００７４】
図2でわかるように、放電電流は、電流計12により測定され、適当な電圧源14を用いてグリッド8の電位を調整することにより、制御される。
【００７５】
次いで、層2Eの一方の面18上に、電極16が作成され、層2Eの反対面22上に別の電極20が作成される。これらの電極を作成するために、アルミニウムなどの金属をこれらの面18および22上に堆積することができる(図3)。
【００７６】
図3では、参照番号23は、(非ゼロ厚を有する)帯電域を示す。
【００７７】
第2の例は、非圧電性誘電材料を使用した、単結晶薄層共振器の作成に関する。
【００７８】
この共振器は、動作中、その電極間に直流電圧を印加する必要がない。
【００７９】
この例では、薄単結晶サファイア層24が使用される(図4)。この層は、例えば1μm厚である。
【００８０】
それに加えて、その一方の面32に電極28および犠牲層30を有する、例えばシリコンから作られる基板26が作成される。
【００８１】
電極28は、犠牲層30上で、この面上に載置される。
【００８２】
例えば、電極28は、層30上で、アルミニウムなどの金属の蒸着により得られる。
【００８３】
次いで、薄層24が電極28に移植される。そうするために、本発明の説明の終わりに戻るものとする、「Smart Cut」(商標)技法を使用することができる。
【００８４】
変形形態として、単結晶サファイアの厚層が使用され、単結晶サファイアは、例えば分子結合により電極28に結合され、次いで、薄層の所望の厚さが得られるまで、例えば研削により、厚層が薄くされる。
【００８５】
次いで、イオンもしくは電子注入、またはコロナ放電により、層24の恒久的な帯電が達成される(図5)。
【００８６】
層24内に送られる電荷は、図5の参照番号34を有する。
【００８７】
次いで、別の電極36が、層24の帯電から生じるエレクトレット層24E上に作成される(図6)。
【００８８】
これを達成するために、例えばアルミニウム層が、この層24E上に堆積され、次いで、アルミニウム層は、フォトリソグラフィおよびエッチングにより構造化される。
【００８９】
この後、例えば化学エッチングにより、犠牲層30が除去され(図7A)、それは、共振器の下のキャビティ37の作成につながる。
【００９０】
作成された共振器は、このように「分離（release）」され、その際、共振器は、空気に取り囲まれる。
【００９１】
共振器により構成される膜の分離は、シリコン基板26の裏面を貫通する、シリコン基板26のエッチングにより達成することもできる。その際、これは、この基板のディープエッチングである。
【００９２】
次いで、下部電極28と基板26との間に、中間層を加えることができる。この層は、エッチング停止層として使用することができる。
【００９３】
これは、図7Bに概略的に示され、基板26と電極28との間に作成されたエッチング停止層37a、エッチング停止層37aの下に基板を通して作成された貫通孔37bを見出すことができる。
【００９４】
エッチング停止層は、必須でなく、その使用は、エッチング方法および使用する材料に依存することを明言する。
【００９５】
第３の例では、HBARタイプの構造を有する共振器が作成される。上述のように、サファイアの薄層を使用することができる。基板がそれ自体サファイアから作られるとき、「全サファイア」構造が得られる。
【００９６】
基板38は、その面42上に載置される、アルミニウムなどから作られた電極40を有する(図8)。
【００９７】
上述のように、サファイア薄層44が、電極40上に作成され、この後(図9)、層44の恒久的な帯電が達成され(矢印46はこの電荷を表す)、層44をエレクトレット層44Eに変換し、別の電極48が層44E上に作成される(図10)。
【００９８】
例えば、それぞれ、層44が1μm厚で、電極40および48が100nm厚であるとき、50μm厚である基板38を使用することができる。
【００９９】
第4の例では、STO(SrTiO3)薄層を含む共振器が、音響ブラッグ格子(acoustic Bragg grating)上に作成される。
【０１００】
この場合に、この格子は、SrTiO3層および2つの電極により構成される共振器の音響エネルギーを閉じ込めるのに使用される。
【０１０１】
そうした格子に関して、例えば、論文K.M.Lakinら、「Development of miniature filters for wireless applications」、IEEE Trans. Microwave Theory Tech.、vol.43、n°12、2933〜2939頁、1995年が参照されよう。
【０１０２】
W/SiO2/W/SiO2などから作られる音響ブラッグ格子50(図11)が、シリコンなどから作られる基板52上に作成される。この後、プラチナなどから作られる電極53が、音響ブラッグ格子50上に作成される。
【０１０３】
本発明の説明の終わりに、そうした格子に戻るものとする。
【０１０４】
この後、STO薄層54が、電極53上に作成される。上述のように、層54を移植するか、または薄くすることができる。
【０１０５】
次いで、図12に示すように、層54の恒久的な帯電が達成され、層54をエレクトレット層に変換するが、ここで矢印56は、この電荷を表す。
【０１０６】
この後、堆積により、プラチナなどから作られる電極58が、エレクトレット層54E上に作成され、それに続いて、構造化される(図13)。
【０１０７】
本発明の対象を作成する方法は、サファイアまたはSTOよりも音響品質が低い非圧電性誘電材料、例えば、すべての可能な技法(具体的には、スパッタリング、蒸着、CVD、MOCVD、ALD、MBE)により堆積される、具体的には以下の材料：SiO2、SiXNY、Al2O3、HfO2、Y2O3、ZrO2、TiO2、積層SrTiO3、(Ba,Sr)TiO3などの材料で実装することもできる。
【０１０８】
そうした方法は、特に、シリコン上の集積技法に有利である。
【０１０９】
実際に、これは、CMOS構造に十分に適合することができ、CMOS分野でよく知られている材料のみに使用する方法である。
【０１１０】
これは、図14〜17を参照すれば、例により示される。
【０１１１】
この例は、CVDにより堆積される非結晶SiO2を使用する。
【０１１２】
この例で使用する方法は、特に、マイクロ電子集積の場合に有利である。
【０１１３】
実際に、理解されるように、この方法は、CMOS技術に十分に適合する材料：Si、SiO2、およびAlまたはCuのみを必要とする。
【０１１４】
この例のステップは、図4〜7を参照することにより上述した第2の例のステップに対応し(図4〜7はそれぞれ、図14〜17に対応する)、サファイア薄層が、SiO2薄層に置き換わることが異なる。
【０１１５】
この層は、イオンもしくは電子注入、またはコロナ放電により帯電される。
【０１１６】
次いで、上部電極が堆積され、構造化される。
【０１１７】
より具体的には、シリコンなどから作成される基板60、犠牲層62、基板60上の犠牲層62上のアルミニウムまたは銅などから作られる電極64を含む構造体が作成され、SiO2薄層66が電極64上に作成される(図14)。
【０１１８】
次いで、層66が、恒久的に帯電され、エレクトレット層を作成する(図15)。
【０１１９】
電荷は、矢印68により表される。
【０１２０】
この後、エレクトレット層66E上にアルミニウムまたは銅などから作られる電極70が作成され(図16)、次いで、犠牲層62が除去され(キャビティ72の作成をもたらす)、したがって、空気に取り囲まれる共振器を分離する(図17)。
【０１２１】
以上では、このように、様々な第2の例を説明した。しかし、第3および第4の例に関する同様の変形形態を実装することもできる。
【０１２２】
さらに、第1の例では、サファイア厚層は、非結晶SiO2厚層などの非結晶非圧電性誘電材料の厚層に置き換えることもできる。
【０１２３】
ここで以下では、コロナ放電に戻る。
【０１２４】
コロナ放電は、一般に、コピー機で、オゾンの生成のために、またはいくつかの材料の湿潤性を改善するために使用される。
【０１２５】
本発明の場合には、その目的は、電荷を長期間(通常、数年)保持することができる誘電材料に電荷を注入することであり、これは、エレクトレットである。これは、表面電位の発生、および材料内の電界の作成をもたらす。エレクトレットは、永久磁石が磁気双極子であるのと同様に電気双極子である。
【０１２６】
恒久的電界の値を確認するのに、サンプルの表面電位を確認することが一般により容易である。実際、三極管コロナシステム(尖頭部6/グリッド8/電極4、図2を参照)を使用して、サンプル2の表面電位(Vs)は、グリッド上に印加される電位の値(Vg)を取り、したがって、以下の式で表される。
【０１２７】
【数１】
2013516099.tif 000003
【０１２８】
ここで、ｄはサンプルの厚さであり、Eは電界である。
【０１２９】
サンプルの材料内に存在する電荷の量は、この材料の厚さ(d)、その比誘電率(ε)、および材料の表面で、材料内の深いところで、または多層システムの場合はその界面で、電荷を選択的に保持する材料の能力に依存する。
【０１３０】
したがって、材料が、その表面(S)でその電荷量(Q)を保持するとき、表面電荷密度(σ)は、以下の式に等しいと推定される。
【０１３１】
【数２】
2013516099.tif 000004
(εo: 真空の誘電率)
【０１３２】
ディープストレージの場合には、材料内の体積電荷密度(ρ)を決定することは、より困難である。
【０１３３】
通常の程度の大きさは、2mC/m2の電荷量であり、それは500nmのSiO2では200Vの表面電位に相当する。
【０１３４】
帯電は、標準温度および標準圧力条件(105Paで20℃)の下で達成することができるが、他の条件、特に、より高い温度またはより低い圧力およびその逆の条件の下で達成されない必要条件ではない。サンプルが帯電されるとき、サンプルを加熱しない必要もなく、この効果は、通常、材料内の電荷の浸透深さおよび安定性を増大させることである。
【０１３５】
帯電は、通常、環境大気(O220％、N280％)において達成される。しかし、これらの比が変化しない、または気体が変化しない必要条件はない。
【０１３６】
尖頭部電圧(Vp)は、数キロボルト程度の大きさである。グリッド電圧(Vg)は、0Vから500Vの間で変化する可能性がある。これら2つの値は、正(コロナ+)または負(コロナ-)である可能性がある。これらの電圧は、例えば、DC/HVコンバータを使用して得ることができる。
【０１３７】
尖頭部とグリッドとの間の空間、およびグリッドとサンプルとの間の空間は、通常1cm程度である。一方、グリッドの孔は、約1mmのサイズである。
【０１３８】
帯電させるのに、コロナ放電の代わりに、別の技法、すなわち湿式電極法(液体電極法とも呼ばれる)を使用することができる。
【０１３９】
この方法に関して、論文K.Ikezakiら、「Thermally Stimulated Currents from Ion-Injected Teflon-FEP Film Electrets」、Jpn.J.Appl.Phys.20(1981)、1741〜1747頁を参照することができる。
【０１４０】
この方法の原理は、図18、19、および20に概略的に示す。
【０１４１】
これらの図において、参照番号72はプラチナから作られる上部電極、参照番号74は綿パッド、参照番号76は電解質の水溶液、参照番号78はサンプルを構成する層、および参照番号80はサンプルを支持し、接地される下部電極を表す。
【０１４２】
上部電極は、(図示されない適当な手段により)負に帯電され、パッド74に取り囲まれる。さらに、上部電極は、サンプル上に配置される。
【０１４３】
第1のステップ(図18)において、上部電極は、溶液に近づけられる。その際、溶液およびサンプルは、影響を受けて正に帯電される。
【０１４４】
第2のステップ(図19)では、溶液は、パッドにより吸収され、正電荷がサンプル上に残る。次いで、溶液が浸透したパッドが取り付けられた上部電極が除去される。
【０１４５】
上部電極が除去されたとき、電極80上のサンプルは正に帯電される(図20)。
【０１４６】
ここで、Smart Cut(商標)法に戻る。
【０１４７】
単結晶材料の薄層を作成するために、有利なことに、単結晶の特性を保存させながら、薄層を移植するための2つのタイプの現存の技法：気体イオン(通常、水素イオン)の注入に基づくSmart Cut(商標)技術、および結合/薄層化の技法を使用することができる。
【０１４８】
これらの技法は、単結晶層を主基板に移植することができる独特の技法である。これらの技法は、シリコン上で完全に制御され、特にSOI(シリコンオンインシュレータ)ウエハの工業的生産を可能にする。
【０１４９】
これら2つの技法は、移植する必要がある材料の厚さの範囲により区別され、Smart Cut(商標)法は、通常、約0.5μm未満の極めて小さい厚さを達成することを可能にする。
【０１５０】
Smart Cut(商標)法(論文M.Bruel、「Silicon On Insulator material technology」、Electronic letters、31(14)、1201〜1202頁、1995年)は、絶縁体上のシリコンを含めて、SOI基板を作成することを可能にする。
【０１５１】
Smart Cut(商標)技法は、以下の4つの必須のステップにより概略的にまとめることができる。
【０１５２】
ステップ1：酸化Siの基板A上に、水素の注入が達成される。次いで、酸化層は、SOI構造の、後に埋め込まれる絶縁体膜を構成する。注入のこのステップは、その間中、脆化する、マイクロキャビティから成る領域の作成を可能にし、この領域の成長は、分離現象の基礎である。
【０１５３】
ステップ2：分子付着による結合により、注入されたプレートAは、支持プレート(背板または基底部)Bに取り付けることができるが、プレートAは必ずしも酸化されない。高品質の結合を達成するために、表面処理が必要である。
【０１５４】
ステップ3：400℃〜600℃の範囲の加熱処理を用いて、脆化領域で、破壊ステップが行われる。破壊ステップは、最初にSOI構造、および移植層から剥離した初期注入基板Aも作成する。次いで、別の移植を達成するために、基板をリサイクルすることができる。
【０１５５】
ステップ4：最終処理は、第1に、移植薄膜と支持基板との間の結合界面を固めるための高温焼きなましと、第2に、表面シリコン膜の所望の最終厚さを得ること、および良好な表面状態も可能にする研磨とから構成される。
【０１５６】
移植層の厚さは、イオンビームの注入エネルギーに直接関係し、したがって、厚さの組合せ(薄膜および埋め込まれる酸化物)に関して、良好な柔軟性を達成することができる。例えば、移植シリコン厚は、従来の注入機(210ｋeV未満のエネルギー)を使用することにより数十ナノメートルから約2μmまでの範囲とすることができる。
【０１５７】
移植層は、機械的な薄層化ではなく、注入深さにより規定されるので、その間中、均一で均質である。
【０１５８】
第1に、基板のリサイクルにより(初期移植プレートは、薄膜を移植した後に再使用することができる)、第2に、標準的なマイクロ電子施設を使用することにより、製造コストが低減される。
【０１５９】
それは、例えば、ヘテロ構造の作成を可能にする柔軟な方法である。したがって、Smart Cut(商標)技術は、例えば、バルクSiから作られる支持基板と、結合する活性薄層との(特に、コスト、重量および機械的特性の)利点を実現する。したがって、
-  SiC、(L.DiCioccioら、「Silicon carbide on insulator formation by Smart CutTM process」、Master、Sci. Eng. vol. B46、349〜356頁、1997年、を参照)、
-  GaAs、(E. Jalaguierら、「Transfer on thin GaAs film on silicon substrate by proton implantation process」、Electronic letters、vol.34、n°4、408〜409頁、1998年、を参照)、
-  InP、(E. Jalaguierら、「Transfer of thin InP film onto silicon substrate by proton implantation process」、 IEEE Proc.llth International Conference on Indium Phosphide and Related Materials、Davos (Switzerland)、1999年、を参照)、
-  GaN、(A. Tauzinら、「Transfers of 2- inch GaN films onto sapphire substrates using Smart CutTM technology」、 Electronics Letters 2005、vol. 41、N°11を参照)、
-  またはGa、(C. Deguetら「200 mm Germanium--On-Insulator (GeOI) structures realized from epitaxial Germanium wafers by the Smart CutTM technology」、Electro Chemical Society 2005を参照)
などの異なる材料の層を移植することができる。
【０１６０】
これらの移植は、特に、水晶、Si、Ge、GaAs、およびサファイアなどの様々な基板上で達成することができる。
【０１６１】
ここで、ブラッグミラーに戻る。
【０１６２】
基板からBAW (バルク音響波)タイプ音響共振器を分離する1つの解決法は、光学で極めて広く使用される原理、ブラッグミラー(Bragg mirror)に基づく。
【０１６３】
その音響転位(acoustic transposition)は、低音響インピーダンス材料の1/4波長層が高音響インピーダンス材料の1/4波長層と交互に生じる共振器の下で積層することにある。この構成では、共振器は、SMR(ソリッドマウント共振器)とも呼ばれる。
【０１６４】
以下に引用する他の文献と同様に、水晶共振器に関して1965年に提案された、本発明の説明の最後に述べる、このアイディア(W.E.Newellの論文を参照)は、K.M.Lakinらにより作成されたBAW SMR共振器(1995)に再び使用された。
【０１６５】
ブラッグミラーの場合には、反射率は、材料および使用する層の数に依存しており、周波数帯域全体にわたって一定ではない。したがって、主要なパラメータ、およびブラッグミラーの応答特性について説明することにする。
【０１６６】
伝送線タイプのモデルを使用して、長手方向波に対するブラッグミラーの反射率を計算することができる（K.M.Lakinの論文(1991)を参照）。このモデルは、以下の式により、層の音響インピーダンスZnをより低い層Zn-1の音響インピーダンスの関数として表すことを可能にする。
【０１６７】
【数３】
2013516099.tif 000005
【０１６８】
ここで、
【０１６９】
【数４】
2013516099.tif 000006
【０１７０】
は、振動であり、Zmat、emat、およびVmatは、それぞれ、層の長手方向波の音響インピーダンス、厚さ、および速度である。
【０１７１】
この式を使用して、下部電極とブラッグミラーとの間の界面におけるブラッグミラーのインピーダンスZBraggを決定することができる。長手方向波の反射率Rは、以下のように記載される。
【０１７２】
【数５】
2013516099.tif 000007
【０１７３】
ここで、Zelecは、下部電極の音響インピーダンスを表す。
【０１７４】
ブラッグミラーの反射率は、層の数の関数である。材料の対SiO2/Wは、4つ以上の層を使用すれば、防音機能を満たすことができるので、材料の対SiO2/Wが、通常、使用される。
【０１７５】
必要な層の数は、より低い音響インピーダンス比の材料が使用されるとき、増加する。したがって、使用される第1のものの1つである、SiO2/AlN対の場合には、十分な反射を達成するのに、2つの層が必要である(M.A.Duboisの論文を参照)。
【０１７６】
音響インピーダンス比は、ブラッグミラーの反射帯域幅も規定する。音響インピーダンス比が高くなるほど、ブラッグミラーが良好な反射を行う周波数範囲は広くなる。したがって、6つの層を有するミラーのこの反射範囲は、SiO2/AlN対では1.5GHz、SiO2/W対では2.8GHzに達する。
【０１７７】
したがって、SiO2/W対は、数層を使用し、極めて広い範囲の反射を行うという利点を有する。逆に、BAWフィルタのその集積には、寄生容量結合を防止するために、活性領域の外部でタングステンをエッチングすることが必要である。
【０１７８】
上述した論文は、以下の通りである。
W.E. Newell、「Face-mounted piezoelectric resonators」、Proc. of IEEE、575〜581頁、 1965年
K.M. Lakinら、「Development of miniature filters for wireless applications」、IEEE Trans. Microwave Theory. Tech.、vol. 43、n°12、2933〜2939頁、1995年
K.M. Lakin、「Fundamental properties of thin film resonators」、IEEE Freq. Contr. Symp.、201〜206頁、1991年
M.A. Dubois、「Aluminium nitride and lead zirconate-titanate thin films for ultrasonics applications:integration, properties and devices」、Thesis of EPFL、1999年
【符号の説明】
【０１７９】
2E  エレクトレット層
16  電極
18  エレクトレット層の一方の面
20  電極
22  エレクトレット層の反対面
23  帯電域
【図１】
2013516099.tif 000008
【図２】
2013516099.tif 000009
【図３】
2013516099.tif 000010
【図４】
2013516099.tif 000011
【図５】
2013516099.tif 000012
【図６】
2013516099.tif 000013
【図７Ａ】
2013516099.tif 000014
【図７Ｂ】
2013516099.tif 000015
【図８】
2013516099.tif 000016
【図９】
2013516099.tif 000017
【図１０】
2013516099.tif 000018
【図１１】
2013516099.tif 000019
【図１２】
2013516099.tif 000020
【図１３】
2013516099.tif 000021
【図１４】
2013516099.tif 000022
【図１５】
2013516099.tif 000023
【図１６】
2013516099.tif 000024
【図１７】
2013516099.tif 000025
【図１８】
2013516099.tif 000026
【図１９】
2013516099.tif 000027
【図２０】
2013516099.tif 000028
【国際調査報告】
2013516099.tif 000029
2013516099.tif 000030
2013516099.tif 000031
2013516099.tif 000032