專利名稱：用于注入壓電材料的方法
用于注入壓電材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域和
背景技術(shù)：
射頻通信增長的幾十年以來，已經(jīng)導(dǎo)致授權(quán)頻段的擁擠。為了利用可用的頻率范圍，系統(tǒng)必需包含具有窄過渡帶的帶濾波。只有利用材料的壓電性質(zhì)的SAW (表面聲波，surface acoustic wave)或 BAW (體聲波，bulk acoustic wave)技術(shù)諧振器,使得低損耗和緊湊的結(jié)構(gòu)能夠符合這些規(guī)范。目前，用于這些濾波器的壓電層是通過沉積制成的(BAW濾波器)或來自于體(大塊，bulk)基板(SAW濾波器)。在圖I中示意性地示出了 BAW :它包含設(shè)置在兩個電極4、6之間的厚度為Ιμπι數(shù)量級的精密壓電層2。組合件設(shè)置在基板12上，而且可以通過裝置10隔音?？梢酝ㄟ^在空腔上方懸置壓電膜(FBAR技術(shù))或通過經(jīng)由布拉格網(wǎng)格從基板上分離它(SMR技術(shù))而獲得隔音。用于這種類型器件的壓電材料層通常是通過PVD類的沉積技術(shù)制造的。用這種方法制造的層的厚度在幾百nm至I μ m之間。除沉積技術(shù)之外，在注入之后的轉(zhuǎn)移技術(shù)已經(jīng)形成各種研究的對象。題為“fabrication of single-crystal lithium niobate films by crystal ionslicing”，M. Levy 等，Applied Physics Letters, vol73, nbl6 (1998) 2293 的文獻描述了高能注入(3. 8MeV)劑量為5xl016He+離子/cm2，能夠使9 μ m數(shù)量級的LiNbO3厚層轉(zhuǎn)移的實例。然而，由于使用的注入能量為幾MeV，所以將該技術(shù)工業(yè)化是困難的，而且還沒有顯示出薄膜(小于一微米)的轉(zhuǎn)移。題為“Integration of single-crystal LiNb03thin film on silicon by laserirradiation and ion implantation-induced layer transfer，，，Y. B. Park 等，AdvancedMaterials, voll8 (2006) 1533的另一個研究，描述了在注入方面的其他情況(條件，condition)。這篇文獻指出通過在80keV下的H+離子以5xl016離子/cm2的劑量和在115keV下的氦以IO17離子/cm2的劑量共注入,轉(zhuǎn)移800nm的LiNb03。在該文獻中，利用cw_C02激光(功率密度為lOOMW.m—2)用作熱源實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。文獻US2010/0088868A1 和 Q. Wan 等的題為 “ Investigation ofH+and B+/H+implantation in LiTaO3Single crystals，，，Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research”, B184 (2001) p. 53 的文章也描述了通過轉(zhuǎn)移，形成由 LiTaO3 和 LiNbO3制成的層。但是已知技術(shù)中沒有一個使得包含壓電層和埋藏金屬層(掩埋金屬層，buriedmetal layer)的元件疊層轉(zhuǎn)移。 然而考慮到制造其它由壓電材料制成的部件，例如，如上面給出的那些濾波器，以及可能的其他類型的部件，這種元件疊層的形成將是必要的。

發(fā)明內(nèi)容
首先，本發(fā)明提出了一種由壓電材料制成的結(jié)構(gòu)的制造方法，包括a)在由壓電材料(例如LiNbO3或LiTaO3)制成的基板上制造包含至少一個金屬層和/或至少一個導(dǎo)電的表面層的疊層，其中，在導(dǎo)電層和疊層外部的金屬元件之間建立至少一個電接觸，b)注入一種或多種氣態(tài)物質(zhì)，至少通過所述導(dǎo)電層和金屬層，以在壓電基板中形成脆化區(qū)(embrittlement area),c)用這種方式獲得具有轉(zhuǎn)移基板的疊層的組合件，隨后使該壓電基板的脆化區(qū)破裂，以形成包含至少一個由壓電材料制成的層、金屬層和轉(zhuǎn)移基板的組合件。從而本發(fā)明提出了一種能夠制造具有埋藏電極(其可由金屬層構(gòu)成)和壓電表面層(例如由壓電材料(例如LiNbO3或LiTaO3類)的體基板獲得)的基板的方法。有利地，導(dǎo)電的層也是導(dǎo)熱的。 注入(優(yōu)選低于500keV的能級)通過埋藏于至少一個表面導(dǎo)電層之下的金屬層實現(xiàn)。在注入束的通路上沒有表面導(dǎo)電層的情況下，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)不能獲得破裂，甚至是所獲得的板也在注入期間破損。在金屬之中，特別可以用作表面?zhèn)鲗?dǎo)層的是過渡金屬(包括Mo、或Ni、或Pt、或Cr、或Ru、或Ti、或W、或Co、Ta、Cu)或貧金屬(包含Al、或Sn、或Ga，等)以及它們的合金。還包括AlSi或還有AlCu。優(yōu)選地，所用的金屬分別具有大于10W/m. k和106S/m的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率(對于 Ti :21W/m. k 和 2. 4xl06S/m)。對于可以用于埋藏電極的金屬除先前的參數(shù)之外，可以將聲學(xué)相容性(聲阻抗大于I. 105g/cm2. S ;就Al而言是13. 8xl05g/cm2. s)加入之前提到的列舉中(尤其是如果涉及的應(yīng)用是RF濾波器的應(yīng)用)。優(yōu)選地,它具有小于10Ω或進一步小于I Ω的平方電阻率(squared electricalresistivity)。每一個金屬層和導(dǎo)電層的厚度可以在IOnm至200nm之間。根據(jù)本發(fā)明的方法，在步驟b)之前還可以包括使疊層材料致密化的步驟。在一個實施方式中，金屬層和表面導(dǎo)電層形成單獨的、獨特的層。然后，在注入步驟之后和結(jié)合步驟之前，除去該金屬層的部分厚度是可能的。在另一個實施方式中，埋藏金屬層和表面導(dǎo)電層形成隔離層。然后在注入步驟b)之后和組裝步驟c)之前除去表面導(dǎo)電層是可能的。此外，在這種情況下，該方法可以包括在所述金屬層上形成結(jié)合層或犧牲層(sacrificial layer)、或布拉格網(wǎng)格?？梢栽谟蓧弘姴牧现瞥傻幕搴?或轉(zhuǎn)移基板上形成至少一個結(jié)合層以便于組裝。作為變型，可以制備金屬層以實現(xiàn)該功能。有利地，可以在金屬層與導(dǎo)電層或疊層外部的金屬元件之間建立電接觸。該外部的金屬元件可以形成注入器件的部分；它可以是支持注入器件的基板，考慮到注入，將疊層設(shè)置在注入器件上。


-圖I示出了BAW類型的部件；-圖2A至圖2E示出了根據(jù)本發(fā)明的方法制備第一基板的步驟；-圖3示出了轉(zhuǎn)移基板的制備；-圖4A和圖4B示出了具有埋藏電極的由壓電材料制成的層轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移基板上的步驟。
具體實施方式
·
根據(jù)本發(fā)明的方法使用由壓電材料制成的基板。在本文檔中，多次提及了基于注入和破裂技術(shù)的薄膜轉(zhuǎn)移方法。例如，在專利 FR2681472 或在 B. Aspar 和 A. J. Auberton - Herve 的論文 “Silicon Wafer BondingTechnology for VLSI and MEMS applications，，，由 S. S. Iyer 和 A. J. Auberton-Herve 編輯，2002，INSPEC, London, Chapter3, pages35_52 中描述了這種方法。其余參考文獻也涉及分子結(jié)合，也被稱為直接結(jié)合。特別是Q. Y. Tong在“Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications，，，由 S. S. Iyer和 A. J. Auberton-Herve 編輯，2002, INSPEC, London, Chapter I, pagesl-20 中描述了該組裝技術(shù)。下面所討論的壓電材料，例如，選自塊磷鋁礦(AlPO4)、氧化鋅(ZnO)、石英、黃玉、正磷酸鎵(GaPO4晶體)、娃酸鑭鎵(Iangasite) (La3Ga5Si014)、鈦酸鋇(BaTiO3晶體)、或鈦酸鉛(PbTiO3)、或鋯鈦酸鉛(Pb (ZrTi) O3XPZT),或鈮酸鉀(KNbO3)、或鈮酸鋰(LiNbO3)、或鉭酸鋰(LiTaO3)、或鎢酸鈉(NaxWO3)、或 Ba2NaNb5O5、或 Pb2KNb5O15 之中。在圖4B中示出了根據(jù)本發(fā)明或通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的器件的實施例。在該結(jié)構(gòu)中，壓電材料的薄層200位于埋藏金屬電極22上。該組合件本身位于主基板30上?？赡馨ㄒ粋€或多個結(jié)合層24、32的結(jié)合區(qū)連接基板30和金屬電極層22。作為變型，將金屬電極直接組裝在基板30上。換言之，該疊層以此順序包括-基板30，-可能的一個或多個結(jié)合層，-電極22，-以及最后，由如上面指出的那些材料中的一種制成的壓電層200。其他未示出的層(例如形成布拉格鏡(Bragg mirror)或犧牲層,等等)可以包含在基板30和電極22之間?，F(xiàn)在將結(jié)合圖2A-圖2E描述根據(jù)本發(fā)明的方法的應(yīng)用。這涉及圖4B的那種類型的基板的制造，其中壓電材料層200 (例如，LiNbO3)已經(jīng)轉(zhuǎn)移至任何具有金屬埋藏電極的基底30上。選擇體壓電基板20(例如LiNbO3類、或LiTaO3類，等等)。將根據(jù)所尋找的應(yīng)用選擇材料，尤其是材料的晶體取向(排列，al ignment)。在該基板20的一個面上形成金屬層22 (圖2A)。將形成埋藏電極的層22可以是簡單的金屬層。作為變型，在層22上也形成至少一個另外的層23 (在圖2A中用虛線顯示)。例如，該另外的層可以是犧牲層或可替換的布拉格網(wǎng)格(其可以包括1/5102的交替層)，如之前所描述的，該另外的層的作用最終將是(特別是在局部除去犧牲層之后)使壓電層隔絕來自基板的聲音。例如，金屬層22的金屬可以選自下列金屬中的一種Cu、AlCu、AlSi、W、Mo、Pt、Cr,等等。上文中給出了材料和選擇標準的其他實例(導(dǎo)熱率和/或?qū)щ娐史謩e大于10W/m.k和/或IO6SA^P /或具有大于I. 105g/cm2. s的聲阻抗)。然后，在該實例中，用被稱為結(jié)合層的層24覆蓋由基板20和層22 (以及，如果適用，另外的層23)組成的疊層組合件(圖2B)。結(jié)合層可以由電絕緣和/或熱絕緣材料制成。例如，結(jié)合層是厚度為幾百nm (例如在IOnm和500nm之間，再次，例如等于約200nm)的二氧化硅層(Si02)。作為變型，結(jié)合層的作用可以直接通過用來形成電極的金屬層22提供。
可能在結(jié)合層24中制造導(dǎo)電層25，例如通過蝕刻該層24隨后沉積適當?shù)膫鲗?dǎo)材料。該區(qū)25的功能將在下面說明。然后將至少導(dǎo)電的層26設(shè)置在結(jié)合層24上(圖2C)。有利地，該層26也是導(dǎo)熱的。例如，它可以是由Mo、或Ti、或Al、或AlSi、或AlCu、或W制成的層。該層的導(dǎo)電性質(zhì)賦予它小于約10Ω的平方電阻率。有利地，將采用小于約1Ω或0.5Ω數(shù)量級的平方電阻率。從而，如果米用電阻率為5μ Ω. cm的材料,那么IOOnm的厚度將適用于該層。一般而言，優(yōu)選該層的厚度在約IOnm至200nm之間。有利地，該層的導(dǎo)熱率大于10W/m· K，優(yōu)選接近于 50W/m. K。作為變型，傳導(dǎo)表面層的作用可以直接由用來形成電極的金屬層22帶來，特別是如果后者具有之前限定的該傳導(dǎo)層的所要求的傳導(dǎo)性質(zhì)。然后不用另外的層將它覆蓋，因此也用作結(jié)合層。取決于所沉積的材料的性質(zhì)，在該傳導(dǎo)層26沉積之前或之后，可以使所制造的疊層致密化,例如,通過在300° C至600° C之間的溫度下熱處理幾個小時。使該疊層與通常由鋁制成的支持注入器件的基板29接觸(圖2D):在傳導(dǎo)層26和支持基板29的表面(或任何其他可以起到電接地參考作用的元件)之間建立至少一個接觸31?？梢越柚谥辽俨糠謱?dǎo)電支架(臂，arm)建立接觸31，該至少部分導(dǎo)電支架也起到機械地將該疊層保持在支持基板29上的作用。在這種情況下，可以用在疊層上的支架的微小機械壓力建立接觸，在注入步驟期間用這種方法也能使疊層保持垂直。可以在電極層22和支架29之間建立另一個接觸31’。作為變型，可以在層22和接觸31之間建立接觸31”(在圖2D中用虛線表示)。該接觸或這些接觸使得能夠在層22和/或?qū)?6與用作電接地參照物的疊層外部的元件之間提供導(dǎo)電性。根據(jù)又一種變型，可以借助于在之前結(jié)合圖2B描述的步驟中在結(jié)合層中制造的傳導(dǎo)區(qū)25獲得電極層22和導(dǎo)電層26之間的電接觸。然后將一種或多種氣態(tài)物質(zhì)注入，對于LiNbO3優(yōu)選至少為氦，平均深度P接近于對于待轉(zhuǎn)移的壓電材料的薄層200所希望的厚度(圖2D)。通過該方法形成脆化區(qū)27。取決于注入束的能量，注入深度可以是任何值。例如，取決于待轉(zhuǎn)移的厚度，可以使用氦或氫，或氫和氦的混合物，以1016at/cm2至1017at/cm2之間的劑量，并且具有50keV至240keV之間的能量值完成注入。在注入之后，除去傳導(dǎo)層26，例如通過化學(xué)蝕刻技術(shù)，或通過干蝕刻或通過拋光。有利地，將選取選擇性蝕刻技術(shù)，在沒有蝕刻下面的層(結(jié)合層24或金屬層22，如果應(yīng)用)的情況下蝕刻傳導(dǎo)層。
如果金屬層22起到表面?zhèn)鲗?dǎo)層26的作用，那么為了除去可能已經(jīng)被注入步驟損壞的表面部分，可以在它的部分厚度內(nèi)部分地蝕刻。此外，在其上可以沉積有價值的層(例如，形成布拉格鏡或犧牲層的層)的表面上制備第二基板30 (其可以是壓電的，例如由LiNbO3或另一種物質(zhì)，例如硅或藍寶石或石英，等等制成)，可能地，連同結(jié)合層32 —起制備，優(yōu)選介電層，例如由SiO2制成(圖3)。此處再次地，結(jié)合層的厚度可以在IOnm至500nm之間；優(yōu)選接近于200nm。隨后可使以這種方式制備的兩個基板經(jīng)受特定的處理以便結(jié)合例如使意在接觸然后組裝的表面經(jīng)受(CMP類的)機械-化學(xué)拋光。特別地，該處理能夠獲得所希望的用于結(jié)合的粗糙度，以及足夠的表面活化。然后通過直接結(jié)合將兩個基板結(jié)合(圖4A)?？紤]到結(jié)合，使結(jié)合層24、32和/或已經(jīng)受特定處理的面相互接觸。
通過熱處理，可能地通過施加機械力輔助，通過沿著脆化區(qū)27的破裂，引發(fā)壓電薄膜200的轉(zhuǎn)移(圖4B)。例如，為了引發(fā)薄膜200的轉(zhuǎn)移，在100° C至500° C之間進行熱處理，優(yōu)選約250° C。該熱處理使得在注入步驟期間能夠在待開發(fā)的區(qū)27形成微空腔(microcavity),這引起所希望的破裂。在注入步驟期間導(dǎo)電層的存在,使得能夠在沒有斷裂疊層的情況下獲得轉(zhuǎn)移。可以進行修整(finishing)層或膜200的表面的方法(如熱處理和/或拋光，以獲得與隨后在層200的表面上制造組合件相適應(yīng)的粗糙度)。通過這種方法，在主基板30上獲得具有埋藏金屬電極22的精密壓電材料層200。由層24、32限定的結(jié)合區(qū)可以連接基板30和金屬電極層22。如上所述，也可以在電極層和主基板之間存在其他層。換言之，獲得至少包含基板30的疊層，在基板30上形成由層24、32兩者組成的結(jié)合區(qū)，電極22設(shè)置在結(jié)合區(qū)上，壓電層200設(shè)置在電極22上。特別地，有可能在層200的表面200’上制造第二電極22’(在圖4B中用虛線顯示)。此外，破裂之后除去的基板20的部分30’可以再使用以形成另一個壓電材料層。
權(quán)利要求
1.ー種由壓電材料制成的結(jié)構(gòu)的制造方法，包括 a)在由壓電材料制成的基板(20)上制造包括至少ー個埋藏金屬層(22)和至少ー個表面導(dǎo)電層(26)的疊層，其中，在所述傳導(dǎo)層(26)和所述疊層外部的金屬元件(29)之間建立至少ー個電接觸(31)， b)注入ー種或多種氣態(tài)物質(zhì)，至少通過所述傳導(dǎo)層(26)和所述金屬層(22)，以在所述壓電基板中形成脆化區(qū)(27)， c)從而形成具有轉(zhuǎn)移基板(30)的所述疊層的組合件，隨后使所述壓電基板的脆化區(qū)(27)破裂，以形成包含至少ー個由壓電材料制成的層(200)、金屬層(22)和所述轉(zhuǎn)移基板(30)的疊層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述表面導(dǎo)電層(26)也是導(dǎo)熱性的。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述傳導(dǎo)層(26)是由選自過渡金屬中的ー種材料制成的，例如選自下列材料中Mo、Ni、Pt、Cr、Ru、Ti、W、Co、Ta、Cu、或貧金屬，例如選自Al、Sn、Ga、以及它們的合金中，和/或具有分別大于10W/m. k和/或106S/m的導(dǎo)熱率和/或?qū)щ娐剩?或具有大于I. 105g/cm2. s的聲阻杭。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述傳導(dǎo)層(26)的平方電阻率低于10Ω。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述傳導(dǎo)層(26)的平方電阻率低于IΩ。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中每個所述傳導(dǎo)層(26)的厚度在IOnm至200nm之間。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，在步驟b)之前包括使所述疊層的材料致密化的步驟。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述金屬層和所述表面?zhèn)鲗?dǎo)層(26)形成單獨的、獨特的層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在所述注入步驟之后和所述結(jié)合步驟之前，除去所述金屬層的部分厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至7之一所述的方法，其中所述埋藏金屬層(22)和所述表面?zhèn)鲗?dǎo)層(26)形成隔尚層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在注入步驟b)的注入之后和組裝步驟C)之前，除去所述表面?zhèn)鲗?dǎo)層。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11之一所述的方法，包括在所述金屬層(22)上形成結(jié)合層(24)或犧牲層(23)，或布拉格網(wǎng)格。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中之一所述的方法，包括在所述金屬層(22)與所述傳導(dǎo)層(26)或所述疊層外部的金屬元件(29)之間建立電接觸(31’、31”、25)。
14.根據(jù)權(quán)利要求I至13之一所述的方法，其中所述疊層外部的金屬元件(29)是支持所述注入器件的基板。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的方法，包括在組裝之前，在所述轉(zhuǎn)移基板上形成犧牲層、或布拉格網(wǎng)格、或結(jié)合層(32)的步驟。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的方法，其中所述壓電材料由LiNbO3或LiTaO3制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由壓電材料制成的結(jié)構(gòu)的制造方法，包括a)在由壓電材料制成的基板(20)上制造包括至少一個金屬層(22)和至少一個導(dǎo)電層(26)的疊層，其中，在導(dǎo)電層(26)和疊層外部的金屬元件(29)之間建立至少一個電接觸(31)，b)通過所述導(dǎo)電層(26)和所述金屬層(22)注入離子和/或原子，c)使所述基板轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移基板(30)上，隨后使轉(zhuǎn)移的壓電基板的脆化區(qū)(27)破裂。
文檔編號H01L41/22GK102986046SQ201180033513
公開日2013年3月20日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者克里斯特爾·德古特, 尼古拉斯·勃朗, 布魯諾·因貝特, 讓-塞巴斯蒂安·穆萊 申請人:法國原子能及替代能源委員會, Soi科技有限公司