本发明涉及表面声波器件的领域。其具体涉及适合于制造表面声波器件的混合结构体。
背景技术：
诸如表面声波(saw)器件等声学谐振器结构使用在压电衬底上制造的一个或多个叉指型换能器以将电信号转换成声波，反之亦然。这种saw器件或谐振器通常用于滤波应用。射频(rf)saw技术提供优异的性能，包括高水平的绝缘和低插入损耗。这就是将其用于无线通信应用中的rf双工器的原因。尽管如此，为了与基于体声波(baw)技术的rf双工器相比更具竞争力，rfsaw器件的性能需要得到改进，特别是要求频率响应具有温度稳定性。
saw器件的工作频率的温度依赖性或频率的温度系数(tcf)一方面取决于换能器的叉指型电极之间的间距的变化，这通常是由于所用压电衬底的相对较高的热膨胀系数(cte)所致；另一方面，tcf取决于热速度系数，因为压电衬底的膨胀或收缩伴随着表面声波速度的增大或减小。因此，为了使频率温度系数(tcf)最小化，目标是使压电衬底的膨胀/收缩最小化，特别是在声波传播的表面区域中。
k.hashimoto,m.kadota等人的文章“recentdevelopmentoftemperaturecompensatedsawdevices”,ieeeultrason.symp.2001,79-86页,2011，提供了常用于克服saw器件的频率响应的温度依赖性问题的方法的概述。
第一种方法涉及用氧化硅(sio2)层覆盖包含换能器的金属结构的压电衬底的表面。sio2的极低cte限制了压电衬底的温度膨胀/收缩。虽然它提高了温度性能，但这种方法有局限：一方面，施用这种氧化层的温度限制(考虑到金属的存在)只能提供质量相对较差且声学性能有限的材料；另一方面，采用这种方法，压电衬底的最终厚度必须大于200微米才能保证结构的机械强度，这限制了器件的最终包装可能性。
第二种方法涉及使用混合衬底，其由例如施用于硅衬底的压电材料层组成。同样在这种情况下，硅的低cte限制了压电层的温度膨胀/收缩。在钽酸锂(litao3)的压电层的情况下，上述文章指出litao3厚度与硅衬底厚度之比为10适当地改善了频率温度系数(tcf)。这种方法的缺点之一在于存在寄生声波(在文章“characterizationofbondedwaferforrffilterswithreducedtcf”,bpabbott等,proc2005ieeeinternationalultrasonicssymposium,sept19-21,2005,pp.926-929中被称为“寄生声模式”)，其对在混合衬底上制造的谐振器的频率特性产生负面影响。这些寄生共振特别是与主要声波(主要在litao3层的表面区域中传播)在下面的界面上的寄生反射有关，特别是包括litao3和硅之间的界面。为了减少这些寄生共振的方案包括增加litao3层的厚度；因为这意味着为了保持tcf的改进而增加了si衬底的厚度，混合衬底的总厚度不再符合减小最终部件厚度的要求，特别是针对手机市场。k.hashimoto等人(前述文章)提出的另一个方案涉及使litao3层的下表面粗糙化(在与衬底的结合界面处)，以限制声波在所述表面上的反射。
发明目的
本发明的目的是提供现有技术方案的替代方案。本发明的目的具体涉及提供一种能够减少和/或消除所述寄生声波的混合结构体。
技术实现要素：
本发明涉及一种用于表面声波器件的混合结构体，其包括与载体衬底连接的压电材料的有用层，所述载体衬底的热膨胀系数低于所述有用层的热膨胀系数，其中，所述混合结构体的特征在于，其包括位于所述有用层和所述载体衬底之间的中间层，所述中间层是在所述中间层的平面内具有多个周期性图案的由至少两种不同材料形成的结构化层。
横向尺寸、中间层平面内的图案的周期性以及中间层的厚度根据saw器件的声波特性的频率限定，以便将通常在混合结构体的界面上反射的声波传播或扩散。因此，混合结构体中存在中间层大大减少了会对saw器件的频率特性产生负面影响的声波的寄生反射。
根据单独或组合的本发明的有利特征：
·所述图案的周期性根据所述器件的表面声波的频率进行选择；
·所述载体衬底包括选自硅、玻璃、二氧化硅、蓝宝石、氧化铝和氮化铝的材料；
·所述有用层包括选自钽酸锂(litao3)、铌酸锂(linbo3)、石英和氧化锌(zno)的压电材料；
·所述中间层的平均声阻抗基本上等于所述有用层和所述载体衬底的声阻抗的乘积的平方根；
·所述中间层的厚度大于所述器件的表面声波的波长；
·所述图案的至少一个横向尺寸小于所述器件的表面声波的波长；
·所述周期性图案包含第一图案和第二图案的交替，所述第一图案由所述有用层的材料组成，而所述第二图案由与所述载体衬底相同类型的材料组成；
·所述第二图案由多晶硅组成，所述载体衬底由硅制成；
·所述中间层的厚度等于或基本上小于所述器件的表面声波的波长；
·所述图案的至少一个横向尺寸小于或等于所述器件的表面声波的波长；
·所述周期性图案包含第一图案和第二图案的交替，所述第一图案由所述有用层的材料或所述载体衬底的材料组成，而所述第二图案由另一种材料组成；
·所述第二图案由二氧化硅或氮化硅组成；
本发明还涉及一种制造用于表面声波器件的混合结构体的方法，其特征在于包括以下阶段：
i)提供压电材料的有用层和热膨胀系数低于所述有用层的载体衬底；
ii)根据周期性图案对所述有用层或载体衬底的正面进行局部蚀刻，形成一组第一材料的蚀刻图案和未蚀刻图案；
iii)对所述蚀刻图案施加不同于所述第一材料的第二材料的附加层，其中，所述未蚀刻周期性图案和所述附加层形成中间层；
iv)组装所述有用层和所述载体衬底，使得所述中间层设置在所述有用层和所述载体衬底之间。
根据单独或组合的本发明的有利特征：
·在阶段i)提供的所述有用层是压电材料施主衬底；
·所述方法包括阶段v)：将所述施主衬底减薄至用于制造所述声波器件的所述有用层的所需厚度。
附图说明
通过参照附图进行的以下详细描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚，其中：
-图1示出了本发明的混合结构体；
-图2示出了包含saw器件的本发明的混合结构体；
-图3a和3b示出了本发明的实施方式的混合结构体；
-图4a至4d示出了本发明的混合结构体的中间层的周期性图案的实例；
-图5a至5c示出了本发明的混合结构体的中间层的图案实例的截面图。
具体实施方式
在说明部分中，图中的相同附图标记可能用于相同类型的要素。附图是示意性表示，为了易读性，其并不按比例绘制。特别是，沿着z轴的层的厚度相对于沿x和y轴的横向尺寸并不按比例。
本发明涉及适用于制造表面声波(saw)器件的混合结构体10，其包括具有第一面2和第二面3的压电材料的有用层1，如图1所示。混合结构体10还包括设置在有用层下面(沿着图1所示的z轴)与第二面2接触的中间层4。中间层4是由至少两种不同材料形成的厚度e的结构化层。结构化层意味着由所述层的平面内(即，在图1的平面(x,y)中)的周期性图案组成的层。这些图案对应于定义的横向尺寸(即，在平面(x,y)中的尺寸)和小于或等于e的厚度(即，沿z轴)的块：它们由至少两种不同材料构成。根据图1所示的实例，中间层4由第一图案6和第二图案7(与第一图案互补)组成，所述第一图案6由第一材料形成，所述第二图案7由第二材料形成。在平面(x,y)中，第一图案6和第二图案7具有定义的形状(正方形、矩形、圆形……)并具有定义的横向尺寸。
最后，混合结构体10包括设置在中间层4下面(沿图1所示z轴)的载体衬底5，其热膨胀系数低于有用层1的热膨胀系数。混合结构体10的有用层1可由选自下组的材料组成：钽酸锂(litao3)、铌酸锂(linbo3)、氮化铝(aln)和氧化锌(zno)。载体衬底5可由选自下组的材料组成：硅、iii-v半导体、碳化硅、玻璃和蓝宝石。
如图2所示，混合结构体10适用于制造表面声波(saw)器件，特别是包括在有用层1上的金属电极20，声信号在其间传播。在图2的实例中，声信号的传播方向在y轴的方向上由箭头示出。
根据本发明的混合结构体10的第一实施方式，中间层4由两种材料组成：第一材料(组成第一图案6)为有用层的材料(压电材料)；第二材料(组成第二图案7)为与混合结构体10的载体衬底相同类型的材料。中间层4的厚度e大于saw器件使用的声信号的波长λ；通常，e可以为2λ至50λ；这一特征确保了在压电材料层中传播的声波可见到中间层4并可受其影响。此外，第一和第二周期性图案的至少一个横向尺寸(沿着器件中声波传播轴的尺寸)小于所述波长；通常，其可为λ/2至λ/50。
在声波的尺度上，中间层因此表现为包括第一材料和第二材料的复合材料。选择周期性图案的横向尺寸，使得中间层4的声阻抗基本上等于有用层1和载体衬底5的声阻抗的乘积的平方根。应记住，材料的声阻抗z表示为：
其中，v是材料中声波的速度，ρ是材料的密度，e和v分别是材料的杨氏模量和泊松比。
在中间层4的情况下，考虑到构成它的材料各自的体积分数v1和v2，其声阻抗可以表示为：
其中，ρ1和ρ2分别为第一材料和第二材料的密度，e1和e2分别为第一材料和第二材料的杨氏模量，ν1和ν2分别为第一材料和第二材料的泊松比。
体积分数v1和v2由中间层4的厚度e与第一图案6和第二图案7的横向尺寸所定义。
于是中间层4的特征(第一和第二材料、周期性图案的横向尺寸)被定义为使得其平均声阻抗尽可能接近有用层1和载体衬底5的声阻抗的乘积的平方根：
这种构造有利于将通常在混合结构体的界面处反射的声波部分(通过声阻抗的适应)从有用层1向衬底5传输：因此可以显著降低对混合结构体10上制造的saw器件的频率特性产生负面影响的寄生反射。
根据本发明的混合结构体10的第二实施方式，中间层4同样由两种材料组成(图3a)，但是表现出与第一实施方式不同的物理特性。一方面，中间层的厚度等于或基本上小于用于saw器件的声信号的波长λ，例如为λ至λ/8。另一方面，周期性图案的至少一个横向尺寸(其沿器件中声波传播方向)小于或等于声波的波长λ；通常，其可为λ/10至λ。这种构造促进了声波与中间层4之间的相互作用。特别是，通常在混合结构体的界面处反射的声波部分将有利地由中间层4扩散：这将导致引起寄生效应的声波的反射分量的实质性限制。
根据本发明第二实施方式的变型，中间层可以由空气或气体(在形成腔室的第一图案6的水平)和第二材料(在第二图案7的水平)组成(图3b)；例如，第二图案7可以由与载体衬底5相同的材料形成。有利地，将分别选择构成第一和第二图案的材料，以便在第一和第二图案之间产生声对比。
除了中间层4的厚度之外，第一和第二图案的横向尺寸(以及所述图案的周期性)是根据saw器件的声波特性的频率定义的，而且为了传输或扩散通常在混合结构体界面上反射的声波。
图4a至4d示出了中间层4的周期性图案6、7的设置的变型。在图4a的实例中示出了中间层4的俯视图，在平面(x,y)中，第一图案6和第二图案7为条带状。应记住，在这种情况下，必须将saw器件制造为使得声波的传播平行于y轴发生，即垂直于所述条带。沿第一和第二图案的y轴的横向尺寸(条带的宽度)将根据实施方式进行选择(小于或基本上等于声波的波长)。根据图4b的另选方案，多个连续的第一图案6的尺寸是不同的：例如，观察到具有不同宽度的条带61、62、63的第一图案6沿y轴的交替。也可以对具有不同宽度的条带71、72、73的第二图案7进行类似的交替。在中间层4的整个表面上周期性地重复该交替。这种构造在本发明的第二实施方式中在更宽的频率范围内扩散声波方面特别有利。
根据图4c所示的另一个另选方案，第一图案是垫，其例如是正方形的，其沿x轴和y轴的尺寸是根据本发明的第一或第二实施方式的标准定义的。第二图案是与平面(x,y)中的第一图案互补的图案。这种图案的设置使得混合结构体10独立于器件的取向和声波的传播方向。根据图4d中的另一个另选方案，第一图案是周期性重复的不同尺寸的正方形。本发明的第二实施方式中，这种构造在更宽的频率范围内扩散声波方面是有意义的。
图5a至5c示出了本发明的混合结构体的截面图。中间层4的周期性图案6、7沿z轴可具有不同的形状。根据一个另选版本，它们形成槽(图5a和5b)；第一图案6沿z的尺寸小于或等于中间层4的厚度。根据另一个另选方案(图5c)，它们形成v形图案，能够通过使中间层4中的图案之间的反射平面取向来优化寄生波的扩散。
所提及的实例当然不是穷尽的，并且图案可以在平面(x,y)中或在垂直平面中具有各种形状，而不超出本发明的范围。
根据适用于混合结构体10的第一或第二实施方式的另选方案，中间层可由三种以上不同材料形成。
本发明还涉及制造用于表面声波器件的混合结构体10的方法。该方法包括提供压电材料的有用层1的第一阶段。根据实施的有利方式，有用层采用压电材料衬底的形式，具有微电子工业中的厚度和直径标准(例如，直径为150mm，厚度为675微米)。
第一阶段还包括提供载体衬底5，其热膨胀系数低于施主衬底的热膨胀系数(即，也低于有用层1的热膨胀系数)。
本发明的制造方法包括第二阶段，其涉及根据周期性图案局部蚀刻施主衬底的正面，从而形成一组蚀刻图案和未蚀刻图案。针对上述混合结构体，蚀刻图案可以是第一图案或第二图案(同样适用于未蚀刻图案)。该蚀刻阶段可以例如通过干式或湿式化学侵蚀、激光蚀刻或适于局部蚀刻微米图案的其他技术来进行。在蚀刻阶段之前，可以执行光刻阶段以限定要蚀刻的区域。
另选地，第二蚀刻阶段可以在载体衬底的正面而不是在施主衬底上进行。
该制造方法包括向蚀刻图案施加第二材料的附加层的第三阶段，第二材料不同于形成未蚀刻图案的第一材料。该附加层可以例如通过化学气相沉积、化学液相沉积或外延等形成。
未蚀刻周期性图案和附加层形成本发明的混合结构体10的中间层4。有利地，蚀刻的深度(定义未蚀刻的图案沿z轴的高度)限定了中间层4的厚度e。附加层可有利地在下一组装阶段之前进行平面化或表面平滑处理。
该方法包括将施主衬底和载体衬底5组装使得在这两个衬底之间设置中间层4的第四阶段。有利地，组装阶段通过直接键合进行，即通过接触放置(即没有中间层4的表面和具有任何中间层的衬底的表面)的两个表面之间的分子粘附。现有技术中公知的分子粘附原理将不再详细描述。另选地，可以通过添加粘合材料层或通过适合于预期应用的任何其他粘合技术来进行组装。
此外，本发明的制造方法包括将施主衬底减薄至用于制造声波器件的有用层(1)的所需厚度的第五阶段。该阶段可以例如涉及机械研磨，然后是干式或化学机械抛光，确保有用层1的良好表面光洁度。当然可以在减薄阶段之中或之后实施各种不同的清洁工序，以保证最终的混合结构体10的质量和清洁度。
实施例1：
在本发明的示例性实施方式中，提供了由铌酸锂(linbo3)制成的施主衬底和由硅5制成的载体衬底，两者均具有150mm的直径和675微米的厚度。载体衬底的电阻率将选择为例如>1000欧姆·cm。linbo3施主衬底进行光刻阶段以定义图案：第一图案6定义为不蚀刻的区域；第二图案7定义为要蚀刻的图案。第一图案对应于0.3微米见方的突出部，间隔0.2微米。第二图案对应于突出部之间的栅格，其条带宽度为0.2微米，即与施主衬底表面上的所述突出部互补的区域。蚀刻施主衬底表面的阶段通过干式蚀刻在5微米的深度上进行。在将光刻掩模从施主衬底表面上移走并清洁后者(通过例如常用于微电子工业的rca工序)后，例如通过cvd(化学气相沉积)施加多晶硅的附加层。
为了填充蚀刻区域(第二图案)，可以施加至厚度为6至12微米，有利地为8微米。随后进行通过化学机械抛光的平面化阶段以消除施加p-si后的任何残余拓扑结构和粗糙度。
中间层4由压电材料制成的第一图案6和填充第二图案7的附加层(p-si)组成。在第一另选方案中，中间层4的厚度对应于蚀刻深度，即在该实施例中为5微米；在这种情况下，平面化阶段将允许从施主衬底的表面移除多晶硅，直到与第一图案齐平(图5b所示构造)。在第二另选方案中，中间层4的厚度e大于蚀刻深度，因为附加层的厚度保留在第一图案上(图5a所示构造，其中，所述附加层位于所述图中所示的最终的混合结构体10中的第一图案6之间和之下)。举例来说，第一图案顶部上的附加层的厚度可以是1微米：因此中间层的厚度为6微米。
一旦制得施主衬底的表面，就进行与载体衬底5的组装阶段。清洁两个衬底的工序可以在组装之前进行，特别是在通过分子粘附直接键合的情况下，其对要组装的表面上的污染物或颗粒的存在特别敏感。为了增加衬底之间的粘附力，它们的表面可以在接触放置之前进行氧或氮等离子体处理。
在键合之后，进行低温强化退火，考虑到组装的衬底材料之间的热膨胀的主要差异，其通常在80-120℃的范围内进行。
进行机械减薄阶段，然后进行施主衬底背面的化学机械抛光阶段，以获得混合结构体的有用层，其厚度为20微米。
因此，获得的混合结构体由厚度20微米的linbo3的有用层和厚度5至6微米(根据上述另选方案)的中间层组成，并由两种材料构成：由linbo3制成的第一图案和由多晶硅制成的第二图案。平面(x,y)中第一图案的尺寸为0.3微米，其间距为0.2微米。因此，该层的平均声阻抗为约1.5e6g/cm2/sec，即非常接近linbo3和硅的阻抗乘积的平方根的值。
该混合结构体预期用于制造表面声波器件，其波长λ约为2微米。鉴于有用层的有限厚度，声波的一部分穿透到层中并传播到达中间层。这些波通常在界面(例如linbo3/si)上反射，并产生损害器件性能的寄生波。
本发明的混合结构体10的中间层4的构造促进穿透到有用层1的深度中的声波朝硅载体衬底5传输。中间层4的平均声阻抗适合于周围材料(linbo3和si)。中间层4的厚度e大于器件的声波的波长；第一图案之间的尺寸和距离小于波长。
此外，此处描述的混合结构体10在器件的rf性能方面具有显著的优点。实际上，多晶硅的附加层形成当硅载体衬底5受到高频信号时在硅载体衬底5中产生的电荷的捕获层。已知这些电荷会引起载体衬底5的电阻率下降，这会对rf器件的线性和插入损耗性能产生负面影响。因此，p-si的附加层起到捕获层的补充作用，并且中和在载体衬底5中产生的电荷。
实施例2：
在本发明的另一个示例性实施方式中，提供了由钽酸锂(litao3)制成的施主衬底和由硅制成的载体衬底，两者均具有150mm的直径和675微米的厚度。载体衬底的电阻率将选择为例如>1000欧姆·cm。litao3施主衬底进行光刻阶段以定义图案(在平面(x,y)中)：第一图案6定义为不蚀刻的区域；第二图案7定义为要蚀刻的图案。第一图案6对应于宽度1.25微米的条带，间隔1.25微米。第二图案7对应于与施主衬底表面上的第一图案6的条带互补的条带。蚀刻施主衬底表面的阶段通过干式蚀刻在1.5微米的深度上进行。在将光刻掩模从施主衬底表面上移走并清洁后者之后，例如通过cvd(化学气相沉积)施加氧化硅的附加层。为了填充蚀刻区域(第二图案)，施加至厚度为2至6微米，有利地为4微米。随后进行附加层的通过化学机械抛光的平面化阶段以消除施加氧化物后的任何残余拓扑结构和粗糙度。
中间层4由压电材料(litao3)制成的第一图案6和填充第二图案7的附加层(sio2)组成。在第一另选方案中，中间层4的厚度对应于蚀刻深度，即在该实施例中为1.5微米；在这种情况下，平面化阶段将允许从施主衬底的表面移除氧化硅，直到与第一图案6齐平。在第二另选方案中，中间层4的厚度大于蚀刻深度，因为附加层的厚度保留在第一图案6上。例如，第一图案6顶部上的附加层的厚度可以是0.5微米：因此中间层的厚度为2微米。
一旦制得施主衬底的表面，就进行与载体衬底的组装阶段。清洁两个衬底的工序可以在组装之前进行，特别是在通过分子粘附直接键合的情况下，其对要组装的表面上的污染物或颗粒的存在特别敏感。为了增加衬底之间的粘附力，它们的表面可以在接触放置之前进行氧或氮等离子体处理。
在键合之后，进行低温强化退火，考虑到组装的衬底材料之间的热膨胀的主要差异，其通常在80-120℃的范围内进行。
进行机械减薄阶段，然后进行施主衬底背面的化学机械抛光阶段，以获得混合结构体的有用层，其厚度为30微米。
因此，获得的混合结构体由厚度30微米的litao3的有用层和厚度1.5至2微米(根据上述另选方案)的中间层组成，并由两种材料构成：由litao3制成的第一图案和由氧化硅制成的第二图案。y轴中第一图案的尺寸为1.25微米，其间距为1.25微米。
该混合结构体10预期用于制造表面声波器件，其频率在700-900mhz的范围内，即波长约为5微米。声波的传播将沿着y轴进行。鉴于有用层的有限厚度，声波的一部分穿透到有用层1中并传播到达中间层4。这些波通常在界面(例如litao3/si)上反射，并产生损害器件性能的寄生波。
本发明的混合结构体10的中间层4的构造促进穿透到有用层1中的声波在中间层4上的扩散，因此限制了其反射。中间层4的厚度e基本上小于器件的声波的波长；第一图案之间的尺寸和距离小于波长。
实施例3：
在本发明的另一个示例性实施方式中，提供了由钽酸锂(litao3)制成的施主衬底和由硅制成的载体衬底，两者均具有150mm的直径和625微米的厚度。载体衬底的电阻率将选择为例如>1000欧姆·cm。载体衬底进行光刻阶段以定义图案：第一图案6定义为不蚀刻的区域；第二图案7定义为要蚀刻的图案。第一图案6对应于宽度1.25微米的条带，间隔1.25微米。第二图案对应于与载体衬底表面上的第一图案的条带互补的条带。蚀刻载体衬底表面的阶段通过干式蚀刻在1微米的深度上进行。在将表面上的光刻掩模移走之后，清洁载体衬底，以便进行与施主衬底组装的阶段。在此第三实施例中没有施加附加层。第一材料(构成第一图案)是硅，并且第二材料是空气或气体，取决于组装阶段中引入键合室的气氛。
在键合之后，进行低温强化退火，考虑到组装的衬底材料之间的热膨胀的主要差异，其通常在80-120℃的范围内进行。
进行机械减薄阶段，然后进行施主衬底背面的化学机械抛光阶段，以获得混合结构体的有用层，其厚度为20微米。
因此，获得的混合结构体由厚度20微米的litao3的有用层和厚度1微米的中间层组成，并由两种材料构成：由硅制成的第一图案和填充有空气或气体的第二图案。y轴中第一图案的尺寸为1.25微米，其间距为1.25微米。
该混合结构体预期用于制造表面声波器件，其频率在700-900mhz的范围内，即波长约为5微米。鉴于有用层的有限厚度，声波的一部分穿透到该层中并传播到达中间层4。这些波通常在界面(例如litao3/si)上反射，并产生损害器件性能的寄生波。
本发明的混合结构体10的中间层4的构造促进穿透到有用层1中的声波在中间层4上的扩散，因此限制了其反射。中间层4的厚度e基本上小于器件的声波的波长；第一图案之间的尺寸和距离小于波长。
显然，本发明不限于所描述的实施方式，并且在不脱离权利要求中限定的本发明的范围的情况下可以提供实施例和变型实施方式。
本发明的混合结构体10可特别适合于制造表面声波器件，其频率在700mhz-3ghz的范围内。