KR20180108603A - 표면 탄성파 디바이스를 위한 하이브리드 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면 탄성파 디바이스를 위한 하이브리드 구조(10)에 관한 것으로, 그 하이브리드 구조(10)는 캐리어 기판(5)에 접합된 압전 재료의 유용한 층(1)을 포함하고, 그 캐리어 기판(5)은 유용한 층(1)의 열 팽창 계수보다 더 낮은 열 팽창 계수를 가지며; 하이브리드 구조(10)는 유용한 층(1)과 캐리어 기판(5) 사이에 위치된 중간 층(4)을 포함하고, 중간 층(4)은 상기 중간 층(4)의 평면에서 복수의 주기적 모티프(6, 7)를 포함하는 적어도 2개의 상이한 재료로 형성된 구조화된 층이다.

Description

표면 탄성파 디바이스를 위한 하이브리드 구조
본 발명은 표면 탄성파 디바이스의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 표면 탄성파 디바이스를 제조하는 데 적합한 하이브리드 구조에 관한 것이다.
표면 탄성파(SAW) 디바이스와 같은 음향 공진기 구조는 전기 신호를 탄성파로 그리고 그 반대로 변환하기 위해 압전 기판 상에 생성된 하나 또는 여러 인터디지털 트랜스듀서를 사용한다. 이러한 종류의 SAW 디바이스 또는 공진기는 종종, 필터링 애플리케이션에서 사용된다. 무선 주파수(RF) SAW 기술은 고 레벨의 절연 및 저 삽입 손실을 포함하는 우수한 성능을 제공한다. 이는 그러한 RF SAW 기술이 무선 통신 애플리케이션에서 RF 듀플렉서에 대해 사용되는 이유이다. 그럼에도 불구하고, 벌크 탄성파(BAW) 기술에 기초한 RF 듀플렉서에 대하여 더 많은 경쟁력을 갖기 위해, RF SAW 디바이스의 성능이 개선될 필요가 있고, 특히, 주파수 응답이 온도-안정적일 필요가 있다.
SAW 디바이스의 동작 주파수의 온도 의존성 또는 주파수 온도 계수(TCF)는, 한편으로는, 일반적으로, 사용되는 압전 기판의 비교적 높은 열 팽창 계수(CTE)로 인한 트랜스듀서의 인터디지털 전극 사이의 간격의 변동에 의존하고; 다른 한편으로는, TCF가 열 속도 계수에 의존하며, 이는 압전 기판의 팽창 또는 수축이 표면 탄성파 속도의 증가 또는 감소와 동반되기 때문이다. 그에 따라, 주파수 온도 계수(TCF)를 최소화하기 위해서는, 특히 탄성파가 전파될 표면 영역에서 압전 기판의 팽창/수축을 최소화하는 것이 목적이 된다.
K.하시모토, M.카도타 등에 의한 논문, “Recent development of temperature compensated SAW devices”, IEEE Ultrason. Symp. 2011, 페이지 79 내지 86, 2011은 SAW 디바이스의 주파수 응답의 온도 의존성 문제를 극복하는 데 일반적으로 사용되는 접근법의 개요를 제공한다.
제1 접근법은 트랜스듀서의 금속성 구조를 포함하는 압전 기판의 표면을 실리콘 산화물(SiO2)의 층으로 덮는 것을 수반한다. SiO2의 매우 낮은 CTE는 압전 기판의 온도 팽창/수축을 제한한다. 그러한 접근법이 온도 성능을 개선함에도 불구하고, 그 접근법은 다음과 같은 한계를 갖는데, 한편으로는, 그 산화물 층(금속의 존재의 경우)을 적용하기 위한 온도 제약이 제한된 음향 성능을 갖는 비교적 불량한 품질의 재료에 대한 접근만을 제공하고; 다른 한편으로는, 그러한 접근법으로는, 기판의 기계적 강도를 보장하기 위해 압전 기판의 최종 두께가 200 미크론을 초과해야만 하며, 이는 디바이스의 최종 패키징 가능성을 제한한다.
제2 접근법은, 예컨대, 실리콘 기판에 적용되는 압전 재료의 층으로 구성된 하이브리드 기판을 사용하는 것을 수반한다. 이러한 경우에도 또한, 실리콘의 저 CTE는 압전 층의 온도 팽창/수축을 제한한다. 리튬 탄탈산염(LiTaO3)의 압전 층의 경우에, 위에서 언급된 논문은 LiTaO3 두께와 실리콘 기판의 두께 사이의 10의 비율이 주파수 온도 계수(TCF)를 적합하게 개선한다는 것을 나타낸다. 이러한 접근법의 단점 중 하나는 기생 탄성파(논문 “Characterization of bonded wafer for RF filters with reduced TCF”, B. P. 애보트 등, Proc 2005 IEEE 국제 초음파 심포지엄, 2005년 9월 19일-21일, pp.926-929에서 “의사 음향 모드(spurious acoustic modes)”라고 알려져 있음)의 존재에 있는데, 그 기생 탄성파는 하이브리드 기판 상에 생성된 공진기의 주파수 특성에 악영향을 미친다. 특히, 의사 공진은, 특히 LiTaO3와 실리콘 사이의 계면을 포함하는 하부의 계면 상의 주 탄성파(LiTaO3 층의 피상 영역으로 주로 전파됨)의 의사 반사에 관련된다. 이들 의사 공진을 감소시키기 위한 해법은 LiTaO3의 층의 두께를 증가시키는 것을 수반하는데; 그러한 두께 증가가 TCF의 개선을 유지하기 위한 Si 기판의 두께의 증가를 암시하므로, 하이브리드 기판의 총 두께는 최종 컴포넌트의 두께를 감소시키기 위한 요건, 특히 휴대폰 시장을 다루기 위한 요건과 더 이상 양립될 수 없다. K.하시모토 등(이전에 언급된 논문)에 의해 제안된 다른 해법은 상기 표면 상의 탄성파의 반사를 제한하기 위해 LiTaO3의 층의 (기판과의 본딩 계면의) 하부 표면을 조면화하는 것을 수반한다.
본 발명의 목적은 최신 해법에 대안적인 해법을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 특히, 상기 의사 탄성파의 감소 및/또는 제거를 허용하는 하이브리드 구조를 제공하는 것을 수반한다.
본 발명은 표면 탄성파 디바이스를 위한 하이브리드 구조에 관한 것이고, 그 하이브리드 구조는, 캐리어 기판에 접합된 압전 재료의 유용한 층을 포함하고, 그 캐리어 기판은 유용한 층의 열 팽창 계수보다 더 낮은 열 팽창 계수를 가지며, 하이브리드 구조는, 하이브리드 구조가 유용한 층과 캐리어 기판 사이에 위치된 중간 층을 포함하고, 중간 층이 상기 중간 층의 평면에서 복수의 주기적 모티프를 갖는 적어도 2개의 상이한 재료로 형성된 구조화된 층인 것을 특징으로 한다.
중간 층의 평면에서의 모티프의 측방향 치수, 주기성, 및 중간 층의 두께는, 하이브리드 구조의 계면 상에서 일반적으로 반사되는 탄성파를 전송 또는 확산시키기 위해 SAW 디바이스의 탄성파 특성의 주파수에 따라 정의된다. 그에 따라, 하이브리드 구조 내의 중간 층의 존재는 SAW 디바이스의 주파수 특성에 악영향을 미치는 탄성파의 기생 반사를 크게 감소시킨다.
본 발명의 유리한 특성에 따르면, 다음의 사항이 개별적으로 또는 조합하여 취해진다:
● 모티프의 주기성은 디바이스의 표면 탄성파의 주파수에 따라 선택된다;
● 캐리어 기판은 실리콘, 유리, 실리카, 사파이어, 알루미나, 및 알루미늄 질화물 중에서 선택되는 재료를 포함한다;
● 유용한 층은 리튬 탄탈산염(LiTaO3), 리튬 니오브산염(LiNbO3), 석영, 및 아연 산화물(ZnO) 중에서 선택되는 압전 재료를 포함한다;
● 중간 층의 평균 음향 임피던스는 유용한 층 및 캐리어 기판의 음향 임피던스의 곱의 제곱근과 실질적으로 동일하다;
● 중간 층의 두께는 디바이스의 표면 탄성파의 파장보다 더 크다;
● 모티프의 적어도 하나의 측방향 치수는 디바이스의 표면 탄성파의 파장보다 더 작다;
● 주기적 모티프는 유용한 층의 재료로 구성된 제1 모티프와 캐리어 기판의 재료와 동일한 타입의 재료로 구성된 제2 모티프의 교번을 포함한다;
● 제2 모티프는 다결정질 실리콘으로 구성되고, 캐리어 기판은 실리콘으로 제조된다;
● 중간 층의 두께는 디바이스의 표면 탄성파의 파장과 동일하거나 또는 그 파장보다 실질적으로 더 작다;
● 모티프의 적어도 하나의 측방향 치수는 디바이스의 표면 탄성파의 파장 이하이다;
● 주기적 모티프는 유용한 층의 재료 또는 캐리어 기판의 재료로 구성된 제1 모티프와 다른 재료로 구성된 제2 모티프의 교번을 포함한다;
● 제2 모티프는 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물로 구성된다;
또한, 본 발명은 표면 탄성파 디바이스를 위한 하이브리드 구조를 제조하는 방법에 관한 것이고, 그 방법은:
i) 압전 재료의 유용한 층 및 유용한 층의 열 팽창 계수보다 더 낮은 열 팽창 계수를 갖는 캐리어 기판을 제공하는 스테이지;
ii) 유용한 층 또는 캐리어 기판의 전방 면의 주기적 모티프에 따라 국부적으로 에칭하여, 제1 재료의 에칭되지 않은 모티프와 에칭된 모티프의 세트를 형성하는 스테이지;
iii) 제1 재료와 상이한 제2 재료의 부가적인 층을 에칭된 모티프에 적용하는 스테이지 ― 에칭되지 않은 주기적 모티프와 부가적인 층은 중간 층을 형성함 ―;
iv) 유용한 층과 캐리어 기판 사이에 중간 층이 배열되도록, 유용한 층과 캐리어 기판을 조립하는 스테이지
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유리한 특성에 따르면, 다음의 사항이 개별적으로 또는 조합하여 취해진다:
● 스테이지 i)에서 제공되는 유용한 층은 압전 재료 도너 기판이다;
● 방법은 탄성파 디바이스의 제조를 위한 유용한 층의 원하는 두께로 도너 기판을 박형화하는 스테이지 v)를 포함한다.
본 발명의 추가적인 특성 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 이루어진 다음의 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 구조를 도시한다.
도 2는 SAW 디바이스를 포함하는 본 발명에 따른 하이브리드 구조를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 실시예에 따른 하이브리드 구조를 도시한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 하이브리드 구조의 중간 층의 주기적 모티프의 예를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 하이브리드 구조의 중간 층의 모티프의 예의 단면도를 도시한다.
설명 섹션에서, 향후의 동일한 참조부호는 동일한 타입의 엘리먼트에 대해 사용될 수 있다. 가독성을 위해 도면 및 개략적인 표현은 실척대로 도시된 것이 아니다. 특히, z 축을 따르는 층의 두께는 x 및 y 축을 따르는 측방향 치수에 관하여 실척대로 도시된 것이 아니다.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명은 제1 면(2) 및 제2 면(3)을 갖는 압전 재료의 유용한 층(1)을 포함하는 표면 탄성파(SAW) 디바이스를 제조하는 데 적합한 하이브리드 구조(10)에 관한 것이다. 하이브리드 구조(10)는 또한, 제2 면(2)과 접촉하는, (도 1에서 도시된 z 축을 따라) 유용한 층 아래에 배열된 중간 층(4)을 포함한다. 중간 층(4)은 적어도 2개의 상이한 재료로 형성된, 두께(e)의 구조화된 층이다. 구조화된 층은 층의 평면 내의(즉, 도 1의 평면(x, y) 내의) 주기적 모티프로 구성된 층을 암시한다. 이들 모티프는 정의된 측방향 치수(즉, 평면(x, y)의 치수) 및 e 이하의 두께(즉, z 축을 따르는 두께)의 블록에 대응하고: 이들은 적어도 2개의 상이한 재료로 구성된다. 도 1에서 예시된 예에 따르면, 중간 층(4)은 제1 재료로 형성된 제1 모티프(6) 및 제2 재료로 형성된 제2 모티프(7)(제1 모티프에 상보적임)로 구성된다. 평면(x, y)에서, 제1 및 제2 모티프(6 및 7)는 정의된 형상(정사각형, 직사각형, 원형,...)으로 이루어지고, 정의된 측방향 치수를 갖는다.
마지막으로, 하이브리드 구조(10)는 (도 1에 도시된 z 축을 따라) 중간 층(4) 아래에 배열된, 유용한 층(1)의 열 팽창 계수보다 더 낮은 열 팽창 계수를 갖는 캐리어 기판(5)을 포함한다. 하이브리드 구조(10)의 유용한 층(1)은 다음의 그룹으로부터 선택되는 재료로 구성될 수 있다: 리튬 탄탈산염(LiTaO3), 리튬 니오브산염(LiNbO3), 알루미늄 질화물(AlN), 및 아연 산화물(ZnO). 캐리어 기판(5)은 다음의 그룹으로부터 선택되는 재료로 구성될 수 있다: 실리콘, III-V 반도체, 실리콘 탄화물, 유리, 및 사파이어.
도 2에 예시된 바와 같이, 하이브리드 구조는 표면 탄성파(SAW) 디바이스를 제조하는 데 적합하고, 특히, 유용한 층(1) 상에 금속성 전극(20)을 포함하며, 그 금속성 전극 사이에서 음향 신호가 전파된다. 도 2의 예에서, 음향 신호의 전파의 방향은 y 축의 방향으로 화살표에 의해 예시된다.
본 발명의 하이브리드 구조(10)의 제1 실시예에 따르면, 중간 층(4)은 2개의 재료로 구성되는데: (제1 모티프(6)를 구성하는) 제1 재료는 유용한 층의 재료(압전 재료)이고; (제2 모티프(7)를 구성하는) 제2 재료는 하이브리드 구조(10)의 캐리어 기판과 동일한 타입이다. 중간 층(4)의 두께(e)는 SAW 디바이스에 의해 사용되는 음향 신호의 파장(λ)보다 더 크고; 전형적으로, e는 2λ 내지 50λ 사이에 포함될 수 있고; 이러한 특성은 압전 재료의 층에서 전파하는 탄성파가 중간 층(4)과 만나게 되고, 그 영향을 받을 수 있는 것을 보장한다. 게다가, 제1 및 제2 주기적 모티프의 적어도 하나의 측방향 치수(디바이스 내의 탄성파의 전파의 축을 따르는 치수)는 상기 파장보다 더 작고; 전형적으로, 그 측방향 치수는 λ/2 내지 λ/50일 수 있다.
그에 따라, 탄성파의 스케일에서, 중간 층은 제1 및 제2 재료를 포함하는 복합 재료로서 나타난다. 주기적 모티프의 측방향 치수는 중간 층(4)의 음향 임피던스가 유용한 층(1) 및 캐리어 기판(5)의 음향 임피던스의 곱의 제곱근과 실질적으로 동일하도록 선택된다. 재료의 음향 임피던스(Z)가 다음과 같이 표현된다는 것이 상기되어야 한다:
Figure pct00001
여기서, v는 재료 내의 탄성파의 속도이고, ρ는 재료의 밀도이고, E 및 ν는 각각, 재료의 영률 및 푸아송비이다.
중간 층(4)의 경우에, 중간 층(4)을 구성하는 재료 각각의 체적 분율(V1 및 V2)가 고려되고, 중간 층(4)의 음향 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00002
여기서, ρ1 및 ρ2는 각각, 제1 및 제2 재료의 밀도이고, E1 및 E2는 각각, 제1 및 제2 재료의 영률이고, ν1 및 ν2는 제1 및 제2 재료의 푸아송비이다.
체적 분율(V1 및 V2)은 중간 층(4)의 두께(e) 및 제1 및 제2 모티프(6, 7)의 측방향 치수에 의해 정의된다.
그에 따라, 중간 층(4)의 특성(제1 및 제2 재료, 주기적 모티프의 측방향 치수)은, 중간 층(4)의 평균 음향 임피던스가 유용한 층(1) 및 캐리어 기판(5)의 음향 임피던스의 곱의 제곱근과 가능한 근접하게 되도록 정의된다.
Figure pct00003
이러한 구성은 유용한 층(1)으로부터 기판(5) 쪽으로의 하이브리드 구조의 계면에서 일반적으로 반사되는 탄성파의 부분의 전송에 조력하고: 그에 따라, 이는 하이브리드 구조(10) 상에 생성된 SAW 디바이스의 주파수 특성에 악영향을 미치는 기생 반사를 크게 감소시키는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 구조(10)의 제2 실시예에 따르면, 마찬가지로, 중간 층(4)이 2개의 재료로 구성되지만(도 3a), 제1 실시예의 중간 층과 상이한 물리적 특성을 나타낸다. 한편으로, 중간 층의 두께(e)는 SAW 디바이스에 대해 사용되는 음향 신호의 파장(λ)과 동일하거나 또는 실질적으로 더 작고, 예컨대 λ 내지 λ/8에 포함된다. 다른 한편으로, (디바이스 내의 탄성파의 전파의 축을 따르는) 주기적 모티프의 적어도 하나의 측방향 치수는 탄성파의 파장(λ) 이하이고; 전형적으로, 그 적어도 하나의 측방향 치수는 λ/10 내지 λ에 포함될 수 있다. 이러한 구성은 탄성파와 중간 층(4) 사이의 상호작용을 촉진한다. 특히, 하이브리드 구조의 계면에서 일반적으로 반사되는 탄성파의 부분이 유리하게, 중간 층(4)에 의해 확산될 것이고: 이는 기생 효과를 발생시키는 탄성파의 반사된 컴포넌트를 실질적으로 제한할 것이다.
본 발명의 제2 실시예의 변형에 따르면, 중간 층은 (공동을 형성하는 제1 모티프(6)의 레벨에서) 공기 또는 가스로 구성될 수 있고, (제2 모티프(7)의 레벨에서) 제2 재료로 구성될 수 있으며(도 3b); 예컨대, 제2 모티프(7)는 캐리어 기판(5)과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 유리하게, 제1 및 제2 모티프를 각각 구성하는 재료는 제1 및 제2 모티프 사이에서 음향 대조를 생성하도록 선택될 것이다.
제1 및 제2 모티프의 측방향 치수(그리고 그에 따라, 상기 모티프의 주기성)는, 중간 층(4)의 두께에 부가하여 SAW 디바이스의 탄성파 특성의 주파수에 따라, 그리고 더욱이, 하이브리드 구조의 계면 상에서 일반적으로 반사되는 탄성파를 전송 또는 확산시키도록 정의된다.
도 4a 내지 도 4d는 중간 층(4)의 주기적 모티프(6, 7)의 배열의 변형을 도시한다. 중간 층(4)의 평면도를 도시하는 도 4a의 예에서, 평면(x, y)에서, 제1 모티프(6) 및 제2 모티프(7)는 스트립 형상이다. 이러한 경우에, 탄성파의 전파가 y 축에 평행하게, 즉 상기 스트립에 수직으로 발생하도록 SAW 디바이스가 생성되어야만 한다는 것이 상기되어야 한다. 제1 및 제2 모티프의 y 축을 따르는 측방향 치수(스트립의 폭)는 실시예에 따라(탄성파의 파장 미만이거나 또는 실질적으로 동일하도록) 선택될 것이다. 도 4b의 대안적 해법에 따르면, 여러 연속적 제1 모티프(6)의 치수가 상이하고: 예컨대, y 축을 따르는 상이한 폭의 스트립(61, 62, 63)에 의한 제1 모티프의 교번이 관찰된다. 상이한 폭의 스트립(71, 72, 73)에 의해 제2 모티프(7)에 대해 유사한 교번이 또한 수행될 수 있다. 이러한 교번은 중간 층(4)의 전체 표면에 걸쳐 주기적으로 반복된다. 이러한 종류의 구성은 특히, 더 넓은 주파수 범위에 걸친 탄성파를 확산시키는 점에서, 본 발명의 제2 실시예에서 바람직하다.
도 4c에 예시된 다른 대안적 해법에 따르면, 제1 모티프는 패드이고, 그 패드는 예컨대 정사각형 형상이고, x 축 및 y 축을 따르는 그 패드의 치수는 본 발명의 제1 또는 제2 실시예의 기준에 따라 정의된다. 제2 모티프는 평면(x, y)에서 제1 모티프에 상보적인 모티프이다. 모티프의 그러한 배열은 하이브리드 구조(10)가 디바이스의 배향과 독립적이게 그리고 탄성파의 전파의 방향과 독립적이게 한다. 도 4d의 다른 대안적 해법에 따르면, 제1 모티프는 주기적으로 반복되는 상이한 치수의 정사각형이다. 이러한 종류의 구성은, 더 넓은 주파수 범위에 걸친 탄성파를 확산시키는 점에서, 본 발명의 제2 실시예에서 관심을 끌게 된다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 하이브리드 구조의 단면도를 도시한다. 중간 층(4)의 주기적 모티프(6, 7)는 z 축을 따라 상이한 형상을 가질 수 있다. 하나의 대안적 버전에 따르면, 주기적 모티프는 슬롯을 형성하고(도 5a 및 도 5b); 제1 모티프는 중간 층(4)의 두께 이하의 z를 따르는 치수를 갖는다. 다른 대안적 해법(도 5c)에 따르면, 주기적 모티프는, 중간 층(4) 내의 모티프 사이에서 반사 평면을 지향시킴으로써, 의사파의 확산을 최적화할 수 있는 V-형상 모티프를 형성한다.
언급된 예는 당연히 포괄적인 것이 아니고, 모티프는 본 발명의 범위를 넘지 않으면서, 평면(x, y) 또는 수직 평면에서 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
하이브리드 구조(10)의 제1 또는 제2 실시예에 적용가능한 대안적 해법에 따르면, 중간 층은 3개 이상의 상이한 재료로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 표면 탄성파 디바이스를 위한 하이브리드 구조(10)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 방법은 압전 재료의 유용한 층(1)을 제공하는 제1 스테이지를 포함한다. 구현의 유리한 모드에 따르면, 유용한 층은 마이크로-일렉트로닉스 산업의 두께 및 직경 표준(예컨대, 150 mm의 직경 및 675 미크론의 두께)의 압전 재료의 기판의 형태를 취한다.
제1 스테이지는 또한, 도너 기판의 열 팽창 계수(즉, 또한 유용한 층(1)의 열 팽창 계수)보다 더 낮은 열 팽창 계수를 갖는 캐리어 기판(5)을 제공하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 제조 방법은 주기적 모티프에 따른 도너 기판의 전방 면의 국부적 에칭을 수반하는 제2 스테이지를 포함하며, 그에 의해, 에칭된 모티프 및 에칭되지 않은 모티프의 세트가 형성된다. 위에서 설명된 하이브리드 구조를 참조하면, 에칭된 모티프는 제1 모티프 또는 제2 모티프일 수 있다(동일한 사항이 에칭되지 않은 모티프에도 적용된다). 예컨대, 이러한 에칭 스테이지는 건식 또는 습식 화학적 공격, 레이저 에칭, 또는 마이크로메트릭 모티프의 국부적 에칭에 적합한 다른 기법에 의해 수행될 수 있다. 에칭 스테이지 전에, 에칭될 영역을 정의하기 위해, 포토리소그래피 스테이지가 수행될 수 있다.
대안적으로, 제2 에칭 스테이지는 도너 기판 대신에 캐리어 기판의 전방 면에 대해 수행될 수 있다.
제조 프로세스는 에칭되지 않은 모티프를 형성하는 제1 재료와 상이한 제2 재료의 부가적인 층을 에칭된 모티프에 적용하는 제3 스테이지를 포함한다. 예컨대, 이러한 부가적인 층은 화학 기상 증착, 화학 액체 증착, 또는 에피택시 등에 의해 형성될 수 있다.
에칭되지 않은 주기적 모티프 및 부가적인 층은 본 발명에 따른 하이브리드 구조(10)의 중간 층(4)을 형성한다. 유리하게, (에칭되지 않은 모티프의 z 축을 따르는 높이를 정의하는) 에칭의 깊이는 중간 층(4)의 두께(e)를 정의한다. 유리하게, 부가적인 층은, 다음 조립 스테이지 전에, 평탄화 또는 표면 평활화 처리를 받을 수 있다.
방법은 중간 층(4)이 도너 기판과 캐리어 기판(5) 사이에 배열되도록, 도너 기판과 캐리어 기판(5)을 조립하는 제4 스테이지를 포함한다. 유리하게, 조립 스테이지는, 접촉하여 배치된 2개의 표면의 분자 접착에 의한 직접적인 본딩에 의해 (즉, 중간 층(4)의 표면과 기판의 표면이 어떠한 중간 층도 갖지 않도록) 수행된다. 최신 기술에 잘 알려져 있는 분자 접착의 원리는 더 이상 상세히 설명되지 않을 것이다. 대안적으로, 조립은 접착성 재료의 층을 부가하는 것에 의해, 또는 의도된 애플리케이션에 적합한 임의의 다른 본딩 기법에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 제조 방법은 탄성파 디바이스의 제조를 위한 유용한 층(1)의 원하는 두께로 도너 기판을 박형화하는 제5 스테이지를 더 포함한다. 예컨대, 이러한 스테이지는, 유용한 층(1)에 대한 양호한 표면 마감을 보장하는, 기계적 그라인딩에 이는 건식 또는 화학 기계적 폴리싱을 수반할 수 있다. 당연히, 최종 하이브리드 구조(10)의 품질 및 청결성을 보장하기 위해, 박형화 스테이지 동안 또는 후에, 다양한 상이한 세정 시퀀스가 구현될 수 있다.
예 1:
본 발명의 예시적 구현에서, 둘 모두 150 mm의 직경 및 675 미크론의 두께를 갖는 리튬 니오브산염(LiNbO3)으로 제조된 도너 기판 및 실리콘으로 제조된 캐리어 기판(5)이 제공된다. 예컨대, 캐리어 기판의 저항률은 > 1000 옴.cm으로 선택될 것이다. LiNbO3 도너 기판은 모티프를 정의하기 위해 포토리소그래피 스테이지를 받고: 제1 모티프(6)는 에칭되지 않을 영역으로서 정의되고; 제2 모티프(7)는 에칭될 모티프로서 정의된다. 제1 모티프는 0.2 미크론으로 이격된 0.3 미크론 정사각형 탭에 대응한다. 제2 모티프는 탭 사이의 그리드에 대응하고, 그 그리드의 스트립 폭은 0.2 미크론이고, 즉, 도너 기판의 표면 상의 상기 탭에 상보적인 영역이다. 도너 기판의 표면을 에칭하는 스테이지는 5 미크론의 깊이에 걸쳐 건식 에칭에 의해 수행된다. 도너 기판의 표면 상의 포토리소그래피 마스크를 제거하고, (예컨대 마이크로-일렉트로닉스 산업에서 종래에 사용되는 RCA 시퀀스에 의해) 도너 기판의 표면을 세정한 후에, 예컨대 CVD(화학 기상 증착)에 의해 다결정질 실리콘의 부가적인 층이 적용된다.
에칭된 영역(제2 모티프)을 충진하기 위해, 6 내지 12 미크론, 유리하게는 8 미크론의 두께가 적용될 수 있다. p-Si의 적용에 이은 임의의 잔여 토폴로지 및 거칠기를 제거하기 위해, 화학 기계적 폴리싱에 의한 평탄화의 스테이지가 후속하여 실시된다.
중간 층(4)은 압전 재료로 제조된 제1 모티프(6) 및 제2 모티프(7)를 충진하는 부가적인 층(p-Si)으로 구성된다. 제1 대안적 해법에서, 중간 층(4)의 두께는 에칭 깊이, 즉 본 예에서는 5 미크론에 대응하고; 이 경우에, 평탄화 스테이지는, 제1 모티프와 동일 높이가 될 때까지 도너 기판의 표면으로부터 다결정질 실리콘을 제거하도록 허용될 것이다(도 5b에 예시된 구성). 제2 대안적 해법에서, 중간 층(4)의 두께(e)는 에칭 깊이보다 더 큰데, 이는 부가적인 층의 두께가 제1 모티프 상에 남아 있기 때문이다(도 5a에 예시된 구성, 여기서, 상기 도면에서 표현된 최종 하이브리드 구조(10) 내의 제1 모티프(6) 사이 및 아래에 부가적인 층이 있음). 예로써, 제1 모티프의 상단 상의 부가적인 층은 두께가 1 미크론일 수 있고: 그에 따라, 중간 층은 두께가 6 미크론일 것이다.
도너 기판의 표면이 준비되었으면, 캐리어 기판(5)과의 조립의 스테이지가 수행된다. 특히, 조립될 표면 상의 오염 또는 입자의 존재에 특히 민감한 분자 접착에 의해 직접적으로 본딩하는 경우에, 조립 전에, 2개의 기판을 세정하는 시퀀스가 실시될 수 있다. 기판 사이의 접착력을 증가시키기 위해, 기판의 표면은 접촉되기 전에 산소 또는 질소 플라즈마 처리를 받을 수 있다.
본딩 후에, 조립된 기판의 재료 사이에 열 팽창의 큰 차이가 주어진다고 하면, 일반적으로 80 내지 120 ℃ 내에서 저온 보강 어닐링이 수행된다.
20 미크론의 두께를 갖는, 하이브리드 구조의 유용한 층을 획득하기 위해, 도너 기판의 후방 면의 기계적 박형화의 스테이지에 이은 화학 기계적 폴리싱의 스테이지가 실시된다.
그에 따라, 획득된 하이브리드 구조는, 두께가 20 미크론인 LiNbO3의 유용한 층, 중간 층으로 구성되고, 그 중간 층은 (위에서 언급된 대안적 해법에 따라) 5 내지 6 미크론의 두께를 갖고, 2개의 재료: LiNbO3로 제조된 제1 모티프 및 폴리실리콘으로 제조된 제2 모티프로 구성된다. 평면(x, y)에서의 제1 모티프의 사이즈는 0.3 미크론이고, 이들의 이격된 거리는 0.2 미크론이다. 그에 따라, 이러한 층의 평균 음향 임피던스는 대략 1.5e6 g/cm2/sec, 즉, LiNbO3와 실리콘의 임피던스의 곱의 제곱근에 매우 근접한 값이다.
이러한 하이브리드 구조는 표면 탄성파 디바이스를 제조하기 위해 의도되고, 그것의 파장(λ)은 대략 2 미크론이다. 유용한 층의 제한된 두께가 주어지면, 탄성파의 부분이 층으로 침투하고, 중간 층에 도달하도록 전파한다. 이들 파는 일반적으로, 계면(예컨대, LiNbO3/Si) 상에서 반사되고, 디바이스의 성능을 손상시키는 의사파를 생성한다.
본 발명에 따른 하이브리드 구조(10)의 중간 층(4)의 구성은 유용한 층(1)의 깊이로 전파하는 탄성파의 실리콘 캐리어 기판(5)을 향한 전송을 촉진한다. 중간 층(4)의 평균 음향 임피던스는 주위의 재료(LiNbO3 및 Si)에 적절히 적합하다. 중간 층(4)의 두께(e)는 디바이스의 탄성파의 파장보다 더 크고; 제1 모티프 사이의 거리 및 사이즈는 파장보다 더 작다.
게다가, 본원에서 설명되는 하이브리드 구조(10)는 디바이스의 RF 성능에 관하여 상당한 이점을 갖는다. 실제로, 폴리실리콘의 부가적인 층은, 실리콘 캐리어 기판(5)이 고 주파수 신호를 받는 경우에, 실리콘 캐리어 기판(5)에서 생성되는 전하를 위한 포획 층을 형성한다. 이들 전하는 캐리어 기판(5)의 저항률의 하락을 야기하는 것으로 알려져 있고, 이는 RF 디바이스의 선형성 및 삽입 손실 성능에 악영향을 미친다. 그에 따라, p-Si의 부가적인 층은 포획 층으로서 보충적인 역할을 하고, 캐리어 기판(5)에서 생성되는 전하를 중화시킨다.
예 2:
본 발명의 다른 예시적 구현에서, 둘 모두 150 mm의 직경 및 675 미크론의 두께를 갖는 리튬 탄탈산염(LiTaO3)으로 제조된 도너 기판 및 실리콘으로 제조된 캐리어 기판이 제공된다. 예컨대, 캐리어 기판의 저항률은 > 1000 옴.cm으로 선택될 것이다. LiTaO3 도너 기판은 (평면(x, y)에서) 모티프를 정의하기 위해 포토리소그래피 스테이지를 받고: 제1 모티프(6)는 에칭되지 않을 영역으로서 정의되고; 제2 모티프(7)는 에칭될 모티프로서 정의된다. 제1 모티프(6)는 1.25 미크론으로 이격된 폭이 1.25 미크론인 스트립에 대응한다. 제2 모티프(7)는 도너 기판의 표면 상의 제1 모티프(6)의 스트립에 상보적인 스트립에 대응한다. 도너 기판의 표면을 에칭하는 스테이지는 대략 1.5 미크론의 깊이에 걸쳐 건식 에칭에 의해 수행된다. 도너 기판의 표면 상의 포토리소그래피 마스크를 제거하고, 도너 기판의 표면을 세정한 후에, 예컨대 CVD(화학 기상 증착)에 의해 실리콘 산화물의 부가적인 층이 적용된다. 에칭된 영역(제2 모티프)을 충진하기 위해, 2 내지 6 미크론, 유리하게는 4 미크론의 두께가 적용될 것이다. 산화물의 적용에 이은 임의의 잔여 토폴로지 및 거칠기를 제거하기 위해, 부가적인 층의 화학 기계적 폴리싱에 의한 평탄화의 스테이지가 후속하여 실시된다.
중간 층(4)은 압전 재료(LiTaO3)로 제조된 제1 모티프(6) 및 제2 모티프(7)를 충진하는 부가적인 층(SiO2)으로 구성된다. 제1 대안적 해법에서, 중간 층(4)의 두께는 에칭 깊이, 즉 본 예에서는 1.5 미크론에 대응하고; 이 경우에, 평탄화 스테이지는, 제1 모티프와 동일 높이가 될 때까지 도너 기판의 표면으로부터 실리콘 산화물을 제거하도록 허용될 것이다. 제2 대안적 해법에서, 중간 층(4)의 두께는 에칭 깊이보다 더 큰데, 이는 부가적인 층의 두께가 제1 모티프(6) 상에 남아 있기 때문이다. 예컨대, 제1 모티프(6)의 상단 상의 부가적인 층은 두께가 0.5 미크론일 수 있고: 그에 따라, 중간 층(4)은 두께가 2 미크론일 것이다.
도너 기판의 표면이 준비되었으면, 캐리어 기판과의 조립의 스테이지가 수행된다. 특히, 조립될 표면 상의 오염 또는 입자의 존재에 특히 민감한 분자 접착에 의해 직접적으로 본딩하는 경우에, 조립 전에, 2개의 기판을 세정하는 시퀀스가 실시될 수 있다. 기판 사이의 접착력을 증가시키기 위해, 기판의 표면은 접촉되기 전에 산소 또는 질소 플라즈마 처리를 받을 수 있다.
본딩 후에, 조립된 기판의 재료 사이에 열 팽창의 큰 차이가 주어진다고 하면, 일반적으로 80 내지 120 ℃ 내에서 저온 보강 어닐링이 수행된다.
30 미크론의 두께를 갖는, 하이브리드 구조의 유용한 층을 획득하기 위해, 도너 기판의 후방 면의 기계적 박형화의 스테이지에 이은 화학 기계적 폴리싱의 스테이지가 실시된다.
그에 따라, 획득된 하이브리드 구조는, 두께가 30 미크론인 LiTaO3의 유용한 층, 중간 층으로 구성되고, 그 중간 층은 (위에서 언급된 대안적 해법에 따라) 1.5 내지 2 미크론의 두께를 갖고, 2개의 재료: LiTaO3로 제조된 제1 모티프 및 실리콘 산화물로 제조된 제2 모티프로 구성된다. y 축에서의 제1 모티프의 사이즈는 1.25 미크론이고, 이들의 이격된 거리는 1.25 미크론이다.
이러한 하이브리드 구조(10)는 표면 탄성파 디바이스를 제조하기 위해 의도되고, 그것의 주파수는 700 내지 900 MHz의 범위 내에 있고, 즉 대략 5 미크론의 파장이다. 탄성파의 전파는 y 축을 따라 발생할 것이다. 유용한 층의 제한된 두께가 주어지면, 탄성파의 부분이 유용한 층(1)으로 침투하고, 중간 층(4)에 도달하도록 전파한다. 이들 파는 일반적으로, 계면(예컨대, LiTaO3/Si) 상에서 반사되고, 디바이스의 성능을 손상시키는 의사파를 생성한다.
본 발명에 따른 하이브리드 구조(10)의 중간 층(4)의 구성은 유용한 층(1)으로 침투하는 탄성파의 중간 층(4) 상의 확산을 촉진하고, 그에 따라, 이들의 반사를 제한한다. 중간 층(4)의 두께(e)는 디바이스의 탄성파의 파장보다 실질적으로 더 작고; 제1 모티프 사이의 거리 및 사이즈는 파장보다 더 작다.
예 3:
본 발명의 다른 예시적 구현에서, 둘 모두 150 mm의 직경 및 625 미크론의 두께를 갖는 리튬 탄탈산염(LiTaO3)으로 제조된 도너 기판 및 실리콘으로 제조된 캐리어 기판이 제공된다. 예컨대, 캐리어 기판의 저항률은 > 1000 옴.cm으로 선택될 것이다. 캐리어 기판은 모티프를 정의하기 위해 포토리소그래피 스테이지를 받고: 제1 모티프(6)는 에칭되지 않을 영역으로서 정의되고; 제2 모티프(7)는 에칭될 모티프로서 정의된다. 제1 모티프(6)는 1.25 미크론으로 이격된 폭이 1.25 미크론인 스트립에 대응한다. 제2 모티프는 캐리어 기판의 표면 상의 제1 모티프의 스트립에 상보적인 스트립에 대응한다. 캐리어 기판의 표면을 에칭하는 스테이지는 1 미크론의 깊이에 걸쳐 건식 에칭에 의해 수행된다. 표면 상의 포토리소그래피 마스크를 제거한 후에, 캐리어 기판은 도너 기판과의 조립의 스테이지를 수행하기 위해 세정된다. 본 제3 예에서는 부가적인 층이 적용되지 않는다. (제1 모티프를 구성하는) 제1 재료는 실리콘이고, 제2 재료는 조립 스테이지 동안에 본딩 챔버 내에 도입되는 분위기에 따라 공기 또는 가스이다.
본딩 후에, 조립된 기판의 재료 사이에 열 팽창의 큰 차이가 주어진다고 하면, 일반적으로 80 내지 120 ℃ 내에서 저온 보강 어닐링이 수행된다.
20 미크론의 두께를 갖는, 하이브리드 구조의 유용한 층을 획득하기 위해, 도너 기판의 후방 면의 기계적 박형화의 스테이지에 이은 화학 기계적 폴리싱의 스테이지가 실시된다.
그에 따라, 획득된 하이브리드 구조는, 두께가 20 미크론인 LiTaO3의 유용한 층, 중간 층으로 구성되고, 그 중간 층은 1 미크론의 두께를 갖고, 2개의 재료: 실리콘으로 제조된 제1 모티프 및 공기 또는 가스로 충진된 제2 모티프로 구성된다. y 축에서의 제1 모티프의 사이즈는 1.25 미크론이고, 이들의 이격된 거리는 1.25 미크론이다.
이러한 하이브리드 구조는 표면 탄성파 디바이스를 제조하기 위해 의도되고, 그것의 주파수는 700 내지 900 MHz이고, 즉 대략 5 미크론의 파장이다. 유용한 층의 제한된 두께가 주어지면, 탄성파의 부분이 층으로 침투하고, 중간 층(4)에 도달하도록 전파한다. 이들 파는 일반적으로, 계면(예컨대, LiTaO3/Si) 상에서 반사되고, 디바이스의 성능을 손상시키는 의사파를 생성한다.
본 발명에 따른 하이브리드 구조(10)의 중간 층(4)의 구성은 유용한 층(1)으로 침투하는 탄성파의 중간 층(4) 상의 확산을 촉진하고, 그에 따라, 이들의 반사를 제한한다. 중간 층(4)의 두께(e)는 디바이스의 탄성파의 파장보다 실질적으로 더 작고; 제1 모티프 사이의 거리 및 사이즈는 파장보다 더 작다.
당연히, 본 발명은 설명된 실시예 및 예에 제한되지 않고, 청구범위에서 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 실시예가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 구조(10)는 특히, 표면 탄성파 디바이스의 제조에 적응될 수 있고, 그것의 주파수는 700 MHz 내지 3 GHz의 범위 내에 있다.

Claims (16)

  1. 표면 탄성파 디바이스를 위한 하이브리드 구조(10)로서,
    상기 하이브리드 구조(10)는 캐리어 기판(5)에 접합된 압전 재료의 유용한 층(1)을 포함하고, 상기 캐리어 기판(5)은 상기 유용한 층(1)의 열 팽창 계수보다 더 낮은 열 팽창 계수를 가지며,
    상기 하이브리드 구조(10)는 상기 유용한 층(1)과 상기 캐리어 기판(5) 사이에 위치된 중간 층(4)을 포함하고, 상기 중간 층(4)은 상기 중간 층(4)의 평면에서 복수의 주기적 모티프(motif)들(6, 7)을 갖는 적어도 2개의 상이한 재료들로 형성된 구조화된 층인 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모티프들(6, 7)의 주기성은 상기 디바이스의 표면 탄성파들의 주파수에 따라 선택되는,
    하이브리드 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캐리어 기판(5)은 실리콘, 유리, 실리카, 사파이어, 알루미나, 및 알루미늄 질화물 중에서 선택되는 재료를 포함하는,
    하이브리드 구조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유용한 층(1)은 리튬 탄탈산염(LiTaO3), 리튬 니오브산염(LiNbO3), 석영, 및 아연 산화물(ZnO) 중에서 선택되는 압전 재료를 포함하는,
    하이브리드 구조.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 층(4)의 평균 음향 임피던스는 상기 유용한 층(1) 및 상기 캐리어 기판(5)의 음향 임피던스들의 곱의 제곱근과 동일한,
    하이브리드 구조.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 층(4)의 두께는 상기 디바이스의 표면 탄성파들의 파장보다 더 큰,
    하이브리드 구조.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모티프들(6, 7)의 적어도 하나의 측방향 치수는 상기 디바이스의 표면 탄성파들의 파장보다 더 작은,
    하이브리드 구조.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주기적 모티프들(6, 7)은 상기 유용한 층(1)의 재료로 구성된 제1 모티프(6)와 상기 캐리어 기판(5)의 재료와 동일한 타입의 재료로 구성된 제2 모티프(7)의 교번을 포함하는,
    하이브리드 구조.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 모티프(7)는 다결정질 실리콘으로 구성되고, 상기 캐리어 기판(5)은 실리콘으로 제조되는,
    하이브리드 구조.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 층(4)의 두께는 상기 디바이스의 표면 탄성파들의 파장 이하인,
    하이브리드 구조.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모티프들(6, 7)의 적어도 하나의 측방향 치수는 상기 디바이스의 표면 탄성파들의 파장 이하인,
    하이브리드 구조.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주기적 모티프들(6, 7)은 상기 유용한 층(1)의 재료로 구성된 제1 모티프(6)와 다른 재료로 구성된 제2 모티프(7)의 교번을 포함하는,
    하이브리드 구조.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 모티프(7)는 실리콘 이산화물 또는 실리콘 질화물로 구성되는,
    하이브리드 구조.
  14. 표면 탄성파 디바이스를 위한 하이브리드 구조(10)를 제조하는 방법으로서,
    i) 압전 재료의 유용한 층(1) 및 상기 유용한 층(1)의 열 팽창 계수보다 더 낮은 열 팽창 계수를 갖는 캐리어 기판(5)을 제공하는 스테이지;
    ii) 상기 유용한 층(1) 또는 상기 캐리어 기판(5)의 전방 면의 주기적 모티프들에 따라 국부적으로 에칭하여, 제1 재료의 에칭되지 않은 모티프들과 에칭된 모티프들의 세트를 형성하는 스테이지;
    iii) 상기 제1 재료와 상이한 제2 재료의 부가적인 층을 상기 에칭된 모티프들에 적용하는 스테이지 ― 상기 에칭되지 않은 주기적 모티프들과 상기 부가적인 층은 중간 층(4)을 형성함 ―;
    iv) 상기 유용한 층(1)과 상기 캐리어 기판(5) 사이에 상기 중간 층(4)이 배열되도록, 상기 유용한 층(1)과 상기 캐리어 기판(5)을 조립하는 스테이지
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 구조를 제조하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스테이지 i)에서 제공되는 상기 유용한 층(1)은 압전 재료 도너 기판인,
    하이브리드 구조를 제조하는 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 탄성파 디바이스의 제조를 위한 상기 유용한 층(1)의 원하는 두께로 상기 도너 기판을 박형화하는 스테이지 v)를 포함하는,
    하이브리드 구조를 제조하는 방법.
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