KR102410318B1

KR102410318B1 - 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체

Info

Publication number: KR102410318B1
Application number: KR1020197000090A
Authority: KR
Inventors: 마르셀 브로카르트
Original assignee: 소이텍
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2022-06-17
Anticipated expiration: 2037-05-30
Also published as: KR20190014072A; WO2017207911A1; JP2019520753A; EP3465784B1; CN109219896A; FR3052298A1; US20190165252A1; FR3052298B1; JP7057288B2; US11800803B2; CN109219896B; EP3465784A1; US20240040930A1; SG11201810733PA

Abstract

본 발명은 가용 층(10)보다 낮은 열팽창 계수를 가진 지지 기판(20) 상에 배치된, 제 1 자유 표면(1) 및 제 2 표면(2)을 갖는 압전 재료의 가용 층(10)을 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)에 관한 것이다. 본 하이브리드 구조체는 가용 층(10)이 나노캐비티들(31)의 영역(30)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체

본 발명은 표면 음향파 디바이스 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 표면 음향파 디바이스의 제조에 적합한 하이브리드 구조에 관한 것이다.

표면 음향파(surface acoustic wave, SAW) 디바이스와 같은 음향 공진기 구조체는 전기 신호를 음향파로 또는 그 반대로 변환하기 위해 압전 기판에 설정된 하나 이상의 인터디지털 트랜스듀서를 사용한다. 이러한 SAW 디바이스 또는 공진기는 종종 필터링 응용에 사용된다. RF(Radio Frequency) SAW 기술은 높은 절연성과 낮은 삽입 손실과 같은 높은 성능을 제공한다. 이러한 이유로, 이것은 무선 통신 응용에서 RF 듀플렉서에 널리 사용된다. 그럼에도 불구하고, 벌크 어쿠스틱 파(bulk acoustic wave, BAW) 듀플렉서와 관련하여 더욱 경쟁하기 위해서는, RF SAW 디바이스의 성능을 향상시킬 필요가 있으며, 특히 주파수 응답이 온도에 대해 안정적일 필요가 있다.

SAW 디바이스의 동작 주파수는 온도 의존적이며, 즉, 온도 계수 주파수(temperature coefficient frequency, TCF)는 부분적으로 트랜스듀서 인터디지털 전극 간격의 변화에 의존하는데, 일반적으로 이것은 압전 기판에서 상대적으로 높은 열팽창 계수(coefficients of thermal expansion, CTE)가 그 원인이며; 또한, 압전 기판의 팽창 또는 수축이 표면 음향파의 가속 또는 감속을 수반하기 때문에 TCF는 열 속도 계수에 의존한다. 열 계수 주파수(TCF)를 최소화함에 있어서 가능한 목표는 특히 음향파가 전파될 표면 영역에서 압전 기판의 팽창/수축을 최소화하는 것이다.

K. Hashimoto, M. Kadota 등의 논문, "Recent Development of Temperature Compensated SAW Devices", IEEE Ultrason. Symp. 2011, pages 79 to 86, 2011에는 SAW 디바이스의 주파수 응답에서 온도 의존성을 극복하기 위한 현재 접근 방식에 대한 개요가 제공되어 있다.

일 접근 방식은 예를 들어 실리콘 기판 상에 압전 층을 펼침으로써 하이브리드 기판을 사용하는 것으로 이루어진다. 실리콘의 낮은 CTE는 압전 층의 온도 기반 팽창/수축을 제한하는데 도움이 된다. 리튬 탄탈레이트(LiTaO3)의 압전 층의 경우, 앞서 인용된 논문은 LiTaO3의 두께와 실리콘 기판의 두께 사이의 10의 비율이 열 계수 주파수(TCF)의 적절한 향상을 가능하게 한다는 것을 나타낸다. 이 접근 방식의 단점들 중 하나는 스퓨리어스 음파의 존재로 인한 것이며(B.P.Abbott 등의 논문 "Characterization of bonded wafer for RF filters with reduced TCF", Proc 2005 IEEE International Ultrasonics Symposium, Sept 19-21, 2005, pages 926-929에서는 "스퓨어리스 음향 모드(spurious acoustic modes)"라고 불림), 이것은 하이브리드 기판 상에 생성된 공진기의 주파수 특성에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 스퓨어리스 공진은, 특히, 언더라잉 계면들 상의 메인 음향파(주로 LiTaO3 층의 표면 영역에서 전파)의 스퓨리어스 반사와 관련되어 있으며, 따라서 특히 LiTaO3와 실리콘 사이의 계면과 관련되어있다. 이러한 스퓨리어스 공진을 줄이기 위한 한 가지 해결책은 LiTaO3 층의 두께를 증가시키는 것이며; 이것은 또한 TCF의 개선사항들을 보존하기 위해 Si 기판의 두께를 증가시키는 것을 포함한다. 이 경우, 하이브리드 기판의 전체 두께는 더 이상 최종 부품의 두께를 줄이는 것, 특히 셀룰러 전화 시장을 타겟으로 하는 것과 양립할 수 없게 된다. K. Hashimoto 등이 제안한 또 다른 해결책은 (기판과의 본딩 계면에 있는) LiTaO3 층의 하부 표면을 조면화(roughening)함으로써 그에 대한 음향파의 반사를 감소시키는 것으로 구성된다. 이러한 조면화는 매우 매끄러운 조립 표면을 필요로 하는 직접 본딩 방법이 하이브리드 기판을 제조하는데 사용될 시에 관리될 필요가 있는 어려움 중 하나이다.

본 발명의 일 목적은 종래 기술의 해결책들에 대한 대안적인 해결책을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 목적은, 특히, 상기 스퓨리어스 음향파들의 감소 및/또는 제거를 가능하게 하는 하이브리드 구조체를 제안하는 것이다.

본 발명은 가용 층보다 낮은 열팽창 계수를 가진 지지 기판 상에 배치된, 제 1 자유(free) 면 및 제 2 면을 갖는 가용 압전 층(useful piezoelectric layer)을 포함하는 표면 음향파 디바이스(surface acoustic wave device)용 하이브리드 구조체에 관한 것이다. 본 하이브리드 구조체는 가용 층이 나노캐비티들의 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

나노캐비티들의 영역은 상기 영역까지 가용 층의 두께에서 전파하는 음향파를 확산시키는데 적합하며; 이로 인해 일반적으로 하이브리드 구조체의 하나 이상의 계면에서 발생하여 SAW 디바이스의 주파수 특성에 부정적인 영향을 미치는 음향파의 스퓨리어스 반사를 줄이거나 제거하게 된다.

또한, 나노캐비티들의 영역은 가용 층의 두께 내에 형성되어 제 2 면의 거칠기에 영향을 미치지 않으며, 이로 인해 지지 기판 상의 가용 층의 조립을 용이하게 하고 조립 신뢰성을 향상시킨다.

본 발명의 유리한 특징들에 따르면, 다음의 사항들이 개별적으로 또는 조합하여 취해진다:

● 나노캐비티들의 영역은 50 nm 내지 3 ㎛의 기능적 두께를 갖고;

● 나노캐비티들의 영역은 가용 층의 제 1 면보다 제 2 면에 더 가깝고;

● 나노캐비티들의 영역은 가용 층의 제 2 면으로부터 50 nm 초과한 거리에 위치되고;

● 나노캐비티들은, 적어도 부분적으로, 1 nm 내지 500 nm의 최대 크기를 갖고;

● 나노캐비티체들은 나노캐비티체들의 영역에서 10% 내지 20%의 체적을 차지하고;

● 나노캐비티은 실질적으로 구형 또는 다면형이고;

● 나노캐비티들의 전부 또는 일부는 가스를 포함하고;

● 나노캐비티들의 영역은 가용 층의 제 2 면에 평행한 평면에서 연장되고;

● 나노캐비티들의 영역은 가용 층의 제 2 면에 평행한 평면에서 연속적이고;

● 나노캐비티들의 영역은 가용 층의 제 2 면에 평행한 평면에서 불연속이고;

● 지지 기판은 실리콘, 유리, 실리카, 사파이어, 알루미나, 알루미늄 니트라이드 및 실리콘 카바이드 중에서 선택된 재료를 포함하고;

● 가용 층은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬 니오베이트(LiNbO3), 석영 및 산화 아연(ZnO) 중에서 선택된 압전 재료를 포함하고;

● 하이브리드 구조체는 가용 층의 제 2 면과 지지 기판 사이에 위치된 중간 층을 포함한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 하이브리드 구조체를 포함하는 표면 음향파 디바이스에 관한 것이다. 음향파의 주파수는 유리하게는 700 MHz와 3 GHz 사이에 포함된다.

마지막으로, 본 발명은 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체의 제조 방법에 관한 것으로서,

a) 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 가용 압전 층을 제공하는 단계;

b) 가용 층보다 낮은 열팽창 계수를 갖는 지지 기판을 제공하는 단계;

c) 지지 기판 상에 가용 층의 제 2 면을 조립하는 단계를 포함한다.

본 방법은 나노캐비티들의 영역을 형성하기 위해 가용 층 내에 가스 종들을 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

● 단계 a)에서 제공되는 가용 층은 압전 도너 기판에 포함되고;

● 본 제조 방법은 조립 단계 이후에, 가용 층을 형성하는데 유용한 두께로 도너 기판을 박형화하는 단계 d)를 포함하고;

● 가스 종들을 도입하는 단계는 수소, 헬륨, 아르곤 및 다른 희귀 가스들 중에서 선택되는 하나 이상의 이온 주입을 포함하고;

● 본 제조 방법은 가스 종들을 도입하는 단계 이후에 열처리 단계를 포함하고;

● 가용 층 내에 가스 종들을 도입하는 것은 조립 단계 이전에, 그것의 제 2 면 상에서 수행되고;

● 가용 층 내에 가스 종들을 도입하는 것은 조립 단계 이후에, 그것의 제 1 면 상에서 수행되고;

● 가용 층 내에 가스 종들을 도입하는 것은 마스크를 적용하여 국부적으로 수행된다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 이루어진 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 구조체를 도시한 것이다.
- 도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 하이브리드 구조체의 단면도(2a) 및 평면도(2b 내지 2e)를 도시한 것이다.
- 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 구조체를 도시한 것이다.
- 도 4는 본 발명에 따른 표면 음향파 디바이스를 도시한 것이다.
- 도 5a 내지 도 5e는 제 1 실시형태에 따른 하이브리드 구조체의 제조 방법을 도시한 것이다.
- 도 6a 및 도 6b는 제 2 실시형태에 따른 하이브리드 구조체의 제조 방법을 도시한 것이다.
- 도 7a 내지 도 7c는 제 3 실시형태에 따른 하이브리드 구조체의 제조 방법을 도시한 것이다.

본 설명 부분에 있어서, 도면 내의 동일한 참조 부호가 동일한 유형의 요소들에 대해 사용될 수 있다.

도면은 명료성을 위해 축척을 변경하지 않은 개략적인 표현이다. 특히, Z 축에 따른 층의 두께는 X 및 Y 축들에 따른 측 방향 치수들에 비례하여 스케일링되지 않는다. 마찬가지로, 나노캐비티들의 크기는 본 발명의 요소들의 층 두께 또는 다른 측면 치수들에 비례하여 스케일링되지 않는다.

본 발명은 지지 기판(20) 상에 배치된 제 1 자유면(1) 및 제 2 면(2)을 갖는 가용 압전 층(10)을 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)에 관한 것이다. 가용 층(10)은 통상적으로 하이브리드 구조체(100) 상에 제조될 SAW 디바이스의 유형에 따라, 1 미크론 내지 50 미크론의 가용 두께를 갖는다. 가용 층(10)은 유리하게는 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬 니오베이트(LiNbO3), 석영 및 산화 아연(ZnO) 중에서 선택된 압전 재료를 포함한다.

하이브리드 구조체(100)의 지지 기판(20)은 적어도 이방성 재료들의 경우에 결정학적 축(crystallographic axis)을 따라, 가용 층(10)보다 낮은 열팽창 계수를 갖는다. 이것은 실리콘, 유리, 실리카, 사파이어, 알루미나, 알루미늄 니트라이드 및 실리콘 카바이드 중에서 선택된 재료를 포함할 수 있다.

명백히, 이러한 재료 목록은 완전한 것이 아니며, 다른 기판들 또는 가용 압전 층들이 적용 유형 및 요구되는 특성들에 따라 선택될 수 있다.

하이브리드 구조체(100)는 또한 도 1에 도시된 바와 같이 가용 층(10) 내에, 나노캐비티들(31)의 영역(30)을 포함한다.

나노캐비티들(31)은 바람직하게는 실질적으로 구형, 다면체형 또는 타원형을 갖는다. 이러한 형상은 다방향 반사 및 이에 따라 가용 층(10)의 두께에서 전파하기 쉬운 음향파의 확산을 촉진하여, 가용 층(10)과 지지 기판(20) 사이의 계면과 같은 평탄한 표면 상에서 이들이 반사되는 것을 방지한다는 점에서 유리하다. 나노캐비티들(31)은 비어 있거나, 가스 또는 심지어 가스 혼합물을 함유할 수도 있다.

나노캐비티들(31)은 통상적으로 1 nm 내지 500 nm의 최대 크기를 가지며; 이 최대 크기는 예를 들어 구형인 경우 나노캐비티의 직경 또는 약간 타원체인 경우 최대 직경인 것으로 이해된다. 영역(30) 내의 나노캐비티들(31)의 밀도는 바람직하게는 이들이 상기 영역(30)의 체적의 10 % 내지 20 %를 차지하도록 구성된다. 나노캐비티들(31)의 크기 및 밀도는 음향파 확산 효율에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 나노캐비티들(31)의 크기 및 밀도 파라미터들은 하이브리드 구조체(100) 상에 생성될 디바이스에서 전파하는 음향파(들)의 주파수에 따라 조정될 수 있다.

나노캐비티들(31)의 영역(30)은 유리하게는 도 1의 Z 축을 따라, 50 nm 내지 3 ㎛의 소위 기능적 두께(e)를 갖는다. 기능적 두께(e)는 유리하게는 SAW 디바이스에 사용되는 음향 신호의 파장 λ와 동일하거나 실질적으로 더 작도록 선택되고, 예를 들어 λ와 λ/8 사이에 포함된다. 한편, 나노캐비티들의 최대 평균 직경은 바람직하게는, 일반적으로 λ/10과 λ 사이에 포함되는 음향파의 파장 λ 이하가 되도록 선택될 것이다. 이러한 구성은 음향파와 나노캐비티들(31)의 영역(30) 사이의 상호 작용을 촉진시킨다. 특히, 일반적으로 하이브리드 구조체의 계면들에서 반사되는 음향파 부분은 유리하게는 영역(30)에 의해 확산됨으로써, 스퓨리어스 효과의 원인인 음향파의 반사된 성분을 강하게 제한하거나 제거하게 된다.

나노캐비티들(31)의 영역(30)은 바람직하게는 가용 층(10)의 제 2 면(2) 근처에 존재한다. 특히, 그것은 제 2 면(2)으로부터 50 nm 정도의 거리에 배치될 수 있다. 일 대안으로서, 그것은 수 nm에서 가용 두께의 약 30 % 사이의 거리에 포함되는 거리에 배치될 수 있다. 예를 들어, 10 미크론의 가용 두께를 갖는 가용 층(10)의 경우, 영역(30)은 제 2 면(2)으로부터 50 ㎚ 내지 3 ㎛의 거리에 위치될 수 있다.

나노캐비티들의 영역(30)은 유리하게는 가용 층(10)의 제 2 면(2)에 평행한 평면에서 연장된다. 이것은 가용 층(10)에서 연속적일 수 있으며, 즉 하이브리드 구조체(100) 전체에 걸쳐 존재할 수 있다. 이러한 구성은 하이브리드 구조체(100) 상에 SAW 디바이스를 위치시키기 위한 많은 범위를 허용한다.

일 대안으로서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 나노캐비티들(31)의 영역(30)은 불연속적일 수 있으며, 가용 층(10)의 특정 영역에서만 국부적 존재를 가질 수 있다. 비한정적인 예로서, 위에서 봤을 경우, 나노캐비티들(31)의 영역(30)은 스트립 패턴(도 2b), 원형 패턴(도 2c), 원형 패턴을 보완하는 영역(도 2d) 또는 정사각형 패턴(도 2e)을 취할 수 있다. 나노캐비티들의 영역(30)을 포함하는 영역들의, 평면(x, y)에서의 치수는 바람직하게는 1 미크론 내지 10 미크론으로 구성된다.

나노캐비티들(31)의 영역(30)의 불연속은 장파장(약 5 미크론 이상)의 음향파들의 경우 장점을 제공할 수 있으며; 실제로, 나노캐비티들(31)보다 더 큰 주기를 갖는 더 큰 패턴의 존재는 음향파와 불연속 영역(30)의 상호 작용을 촉진시킬 수 있고, 따라서 파의 확산을 향상시킬 수 있다.

다른 실시형태에 따르면, 국부적인 나노캐비티들의 영역(30)은 SAW 디바이스의 전극들이 생성될 영역(음향파들이 상기 전극들 사이에서 전파함)에만 존재할 수 있다.

본 발명에 따른 하이브리드 구조체(100)는 마찬가지로 가용 층(10)의 제 2 면(2)과 지지 기판(20) 사이에 배치된 중간 층(40)을 포함할 수 있다(도 3). 이 중간 층(40)은, 예를 들면, 실리콘 옥사이드, 실리콘 니트라이드, 비정질 또는 다결정 실리콘 등 중에서 선택된 재료로 이루어진다. 중간 층(40)은 하이브리드 구조체(100) 상에 제조될 장래의 SAW 디바이스에서의 기능(전기적 절연, 전하 캐리어들의 트래핑 등)을 가질 수 있다. 또한, 특히 조립 계면의 본딩 에너지를 보강하기 위해, 가용 층(10)과지지 기판(20) 사이의 조립을 용이하게 하는데 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 하이브리드 구조체(100)는 그 단순화된 표현이 도 4에 제공되어 있는 표면 음향파 디바이스(200)의 제조에 적합하다. 이러한 디바이스(200)는 특히, 가용 층(10)의 제 1 면(1) 상에 배치되는 금속 전극들(50)을 포함한다. 하나 이상의 음향파들이 디바이스(200)의 동작 중에 전극들(50) 사이에서 전파될 것이다.

하이브리드 구조체(100)의 나노캐비티들(31)의 영역(30)은 상기 영역(30)까지의 가용 층(10)의 두께에서 전파하는 음향파를 확산시키는데 적합하며; 이 영역(30)은 일반적으로 하이브리드 구조체(100)의 하나 이상의 계면들에서 발생하여 SAW 디바이스(200)의 주파수 특성에 부정적인 영향을 미치는 음향파의 스퓨리어스 반사를 줄이거나 심지어 제거하게 된다.

본 발명에 따른 하이브리드 구조체(100)는 700 MHz 내지 3 GHz의 음향파 주파수들을 사용하는 SAW 디바이스(200)의 제조에 특히 적합하다.

또한, 본 발명은 제 1 면(1) 및 제 2 면(2)을 갖는 가용 압전 층(10)을 제공하는 제 1 단계를 포함하는 표면 음향파 디바이스용 복합체 구조체(100)의 제조 방법에 관한 것이다. 본 제조 방법은 가용 층(10)보다 낮은 열팽창 계수를 갖는 지지 기판(20)을 제공하는 단계를 포함한다. 본 제조 방법은 또한 지지 기판(20) 상에 가용 층(10)의 제 2 면(2)을 조립하는 단계를 포함한다. 그 자체로 공지된 바와 같이, 분자 접착에 의한 본딩, 접착제에 의한 본딩, 또는 하이브리드 구조체의 제조에 적합한 임의의 다른 유형의 본딩을 포함하는 상이한 조립 기술들이 구현될 수도 있다. 중간 층(40)은 조립 이전에, 가용 층(10)의 제 2 면(2) 상에 또는 지지 기판(20)의 조립될 면 상에, 또는 양쪽 모두에 부가될 수 있다. 이 중간 층(40)은 예를 들어 실리콘 옥사이드, 실리콘 니트라이드 또는 심지어 다결정 실리콘으로 이루어지며, 수 나노 미터 내지 수 미크론의 두께를 갖는다. 중간 층(40)은 열 산화 또는 질화 처리, 화학 증착(PECVD, LPCVD 등) 등과 같은 종래 기술에 공지된 다양한 기술들에 따라 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 제조 방법은 또한 가스 종(gaseous species)을 가용 층(10)으로 도입하여 나노캐비티들(31)의 영역(30)을 형성하는 단계를 포함한다. 이 단계는 가용 층(10)을 지지 기판(20) 상에 조립하는 단계의 전후에 수행될 수 있다. 가스 종 도입 단계는 유리하게는 수소, 헬륨, 아르곤 및 다른 희귀 가스 중에서 선택된 이온들 중의 적어도 하나의 주입을 포함한다. 가용 층(10) 내에 나노캐비티들(31)을 형성할 수 있는 다른 가스를 사용 가능하다는 것은 명백하다.

당업자에게 일반적으로 알려진 바와 같이, 주입 에너지는 나노캐비티체들(31)의 영역(30)에 대해 요구되는 깊이의 함수로서 선택된다. 주입되는 이온의 도즈(dose)는 유리하게는 나노캐비티들(31)이 영역(30) 내 체적의 10% 내지 20%를 차지할 수 있게 하는 크기 및 밀도로, 가용 층(10)의 재료에 나노캐비티들(31)을 형성할 수 있게 하는 범위 중에서 선택된다. 마찬가지로, 주입되는 이온들의 도즈는 가용 층(10)의 면(1, 2) 중 어느 하나에 변형 또는 다른 손상을 일으킬 가능성이 있는 도즈보다 낮게 되도록 선택된다.

주입 프로파일 및 이에 따른 상기 기능적 두께를 넓히거나 또는 단일 주입에 의해 생성되는 실질적 가우시안 프로파일과 상이한 특정 프로파일을 형성할 목적으로, 나노캐비티들(31)의 영역(30)의 선택된 기능적 두께에 따라, 하나 이상의 이온 주입 단계들이 상이한 주입 에너지들로, 활성 층(10)에서 수행될 수 있다.

일 대안에 따르면, 가스 종 도입 단계는 가용 층(10)에서 국부적으로 수행될 수 있다. 이 목적을 위해, 주입될 가용 층(10)의 면 상에 증착되는, 마스킹 층을 사용하는 것이 일반적이며, 이로 인해 영역(30)을 형성하고자 하는 영역들이 보호되고 영역(30)이 형성되어야 하는 영역들이 노출된다. 따라서, 도 2a 내지 도 2e에 도시된 것과 같은 하이브리드 구조체(100)를 얻을 수 있다.

본 제조 방법은 유리하게는 가스 종 도입 이후의 열처리 단계를 포함할 수 있으며, 이에 따라 가용 층(10)으로부터 가스들을 적어도 부분적으로 제거할 수 있고, 특히 재료 내에 나노캐비티들(31)을 형성 및/또는 안정화시킬 수 있다. 이 열처리는 예를 들어, 200 ℃ 내지 900 ℃의 온도에서 수 분 내지 수 시간의 기간 동안 수행될 수 있다. 열처리 온도는 바람직하게는 가용 층(10)의 압전 재료의 퀴리 온도보다 낮게 선택될 것이다.

이제, 본 제조 방법의 특정 실시형태들에 대하여 도 5, 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.

본 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 본 방법의 제 1 단계는 가용 층(10)을 포함하는 압전 재료로 만들어진 도너 기판(donor substrate)(11)을 제공하는 단계(도 5a)로 구성된다. 도너 기판(11)은 제 1 면(1') 및 제 2 면(2)을 포함한다. 예를 들어, 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 니오브산 리튬(LiNbO3), 석영 및 산화 아연(ZnO) 중에서 선택된 압전 재료로 구성될 수 있다.

도너 기판(11)보다 낮은 열팽창 계수를 갖는 지지 기판(20)이 본 방법의 제 2 단계(도 5b)에서 제공된다. 전술한 바와 같이, 이것은 예를 들어, 실리콘, 유리, 실리카, 사파이어, 알루미나, 알루미늄 니트라이드 및 실리콘 카바이드 중에서 선택된 재료를 포함할 수 있다.

조립 단계 이전에, 도 5c에 도시된 바와 같이, 가스 종 도입 단계가 도너 기판(11)의 제 2 면 상에서 수행된다. 따라서, 이것은 도너 기판(11)의 성질뿐만 아니라 이온 주입의 에너지 및 도즈에 의존하는 두께 및 깊이의 매립 영역(buried area)을 생성한다. 이 매립 영역이 나노캐비티체들(31)의 영역(30)을 형성하게 된다. 주입이 제 2 면(2) 상에서 전체적으로 수행되는지 또는 국부적으로 수행되는지 여부에 따라, 영역(30)은 제 2 면(2)에 평행한 평면에서 연속적 또는 불연속적이게 된다.

나노캐비티들(31)은 주입 이후에 바로 제공되거나, 또는 후속의 열처리 단계에 의해 형성되어 안정화된다. 이 열처리 단계는 또한, 본 실시형태에서, 조립 이전에 도너 기판(11)의 가스의 전부 또는 일부를 외부로 확산시키는 이점을 가지며, 특히 기계적 강도 및/또는 그 품질을 저하시킬 가능성이 있는 본딩 계면에서의 탈가스(degassing)를 방지할 수 있다.

그 다음, 도너 기판(11)의 제 2 면(2)을 지지 기판(20) 상에 조립하는 단계가 수행된다(도 5d). 분자 접착에 의한 본딩은 표면을 조립하기 위해 추가 재료를 필요로 하지 않는다는 점에서 유리한 기술이다. 그러나, 고품질 조립체를 생산하려면 양호한 표면 상태(양호한 평탄도, 낮은 거칠기, 우수한 청정도)를 필요로 한다. 본 발명에 따른 나노캐비티들(31)의 영역(30)의 형성은 제 2 면(2)의 품질을 저하시키지 않으며; 가스 종 도입 단계는 매립 영역이, 조립 대상인 제 2 면(2) 상에 변형 또는 손상을 발생시키지 않도록 규정된다.

본딩 계면을 강화하기 위해, 본딩된 하이브리드 구조체(101)는 유리하게는 열처리를 받는다. 도너 기판(11)과 지지 기판(20)의 재료들은 매우 상이한 열팽창 계수들을 갖는다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 적용되는 열처리는 본딩된 구조체(101)가 파괴되거나 손상되는 온도보다 낮은 온도로 유지되어야 한다. 이 온도 범위는 통상적으로 수십도 내지 500 ℃ 사이가 된다.

본 발명의 이 제 1 실시형태에 따른 제조 방법은 또한 가용 층(10)의 소위 가용 두께를 얻어서 제 1 자유 면(1)을 형성하도록 하기 위해, 제 1 면(1')에 의해 도너 기판(11)을 박형화하는 단계(도 5e)를 포함한다. 이 가용 두께는 하이브리드 구조체(100) 상에 생성될 음향파 디바이스의 유형에 의존한다.

박형화 단계는 공지된 연삭, 화학적 기계적 연마(CMP) 및/또는 화학적 에칭(습식 또는 건식) 기술들에 기초할 수 있다. 이 방법들은 예를 들어 수 미크론에서 수십 미크론, 및 최대 수백 미크론까지의 두꺼운 가용 층들을 형성하는데 특히 적합하다.

얇은 가용 층(10)(즉 통상적으로 2 미크론 미만의 두께를 가짐)을 형성하기 위해, Smart Cut™ 방법을 포함하는 다른 층 트랜스퍼(layer-transfer) 방법들이 구현될 수 있다. 이것은 가용 두께 이상의 제 2 면(2)에 대한 깊이에서 취약한 매립 층을 형성하기 위해 수소 및/또는 헬륨의 가벼운 이온을 도너 기판(11)에 주입하는 것에 기초한다. 이 주입 단계는 나노캐비티들(31)의 영역(30)을 형성하는 것에 전후하여, 조립 단계 이전에 수행될 수 있다.

지지 기판(20) 상에의 조립 이후 박리 단계는, 그 후에 취약한 매립 층에서 얇은 표면층을 도너 기판(11)(가용 층(10))으로부터 분리시키는 것을 가능하게 한다. 열처리 및/또는 화학적 에칭 또는 연마에 의한 박형화를 포함할 수 있는 마무리 단계는 최종적으로 가용 층(10)에 필요한 결정질 및 표면 품질을 제공한다. 이 방법은 얇은 가용 층들의 생산에 특히 적합하다.

본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 가스 종들을 가용 층(10) 내에 도입하는 단계가 조립 단계 후에 수행된다. 지지 기판(20) 상에 배치된 가용 층(10)을 포함하는 하이브리드 구조체(100')는 나노캐비티들(31)의 영역(30)을 형성하기 위해 가스 종 도입 단계를 거친다(도 6a). 이온 주입의 경우, 유리하게는 영역(30)이 제 2 면(2)에 더 가깝게, 가용 층(10)의 더 낮은 제 3 부분에 형성되도록, 이온 에너지가 선택된다.

영역(30)의 나노캐비티들(31)을 형성 및/또는 안정화시키기 위해 열처리가 수행될 수 있다. 이 열처리는 도 6b에 도시된 하이브리드 구조체(100)를 구성하는 재료들의 열팽창 계수의 차이를 고려해야 한다.

본 발명의 제 3 실시형태에 따르면, 본 방법의 제 1 공급 단계 동안, 가용 층(10)의 제 1 면(1)이 임시 기판(60) 상에 배치된다(도 7a). 유리하게는, 이것이 Smart Cut 방법에 의해 트랜스퍼되며, 이에 따라 제 2 면(2) 상에 취약한 매립 층의 잔유물을 포함한다.

중간 층(40)은 바람직하게는 지지 기판(20) 상에의 조립 이전에 가용 층(10)의 제 2 면(2) 상에 증착된다(도 7b).

그 다음, 임시 기판(60)은 기계적 또는 화학적 박형화에 의하거나, 또는 가용 층(10)의 제 1 면(1)과 임시 기판(60) 사이의 계면에서의 제거에 의해 제거된다.

도 7c는 획득된 하이브리드 구조체(100)를 도시한다: Smart Cut 방법 동안 형성된 취약한 매립 층의 잔유물로 인해 나노캐비티들(31)의 영역(30)(본 실시형태에서는, 가용 층(10)의 제 2 면(2) 부근)을 생성할 수 있다

이 제 3 실시형태는 하이브리드 구조체(100)의 재료들의 열팽창 계수(CTE)들로 인하여 얇은 가용 층(10)을 지지 기판(20) 상으로 트랜스퍼하기 위해 Smart Cut 방법을 직접 적용하는 것이 곤란할 경우에 유리하다. 본 경우에는, 가용 층(10)이 임시 기판(60)(가용 층(10)과 동일한 CTE 또는 가용 층(10)과 지지 기판(20)의 중간 CTE를 가질 수 있음) 상에 먼저 형성된 다음에, 지지 기판(20) 상에 트랜스퍼된다. Smart Cut 방법에 필요한 가벼운 이온 주입이 추가의 단계들을 피하면서 나노캐비티들(31)의 영역(30)을 형성하는데 사용된다. 그러나, 이 제 3 실시형태에서는, 주입 파라미터들이 초기에 Smart Cut 방법에 의해 지시되기 때문에, 영역(30)의 기능적 두께 및 나노캐비티들(31)의 특성(치수, 밀도 등)에 유연성이 거의 없다.

실시예 1:

LiNbO3로 만들어진 도너 기판(11)의 제 2 면(2) 상에, 180 keV의 에너지 및 3.5.10¹⁶ He/cm2의 도즈를 갖는 헬륨 이온을 주입한다. 주입 단계 동안 도너 기판(11)의 오염을 제한하기 위해, 예를 들어 SiO2로 만들어진 보호 층을 유리하게는, 주입 전에, 제 2 면(2) 상에 증착한다.

이러한 주입은 통상적으로 제 2 면(2)으로부터 350 nm 정도의 거리에서, 700 nm 정도의 기능적 두께를 갖는 나노캐비티들(31)의 영역(30)을 형성한다.

보호 층을 화학적 에칭에 의해 제거한다.

2 시간 동안 700 ℃에서 열처리를 수행하여 나노캐비티들(31)을 안정화시키고, 도너 기판(11)으로부터 헬륨의 전부 또는 일부를 제거한다.

그 다음, 예를 들어 두께 350 미크론 및 625 미크론의 실리콘으로 만들어진 도너 기판(11) 및 지지 기판(20)이, 분자 접착에 의해 조립되어, 본딩된 하이브리드 구조체(101)를 형성하기 이전에 각각 세정 시퀀스들을 거친다. 도너 기판(11)의 면(2)은 직접 본딩과 양립할 수 있는 매우 높은 품질을 가지며, 영역(30)을 형성하기 위한 가스 주입은 어떠한 표면 변형 또는 손상도 발생시키지 않는다.

가용 두께 20 미크론의 가용 층(10)을 얻을 때까지, 연속적인 연삭 및 연마 단계들이 도너 기판(11)의 제 1 면(1')에 적용된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 하이브리드 구조체(100)가 형성된다.

이 구조체는 특히 가용 층(10)의 제 1 면(1) 상에 인터디지탈 금속 전극(50)의 형성을 포함하는 표면 음향파 디바이스(200)의 제조에 적합하다. 본 발명에 따른 나노캐비티들(31)의 영역(30)의 존재로 인해 가용 층(10)과 지지 기판(20) 사이의 계면에서의 음향파들의 스퓨리어스 반사를 감쇠시키거나 제거할 수 있게 된다: 상기 계면을 향해 전파하는 음향파들이 다수의 방향으로 반사됨으로써, 영역(30)을 형성하는 복수의 나노캐비티들(31)에 의해 확산된다.

실시예 2:

마스킹 층을 LiTaO3로 만들어진 도너 기판(11)의 제 2 면(2) 상에 형성하여어, 마스킹 영역들 및 노출 영역들을 생성한다. 도 2c에서 위에서 본 바와 같이, 이 노출 영역들은, 예를 들어, 마스킹 영역들에 의해 서로 분리된, 원형 블록들을 형성한다. 이 노출 영역들은 5 미크론의 직경을 가지며, 또한 인접한 2개의 노출 영역들 사이의 간격은 5 미크론이다.

그 다음, 도너 기판(11)의 제 2 면(2) 상에 각각의 에너지 레벨에 대해 적용되는 몇 개의 에너지 레벨: 140keV, 160keV, 180keV 및 2.10¹⁶ He/cm2의 도즈로, 연속적으로, 헬륨 이온들을 주입한다.

마스킹 층을 화학 에칭에 의해 제거한다.

2 시간 동안 580 ℃에서 열처리를 수행하여 나노캐비티들(31)을 안정화시키고 도너 기판(11)으로부터 가스의 전부 또는 일부를 제거한다.

그 다음, 실리콘으로 만들어진 도너 기판(11) 및 지지 기판(20)이, 분자 접착에 의해 조립되어, 본딩된 하이브리드 구조체(101)를 형성하기 이전에 각각 세정 시퀀스들을 거친다. 도너 기판(11)의 면(2)은 직접 본딩과 양립할 수 있는 매우 높은 품질을 가지며, 영역(30)을 형성하기 위한 가스 주입은 어떠한 표면 변형 또는 손상도 발생시키지 않는다.

Claims

지지 기판(20) 상에 배치된 제 1 자유(free) 면(1) 및 제 2 면(2)을 갖는 가용 압전 층(useful piezoelectric layer)(10)을 포함하는 표면 음향파 디바이스(surface acoustic wave device)용 하이브리드 구조체(100)로서, 상기 지지 기판(20)은 상기 가용 층(10)보다 낮은 열팽창 계수를 가지며, 상기 하이브리드 구조체(100)는 상기 가용 층(10)이 나노캐비티들(nanocavities)(31)의 영역(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
제 1 항에 있어서,
상기 나노캐비티들(31)의 영역(30)은 50 nm 내지 3 ㎛의 기능적 두께(functional thickness)를 갖는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 나노캐비티들(31)의 영역(30)은 상기 가용 층(10)의 상기 제 2 면(2)으로부터 50 nm 초과의 거리에 위치하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 나노캐비티들(31)은, 적어도 부분적으로, 1 nm 내지 500 nm의 최대 크기를 갖는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 나노캐비티들(31)의 영역(30)은 상기 가용 층(10)의 상기 제 2 면(2)에 평행한 평면에서 연장되는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 지지 기판(20)은 실리콘, 유리, 실리카, 사파이어, 알루미나, 알루미늄 니트라이드 및 실리콘 카바이드 중에서 선택된 재료를 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 가용 층(10)은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬 니오베이트(LiNbO3), 석영 및 산화 아연(ZnO) 중에서 선택된 압전 재료를 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 가용 층(10)의 상기 제 2 면(2)과 상기 지지 기판(20) 사이에 위치되는 중간 층(40)을 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100).
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 하이브리드 구조체(100)를 포함하는 표면 음향파 디바이스(200).
표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법으로서,
a) 제 1 면(1) 및 제 2 면(2)을 갖는 가용 압전 층(10)을 제공하는 단계;
b) 상기 가용 층(10)보다 낮은 열팽창 계수를 갖는 지지 기판(20)을 제공하는 단계;
c) 상기 지지 기판(20) 상에 상기 가용 층(10)의 상기 제 2 면(2)을 조립하는 단계를 포함하며,
상기 방법은 나노캐비티들(31)의 영역(30)을 형성하기 위해 상기 가용 층(10) 내에 가스 종들(gaseous species)을 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 가스 종들을 도입하는 단계는 수소, 헬륨, 아르곤 및 다른 희귀 가스들 중에서 선택된 하나 이상의 이온 주입을 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 가스 종들을 도입하는 단계 이후에 열처리 단계를 포함하는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 가용 층 내에 상기 가스 종들을 도입하는 것은 마스크를 적용하여 국부적으로 수행되는 표면 음향파 디바이스용 하이브리드 구조체(100)의 제조 방법.