NOTAMMENT PIEZOELECTRIQUE

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une couche monocristalline, notamment piézoélectrique, en particulier pour une application à un dispositif microélectronique, photonique ou optique. En particulier mais de manière non limitative, ledit dispositif peut être un dispositif à ondes acoustiques de surface ou un dispositif à ondes acoustiques de volume pour applications radiofréquence.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION

Parmi les composants acoustiques utilisés pour le filtrage dans le domaine radiofréquence, on distingue deux catégories principales de filtres :

- d'une part, les filtres à ondes acoustiques de surface, connus sous l'acronyme SAW (du terme anglo-saxon « Surface Acoustic Wave ») ;

- d'autre part, les filtres et résonateurs à ondes acoustiques de volume, connus sous l'acronyme BAW (du terme anglo-saxon « Bulk Acoustic Wave »).

Pour une revue de ces technologies, on pourra se référer à l'article de W. Steichen et S. Ballandras, « Composants acoustiques utilisés pour le filtrage - Revue des différentes technologies », Techniques de l'Ingénieur, E2000, 2008 [1].

Les filtres à ondes acoustiques de surface comprennent typiquement une couche piézoélectrique épaisse (c'est-à-dire d'épaisseur généralement de plusieurs centaines de μηι) et deux électrodes sous la forme de deux peignes métalliques interdigités déposés sur la surface de ladite couche piézoélectrique. Un signal électrique, typiquement une variation de tension électrique, appliqué à une électrode est converti en onde élastique qui se propage à la surface de la couche piézoélectrique. La propagation de cette onde élastique est favorisée si la fréquence de l'onde correspond à la bande de fréquence du filtre. Cette onde est à nouveau convertie en signal électrique en parvenant à l'autre électrode.

Les filtres à ondes acoustiques de volume comprennent quant à eux typiquement une couche piézoélectrique mince (c'est-à-dire d'épaisseur généralement sensiblement inférieure à 1 μηι) et deux électrodes agencées sur chaque face principale de ladite couche mince. Un signal électrique, typiquement une variation de tension électrique, appliqué à une électrode est converti en onde élastique qui se propage au travers de la couche piézoélectrique. La propagation de cette onde élastique est favorisée si la fréquence de l'onde correspond à la bande de fréquence du filtre. Cette onde est à nouveau convertie en signal électrique en parvenant à l'électrode située sur la face opposée. Dans le cas des filtres à ondes acoustiques de surface, la couche piézoélectrique doit présenter une excellente qualité cristalline pour ne pas engendrer d'atténuation de l'onde de surface. On préférera donc dans ce cas une couche monocristalline. A l'heure actuelle, les matériaux adéquats utilisables industriellement sont le quartz, le LiNb0 ₃ ou le LiTa0 ₃ . La couche piézoélectrique est obtenue par découpe d'un lingot de l'un desdits matériaux, la précision requise pour l'épaisseur de ladite couche étant peu importante dans la mesure où les ondes doivent se propager essentiellement à sa surface.

Dans le cas des filtres à ondes acoustiques de volume, la couche piézoélectrique doit présenter une épaisseur déterminée et uniforme sur l'ensemble de la couche et ce, de manière précisément contrôlée. En revanche, la qualité cristalline passant au second plan des critères d'importance pour les performances du filtre, des compromis sont actuellement faits sur la qualité cristalline de ladite couche et une couche polycristalline a longtemps été considérée comme acceptable. La couche piézoélectrique est donc formée par dépôt sur un substrat support (par exemple un substrat de silicium). A l'heure actuelle, les matériaux employés industriellement pour un tel dépôt sont l'AIN, le ZnO et le Pb(Zr _x ,Ti _1-x )03 (PZT).

Les choix de matériaux sont donc très limités dans les deux technologies.

Or, le choix d'un matériau résulte d'un compromis entre différentes propriétés du filtre, en fonction des spécifications du fabricant du filtre. En particulier, le coefficient de couplage électromécanique des matériaux piézoélectriques sont des critères de choix du matériau à utiliser pour une application donnée et une architecture de composant donnée.

Par exemple, le LiNb0 ₃ et le LiTa0 ₃ sont des matériaux fortement anisotropes. Le coefficient de couplage dépendant de l'orientation cristalline, le choix d'une orientation particulière du matériau offre un premier degré de liberté dans le choix du matériau. C'est la raison pour laquelle on peut trouver des substrats selon une multiplicité d'orientations cristallines, par exemple, et selon une terminologie anglo-saxonne : X-cut, Y-cut, Z-cut, YZ-cut, 36° rotated Y axis, 42° rotated Y axis, ...

Cependant, hormis la possibilité de sélectionner une orientation cristalline particulière, l'homme du métier ne dispose que du quartz, du LiNb0 ₃ et du LiTa0 ₃ pour concevoir un filtre à ondes acoustiques de surface, ce qui n'offre qu'une gamme limitée de paramètres pour optimiser les caractéristiques du filtre, même si quelques autres matériaux pourraient venir compléter cette liste à l'avenir comme le langasite La ₃ Ga ₅ Si0 ₁₄ par exemple.

Pour offrir davantage de liberté dans le dimensionnement des filtres à ondes acoustiques de volume ou des filtres à ondes acoustiques de surface, il serait souhaitable de pouvoir utiliser davantage de matériaux que les matériaux listés plus haut, sans nuire par ailleurs à la qualité des matériaux. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités et notamment de concevoir un procédé de fabrication d'une couche monocristalline, notamment piézoélectrique, en particulier pour un dispositif à ondes acoustiques de surface, en d'autres matériaux que les matériaux utilisés pour cette application, en particulier en permettant d'obtenir des couches minces (c'est-à-dire d'épaisseur inférieure à 20 μηη, voire inférieure à 1 μηη) et uniformes des matériaux utilisés pour les dispositifs à ondes acoustiques de surface. Par ailleurs, ce procédé doit également permettre d'utiliser une plus grande variété de substrats supports que dans les dispositifs à ondes acoustiques de volume existants.

Conformément à l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une couche monocristalline, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :

- la fourniture d'un substrat donneur comprenant un matériau piézoélectrique de composition AB0 ₃ , où

A est constitué d'au moins un élément parmi : Li, Na, K, H ;

B est constitué d'au moins un élément parmi : Nb, Ta, Sb, V ;

- la fourniture d'un substrat receveur,

- le transfert d'une couche dite « couche germe » du substrat donneur sur le substrat receveur par collage du substrat donneur sur le substrat receveur de telle sorte que la couche germe se trouve à l'interface de collage puis amincissement du substrat donneur jusqu'à ladite couche germe ;

- la croissance, par épitaxie sur le matériau piézoélectrique AB0 ₃ de la couche germe, d'une couche monocristalline de composition AB'0 ₃ , où :

A' est constitué d'au moins un des éléments suivants : Li, Na, K, H ;

B' est constitué d'au moins un des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V ;

A' est différent de A ou B' est différent de B.

Par « couche située à l'interface de collage », on entend une couche située du côté de la face d'un premier substrat qui est collée à un second substrat mais n'implique pas nécessairement un contact direct entre ladite couche et le second substrat. Ainsi, ladite couche peut être collée directement au second substrat ou être recouverte d'une couche de collage, par exemple diélectrique, ou tout autre type de couche, par l'intermédiaire de laquelle s'effectue le collage.

Par « A est différent de A' » on entend que A et A' sont constitués d'éléments différents et/ou du ou des mêmes élément(s) mais dans des proportions stœchiométriques différentes.

Selon un mode de réalisation, A' comprend au moins un élément en commun avec A, et/ou B' comprend au moins un élément en commun avec B. Par « A' comprend au moins un élément en commun avec A », on entend qu'un même élément (ou plusieurs éléments) se trouve à la fois dans A et dans A', dans des proportions stœchiométriques identiques ou différentes.

Selon un mode de réalisation, A' est identique à A lorsque B' est différent de B, et B' est identique à B lorsque A est différent de A.

Par « A' est identique à A » on entend que A' et A sont constitués du ou des mêmes éléments et ce, dans les mêmes proportions stœchiométriques.

Selon un mode de réalisation, A est constitué d'un unique élément et B est constitué d'un unique élément.

Selon une forme d'exécution, le transfert de la couche germe comprend les étapes suivantes :

- la formation d'une zone de fragilisation dans le substrat donneur de sorte à délimiter une couche, dite couche germe, comprenant ledit matériau piézoélectrique de composition AB0 ₃ ,

- le collage du substrat donneur sur le substrat receveur, la couche germe étant à l'interface de collage,

- le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer la couche germe sur le substrat receveur.

Avant l'étape d'épitaxie, on peut retirer une partie de l'épaisseur de la couche germe transférée sur le substrat receveur.

De manière avantageuse, lequel l'épaisseur de la couche germe est inférieure à 2 μηη, de préférence inférieure à 1 μηη.

Le substrat receveur est avantageusement en matériau semi-conducteur, et comprend une couche intermédiaire de piégeage de charges située entre la couche germe et le substrat receveur.

Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche monocristalline, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :

- la fourniture d'un substrat donneur comprenant un matériau piézoélectrique de composition A'B'0 ₃ , où

A' est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H;

B' est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V ;

- la croissance, par épitaxie sur ledit matériau piézoélectrique AB'0 ₃ , d'une couche monocristalline de composition A"B"0 ₃ , où

A" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H ;

B" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V ;

- la fourniture d'un substrat receveur,

- le transfert d'au moins une partie de la couche épitaxiale de composition A"B"0 ₃ sur le substrat receveur par collage du substrat donneur sur le substrat receveur par l'intermédiaire de ladite couche épitaxiale puis amincissement du substrat donneur jusqu'à ladite couche épitaxiale de composition A"B"0 ₃ .

Selon un mode de réalisation, après le transfert de la couche de composition A"B"0 ₃ sur le substrat receveur, on fait croître, par épitaxie sur ledit matériau de composition A"B"0 ₃ , une couche monocristalline de composition A"'B'"0 ₃ , où

A'" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H ;

B'" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V.

Selon un mode de réalisation, A'" est différent de A" ou B'" est différent de B".

Selon une forme d'exécution, le transfert de ladite au moins une partie de la couche épitaxiale de composition A"B"0 ₃ sur le substrat receveur comprend les étapes suivantes :

- la formation d'une zone de fragilisation dans le substrat donneur ou dans la couche épitaxiale de composition A"B"0 ₃ de sorte à délimiter une couche à transférer,

- le collage du substrat donneur sur le substrat receveur, la couche épitaxiale de composition A"B"0 ₃ étant à l'interface de collage ;

- le détachement du substrat donneur ou de la couche épitaxiale le long de la zone de fragilisation.

Selon un mode de réalisation, la zone de fragilisation est formée dans le substrat donneur et, après l'étape de transfert, on amincit la couche transférée de sorte à exposer le matériau de composition A"B"0 ₃ .

Selon un mode de réalisation, A" est différent de A' ou B" est différent de B'.

Selon un mode de réalisation, A" comprend au moins un élément en commun avec A', et/ou B" comprend au moins un élément en commun avec B'.

Selon un mode de réalisation, A" est identique à A' lorsque B" est différent de B', et B" est identique à B' lorsque A" est différent de A'.

Selon un mode de réalisation, A' est constitué d'un unique élément et B' est constitué d'un unique élément.

Selon une forme d'exécution particulière, la zone de fragilisation est formée par implantation ionique dans le substrat donneur.

De manière particulièrement avantageuse, à l'issue de l'étape d'épitaxie, l'épaisseur de la couche monocristalline de composition A"B"0 ₃ est comprise entre 0,2 et 20 μηη.

Par ailleurs, on peut former au moins une couche électriquement isolante et/ou au moins une couche électriquement conductrice à l'interface entre le substrat receveur et le substrat donneur.

Selon une forme d'exécution, ledit procédé comprend le transfert d'au moins une partie de la couche monocristalline du substrat receveur vers un substrat final. Un autre objet concerne un substrat pour un dispositif microélectronique, photonique ou optique, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat support et une couche monocristalline de composition A"B"0 ₃ sur ledit substrat support, où

A" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H ;

B" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V ;

l'un au moins de A" et B" est constitué d'au moins deux éléments,

et une couche de composition A'B'0 ₃ , où

A' est constitué d'au moins un élément parmi : Li, Na, K, H, et

B' est constitué d'au moins un élément parmi : Nb, Ta, Sb, V,

entre le substrat support et la couche de composition A"B"0 ₃ .

Selon un mode de réalisation, ledit substrat comprend en outre, sur la couche de composition A"B"0 ₃ , une couche monocristalline de composition A"B'"0 ₃ , où

A'" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H ;

B'" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V.

Un autre objet concerne un procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface comprenant le dépôt d'électrodes sur la surface d'une couche piézoélectrique monocristalline, caractérisé en ce qu'il comprend la fabrication de ladite couche piézoélectrique par un procédé tel que décrit ci-dessus.

Un autre objet concerne un dispositif à ondes acoustiques de surface caractérisé en ce qu'il comprend une couche piézoélectrique monocristalline susceptible d'être obtenue par un procédé tel que décrit ci-dessus, et deux électrodes se présentant sur la surface de ladite couche piézoélectrique monocristalline.

Un autre objet concerne un procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de volume comprenant le dépôt d'électrodes sur deux faces opposées d'une couche piézoélectrique monocristalline, caractérisé en ce qu'il comprend la fabrication de ladite couche piézoélectrique par un procédé tel que décrit ci-dessus.

Un autre objet concerne un dispositif à ondes acoustiques de volume, caractérisé en ce qu'il comprend une couche piézoélectrique monocristalline susceptible d'être obtenue par un procédé tel que décrit ci-dessus, et deux électrodes agencées sur deux faces opposées de ladite couche piézoélectrique monocristalline.

Un autre objet de l'invention concerne un micro-capteur adapté pour mesurer une déformation engendrée par une sollicitation extérieure, caractérisé en ce qu'il comprend une couche piézoélectrique monocristalline susceptible d'être obtenue par un procédé décrit précédemment

Un autre objet de l'invention concerne un micro-actuateur adapté pour engendrer une déformation d'un élément ou un déplacement d'une partie mobile grâce à l'application d'un champ électrique continu ou variable, caractérisé en ce qu'il comprend une couche piézoélectrique monocristalline susceptible d'être obtenue par un procédé décrit précédemment _.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est une vue de principe en coupe d'un filtre à ondes acoustiques de surface,

la figure 2 est une vue de principe en coupe d'un filtre à ondes acoustiques de volume,

les figures 3A à 3E illustrent des étapes successives d'un procédé de fabrication d'une couche monocristalline selon un premier mode de réalisation de l'invention ;

les figures 4A à 4E illustrent des étapes successives d'un procédé de fabrication d'une couche monocristalline selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;

la figure 4F illustre une étape additionnelle mise en œuvre dans une variante du mode de réalisation illustré aux figures 4A à 4E ;

les figures 5A à 5C illustrent des étapes ultérieures optionnelles dudit procédé. Pour des raisons de lisibilité des figures, les éléments illustrés ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle. Par ailleurs, les éléments désignés par les mêmes signes de référence sur différentes figures sont identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION

La figure 1 est une vue de principe d'un filtre à ondes acoustiques de surface.

Ledit filtre comprend une couche piézoélectrique 10 et deux électrodes 12, 13 sous la forme de deux peignes métalliques interdigités déposés sur la surface de ladite couche piézoélectrique. Du côté opposé aux électrodes 12, 13, la couche piézoélectrique repose sur un substrat support 1 1. La couche piézoélectrique 10 est monocristalline, une excellente qualité cristalline étant en effet nécessaire pour ne pas engendrer d'atténuation de l'onde de surface.

La figure 2 est une vue de principe d'un résonateur à ondes acoustiques de volume.

Le résonateur comprend une couche piézoélectrique mince (c'est-à-dire d'épaisseur généralement inférieure à 1 μηη, de préférence inférieure à 0,2 μηη) et deux électrodes 12, 13 agencées de part et d'autre de ladite couche piézoélectrique 10 qui, grâce au procédé de fabrication selon l'invention, est monocristalline. La couche piézoélectrique 10 repose sur un substrat support 1 1. Pour isoler le résonateur du substrat et éviter ainsi la propagation des ondes dans le substrat, un miroir de Bragg 14 est interposé entre l'électrode 13 et le substrat 1 1. De manière alternative (non illustrée), cette isolation pourrait être réalisée en ménageant une cavité entre le substrat et la couche piézoélectrique. Ces différentes dispositions sont connues de l'homme du métier et ne seront donc pas décrites en détail dans le présent texte.

D'une manière générale, l'invention propose la formation de la couche monocristalline, notamment piézoélectrique, au moyen d'une épitaxie sur un matériau d'un substrat donneur, servant de germe pour l'épitaxie, jusqu'à l'obtention de l'épaisseur souhaitée pour la couche monocristalline, et d'un transfert vers un substrat receveur, ledit transfert pouvant être effectué avant l'épitaxie (auquel cas une couche superficielle du substrat donneur, dite couche germe, est reportée sur le substrat receveur) ou après l'épitaxie (auquel cas au moins une partie de la couche épitaxiale est reportée sur le substrat receveur).

Le substrat donneur peut être un substrat massif monocristallin du matériau considéré. De manière alternative, le substrat donneur peut être un substrat composite, c'est-à-dire formé d'un empilement d'au moins deux couches de matériaux différents, dont une couche superficielle est constituée du matériau monocristallin considéré.

Parmi les matériaux piézoélectriques d'intérêt particulier se trouvent les matériaux perovskites et assimilés, de structure AB0 ₃ . Toutefois, l'intérêt que l'on peut porter à ces matériaux ne se limite pas à leur caractère piézoélectrique. Notamment pour d'autres applications, par exemple liées à l'optique intégrée, on pourra aussi s'y intéresser le cas échéant pour leur permittivité diélectrique, pour leurs indices de réfraction, ou encore pour leurs propriétés pyroélectriques, ferroélectriques ou encore ferromagnétiques par exemple et selon les cas.

Une grande famille se dégage. Elle dérive notamment des matériaux binaires comme LiNb0 ₃ , LiTa0 ₃ , KNb0 ₃ , KTa0 ₃ pour aboutir à une formule générale de type AB0 ₃ où A est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H et où B est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V.

Au final, on pourra résumer en considérant que A est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants parmi : Li, Na, K, H, et B est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants parmi : Nb, Ta, Sb, V.

Le substrat receveur a une fonction de support mécanique de la couche germe. Il peut être de toute nature adaptée à la mise en œuvre d'une épitaxie (notamment en termes de tenue en température) et, de manière avantageuse mais non impérative, adaptée à l'application visée. Il peut être massif ou composite.

Eventuellement, au moins une couche intermédiaire peut être intercalée entre le substrat receveur et la couche germe. Par exemple, une telle couche intermédiaire peut être électriquement conductrice ou électriquement isolante. L'homme du métier est à même de choisir le matériau et l'épaisseur de cette couche en fonction des propriétés qu'il souhaite conférer au dispositif radiofréquence destiné à comprendre la couche piézoélectrique.

De manière avantageuse, le substrat receveur peut être en matériau semiconducteur. Il peut s'agir par exemple d'un substrat en silicium. Ce matériau conducteur comprend une couche intermédiaire de type « trap-rich » (que l'on peut traduire en français par une couche à « piège de charges »), qui peut être soit formée sur le substrat receveur, soit formée en surface du substrat receveur. Ladite couche intermédiaire de type trap-rich est ainsi située entre la couche germe et le substrat receveur et permet d'améliorer les performances d'isolation électrique du substrat receveur. Ladite couche intermédiaire de type trap-rich peut être formée par au moins un des matériaux de type poly-cristallin, amorphe ou poreux, en particulier du silicium poly-cristallin, du silicium amorphe ou du silicium poreux, sans se limiter à ces matériaux. De plus, en fonction de la tenue en température de la couche intermédiaire de type trap-rich pour la réalisation de l'épitaxie, il peut s'avérer avantageux d'introduire une couche supplémentaire entre le substrat receveur et ladite couche intermédiaire de type trap-rich, afin d'éviter la recristallisation de cette dernière lors d'un traitement thermique.

Selon un premier mode de réalisation, le procédé comprend un transfert de la couche germe d'un substrat donneur sur un substrat support, suivi de l'étape d'épitaxie susmentionnée. Dans ce cas, le matériau de la couche germe est avantageusement un matériau de composition AB0 ₃ , où A est constitué d'au moins un élément parmi : Li, Na, K, H, et B est constitué d'au moins un élément parmi : Nb, Ta, Sb, V. Selon un mode de réalisation, chacun de A et B est constitué d'un unique élément. Par exemple, AB0 ₃ peut avoir pour formule Li _x1 K _1-x1 NbyiTai-yi0 ₃ , où x1 = 0 ou 1 et y1 = 0 ou 1 . Deux représentants très répandus de cette famille de matériau sont LiNb0 ₃ et LiTa0 ₃ . A moindre mesure, des substrats KNb0 ₃ et KTa0 ₃ sont également disponibles. Dans le présent texte, une telle composition est dite binaire. Un tel matériau binaire est généralement fabriqué par tirage sous la forme d'un lingot. Dans ce cas, la couche épitaxiale présente avantageusement une composition différente de la composition de la couche germe, de type A'B'0 ₃ où A' est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H; B' est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V; A est différent de A ou B' est différent de B. Pour poursuivre l'exemple précédent, A'B'0 ₃ peut avoir pour formule Li^K^ _X2 Nb _y2 Tai _-y2 0 ₃ , où 0 < x2 < 1 et 0 < y2 < 1 et où x2 est différent de x1 ou y2 est différent de y1 .

Dans le présent texte, si le nombre total des éléments constituant A et B est égal à 3, une telle composition est dite ternaire ; dans le cas où le nombre total des éléments constituant A et B' est égal à 4, une telle composition est dite quaternaire. Contrairement aux matériaux binaires, de tels matériaux ternaires ou quaternaires ne sont pas, sauf exception, obtenus par tirage d'un lingot mais doivent être obtenus par épitaxie sur un support adéquat pour être de qualité suffisante aux dimensions désirées.

Dans le premier mode de réalisation, on préférera un matériau de composition AB0 ₃ binaire et un matériau de composition A'B'0 ₃ ternaire (voire davantage). Plus particulièrement, on préférera les compositions AB0 ₃ et AB'0 ₃ précédentes dans lesquelles A' comprend au moins un élément en commun avec A, et/ou B' comprend au moins un élément en commun avec B, cet élément en commun étant avantageusement majoritaire dans la composition de A ou B. De manière davantage préférée, on choisira les compositions AB0 ₃ et A'B'0 ₃ précédentes dans lesquelles A' est identique à A lorsque B' est différent de B, et B' est identique à B lorsque A' est différent de A. Eventuellement, A' peut être sensiblement identique à A, ou B' sensiblement identique à B, lorsque la teneur en un élément majoritaire de A ou B varie légèrement (par exemple, lorsque A est Li et A est Li ₀ ,9Na ₀ ,i ou encore lorsque B est Ta ₀ ,5Nb ₀ ,5 et B' est Ta ₀ ,6Nb ₀ ,4)-

Selon un second mode de réalisation, l'étape d'épitaxie est réalisée avant l'étape de transfert. Dans ce cas, le matériau du substrat donneur faisant fonction de germe pour l'épitaxie est un matériau de composition A'B'0 ₃ où A' est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H; B' est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V. Dans ce cas, la couche épitaxiale présente une composition de type A"B"0 ₃ où A" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H; B" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V.. Par exemple, la couche germe présente une composition Li _x1 K _1-x1 Nb _y iTai- _y i0 ₃ , où 0 < x1 < 1 et 0 < y1 < 1 et la couche épitaxiale présente une composition Li _X2 K _1-x2 Nby ₂ Tai-y ₂ 0 ₃ , où 0 < x2 < 1 et 0 < y2 < 1. Eventuellement, le matériau de la couche épitaxiale peut être identique à celui de la couche germe (en d'autres termes, A' est identique à A" et B' est identique à B", c'est-à-dire, dans l'exemple précité, x1 = x2 et y1 = y2). De manière alternative, le matériau de la couche épitaxiale est différent de celui de la couche germe (en d'autres termes, A' est différent de A" ou B' est différent B", c'est-à-dire, dans l'exemple précité, x1 est différent de x2 ou y1 est différent de y2).

Dans le second mode de réalisation, on préférera un matériau de composition A'B'0 ₃ binaire et un matériau de composition A"B"0 ₃ ternaire (voire davantage). Plus particulièrement, on préférera les compositions A'B'0 ₃ et A"B"0 ₃ précédentes dans lesquelles A" comprend au moins un élément en commun avec A', et/ou B" comprend au moins un élément en commun avec B', cet élément en commun étant avantageusement majoritaire dans la composition de A ou B. De manière davantage préférée, on choisira les compositions A'B'0 ₃ et A"B"0 ₃ précédentes dans lesquelles A" est identique à A' lorsque B" est différent de B', et B" est identique à B' lorsque A" est différent de A'. Eventuellement, A' peut être sensiblement identique à A, ou B' sensiblement identique à B, lorsque la teneur en un élément majoritaire de A ou B varie légèrement (par exemple, lorsque A est Li et A' est Li ₀ ,9Na ₀ ,i ou encore lorsque B est Ta ₀ ,5Nb ₀ ,5 et B' est Ta ₀ ,6Nb ₀ ,4)-

Selon une variante du second mode de réalisation, le procédé comprend en outre, après l'étape de transfert, une reprise d'épitaxie sur la couche transférée, de sorte à former une couche monocristalline de composition A"'B"'0 ₃ où A'" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Li, Na, K, H; B'" est constitué d'un ou plusieurs des éléments suivants : Nb, Ta, Sb, V. Par exemple, la composition de ladite couche épitaxiale additionnelle est de type Li _X 3K _1-x3 Nby3Tai-y303, où 0 < x3 < 1 et 0≤ y3≤ 1 . De préférence, x3 est différent de x2 ou y3 est différent de y2 (autrement dit, de manière plus générale, A'" est différent de A" ou B'" est différent de B").

Ainsi, l'invention permet notamment de former une couche mince d'un composé A'B'0 ₃ , A"B"0 ₃ , ou A"'B'"0 ₃ qui présente une excellente qualité cristalline, au moins égale à celle des substrats massifs des matériaux binaires de cette famille, avec une épaisseur contrôlée dans une large gamme d'épaisseur, et notamment pour une épaisseur inférieure à 20 μηι, et une grande diversité de propriétés ajustées grâce à la composition du matériau.

L'épitaxie peut être réalisée par toute technique appropriée, notamment par dépôt chimique en phase vapeur (CVD, acronyme du terme anglo-saxon « Chemical Vapor Déposition »), épitaxie en phase liquide (LPE, acronyme du terme anglo-saxon « Liquid Phase Epitaxy »), dépôt par laser puisé (PLD, acronyme du terme anglo-saxon « Pulsed Laser Déposition »), etc. Pour les matériaux considérés ici, on pourra par exemple se référer aux publications [2], [3], [4], [5], [6].

L'homme du métier est en mesure de déterminer les réactifs et les conditions opératoires en fonction du matériau à faire croître et de la technique choisie.

La composition des matériaux des différentes couches est ajustée, à travers le choix des éléments constituant A, A, A" et/ou A'" et B, Β', B" et/ou B'" et leur stœchiométrie au regard des propriétés visées (par exemple, selon l'application : facteur de couplage piézoélectrique, indice de réfraction, etc.) mais également en tenant compte de la nécessité de respecter une cohérence des paramètres de maille cristalline des matériaux des couches épitaxiées et de leur support d'épitaxie. L'adaptation des paramètres de maille dans le domaine de l'épitaxie est connue de l'homme de l'art.

Il est entendu qu'en complément des différentes couches épitaxiales décrites, des couches épitaxiales additionnelles peuvent être ajoutées, notamment des couches tampons (« buffer layer » en terminologie anglo-saxonne) visant à maîtriser l'évolution des paramètres de maille ou des contraintes emmagasinées, ou encore des couches visant à fournir des couches d'arrêt de gravure sélective.

Le transfert de la couche germe (ou, respectivement, de la couche épitaxiale) implique typiquement une étape de collage du substrat donneur et du substrat receveur, la couche germe (respectivement épitaxiale) étant située à l'interface de collage, puis une étape d'amincissement du substrat receveur de sorte à exposer la couche germe (respectivement épitaxiale).

De manière particulièrement avantageuse, le transfert est réalisé selon le procédé Smart Cut™ qui est bien connu pour le transfert de couches minces semi-conductrices, notamment de silicium.

A cet effet, selon le premier mode de réalisation, en référence à la figure 3A, on fournit un substrat donneur 100 d'un matériau de composition binaire AB0 ₃ , et l'on forme, par implantation ionique (schématisée par les flèches), une zone de fragilisation 101 qui délimite une couche monocristalline 102 à transférer, destinée à former la couche germe. Sur cette figure, le substrat donneur 100 est représenté massif mais, comme indiqué plus haut, il pourrait éventuellement être composite. De manière avantageuse et selon le matériau piézoélectrique considéré, les espèces implantées sont de l'hydrogène et/ou de l'hélium. L'homme du métier est à même de déterminer la dose et l'énergie d'implantation de ces espèces pour former la zone de fragilisation à une profondeur déterminée, qui est typiquement inférieure à 2 m : typiquement et toujours selon le matériau et l'espèce implantée considérés, la dose est dans la gamme de 2 E+16 à 2 E+17 espèce ionique/cm ² , et l'énergie d'implantation est de 30 keV à 500 keV. La couche fragilisée enterrée peut également être obtenue par tout autre moyen connu de l'homme du métier, par exemple par porosification du matériau, ou encore par irradiation laser.

En référence à la figure 3B, on colle le substrat donneur 100 ainsi fragilisé sur le substrat receveur 1 10, la surface du substrat donneur au travers de laquelle l'implantation a été réalisée étant à l'interface de collage. Eventuellement, avant le collage, le substrat donneur et/ou le substrat receveur peuvent être recouverts d'une couche électriquement isolante ou électriquement conductrice (non illustrée), qui se trouvera intercalée entre le substrat receveur et la couche germe après le transfert.

En référence à la figure 3C, on effectue un détachement du substrat donneur 100 le long de la zone de fragilisation 101 . Un tel détachement peut être obtenu par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple thermique, mécanique, chimique, etc. On récupère ensuite le reliquat du substrat donneur, qui peut éventuellement être recyclé, ce qui permet de transférer la couche 102 sur le substrat receveur 1 10.

En référence à la figure 3D, on peut, de manière optionnelle, retirer une partie superficielle de la couche 102 transférée, par exemple par polissage mécanique et/ou par gravure chimique. Ce retrait de matière a pour but d'éliminer d'éventuels défauts liés à l'implantation et au détachement dans le voisinage de la zone de fragilisation. A l'issue de ce retrait, on obtient une couche 102 amincie sur le substrat receveur 1 10, qui servira de couche germe pour l'étape d'épitaxie suivante. De manière alternative, la couche transférée 102 de la figure 3C peut être directement utilisée comme couche germe pour l'épitaxie.

En référence à la figure 3E, on fait croître par épitaxie une couche monocristalline 103 de composition A'B'0 ₃ , sur la couche germe 102, le matériau de la couche épitaxiale 104 étant différent de celui de la couche germe 102. Ainsi, la couche germe 102 impose son paramètre de maille et permet la croissance d'un matériau monocristallin de bonne qualité. La croissance est stoppée lorsque l'épaisseur souhaitée pour la couche monocristalline est atteinte. La couche 10 finale est formée de l'empilement de la couche germe 102 et de la couche épitaxiale 103. Eventuellement, la composition de la couche épitaxiale 103 peut varier sur son épaisseur, soit de manière graduelle, soit de manière discontinue.

Comme on le voit sur la figure 3E, on obtient, à l'issue du procédé qui vient d'être décrit, un substrat pour un dispositif à ondes acoustiques de surface ou un dispositif à ondes acoustiques de volume, qui comprend un substrat receveur 1 10 et une couche monocristalline 10 sur ledit substrat receveur 1 10.

La couche 10 comprend :

- une première portion 102 située à l'interface avec le substrat receveur 1 10, correspondant à la couche germe,

- une seconde portion 103 s'étendant à partir de la première portion 102, correspondant à la couche épitaxiale, en un matériau de composition A'B'0 ₃ , ledit matériau pouvant être au moins ternaire.

Ce substrat est avantageusement utilisé pour fabriquer un dispositif à ondes acoustiques de surface tel qu'illustré à la figure 1 ou un dispositif à ondes acoustiques de volume tel qu'illustré à la figure 2, ou encore d'autres dispositifs pour la microélectronique, la photonique ou l'optique intégrée.

La couche germe présente typiquement une épaisseur inférieure à 2 μηι, de préférence inférieure à 1 μηη.

L'épaisseur de la couche épitaxiale dépend des spécifications du dispositif destiné à incorporer la couche monocristalline. A cet égard, l'épaisseur de la couche épitaxiale n'est pas limitée ni en termes de valeur minimale ni de valeur maximale. A titre purement indicatif, le tableau ci-dessous donne des combinaisons d'épaisseur de la couche germe et de la couche épitaxiale :

Les figures 4Α à 4Ε illustrent les principales étapes du procédé selon le second mode de réalisation, dans lequel l'épitaxie est mise en œuvre avant le transfert.

En référence à la figure 4A, on fournit un substrat donneur 100 comprenant un matériau piézoélectrique de composition A'B'0 ₃ . Ledit substrat donneur peut être massif (comme illustré sur la figure 4A) ou composite ; dans ce dernier cas, il comprend une couche superficielle de composition A'B'0 ₃ . Tel est le cas notamment lorsque ledit matériau est au moins ternaire, dans la mesure où il n'existe pas de lingots constitués d'un tel matériau. On fait alors croître, par épitaxie sur ledit matériau A'B'0 ₃ , une couche monocristalline 103 de composition A"B"0 ₃ le matériau de composition A'B'0 ₃ servant de germe à l'épitaxie. Le matériau de la couche épitaxiale 103 peut être identique ou différent du matériau du substrat donneur 100.

On forme ensuite une zone de fragilisation dans le substrat donneur 100 ou dans la couche épitaxiale 103 de composition A"B"0 ₃ de sorte à délimiter une couche à transférer. La zone de fragilisation peut être formée par implantation d'espèces ioniques (schématisée par les flèches sur la figure 4B).

Dans l'exemple illustré sur la figure 4B, la zone de fragilisation 101 est formée dans le substrat donneur 100, sous la couche épitaxiale 103. La couche à transférer est dans ce cas constituée de la couche épitaxiale 103 dans son intégralité et d'une portion 100' du substrat donneur 100.

Selon un autre mode de réalisation (non illustré), la zone de fragilisation est formée dans la couche 103. La couche à transférer est dans ce cas constituée de la portion s'étendant entre la surface libre de la couche 103 et la zone de fragilisation 101 .

En référence à la figure 4C, on colle le substrat donneur sur le substrat receveur 1 10, la couche épitaxiale 103 de composition A"B"0 ₃ étant à l'interface de collage.

En référence à la figure 4D, on effectue un détachement du substrat donneur 100 le long de la zone de fragilisation 101 de sorte à récupérer le reliquat du substrat donneur et transférer la couche constituée de l'empilement 103, 100' sur le substrat receveur 1 10.

En référence à la figure 4E, on retire au moins une partie superficielle de la couche transférée. Ce retrait vise à éliminer au moins la portion 100' et éventuellement une partie de la couche 103, de sorte à exposer le matériau de composition A"B"0 ₃ .

La couche 103 ainsi obtenue peut alors être utilisée pour la fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface ou à ondes acoustiques de volume.

Selon une variante de ce second mode de réalisation, on réalise une étape supplémentaire, illustrée sur la figure 4F, consistant en une reprise d'épitaxie mise en œuvre sur la couche 103 de composition A"B"0 ₃ , de sorte à former une couche monocristalline supplémentaire 104 de composition A"'B'"0 ₃ . Le matériau de ladite couche supplémentaire 104 peut être identique à celui de la couche 103, auquel cas cette dernière étape d'épitaxie résulte en un épaississement de la couche 103 (la couche 104 n'étant schématisée de manière distincte de la couche 103 que pour permettre de la visualiser, mais ne se distinguant pas dans la couche finale, si ce n'est éventuellement par sa qualité). De manière alternative, la couche supplémentaire 104 est en un matériau différent de celui de la couche 103. L'épaisseur de la couche 103 et, le cas échéant, de la couche 104, est choisie en fonction des spécifications du dispositif radiofréquence destiné à incorporer ladite couche. L'épaisseur de la couche 103 est typiquement comprise entre 0,05 et 2 μηι. L'épaisseur de la couche 104 est typiquement comprise entre 0,5 et 20 μηι.

Quel que soit le mode de réalisation, de manière alternative (non illustrée) au procédé Smart Cut™, le transfert peut être réalisé, après le collage du substrat donneur et du substrat receveur, par enlèvement de matière, par exemple par polissage mécanique et/ou gravure chimique du substrat donneur jusqu'à exposer la couche germe. Cette variante est moins avantageuse dans la mesure où elle implique une consommation du substrat donneur, alors que le procédé Smart Cut™ permet un recyclage éventuel du substrat donneur. En revanche, cette variante ne nécessite pas d'implantation au sein du substrat donneur.

Comme on le voit sur les figures 4E et 4F, on obtient, à l'issue du procédé selon le deuxième mode de réalisation, un substrat pour un dispositif à ondes acoustiques de surface ou un dispositif à ondes acoustiques de volume, qui comprend un substrat receveur 1 10 et une couche monocristalline 103 de composition A"B"0 ₃ sur ledit substrat receveur 1 10 et, le cas échéant, une couche 104 de composition A"'B'"0 ₃ sur la couche 103.

Ce substrat est avantageusement utilisé pour fabriquer un dispositif à ondes acoustiques de surface tel qu'illustré à la figure 1 ou un dispositif à ondes acoustiques de volume tel qu'illustré à la figure 2, la couche 103 ou, le cas échéant, l'ensemble des couches 103 et 104, correspondant à la couche 10 des figures 1 et 2, ou encore tout autre dispositif microélectronique, photonique ou optique comprenant une couche.

Dans certains cas, le substrat receveur sur lequel a eu lieu la croissance épitaxiale peut ne pas être optimal pour l'application finale. En effet, le substrat receveur devant subir les conditions opératoires de l'épitaxie, le choix de matériaux adaptés est limité. Notamment, le substrat receveur ne peut contenir de couches ou d'éléments susceptibles d'être endommagés par la température d'épitaxie. Il peut alors être avantageux de transférer la couche 10 sur un substrat final 1 1 1 dont les propriétés sont choisies en fonction de l'application visée, en la collant sur ledit substrat 1 1 1 par l'intermédiaire de la surface de la couche épitaxiale 103 (cf. figure 5A) (ou 104 le cas échéant), et en retirant le substrat receveur (cf. figure 5B). Ce transfert peut être réalisé par toute technique de transfert mentionnée plus haut. Un autre avantage de ce transfert sur un substrat final est que la couche germe 102, qui était enterrée dans la structure issue de l'épitaxie, est alors exposée et peut éventuellement être retirée (cf. figure 5C), notamment dans le cas où elle présenterait des défauts. Seule la couche épitaxiale 103 (et, le cas échéant, la couche 104) (ou une partie de ladite couche) présentant les caractéristiques souhaitées reste alors sur le substrat final 1 1 1 . Dans le cas où l'on souhaite fabriquer un dispositif à ondes acoustiques de surface, on dépose, sur la surface de la couche 10 opposée au substrat receveur 1 10 ou, le cas échéant, au substrat final (qu'il s'agisse du substrat receveur 1 10 ou du substrat final 1 1 1 , ledit substrat forme le substrat support noté 1 1 sur la figure 1 ), des électrodes métalliques 12, 13 sous la forme de deux peignes interdigités.

Dans le cas où l'on souhaite fabriquer un dispositif à ondes acoustiques de volume, une adaptation du procédé décrit ci-dessus doit être effectuée. D'une part, on dépose, avant l'étape de collage illustrée sur la figure 3B, une première électrode sur la surface libre de la couche 102 à transférer du substrat donneur, cette première électrode (référencée 13 sur la figure 2) se trouvant enterrée dans l'empilement final. Après l'étape de croissance épitaxiale illustrée sur la figure 3E, on dépose une seconde électrode (référencée 12 sur la figure 2) sur la surface libre de la couche 10, opposée à la première électrode. Une autre option est de transférer la couche sur un substrat final comme mentionné plus haut et de former les électrodes avant et après ledit transfert. D'autre part, pour éviter la propagation des ondes acoustiques dans le substrat receveur 1 10, on peut intégrer à celui-ci un moyen d'isolation pouvant être, par exemple, un miroir de Bragg (comme illustré sur la figure 2) ou une cavité préalablement gravée dans le substrat 1 10 ou dans le substrat final 1 1 1 le cas échéant.

Quel que soit le mode de réalisation retenu, le procédé selon l'invention permet de former une couche monocristalline non seulement binaire mais aussi ternaire ou quaternaire et offre ainsi un plus grand choix de propriétés pour ladite couche que les matériaux traditionnellement employés pour les dispositifs à ondes acoustiques de surface ou à ondes acoustiques de volume. On favorise ainsi l'obtention d'un compromis satisfaisant entre coefficient de couplage et rendement électromécanique du matériau piézoélectrique.

Un autre domaine d'applications particulièrement visé par le développement de telles solutions de matériaux piézoélectriques est celui des micro-capteurs et des micro- actuateurs. Pour les micro-capteurs, il s'agira en général de mesurer une déformation engendrée par une sollicitation extérieure. Pour les micro-actuateurs, au contraire on cherchera à engendrer la déformation d'un élément ou le déplacement d'une partie mobile grâce à l'application d'un champ électrique, continu ou variable. L'utilisation du matériau piézoélectrique permet de relier déformation mécanique et signal électrique. En acoustique par exemple, la sollicitation extérieure est une onde de pression qui vient déformer une membrane. Elle peut être dans le spectre audible, et les objets typiquement visés sont les microphones (en mode capteur) et les haut-parleurs (en mode actuateur). Elle peut aller au-delà en fréquence, par exemple pour la réalisation de microtransducteurs ultrasons piézo (en terminologie anglo-saxonne PMUT pour Piezo Micromachined Ultrasonic Transducers). Il peut également s'agir de capteurs de pression statique ou encore de capteurs inertiels (capteurs d'accélération, gyroscopes, etc..) pour lesquels le déplacement d'une masse mobile mise en mouvement par une accélération subie est mesurée grâce au matériau piézoélectrique. Le matériau piézoélectrique compose l'intégralité de l'élément déformé (membrane, poutre, cantilever, etc..) ou avantageusement une partie seulement de celui-ci en l'empilant avec d'autres matériaux comme le silicium par exemple, pour mieux assurer les propriétés mécaniques de la partie déformable. Dans la catégorie actuateurs, les matériaux piézoélectriques peuvent commander un déplacement très précis et servent par exemple à expulser l'encre de cartouches d'impression, ou de systèmes micro-fluidiques ou encore à ajuster une distance focale d'un microsystème optique.

REFERENCES

[1 ] W. Steichen et S. Ballandras, « Composants acoustiques utilisés pour le filtrage - Revue des différentes technologies », Techniques de l'Ingénieur, E2000, 2008

[2] Thèse de doctorat (Dipl. Phys. ETH Zurich), « K _1-y NayTai _-x Nb0 ₃ thin film

Electro-optics » (Diss. ETH No. 17275)

[3] L. S. Hung, J. A. Agostinelli, J. M. Mir, and L. R. Zheng," Epitaxial nonlinear optical films of LiTa03 grown on GaAs in waveguide form », Appl. Phys. Lett. 62 (24), 14 June 1993, p 3071

[4] E. Dogheche_ and D. Remiens, S. Shikata, A. Hachigo, and H. Nakahata ,

"High-frequency surface acoustic wave devices based on LiNb03 /diamond multilayered structure", APPLIED PHYSICS LETTERS 87, 213503, 2005

[5] A. Bartasyte, V. Plausinaitiene, A. Abrutis, T. Murauskas, P. Boulet, S. Margueron, J. Gleize, S. Robert, V.Kubilius, and Z. Saltyte, "Residual stresses and clamped thermal expansion in LiNb03 and LiTa03 thin films", APPLIED PHYSICS LETTERS 101 , 122902 (2012)

[6] Letters to Nature, Nature 432, 84-87 (4 November 2004) doi:10.1038/nature03028; « Lead-free piezoceramics », Yasuyoshi Saito, Hisaaki Takao, Toshihiko Tani, Tatsuhiko Nonoyama, Kazumasa Takatori, Takahiko Homma, Toshiatsu Nagaya & Masaya Nakamura