Contribution à l'étude de procédés de réalisation de structures métal PZT métal sur silicium pour

Million Cyril

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Chapitre V - Technologie pour la réalisation de démonstrateurs et mesure du coefficient piézoélectrique d 31 Chapitre V Technologie pour la réalisation de démonstrateurs et mesure du coefficient piézoélectrique d 31 Résumé : Après avoir optimisé le procédé de dépôt de l'électrode inférieure et celui du matériau piézoélectrique, nous présentons dans ce chapitre l'enchaînement d'étapes technologiques conduisant à la réalisation de démonstrateurs et à leurs caractérisations piézoélectriques. 161 Chapitre V - Technologie pour la réalisation de démonstrateurs et mesure du coefficient piézoélectrique d 31 V.1. Introduction Une fois le procédé d'élaboration optimisé, il est important de montrer qu'il est compatible avec toutes les étapes technologiques nécessaires à la réalisation de démonstrateurs. Nous allons détailler ces étapes technologiques qui font en particulier intervenir la structuration des électrodes et du PZT par des techniques de lift-off et de gravure. Ces procédés de réalisation seront les mêmes quelle que soit l'application visée, seuls les masques changeront. Puis nous nous servirons de cette technologie pour réaliser des poutres servant à mesurer le coefficient d de notre matériau. En effet, bien qu'un matériau 31ferroélectrique soit forcément piézoélectrique, il est important de pouvoir le mesurer. Nous allons présenter les différentes méthodes de caractérisation existantes en insistant sur la méthode de ...

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Chapitre V - Technologie pour la réalisation de démonstrateurs et mesure du coefficient piézoélectrique d 31  

                 

Chapitre V Technologie pour la réalisation de démonstrateurs et mesure du coefficient piézoélectrique d 31  

  Résumé :       Après avoir optimisé le procédé de dépôt de l'électrode inférieure et celui du matériau piézoélectrique, nous présentons dans ce chapitre l'enchaînement d'étapes technologiques conduisant à la réalisation de démonstrateurs et à leurs caractérisations piézoélectriques.

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V.1. Introduction    Une fois le procédé d'élaboration optimisé, il est important de montrer qu'il est compatible avec toutes les étapes technologiques nécessaires à la réalisation de démonstrateurs. Nous allons détailler ces étapes technologiques qui font en particulier intervenir la structuration des électrodes et du PZT par des techniques de lift-off et de gravure. Ces procédés de réalisation seront les mêmes quelle que soit l'application visée, seuls les masques changeront. Puis nous nous servirons de cette technologie pour réaliser des poutres servant à mesurer le coefficient d 31  notre matériau. En effet, bien qu'un matériau de ferroélectrique soit forcément piézoélectrique, il est important de pouvoir le mesurer. Nous allons présenter les différentes méthodes de caractérisation existantes en insistant sur la méthode de détermination du coefficient d 31 optimisée au laboratoire. Elle consiste à mesurer le coefficient d 31 du PZT au moyen d'un dépôt de ce matériau sur une poutre en silicium que l'on fera vibrer dans son mode fondamental. Nous présenterons les résultats des mesures de ce coefficient et, dans un dernier point, nous montrerons la possibilité de réalisation, avec notre procédé d'élaboration optimisé au chapitre IV, d'un autre démonstrateur : une membrane vibrante actionnée par une couche mince de PZT.     

V.2. Etapes technologiques pour la réalisation de démonstrateurs    Nous avons vu au paragraphe IV.4.3.2, page 140, certaines étapes technologique qui sont, en vue de la réalisation de démonstrateurs, complétées par des contacts déportés et la mise en forme (design) du PZT. De plus ces étapes rendent compte de l'intégration possible des structures à base de PZT. La première partie montre le travail sur la structuration du PZT et la deuxième présente la structuration des électrodes et de la silice.

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V.2.1 Etude de l'attaque chimique pour la structuration du PZT.     Pour cette étude, nous avons choisi un motif présentant différentes dimensions et des angles droits afin de tester la gravure sur des formes géométriques un peu plus complexes que des cercles ou des carrées (voir Figure V-1-a). Nous avons répertorié plusieurs acides ou mélange d'acides dans la littérature afin de graver le PZT (l'acide fluorhydrique, l'acide nitrique). Pour des raisons de coût, de sécurité et surtout de compatibilité avec la résine, nous avons opté pour l'acide chlorhydrique (HCl). Dans un premier temps, nous avons montré que le PZT doit être gravé avant le recuit. En effet, si l'électrode inférieure a déjà été structurée, alors le dépôt de PZT recouvre l'électrode inférieure et le SiO 2 . Lors du recuit, le PZT forme un composé avec le SiO 2 qui ne peut pas être attaqué par une solution d'HCl. Les résultats en terme de température de la solution d'attaque (acide chlorhydrique) montrent que la vitesse de gravure évolue de 40 nm.s -1 à température ambiante jusqu'à 1µm.s -1 à 90°C. La Figure V-1-b montre un détail du motif test avec en pointillé les dimensions initiales de la résine après son développement. C'est le phénomène de surgravure qui est à l'origine de cette différence entre les dimensions initiales données à la résine et celles du motif une fois gravé. Nous avons fait varier la température, la concentration en acide et le temps de gravure. Le meilleur compromis entre la gravure totale du PZT non masqué par la résine et la surgravure la plus faible possible aux endroit masqués, nous donne : une concentration en HCl de 35%, une température de la solution d'attaque de 20°C et un temps de gravure de 45 secondes (voir Figure V-1-b). La surgravure est alors de l'ordre de 8% qui peuvent être ratrappés par une taille de masque plus grande. L'évolution de cette surgravure en fonction du temps est représentée sur la Figure V-2. Nous voyons qu'un temps de gravure supérieur à 60 secondes devient critique pour les motifs les plus fins.

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Pt

Chapitre V - Technologie pour la réalisation de démonstrateurs et mesure du coefficient piézoélectrique d 31                     (a)      Figure V-1 - Motif test utilisé pour mesurer la vitesse de gravure du PZT (a) et PZT (en foncé) après gravure avec en pointillé la forme du masque initial donnée à la résine (b)  

500µm (b) 20µm

PZT

PZT

PZT

Résine 40 m  (c)  40 m

Résine (a)  20µ  b)( m    Figure V-2 - Effet de la sur-gravure, le masque en résine n'a pas encore été enlevé et l'on voit par transparence le PZT en dessous. Ces prises de vues correspondent à 45 s. pour (a), 60 s. pour (b) et 75 s. pour (c) dans la solution de gravure     V.2.2  Structuration des électrodes et de la silice par lift-off     La technique lift-off est maintenant bien connue, son principe permet de s'affranchir d'un agent de gravure. En effet, surtout pour les métaux, il existe beaucoup de solutions d'attaque qui ne sont pas forcément compatibles avec les autres dépôts. Pour réaliser un lift- off, le substrat est recouvert d'une résine négative ouverte à certains endroits par

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photolithogravure. Ensuite le dépôt est réalisé puis le substrat est placé dans une solution qui dissout la résine. Les détails de cette technique se trouvent sur la Figure V-3. La résine négative est étalée sur la plaquette de silicium à la tournette (Figure V-3-a). Elle est ensuite insolée à travers un masque (Figure V-3-b). Après un recuit nommé "soft bake", la résine insolée devient insoluble dans le développeur (Figure V-3-c). Il se forme alors un profil en forme de casquette qui est dû aux effets de bords. Après le dépôt et le passage dans un solvant approprié, il ne reste que le métal aux endroits précédemment masqués (Figure V-3-d et e).

  Figure V-3 - étapes technologiques nécessaires au lift-off. (a) La résine est d'abord étalée, puis (b) elle est insolée au travers d'un masque. Après un recuit et un développement (c), le profil en forme de casquette apparaît. Il ne reste plus qu'à réaliser le dépôt (d) et enlever la résine pour avoir le motif voulu (e).    Grâce à ces différentes techniques de gravure et de masquage pendant les dépôts, nous avons pu réaliser des séries de masques et ainsi obtenir une micro poutre avec une couche de PZT prise entre deux contacts déportés afin d'extraire le coefficient d 31 du PZT. La Figure V-4 montre la réalisation de ces poutres sur une plaquette de Si de 2 pouces. Cette plaquette est découpée et donne ainsi deux poutres comportant chacune trois motifs de test. Les détails technologiques pour la réalisation de cette poutre se trouvent en annexe I.  

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  Figure V-4 - Photographie de la face avant avec toutes les étapes technologiques réalisées

V.3. Présentation des différentes techniques de caractérisation du coefficient d 31      Comme nous l'avons dit au paragraphe II.3, les coefficients piézoélectriques pour les films minces sont assez difficiles à mesurer, les raisons sont que les films ont des épaisseurs très inférieures à celles des substrats, il en résulte que la relation entre la contrainte et la déformation des films est en grande partie imposée par le substrat. Ainsi, la décorrélation des effets dus au film (coefficients de compliance et coefficients piézoélectriques) et ceux dus au substrat est assez difficile. La solution adoptée dans la littérature est d'utiliser la matrice des coefficients de compliance du substrat afin d'estimer les propriétés piézoélectriques du film mince.  La matrice piézoélectrique possède trois coefficients indépendants notés d 15 , d 33 et d 31   (voir le paragraphe I.5.1). Dans le cas des couches minces, comme son nom l'indique, les longueurs et largeurs peuvent être plusieurs milliers de fois supérieures à l'épaisseur. Le champ électrique appliqué ne peut donc être que parallèle à l'épaisseur, or le coefficient d 31   relie la déformation mécanique dans le plan lorsqu'un champ électrique est appliqué suivant la normale à ce plan. Le d 33 à lui, la déformation normale au plan pour le caractérise, quant 167

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même champ électrique que précédemment. le coefficient piézoélectrique d 31  donc le est mieux adapté dans le cas de la déflexion d'une membrane ou de celle d'une micro poutre actionnée par un film mince de PZT pris en sandwich entre deux électrodes 1 . C'est un nombre négatif, qui multiplié par le champ électrique normal au plan, donne la contraction ou la dilatation latérale du film polarisé. Ceci résulte de l'effet inverse de la piézoélectricité qui courbe de manière convexe ou concave selon le sens du champ électrique la membrane ou la poutre qui soutient le PZT. La mesure des coefficients d ij du PZT à partir de l'effet réciproque est très délicate, en effet, elle nécessite la mesure d'un déplacement très faible pour un film mince de PZT sur un substrat épais dont les caractéristiques sont bien connues. Grâce à l'interférométrie optique K. Tsuchiya et al 2 ont mesuré le coefficient d 33  film mince de d'un . 500 nm de PZT, sur un substrat en invar a mesure donne un coefficient proche de celui. Cette du PZT massif (d 33 massif = 450 pC.N -1 ). Des travaux moins récents (Ph. Luginbuhlet al.   3 ) sur poutre de silicium en régime quasi-statique donnent une valeur de d 31  pour un film de PZT déposé par CSD (voir le paragraphe III.3.1) qui se rapproche du tiers de la valeur du PZT massif (d 31massif = -93 pC.N -1 132 ). Une autre façon de caractériser le PZT est d'utiliser l'effet direct, à savoir qu'une sollicitation mécanique engendre l'apparition de charges électriques sur les faces du PZT. Afin de mesurer les coefficients d ij , les auteurs utilisent souvent la méthode de la poutre vibrante libre. Il s'agit d'une poutre, le plus souvent en silicium sur laquelle deux électrodes déportées prennent en sandwich un film de PZT. Un vérin piloté par ordinateur ou une pointe montée sur une cale piézoélectrique applique une force sur l'extrémité libre de la poutre, il en résulte une déformation. De manière rapide, la force cesse d'être appliquée ce qui entraîne la vibration de la poutre à la fréquence de résonance du mode fondamental de flexion. Le PZT réagit à ces oscillations et un signal électrique de même fréquence que celle de la poutre est récupérée soit sur un oscilloscope soit sur un ordinateur. Une fois le signal enregistré, plusieurs méthodes fournissent le coefficient d 31  ou e 31 . Par exemple E. Cattanet al.   4 ont appliqué la méthode du premier maximum afin d'évaluer le coefficient effectif e 31 . Une autre méthode prend en considération la totalité du signal en sortie du PZT, cette méthode détaillée plus loin se nommant méthode de l'intégrale 5 est utilisée au sein du laboratoire. Elle a permis, lors d'un précédent travail, de mesurer un coefficient d 31  des sur film de PZT allant de -15 pC.N -1  juste après polarisation à environ -8 pC.N -1  après une stabilisation.

                                                  a  Invar : alliage constitué de nickel pour 42% et de fer pour 58%

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V.3.1 Choix de la technique de caractérisation au laboratoire     Comme dit précédemment, nous possédons au laboratoire les outils technologiques nécessaires à la réalisation d'un démonstrateur pour mesurer le coefficient piézoélectrique d 31   du PZT déposé en couche mince. Cette méthode de mesure nommée méthode de l'intégrale a été mise au point par E. Defaÿ au laboratoire 134 . Il nous a semblé plus approprié, en raison du bruit de mesure (rapport signal/bruit faible), de travailler sur la totalité du signal électrique plutôt que sur la valeur du premier maximum. De plus l'expérience que nous avons au sein du laboratoire a montré que cette méthode permet d'obtenir le coefficient d 31 en se passant de la détermination de coefficient difficiles à mesurer (résistance de fuite, capacité,).    

V.4. Extraction du coefficient d 31 par la méthode de l'intégrale    Cette méthode de l'intégrale a été développée par E. Defaÿ 134 . Le modèle électrique développé prend en compte la théorie des petites déformations où l'effet piézoélectrique peut être considéré comme linéaire. Les hypothèses simplificatrices introduites dans la méthode de calcul ont un domaine de validité qui a été démontré dans un précédent travail 134 . Ces hypothèses sont les suivantes : •Les déformations sont continues à l'interface PZT-Substrat •La poutre de silicium impose sa déformation au film de PZT •Contraintes en cisaillement T 4 , T 5 , T 6 négligeables par rapport à T 1 et T 2 dans le plan • subit aucune contrainte (déplacement libre)La surface supérieure du PZT neÎT 3 =0 •Champ électrique transversal E 3 principal par rapport à E 1 et E 2   •Contraintes et déformations constantes le long de l'épaisseur du PZT   Electrode su érieure Vers l'extrémité de la outre   PZT Electrode  inférieure      l'encastremen Vers  outreSubstrat de Si formant la   3    Figure V-5 - Axes et représentation de la poutre de Si 1 2

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  En partant des équations de la piézoélectricité, nous pouvons écrire que :    + le déplacement électrique en fonction de la contrainte et du champ est : D 1 =d 15 T 5 +ε t 11 E 1    D 2 =d 15 T 4 +ε t 11 E 2   D 3 =d 31 (T 1 +T 2 )+d 3 T+ε t E 3 3 33    + la déformation en fonction de la contrainte et du champ est : S 1 =s 1 E 1 T 1 +s 1 E 2 T 2 +s 1 E 3 T 3 +d 31 E 3 S 2 =s 1 E 2 T 1 +s 1 E 1 T 2 +s 1 E 3 T 3 +d 31 E 3 S 3 =s 1 E 3 T 1 +s 1 E 3 T 2 +s 3 E 3 T 3 +d 33 E 3     S 4 =s 4 E 4 T 4 +d 15 E 2 S 5 =s 4 E 4 T 5 +d 15 E 1 = S 6 s 6 E 6 T 6   avec  D : Déplacement électrique  T : Contrainte  d ij : Coefficient piézoélectrique  S : Déformation relative  s ij : Coefficient de compliance   ε ij  diélectrique: Coefficient    E : Le Champ électrique   Grâce aux hypothèses simplificatrices, nous pouvons écrire :    D 3 =d 31 (T 1 +T 2 )+ε t 33 E 3   S 1 =s 1 E 1 T 1 +s 1 E 2 T 2 +s 1 E 3 T 3 +d 31 E 3     S=s E T+s E T+ E T+d E 2 12 1 11 2 s 13 3 31 3   En remplaçant les contraintes T 1 et T 2 dans D 3 par les déformations S 1 et S 2 , on obtient : 2    D 3 = E d 31 E ( S 1 +S 2 ) ⎡ ⎢ +ε 3 T 3 − E 2d 31 E ⎤ E 3 s 11 +s 12 ⎣ s 11 +s 12 ⎥ ⎦   Or le champ E 3 peut être replacé par -U/t PZT en considérant t PZT comme l'épaisseur et le signe moins provenant de la convention de signe adoptée pour la Figure V-5, alors D 3 devient :   2 31 31    D 3 = s E d +s E ( S 1 +S 2 ⎡ − ⎢ ⎣ ) ε 3 T 3 − s E 2d +s E ⎤ ⎥ ⎦ dU dt   11 12 11 12  

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Chapitre V - Technologie pour la réalisation de démonstrateurs et mesure du coefficient piézoélectrique d 31   Or le courant peut être déduit de la double intégrale sur la surface de l'électrode supérieure (Σ) de la dérivée de D 3 par rapport au temps (t), on obtient : I= dD 3    ∫ ∑ ∫ dt   d'où = −    I 1 E 1 d + 1 1 3 E 2 ∫∫ d ( S 1 d +S 2 ) d ⎢ ∑ ⎡ ε 3 T 3 − 1 E 1 2d 13 1 2 E 2 ⎥ ⎤ dU∑ ZT   s s ∑ t ⎣ s+s ⎦ dt t Par rapport au schéma équivallent d'un film de PZT, nous avons une source de courant en parallèle avec une capacité. I PZT = s E d + 31 s E ∫∫ d ( S 1 dt +S 2 ) d∑ 11 12∑ ⎡ 2 ∑ ⎤ 31 = C PZT ⎣ ⎢ ε T − s 1 E 1 2d +s 1 E 2 ⎦ ⎥ t PZT 33 à ce modèle doit etre rajouter une résistance de fuite R f I=C dU + U PZT PZT dt R f Cette équation rend bien compte du schéma équivalent représentant le film de PZT : •Une source de courant I PZT en parallèle avec une capacité C PZT et une résistance de fuite R f .

I PZT

C PZT

f U   R

 

    Les déformations S1 et S2 à la distance x de l'encastrement sont issues du modèle mécanique de la poutre vibrante qui peut se mettre sous la forme d'une équation différentielle du deuxième ordre avec amortissement :

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