Élaboration et caractérisation de couches minces piézoélectriques de Pb(Zr,Ti)O3 sur silicium pour applications aux microsystèmes

= Development and caracterization of Pb(Zr, Ti)O3 piezoelectric thin films on silicon substrate for microsystems applications

• Auteur / Autrice : Emmanuel Defaÿ
• Direction : Daniel Barbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l'Electronique Intégrée
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ferroélectricité

Systèmes microélectromécaniques

Titanozirconate de plomb

Résumé

Ce travail repose sur la réalisation de couches minces de PZT (Pb(Zr,Ti)03), matériau aux propriétés piézoélectriques remarquables, sur substrat silicium pour des applications microsystèmes. Le PZT est déposé par pulvérisation cathodique sur un substrat Si/Si02/Ti/Pt puis est cristallisé dans la phase pérovskite piézoélectrique par recuit rapide. Les paramètres de dépôt ont été optimisés par plans d'expérience. Les couches présentent une forte constante diélectrique (ɛr=1000) et les propriétés ferroélectriques ont été mises en évidence en fonction des conditions d'élaboration. Ces résultats ont permis de proposer une technique de réalisation des films de PZT conformes aux exigences des microtechnologies comme une épaisseur de l'ordre du micromètre et des tailles d'électrodes importantes. Les points principaux de ce procédé sont la pulvérisation à pression élevée (8 Pa) qui permet d'augmenter la tenue mécanique des films, un prérecuit de 1' électrode inférieure qui favorise 1' orientation cristallographique du PZT suivant la direction (111) et une pulvérisation multiple sur le même substrat qui diminue la probabilité d'occurrence de court-circuits. Un banc de mesure piézoélectrique a été réalisé, utilisant la technique de la poutre vibrante libre. Un modèle analytique a été élaboré en très bon accord avec 1' expérience et la modélisation par éléments finis. Une méthode améliorée d'extraction du coefficient piézoélectrique d31 et de la résistance de fuite du film a été proposée. Des membranes composites carrées PZT -Si de 3 mm de côté ont été réalisées et caractérisées de façon statique et dynamique. Des déflexions de 1' ordre du micromètre ont été obtenues. L'étude de faisabilité d'un capteur de pression résonant élaboré à partir de ces membranes fait état d'une sensibilité élevée (115 Hz/mbar). D'autres applications comme une micro pompe et un système piézoélectrique de stockage de données sont discutées.

This study talks about the realisation of PZT (Pb(Zr,Ti)03) thin films, material with high piezoelectric coefficients, deposited onto silicon substrate for microsystems applications. The PZT is deposited by RF magnetron sputtering onto Si/Si02/Ti/Pt substrates. Its crystallization in piezoelectric perovskite phase is obtained by rapid thermal annealing (RTA). The deposition parameters were optimized using an orthogonal array method. The PZT films processed show a high dielectric constant (ɛr = 1 000). The ferroelectric properties were measured following the experimental parameters. A technique was then proposed for the integration of PZT thin films onto silicon substrate according to the microtechnology requirements as a thickness of 1 μm and large electrodes sizes. The main points of this process are a high sputtering pressure (8 Pa) that improves the mechanical stability of the PZT thin films, a preannealing of the bottom electrode leading to a (111) cristallographie orientation of the PZT and a multisputtering of the PZT on the same substrate that decreases short circuits probability and increases the active layer thickness. A piezoelectric experimental set-up was developed using a modified free vibrating bearn method. The analytical mode! fits very well with experimental results and finite element modelisation. An improved method allowing the calculation of the piezoelectric tranversal coefficient d31 and the leakage resistance of PZT thin films has been proposed. PZT -Si membranes have been realized and characterized under static and dynamic excitation electric field. Deflections in the range of the μm have been measured. A faisability study of a resonant pressure sensor based on these membranes shows a high sensitivity (115 Hz/mbar). Other applications like a micropompe and a piezoelectric data storage system have been discussed.