Technologie et Caractérisations de Films Minces Piézoélectriques pour la Réalisation de MEMS

par Christophe Zinck

Thèse de doctorat en Dispositifs de l'électronique intégrée

Sous la direction de Daniel Barbier.

Soutenue en 2004

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    Ce travail présente l'élaboration, la caractérisation et l'intégration de films minces piézoélectriques (AlN et PZT) dans des microsystèmes silicium. Les films de PZT sont élaborés par pulvérisation RF magnétron d'une cible céramique (Pb(Zr0,52Ti0,48)O3), puis cristallisés dans la phase pérovskite par un recuit haute température (700°C). Le dépôt a été optimisé, et est reproductible dans le temps. Les films d'AlN sont, eux, élaborés par pulvérisation DC pulsée réactive d'une cible d'aluminium. Ils présentent une très bonne texture dans la phase würzite (0002). La désorientation de l'AlN (0002) est inférieure à 1,5° sur une électrode en molybdène. Des mesures des coefficients piézoélectriques, d33 et d31, ont été réalisées par double interférométrie laser et par la technique de la poutre vibrante. Différentes réalisations technologiques ont pu être conduites ; des microactionneurs (membranes et poutres) et des résonateurs acoustiques à onde de volume (FBAR et SMR). Nous avons pu mettre en évidence les avantages et les inconvénients des différents matériaux. L'AlN a pu être intégré dans une architecture de microcommutateur RF par des technologies d'usinage de surface. La poutre présente une déflexion de l'ordre de 1µm sous 40V. Le PZT, du fait de l'étape de recuit, n'a pu être intégré par usinage de surface, mais les membranes SiN/PZT obtenues par usinage de volume ont une déflexion quasi statique de 210nm/V. Des résonateurs acoustiques à onde de volume (BAW) ont également été réalisés à l'aide de ces matériaux. Les résultats se situent au niveau de l'état de l'art. Les BAW en AlN présentent un coefficient de couplage maximum de 7% et un facteur de qualité maximum de 850.

  • Titre traduit

    = Technology and Characterizations of Piezoelectric Thin Films for MEMS


  • Résumé

    This work deals with the elaboration, the characterization and the integration of piezoelectric thin films (AlN and PZT) for silicon microsystems. PZT thin films are elaborated by RF magnetron sputtering using a ceramic target (Pb(Zr0,52,Ti0,48)O3), and then crystallised in the perovskite phase by a high temperature annealing (700°C). The process was optimised and reproducible in time. AlN thin films are deposited by reactive DC pulsed sputtering, using an aluminium target. The films are well oriented in the wurtzite phase (0002). The best AlN (0002) texture was less than 1,5° on a molybdenum bottom electrode. Piezoelectric coefficients, d33 et d31, have been characterized by double laser beam interferometer technique (d33) and by the vibrating beam technique (d31). Different kinds of devices have been elaborated ; microactuators (membranes and beams) and bulk acoustic wave resonators (FBAR and SMR). We have investigated and put under high lights the advantages and the disadvantages of the different films (AlN and PZT). We succeed in the integration of AlN thin films as an actuator for a microswitch using surface micromachining. The beam of the microswitch has 1µm deflection under 40V. Due to the annealing step in the PZT elaboration, the material was not compatible with the surface micromachining technique. But we have elaborated and characterized SiN/PZT membranes, and the quasi static deflection is around 210nm/V. Bulk acoustic wave resonators (BAW) have been elaborated too, using PZT and AlN thin films. Results are very promising and comparable to the state of the art. Best coupling coefficient is 7% and best quality factor is 850 for BAW made with AlN

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Informations

  • Détails : XXIV-253 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 187-202

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2853)
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