Transfert de couches minces de LiTaO3 et de LiNbO3 par la technologie Smart Cut

par Jean-Sébastien Moulet

Thèse de doctorat en Micro et nanotechnologies

Sous la direction de Brice Gautier.

Soutenue en 2010

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec LGCIE - Laboratoire de Génie Civil et d' Ingénierie Environnementale, EA 4126 (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) et de Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....) (laboratoire) .

mots clés

• Couches minces

Résumé

Le tantalate de lithium (LiTaO3) et le niobate de lithium (LiNbO3) sont des matériaux ferroélectriques aux propriétés physiques remarquables. Leur utilisation sous forme de couches minces monocristallines reportées sur un substrat hôte représente un intérêt majeur dans de nombreux domaines de recherche tels que les mémoires, la radiofréquence, l’optique. . . La technologie Smart Cut™ permet le report de couches minces monocristallines. Elle est basée sur la combinaison de deux techniques, l’implantation ionique et le collage direct. Le travail développé dans cette thèse a été consacré à la réalisation de substrats innovants intégrant une couche sub-micrométrique de LiTaO3 ou de LiNbO3, par application de la technologie Smart Cut™. En premier lieu, l’étape d’implantation ionique (ions hydrogène et hélium) en vue de la fracture a été particulièrement investiguée. Des comportements différents entre les deux matériaux ont été observés et analysés. Dans un deuxième temps, la technologie Smart Cut™ a été appliquée avec succès et a permis de reporter des couches minces monocristallines de LiTaO3 et LiNbO3 sur une électrode métallique. Des analyses physico-chimiques et électriques ont permis d’évaluer et de comprendre l’impact du procédé de transfert sur les propriétés du LiTaO3 et du LiNbO3. En particulier, il a été nécessaire de développer des traitements de finition spécifiques à ces nouveaux matériaux. Ainsi, la qualité finale des couches obtenues s’avère être proche de celle d’un matériau massif, notamment du point de vue des caractéristiques ferroélectriques et piézoélectrique. Ces résultats ont permis, en collaboration avec des laboratoires applicatifs du CEA, de réaliser de premiers dispositifs simples dans le domaine des mémoires et des filtres acoustiques de volume (BAW). Les résultats électriques obtenus sont au niveau de l’état de l’art mondial. Ce travail permet d’ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine des substrats à base de couches minces piézoélectriques ou ferroélectriques

Titre traduit

= Lithium tantalate and lithium niobates thin single cristal layer transfer by the Smart Cut technology

Résumé

The increasing demand for high performance devices makes single crystal with high physical properties more and more important for telecommunication, memories, or pyroelectric detectors applications. Among crystals potentially capable to increase device performance and to extend those applications area, lithium tantalate (LiTaO3) and lithium niobate (LiNbO3) are materials of choice. In this work, we present the potentiality of the Smart Cut™ technology to realize innovative and generic substrates composed with thin single crystal layer of LiTaO3 and LiNbO3. The Smart Cut™ technology is a technology based on two main techniques; ion implantation and direct wafer bonding. In a first time, fracture mechanisms with H+ and He ion implantation have been investigated; different behaviours according to the used ion have been highlighted and explained. In a second time, using the Smart cut™ technology, 3 inches full wafer transfers of sub-micron layers have been achieved. The crystalline quality of transferred layers, as well as their ferroelectric and piezoelectric properties have been characterized and were found to be close to single crystal bulk material properties. Those results enabled in collaboration with applicative laboratories of CEA-LETI to realise some simple devices in the field of ferroelectric probe memories and RF bulk acoustic wave filters (BAW). Results obtained were in both cases close to the state of the art and demonstrate the potentiality of this technology to create a new family of engineered substrates based on thin single crystal layers of ferroelectric and/or piezoelectric materials