Soutenance mémoire
“I have to say that in 1981, making those decisions, I felt like I was providing enough freedom for 10 years. That is, a move from 64k to 640k felt like something that would last a great deal of time. Well, it didn’t. ” affirme Bill Gate en 1989 lors d’un discours à l’Université de Waterloo [Gates 1989]. Depuis l’invention du transistor en 1947, le monde des microtechnologies connaît une croissance que même les experts peinent à prévoir. Des efforts technologiques constants permettent depuis plus de cinquante ans de doubler le nombre de transistors par puce tous les deux ans, comme le conjecturait Gordon E. Moore en 1975. Parallèlement à cette course effrénée à la miniaturisation, désignée sous le nom d’axe « More Moore », de nombreux développements, regroupés sous la dénomination « More than Moore » visent désormais à diversifier les fonctions présentes sur une puce. Ainsi, capteurs, actionneurs, dispositifs de traitement du signal, dispositifs de stockage voire de récupération d’énergie se côtoient sur une même puce, permettant au système de proposer des fonctions de plus en plus variées. Les « smartphones » constituent probablement l’exemple qui illustre le mieux ce phénomène. Apparus à la fin des années 2000, ils représentent désormais un volume de vente d’environ 200 millions d’unités par an. Ils regroupent désormais des fonctions de navigation sur internet, de téléchargement, de géolocalisation, de photographie, de lecture audio et convoitent des fonctions de vidéo-projection, de paiement sans contact et même… de bijoux .
L’essor de ce marché implique des exigences drastiques de réduction des coûts, de consommation énergétique et de rapidité d’exécution, alimentant de nombreux axes de recherche. A titre d’exemple, la carte graphique Ge Force 8600, commercialisée en 2007 pour les ordinateurs bureautiques, était capable de réaliser 113 milliards d’opérations élémentaires par seconde (113 GFlops), pour une puissance consommée de 43 W [Gpureview]. Seulement six années plus tard, l’Apple A7, Processeur Graphique (GPU) qui équipe l’Iphone 5s, présente une vitesse d’exécution équivalente (115 GFlops), alors que la consommation totale sur l’ensemble de l’Iphone 5s est de 12 W [Anandtech].
Les MicroSystèmes ElectroMécaniques (MEMS)
Pour avoir prédit en 1959 que le contenu de l’encyclopédie Britannica tiendrait un jour sur une tête d’épingle [Drexler 1959], Richard Feynman est considéré comme l’inventeur des micro-nanotechnologies. La seconde moitié du XXe siècle a en effet été marquée par une course effrénée à la miniaturisation, en particulier dans le domaine de la microélectronique. Qui aurait pu imaginer, lors de l’invention du transistor en 1947 alors de taille centimétrique, que les tailles de grilles de transistors se mesureraient en dizaines de nanomètres dans les années 2000 ? Ainsi, le nombre de transistors sur une puce de silicium double tous les deux ans depuis plus de 50 ans, comme le conjecturait Gordon E. Moore dans ses fameuses «lois de Moore » en 1975. Bien que toujours vérifiée aujourd’hui, cette loi se heurte désormais à des limites fondamentales telles que l’effet tunnel. Aussi, parallèlement à l’axe « More Moore » qui vise à poursuivre cette quête de miniaturisation, l’International Technology Roadmap for Semiconductors ITRS [ITRS] présente l’axe « More than Moore », qui vise à diversifier les fonctions réalisées sur une même puce. Ainsi, une même puce pourrait comporter des composants divers tels que capteurs, dispositifs de traitement dusignal, actionneurs, composants de stockageet/ou de récupération d’énergie, etc. Dans ce contexte, les MEMS connaissent un essor important tant en termes de volume que de diversification.
Le marché MEMS
Selon Yole development, le marché MEMS mondial représentait 7 milliards de dollars en 2007 [Yole 2008] et 11 milliards de dollars en 2012 [Yole 2013]. A titre de comparaison, cette somme correspond au budget national de la recherche d’un pays comme la France [Gouv 2014]. Cette croissance devrait encore s’accentuer dans les années à venir, avec une hausse prévisionnelle de 100 % entre 2012 et 2018 .
Cette croissance concerne de nombreux secteurs tels que celui des capteurs inertiels, des MEMS radiofréquence, des composants optiques et surtout des dispositifs de microfluidique. En outre, l’essor du marché de la téléphonie mobile s’accompagne d’une nette hausse de la demande en composants inertiels, qui visent à être de plus en plus polyvalents capteurs multi-axes intégrant des accéléromètres et gyromètres- et bas coût, ce qui implique notamment des problématiques de co-intégration monolithique. Le marché des télécommunications constitue par ailleurs un débouché majeur des composants radiofréquence tels que les oscillateurs, filtres, interrupteurs, mais également des systèmes d’affichage.
Le marché médical constitue un autre secteur d’application majeur pour les MEMS. Ce secteur soulève en outre deux grands axes de développement. Le premier axe concerne les dispositifs médicaux implantés dans le corps humain, tels que des systèmes de régulation de propriétés physiologiques comme la glycémie. Cette famille d’application soulève des problématiques pluridisciplinaires visant à développer des capteurs, circuits de microfluidique, systèmes de dispense de médicaments et éventuellement des systèmes de récupération d’énergie. Le second axe porte sur le diagnostic médical et vise à développer des laboratoires sur puce, c’est-à dire des dispositifs intégrés qui rassemblent plusieurs fonctions de laboratoire. Ce type de dispositifs vise à réaliser des chaînes complètes de traitement et d’analyse d’un échantillon –gaz expiré, sang, etc.-, allant idéalement jusqu’à l’affichage du résultat. Ainsi, le marché des télécommunications et le secteur médical occasionnent une demande croissante de MEMS. En particulier, le marché des actionneurs MEMS suscite un intérêt grandissant, alimentant de nombreuses thématiques de recherche. Le marché des têtes d’imprimantes jet d’encre représente environ 1 milliard de dollars par an. Ce chiffre est stable, témoignant d’un marché mature et saturé. Cependant, les exigences du marché ne cessent de croître, notamment en terme de vitesse d’impression, cf. paragraphe 4, ce qui alimente de nombreuses thématiques de recherche et de développement industriel.
Les MEMS ne cessent de s’améliorer en termes de consommation, rapidité, tension d’actionnement et amplitude de déplacement. La performance selon ces différents critères est très variable selon la méthode d’actionnement, ce qui fait l’objet du paragraphe suivant de ce manuscrit.
Les techniques d’actionnement
L’actionnement électrostatique
Basée sur les forces d’interactions coulombiennes, l’actionnement électrostatique se distingue par sa simplicité et son faible coût de fabrication. A la fin des années 1970, l’émergence de nombreux procédés de fabrication du silicium s’est accompagnée de nombreuses réalisations de microsystèmes électrostatiques [Petersen 1982]. L’actionnement électrostatique requiert cependant des tensions d’actionnement élevées, de plusieurs dizaines de volts typiquement [Rebeiz 2003], ce qui peut être pénalisant dans des systèmes alimentés sur batterie, comme la téléphonie mobile. Des systèmes élévateurs de tension sont alors nécessaires pour les alimenter, ce qui implique une consommation énergétique élevée. L’essor des télécommunications des années 1990 et 2000 ont motivé le développement de micro-interrupteurs pour la radiofréquence. Les performances d’un interrupteur s’évaluent selon les paramètres suivants :
❖ la taille
❖ la consommation énergétique pendant la commutation et hors commutation (maintien à l’état fermé)
❖ le temps de commutation
❖ les pertes par réflexion
❖ les pertes d’insertion, qui caractérisent l’impédance du dispositif lorsque l’interrupteur est fermé. Pour minimiser ces pertes, les forces de contact doivent être élevées dans le cas d’interrupteurs ohmiques (c’est-à-dire à contact métal-métal). Les dispositifs se doivent alors de présenter une raideur suffisante pour que l’interrupteur puisse passer de l’état fermé à ouvert.
❖ l’isolation, qui caractérise le découplage entre les lignes d’entrée et de sortie lorsque l’interrupteur est ouvert. Pour obtenir une isolation élevée, la distance entre la ligne et le plot de contact de l’interrupteur doit être la plus grande possible.
❖ la fiabilité .
En 2001, l’université du Michigan [Muldavin 2001], présente un interrupteur radiofréquence présentant un temps de commutation de 20 à 30 µs, une tension d’actionnement de 30 à 40 V, une isolation de -35 dB à 4 GHz et -20 dB à 16 GHz et des pertes d’insertion de -0,15 dB.
Pour présenter une isolation élevée, des pertes d’insertion faibles et une bonne fiabilité, l’interrupteur doit atteindre des valeurs de déflexion élevées tout en étant suffisamment raide. La tension d’actionnement requise est alors élevée. La conception d’un interrupteur électrostatique résulte alors d’un compromis entre isolation, pertes d’insertion, fiabilité et tension d’actionnement.
L’actionnement thermique
Dans les années 90 sont apparus des actionneurs basés sur la dilatation thermique. En réponse à une variation de température, un matériau homogène subit une déformation proportionnelle à son coefficient de dilatation thermique et à la variation de température. Deux techniques permettent de créer un effet bilame basé sur la dilatation thermique . La première consiste à créer un gradient de température, en associant par exemple deux bras de résistances différentes et d’y faire passer un courant. Les puissances dissipées par effet Joule y sont alors différentes ce qui crée un gradient de température et une déflexion de la structure par effet bilame. La seconde technique consiste à créer un gradient de coefficient de dilatation thermique en associant deux matériaux différents. Les matériaux sont échauffés par le passage d’un courant et se dilatent chacun de manière différente, ce qui crée également une déflexion par effet bilame. Les microactionneurs thermiques se distinguent par la simplicité de leur procédé de fabrication et par les faibles tensions requises, mais les temps de réponse sont plus élevés ceux des actionneurs électrostatiques, à cause du temps de chauffe.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : chapitre introductif
Introduction
1 Les MicroSystèmes ElectroMécaniques (MEMS)
1.1 Le marché MEMS
1.2 Les techniques d’actionnement
1.2.1 L’actionnement électrostatique
1.2.2 L’actionnement thermique
1.2.3 L’actionnement par matériaux actifs
2 La piézoélectricité
2.1 Formalisme thermodynamique
2.2 Formalisme piézoélectrique
2.3 Electrostriction
3 Matériaux piézoélectriques
3.1 Cas de l’AlN
3.2 Cas du PZT
3.3 Matériaux relaxeurs
3.4 Matériaux sans plomb
3.4.1 Législation
3.4.2 Matériaux alternatifs
3.5 Techniques de dépôt
3.5.1 Pulvérisation cathodique
3.5.2 Ablation laser
3.5.3 Sol-Gel
3.6 Etat de l’art
4 Applications
4.1 Résonateurs acoustiques
4.2 Capteurs
4.3 Actionneurs
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 2 : Augmentation du champ électrique dans une couche piézoélectrique
Introduction
1 Augmentation du champ électrique dans une couche d’AlN : diminution de l’épaisseur
1.1 Dépôt et caractérisations structurales
1.1.1 Ajustement du procédé de dépôt
1.1.2 Propriétés cristallographiques des couches obtenues
1.2 Caractérisations piézoélectriques de couches non libérées
1.2.1 Mesure du coefficient e31,eff par la méthode de la poutre vibrante
1.2.2 Résultats
1.3 Réalisation de structures libérées
1.3.1 Conception de l’empilement
1.3.2 Procédé de réalisation technologique
1.4 Caractérisation électrique des structures libérées
1.4.1 Mesures d’impédance
1.4.2 Mesures de déflexion statique
1.5 Résultats et discussions
2 Augmentation du champ de claquage de couches de Pb(Zr,Ti)O3 par insertion d’atomes de lanthane
2.1 Phénomènes de claquage dans les matériaux diélectriques
2.2 Effet de l’insertion de dopants dans un cristal de PZT
2.3 Dépôt et caractérisation de couches de PZT et PLZT
2.3.1 Propriétés structurales et électriques de couches de PZT et PLZT de 180 nm d’épaisseur
2.3.2 Propriétés structurales et électriques du PZT et du PLZT en fonction de l’épaisseur
2.4 Résultats et discussions
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 : Optimisation des coefficients piézoélectriques de couches minces de Pb(Zr,TiO)3
Introduction
1 Confinement du PZT dans la zone morphotropique
1.1 Influence du ratio de zirconium/titane sur les propriétés piézoélectriques
1.2 Cas des films déposés par voie sol-gel : mise en évidence d’un gradient de composition
1.3 Réalisation de membranes de PZT compensé en gradient de composition
1.3.1 Procédé de dépôt
1.3.2 Réalisation de membranes
1.4 Mesures diélectriques
1.5 Mesures de déflexion statique
1.6 Extraction de coefficient piézoélectrique
1.6.1 Principe de la méthode de résolution
1.6.2 Modélisation de la structure
1.6.3 Utilisation des courbes de déflexion
1.6.4 Résultats et discussions
1.7 Etude des mouvements de parois de domaines
1.7.1 Mouvements de parois de domaines
1.7.2 Comparaison du PZT avec et sans gradient
2 Etude en température
2.1 Influence de la température sur les propriétés piézoélectriques
2.2 Mesures diélectriques en température
2.3 Mesures de résonance et extraction de coefficients piézoélectriques
2.3.1 Principe de la mesure
2.3.2 Caractérisation fréquentielle à température ambiante
2.3.3 Mesures en température
3 Obtention d’un matériau relaxeur par insertion de dopants
3.1 Réalisation technologique
3.2 Caractérisations structurales
3.3 Mesures diélectriques
3.3.1 Mesures diélectriques
3.3.2 Mise en évidence de transitions de phase
3.4 Mesures électrostrictives, caractérisation de l’effet piézoélectrique induit
3.5 Caractérisation de l’effet piézoélectrique induit par mesures de résonances acoustiques
Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
Annexe
