Elaboration et caractérisation de couches minces ...csidoc.insa-lyon.fr/these/1999/defay/these.pdfElaboration et caractérisation de couches minces piézoélectriques de Pb(Zr,Ti)O3

N° d’ordre: 99ISAL87 Année 1999

THESE

Présentée devant

L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

Pour obtenir

LE GRADE DE DOCTEUR

FORMATION DOCTORALE: Dispositifs de l’Electronique IntégréeECOLE DOCTORALE: Electronique, Electrotechnique, Automatique

Par

Emmanuel DEFAŸIngénieur ENSMM

Elaboration et caractérisation de couches minces piézoélectriques de Pb(Zr,Ti)O3 sursilicium pour applications aux microsystèmes

Soutenue le 9 Novembre 1999 devant la Comission d’Examen

JURY:

Rapporteurs : SETTER Nava Professeur, EPFL, Lausanne: MARTINEZ Augustin Professeur, LAAS, Toulouse

Examinateurs: BARBIER Daniel Professeur, LPM, INSA Lyon: BASTIEN François Professeur, LPMO, Besançon: FOUILLET Yves Ingénieur, CEA-LETI, Grenoble: PINARD Pierre Professeur, LPM, INSA Lyon: REMIENS Denis Professeur,LAMAC, Valenciennes: TROCCAZ Michel Professeur, LGEF, INSA Lyon

Cette thèse a été préparée au Laboratoire de Physique de la Matière de l’INSA de Lyon.

Janvier 1998Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

Directeur : J. Rochat

Professeurs S. AUDISIO PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEJ.C. BABOUX GEMPPM*B. BALLAND PHYSIQUE DE LA MATIERED. BARBIER PHYSIQUE DE LA MATIEREG. BAYADA MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEC. BERGER (Mlle) PHYSIQUE DE LA MATIEREM. BETEMPS AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEJ.M. BLANCHARD LAEPSI**C. BOISSON VIBRATIONS ACOUSTIQUESM. BOIVIN MECANIQUE DES SOLIDESH. BOTTA EQUIPE DEVELOPPEMENT URBAING. BOULAYE INFORMATIQUEJ. BRAU CENTRE DE THERMIQUEM. BRISSAUD GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEM. BRUNET MECANIQUE DES SOLIDESJ.C. BUREAU THERMODYNAMIQUE APPLIQUEEJ.Y. CAVAILLE GEMPPM*J.P. CHANTE COMPOSANTS DE PUISSANCE ET APPLICATIONSB. CHOCAT UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILB. CLAUDEL LAEPSI**M. COUSIN UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILM. DIOT THERMODYNAMIQUE APPLIQUEEA. DOUTHEAU CHIMIE ORGANIQUER. DUFOUR MECANIQUE DES STRUCTURESJ.C. DUPUY PHYSIQUE DE LA MATIEREH. EMPTOZ RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISIONC. ESNOUF GEMPPM*L. EYRAUD (Prof. Émérite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEG. FANTOZZI GEMPPM*M. FAYET MECANIQUE DES SOLIDESJ. FAVREL GROUPE DE RECHERCHE EN PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE

DES SYSTEMES MANUFACTURIERSG. FERRARIS-BESSO MECANIQUE DES STRUCTURESY. FETIVEAU GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEL. FLAMAND MECANIQUE DES CONTACTSP. FLEISCHMANN GEMPPM*A. FLORY INGENIERIE DES SYSTEMES D'INFORMATIONR. FOUGERES GEMPPM*F. FOUQUET GEMPPM*L. FRECON INFORMATIQUER. GAUTHIER PHYSIQUE DE LA MATIEREM. GERY CENTRE DE THERMIQUEG. GIMENEZ CREATIS***P. GOBIN (Prof. émérite) GEMPPM*P. GONNARD GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEM. GONTRAND COMPOSANTS DE PUISSANCE ET APPLICATIONSR. GOUTTE (Prof. Émérite) CREATIS***G. GRANGE GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEG. GUENIN GEMPPM*M. GUICHARDANT BIOCHIMIE ET PARMACOLOGIEG. GUILLOT PHYSIQUE DE LA MATIEREA. GUINET GROUPE DE RECHERCHE EN PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE

DES SYSTEMES MANUFACTURIERSJ.L. GUYADER VIBRATIONS ACOUSTIQUESJ.P. GUYOMAR GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEJ.M. JOLION RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISIONJ.F. JULLIEN UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILA. JUTARD AUTOMATIQUE INDUSTRIELLER. KASTNER UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILH. KLEIMANN GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEJ. KOULOUMDJIAN INGENIERIE DES SYSTEMES D'INFORMATIONM. LAGARDE BIOCHIMIE ET PARMACOLOGIEM. LALANNE MECANIQUE DES STRUCTURESA. LALLEMAND CENTRE DE THERMIQUEM. LALLEMAND (Mme) CENTRE DE THERMIQUEP. LAREAL UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILA. LAUGIER PHYSIQUE DE LA MATIERECh. LAUGIER BIOCHIMIE ET PARMACOLOGIEP. LEJEUNE GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMES

A. LUBRECHT MECANIQUE DES CONTACTSY. MARTINEZ INGENIERIE DES SYSTEMES D'INFORMATIONH. MAZILLE PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEP. MERLE GEMPPM*J. MERLIN GEMPPM*J.P. MILLET PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEM. MIRAMOND UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILN. MONGEREAU (Prof. Émérite) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILR. MOREL MECANIQUE DES FLUIDESP. MOSZKOWICZ LAEPSI**P. NARDON BIOLOGIE APPLIQUEEA. NAVARRO LAEPSI**A. NOURI (Mme) MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEM. OTTERBEIN LAEPSI**J.P. PASCAULT MATERIAUX MACROMOLECULAIRESG. PAVIC VIBRATIONS ACOUSTIQUESJ. PERA UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILG. PERRACHON THERMODYNAMIQUE APPLIQUEEJ. PEREZ (Prof. Émérite) GEMPPM*P. PINARD PHYSIQUE DE LA MATIEREJ.M. PINON INGENIERIE DES SYSTEMES D'INFORMATIOND. PLAY CONCEPTION ET ANALYSE DES SYSTEMES MECANIQUESJ. POUSIN MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEP. PREVOT GROUPE DE RECHERCHE EN APPRENTISSAGE, COOPERATION

ET INTERFACES MULTIMODALESR. PROST CREATIS***M. RAYNAUD CENTRE DE THERMIQUEJ.M. REYNOUARD UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILE. RIEUTORD (Porf. Émérite) MECANIQUE DES FLUIDESJ. ROBERT-BAUDOUY (Mme) GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMESD. ROUBY GEMPPM*P. RUBEL INGENIERIE DES SYSTEMES D'INFORMATIONC. RUMELHART MECANIQUE DES SOLIDESJ.F. SACADURA CENTRE DE THERMIQUEH. SAUTEREAU MATERIAUX MACROMOLECULAIRESS. SCARVARDA AUTOMATIQUE INDUSTRIELLED. THOMASSET AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEM. TROCCAZ GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITER. UNTERREINER CREATIS***J. VERON LAEPSI**G. VIGIER GEMPPM*A. VINCENT GEMPPM*P. VUILLERMOZ PHYSIQUE DE LA MATIERE

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Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M.A.F. PRINGENT (Mme) BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIEI. MAGNIN (Mme) CREATIS***

GEMPMM* : Groupe d'etude metallurgie physique et physique des matériauxLAEPSI** : Laboratoire d'analyse environnementale des procédés et systèmes industrielsCREATIS*** : Centre de recherche et d'applications en traitement de l'image et du signal

INSA de LyonDépartement des études doctorales

ECOLES DOCTORALES

¾ MATERIAUX DE LYONINSAL – ECL -UCB. Lyon1 – Univ. De Chambéry – ENS

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AUTRES FORMATIONS DOCTORALES

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Remerciements

Je remercie Monsieur le Professeur Pierre PINARD, directeur du Laboratoire dePhysique de la Matière (LPM) lors de mes premiers contacts avec le laboratoire en 1996 etactuel Directeur de la Recherche de 1’INSA de Lyon, pour avoir accepté ma candidature enthèse et pour présider mon jury de thèse.

Je remercie Monsieur le Professeur Gérard Guillot, actuel Directeur du LPM, pourm’avoir permis d’effectuer mon travail de thèse au sein de son laboratoire.

Je remercie ensuite Monsieur le Professeur Daniel Barbier, mon directeur de thèse etresponsable de l’équipe Microtechnologies du LPM, pour ses conseils avisés, son sens de lasynthèse et la motivation qu’il a su m’insuffler tout au long de ce travail.

Je remercie très sincèrement les professeurs Nava Setter et Augustin Martinez d’avoiraccepté d’être les rapporteurs de ma thèse.

Je remercie également les Professeurs François Bastien, Denis Remiens et MichelTroccaz ainsi que Yves Fouillet, Ingénieur de recherche, d’avoir accepté d’examiner montravail et de faire partie du Jury.

Je tiens a remercier tout particulièrement Mrs Bachir Semmache et Christophe Malhairepour m’avoir soutenu et beaucoup aide respectivement au début et a la fin de ma thèse. Jeremercie sincèrement Christophe Malhaire pour toutes les corrections judicieuses qu’il m’asuggérées pour améliorer la clarté de ce manuscrit.

Je remercie Ms Nicolas Baboux et Pascal Kleimann qui m’ont beaucoup aidé dans lecadre de la caractérisation piézoélectrique du PZT. Une grande partie des bons résultatsobtenus lors de cette partie leur incombe.

Je remercie par ailleurs le Professeur Michel Troccaz et le Laboratoire de GénieElectrique et de Ferroélectricité pour m’avoir founi les cibles de PZT et pour tous les conseilsjudicieux qu’il a su m’apporter. Je le remercie également d’avoir relu mon manuscrit.

Je remercie ensuite tous les techniciens qui sont les garants du bon fonctionnement dulaboratoire avec une mention spéciale pour Ms Manuel Bérenguer et Daniel Laporte. Jeremercie également Mr Mustapha Lemiti, responsable de la salle blanche, qui a su résoudrebeaucoup de mes problèmes technologiques.

Je remercie tous mes collègues de l’équipe Microtechnologies : Stéphanie Périchon,Martine LeBerre, Christophe Gourbeyre, Vladimir Lysenko, Boujemaa Remaki et PhilippeRoussel pour toutes les discussions constructives et de façon générale, pour tous les bonsmoments partagés durant cette période.

Je remercie Mmes Patricia Combier, Marie-Thérèse Marien et Martine Rojas pour leuramabilité et l’efficacité de leur travail.

Je remercie Mrs Jean Claude Dupuy et Bernard Balland pour la confiance qu’ils m’ontdonné en me confiant des TD et des TP d’enseignement à 1’INSA de Lyon.

Je remercie finalement tous mes collègues du LPM avec qui j'ai passé trois années dansune très bonne ambiance dont je garderai un souvenir impérisable des nombreuses rencontressportives et autres.

-7-

Table des matières

Table des matières___________________________________________________________7

Introduction générale_______________________________________________________13

1 Les matériaux piézoélectriques dans les microsystèmes électromécaniques (MEMS) 16

1.1 Introduction _____________________________________________________________ 16

1.2 Les MEMS et la piézoélectricité : Etat de l’art _________________________________ 16

1.2.1 L’effet piézoélectrique_________________________________________________________ 16

1.2.2 La piézoélectricité appliquée aux MEMS __________________________________________ 17

1.3 Les principaux matériaux piézoélectriques en couches minces ____________________ 18

1.3.1 L’oxyde de zinc (ZnO) ________________________________________________________ 18

1.3.2 Le nitrure d’aluminium (AlN) ___________________________________________________ 19

1.3.3 Le zirconate-titanate de plomb (PZT) _____________________________________________ 20

1.3.4 Choix du matériau utilisé dans cette étude _________________________________________ 23

1.4 Caractéristiques du PZT ___________________________________________________ 23

1.4.1 Définitions __________________________________________________________________ 23

1.4.2 Cristallographie du PZT : la maille pérovskite ______________________________________ 24

1.4.3 Ferroélectricité_______________________________________________________________ 27

1.4.4 Piézoélectricité ______________________________________________________________ 28

1.5 Conclusion_______________________________________________________________ 30

2 Préliminaires à l’élaboration de la couche piézoélectrique de PZT : choix et

préparation de la technique de dépôt et du substrat _______________________________31

2.1 Introduction _____________________________________________________________ 31

2.2 Les différentes techniques de dépôt du PZT ___________________________________ 31

2.2.1 Introduction : classement des différentes techniques de dépôt __________________________ 31

2.2.2 Sol-gel _____________________________________________________________________ 32

2.2.2.1 Détails de la méthode sol-gel _________________________________________________ 32

2.2.2.2 Avantages et inconvénients___________________________________________________ 34

2.2.3 Dépôt en phase vapeur d’organo-métalliques (MOCVD) ______________________________ 35

2.2.3.1 Détails de la méthode _______________________________________________________ 35


2.2.4 Pulvérisation ________________________________________________________________ 37

2.2.4.1 Principe de fonctionnement __________________________________________________ 37

-8-

2.2.4.2 Les divers systèmes de pulvérisation ___________________________________________ 38


2.2.5 Choix de la technique de dépôt du PZT____________________________________________ 41

2.3 Préparation des échantillons : le substrat, la couche de passivation, les électrodes ____ 41

2.3.1 Le substrat __________________________________________________________________ 41

2.3.2 La couche de passivation_______________________________________________________ 42

2.3.2.1 Etat de l’art _______________________________________________________________ 42

2.3.2.2 Expérimentation et choix technologique_________________________________________ 43

2.3.3 L’électrode inférieure _________________________________________________________ 44

2.3.3.1 Etat de l’art _______________________________________________________________ 44

2.3.3.2 Expérimentation et choix technologique_________________________________________ 46

2.4 Options technologiques de préparation du PZT par pulvérisation _________________ 49

2.4.1 La cible de pulvérisation _______________________________________________________ 49

2.4.1.1 Etat de l’art _______________________________________________________________ 49

2.4.1.2 Choix de la cible et détails technologiques_______________________________________ 50

2.4.2 Les différents paramètres de la pulvérisation du PZT _________________________________ 52

2.4.2.1 Etat de l’art _______________________________________________________________ 52

2.4.2.2 Choix technologiques _______________________________________________________ 54

2.4.3 Le recuit de cristallisation du PZT________________________________________________ 55

2.4.3.1 Introduction_______________________________________________________________ 55

2.4.3.2 Recuit classique : Etat de l’art_________________________________________________ 55

2.4.3.3 Recuit rapide (RTA) ________________________________________________________ 57

2.4.3.3.1 Etat de l’art __________________________________________________________ 57

2.4.3.3.2 Détails technologiques _________________________________________________ 58

2.5 Conclusion_______________________________________________________________ 60

3 Elaboration et optimisation de couches minces de PZT par pulvérisation cathodique

RF magnétron et recuit rapide : Plan d’expérience _______________________________63

3.1 Introduction _____________________________________________________________ 63

3.2 Les plans d’expériences ____________________________________________________ 64

3.3 Présentation du plan d’expérience ___________________________________________ 66

3.3.1 Critères de qualité des couches réalisées : moyens de caractérisation mis en oeuvre _________ 67

3.3.1.1 Composition chimique : EDS _________________________________________________ 67

3.3.1.2 Tenue mécanique des films : Microscopies ______________________________________ 70

3.3.1.3 Cristallisation : Diffraction X _________________________________________________ 70

3.3.2 Organisation des manipulations__________________________________________________ 72

3.4 Résultats du plan d’expérience ______________________________________________ 74

-9-

3.4.1 Composition chimique_________________________________________________________ 74

3.4.2 Tenue mécanique après recuit ___________________________________________________ 78

3.4.3 Cristallisation________________________________________________________________ 79

3.4.4 Choix des paramètres de dépôt : essai de validation __________________________________ 80

3.5 Conclusion_______________________________________________________________ 82

4 Etudes spécifiques sur le film mince de PZT : gradients de concentrations des espèces

dans l’épaisseur et orientation cristalline _______________________________________85

4.1 Introduction _____________________________________________________________ 85

4.2 Gradients de concentrations des espèces dans l’épaisseur de la couche mince de PZT _ 85

4.2.1 Introduction _________________________________________________________________ 85

4.2.2 Expérimentation______________________________________________________________ 86

4.2.3 Technique de caractérisation : la spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) _______ 87

4.2.4 Résultats et discussion_________________________________________________________ 88

4.2.5 Influence du recuit de cristallisation sur les profils SIMS des différentes éléments du PZT____ 92

4.2.6 Conclusion__________________________________________________________________ 94

4.3 Optimisation de l’orientation cristalline du PZT________________________________ 94

4.3.1 Pourquoi texturer le film de PZT ? _______________________________________________ 94

4.3.2 Etat de l’art _________________________________________________________________ 95

4.3.3 Expérimentation et caractérisation________________________________________________ 96

4.3.4 Résultats et discussion_________________________________________________________ 96

4.3.5 Conclusion__________________________________________________________________ 99

4.4 Optimisation des conditions de recuit rapide du PZT___________________________ 100

4.4.1 Remarque sur la durée de pulvérisation___________________________________________ 100

4.4.2 Expérimentation : préparation des échantillons_____________________________________ 100

4.4.3 Résultats __________________________________________________________________ 101

4.4.4 Conclusion_________________________________________________________________ 103

4.5 Description du procédé stabilisé d’élaboration de films minces de PZT____________ 103

4.6 Conclusion______________________________________________________________ 104

5 Caractérisations électriques et mécaniques du PZT en couches minces __________105

5.1 Introduction ____________________________________________________________ 105

5.2 Caractérisation diélectrique et ferroélectrique ________________________________ 106

5.2.1 Expérimentation : ___________________________________________________________ 106

5.2.1.1 Elaboration des contacts ____________________________________________________ 106

5.2.1.2 Mesure d’épaisseur ________________________________________________________ 107

5.2.1.3 Caractéristiques des échantillons tests _________________________________________ 107

-10-

5.2.2 Caractérisation diélectrique ____________________________________________________ 108

5.2.2.1 Le phénomène diélectrique__________________________________________________ 108

5.2.2.2 La diélectricité du PZT _____________________________________________________ 109

5.2.2.3 Outil de caractérisation _____________________________________________________ 110

5.2.2.4 Résultats et discussion _____________________________________________________ 110

5.2.3 Caractérisation ferroélectrique__________________________________________________ 114

5.2.3.1 L’outil de caractérisation ferroélectrique : le montage Tower-Sawyer_________________ 114

5.2.3.2 Résultats et discussion _____________________________________________________ 116

5.2.4 Taille des contacts ___________________________________________________________ 118

5.2.4.1 Rôle de la multipulvérisation ________________________________________________ 118

5.2.4.2 Une solution pour récupérer les contacts court-circuités ___________________________ 119

5.2.5 Conclusion_________________________________________________________________ 119

5.3 Caractérisation piézoélectrique_____________________________________________ 120

5.3.1 Introduction ________________________________________________________________ 120

5.3.2 La caractérisation piézoélectrique du PZT en couches minces _________________________ 120

5.3.2.1 Etat de l’art ______________________________________________________________ 120

5.3.2.2 Technique utilisée dans cette étude____________________________________________ 122

5.3.3 Expérimentation : le banc de mesure_____________________________________________ 123

5.3.4 Modèle analytique ___________________________________________________________ 125

5.3.4.1 Introduction et notations ____________________________________________________ 125

5.3.4.2 Modélisation du film piézoélectrique __________________________________________ 126

5.3.4.3 Modélisation analytique de la vibration de la poutre ______________________________ 128

5.3.4.4 Expression analytique de la tension aux bornes du PZT____________________________ 128

5.3.5 Modélisation par éléments finis_________________________________________________ 129

5.3.5.1.1 Introduction _________________________________________________________ 129

5.3.5.1.2 Le modèle numérique de la poutre en flexion _______________________________ 130

5.3.5.1.3 Résultats : vérification des hypothèses du modèle analytique___________________ 131

5.3.6 Extraction du coefficient d31 à partir de la méthode de la poutre vibrante_________________ 133

5.3.6.1 La méthode de l’ajustement des paramètres : confrontation du modèle analytique à

l’expérience_____________________________________________________________________ 133

5.3.6.1.1 Mise au point de la technique ___________________________________________ 133

5.3.6.1.2 Validation de la méthode_______________________________________________ 134

5.3.6.2 La méthode de l’intégrale ___________________________________________________ 137

5.3.6.2.1 Mise au point de la technique ___________________________________________ 137

5.3.6.2.2 Validation de la méthode_______________________________________________ 139

5.3.6.2.3 Confrontation des différentes méthodes de détermination du d31 _______________ 141

5.3.6.2.4 Remarque sur l’encastrement ___________________________________________ 142

5.3.7 Résultats expérimentaux sur le coefficient d31______________________________________ 143

5.3.8 Conclusion_________________________________________________________________ 146

-11-

5.4 Caractérisation des contraintes résiduelles dans le multicouche __________________ 147

5.4.1 Introduction : état de l’art _____________________________________________________ 147

5.4.2 Expression de la formule de Stoney _____________________________________________ 148

5.4.3 Expérimentation_____________________________________________________________ 148

5.4.4 Résultats et discussion________________________________________________________ 149

5.4.5 Perspectives ________________________________________________________________ 151

5.5 Conclusion______________________________________________________________ 152

6 Réalisation et caractérisation de membranes composites Si/PZT. Applications aux

microsystèmes ____________________________________________________________153

6.1 Introduction ____________________________________________________________ 153

6.2 Procédé d’élaboration global d’une membrane de silicium actionnée par une couche

mince de PZT________________________________________________________________ 153

6.2.1 Etat de l’art ________________________________________________________________ 153

6.2.2 Architecture générale d’une membrane composite __________________________________ 154

6.2.3 Optimisation de la géométrie et de la surface de l’électrode supérieure __________________ 155

6.2.3.1 Modélisation par éléments finis ______________________________________________ 155

6.2.3.2 Résultats FEM des positions et tailles optimales de l’électrode supérieure _____________ 156

6.2.3.3 Importance de l’épaisseur de la membrane______________________________________ 157

6.2.3.4 Structuration de l’électrode supérieure : contact déporté ___________________________ 157

6.2.4 Succession des étapes technologiques ____________________________________________ 158

6.3 Caractérisation quasi-statique______________________________________________ 162

6.3.1 Remarque préliminaire : mesures d’épaisseur de la membrane_________________________ 162

6.3.2 Moyen de caractérisation de la déflexion de la membrane : le profilomètre optique ________ 163


6.4 Caractérisation dynamique ________________________________________________ 165

6.4.1 Simulation par Eléments Finis__________________________________________________ 165

6.4.2 Moyen de caractérisation : le vibromètre laser _____________________________________ 166


6.5 Etude de faisabilité d’un capteur de pression résonant _________________________ 170


6.5.2 Principe physique du capteur___________________________________________________ 170

6.5.3 Banc de mesure en pression____________________________________________________ 171

6.5.4 Résultats __________________________________________________________________ 172

6.5.4.1 Sensibilité _______________________________________________________________ 172

6.5.4.2 Détection de la fréquence de résonance ________________________________________ 173

6.5.5 Perspectives ________________________________________________________________ 174

-12-

6.6 Conclusion______________________________________________________________ 175

7 Perspectives d’applications : premiers résultats expérimentaux ________________177

7.1 Introduction ____________________________________________________________ 177

7.2 Micropompe ____________________________________________________________ 177

7.3 Réponse piézoélectrique par microscopie à force atomique. Application au stockage

ferroélectrique de données à très haute densité ____________________________________ 178


7.3.2 Le mode réponse piézoélectrique du microscope à force atomique______________________ 179

7.3.3 Résultats __________________________________________________________________ 180

7.3.4 Perspectives ________________________________________________________________ 182

7.4 Conclusion______________________________________________________________ 183

Conclusion générale_______________________________________________________185

Références bibliographiques________________________________________________ 189

Publications et communications scientifiques___________________________________199

Annexe A : caractéristiques techniques du bâti de pulvérisation cathodique Alcatel DION

300_____________________________________________________________________ 201

Annexe B : Exemples de programmation du four à recuit rapide ADDAX R1000______ 203

Annexe C : Fiches d’identification cristallographique JCPDS : PZT, Pt, Ti, Si________204

Annexe D : Programmes de simulation par éléments finis ANSYS__________________208

Annexe E : Masques de photolithographie utilisés pour la réalisation de la membrane

composite Si/PZT_________________________________________________________ 215

Folio administratif________________________________________________________ 216

Introduction générale

-13-


Depuis les années 70, la microélectronique a connu un développement très important.

Des techniques de fabrication collective spécifiques ont été mises au point permettant de

réduire considérablement le coût des objets issus de cette technologie. Ainsi, de nombreuses

applications grand public ont vu le jour comme la montre à quartz, la télévision ou

l’ordinateur personnel. La réduction de la taille des composants élémentaires comme la diode

et le transistor a permis une très grande intégration de ceux ci sur la même puce. Le degré de

complexité des fonctions logiques a augmenté, permettant la commande de processus de plus

en plus délicats, avec un coût toujours diminué. Ainsi, depuis le milieu des années 80,

l’élément le plus cher d’un appareil quelconque utilisant de l’électronique est rapidement

devenu le transducteur, c’est à dire le capteur ou l’actionneur. En effet, les techniques de

fabrication de ces derniers n’ont pas connu un changement aussi radical que celles des

composants microélectroniques. C’est pourquoi de nombreuses recherches sont menées

depuis une vingtaine d’années sur les microsystèmes incluant transducteurs et électronique de

traitement dont la réalisation s’inspirent des techniques de fabrication collective de la

microélectronique. Les microsystèmes électromécaniques appelés MEMS (de l’anglais

MicroElectroMechanical Systems) sont promis à un bel avenir. Un de leur représentant le plus

connu est aujourd’hui l’accéléromètre qui permet de déclencher l’Air Bag. Le secteur

automobile est devenu un très grand consommateur d’électronique et de capteurs de toutes

sortes : pression, température, accélération. La demande se fait également très forte dans le

domaine biomédical. L’aviation et le spatial sont aussi très intéressés par le développement

des MEMS avec des entreprises comme Sextant Avionique dont le produit phare est le

capteur de pression résonant P90 réalisé sur tranches de silicium qui équipe les Airbus [1].

Les MEMS sont en fait des convertisseurs de grandeurs physiques de petites

dimensions. Les mécanismes de transduction utilisés et les applications possibles sont

nombreux et variés : accéléromètre capacitif [2], capteur de pression piézorésistif [3], capteur

de force piézoélectrique [4], microactionneur magnétostrictif [5] ou avec alliage à mémoire de

forme [6]. La réalisation des MEMS nécessite généralement l’intégration sur silicium,

substrat de prédilection de la microélectronique, de matériaux aux propriétés particulières.

Ces derniers sont très souvent déposés en couches minces sur le substrat ce qui implique le

développement de nouveaux procédés de dépôt s’inspirant des techniques classiques de la


-14-

microélectronique. Les couches minces permettent d’envisager une diminution très

importante des dimensions des transducteurs tout en offrant la possibilité de les réaliser par

des techniques de fabrication collectives.

Parmi tous les mécanismes de transduction envisageables dans les MEMS, la

piézoélectricité est l’un des plus efficaces. Elle présente l’avantage d’avoir un effet réversible,

ce qui permet des applications comme capteur ou comme actionneur. Le nombre de MEMS

piézoélectriques déjà réalisés n’est pas encore à la hauteur du potentiel énorme que constitue

ces nouvelles technologies. La cause principale est la difficulté de réalisation et surtout

d’intégration des matériaux piézoélectriques sur silicium ce qui représente un véritable enjeu

industriel.

Le travail effectué au cours de cette thèse s’inscrit dans un programme plus large de

développement de nouveaux procédés technologiques sur silicium entrepris au Laboratoire de

Physique de la Matière. Il s’agissait de proposer des moyens technologiques de réalisation de

couches minces piézoélectriques compatibles avec le silicium et de démontrer leur efficacité

par le développement d’un démonstrateur. L’accent a été mis sur la recherche d’un procédé de

réalisation générique. Afin d’assurer une compatibilité optimale avec d’éventuels procédés

CMOS effectués sur la même puce, le budget thermique imposé à la structure a été réduit au

maximum. Comme les films minces présentent des propriétés physiques différentes du

massif, un soin particulier a été apporté sur la caractérisation des films notamment au niveau

piézoélectrique. Le développement d’un capteur de pression résonant à haute sensibilité à

partir de membranes composites silicium-piézoélectrique a démontré tout l’intérêt et la

faisabilité des films minces piézoélectriques sur silicium.

Nous présentons dans le chapitre 1 un état de l’art des principaux matériaux

piézoélectriques utilisés dans les systèmes microélectromécaniques. Après avoir justifié

l’étude du zirconate titanate de plomb (PZT), ses caractéristiques cristallographiques,

ferroélectriques et piézoélectriques sont rappelées.

Le chapitre 2 est un préliminaire à l’élaboration de couches minces de PZT. Les

différentes techniques de dépôt de films de PZT relevées dans la littérature sont détaillées.

Ensuite, la préparation des échantillons est abordée : nature du substrat, procédé de réalisation

de la couche de passivation et des électrodes de contact. Plusieurs choix technologiques ont

été effectués en fonction des résultats de la littérature.


-15-

L’élaboration de la couche de PZT par pulvérisation cathodique est développée dans le

chapitre 3. Une technique originale basée sur les plans d’expérience a été mise au point et est

exposée en détails. Les paramètres technologiques ont été fixés en fonction de la composition

chimique, de la tenue mécanique et de la qualité cristallographique des films réalisés.

Deux études spécifiques décrites au chapitre 4 ont permis de déterminer complètement

et de fiabiliser le procédé d’élaboration du PZT. Il s’agit de l’observation par sonde ionique

de gradients de concentration des espèces chimiques dans l’épaisseur du film et de

l’orientation cristallographique préférentielle du PZT.

Les caractéristiques électromécaniques des films sont exposées dans le chapitre 5. Le

procédé d’élaboration du PZT est validé par l’observation des bonnes propriétés diélectriques

et ferroélectriques. Le cœur du chapitre 5 est la caractérisation piézoélectrique. Après avoir

détaillé les différentes méthodes observées dans la littérature qui souffrent d’un manque de

précision, nous proposons une technique de la poutre vibrante améliorée pour quantifier

l’effet piézoélectrique transversal. Un modèle analytique est développé, soutenu par une

analyse par éléments finis. Deux méthodes d’extraction du coefficient piézoélectrique d31 sont

détaillées. La fin du chapitre 5 traite des contraintes résiduelles dans le multicouche. Une

étude sur la variation des contraintes du PZT dans le temps est exposée.

Le chapitre 6 concerne la réalisation de membranes composites Si-PZT. Après avoir

détaillé le procédé global d’élaboration, les résultats de caractérisations de déplacement quasi-

statique et dynamique de la membrane sont exposés. Une modélisation par éléments finis

précise certains choix technologiques et permet de confronter ces résultats expérimentaux

avec les caractérisations électriques du chapitre précédent. Une application de ce dispositif

comme capteur de pression résonant à haute sensibilité est ensuite détaillée.

Le dernier chapitre traite d’applications prospectives des films minces de PZT sur

silicium : la réalisation d’une micropompe et le développement d’un système de stockage de

données sur PZT à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM).

Chap. 1 : Les matériaux piézoélectriques dans les microsystèmes électromécaniques (MEMS)

-16-

1 Les matériaux piézoélectriques dans les

microsystèmes électromécaniques (MEMS)

1.1 Introduction

Après avoir défini ce qu’est l’effet piézoélectrique, nous présentons dans ce premier

chapitre les applications majeures des microsystèmes utilisant des matériaux piézoélectriques.

Le noyau dur de la réalisation de MEMS utilisant la piézoélectricité est bien évidemment le

développement de la couche active. De nombreuses études ont été menées depuis une

vingtaine d’années sur l’élaboration de couches minces piézoélectriques. Trois matériaux se

distinguent particulièrement de ces travaux tant pour leurs techniques d’élaborations

compatibles avec la microélectronique que pour leurs propriétés piézoélectriques intrinsèques.

Ce sont le nitrure d’aluminium (AlN), l’oxyde de zinc (ZnO) et le zirconate-titanate de plomb

(PZT). Pour chacun d’eux, un petit historique précède les applications principales en couches

minces et leurs principales caractéristiques. Après avoir justifié le choix du PZT comme

matériau étudié au cours de cette étude, une présentation complète de celui ci est faite au

niveau cristallographique, ferroélectrique et piézoélectrique.

1.2 Les MEMS et la piézoélectricité : Etat de l’art

1.2.1 L’effet piézoélectrique

La piézoélectricité a été découverte en 1880 par Pierre et Jacques Curie sur le quartz,

bien que la première observation qualitative de cette propriété ait été faite par Haüy en 1817.

Il faudra cependant attendre 1921 pour voir la première utilisation industrielle d’un

transducteur piézoélectrique par Paul Langevin. Walter Cady développera un peu plus tard les

oscillateurs radioélectriques à quartz. Son nom sera repris pour désigner un prix remis chaque

année à une personnalité majeure de la piézoélectricité. Les premiers développements

mathématiques de la piézoélectricité ont été menés par Voigt en 1910 où apparaît la théorie de

l’élasticité des matériaux.


-17-

Un certain nombre de cristaux ont la propriété de se polariser sous l’influence d’une

contrainte mécanique qui les déforme. La polarisation qui apparaît alors lors de cette

sollicitation mécanique est analogue à celle qui apparaît dans un diélectrique soumis à un

champ électrique. C’est l’effet piézoélectrique direct schématisé sur la Figure 1. L’effet

indirect est la déformation du matériau lorsque celui ci est soumis à un champ électrique.

Force

Voltmètre

Matériaupiézoélectrique

1. Pas de force appliquée=> Pas de tension

2. Application d ’une force=> Apparition d ’une tension

0≠V

0=V

Figure 1 : Illustration de l’effet piézoélectrique direct

1.2.2 La piézoélectricité appliquée aux MEMS

Comme annoncé dans l’introduction générale, les applications de la piézoélectricité

dans les MEMS sont aussi bien des capteurs que des actionneurs, de par la réversibilité de son

effet.

Pour les actionneurs, les deux réalisations récentes les plus marquantes sont les

micromoteurs et les micropompes. Racine et al. ont réalisé en 1993 le premier micromoteur

avec des couches minces piézoélectrique de ZnO [7]. Muralt et al. [8] ont amélioré la

technique en utilisant des couches de zirconate-titanate de plomb (PZT). La technologie des

micropompes est basée sur le collage d’une céramique piézoélectrique sur l’élément moteur

de la pompe ce qui complique grandement sa réalisation. Les architectures élaborées jusqu’à

maintenant imposent une épaisseur active aux environs de 50 µm [9]. Polla et al. ont réalisé

des clapets de micropompes avec une couche mince de PZT qui actionne une poutre de

silicium réalisée par usinage de surface [10]. Il existe également quelques réalisations

d’actionneurs de positionnement comme le micromiroir de Maeda et al. [11] utilisé pour

guider la réflexion d’un laser.


-18-

Une des premières applications aux capteurs des matériaux piézoélectriques dans les

MEMS a été les lignes à retard (SAW pour Surface Acoustic Wave), qui découlent

directement des travaux sur le quartz. Ainsi, Choujaa et al. du LPMO de Besançon [12]

propose une ligne à retard d’AlN déposée sur une membrane permettant d’obtenir un capteur

de pression. Polla et al. de l’université du Minnesota propose la réalisation d’un accéléromètre

piézoélectrique en vue de réguler la vitesse d’un pacemaker suivant l’activité physique de la

personne implantée [13]. Lee et al. de l’Université de Tokyo ont réalisé un capteur de force

piézoélectrique en couches minces utilisé dans un microscope à force atomique permettant

une résolution longitudinale de 0,15 nm [4].

1.3 Les principaux matériaux piézoélectriques en couches

minces

1.3.1 L’oxyde de zinc (ZnO)

Le premier film de ZnO réalisé par pulvérisation date de 1965. Le ZnO fut le premier

matériau piézoélectrique en couches minces à être commercialisé. C’était en 1976 et il

s’agissait de lignes à retard pour la télévision [14]. Le ZnO est apprécié pour son couplage

électromécanique et ses propriétés piézoélectriques qui sont relativement importants comparés

aux autres matériaux piézoélectriques non céramiques. Il possède également l’avantage de

pouvoir se graver facilement ce qui est d’un grand intérêt pour les microtechnologies.

Le ZnO possède une structure cristalline hexagonale et fait partie du groupe 6mm.

L’orientation de son axe c doit être perpendiculaire au substrat pour que l’on puisse utiliser

l’effet piézoélectrique. Ceci est une contrainte pour la croissance des couches.

De nombreuses techniques ont été étudiées pour déposer le ZnO. Citons le dépôt en

phase vapeur (CVD de Chemical Vapor Deposition) [15], la pulvérisation diode classique

[16], la pulvérisation triode [17], l’évaporation laser [18], le dépôt en phase vapeur d’organo-

métalliques (MOCVD) [19], le dépôt par résonance cyclotron électronique (ECR pour

Electron Cyclotron Resonance) [20]. Cependant, la technique la plus couramment utilisée est

la pulvérisation RF magnétron [21], permettant un dépôt à température assez faible (environ

150°C dans le bloc de pulvérisation), une vitesse de dépôt plus rapide que la pulvérisation

classique et un équipement à la fois simple et usuel dans les laboratoires de

microélectronique. Le dépôt en pulvérisation peut se faire en utilisant une cible de zinc et un

mélange d’argon et d’oxygène pour le gaz du plasma ce qui donne une pulvérisation dite


-19-

réactive ou bien en utilisant directement une cible de ZnO. On observe depuis 1995 plusieurs

travaux sur la mise au point de procédés sol-gel adaptés au ZnO qui semble donner des

résultats tout à fait honorables.

Les dernières valeurs rapportées pour le coefficient piézoélectrique d33 sont aux

environs de 12 pC/N [22] et de 6% pour le coefficient de couplage électromécanique [23] ce

qui est équivalent aux valeurs du matériau massif, sous réserve des méthodes de mesures

mises en jeu pour la détermination des coefficients piézoélectriques des films minces qui ne

sont pas encore au point puisqu’elles font notamment l’hypothèse que les coefficients

élastiques des couches minces sont les mêmes que le matériau massif. Cette question sera

traitée dans le chapitre réservé à la caractérisation piézoélectrique.

1.3.2 Le nitrure d’aluminium (AlN)

Le nitrure d’aluminium possède un coefficient de couplage et des propriétés

piézoélectriques un peu moins bonnes que le ZnO. Il présente une résistance mécanique et

contre les acides beaucoup plus importante que le ZnO ce qui est un inconvénient pour la

gravure mais un avantage pour le fonctionnement des microtransducteurs en milieux sévères.

Il possède d’autre part une vitesse acoustique élevée ce qui en fait un candidat idéal pour les

gammes de fréquences supérieures au GHz.

Tout comme le ZnO, l’AlN possède une structure cristalline hexagonale et fait partie

du groupe 6mm. Il faut également que son axe c soit perpendiculaire au substrat pour pouvoir

observer un effet piézoélectrique.

Les premières recherches sur l’AlN ont été menées en dépôt chimique en phase vapeur

(CVD) [24]. La technique MOCVD a été également développée à la fin des années 70 [25].

Cependant, l’inconvénient principal de ces deux techniques étant une température de

croissance élevée (entre 1000°C et 1300°C), la pulvérisation cathodique magnétron initiée

pour l’AlN au début des années 80 a permis d’obtenir des couches de bonne qualité à une

température de croissance beaucoup plus basse, sans chauffage du substrat [26]. Blanc et al.

du LTSI à St Etienne rapporte des couches d’AlN préparées par pulvérisation réactive

magnétron dont le coefficient d33 atteint 6 pC/N [27]. En raison de la haute vitesse de

propagation acoustique qu’il présente, la plupart des caractérisations piézoélectriques de

l’AlN sont faites sur des SAW.

Bien qu’il soit déjà bien connu et bien caractérisé, l’AlN suscite encore la curiosité de

plusieurs centres de recherches comme le Massachussets Institute of Technology (MIT) de


-20-

Boston, notamment au niveau de son intégrabilité sur les applications MEMS en termes de

contraintes résiduelles (présentation orale au congrès MRS Boston 1998). Ce problème

concerne également des équipes françaises notamment à travers le travail de thèse de Thierry

Laurent au LPMO de Besançon [28].

A titre d’exemple, le Tableau 1 ci-dessous rassemble les principaux paramètres

technologiques utilisés par le Department of Materials Science and Engineering du MIT de

Boston pour la préparation d’AlN en couches minces par pulvérisation DC magnétron.

Tableau 1 : Paramètres de dépôt d’AlN en couches minces utilisés au MIT (Boston, MA)

Procédé de dépôt Pulvérisation diode classique magnétron

Nature de la cible Al de pureté égale à 99,999 %

Composition du gaz de plasma Azote-Argon

% azote : de 50 à 100%

Pression du gaz 1,5-3,5 mTorr

T° du substrat 25-175°C

Distance cible-substrat 10 cm

Puissance incidente 0,5-2,5 kW

Vitesse de pompage 20-60 sccm

1.3.3 Le zirconate-titanate de plomb (PZT)

Les excellentes propriétés piézoélectriques des céramiques de zirconate titanate de

plomb (Pb(ZrxTi1-x)O3 ou PZT) ont été mises en évidence pour la première fois en 1954 par

Jaffe, Roth et Marzullo [29]. Les coefficients piézoélectriques du PZT peuvent être 10 fois

supérieurs à ceux de matériaux non ferroélectriques comme l’AlN ou le ZnO, que ce soit en

couches minces ou bien massif. Ainsi, les PZT massifs atteignent des coefficients de couplage

électromécanique longitudinaux k33 de 0,75, c’est à dire dix fois plus que le ZnO. Les PZT

présentent d’autre part des propriétés pyroélectriques importantes permettant d’envisager des

applications comme capteurs de température ou infra-rouges. Cela peut être également un

inconvénient car cette sensibilité à la température entraine une variation des propriétés

piézoélectriques du PZT. La dernière grande différence avec les autres piézoélectriques est la

très grande constante diélectrique relative des PZT, pouvant atteindre 4000 pour le matériau

massif.


-21-

De très nombreuses techniques de dépôts ont été utilisées pour le PZT. De manière

générale, le dépôt du PZT est plus complexe que celui de composés plus simples comme le

ZnO ou l’AlN en raison de la présence de plusieurs métaux à déposer (Pb, Zr, Ti), de la

disparité des masses atomiques en particulier entre le plomb et l’oxygène, de la nécessité de

travailler dans une atmosphère non réductrice. De nombreuses techniques de dépôts imposent

également un recuit de cristallisation pour obtenir la phase pérovskite ferroélectrique et il est

nécessaire de polariser les couches pour observer un effet piézoélectrique. D’autre part, les

propriétés du PZT varient suivant le rapport entre titane et zirconium et ce rapport peut être

ajusté suivant l’application visée (piézoélectrique, ferroélectrique, diélectrique ou

pyroélectrique). Enfin, la gravure du PZT n’est pas aisée. La gravure réactive plasma (RIE

pour Reactive Ion Etching) à partir de dérivés chlorés est souvent utilisée [30].

A la fin des années 70 et début des années 80, c’est sur des dépôts PVD (Physical

Vapor Deposition) que les premières recherches sont effectuées, comme l’évaporation par

faisceau d’électron [31] ou le bombardement ionique [32] mais les investigations sont le plus

souvent menées sur la pulvérisation cathodique comme M. Sayer et al.[33]. A la fin des

années 80, les études de dépôts de PZT par techniques chimiques émergent comme le sol-gel,

où l’équipe de M. Sayer de l’université de Kingston (Canada) est une nouvelle fois parmi les

pionniers [34], ou bien le dépôt chimique en phase vapeur par organo-métalliques (MOCVD)

[35]. Au début des années 90, les trois méthodes principales sont : la pulvérisation, le sol-gel

et la MOCVD. De plus amples informations sur ces techniques seront fournies ultérieurement.

Les applications des PZT en couches minces sont nombreuses et variées. Tout

d’abord, la constante diélectrique très élevée est très utile pour la conception de mémoires

dynamiques diélectriques (DRAM) [36]. Les PZT utilisés ont une température de Curie entre

180°C et 400°C ce qui implique qu’ils présentent un effet ferroélectrique à la température

ambiante. Le fonctionnement de ces mémoires est donc différent de celui des DRAM

classiques diélectriques. Elles sont appelées DRAM non volatiles et dans ce cas précis FRAM

(Ferroelectric Random Access Memory). Le principal avantage par rapport aux DRAM

classiques est qu’il n’est pas nécessaire de les rafraîchir. L’information peut être conservée

sans utilisation d’alimentation d’où un gain de consommation électrique et donc une

diminution de la dissipation thermique permettant d’envisager une intégration encore plus

importante. De nombreuses études sont menées sur ce sujet en particulier sur les phénomènes

de vieillissement et de fatigue, notamment par l’équipe de S.B. Desu du Virginia Polytechnic

Institute [37].


-22-

Le PZT présente un coefficient pyroélectrique très élevé (3,8 10-4 Cm-2K-1). Ainsi, il

peut être utilisé dans la détection des infrarouges pour faire par exemple de la cartographie de

température [38].

Les propriétés piézoélectriques du PZT en couches minces sont utilisées le plus

souvent pour des applications microcapteurs, plus que pour des microactionneurs. En effet,

les épaisseurs de PZT les plus intéressantes pour des applications comme les micromoteurs ou

les micropompes se situe entre 10 µm et 100 µm. Or, bien qu’il existe quelques techniques

permettant d’atteindre ces épaisseurs, les dépôts obtenus ne présentent pas des caractéristiques

optimales, en particulier en ce qui concerne l’intégration sur silicium. On utilise alors souvent

pour entrer dans ces spécifications de fines lames de PZT massifs découpées (jusqu’à 40 µm)

et collées par la suite comme dans le cas de la micropompe réalisée à l’Université de

Neuchâtel [9]. De nouvelles techniques de sérigraphie (printing) où une pâte réalisée à partir

de poudre de PZT et d’un solvant est étalée sur le substrat permettent de dépasser la dizaine

de microns de PZT [39]. Mais la compatibilité avec le silicium ainsi que les propriétés

ferroélectriques et piézoélectriques ne sont pas encore équivalentes ni au matériau massif ni

aux couches minces réalisées en pulvérisation, en sol-gel ou en MOCVD. Par ailleurs,

certaines équipes ont cependant réussis à réaliser des micromoteurs avec des couches minces

de PZT comme à l’EPFL de Lausanne [40]. Pour ce qui est des microcapteurs, on retrouve les

lignes à retards (SAW), les accéléromètres, les capteurs acoustiques et les capteurs de force

[4, 10].

Les applications capteurs et actionneurs utilisant des couches minces de PZT ne sont

pas encore très nombreuses et ce pour plusieurs raisons. La première est la difficulté du

procédé d’élaboration dont les conditions de reproductibilité peuvent varier dans le temps et

d’un bâti de dépôt à un autre. Ce genre de problème est bien évidemment très limitatif en vue

d’un développement industriel. La deuxième est la méconnaissance des propriétés

mécaniques et électriques du PZT. Là aussi, de sérieux problèmes de reproductibilité sont

rencontrés. Une autre raison est le problème des contacts. On observe dans la littérature que la

taille des contacts utilisés pour caractériser électriquement des films minces de PZT dépasse

rarement le mm². Ceci n’est évidemment pas gênant pour réaliser des mémoires FRAM où

l’on cherche à diminuer justement la taille des contacts, mais par contre, il s’agit d’une

limitation très importante pour la réalisation de microcapteurs. Finalement, une dernière

remarque peut être faite sur la fatigue du PZT d’une part et la dépolarisation dans le temps

d’autre part qui sont également deux paramètres qu’il faut impérativement contrôler pour


-23-

assurer la fiabilité d’un capteur dans le temps. Plusieurs recherches sont effectuées sur ce

dernier sujet en particulier par l’équipe de Mme Trolier-Mc Kinstry de l’Université de

Pennsylvanie (USA) [41].

1.3.4 Choix du matériau utilisé dans cette étude

De par ses propriétés ferroélectriques et piézoélectriques beaucoup plus élevées que

l’AlN ou le ZnO, le PZT répond tout à fait aux attentes des microsystèmes et son intégration

sur silicium représente un véritable enjeu technologique. C’est donc ce matériau qu’il a été

choisi d’étudier dans le cadre de ce travail.

1.4 Caractéristiques du PZT

1.4.1 Définitions

L’objet de ce paragraphe est de préciser les termes de piézoélectricité, ferroélectricité

et pyroélectricité afin d’éclairer les développements ultérieurs sur le PZT.

Un milieu cristallin étant composé de particules chargées électriquement, l’apparition

de charges de polarisation par déformation mécanique est donc prévisible. Des conditions de

symétries de l’édifice cristallin permettent de connaître les arrangements d’atomes

susceptibles de donner un effet piézoélectrique. Le cristal ne doit pas posséder de centre de

symétrie ce qui est le cas de 21 classes cristallines sur les 32 existantes. 20 classes sont

piézoélectriques : lors de l’application d’une contrainte mécanique, le cristal se déforme et il y

a séparation des centres de gravité des charges positives de celui des charges négatives au

niveau de chaque maille du réseau cristallin ce qui a pour effet de produire un moment

dipolaire. Parmi ces 20 classes, 10 sont pyroélectriques c’est à dire qu’elles possèdent une

polarisation électrique en l’absence de champ électrique appliqué. La direction privilégiée de

polarisation est appelée axe polaire. Elles sont nommées pyroélectriques en raison de la

variation de l’amplitude du moment dipolaire suivant la température qui peut être mesurée par

l’écoulement des charges dans un circuit extérieur fermé. Parmi les cristaux pyroélectriques,

on peut distinguer les ferroélectriques pour lesquels l’axe polaire, support d’un dipôle

permanent, est mobile dans le réseau cristallin sous l’influence d’un champ électrique

extérieur. La décomposition des 32 classes cristallines suivant ces différentes dénominations

est résumée sur la Figure 2 [42].


-24-

32 classes cristallines

11 centrosymétriques 21 non centrosymétriques

Non-pyroélectriques 20 piézoélectriques 1 non-piézoélectrique

10 pyroélectriques 10 non-pyroélectriques

Non-ferroélectriques Ferroélectriques Non-ferroélectriques

Figure 2 : Regroupement des classes cristallines suivant leurs propriétés

piézoélectriques, pyroélectriques et ferroélectriques.

1.4.2 Cristallographie du PZT : la maille pérovskite

La formule chimique du PZT est Pb(ZrxTi1-x)O3. Le nombre x est équivalent à

[Zr]/[Zr]+[Ti]. Il fait partie des oxydes du type pérovskite, du nom de la pérovskite naturelle

CaTiO3. Cette structure est de la forme ABO3. A est un cation de grand rayon (Pb pour le

PZT), bivalent et de coordinance 12. B est un cation de rayon plus faible (Zr et Ti pour le

PZT), tétravalent et de coordinance 6. Dans un arrangement cubique, A occupe les sommets,

B le centre et l’oxygène le centre des 6 faces. L’ion B se trouve au centre d’un octaèdre

d’oxygène. La Figure 3 est une représentation de la maille pérovskite cubique avec le Pb à

l’origine.

La maille pérovskite du PZT peut être sous trois formes différentes suivant la

température et le rapport Zr/Ti :

- Cubique (groupe ponctuel m3m) lorsque la température est supérieure à la

température de Curie (Tc), ce qui correspond à la phase paraélectrique qui ne

présente pas de moment dipolaire.


-25-

- quadratique (groupe ponctuel 4mm) lorsque la température est en dessous de Tc et

x < 0,45 (dominance du titane). Cette phase présente un moment dipolaire

permanent de par la déformation de la maille cubique.

- rhomboédrique (groupe ponctuel 3m) lorsque la température est en dessous de Tc

et x > 0,5 (dominance du zirconium). Cette phase présente également un moment

dipolaire permanent.

Pb 2+O2-

Zr4+ ou Ti4+

Figure 3 : Maille pérovskite cubique du PZT

On notera que lorsque x est compris entre 0,45 et 0,5 environ, la phase obtenue est un

mélange de quadratique et de rhomboédrique. Cette phase est dénommée morphotropique.

Elle est importante car c’est dans cette zone que le PZT présente ses meilleures propriétés

ferroélectriques et piézoélectriques [43]. La Figure 4 est une schématisation du diagramme de

phase du PZT.

La zone notée AF sur la Figure 4 est une phase antiferroélectrique caractéristique du

zirconate de plomb (PbZrO3) et qui ne présente pas d’intérêt ici car non piézoélectrique.

Les deux phases ferroélectriques sont obtenues par déformation de la maille cubique

paraélectrique, et présentent alors un moment dipolaire permanent. Pour la phase quadratique,

un côté du cube est allongé pour donner l’axe c alors que les deux autres côtés sont

compressés pour donner les axes a quadratiques. Pour la phase rhomboédrique, le cube est


-26-

étiré suivant une diagonale qui traverse entièrement la maille. Une représentation schématique

de l’obtention de ces phases est donnée sur la Figure 5.

0

100

200

300

400

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

x (PbTiO3)

Tem

péra

ture

(°C

)

PbZrO3 PbTiO3

Paraélectrique

Rhomboédrique

Quadratique

Morphotropique

AF

Ligne de température de Curie (Tc)

Figure 4 : Diagramme de phase du PZT

Ps

a

a

c

Ps

Phase quadratique Phase rhomboédrique

Figure 5 : Déformation de la maille pérovskite cubique du PZT donnant les phases

quadratique et rhomboédrique suivant le rapport Zr/Zr+Ti. Les pointillés délimitent la

phase cubique de base.


-27-

Suivant les différentes phases de la maille pérovskite, la direction de la polarisation

n’est pas la même. Ainsi, lorsque la symétrie est quadratique, l’axe polaire est suivant les

directions de la maille cubique originale, c’est à dire suivant l’axe c de la phase

quadratique. Comme il existe six axes équivalents dans la phase cubique, l’axe polaire

peut être suivant six directions. Lorsque la symétrie est rhomboédrique, l’axe polaire est

suivant les directions de la maille cubique originale, ce qui représente huit directions

possibles de polarisation spontanée dans cette phase. Un exemple des directions de

polarisations spontanées pour les deux phases ferroélectriques est représenté sur la Figure

5 [44].

1.4.3 Ferroélectricité

La notion de ferroélectricité tient dans le fait que la polarisation spontanée du matériau

peut varier suivant l’application d’un champ électrique extérieur. Le sens de l’axe polaire peut

même être inversé si ce champ est suffisamment intense. Ainsi, l’état de polarisation

macroscopique d’un matériau ferroélectrique suivant le champ électrique d’excitation

représente un cycle d’hystérésis (cf Figure 6) de façon similaire aux matériaux

ferromagnétiques à qui les ferroélectriques doivent leur nom par analogie.

Le matériau ferroélectrique est subdivisé en domaines. Dans chacun d’eux, tous les

dipôles élémentaires sont orientés dans le même sens. La taille de ces domaines varie suivant

le champ électrique. Dans le cas du PZT, la forme, le nombre et la taille des domaines

dépendent des conditions de croissance et des contraintes extérieures mécaniques et

électriques. Lorsqu’un champ électrique est appliqué, les dipôles élémentaires ont tendance à

s’orienter suivant la direction du champ. Plus le champ est fort, plus le nombre de dipôles

élémentaires qui basculent est grand, apportant ainsi leur contribution à la polarisation qui

augmente d’autant. C’est ce qui explique le cycle d’hystérésis de la Figure 6.

La déformation de la maille pérovskite lorsque le champ électrique est nul est

schématisée sur la Figure 6. Ainsi, le centre d’inertie des charges positives (Ti4+ ou Zr4+) dans

la maille cubique, est décalé par rapport au centre d’inertie des charges négatives (O2-).

Un article synthétique sur la ferroélectricité du PZT appliquée au FRAM a été publié

par Auciello, Scott et Ramesh [45].


-28-

Pr

-Pr

Ps

-Ps

Ec

-Ec

Pr: polarisation rémanente

Ps: polarisation de saturation

Ec: champ coercitif

P: polarisation

E: champ électrique

Figure 6 : Polarisation d’un matériau ferroélectrique en fonction du champ électrique

appliqué. Les deux schémas incrustés représentent la maille pérovskite dans les deux

états possibles de polarisation rémanente (Pr et –Pr).

Pour fixer les idées, les caractéristiques ferroélectriques typiques du PZT massif sont

données dans le Tableau 2 [46].

Tableau 2 : Valeurs électriques typiques du PZT massif

Pr (µC/cm²) Ec (kV/cm) εr Tc (°C)

20-50 6-30 400-4000 180-400

1.4.4 Piézoélectricité

Le phénomène piézoélectrique apparaît par la déformation mécanique du dipôle

élémentaire de la maille. Dans le cas des matériaux ferroélectriques, plus la polarisation

rémanente est importante et plus les coefficients piézoélectriques sont élevés. Ceci est réalisé

si les dipôles élémentaires sont orientés dans la même direction afin de donner un dipôle

macroscopique non nul. Le PZT est très souvent sous forme polycristalline, que ce soit en


-29-

massif ou en couches minces. Ainsi, après élaboration, les dipôles électriques sont orientés de

façon aléatoires et le PZT ne présente donc pas d’effet piézoélectrique. Pour ce faire, il est

nécessaire de procéder à une étape dite de polarisation qui consiste à appliquer un champ

électrique intense afin d’orienter les polarisations des microcristaux dans la même direction.

Lorsque le champ est supprimé, il subsiste la polarisation rémanente. La Figure 7 illustre cette

étape indispensable de polarisation du PZT.

Avant polarisation

Aprèspolarisation

-

+

Dipôle élémentaire

Tension depolarisation

+

-

Axe de polarisation

Figure 7 : Etape de polarisation des dipôles électriques par l’application d’un champ

électrique dans le cas des céramiques ferroélectriques polycristallines comme le PZT

La théorie de la piézoélectricité du PZT sera présentée dans un chapitre ultérieur

spécifique, lors de la caractérisation piézoélectrique de notre matériau. A titre indicatif, les

valeurs typiques du PZT massif sont données dans le Tableau 3 [47].

Tableau 3 : Coefficients piézoélectriques typiques du PZT massif

d33 (pC/N) -d31 (pC/N) d15 (pC/N)

200-600 100-250 300-700


-30-

1.5 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons vu que l’avenir des microsystèmes passe en partie par

l’étude approfondie de nouveaux matériaux piézoélectriques en couches minces et que leur

intégration sur des substrats de silicium constitue un véritable enjeu. Dans ce domaine, le

nitrure d’aluminium, l’oxyde de zinc et le zirconate titanate de plomb (PZT) se distinguent

particulièrement. En raison de ses propriétés exceptionnelles, c’est le PZT qu’il a été choisi

d’étudier au cours de ce travail en dépit de la délicatesse des méthodes de dépôt. Le chapitre

suivant précise les techniques développées afin de préparer la réalisation de films minces de

PZT sur substrat silicium.

Chap. 2 : Préliminaires à l’élaboration de la couche piézoélectrique de PZT

-31-

2 Préliminaires à l’élaboration de la couche

piézoélectrique de PZT : choix et préparation de

la technique de dépôt et du substrat

2.1 Introduction

Nous avons vu précédemment que le but de ce travail est de développer un procédé

d’élaboration du PZT en couches minces adapté à la réalisation de microsystèmes sur

silicium. Ainsi, dans ce chapitre, nous abordons les techniques de dépôt de PZT couramment

utilisées afin d’obtenir ce matériau en films minces. Les trois principales méthodes sont

détaillées et comparées suivant les résultats de la littérature. La préparation des substrats est

présentée où une structure silicium-isolant-électrode inférieure est adoptée. Un état de l’art est

exposé avant le détail des techniques de réalisation mises en œuvre au laboratoire. L’accent

est mis sur l’obtention de l’électrode inférieure sur laquelle est déposée le PZT et qui est

prépondérante quant à la croissance de la couche ferroélectrique. Puis les principales

caractéristiques de la pulvérisation cathodique, choisie comme méthode d’obtention du PZT

en film mince, sont exposées. Ensuite, les détails des options technologiques prises en vue de

la réalisation du PZT en phase ferroélectrique sont donnés comme les compositions de la cible

et du gaz de pulvérisation. Les différentes techniques possibles de cristallisation du PZT dans

la phase pérovskite sont exposées et comparées. Finalement, la méthode de recuit rapide

choisie est largement développée. La recherche des paramètres expérimentaux de la

pulvérisation du PZT fera l’objet du chapitre suivant.

2.2 Les différentes techniques de dépôt du PZT

2.2.1 Introduction : classement des différentes techniques de dépôt

Il existe de nombreuses techniques de dépôt du PZT qui sont réparties en méthodes

chimiques et méthodes physiques. Les méthodes chimiques se scindent en deux avec les

dépôts en solution et les dépôts en phase vapeur. Pour les méthodes physiques, on retrouve les

techniques de dépôts classiques de la microélectronique comme la pulvérisation sous toutes


-32-

ses formes, l’évaporation par faisceau d’électrons, par laser ou bien par faisceau d’ions. La

Figure 8 résume le classement de toutes ces méthodes.

Dans les paragraphes suivants, nous avons choisi de présenter les trois méthodes les

plus utilisées qui sont le sol-gel, la MOCVD et la pulvérisation. Leur notoriété et leur

développement préférentiel sont dus au fait qu’il s’agit de techniques ne nécessitant que des

équipements standards de la micro-électronique. Ainsi, il devient plus simple d’intégrer un

procédé d’élaboration du PZT dans un processus global.

Dépôts chimiques Dépôts physiques

Sol-gel

MOD

Pulvérisation

MBE

Evaporationfaisceau d ’électrons

MOCVD

PECVD

En solution En phase vapeur

Ablation laser

Figure 8 : Synoptique des différentes techniques de dépôts du PZT

2.2.2 Sol-gel

2.2.2.1 Détails de la méthode sol-gel

L’idée de la technique sol-gel est d’étaler à la tournette sur le substrat une solution

contenant un solvant et des agents précurseurs du PZT. Le solvant est ensuite évaporé et un

deuxième traitement thermique permet de cristalliser la couche dans la phase ferroélectrique.

La Figure 9 présente un organigramme d’élaboration du PZT par une technique sol-gel

modifiée proposée par Kwok et al.[48].

Les agents précurseurs sont souvent des alkoxydes et ce sont alors des alcools qui sont

utilisés comme solvants. La réaction chimique produite est la suivante (équation 1) où R et R’

sont des chaînes carbonnées, M est l’ion métallique associé et (i, j) sont des entiers :

M(OR) i + jR’(OH) → M(OR)i-j (OR’) j + jROH (Équation 1)


-33-

L’enchaînement des étapes d’étalement à la tournette est le suivant : dépôt de

la solution, accélération de départ de la tournette, vitesse de rotation constante permettant

l’étalement uniforme du dépôt, décélération puis évaporation du solvant. Les modèles

mathématiques développés permettent de déterminer l’épaisseur résiduelle en supposant que

les étapes précédentes soient parfaitement séquentielles ce qui n’est pas le cas car celles de

décélération de la tournette et d’évaporation du solvant se chevauchent.

A: Acétate de Pb

Recuit à 650°C, 15 min

B: Acide acétique

Chauffage à 150°C, 5 min

Ajout n-propanol

Ajout eau distillée, acide acétique et n-propanol

Tournette à 1500 trs/min, 30s

Isopropoxide de Ti

Mélange avec ultra-sons 5 min

Dissolution de A dans B A/B=2g/1ml

Ajout acide acétique

n-propoxide de Zr

Mélange avec ultra-sons

Itération Augmentationépaisseur du film

Figure 9 : Schéma d’élaboration du PZT par un procédé sol-gel modifié [48]

L’équation 2, développée par Meyerhofer en 1978, donne l’épaisseur du film

précurseur avant le recuit de cristallisation en supposant le processus séquentiel.

( ) 313

1

0

03

2

3

1

00

3

1

12

3ewCCt

−

=

−

ρη

(Équation 2)


-34-

Co : Concentration initiale de la solution

w : Vitesse augulaire de la tournette

�0 : Viscosité initiale

!0 : Densité initiale

e : Taux d’évaporation

L’évaporation du solvant est un passage délicat car la probabilité de fissurer la couche

est grande. Comme pour la plupart des techniques de dépôts, le PZT est déposé initialement

sous forme amorphe et le recuit de cristallisation est donc nécessaire. Les températures

d’apparition de la phase perovskite varient suivant les procédés de fabrication et les méthodes

de chauffage. Nous reviendrons sur ce point lors d’un chapitre consacré au recuit de

cristallisation. A titre d’exemple, Choi et al. obtiennent une phase pérovskite convenable à

partir de 650°C avec un recuit classique de 30 minutes [49].

2.2.2.2 Avantages et inconvénients

Cette méthode présente l’avantage d’être assez simple à mettre en œuvre. Elle ne

nécessite pas d’équipement lourd et spécifique comme la MOCVD. Une salle de chimie, une

tournette de salle blanche et un four suffisent à élaborer les couches de PZT. De plus, il est

facile d’ajuster les quantités des différents constituants du PZT (Pb, Zr, Ti et O) par le biais

du dosage des précurseurs organo-métalliques. Cette caractéristique est importante car les

propriétés du PZT varient énormément suivant le rapport Ti/Zr et suivant les dopants utilisés.

En contrepartie, la stoechiométrie finale de la couche est assez délicate à obtenir.

L’inconvénient majeur de la méthode sol-gel est l’épaisseur faible du dépôt qui est de l’ordre

de 50 nm après une passe du procédé. Ainsi, une itération des étapes d’étalement à la

tournette et d’évaporation du solvant doit être effectuée afin d’obtenir une épaisseur de

plusieurs centaines de nanomètres, ce qui multiplie les risques de craquelures car les

premières couches déposées subissent tous les recuits successifs d’évaporation. Ceci

augmente ainsi les risques de court-circuits lors des tests électriques. Ces caractéristiques sont

cependant assez compatibles avec la réalisation des mémoires ferroélectriques puisque

l’objectif est d’obtenir des couches très minces afin de diminuer les tensions de basculement

en atteignant le champ coercitif plus rapidement. La taille des contacts doit être également

petite afin d’obtenir une grande intégration de cellules sur un même substrat. A contrario, les

applications microsystèmes nécessitent souvent des tailles de contacts plus importantes (de


-35-

l’ordre du mm²) ainsi que des épaisseurs plus importantes afin de pouvoir développer une plus

grande énergie, ce qui ne fait pas de la technique sol-gel un candidat idéal pour ce type de

réalisation.

Ainsi, cette technique a été beaucoup étudiée par les grandes équipes de recherche

américaines sur les mémoires FRAM et DRAM (Université d’état de Caroline du Nord –

Raleigh (NC), Université Polytechnique de Virginie – Blacksburg (VA)). Par ailleurs, des

travaux sont actuellement menés notamment à l’Université de Pennsylvanie (USA) pour

augmenter l’épaisseur de chaque itération du process sol-gel [50]. Les épaisseurs déposées

sont intéressantes (jusqu’à 12 µm) et les caractéristiques électriques communiquées sont tout

à fait honorables (Pr = 27 µC/cm² et d33 = 340 pC/N). Toujours avec une méthode sol-gel

modifiée, Barrow associé à l’équipe de M. Sayer de la Queen’s University (Canada) obtient

des épaisseurs de PZT de plusieurs dizaines de microns [51].

2.2.3 Dépôt en phase vapeur d’organo-métalliques (MOCVD)

2.2.3.1 Détails de la méthode

La MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) est une technique héritée de

la micro-électronique où de nombreux dépôts de surface sont réalisés en CVD (Chemical

Vapor Deposition) comme le polysilicium ou la silice à basse température (LTO). Ce procédé

consiste à mettre un composé volatil du matériau à déposer en contact avec le substrat. Dans

le cas du PZT, ce sont quatre composés qu’il faut amener simultanément. Les ions métalliques

(Pb, Zr et Ti) sont contenus dans des organométalliques [52]. La Figure 10 présente un

exemple de diagramme de fonctionnement de bâti MOCVD à parois froides avec un système

de chauffage du substrat [53].

Cette installation comprend une partie correspondant à la distribution des gaz, un

réseaux de saturateurs permettant d’obtenir les organo-métalliques sous forme gazeuse en

utilisant le gaz porteur (ici, l’azote), un bâti comprenant l’enceinte de réaction avec l’arrivée

des gaz, le porte substrat pouvant se déplacer, le chauffage du substrat régulé grâce à un

thermocouple et un système de pompage permettant d’évacuer les gaz résiduels. La

composition du gaz à la sortie des saturateurs dépend de la pression de vapeur de chaque

composé précurseur et peut être ajusté par un réglage de la température de chaque saturateur.

Cette étape de vaporisation des organo-métalliques peut être effectuée de diverses manières.

Desu propose une méthode d’injection directe du liquide avec evaporation flash et mélange


-36-

avec le gaz porteur juste avant d’entrer dans la chambre de CVD [53]. Il obtient une meilleure

stabilité des précurseurs pendant la réaction chimique ce qui améliore la reproductibilité des

résultats.

Contrôlepression

Contrôlepression

Contrôlepression

Contrôlepression

Contrôlepression

N2

N2

N2

N2

O2

Pb(thd)2

Zr(thd)4

Ti(C2H5O)4

Chauffage substrat

substrat

Thermocouple

Jaugepression

PompageN2 liquide

Ligne de by-pass

Bâti

Figure 10 : Exemple de dépôt de PZT dans un bâti de MOCVD à parois froides

2.2.3.2 Avantages et inconvénients

La complexité de cette installation est le principal inconvénient de la MOCVD. Il faut

ajouter à ce dispositif tout le système de sécurité des conduites de gaz en regard à l’extrème

toxicité des précurseurs organo-métalliques. Le coût de cette installation n’est donc pas

négligeable. De plus, la stabilité des précurseurs au cours du temps est difficile à maîtriser.

Les films minces réalisés en MOCVD ne nécessitent pas de recuit de cristallisation car les

réactions chimiques de formation du PZT sont activées par des températures assez élevées de

l’ordre de 700°C pour des vitesses de dépôts de quelques centaines de nm par heure [52]. Ceci

peut être un avantage puisque une étape du process est éliminée mais cela peut être un

inconvénient si l’on veut diminuer le budget thermique imposé à la structure. Ainsi, la

perspective de réaliser des capteurs intelligents avec l’électronique de contrôle sur le même

substrat est plus difficilement envisageable. Cependant, Tatsumi et al. de chez NEC ont


-37-

communiqué la réalisation d’un film mince de PZT par MOCVD à une température de 440°C

ce qui a permis de faire croître la couche sur une couche d’aluminium [54].

Malgré cela, cette technique se développe de plus en plus en raison des bons résultats

obtenus, par exemple des polarisations rémanentes de 50 µC/cm² pour des films épitaxiés sur

un substrat SrTiO3 [52]. De plus, une fois que la relation entre les compositions de la solution

des précurseurs et du film déposé est établie, le contrôle de la composition de la couche

devient aisé à faire évoluer ce qui rejoint le procédé sol-gel sur ce point.

2.2.4 Pulvérisation

2.2.4.1 Principe de fonctionnement

Cathode

cible matériauPOMPAGE

GAZ

JAUGES

-Isolant

Bâti

Porte échantillon

Substrat

+ + +

+ +

+

+

Particule de la cible

Ion Ar+

Plasma

Figure 11 : Schéma de fonctionnement d’un bloc de pulvérisation cathodique

Les techniques de pulvérisation sont généralement utilisées pour déposer toutes sortes

de matériaux : métaux, matériaux réfractaires, diélectriques, céramiques. Il suffit que ceux ci


-38-

puissent supporter un léger échauffement d’une centaine de degrés et d’être mis sous vide. Le

principe de la pulvérisation est de bombarder la surface du matériau à déposer par les ions

d’un gaz neutre, très souvent l’argon. Lors du choc sur la surface, ceux ci communiquent leur

énergie cinétique. L’éjection de particules du matériau a alors lieu et ces dernières viennent se

déposer sur le substrat. L’ionisation des atomes d’argon est obtenue par chocs avec les

électrons libres, toujours présents dans un gaz, accélérés par une différence de potentiel entre

la cathode, où est installée la cible du matériau à déposer, et le substrat qui est à la masse. Il

en résulte un plasma froid visible par l’émission de photons dus à la désexcitation des ions

d’argon lorsqu’ils récupèrent un électron.

Une fois les atomes ionisés positivement, ils sont accélérés vers la cathode. Un schéma

de principe du fonctionnement de la pulvérisation est exposé Figure 11. Les mécanismes

physiques de la pulvérisation sont traités dans de nombreux ouvrages dont deux sont cités en

référence [55, 56].

2.2.4.2 Les divers systèmes de pulvérisation

Il existe plusieurs systèmes de pulvérisation. Le plus simple et le plus ancien est le

procédé diode en tension continue qui est bien représenté par la Figure 11. Il n’est plus

beaucoup utilisé car la vitesse de dépôt est faible, les tensions utilisées sont importantes (entr

Documents

Elaboration et caractérisation de couches minces ...csidoc.insa-lyon.fr/these/1999/defay/these.pdfElaboration et caractérisation de couches minces piézoélectriques de Pb(Zr,Ti)O3