Trouver des solutions aux défis thermiques et environnementaux du PZT
Le PZT (titano-zirconate de plomb) présente une température de cristallisation élevée, généralement comprise entre 500 °C et 700 °C. Cela rend l'empilement de couches minces piézoélectriques transparentes particulièrement difficile à réaliser. La croissance de PZT sur du verre par exemple, peut non seulement endommager le substrat, mais également compromettre les performances des autres matériaux de l'empilement. Une autre difficulté est celle du plomb dans le PZT, qui fait l'objet d'une restriction depuis quinze ans dans le cadre de la directive européenne sur « la limitation des substances dangereuses dans les équipements électriques et électroniques (RoHS) ». Il est nécessaire de trouver rapidement des solutions sans plomb, car les exemptions pour des utilisations spécifiques doivent être renouvelées de façon périodique, ce qui soumet la chaîne d'approvisionnement électronique à une pression accrue.
Le KNN, un matériau sans plomb pour les microactionneurs piézoélectriques intégrés
Trouver une solution de substitution au PZT sans plomb a consisté à déposer puis à intégrer des films de KNN (niobate de potassium et de sodium) sur des plaquettes de silicium de 200 mm de diamètre. Les films KNN de grande qualité, d'une épaisseur de 1,9 micron, ont été déposés par pulvérisation cathodique sur substrats SOI de 200 mm par Sumitomo Chemical (Japon), puis intégrés dans divers dispositifs d'actionnement par le CEA-Leti à l'aide de technologies MEMS adaptées aux exigences du secteur. Ces dispositifs présentent des performances proches de celles de leurs homologues contenant du plomb. Ce résultat marque une étape importante dans le remplacement du PZT au sein des MEMS piézoélectriques et, plus particulièrement, dans les microactionneurs.
Un potentiel accru d'utilisation du PZT et de ses successeurs potentiels dans les dispositifs, grâce aux innovations en matière de procédés
Un procédé de transfert de couche piézoélectrique de
wafer to wafer développé par le CEA-Leti résout les problèmes de bilan thermique associés au matériau. Il est alors possible d'intégrer des couches minces de PZT dans divers empilements technologiques sur une grande variété de substrats, en particulier pour des applications de type actionneur et capteur. Ici, des MEMS piézoélectriques ont été fabriqués à l'aide de films de PZT soit déposés, soit transférés sur des plaquettes de silicium de 200 mm. Aucune différence significative de performance entre les films déposés et transférés n'a été constatée. À l'avenir, des films de PZT ou d'autres matériaux piézoélectriques, tels que le KNN, pourraient être intégrés sur des substrats CMOS et en verre, ou sur tout empilement ne pouvant tolérer les températures de cristallisation du PZT.
Une voie toute tracée vers les condensateurs ITO/PZT/ITO sur verre
Le nouveau procédé de transfert de plaquette à plaquette du CEA-Leti a également été utilisé pour fabriquer des condensateurs ITO/PZT/ITO transparents entièrement intégrés sur du verre, en évitant non seulement les problèmes de budget thermique liés à la cristallisation du PZT, mais aussi les impacts négatifs sur les performances électriques et optiques de l'ITO. Les empilements piézoélectriques transparents ont été réalisés en produisant des films de PZT sur des plaquettes de silicium platiné, puis en les reportant sur des plaquettes de verre, ce qui permet d'intégrer les empilements de PZT dans des dispositifs de condensateurs utilisant des procédés MEMS. Les dispositifs présentent une transparence moyenne d'environ 80 % (dans certains cas, jusqu'à 94 %) et un coefficient piézoélectrique transversal adapté à l'actionnement. Dans cette étude, une plaque de verre vibrante (3,12 cm × 3,12 cm) utilisant un condensateur PZT (35,9 mm²) a donné des résultats comparables à ceux des modèles.
Fonctionnalisation d'une dalle de verre avec des actionneurs piézoélectriques
Ces avancées ont été présentées au symposium Transducers 2023 à Kyoto (Japon) en juin 2023 et à Eurosensors XXXV à Lecce (Italie) en septembre 2023.