Conclusion et perspectives

Ces dispositifs sont une preuve de concept et d’intérêt de réseaux de transducteurs ultrasonores équipés de membranes vibrantes d’épaisseur nanométriques en carbone

amorphe.

• Un film de DLC de 10 nm d’épaisseur et comportant 20% de liaisons sp³, déposé par pulvérisation cathodique magnétrons suivant des paramètres définis durant ce travail de thèse (élaboration à 250 °C) répond au cahier des charges de la mem-brane des CMUTs

• Les preuves de concept ont été établies, La transduction ultrasonore hors réso-nance fonctionne effectivement avec des membranes ultraminces

• Les procédés technologiques clés ont été identifiés et paramétrés

Il a été démontré que les particularités du comportement de ces membranes auto-risent les transducteurs à fonctionner utilement en mode non résonnant, tant pour les fonctions d’émission d’ultrasons que de détection de ces ultrasons sur une plage de fré-quence allant de de 10 kHz à 1,05 MHz, leur fréquence de résonance.

Les études des procédés de report ont mis en évidence les conditions nécessaires pour la faisabilité de reports de membranes nanométriques à l’échelle de composants de quelques centimètres carrés ou de plaques entières. Il apparaît que les états de surface sont un élément clé pour la réussite de ces opérations. L’état de surface des composants pionniers disponibles pour ce projet n’était pas suffisant.

Un procédé a été identifié qui devra permettre des reports à l’échelle de la plaque sur des plaques de base élaborées par la plateforme technologique du CEA-Leti, ce qui garantira des états de surface maîtrisés et favorables à la réussite des opérations de report.

La mesure des amplitudes de déflexion en dynamique était indispensable à l’établis-sement d’un modèle décrivant le fonctionnement physique des transducteurs élémen-taires, préalable à une optimisation de leur design et du design des réseaux. Ces me-sures n’ont pu être effectuées, en raison de retards dans la disponibilité du matériel nécessaire, seules des mesures de profil de membrane en statique et des mesures d’im-pédance ont pu être menées.

Les dispositifs disponibles ne permettaient pas de chiffrer les performances en trans-duction ultrasonores en raison d’un défaut structurel (capacité parasite en série). Les quelques mesures obtenues sont sous-évaluées par rapport au potentiel de dispositifs optimisés, elles sont cependant déjà très satisfaisantes.

Il est apparu qu’un nouveau design et un nouveau procédé de fabrication devaient être implémentés pour obtenir des composants optimisés.

En particulier il est important de disposer de circuits de base avec un état de surface propre pour pouvoir faire des reports avec des procédés maîtrisés en salle blanche, et de supprimer la capacité parasite présente au fond de chaque cavité pour les adresser directement.

Un nouveau procédé de réalisation qui permettrait de s’affranchir d’une première par-tie des problèmes liés aux premiers dispositifs serait le suivant :

• Électrodes en aluminium

• Ouverture en face avant des contacts pour les électrodes inférieures.

Le report se fera ensuite à l’échelle de la plaque. Une membrane de carbone amorphe sera reportée sur tous les réseaux, et tous les microtransducteurs en une seule opé-ration de transfert. Nous avons vérifié que les membranes suspendues au-dessus des cavités de µm supportaient les opérations de photolithographie, ce qui permet les ou-vertures de contacts après les opérations de report, et la découpe des échantillons.

En ce qui concerne l’aspect matériau DLC, les pistes d’amélioration sont :

• Utiliser les résultats reportés sur leTableau III.10présenté à la page111du Cha-pitre III pour élaborer un carbone suffisamment conducteur pour s’affranchir du film métallique conducteur, ou a défaut évaluer la possibilité de remplacer le pla-tine par un métal plus abondant.

• Cependant, il faut veiller à conserver les propriétés d’élasticité du matériau actuel et le faible niveau de contraintes du matériau à 20% de liaisonssp³. Pour cela, un matériau DLC en bicouche est envisageable, l’une assurant la conduction et l’autre les propriétés mécaniques.

• Lors de ce travail de thèse, l’étude détaillée de l’uniformité des contraintes sur l’ensemble d’une plaque de 200 mm n’a pas pu être réalisée à cause d’un équipe-ment en panne. Cette étude est néanmoins nécessaire pour vérifier si la méthode de dépôt n’induit pas un profil de contraintes particulier lié au magnétron⁷¹. Le cas échéant il est possible que la totalité des plaques ne puisse pas être utilisée. Ce-pendant comme il a été vu dans laSection III.2.4, l’augmentation de la température du substrat permet de relâcher les contraintes. Il existe donc un levier permettant de mitiger ce problème, s’il apparaît.

Un nouveau design optimisé pourra être étudié, sur la base d’un modèle physique. Les éléments manquent encore pour construire ce modèle physique :

• Les caractéristiques du carbone amorphe nanométrique (module de Young) • La tension dans la couche de carbone synthétisée

Il est possible d’ajuster un modèle sans connaître ces grandeurs, mais il faut alors connaître d’autres données, comme l’amplitude de déflexion des membranes selon la force appli-quée. Avec un tel modèle, il sera possible d’optimiser la profondeur et le diamètre des cavités ainsi que la largeur des rainures.

La nouvelle conception des réseaux devra également optimiser le design des élec-trodes de façon à minimiser la capacité statique des réseaux ainsi que les perturbations électromagnétiques par effet d’antenne.

Bibliographie

Bibliographie

3 _{Robertson, J. « Diamond-like amorphous carbon ». In : Materials Science and}

En-gineering : R : Reports 37.4 (2002), p. 129-281. doi :10.1016/S0927- 796X(02) 00005-0. [Voir pp.1,8,13,15,16,18,22,26,27,49,59,78,89,95,101,129].

12 _{Thibert, S., Delaunay, M. et Ghis, A. « Carbon-metal vibrating nanomembranes for}

high frequency microresonators ». In : Diamond and Related Materials 81 (2018), p. 138-145. doi :https://doi.org/10.1016/j.diamond.2017.12.005. [Voir pp.2, 129].

71 _{Mattox, D. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. Elsevier Inc.,}

2010. [Voir pp.39,90,144].

111 _{Ghis, A. et al. « High Density Arrays of Carbon Nanomembrane Ultrasonic MEMS ».}

In : 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). 2019, p. 2148-2152. doi :10.1109/ULTSYM.2019.8925677. [Voir pp.128,148].

112 _{Oralkan, O. et al. « Capacitive micromachined ultrasonic transducers : next-generation}

arrays for acoustic imaging ? » In : IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 49.11 (2002), p. 1596-1610. doi :10.1109/TUFFC.2002. 1049742. [Voir p.128].

113 _{Lee, J. et Feng, P. X. .-. « High frequency graphene nanomechanical resonators and}

transducers ». In : 2012 IEEE International Frequency Control Symposium Procee-dings. 2012, p. 1-7. doi :10.1109/FCS.2012.6243742. [Voir p.128].

114 _{Thibert, S., Ghis, A. et Delaunay, M. « AFM study of 2D resonators based on}

Diamond-Like-Carbon ». In : 2016 IEEE 16th International Conference on Nanotechnology (IEEE-NANO). 2016, p. 479-482. doi :10.1109/NANO.2016.7751323. [Voir p.129].

115 _{Ghis, A. et Delaunay, M. « UMems having amorphous carbon membrane ». EP3216753.}

2018. [Voir p.129].

116 _{Ghis, A. et Delaunay, M. « Ultrasonic transducer with vibrating membrane with}

ca-pacitive effect at high bandwidth ». EP3670004. 2019. [Voir p.129].