Dispositifs à onde isolée

Ayant montré l’intérêt des dispositifs acoustiques à domaines inversés, l’idée d’un nouveau type d’oscillateur exploitant des transducteurs à domaines ferroélectriques alternés et permettant d’exciter des ondes piégées entre deux substrats a vu le jour. L’idée consiste à utiliser un guide d’ondes à domaines ferroélectriques distribués périodiquement réalisé sur un substrat ferroélectrique mono-cristallin placé entre deux substrats de matériaux mono-cristallins permettant le guidage d’ondes sans pertes de façon comparable à une onde d’interface. L’excitation est effectuée grâce à deux électrodes en regard, aux interfaces entre le matériau ferroélectrique et les deux substrats de guidage. Ces interfaces sont réalisées par une technique de report impliquant une couche métallique. Parmi les matériaux possibles pour la transduc- tion, on peut utiliser le niobate de lithium ainsi que le tantalate de lithium, et plus particulièrement les coupes (ZX) car la vitesse des ondes rayonnées par la surface est supérieure à 5800 m/s. Le silicium, quant à lui, se prête bien au guidage des ondes et de plus permet l’accès électrique par micro-usinage de volume. Cependant, d’autres matériaux sont susceptibles d’être utilisés. Une étude théorique sera présentée dans le chapitre 6.

Par manque de temps, nous n’avons pu réaliser toutes les configurations imagi- nées, les dispositifs ont donc été réalisés à base de niobate de lithium puis placés entre deux plaques de silicium. La technique d’inversion de domaines est identique à celle décrite précédemment. En ce qui concerne le collage, nous avons encore une fois choisi la méthode impliquant une couche métallique compressée à froid afin d’ob- tenir une électrode enterrée ainsi que pour éviter les pertes acoustiques dues à un matériau organique servant de « colle ».

Dans un premier temps, un dispositif permettant de valider la méthode a été fabriqué. Il consiste en une plaque épaisse (500 µm) de niobate de lithium avec inversions de domaines (λ = 50 µm) reportée entre deux substrats de silicium. Pour ce faire, un masque avec 5 réseaux de même longueur d’onde a été réalisé de façon à obtenir 5 dispositifs sur un substrat de diamètre 3 pouces. Une fois l’inversion réalisée, le substrat est reporté, à l’aide d’un collage métallique à l’or, sur une plaque de silicium de 380 µm d’épaisseur. Cette étape est répétée une seconde fois afin de créer un « sandwich » dans lequel la couche de niobate de lithium est enserrée comme on peut le voir sur la figure 3.17.

Afin de pouvoir réaliser les mesures, il est nécessaire de pouvoir reprendre le contact sur les électrodes enterrées. Pour cela, on grave le silicium de part et d’autre du niobate de lithium. Nous avons choisi d’utiliser la méthode de gravure sèche profonde qui permet une gravure rapide et sélective du silicium. Afin d’effectuer les

3.3. Utilisation de domaines inversés pour d’autres applications 83

Niobate de lithium

Silicium Silicium

Or

Fig.3.17 – Premier dispositif de test à onde isolée entre deux substrats de guidage

mesures, chaque dispositif a été découpé et les connectiques ont été réalisées via un connecteur SMA. Ce premier test nous a donc permis de valider les méthodes de fabrication d’un tel objet.

Le but de ce dispositif étant d’être monomode, nous avons donc fabriqué un second dispositif en amincissant le niobate de lithium. Les différentes étapes de réalisations sont répertoriées dans le schéma 3.18 (voir chapitre 4 pour les détails des étapes technologiques).

5. Collage du Si à l’aide d’une couche d’or

6. Amincissement du niobate

7. Report d’un deuxième substrat de silicium

8. Gravure du silicium 4. Elimination du masque

3. Inversion de domaines 2. Réalisation du masque de résine

1. Substrat vierge Domaines inversés Aluminium Niobate de lithium Résine positive Silicium Or

Fig._{3.18 – Étapes de réalisation du dispositif à onde isolée avec niobate aminci}

Seuls deux prototypes ont été fabriqués, cependant de nombreuses combinaisons de matériaux peuvent être employées de façon à améliorer le guidage des ondes et

également de réduire la dérive en température du substrat de transduction. Toutes les études théoriques sont résumées dans le chapitre 5.

Ces premiers dispositifs nous permettent donc de valider ces nouveaux types de résonateurs à ondes élastiques guidées. À terme, on fabriquera des résonateurs fonctionnant à des fréquences voisines ou supérieures au GHz utilisables pour la stabilisation en fréquence des oscillateurs électriques dans la bande de fréquence 50 MHz – 5 GHz.

3.4

Conclusion

Ce chapitre nous a permis de répertorier tous les différents objets fabriqués du- rant cette étude, de comprendre dans quel but ils ont été conçus et également de décrire les différentes étapes technologiques nécessaires à leurs réalisations. On peut s’apercevoir que la nouvelle approche consistant à utiliser des domaines inversés au lieu d’électrodes de différentes polarités déposées sur un substrat peut avoir des avantages dans bien des domaines, et ne s’applique donc pas uniquement aux filtres RF. En effet, elle permet également de créer des dispositifs électro-optiques ou même des résonateurs. Cette nouvelle technique nous permet donc de fabriquer des dispo- sitifs sans court-circuits, robustes et avec une bonne tenue en puissance, qui peuvent trouver leur place dans des domaines variés. Cependant, ces objets, bien que plus robustes nécessitent tout de même un certain nombre d’étapes technologiques et leur mise en œuvre est par conséquent plus complexe que celle des composants à ondes de surface classiques.

Le chapitre suivant va s’attacher à décrire plus précisement chaque phase cri- tique de réalisation des dispositifs, c’est-à-dire, l’inversion de domaines, le report de couche, l’amincissement, la fabrication de guides optiques ainsi que la gravure en volume pour chercher les contacts électriques. Chaque phase ainsi que les diffé- rentes solutions envisagées seront détaillées et le choix de la méthode employée sera explicité.

Chapitre 4

Mise en œuvre technologique

Dans le chapitre précédent, je me suis attachée à décrire le principe de fonction- nement des différents dispositifs fondés sur l’utilisation de domaines ferroélectriques inversés. Bien que les étapes technologiques nécessaires à ces réalisations aient été énumérées, je ne les ai pas encore décrites de façon précise. Le présent chapitre vise donc à détailler les étapes importantes et à expliquer les choix technologiques que nous avons faits. Pour cela, je vais d’abord décrire la méthode employée pour fabri- quer les différents objets puis détailler les autres pistes que nous avons suivies ou qui pourraient être envisagées pour obtenir des résultats identiques voire meilleurs. Ce chapitre concerne l’inversion de domaines, la fabrication des guides optiques, le report de plaque, l’amincissement et enfin, la gravure profonde.

4.1

Inversion périodique de domaines ferroélectriques par champ

électrique

Dans le chapitre 2, je me suis concentrée sur l’aspect théorique de l’inversion périodique de domaines ferroélectriques dans le niobate de lithium ou le tantalate de lithium. Ce paragraphe quant à lui, décrit la méthode employée pour fabriquer ces domaines à polarisation alternée. Dans un premier temps, je vais expliquer comment la structure périodique est définie sur le substrat, détailler le banc de polarisation utilisé et donner quelques exemples de résultats. Dans un second temps, je décrirai les autres pistes que nous avons suivies, notamment, concernant la réalisation de la structure isolante et les raisons pour lesquelles elles ont été abandonnées. Enfin, je donnerai quelques perspectives qui peuvent s’avérer judicieuses mais que nous n’avons pu tester.