Gravure LASER

## Motivations

La gravure du matériau piézoélectrique massif est un verrou technologique auquel nous avons cherché à apporter une solution. Les techniques de gravure sèche (RIE, DRIE) ou humide sont peu adaptées à la gravure de PZT sur de grandes épaisseurs. Xu et al. ont proposé en 2008 une gravure humide à base d’une solution de 1BHF:2HCl:4NH4Cl:4H2O et ont pu graver 35 µm de PZT massif.

Cependant avec cette méthode l’anisotropie de la gravure reste trop faible (1.5 :1) ce qui rend impossible la gravure de poutre de PZT de plusieurs centaines de µm d’épaisseur.

Nous avons choisi de graver le PZT-5H à l’aide d’un LASER parce que c’est un procédé qui permet de découper à la fois le PZT-5H et le silicium avec une précision d’alignement de l’ordre de 10 µm : l’alignement entre les motifs de la couche PZT-5H et ceux du substrat silicium est donc suffisamment précis pour assurer une fréquence de résonance conforme aux simulations. L’ablation LASER a été utilisée par Kim et al. en 2008 [70], mais avec des impulsions longues (1 ns). Ils ont pu usiner une couche de 500 µm de PZT massif sur un wafer 4 ’’ en 3 h 1052_{, mais ont observé des zones affectées}

thermiquement assez larges, ce qui est préjudiciable à la qualité de la conversion piézoélectrique dans le PZT-5H.

## Ablation LASER pulsée femtoseconde

L’ablation laser est le phénomène de décomposition de la matière (par effet thermique, photochimique ou non linéaire/ultrabref) qui se produit lorsqu’un matériau est soumis à un rayonnement de forte intensité. Bien que l’ablation laser fût étudiée dès l’apparition des premiers lasers, les travaux sur la photoablation des polymères publiés en 1982 [71] ont fortement contribué à l’essor de cette thématique, avec pour objectifs des applications dans le domaine du micro-usinage.

Fig. 30 – fonctionnement général de l’ablation LASER

52 _{Pour comparaison, la gravure femtoseconde de nos 4 dispositifs sur 1 wafer 100 mm a requis 1 semaine de}

L’ablation est un phénomène à seuil, seuil énergétique au-delà duquel il y a décomposition de la matière. Le processus d’interaction laser-matière diffère selon les propriétés du rayonnement (longueur d’onde, durée d’impulsion, intensité…), la nature du matériau, et l’environnement ambiant. On distingue trois processus en fonction de la durée d’impulsion, de la longueur d’onde du laser et de la nature de la cible. Les lasers continus ou à impulsions longues (>10 ps) émettant dans l’infrarouge ou le visible interagissent avec la matière selon un processus thermique. Ils privilégient le débit matière et les effets collatéraux (thermique ou mécanique) au détriment de la qualité d’usinage. La plupart des lasers utilisés en micro-usinage ou en marquage entrent dans cette catégorie. A l’opposé, la brièveté des impulsions des lasers pico ou femtosecondes permet d’usiner tout type de matériau indépendamment de ses bandes d’absorption et de minimiser les effets thermiques sur la cible au détriment du débit matière.

Le processus d’ablation avec une impulsion ps ou fs met en jeu des phénomènes non linéaires. La brièveté des impulsions et surtout leur forte intensité (1012 _{à 10}14 _W.cm-2 _{une fois le faisceau focalisé)}

favorisent la création d’électrons libres par une absorption multiphotonique. Les premiers électrons éjectés sont ensuite chauffés par un processus de type Bremsstrahlung inverse, et vont transmettre par choc leur énergie aux autres électrons du réseau d’atomes jusqu’à provoquer une avalanche d’ionisation, laquelle sera suivie d’une expulsion de matière. En théorie, le temps caractéristique de diffusion des électrons excités et de transfert de leur énergie vers le réseau d’atome est de 10 ps. Ainsi, pour une durée d’impulsion inférieure à 10 ps la matière est expulsée avant qu’il n’y ait diffusion de la chaleur hors du volume irradié. La zone affectée thermiquement et la zone fondue existent mais elles sont considérablement réduites par rapport à une impulsion longue (>10 ps).

## Configuration utilisée

Le LASER femtoseconde utilisé pour la gravure du PZT-5H et du silicium est un S-Pulse construit par la société Amplitude Systemes. La longueur d’onde du faisceau est de 1030 nm, constitué de pulsations de 500 fs ; l'énergie utilisée sur cible est d'environ 40 µJ. Une refocalisation du faisceau en cours d'usinage est nécessaire car la profondeur de champ de la lentille n'est pas suffisante pour traverser l'épaisseur du matériau.

## Observations post-gravure

Le contrôle de la gravure (notamment de l’état des matériaux et du respect des dimensions consignes) a été réalisé au microscope électronique à balayage et au profilomètre confocal LASER. Comme le montre la Fig. 31, la gravure LASER présente une certaine conicité due à la focalisation du faisceau, ce qui rend la fabrication de poutres strictement parallélépipédiques. La conicité mesurée en utilisant le profilomètre confocal LASER (Fig. 31) et les images MEB (Fig. 32 d) est de 5,1 ° ± 0,5 °, soit une

La Fig. 32 (b et c) montre une image MEB d'une poutre : on distingue la couche de PZT, la couche de silicium et la couche de colle époxy entre les deux. Le grossissement permet de voir le redépôt du PZT et du silicium ablaté. Le fait que le dépôt recouvre de façon relativement uniforme le flanc du PZT et du silicium laisse supposer que c’est un dépôt composé essentiellement de silicium, dans la mesure où la gravure LASER s’est déroulée en 2 temps et que la gravure du silicium est intervenue après celle du PZT-5H. Le dépôt pouvant être électriquement conducteur (du fait de la présence de métal : Ti ou Au), il y avait un risque que les faces supérieures et inférieures de la couche piézoélectrique des poutres soient en court-circuit électrique, mais les caractérisations ont montré le contraire sur toutes les poutres.

Fig. 32 – b) image MEB d’une des poutres après découpe LASER ; c) grossissement sur le flanc de la poutre : observer le redépôt ; d) vue de dessus de la poutre à l’encastrement pour confirmer les mesures profilomètre LASER confocal ; toutes les vues sont repérées sur le schéma a).