FR3018389A1 - Procede de fabrication de lamelles bistables de courbures differentes - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de lamelles bistables (13) de courbures différentes, chaque lamelle comprenant plusieurs portions de couches de matériaux (15, 17, 19, 21), dans lequel au moins une portion de couche particulière est déposée par un procédé de pulvérisation sous plasma dans des conditions différentes pour chacune des lamelles.

Description

B12991 - 13-GR3C0-0378 1 PROCÉDÉ DE FABRICATION DE LAMELLES BISTABLES DE COURBURES DIFFÉRENTES Domaine La présente demande concerne un procédé de fabrication de lamelles bistables de courbures différentes. Exposé de l'art antérieur La figure 1 ci-jointe correspond à la figure 2D de la demande de brevet français 2 988 911 déposée le 3 avril 2012 (B11532). La figure 1 est une vue en coupe d'une lamelle bimétallique incurvée à une étape de sa fabrication. Sur un substrat 1, par exemple un substrat de silicium, sont formés des bossages 3 sur lesquels sont déposés des couches de matériaux différents, par exemple des matériaux métalliques 5 et 7 formant un bilame. Des portions de bilame, correspondant à des portions des couches 5 et 7 reposant sur les bossages 3 sont ensuite découpées pour former les lamelles incurvées recherchées.
Un tel procédé de fabrication comporte deux étapes. Dans une première étape on réalise des bossages définissant la courbure des lamelles incurvées et dans une seconde étape on dépose les couches de matériaux formant le bilame. Le procédé de fabrication des bossages ne permet pas 20 de contrôler avec précision la courbure des bossages. De plus, il est difficile de fabriquer des lots contenant plusieurs B12991 - 13-GR3C0-0378 2 bilames avec des courbures de bilames différentes d'un lot à un autre. Résumé Il serait souhaitable de réaliser des lamelles 5 incurvées avec le moins d'étapes possible et en contrôlant avec précision la courbure des lamelles incurvées. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication de lamelles bistables de courbures différentes, chaque lamelle comprenant plusieurs portions de couches de 10 matériaux, dans lequel au moins une portion de couche particulière est déposée par un procédé de pulvérisation sous plasma dans des conditions différentes pour chacune des lamelles. Selon un mode de réalisation, lesdites conditions différentes incluent l'une et/ou l'autre des conditions 15 suivantes : puissance RF appliquée, puissance et fréquence d'un générateur DC pulsé, température et/ou polarisation d'un porte-substrat. Selon un mode de réalisation, chaque lamelle comprend une première portion de couche d'un premier matériau ; une 20 deuxième portion de couche d'un deuxième matériau conducteur ; une troisième portion de couche d'un troisième matériau piézoélectrique ; et une quatrième portion de couche d'un quatrième matériau conducteur. Selon un mode de réalisation, les premier et troisième 25 matériaux sont identiques. Selon un mode de réalisation, les premier et troisième matériaux sont du nitrure d'aluminium, le deuxième matériau conducteur est du platine et le quatrième matériau conducteur est de l'aluminium. 30 Selon un mode de réalisation, la première portion de couche a une épaisseur comprise entre 10 et 500 nm, la deuxième portion de couche a une épaisseur comprise entre 10 et 500 nm, les troisième et quatrième portions de couches ont des épaisseurs comprises entre 1 et 10 pin.
B12991 - 13-GR3C0-0378 3 Selon un mode de réalisation, ladite portion de couche particulière est la première portion de couche de matériau. Selon un mode de réalisation, les couches de matériaux sont déposées sur une plaquette de silicium ouverte en regard de la lamelle. Selon un mode de réalisation, la deuxième portion de couche a une contrainte proche de zéro et les troisième et quatrième portions de couches ont des contraintes égales et opposées.
Un mode de réalisation prévoit une lamelle piézoélec- trique bistable comprenant une portion de couche d'un premier matériau piézoélectrique disposée entre des première et deuxième portions de couche de matériau conducteur, comprenant en outre une portion de couche d'un matériau contraint disposée d'un côté de la lamelle. Selon un mode de réalisation, le matériau contraint est un deuxième matériau piézoélectrique. Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième matériaux piézoélectriques sont identiques.
Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième matériaux piézoélectriques sont du nitrure d'aluminium. Selon un mode de réalisation, le premier matériau conducteur est du platine et le deuxième matériau conducteur est de l'aluminium.
Selon un mode de réalisation, la portion de couche de matériau contraint a une épaisseur comprise entre 10 et 500 nm, la première portion de couche de matériau conducteur a une épaisseur comprise entre 10 et 500 nm, la deuxième portion de couche de matériau conducteur et la portion de couche d'un premier matériau piézoélectrique ont des épaisseurs comprises entre 1 et 10 pin. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes B12991 - 13-GR3C0-0378 4 de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, représente, en vue de coupe, une étape d'un procédé de fabrication d'une lamelle 5 bimétallique incurvée ; les figures 2A et 2B sont des vues en coupe illustrant une lamelle bistable dans deux états de fonctionnement ; les figures 3, 4 et 5A sont des vues en coupe d'étapes successives de fabrication d'une lamelle bistable du type de 10 celle des figures 2A et 2B ; la figure 5B est une vue de dessus de la figure 5A ; la figure 6A. est une vue en coupe d'un exemple d'une lamelle avec des prises de contacts ; et la figure 6B est une vue de dessus de la figure 6A. 15 Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée La figure 2A est une vue en coupe d'un exemple de 20 lamelle piézoélectrique bistable 13 dans un premier état. Cette lamelle 13 comprend une portion de couche piézoélectrique 15 dont la face arrière est revêtue d'une portion de couche mince métallique 17 et dont la face avant est revêtue d'une portion de couche métallique 19. En outre, la couche 17 est revêtue d'une 25 portion de couche 21. Des bornes A et B sont connectées respectivement aux portions de couches métalliques 17 et 19. La lamelle bistable 13 est fabriquée de telle sorte que l'ensemble des portions de couches 15, 17 et 19 ait une contrainte proche de zéro et que la portion de couche 21 ait une contrainte 30 élevée. La contrainte élevée de la portion de couche 21 amène la lamelle à prendre une forme courbe, par exemple à convexité tournée vers le haut comme cela est représenté. Ainsi, la couche 21 peut être en tout matériau susceptile d'être déposé dans des conditions lui conférant une forte contrainte. On verra ci-après 35 que la couche 21 peut avantageusement être en le même matériau B12991 - 13-GR3C0-0378 que celui la couche piézoélectrique 15, ce qui simplifie la fabrication de la lamelle. La figure 2B est une vue en coupe de la lamelle bistable 13 dans un second état. Comme dans toute lamelle 5 bistable, les portions de couches 15 et 19 ont des coefficients de dilatation thermique différents qui amènent la lamelle bistable 13 à changer de forme, par exemple d'une forme courbe à convexité tournée vers le haut à une forme courbe à convexité tournée vers le bas, lorsqu'un seuil de température est atteint.
La lamelle bistable se déforme au passage d'un seuil de température qui est déterminé entre autres par la courbure initiale de la lamelle. La portion de couche contrainte 21 impose la courbure initiale de la lamelle, déterminant ainsi le seuil de température pour lequel la lamelle se déforme. Lors de la déformation de la lamelle un potentiel électrique est créé et récupéré aux bornes A et B. Le contact A peut aussi être situé sur la couche métallique 17 comme cela sera précisé par la suite en relation avec les figures 6A. et 6B. Les figures 3, 4 et aA sont des vues en coupe illus- trant des étapes successives de fabrication d'une lamelle bistable 13 du type de celle des figures 2A et 2B. La figure 5B est une vue de dessus correspondant à la vue en coupe de la figure aA. A l'étape illustrée en figure 3, une couche mince correspondant à la couche 21 susmentionnée a été déposée sur un substrat 25 puis a été revêtue d'une couche mince métallique 27, par exemple du platine. Le substrat 25 est par exemple une plaquette de silicium dont la face arrière est revêtue d'une couche d'oxyde de silicium 29.
A l'étape illustrée en figure 4, une couche piézoélec- trique, par exemple du nitrure d'aluminium ou du titanozirconate de plomb (PZT), et une couche métallique, par exemple de l'aluminium ou tout autre métal ou alliage métallique conducteur, ont été successivement déposées. Ces couches piézo- électrique et métallique ont par exemple la même épaisseur.
B12991 - 13-GR3C0-0378 6 Selon une première variante une gravure est effectuée pour définir, à partir de la couche métallique, de la couche piézoélectrique et de la couche 27 de la figure 3, les portions de couche piézoélectrique 15, de couche mince métallique 17 et de couche métallique 19. A l'étape illustrée en figure 5A, le substrat 25 a été gravé par la face arrière (à savoir par la face sur laquelle est déposée la couche 29) pour former une cavité 31 en regard de la lamelle bistable. On appelle ci-après "longueurs", les dimen- sions prises selon l'axe horizontal des figures aA et 5B et "largeurs", les dimensions prises selon l'axe vertical de la figure 5B. La longueur de la cavité est inférieure à la longueur de la lamelle de sorte que la lamelle s'appuie par ses extrémités sur le substrat 25. Comme l'illustre la figure 5B, la cavité 31 est plus large que la lamelle de sorte que la lamelle est dégagée latéralement. Les portions de couches 15, 17 et 19 de la lamelle 13 sont de mêmes longueurs et les portions de couches 15 et 19 sont de mêmes largeurs. Les figures 6A et 6B illustrent un mode de connexion, 20 respectivement en vue en coupe et en vue de dessus, d'une lamelle bistable 13 telle que celle des figures aA et 5B. Comme l'illustre la figure 6A, la couche 27 a été gravée avant le dépôt des couches 15 et 19, et est divisée en une portion de couche 17-1 et en deux portions de couche 17-2. 25 La portion de couche 17-1 est centrée sous la couche 15 qui recouvre totalement la portion de couche 17-1 et partiellement les portions de couche 17-2. La borne A des figures 2A et 2B est connectée à la portion de couche 17-2 qui est connectée à la couche 19 par exemple par un fil. 30 Comme l'illustre la figure 6B, des pistes 33 et 35 ont été réalisées lors de la gravure de la couche 27 avant le dépôt des couches 15 et 19. Les pistes 33 et 35 s'étendent dans la direction de la longueur des portions de couche 17-1 et 17-2 et prennent contact avec les milieux des côtés correspondants de la B12991 - 13-GR3C0-0378 7 portion de couche 17-1. La borne B des figures 2A et 2B est connectée aux pistes 33 et 35. On souhaite obtenir des lamelles contenant des portions de couches de matériaux avec des contraintes différentes, comme cela a été expliqué dans la description de la figure 2A. Pour cela on utilise un système de pulvérisation à plasma. Ce système comprend un générateur continu commuté (DC pulsé) capable de générer des impulsions de polarité donnée à une fréquence de 5 à 350 kHz, un générateur de radiofréquence (RF) et, dans une chambre à vide, un porte-substrat et une cible. La cible contient au moins un élément du matériau à déposer sur le substrat 25, placé sur le porte-substrat. Un plasma est créé au voisinage de la cible par le générateur DC pulsé. Le générateur d'impulsions permet de propulser des éléments du plasma sur la cible afin de pulvériser des particules de la cible qui se déposent sur le substrat 25, éventuellement après combinaison avec des éléments du plasma. On prévoit ici, lors du dépôt de chacune des couches, de contrôler l'un au moins des paramètres suivants : puissance RF appliquée au substrat, puissance et fréquence du générateur DC pulsé, température du porte-substrat et/ou sa polarisation. Il est ainsi possible d'imposer une contrainte déterminée à chacune des couches déposées et cette contrainte peut être modifiée en jouant sur l'un et/ou l'autre des paramètres susmentionnés.
Les portions de couches 15, 17, 19 et la couche 21 sont déposées en contrôlant leurs conditions de dépôt. Par exemple la couche 21 est déposée avec une contrainte de compression élevée, la portion de couche 17 est déposée avec une contrainte proche de zéro et la portion de couche piézoélec- trique 15 et la portion de couche métallique 19 sont déposées avec des contraintes égales et opposées. A titre d'exemple, on pourra déposer des couches successives de la façon suivante. - Couche de nitrure d'aluminium 21 : - puissance RF : de 0 à 8 W, par exemple 6 W ; B12991 - 13-GR3C0-0378 8 puissance DC : 1500 W ; - fréquence de commutation du générateur DC pulsé : de 5 à 50 kHz, par exemple 20 kHz ; - tension de polarisation du porte-substrat : de 50 à 120 V, par exemple 80 V ; - température de dépôt : de 250 à 350°C, par exemple 300°C ; et - épaisseur : de 10 à 500 nm, par exemple 200 nm. - Couche de platine 17 : puissance DC : 1000 W ; - température de dépôt : de 300 à 400°C, par exemple 350°C ; et - épaisseur : de 10 à 500 nm, par exemple 100 nm. - Couche de nitrure d'aluminium 15 : puissance RF : de 0 à 8 W, par exemple 6 W ; puissance DC : 1500 W - tension de polarisation du porte-substrat : de 50 à 120 V, par exemple 80 V ; - température de dépôt : de 250 à 350°C, par exemple 300°C ; et - épaisseur : de 1 à 10 }un, par exemple 5 }un. - Couche d'aluminium 19 : puissance DC : 2000 W ; - température de dépôt : de 250 à 400°C, par exemple 330°C ; et - épaisseur : de 1 à 10 }un, par exemple 5 }un. Dans le cas de cet exemple, la couche 21 a une contrainte en compression de 1 GPa, la couche de platine a une contrainte proche de zéro, la couche de nitrure d'aluminium a une contrainte en compression de 150 MPa et la couche d'aluminium a une contrainte en traction de 150 MPa. De plus, la couche de platine est gravée pour fournir la portion de couche métallique 17, la couche de nitrure d'aluminium est gravée pour fournir la portion de couche piézoélectrique 15 et la couche B12991 - 13-GR3C0-0378 9 d'aluminium est gravée pour fournir la portion de couche métallique 19. Dans l'exemple de réalisation particulier décrit ici, l'ensemble des couches 15, 17, 19 a une contrainte proche de 5 zéro et la portion de couche 21 a une contrainte élevée. On pourrait aussi prévoir une autre répartition des contraintes dans les diverses couches de la lamelle. Par exemple, la lamelle bistable 13 pourrait être fabriquée de sorte que les couches 17 et 21 aient une contrainte proche de zéro, la couche 15 ait une 10 contrainte en compression élevée et la couche 19 ait une contrainte en traction faible qui ne compense pas la contrainte en compression de la couche 15. Bien que cela ne soit pas représenté en figure SA, la lamelle est libérée et se déforme sous l'effet de la contrainte 15 de compression existant dans la couche 21. La lamelle prend alors la forme de la lamelle illustrée en figure 2B. On obtient ainsi une lamelle bistable 13 avec une courbure initiale dont la courbure dépend de la contrainte et donc des conditions de dépôt de la couche 21. 20 Un avantage d'un tel procédé est que le nombre d'étapes de fabrication d'une lamelle bistable à courbure initiale est réduit car les paramètres provoquant la courbure de la lamelle sont ajustés durant le dépôt des portions de couches. Un autre avantage d'un tel procédé est qu'en 25 utilisant, pour la couche 21, une matériau contenant au moins un élément des matériaux des couches 15, 17 et/ou 19, on évite des manipulations du système de pulvérisation lors du dépôt des couches de matériaux. On a décrit ici un procédé de fabrication d'une 30 lamelle piézoélectrique bistable particulière comprenant un ensemble de trois couches (métal, piézoélectrique, métal) propre à constituer une lamelle piézoélectrique dont la contrainte globale est nulle et une couche supplémentaire ajoutée dans des conditions propres à impartir à la lamelle une courbure 35 déterminée.
B12991 - 13-GR3C0-0378 10 Plus généralement la présente invention s'applique au dépôt d'une lamelle bistable comprenant au moins deux couches, dont l'une peut-être piézoélectrique ou pyroélectrique, ces couches étant déposées dans des conditions propres à leur impartir des contraintes de sorte que la contrainte globale soit non nulle et que la lamelle se courbe.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de lamelles bistables (13) de courbures différentes, chaque lamelle comprenant plusieurs portions de couches de matériaux (15, 17, 19, 21), dans lequel au moins une portion de couche particulière est déposée par un procédé de pulvérisation sous plasma dans des conditions différentes pour chacune des lamelles.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lesdites conditions différentes incluent l'une et/ou l'autre des conditions suivantes : puissance RF appliquée, puissance et fréquence d'un générateur DC pulsé, température et/ou polarisation d'un porte-substrat.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque lamelle comprend : une première portion de couche d'un premier matériau (21) ; une deuxième portion de couche d'un deuxième matériau conducteur (17) ; une troisième portion de couche d'un troisième matériau piézoélectrique (15) ; et une quatrième portion de couche d'un quatrième matériau conducteur (19).
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les premier et troisième matériaux sont identiques.
  5. 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les 25 premier et troisième matériaux sont du nitrure d'aluminium, le deuxième matériau conducteur est du platine et le quatrième matériau conducteur est de l'aluminium.
  6. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la première portion de couche (21) a une épaisseur comprise 30 entre 10 et 500 nm, la deuxième portion de couche (17) a une épaisseur comprise entre 10 et 500 nm, les troisième et quatrième portions de couches (15, 19) ont des épaisseurs comprises entre 1 et 10 pin.B12991 - 13-GR3C0-0378 12
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel ladite portion de couche particulière est la première portion de couche de matériau (21).
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 5 à 7, dans lequel les couches de matériaux sont déposées sur une plaquette de silicium (25) ouverte en regard de la lamelle.
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel la deuxième portion de couche (17) a une contrainte proche de zéro et les troisième et quatrième portions 10 de couches (15, 19) ont des contraintes égales et opposées.
  10. 10. Lamelle piézoélectrique bistable (13) comprenant une portion de couche d'un premier matériau piézoélectrique (15) disposée entre des première et deuxième portions de couche de matériau conducteur (17, 19), comprenant en outre une portion de 15 couche d'un matériau contraint (21) disposée d'un côté de la lamelle.
  11. 11. Lamelle piézoélectrique bistable selon la revendication 10, dans laquelle le matériau contraint (21) est un deuxième matériau piézoélectrique. 20
  12. 12. Lamelle piézoélectrique bistable selon la revendi- cation 11, dans laquelle les premier et deuxième matériaux piézoélectriques sont identiques.
  13. 13. Lamelle piézoélectrique bistable selon la revendication 12, dans laquelle les premier et deuxième matériaux 25 piézoélectriques sont du nitrure d'aluminium.
  14. 14. Lamelle piézoélectrique bistable selon la revendication 13, dans laquelle le premier matériau conducteur est du platine et le deuxième matériau conducteur est de l'aluminium.
  15. 15. Lamelle piézoélectrique bistable selon la revendi- 30 cation 14, dans laquelle la portion de couche de matériau contraint (21) a une épaisseur comprise entre 10 et 500 nm, la première portion de couche de matériau conducteur (17) a une épaisseur comprise entre 10 et 500 nm, la deuxième portion de couche de matériau conducteur (19) et la portion de couche d'unB12991 - 13-GR3C0-0378 13 premier matériau piézoélectrique (15) ont des épaisseurs comprises entre 1 et 10 pin.
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