La mise au point de matériaux composites, obtenus par association de cristaux piézoélectriques comme le quartz, le niobate de lithium ou le tantalate de lithium, apporte de nombreuses possibilités dans le domaine des ondes élastiques de surface, ouvrant la voie à de nouvelles générations de microcomposants. Née du savoir-faire de l’Institut FEMTO-ST et de l’Institut Pierre Vernier, cette technologie exemplaire de collage à température ambiante puis d’amincissement est assurée sur des wafers 4’’ au cœur de la centrale MIMENTO. Elle est à l’origine de la création prochaine d’une start-up, PoW-WoW, dont l’ambition est de donner une envergure industrielle à la fabrication de microcomposants sur matériaux composites.
Les filtres radiofréquence assurant émission et réception à l’intérieur de nos téléphones portables se fabriquent par milliards dans le monde chaque année. Les capteurs, dont les finalités sont la détection et la mesure de grandeurs physiques ou chimiques, connaissent également un essor remarquable.
Ces composants utilisent les ondes élastiques de surface (SAW pour surface acoustic waves), seules capables d’accéder de la façon la plus fine et la plus stable aux fréquences souhaitées à l’intérieur du spectre.
De telles applications sont directement liées au domaine du Temps-fréquence et reposent sur la maîtrise de la piézoélectricité. Le quartz bien sûr, mais aussi des matériaux synthétiques comme le niobate de lithium et le tantalate de lithium, aux propriétés piézoélectriques meilleures encore, sont à la base du processus. Cependant, les performances de ces cristaux ne suffisent plus aujourd’hui et les futures générations de microcomposants demandent le recours à de nouveaux matériaux. Des composites, aux possibilités décuplées, ont été créés de toutes pièces sous forme de wafers pour répondre à ces besoins.
Combinant les savoir-faire du département Temps-fréquence de l’Institut FEMTO-ST et du département Composants MicroSystèmes de l’Institut Pierre Vernier à l’intérieur du projet Dionysos, la mise au point de matériaux composites, déclinant à l’envi différentes associations de cristaux piézoélectriques et identifiés sous l’appellation WOW (wafer on wafer), couronne trois ans de travaux réunissant chercheurs et ingénieurs autour d’un même objectif.
Wafer SAW (surface acoustic waves)
L’assemblage d’un substrat et d’une couche active, piézoélectrique, donne naissance à un matériau composite artificiel. Le joint de cohésion, invisible et inaltérable, est réalisé à température ambiante, une prouesse technologique tout droit issue du savoir-faire du tandem FEMTO-ST / IPV et de sa grande expertise en matière de piézoélectricité. L’amincissement de la couche active du bloc est alors rendue possible, jusqu’à la limiter à la dizaine de μm.
Un affinement qu’il convient de maîtriser sur une surface proportionnellement importante, de l’ordre de 100 mm de diamètre, correspondant aux wafers 4’’ actuellement fabriqués dans les salles blanches de la centrale bisontine MIMENTO.
Jouer sur cette épaisseur confère au matériau de nouvelles propriétés, notamment en termes de dérive thermique, une capacité qu’il est possible d’adapter pour être au plus près des besoins industriels. La lithogravure des peignes métalliques interdigités engendrant les ondes à la surface de la couche piézoélectrique est réalisée en salle blanche au sein de la ligne de microfabrication automatisée Quartz-Tech, qui, inscrite au cœur de MIMENTO, est spécialement dédiée à la réalisation industrielle des produits issus de la recherche comtoise dans ce domaine.
Une prochaine étape sera la création d’une start-up capable de fournir des wafers composites aux fabricants mondiaux de composants utilisant les ondes élastiques de surface.
Et si le procédé mis au point intéresse en tout premier lieu cette industrie, elle permet aussi de moderniser la technologie des structures à ondes élastiques de volume (BAW, pour bulk acoustic waves). Ces dernières présentent un intérêt majeur en termes de résistance à la forte puissance induite par l’accès à des gammes de fréquences élevées et permettent pour certaines structures de transcender les limites opérationnelles techniques des composants à ondes de surface.
Du côté des applications, le champ d’investigation est largement ouvert, et concerne l’optique intégrée tout autant que les MEMS, à partir d’assemblages réalisés sur silicium, rendus possibles à basse température.
Le projet de création d’entreprise PoW-WoW Industrie consiste à concevoir, fabriquer et conditionner des composants acousto-électriques sur tranches de matériaux présentant des propriétés piézoélectriques pour des applications de capteurs, de filtres, de sources de fréquence ou d’une manière plus générale de transducteurs électromécaniques pour toute une gamme d’activités industrielles et académiques.
Il s’appuie sur l’existence d’une compétence de premier plan international dans la recherche et le développement de solutions avancées pour les composants radiofréquence passifs et sur un groupe académique reconnu mondialement pour l’excellence de ses travaux scientifiques depuis plus de vingt ans.
La future société proposera donc les conception, fabrication, préconditionnement et caractérisation des composants cités plus haut.
Elle a pour ambition de développer également une gamme de produits radiofréquence à base de microdispositifs électromécaniques (RF-MEMS) et de wafers composites présentés plus haut.
