L’ingénierie des matériaux est au cœur du projet Dionysos (1), sur le point d’entrer dans une phase opérationnelle avec la création d’une plateforme industrielle en Franche-Comté. Des technologies inédites permettront de produire des matériaux piézoélectriques composites aux propriétés nouvelles, ouvrant des perspectives jusqu’alors inenvisageables dans la conception et la réalisation de microcomposants.
Un matériau monolithique à fort couplage piézoélectrique comme le quartz ou le niobate de lithium autorise les meilleures applications acousto-électroniques, trop vite limitées cependant par une forte sensibilité thermique et une importante dilatation. Réaliser des matériaux composites, puis jouer sur leur épaisseur représentent la meilleure alternative pour pallier ces défauts, modifier les propriétés thermoélastiques des matériaux, et, par là même, améliorer leurs fonctions physiques.
De toutes nouvelles techniques ont ainsi été imaginées pour fabriquer des wafers associant deux matériaux différents, dont les caractéristiques se compléteront et se combineront pour donner naissance à des substrats aux propriétés inédites. Des années de recherches menées conjointement par l’IPV et l’Institut FEMTO-ST aboutissent aujourd’hui à la maîtrise d’une technologie de collage-amincissement originale et prometteuse. Mis au point par les chercheurs et les ingénieurs comtois, le procédé en est au stade de la mise en œuvre industrielle, concrétisée par la création de la plateforme de technologie Dionysos. Des investissements machines importants assureront une production intéressant en premier lieu les entreprises comtoises spécialisées dans les transducteurs ultrasonores, les capteurs à ondes élastiques ou les modulateurs électro-optiques.
Interfaçage et collage sont les maîtres mots du procédé. Un substrat à dérive thermique faible (silicium, verre ou quartz) est choisi pour brider l’effet de dilatation de la couche piézoélectrique en niobate de lithium, quartz également, tantalate de lithium, voire céramique. L’interfaçage en or permet de souder le substrat et la couche piézoélectrique en une entité sans fracture, bien que composée de deux matériaux ! Sous l’action d’une pression énorme, la résistance des atomes d’or est diminuée, leur permettant de migrer et de provoquer des liaisons métalliques fortes, créant une soudure parfaite et inaltérable. Des matériaux bifaces mais monoblocs voient ainsi le jour. De plus, le collage à l’or se réalise à froid, ce qui autorise la jonction de n’importe quels matériaux. Cette technique nécessite en revanche un polissage parfait des surfaces à assembler.
L’épaisseur du substrat obtenu se prête ensuite à nombre d’ajustements. Son amincissement par procédé mécanique est décidé en fonction du but recherché. En matière d’électromagnétisme, de cet amincissement dépend directement la fréquence des ondes auxquelles il sera possible d’accéder, et que l’on peut désormais envisager jusqu’à 40 GHz. Un atout de taille dans la course aux plages de fréquences disponibles nécessitant des filtrages de bandes de taille intermédiaire ou large.
Empilement silicium / niobate / silicium pour la fabrication de guides d'ondes isolées
Après une étape de mise au point ultime de la recherche menée par FEMTO-ST en coopération avec l’IPV dans la première phase du projet Dionysos (2008 – 2011), le passage au stade industriel fait l’objet d’un second volet, qui est en cours de validation par les instances concernées. Il prévoit le montage complet d’une plateforme industrielle composée de dix étapes de fabrication différentes, hors salle blanche, sur une surface de 400 m2. Après la fabrication de wafers 4 pouces (100 mm) sur la base des équipements actuels avec un processus industrialisé, l’objectif est, dès 2013, de passer à des wafers 6 pouces (150 mm) pour des réalisations collectives de plus grande envergure. L’ensemble du dispositif industriel représente un budget de l’ordre de trois millions d’euros, qui fait suite à celui de la phase de développement, soutenue, quant à elle, par le FEDER, l’État, la Région Franche-Comté, en partenariat avec quatre PME régionales et un grand compte allemand. La création d’une start-up est envisagée pour assurer la gestion et le fonctionnement de la plateforme. À ce stade, le pilotage de l’opération est passé aux mains de l’Institut Pierre Vernier — en coopération avec FEMTO-ST — pour qui le transfert de technologie des laboratoires vers l’industrie est l’une des missions principales.
Quelques μm à quelques dizaines de μm caractérisent l’épaisseur de la couche piézoélectrique de ces substrats réalisés selon la technologie développée pour Dionysos. Cette épaisseur doit être maîtrisée sur une surface proportionnellement importante puisqu’elle atteint 100 mm de diamètre sur les wafers actuels et passera à 150 mm dans un proche avenir.
Capteurs de pression et température (projet FUI MAPT),
vues des faces avant (quartz) et arrière (silicium usiné)
Du côté des applications, les dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW) et de volume (BAW) sont en tout premier lieu concernés par le renforcement des propriétés des matériaux auxquels ils font appel. Grâce à eux, des composants de nouvelle génération pourront ainsi être mis sur le marché, un développement concernant : les capteurs à ondes élastiques pour la détection et la mesure de grandeurs physiques ou chimiques ; les résonateurs pour oscillateurs électroniques ; les modulateurs électro-optiques qui verront la réduction des tensions d’activation, la simplification des méthodes de fabrication, l’amélioration des propriétés de guidage et des bandes passantes ; les transducteurs ultrasonores, notamment les sondes de contrôle non destructif et les sondes d’imagerie acoustique, dont les composants seront fabriqués collectivement avec une fiabilité équivalente au dispositif « pièce à pièce » actuellement seul exploité, garantissant un meilleur rendement et un rapport coût sur investissement performant.
(1) Dispositifs à Ondes élastiques et optiques guidées sur substrat de Niobate-Y et autres matériaux piézoélectriques et électro-optiques reportés sur Silicium Ou Silice.
