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| Couches minces piézoélectriques sans plomb pour l’actionnement et fiabilité (Lead-free piezoelectric thin films for actuation and reliability ) | ||
Kuentz, Hugo - (2024-03-04) / Université de Rennes - Couches minces piézoélectriques sans plomb pour l’actionnement et fiabilité Langue : Français Directeur de thèse: Guilloux-Viry, Maryline; Le Rhun, Gwenaël Laboratoire : ISCR , Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, France) Ecole Doctorale : S3M Thématique : Chimie, minéralogie, cristallographie | ||
Mots-clés : Piézoélectrique, (K,Na)NbO3 (KNN), Couches minces, Intégration, Actionnement, Fiabilité, Couches minces piézoélectriques Résumé : L’interdiction de l’utilisation du plomb avec la norme RoHS menace l’utilisation du Titano-Zirconate de plomb (PZT) employé majoritairement en microélectronique dans les applications piézoélectriques actionneurs. Le (K,Na)NbO₃ (KNN) est un matériau prometteur pour le remplacer. L’objectif de cette thèse est d’évaluer comme matériau alternatif au PZT pour l’actionnement piézoélectrique. Des films monophasés de KNN pérovskite d'une épaisseur de 600 nm ont été déposés avec succès par ablation laser pulsée sur des substrats de dimensions centimétriques et sur des wafers de Silicium de 200 mm de diamètre. Des condensateurs piézoélectriques fonctionnels ont été réalisés et ont permis de démontrer le comportement piézo- et ferroélectrique de ces films. Un KNN commercial déposé par pulvérisation cathodique a été intégré selon un procédé industriellement compatible afin de réaliser des preuves de concepts de fonctionnement de dispositifs actionneurs à base de KNN (cantilevers et membranes). Les mesures de déflexion des cantilevers de KNN ont permis d’estimer un coefficient d₃₁ compris entre 100 et 150 pm/V. Une étude de fiabilité portant sur la résistance à la fatigue et aux claquages électriques a été menée sur ces wafers. Les condensateurs de KNN avaient une résistance au claquage inférieur en moyenne de 20 % à celle des condensateurs de PZT. Enfin une étude sur la fissuration de condensateurs de PZT a permis de corréler des variations de propriétés structurales avec les propriétés piézoélectriques. Résumé (anglais) : The prohibition of lead usage under the RoHS standard poses a threat to the use of lead-based Titanate-Zirconate (PZT), widely employed in microelectronics for piezoelectric actuator applications. (K,Na)NbO₃ (KNN) emerges as a promising alternative to replace PZT. This thesis aims to evaluate KNN as a substitute material for piezoelectric actuation. Successfully deposited on centimeter-sized substrates and 200 mm diameter Silicon wafers using pulsed laser ablation, monophasic perovskite KNN films with a thickness of 600 nm were achieved. Functional piezoelectric capacitors were fabricated, demonstrating the piezo- and ferroelectric behaviors of these films. A commercial KNN deposited by sputtering was integrated using an industrially compatible process to provide proof-of-concept for the operation of KNN-based actuator devices (cantilevers and membranes). Measurements of the deflections of KNN cantilevers have enabled us to estimate a d₃₁ coefficient of between 100 and 150 pm/V. A reliability study was carried out on these wafers, focusing on their resistance to fatigue and electrical breakdown. The KNN capacitors had an average 20 % lower breakdown resistance than the PZT capacitors. Finally, a study of PZT capacitor cracking correlated variations in structural properties with piezoelectric properties. Identifiant : rennes1-ori-wf-1-19165 | ||
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