Fabrication, caractérisation et modélisation de micropoutres multimorphes intégrant un film piézoélectrique d'AlN comme actionneur

Fabrication, characterization and modelling of multilayered cantilevers with piezoelectric AlN ceramic as actuator

¹ LOPMD, FEMTO-ST, UMR CNRS 6174, Université de Franche-Comté, 16 route de Gray, 25000 Besançon, France
² Institute of Micromechanics and Photonics, Université de Technologie de Varsovie, 8 sw. A. Bokoli, 02.525 Varsovie, Pologne
³ LMARC, FEMTO-ST, UMR CNRS 6174, Université de Franche-Comté, 24 chemin de l'Épitaphe, 25000 Besançon, France
⁴ CREST, FEMTO-ST, UMR CNRS 6174, Université de Franche-Comté, 4 place Tharradin, 25200 Montbéliard Cedex, France

Auteur de correspondance : patrick.delobelle@univ-fcomte.fr

Reçu : 15 Mars 2007
Accepté : 7 Juin 2007

Résumé

Cet article présente les potentialités de films d'AlN piézoélectriques comme éléments actionneurs pour les MEMS. Le cas de micropoutres constituées d'un empilement de différents films (électrode/AlN/électrode/substrat Si) est présenté. Un dispositif interférométrique de type Twyman-Green permet de quantifier précisément les déformées et les déplacements ce qui permet de calculer, à l'aide des équations non simplifiées, différentes grandeurs physiques des films d'AlN, par exemple le module d'Young lié à l'orientation (002) des cristallites, les contraintes résiduelles consécutives au mode d'élaboration, le coefficient de dilatation α ainsi que le coefficient piézoélectrique d₃₁. On retrouve sensiblement les valeurs du matériau massif.

Abstract

This paper treats a wide range of subjects related to the use of AlN as actuation layer in MEMS, from its deposition conditions to accurate interferometric device characterization and physical parameters extraction. The case of AlN driven multilayered cantilevers has been considered. Parameters such as Young's modulus associated to the (002) orientation of the crystallites, residual thin film stresses, thermal expansion coefficient α and piezoelectric coefficient d₃₁ have been calculated using non approximated equations capable of taking into account multiple film stacking. The well oriented thin film exhibit approximately the same properties as the bulk material.