Brevet FR2557732A1 — publié le 19850705

S7732 Procédé de réalisation de dispositifs piezoélectri- ques miniatures utilisant un usinage par laser et dis- positifs obtenus par ce procédé. La présente invention a pour objet un procé- dé de réalisation de dispositifs piézoélectriques mi- niatures utilisant un usinage par laser et des dispo- sitifs obtenus par ce procédé. Un dispositif piézoélectrique peut prendre diverses formes. Une des plus simples consiste en une lame mince métallisée sur ses deux faces. D'autres formes plus ou moins complexes sont possibles: suite de lames reliées par des ponts, diapason, etc... La propriété essentielle utilisée dans de tels disposi- tifs est leur résonance. Mais des résonateurs couplés peuvent conduire à des propriétés de filtrage, du type passe-bande. Si l'on constitue un filtre à l'aide de plu- sieurs résonateurs piézoélectriques couplés et si ces résonateurs sont usinés dans le même substrat piézo- électrique, on a affaire à un filtre dit "monolithi- que". Par analogie, on définit un filtre "polylithi- que" comme étant obtenu par l'association en cascade de plusieurs cel]ules monolithiques. Par "dispositifs piézoélectriques", on en- tend donc ici, toute cette classe de moyens qui englo- be les résonateurs piézoélectriques, les filtres pié- zoélectriques qu'ils soient monolithiques ou polyli- thiques, et tout autre combinaison de tels éléments ayant une fonction de transfert déterminée. Le domaine d'application de ces dispositifs est vaste: - filtrage en moyenne fréquence en réception fixe et surtout mobile, - filtrage pour antenne de réception radio (pour aug- menter le rapport signal à bruit), - instrumentation fixe ou mobile, réalisation d'oscillateurs à grande excursion de fréquence (VCXO), - horlogerie électronique. Les procédés de réalisation de ces disposi- tifs, lorsqu'ils sont miniatures, font appel à deux techniques différentes, selon que le matériau piézo- électrique utilisé est le quartz ou l'un de ces maté- riaux nouveaux que sont le tantalate et le niobate de lithium. Avec le quartz, la technique employée est celle de la photolithographie. Sur un substrat en quartz, on dépose une résine photosensible que l'on insole pour dessiner les lignes correspondant au motif à découper, puis on attaque le quartz chimiquement, par exemple avec une solution d'acide fluorhydrique bouillant. Avec le tantalate de lithium (ou le niobate de lithium) cette technique est inappropriée, pour la raison que la vitesse d'attaque chimique de ces maté- riaux par l'acide est beaucoup trop faible si la vitesse d'attaque du quartz par l'acide fluorhydrique bouillant est de l'ordre de 74 im/heure, celle du tan- talate de lithium par une solution d'acide nitrique et fluorhydrique n'est que de 1,6 wm/heure. Il en résulte que, dans le cas du tantalate de lithium, la photolithographie est vouée à l'échec car, compte tenu des épaisseurs des lames à usiner (200 lim), un phénomène de sous gravure important se développerait, qui conduirait à une mauvaise défini- tion des bords des motifs. On assisterait également à une destruction de la résine photosensible. C'est la raison pour laquelle on préfère utiliser une autre technique, qui est le sciage. On emploie à cette fin une scie diamantée à lames multi- ple ou à fils. En ce que concerne les dispositifs piézo- électriques à tantalate de lithium, on pourra se re- porter à une série d'articles parus dans la revue "Symposium on Frequency Control", à savoir: - l'article intitulé wLow Frequency resonators of Lithium Tantalate" de ONOE SHINADA (Kinsekisha Ldt) 1973, page 42, - l'article intitulé "Miniature LiTaO3 X-cut strip re- sonator", 1983, de OKAZAKI, WATANABE (NDK), page 337, - et enfin l'article intitulé "Miniaturized LiTaO3 strip resonator", 1983 de FUJIWARA (Fujitsu) page 343. Les caractéristiques des résonateurs et des filtres réalisés à partir du tantalate et du niobate de lithium sont complémentaires de celles de leurs ho- mologues en quartz. Cependant, pour les résonateurs, l'excursion de fréquence est plus grande et pour les filtres la bande passante relative est plus large. Leur domaine d'utilisation va de quelques dizaines de kHz à environ 30 MHz que l'on peut décomposer en plu- sieurs gammes en fonction de la coupe cristalline choisie. Malgré l'intérêt présenté par le tantalate et le niobate de lithium, il faut admettre qu'ils se prêtent mal à l'obtention de formes complexes du fait même de la technique actuelle de sciage. Dès lors, on doit s'en tenir à des formes très simples comme des barreaux rectangulaires ou des diapasons, ce qui ne permet pas d'optimiser facilement certains paramètres tels que la surtension. Les difficultés du sciage in- terdisent également la réalisation de filtres monoli- - thiques au sens défini plus haut. Il n'est en effet pas possible, à l'aide d'une scie, d'effectuer des en- lèvements de matière dans des zones fermées aux dimen- sions souvent millimétriques et submillimétriques. Pour obtenir des filtres à plusieurs résonateurs en cascade, on doit donc fabriquer séparément des résona- teurs dans des substrats piézoélectriques différents, puis assembler ces différents dispositifs par des con- nexions électriques. On ne connait donc pas de filtres monolithiques à plusieurs résonateurs, en tantalate de lithium (ou en niobate de lithium). Par ailleurs, le sciage implique pour la pièce à usiner des dimensions relativement importan- tes, du fait de la fragilité des cristaux, de sorte qu'il est difficile d'atteindre des fréquences de fonctionnement élevées (au-delà de 1 MHz) pour les coupes cristallines qui mettent en jeu des modes d'élongation. A ces difficultés, il faut en ajouter une autre, qui tient au réglage des dispositifs obtenus. Que la méthode de fabrication utilise la photolitho- graphie ou le sciage, sa reproductibilité est souvent aléatoire et le dispositif obtenu ne présente que très rarement les caractéristiques attendues. Il est alors nécessaire de procéder à un réglage (par exemple de la fréquence de résonance). Pour cela, on lime par diver- ses méthodes certaines parties du motif, notamment ses extrémités. Il va sans dire que cette opération est très délicate et qu'elle allonge considérablement le temps de fabrication. Enfin, la technique antérieure du sciage se prête mal à une programmation des installations de fa- brication, programmation qui est indispensable si l'on veut donner au processus de fabrication un véritable caractère industriel. La présente invention a justement pour but de remédier à tous ces inconvénients. A cette fin, l'invention propose un nouveau procédé de fabrication de dispositifs piézoélectriques utilisant le tantala- te de lithium ou le niobate de lithium, ce procédé permettant l'obtention de résonateurs de forme quel- conque, même très complexe, de filtres monolithiques (qui, jusque là, n'existaient pas même en quartz sur- tout dans la gamme basses fréquences de quelques kHz à 4 MHz), et naturellement de filtres polylithiques. En outre, le procédé de l'invention conduit à une opéra- tion de réglage très simple et très fine, l'ensemble du processus de découpage et de réglage se prêtant aisément à une programmation et à un contr8le par des moyens informatiques. Tous ces buts sont atteints, selon l'inven- tion, par un découpage du matériau piézoélectrique au moyen d'un faisceau laser. Pour mieux apprécier l'originalité de l'in- vention, il faut comprendre que le découpage du tanta- late de lithium ou du niobate de lithium par un fais- ceau laser en vue d'obtenir des dispositifs piézoélec- triques, était a priori inapproprié et cela popr plu- sieurs raisons. La première est que ces matériaux sont transparents. Il en résulte que l'absorption d'un rayonnement laser visible ou proche infrarouge est très faible et ne saurait conduire à un effet thermi- que suffisant pour provoquer la fusion du cristal. C'est bien pourquoi d'ailleurs le procédé d'usinage au laser s'applique avant tout à des matériaux absorbants (matériaux réfractaires, tissus, etc...) mais s'ap- plique très mal par exemple à la découpe du verre. - La seconde raison tient à ce que le produit que l'on cherche à obtenir doit présenter des qualités exceptionnelles, notamment dans sa structure cristal- line, afin d'obtenir des dispositifs piézoélectriques aux performances élevées. Or, tout effet thermique prolongé est réputé bouleverser le réseau cristallin d'un matériau, surtout si l'on doit aller jusqu'à la fusion de celui-ci. A priori donc, on pouvait craindre qu'une découpe par laser, de matériaux comme le tantalate ou le niobate de lithium, se heurterait à des difficultés considérables tant du point de vue de l'efficacité de mise en oeuvre que de la qualité des produits obtenus. De façon surprenante, le demandeur a montré que ces deux obstacles pouvaient être surmontés. Le premier, concernant l'absorption du rayonnement lumi- neux, peut l'être par l'utilisation d'impulsions lumi- neuses brèves et intenses. Il a été montré par le de- mandeur que chacune de ces impulsions provoque un cla- quage local du matériau, par l'effet du champ électri- que véhiculé par le rayonnement, ce qui augmente bru- talement son coefficient d'absorption. La fin de l'im- pulsion lumineuse peut alors être absorbée. Le second obstacle est également surmonté si l'on en juge par l'excellente qualité, tant acoustique que piézoélec- trique, révélée par les dispositifs obtenus après analyse. De façon précise, l'invention a donc pour objet un procédé de réalisation de dispositifs piézo- électriques, dans lequel on découpe un matériau piézo- électrique pour lui donner une forme appropriée, ce procédé étant caractérisé par le fait que, le matériau piézoélectrique étant pris dans le groupe qui comprend le tantalate de lithium et le niobate de lithium, on découpe ce matériau à l'aide d'un faisceau laser fonc- tionnant en régime impulsionnel. Selon une disposition avantageuse, on dé- place, relativement l'un par rapport à l'autre, le ma- tériau à découper et le faisceau laser, par un mouve- ment fait d'une succession de déplacements et d'ar- rêts, la découpe du matériau s'effectuant pendant les arrêts. Les zones de fusion du matériau peuvent ne pas se recouvrir et l'on obtient alors un découpage du motif en pointillé, du genre "timbre poste". L'invention a également pour objet des dis- positifs piézoélectriques comprenant un motif en maté- riau piézoélectrique recouvert sur ses deux faces d'une couche conductrice, ces dispositifs étant carac- térisés par le fait que le motif a été découpé dans un matériau piézoélectrique pris dans le groupe compre- nant le tantalate de lithium et le niobate de lithium, par le procédé qui vient d'être défini. En particulier, l'invention couvre des dis- positifs comprenant au moins deux résonateurs couplés formant une seule pièce découpée dans un même substrat piézoélectrique (filtres monolithiques tels que défi- nis plus haut). Elle couvre également des résonateurs de formes complexes et/ou ayant des pattes étudiées pour optimiser la surtension. De tels dispositifs sont impossibles, à fa- briquer dans le tantalate de lithium et le niobate de lithium par tous les autres procédés connus. Dans un mode de réalisation donné à titre explicatif, le demandeur a découpé du tantalate de li- thium avec des impulsions à 1,06 im de longueur d'on- de, de 500 Watts crête d'une durée de 200 ns avec-un taux de répétition de 800 Hz. Le matériau à découper est fixé sur un jeu de tables qui assure, au moyen de moteurs pas à pas, son déplacement par rapport au faisceau laser. Pour éviter les fissures et les chocs thermiques dans le matériau et obtenir une découpe ra- pide, la vitesse de déplacement des tables est modi- fiée avec des arrêts comme exposé plus haut. Par exem- ple la table avance de 20 im à la vitesse de 0,3 mm/s, s'arrête pendant 50 ms et avance à nouveau de 20 im etc... D'autre part, et dans le même but d'éviter les fissures provoquées par un choc thermique, on évite de se placer, au départ, au bord de la lame et on prend soin de monter celle- ci de façon à avoir de l'air en contact avec les deux faces. Bien que les lasers fonctionnant dans le vi- sible sont utilisables (laser à rubis par exemple), il semble que les lasers dans le proche infrarouge (1,06 hum) conviennent bien (laser à verre dopé au néo- dyme et surtout laser YAG). De nombreux essais ont été effectués par le demandeur sur des résonateurs du type à barreau(x) et à diapason(s) sur des filtres monolithiques à 2 ou 4 résonateurs formés de barreaux ou de diapasons, sur des associations de cellules monolithiques à 2 résona- teurs (filtres polylithiques). Ces essais réalisés ont permis de faire les constatations suivantes: 1) la découpe du motif est très nette; 2) la perte de matière est très faible, car le faisceau laser est focalisé sur une tache dont le diamètre n'excède pas 15 hum (il est difficile de descendre au-dessous de cette dimension compte tenu de l'épaisseur du cristal à découper qui est de l'ordre de 200 hm; 3) la qualité acoustique des dispositifs obtenus n'est pas altérée par rapport à celle des dispositifs fabriqués par sciage; 4) la qualité piézoélectrique n'est pas al- térée non plus: la proportion de matériau dégradé au voisinage de la découpe est la même que dans le cas d'un sciage; ceci est confirmé par un vieillis- sement peu significatif sur plusieurs mois et une valeur du coefficient de couplage électromécanique très voisine de celle des barreaux réalisés par sciage; ) la reproductibilité dans les dimensions est excellente, ce qui permet d'approcher au mieux les caractéristiques finales des dispositifs et de reduire la phase de réglage; 6) on peut ajuster les dimensions et les formes avec le laser même qui a servi à la découpe, si l'on veut optimiser les divers paramètres de fonctionnement ou réduire les modes parasites. A titre explicatif, les propriétés des fil- tres obtenus selon l'invention sont les suivantes: - largeur de bande relative maximale obtenue sans élé- ment de compensation rapporté: environ 2% pour une ondulation de 0,2 dB; perte d'insertion pour 4 résonateurs: P60 dB pour une cellule monolithique et > 90 dB pour l'as- sociation de 2 cellules et plus, - surtensions obtenues sur résonateurs et filtres environ 60 000 à 455 kHz environ 80 000 à 1 MHz environ 95 000 à 2 MHz. Les dimensions sont, pour des filtres du type barreau, (encombrement total): à 455 kHz: 6,32 x 1,7 mm a 1 MHz: 3,16 x 1,1 mm 2 MHz: 1,5 x 0,6 mm De toute façon les dessins annexés permet- tront de mieux préciser l'invention. Sur ces dessins: - la figure 1 (la, lb) montre un exemple de filtre monolithique obtenu selon l'invention, la figure 2 est un schéma montrant une installation possible pour la mise en oeuvre de l'in- vention. La figure 1 montre un exemple de filtre mo- nolithique à base de 4 résonateurs. Le filtre fonc- tionne à 455 kHz. Il est en tantalate de lithium. Pour l'obtenir on réalise les opérations suivantes: - on part d'une lame 10 de tantalate de lithium de i.m d'épaisseur et de 16 x 1-2 mm; la surface des faces est doucie; - à l'aide d'un laser, par exemple à YAG comme celui qui a été décrit plus haut, on découpe un motif, selon la ligne 12; - on prend soin de laisser une partie non découpée 14 pour éviter que le motif ne se détache dans les ma- nipulations ultérieures (figure la); - on nettoie la lame et son motif pour retirer tous les résidus et poussières dues à la découpe; - on métallise ensuite les deux faces à travers un masque, à l'exception des ponts de couplage 21, 22, 23 (figure b); - on monte ensuite des prises de contact sur chaque face au milieu des barreaux d'extrémité A et B (16A, 18A, 16Bi 18B); - on court-circuite les résonateurs intermédiaires électriquement; - on découpe la partie 14 au laser pour libérer le motif; -on monte le motif dans son bottier, - on le règle à l'aide du même laser en usinant les extrémités des barreaux et la largeur des coupleurs 21, 22, 23, - on ferme ensuite le bottier sous vide, - on adapte le dispositif pour obtenir les caractéris- tiques finales du filtre. La figure 2 montre le schéma d'une installa- tion possible permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention. L'installation représentée comprend un laser 30, un miroir de renvoi 32, une optique de focalisation 34, une table d'usinage 36 supportant une plaquette 40 à usiner, cette table étant commandée en double translation X et Y par deux moteurs pas à pas 42 et 44. Le plan de travail est éclairé par une sour- ce 46. Un miroir 48, transparent au rayonnement du laser et réfléchissant pour le rayonnement de la sour- ce 46, renvoie l'image de la plaquette en cours d'usi- nage sur une caméra vidéo 50 reliée à un récepteur de télévision 52. Le laser 30 comprend un barreau amplifica- teur 62 pompé optiquement par des lampes 64 aux halo- gènes alimentées par une source électrique 66 et deux miroirs 68 et 70 qui forment une cavité dans laquelle est disposé un dispositif 74 acoustooptique ou élec- trooptique (cellule de Pockels par exemple) qui joue le rôle d'obturateur et permet de faire fonctionner le laser en mode déclenché ("Q-switched"). Cet obturateur est commandé par un générateur de tension 76. Un ensemble informatique 80, comprenant un microprocesseur, un clavier et un écran de visualisa- tion, commande le circuit 66 déterminant l'impulsion d'excitation du laser, le circuit 76 déclenchant l'émission de l'impulsion lumineuse, l'optique de fo- calisation 34, les moteurs 42 et 44. L'opérateur suit l'usinage sur le récepteur 52. L'ensemble 80 est programmé en fonction du motif à obtenir. 12 2557?32 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de dispositifs piézoélectriques, dans lequel on découpe un matériau piézoélectrique pour lui donner une forme appropriée, ce procédé étant caractérisé par le fait que, le maté- riau piézoélectrique étant pris dans le groupe qui comprend le tantalate de lithium et le niobate de li- thium, on découpe ce matériau à l'aide d'un faisceau laser fonctionnant en régime impulsionnel. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que l'on déplace relativement l'un par rapport à l'autre le matériau à découper et le faisceau laser, par un mouvement fait d'une succession de déplacements et d'arrêts, la découpe du matériau s'effectuant pendant les arrêts. 3. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que le laser fonctionne dans le proche infrarouge. 4. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'après la découpe, on ajuste les caractéristiques du dispositif obtenu par enlèvement de matière au moyen du laser ayant servi à la découpe. 5. Dispositif piézoélectrique comprenant un motif en matériau piézoélectrique recouvert sur ses deux faces d'une couche conductrice, caractérisé par le fait que le motif a été découpé dans un matériau piézoélectrique pris dans le groupe comprenant le tan- talate de lithium et le niobate de lithium par le pro- cédé selon la revendication 1. 6. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé par le fait qu'il comprend au moins 2 réso- nateurs couplés formant une seule pièce découpée dans un même substrat piézoélectrique ou un résonateur de forme complexe.