Les ondes acoustiques, démontrées théoriquement en 1885 par le scientifique anglais Lord Rayleigh, constituent de nos jours un sujet de recherches très intéressant. Elles sont devenues indispensables à la fabrication des systèmes de télécommunication miniatures et performants, tels que par exemple les filtres, les oscillateurs ou encore les capteurs. Les dispositifs fonctionnant grâce aux ondes acoustiques sont connus sous le nom de « dispositifs piézoélectriques » puisqu’ils transforment les signaux RF en ondes acoustiques, et vice versa, grâce au phénomène piézoélectrique direct. Le développement de ces dispositifs piézoélectriques a été indispensable pour répondre aux exigences particulières et extrêmes des systèmes de télécommunication actuels (sélectivité, miniaturisation, faible coût, facilité de fabrication et d’intégration). Cette thèse s’inscrit dans une démarche générale de développement des dispositifs piézoélectriques, notamment des micro-résonateurs piézoélectriques qui en constituent la dernière génération. Deux axes principaux ont été développés au cours de ces travaux de recherches : l’étude théorique des micro-résonateurs piézoélectriques à travers une modélisation électrique d’une part, et, d’autre part, la description des procédés de fabrication réalisés en salle blanche du laboratoire d’XLIM. / The acoustic waves, theoretically demonstrated in 1885 by the English scientist Lord Rayleigh, are nowadays an interesting research subject. It became essential to the fabrication of miniature and efficient systems of telecommunication, such as filters, oscillators or sensors. Devices using the acoustic waves are known as piezoelectric devices, because they transform RF signal into acoustic waves, and vice versa, thanks to the direct piezoelectric phenomenon. The development of these piezoelectric devices was essential to meet the particular and extreme requirements of the current systems of telecommunication (selectivity, miniaturization, low cost, ease of manufacturing and integration). This thesis is part of a global approach to develop the piezoelectric devices, notably the piezoelectric micro-resonators which constitute the latest generation. Two main axes have been developed during the research work: the theoretical study of piezoelectric micro-resonators through an electric modelling, on one hand, and, on the other hand, the description of the manufacturing processes accomplished in clean room of XLIM’s laboratory.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

L'objectif de cette thèse est la conception d'un capteur de pression à ondes de surface utilisant le nitrure d'aluminium (AlN). Les études théoriques, la réalisation et la caractérisation du capteur de pression sur différentes structures à ondes de surface sont présentées. La modélisation du capteur est effectuée en utilisant un circuit équivalent basé sur le modèle de Mason et la méthode des modes couplés. Les paramètres des ondes de surfaces sont obtenus par calcul et analysés pour différentes structures telles que AlN/SiO2/Si, AlN/Si et AlN/Mo/Si. A partir de ces analyses, nous avons montré que la vitesse des ondes ainsi que le facteur de couplage peuvent dépendre du milieu de propagation. Pour chaque type de structure utilisant l'AlN, nous déterminons la plage d'épaisseur de la couche d'AlN pour laquelle la vitesse des ondes et le facteur de couplage présentent une faible dépendance au regard de l'épaisseur d'AlN. Les dispositifs à ondes de surface doivent être conçus, en particulier pour le choix des épaisseurs de différentes couches, en tenant compte de la précision du procédé de fabrication, afin de réduire les dispersions de caractéristiques des capteurs. En outre, nous avons analysé le comportement mécanique de la membrane en présence d'une pression et nous en avons déduit la sensibilité du capteur. Les effets des variations de température sur une structure à ondes de surface (SAW) sont étudiés. Pour des applications dans le domaine de la mesure de pressions, nous proposons une méthode de réduction des effets des variations de température. Pour le précédé de fabrication, nous proposons d'utiliser le micro-usinage de surface. Ce type de procédé de fabrication permet d'obtenir exactement les dimensions des membranes utilisées dans les capteurs de pression et il permet aussi de réaliser tout type de géométrie grâce au procédé d'arrêt de gravure du silicium. Les films de nitrure d'aluminium sont caractérisés au cours de la fabrication. Nous avons trouvé que pour améliorer le comportement piézoélectrique de l'AlN, trois voies sont possibles : utiliser une couche de molybdène sous l'AlN, réduire la rugosité de la couche se trouvant sous l'AlN jusqu'à 0,2 nm et augmenter l'épaisseur de l'AlN. Les pertes acoustiques de propagation, le facteur de couplage, l'effet d'une couche de Mo et l'effet du film mince de polyimide sur la fréquence centrale sont analysés expérimentalement. En conclusion, la sensibilité de pression mesurée de notre dispositif est présentée. Ce dernier résultat est très prometteur.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEA-Leti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clé dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.