Microtechnologie de fabrication silicium «Micromachining»

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1 Microtechnologie de fabrication silicium «Micromachining» Technologies MEMS M. Denoual 1

2 Pourquoi le silicium? Pourquoi le silicium? Matériau pas cher (très répandu), Matériau de très grande qualité cristallographique, reproductible. Matériau aux propriétés intéressantes : Module d Young proche de celui de l acier, Plus léger que l acier, densité proche de celle de l aluminium, Limite élastique deux fois plus grande que celle de l acier, Pas de déformation plastique, Déformations élastiques reproductibles, pas d hystérésis, Très bonne résistance à la fatigue mécanique (bon vieillissement), Conductivité thermique ~50% supérieure à celle de l acier, Dilatation thermique 1/5ième de celle de l acier. excellentes propriétés mécaniques Propriétés piezorésistives (jauges d extensiométrie), (100 fois plus importantes que dans les métaux) Propriétés semiconductrices (intégration IC, capteurs température, optiques). Technologie de fabrication maîtriser grâce aux technologie semi-conducteur, Réduction des coûts par procédés collectifs massifs, Reproductibilité, fiabilité, Possibilité d intégration d électronique.

3 Pourquoi le silicium?

4 Plan de Microtechnologie de fabrication silicium «micromachining» 1. Micro-usinage de surface Ajout de matière

5 1. Micro-usinage de surface Empilement de couches «sacrificielles» et de couches «structurelles»

6 Micro-usinage de surface Définitions : couche «sacrificielle» : couche de matériau qui est déposée entre des couches structurelles pour réaliser une séparation et une isolation mécanique. Cette couche est enlevée durant la phase de dégagement (releasing) pour libérer les couches structurelles et permettrent aux dispositifs mécaniques de bouger par rapport au substrat. couches «structurelles» : couche de matériau qui comporte le dispositif mécanique. Cette couche est dégageable lorsqu une couche sacrificielle la sépare du substrat.

7 Micro-usinage de surface Empilement de couches «sacrificielles» et de couches «structurelles» 1. insolation de la couche sacrificielle 2. développement 3. dépôt de la couche structurelle 4. insolation de la couche structurelle 5. développement 6. retrait de la couche sacrificielle multi-couches, épaisseur, séparation des couches

8 Micro-usinage de surface

9 Micro-usinage de surface Exemple : Digital Mirror Display (DMD) de Texas Instrument

10 Micro-usinage de surface motifs du DMD de Texas Instrument comparés avec une patte de fourmi surface du DMD de Texas Instrument Carrés de 10 à 15µm de coté. Jusqu à 1.3 millions de miroirs. Micro-usinage de surface à base de polysilicium. Miroir d aluminium réfléchissant. Fabriqué sur une mémoire SRAM CMOS. Actionnement électrostatique.

11 Fonctionnement du DMD

12 Fonctionnement du DMD

13 Micro-usinage de surface Exemple : moteur tournant électrostatique Applications? démonstration Principe Contrôle de tension pour faire tourner un rotor sous l action de force électrostatique.

18 2.

19 Définition : Bulk etching : usinage de volume. Rapport de forme (vertical aspect ratio) : c est le rapport entre le hauteur d une structure perpendiculaire au substrat et la largeur de la dimension minimum du dispositif. Ce paramètre permet de caractériser les procédés de gravure profonde ainsi que les méthode de microfabrication par ajout de matière. h l Ratio = h/l Exemple : pour une gravure deep-rie le ratio peut aller jusqu à 50 (100µm de hauteur pour 2µm de largeur)

20 retrait de matière 1. gravure humide anisotropique 2. gravure sèche isotropique 3. gravure sèche anisotropique

21 Micro-usingae de volume Gravure humide anisotropique Vitesse de gravure plus importante dans une direction que dans l autre. La vitesse dépend de l orientation cristalline Les plans plus denses ( <111> par exemple pour Si) se gravent plus lentement que les plans moins denses (<100> ou <110>) La profondeur gravée dépend de la géométrie Arrêt de la gravure (ou sélective différente) en fonction du dopage Libération de structures suspendues.

22 1. gravure humide anisotropique performances EDP KOH TMAH vitesse de gravure du Si <100> (um/h) 30 à à 100 qualité de gravure très bonne très bonne moyenne sélectivité <111>/<100> 1/20 1/30 à 1/130 1/10 à 1/60 vitesse de sous-gravure (um/h) 1.4 à à à 1.9 compatibilité CMOS oui non oui sélectivité SiO2/Si 1/ /100 à 1/400 1/100 à 1/1000 sélectivité Si3N4/Si 1/ /150 à 1/350 gravure de l'aluminium moyenne rapide lente couche d'arrêt de gravure couche dopée bore couche dopée bore couche dopée bore toxicité élevée faible faible coût élevé faible moyen EDP: Ethylene diamine pyrocatechol corrosif ET cancérigène! TMAH: Tetramethyl Amonium Hydroxyde KOH: potasse K+ contaminant pour Si à éviter en microélectronique

23 TMAH Non contaminant pour Si, donc compatible avec les circuits intégrés. Masques compatibles: SiO2, Si3N4, Al. Composition: (CH3)4NOH (20%) + H2O Forme OH- pour oxyder Si. Attention: la formation de bulles d H2 peut donner des surfaces rugueuses

24 Hotte de chimie utilisée pour la gravure TMAH

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27 anisotropic etch

28 Structure libérée par une gravure TMAH Membrane suspendue de SiO2 libérée par une gravure TMAH

29 Couche d arrêt par fort dopage Bore Zone dopée Bore Zone non dopée 12.7um

30 5.71um

31 Gravure sèche isotropique Exemple : XeF2 Xénon-Fluor ou SF6 Caractéristique : aussi large que profond. Utilisée pour la libération de structure.

32 Exemple d utilisation de la gravure XeF2 : évidement de pointes d un champ de micro-pointes pour la thérapie génique. Champ de micro-pointes Gonzalo Cabodevila, LIMMS, Université de Tokyo, IIS, Fujita Lab.

33 Formation des pointes par gravure RIE faible puissance au SF6 du silicium Évidement de la base des pointes par attaque XeF2

34 Micro-pointe de diamètre 900 nm et de hauteur 7 µm Coupe (au FIB Focus Ion Beam) montrant le microréservoir sous la micropointe. Vue de dessus d une micro-pointe, le diamètre interne est de 270 nm

35 Gravure sèche anisotropique gravure sèche profonde ou Deep-RIE : association d une machine et d un process

36 Principe du process «BOSCH» Masque défini en résine Gravures et passivations successives: Gravure: SF6 + O2 Passivation: C4F8 Effet de scalopping Couche de polymère sur les flancs des structures.

37 Comparaison de systèmes RIE et ICP Système RIE (Reactive Ionic Etching) Système ICP (Inductively Coupled Plasma) plus haute densité de plasma

38 Exemples de gravure Si profonde

39 motifs gravés par ICP-RIE

40 Technologie Si motifs gravés par ICP-RIE

41 Vitesse de gravure en fonction du rapport de forme et de la largeur des tranchées Besoin d une couche d arrêt pour un contrôle dimensionnel précis.

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44 Obtention des wafers SOI Wafer bonding SIMOX (Separation by IMplanted Oxygen) SMARTCUT (SOITEC)

45 Obtention des wafers SOI Wafer bonding Avantages Couche Si épaisse, Concentration et type du substrat différent de la couche, Pas de dommage dans la couche Inconvénients Utilisation d une machine de soudure 2 substrats, Si gâché, Forte utilisation de produits chimiques, Problème de poussière, Épaisseur du Si dépend du polissage.

46 Obtention des wafers SOI Procédé SIMOX (Separation by IMplanted Oxygene) Avantages Procédé micro-électronique standard, 1 substrat Si donne 1 substrat SOI, Pas de polissage. Inconvénients Dommage dû à l implantation, Dopage identique pour le substrat et la couche supérieur, Faible épaisseur pour la couche supérieure. Implantation d oxygène à forte dose et forte énergie (de l ordre de 200 kev). Le substrat est ensuite recuit à très haute température (1320 C) pendant 6 heures dans une atmosphère d argon et d oxygène pour former un film de silicium sans précipité d oxyde, ainsi que des surface abrupte entre le SiO2 et le Si. Commercialisés par la société française SOITEC issue du LETI en 1992 et par la société américaine IBIS. Ils possèdent une

47 Obtention des wafers SOI SMARTCUT (SOITEC) Avantages Couche Si fine, Bon contrôle de l épaisseur, Concentration et type du substrat différent de la couche, Pas de dommage dans la couche. Inconvénients Utilisation d une machine de soudure 2 substrats, Si gâché,

48 Exemple d utilisation ICP-SOI Structure Comb-drive Applications positionnement de tête de lecture disque dur, laser CDRom convoyage capteurs capacitifs (force, accélération) Principe actionneur électrostatique, capteur électrostatique, capacitif Intérêt du MEMS dimensions. Intégration dans le silicium. Structure en peignes interdigités

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50 Exemple d utilisation ICP-SOI Comb-drive sensor

51 Exemple d utilisation ICP-SOI Comb-drive sensor Characterizing Fruit Fly Flight Behavior Using a Micro Force Sensor With a New Comb Drive Configuration, Y. Sun and B.J. Nelson ETH Suisse

52 Tableau comparatif des techniques de gravure de volume

53 Comparaison Gravure Wet - Dry gravure humique anisotropique gravure sèche anisotropique Rapport de forme! Consommation de liquides gaz Contrôle des profiles: Orientation des espèces réactives dans le plasma Chimique physique Espèces neutres non orientées particules chargées Défauts Bombardement ionique, Charging contamination

54 Comparaison usinage de surface et usinage de volume : caractéristique Micro-usinage de surface Matériau de base Polysilicium Silicium Couches particulières Couches sacrificielles : PSG, SiO2 Couche d arrêt oxyde, couche dopées. Couches sacrificielles : oxyde (wafers SOI) dimensions process Petites (grande précision contrôlée par l épaisseur des couches (quelques µm) Process simple face, Basé sur la sélectivité de gravure, Gravure isotrope, Stress résiduel dans les couches dépendant du dépôt, du dopage et des recuits. Grandes (les cavités font typiquement plusieurs centaines de µm) Process simple ou double face, Basé sur la sélectivité de gravure, Gravure anisotrope, (dépendant des orientation du cristal), Couche d arrêt de gravure, Modelage de contours (patterning).

55 3. Ajout de matière (épitaxie)

56 Ajout de matière Epitaxie : croissance du silicium H 2 +SiH 2 Cl 2 Si + H 2 + 2HCl

57 Ajout de matière Epitaxie silicium polysilicium plein champ sélective plein champ sélective 1. Epitaxie sélective de silicium monocristallin 2. Epitaxie sélective polysilicium 3. Epitaxie polysilicium plein champ (THELMA)

58 Ajout de matière 1. Epitaxie sélective de silicium monocristallin

59 Ajout de matière Epitaxie sélective de silicium monocristallin 20 m 5 m

60 Ajout de matière Buried channels sealed by wafer bonding Leakage problems due to nonplanarity of wafers. Multi-level buried channel structure limited by wafer thickness. Buried channels sealed with silicon nitride * No more monocristalline silicon, micro-electronics processes such as doping can not be performed. Etching for other channel levels is difficult. Canal enterré

61 Ajout de matière 2. Epitaxie sélective polysilicium

62 Ajout de matière

63 Ajout de matière Actionneur thermique

64 Ajout de matière Epitaxie sélective polysilicium

65 Ajout de matière Actionneur thermique video actionneur thermique

66 Ajout de matière

67 Ajout de matière 3. Epitaxie polysilicium process THELMA

68 Ajout de matière Exemple d utilisation de l épitaxie polysilicium (procédé THELMA) : accéléromètre Accéléromètre angulaire ST L6671 : 2.5rad/sec2 ; 30$ MEMS de l accéléromètre angulaire ST

69 Différence par rapport aux techniques semiconducteurs Différences entre les technologies de micro-fabrication MEMS (usinage de surface, de volume, ajout matière) et les technologies de microfabrication semiconducteurs : Machines utilisées (exemples ICP-RIE) Process spécifique aux microtechnologies MEMS : XeF2, HF vapeur Conception intègre des aspects mécaniques, thermiques différents (3D, mouvement). En pratique : dispositifs plus fragiles, sticking, alignement double face, haut rapports de formes. Procédé pas encore entièrement standardisés (MUMPS, THELMA). Moins de recul que dans le domaine des SC. Machines faible débit : ICP-RIE. Problème du packaging. D un point de vue marché, production négligeable par rapport à l industrie SC.

70 Différence par rapport aux techniques semiconducteurs Alignement double face

71 Différence par rapport aux techniques semiconducteurs Effets négatifs sur l étalement de la résine des rapports de formes des dispositifs MEMS