TP Microsystèmes TRAVAUX PRATIQUES MICROSYSTEMES. ENSERG ENSPG - ENSEEG 3A Option Microsystèmes. Séances T3-T4. Les dépôts.

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Maxence Mongrain
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Responsable : Laurent Montès montes@enserg.

1 Année Universitaire 2003/2004 TRAVAUX PRATIQUES MICROSYSTEMES ENSERG ENSPG - ENSEEG 3A Option Microsystèmes Séances T3- I Les dépôts II Micro-usinage Responsable : Laurent Montès montes@enserg.fr Enseignants : Edwige Bano, Raphaël Clerc, Laurent Montès, Youla Morfouli Dimitri Tsamados, Fabien Volpi Laurent Montès / ENSERG-INPG 35

2 Séance Lors de cette dernière séance en salle blanche, nous allons réaliser les contacts électriques avec les jauges et les motifs suspendus. Dans un premier temps nous utiliserons un bâti de pulvérisation cathodique pour déposer sur la face avant de la plaquette une couche de 1µm d aluminium. Une étape de photolithogravure simple face à l aide du masque «métal» nous permettra de définir les géométries des contacts après gravure des parties en aluminium non protégées par la résine. Enfin, nous amorcerons le micro-usinage face arrière, par une attaque à la potasse (KOH) pour définir les membranes des capteurs de pression. I Les dépôts Cette opération est nécessaire lorsqu'il faut réaliser une couche conductrice, isolante ou de masquage dans un procédé qui n'utilise pas directement le matériau du substrat. C est le cas lorsque l on veut déposer un contact métallique ou si l'on souhaite obtenir un oxyde de silicium lorsque le substrat et/ou la couche sous-jacente ne sont pas constitués de silicium. La seule solution consiste à déposer le matériau (métal, isolant ou semiconducteur). Le dépôt s'effectue soit dans un four soit dans un bâti, qui comprend tous les constituants de la couche à réaliser. Plusieurs techniques de dépôt sont possibles industriellement, notamment l évaporation thermique, la pulvérisation (cathodique ou par canon à électrons), le dépôt chimique en phase vapeur 1. I.1. L évaporation thermique La technique d'évaporation thermique est très simple. Elle consiste simplement à chauffer par effet Joule un matériau qui, vaporisé, va se déposer sur les substrats. La charge du matériau à déposer est placée dans un creuset, généralement en tungstène. Cette technique est applicable notamment pour le dépôt d'aluminium, la température d'évaporation de ce métal (650 C) étant inférieure à la température de fusion du creuset. La Photo 1 montre le principe de cette technique. Photo 1 : Bâti de dépôt par évaporation thermique. 1 C.V.D pour Chemical Vapor Deposition ; basse pression, L.P.C.V.D. pour Low Pressure Chemical Vapor Deposition ; dépôt assisté plasma, P.E.C.V.D. pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Laurent Montès / ENSERG-INPG 36

Le creuset contenant la charge du matériau à déposer est chauffé par effet Joule. Afin d'améliorer l'homogénéité des couches déposées, on déplace en permanence les substrats.

3 Le creuset contenant la charge du matériau à déposer est chauffé par effet Joule. Afin d'améliorer l'homogénéité des couches déposées, on déplace en permanence les substrats. Pour contrôler l'épaisseur des couches déposées, on utilise une balance à quartz 2. I.2. La pulvérisation cathodique La pulvérisation cathodique consiste à bombarder une cible par des ions, à arracher les ions de la cible et à les envoyer se déposer sur la substrat. Dans le cas de la Photo 2, montrant de façon simplifiée le principe de cette technique, les ions argon, créés par l'excitation haute tension, arrachent de la cible les composés à déposer sur la surface des substrats. Photo 2 : Bâti de dépôt par pulvérisation cathodique. Les ions Argon créés par l'excitation haute tension, arrachent de la cible les composés à déposer sur la surface des substrats. Photo 3 : Bâti de pulvérisation cathodique d aluminium du CIME. Pour améliorer l'homogénéité des couches déposées, il est souhaitable de déplacer en permanence les substrats. La technique de pulvérisation cathodique permet d'effectuer des dépôts de couches métalliques (aluminium, tungstène, titane, chrome,...) mais aussi des dépôts de couches isolantes, et notamment de composés complexes. I.3. Dépôts chimiques en phase vapeur (CVD) Les techniques C.V.D. permettent de faire croître des couches d'isolants ou de silicium polycristallin. Elles s'effectuent en général dans un four dans lequel on introduit les espèces réactantes. La qualité des couches, notamment les propriétés structurales et électriques, dépend de la pression de dépôt. Le silicium polycristallin est souvent déposé à basse pression, par la technique L.P.C.V.D.. Le dépôt s'effectue dans un four à mur chaud (Photo 4) avec des températures de l'ordre de 500 à 600 C. On injecte les gaz qui réagissent et qui synthétisent le matériau à déposer. Dans l'exemple de la Photo 4, le dépôt réalisé est du silicium polycristallin (ou polysilicium) dopé au phosphore. Lorsque le matériau est dopé au cours de son élaboration, on dit qu'il est dopé in-situ. Pour ce type de dépôts les paramètres les plus importants sont la pression, la température et la type de gaz dopant utilisé. La morphologie du matériau dépend directement de ces paramètres, qui conditionnent aussi les propriétés électriques. Les résultats récents sur ces techniques ont montré qu'il était préférable de déposer le matériau silicium sous forme amorphe (température de dépôt autour de 550 C) et 2 Le principe de celle-ci consiste à détecter la dérive de la fréquence d'oscillation du quartz induite par la modification de sa masse lors de la croissance de la couche déposée (le dépôt s'effectue aussi sur la quartz). A chaque début d'expérience, la fréquence de référence est redéfinie ; en mesurant le décalage de fréquence en fonction du temps, on peut aussi déterminer la vitesse de croissance des couches déposées. Laurent Montès / ENSERG-INPG 37

4 de cristalliser ensuite la couche ainsi formée par un recuit thermique, soit conventionnel, soit rapide. Photo 4 : Réacteur LPCVD pour déposer du polysilicium dopé in-situ. Dans le cas de couches isolantes, pour améliorer l'efficacité de la réaction chimique dans le four, on utilise un plasma. Les molécules mises en jeu sont activées par une source radiofréquence à 13,56 MHz. II Micro-usinage II.1. Micro-usinage de volume Plusieurs techniques ont été imaginées pour micro-usiner le silicium. Historiquement l'une des premières réponses satisfaisantes a consisté en la réalisation d'une structure épitaxiale. On utilise une plaquette de type P, dopée P + en surface et l'on fait croître par épitaxie une couche d'épaisseur équivalente à la membrane de type n dans laquelle on implante les jauges de contraintes (résistances de type P). On procède alors à la dissolution de la zone P selon le process «P+ etch-stop» (Photo 5). On utilise en général un bain chimique (EDP) pour réaliser la gravure anisotropique. La gravure se fait couche par couche, en conservant donc sensiblement la planéité initiale de la plaquette. La zone P + arrête le décapage.cette méthode conduit à une uniformité de l'épaisseur de la membrane d environ 1µm. résistance couche épitaxiée N implantée P couche d arrêt P + oxyde de protection plaquette P volume gravé par gravure anisotropique Photo 5 : Capteur de pression réalisé par décapage anisotropique P+ etch-stop. Le second procédé utilise le même empilement de couche épitaxiée N sur un substrat P mais exploite un potentiel négatif pendant le décapage ce qui facilite l'obtention d'un décapage uniforme par le biais d'une solution de KOH. Un troisième procédé utilise comme principe d'arrêt du décapage une couche faiblement dopée N - (<10 17 /cm 3 ). Dans ce cas le décapage est isotrope et peut être obtenu avec HNA (mélange d'acide fluorhydrique, nitrique et d'alcool dans la proportion 1:3:8). Il suffit donc d'une couche épitaxiée N - sur le substrat P ce qui réduit le nombre d'opérations et semble donc le procédé le plus approprié. Il est aussi Laurent Montès / ENSERG-INPG 38

possible d utiliser le décapage ionique (RIE) qui présente l'intérêt de l'anisotropie mais nécessite la génération de faisceaux d'ions uniformes de grande section (deeprie).

Le bain de gravure (Photo 6) est chauffé à 65 C pour accroître la vitesse de gravure. Toutefois la vitesse de gravure reste relativement lente puisqu il faut à peu près 17 heures pour graver 300 µm.

5 possible d utiliser le décapage ionique (RIE) qui présente l'intérêt de l'anisotropie mais nécessite la génération de faisceaux d'ions uniformes de grande section (deeprie). Pour réaliser les membranes de nos capteurs de pression, nous réaliserons un microusinage de volume à partir de la face arrière en utilisant une solution de KOH diluée (40% vol). Le bain de gravure (Photo 6) est chauffé à 65 C pour accroître la vitesse de gravure. Toutefois la vitesse de gravure reste relativement lente puisqu il faut à peu près 17 heures pour graver 300 µm. Au final, les membranes auront des épaisseurs de 20 à 40 µm. Pour protéger la face avant, nous utiliserons le dispositif expérimental de la Photo 7. Les ouvertures dans l oxyde (qui est peu attaqué par KOH) sur la face arrière permettront de définir l emplacement des membranes. Photo 6 : Bain de gravure KOH pour le micro-usinage des capteurs de pression. Photo 7 : Dispositif expérimental pour la réalisation des membranes. II.2. Micro-usinage de surface Pour libérer les structures suspendues, on utilise une solution d acide fluoridrique (HF) à 50% vol pendant 2 minutes. Cela permet d attaquer l oxyde épais qui sert de couche sacrificielle. Le micro-usinage est une étape clef et spécifique à la réalisation des microsystèmes (MEMs). Il permet notamment les dispositifs représentés sur la Photo 8. Photo 8 : Vue en coupe des dispositifs MEMs (a) après micro-usinage de volume (b) micro-usinage de surface. Laurent Montès / ENSERG-INPG 39

6 Laurent Montès / ENSERG-INPG 40

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