Microtechnologie de fabrication silicium «micromachining» technologie MEMS (cours énergie systèmes nomades) Matthieu Denoual. STMicroelectronic s

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Claudette Doré
il y a 7 ans
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1 Microtechnologie de fabrication silicium «micromachining» technologie MEMS (cours énergie systèmes nomades) Matthieu Denoual STMicroelectronic s 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. microsystèmes 1

2 3 Pourquoi le silicium? 4 Plan de Microtechnologie de fabrication silicium «micromachining» 1. Micro-usinage de surface 2. Micro-usinage de volume 3. Ajout de matière microsystèmes 2

3 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. microsystèmes 3

4 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 Couches structurelles et couches sacrificielles microsystèmes 4

5 9 Micro-usinage de surface Exemple : Digital Mirror Display (DMD) de Texas Instrument 10 Micro-usinage de surface surface du DMD de Texas Instrument motifs du DMD de Texas Instrument comparés avec une patte de fourmi 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. microsystèmes 5

6 11 Fonctionnement du DMD 12 Fonctionnement du DMD microsystèmes 6

7 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. 14 Micro-usinage de surface microsystèmes 7

8 15 Micro-usinage de surface 16 Micro-usinage de surface microsystèmes 8

9 17 Micro-usinage de surface Micro-usinage de volume microsystèmes 9

10 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. l h Micro-usinage de volume Ratio = h/l Exemple : pour une gravure deep-rie le ratio peut aller jusqu à 50 (100µm de hauteur pour 2µm de largeur) 20 Micro-usinage de volume Micro-usinage de volume retrait de matière 1. gravure humide anisotropique 2. gravure sèche isotropique 3. gravure sèche anisotropique microsystèmes 10

11 21 Gravure humide anisotropique Micro-usingae de volume 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. 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 gravure humide anisotropique Micro-usinage de volume 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 microsystèmes 11

12 23 Micro-usinage de volume Hotte de chimie utilisée pour la gravure TMAH Capteur de pression Structure libérée par une gravure TMAH Membrane suspendue de SiO2 libérée par une gravure TMAH 24 Micro-usinage de volume Gravure sèche anisotropique gravure sèche profonde ou Deep-RIE : association d une machine et d un process microsystèmes 12

13 25 Principe du process «BOSCH» Masque défini en résine Gravures et passivations successives: Gravure: SF6 + O2 Passivation: C4F8 Effet de scalopping Micro-usinage de volume Couche de polymère sur les flancs des structures. Bosch Sensortec Système RIE (Reactive Ionic Etching) Système ICP (Inductively Coupled Plasma) plus haute densité de plasma 26 Exemples de gravure Si profonde Micro-usinage de volume microsystèmes 13

14 27 Micro-usinage de volume motifs gravés par ICP-RIE 28 Micro-usinage de volume 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. microsystèmes 14

15 29 Micro-usinage de volume 30 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 microsystèmes 15

16 31 32 Exemple d utilisation ICP-SOI Comb-drive sensor microsystèmes 16

17 33 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 34 Micro-usinage de volume Tableau comparatif des techniques de gravure de volume gravure humique anisotropique gravure sèche anisotropique ~µm/min microsystèmes 17

18 35 Comparaison usinage de surface et usinage de volume : caractéristique Micro-usinage de surface Micro-usinage de volume Matériau de base Polysilicium Silicium Couches particulières Couches sacrificielles : PSG, SiO2 Couche d arrêt oxyde, couche dopées. Couches sacrificielles : oxyde (wafers SOI) dimensions qqs µm qqs 100 µm Petites (grande précision contrôlée Grandes (les cavités font par l épaisseur des couches typiquement plusieurs centaines de (quelques µm) µm) process Process simple face, Basé sur la sélectivité de gravure, Gravure isotrope, Stress résiduel dans les couches dépendant du dépôt, du dopage et des recuits. 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) Ajout de matière (épitaxie) microsystèmes 18

19 37 Epitaxie : croissance du silicium Ajout de matière Semi-conducteur THELMA H 2 +SiH 2 Cl 2 Si + H 2 + 2HCl Epitaxie sélective polysilicium Ajout de matière microsystèmes 19

20 39 Ajout de matière 40 Actionneur thermique Ajout de matière microsystèmes 20

21 41 Actionneur thermique Ajout de matière video actionneur thermique Epitaxie polysilicium Ajout de matière Accéléromètre angulaire ST L6671 : 2.5rad/sec2 ; 30$ process THELMA MEMS de l accéléromètre angulaire ST microsystèmes 21

22 43 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. 44 Différence par rapport aux techniques semiconducteurs Alignement double face microsystèmes 22

23 45 Différence par rapport aux techniques semiconducteurs Effets négatifs sur l étalement de la résine des rapports de formes des dispositifs MEMS microsystèmes 23

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