MICRO-SYSTEMES. Pascale BERRUYER Jean-Sébastien DANEL DTS / STMS / LCEMO. Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 1

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Marie-Thérèse Pierre
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1 MICRO-SYSTEMES Pascale BERRUYER Jean-Sébastien DANEL DTS / STMS / LCEMO Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 1

2 Qu est-ce qu un micro-système? Un élément sensible Capteur (accéléromètre) Souvent en silicium Actionneur (interrupteur) Du packaging Sur la plaquette de silicium Sur la puce De l électronique puissance RF et transmission filtres digitaux capteur de température convertisseur CAD Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 2

Mécanique Électrique Élément sensible = MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical System) = Domaine des µtechnologies = Optique Technologies microélectronique: Dépôt

3 Mécanique Électrique Élément sensible = MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical System) = Domaine des µtechnologies = Optique Technologies microélectronique: Dépôt Lithographie Gravure Trait. Therm. (Nanométrique) + Magnétique Technologies spécifiques: Scellement Dépôt/gravure à fort facteur de forme Libération de structures. (Micrométrique) Physique Chimie Biologie Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 3

4 Spécificités Technologiques (1) - Substrats de base - Si : 100mm au LETI; passage en 200 ou 150mm? - épaisseurs variées: 200µm, 1mm, ; dopages divers : 1mΩ.cm, - poli 2 faces; orientations variées : (100), (110), (111), (121) - substrats plus exotiques : verre, quartz, niobate, - Lithographie -double face - résines épaisses (>10µm) - Dépôts - SiO2, SiN basse température : 300, 200, voire 80 C - dépôts faibles contraintes - métaux «spéciaux» : Cr, Au, magnétiques, haute pureté - pulvé verre, Si, - dépôts épais: >20µm (SiO2, PolySi, Cu, ) Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 4

5 Spécificités Technologiques (2) - Autres dépôts - épitaxies Si épaisses : 50 voire 100µm - implantations : fortes énergies, fortes doses, neutrons, - dépôts électrolytiques : cuivre, or, matériaux magnétiques, - Gravures - gravures chimiques - gravures plasma profondes : SiO2 30µm, Si 500µm, - Autres - scellements : Si/Si, Si/verre, polymère, eutectique Au-Si, - sciage - polissage Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 5

6 Intérêts des Micro-Systèmes - Fabrication collective - Prix de revient abaissé - Fiabilité accrue - Reproductibilité - Nouveaux débouchés - petite taille : automobile, médical, puits de forage, - faible coût : redondance - Performances améliorées - matériau monocristallin : bonnes propriétés mécaniques - méthodes d usinage douces - compacité : électronique proche - Niches avec des efforts financiers «raisonnables» Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 6

7 Particularité des filières - Technologies souvent complexes - Packaging souvent complexe et cher (> 70% du coût total?) - Importance des interfaces et connexions entre microcomposants - Multitude de filières technologiques différentes - Différents «philosophies» d intégration - monolithique : Above-IC, filière spécifique, problème : compatibilité, rendement, fondeur -hybride - Conception dépendant de la technologie disponible : Silicium? Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 7

8 Exemple de brique de base : Gravure Chimique Anisotrope du Silicium (1) - Structure cristalline - Formes limitées par les plans lents (111) (100) α (110) α = tgα = 1/ 2 - Autres formes et orientations possibles (100) (100) (110) (111) 1ers plans (111) endommagés (110) 54 45' (100) (111) (110) plans (111) 21/04/2005 8

9 Gravure Chimique Anisotrope du Silicium (3) - Remplacement par la gravure plasma - la forme reproduit le masque; simplicité de conception - zones de contrainte aux encastrements contraintes 21/04/2005 9

10 Quelques exemples de domaines d application Automobile Avionique Grand public Médical Informatique Télécommunications Détection pétrolière Défense etc Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/

11 Les «ancêtres» (années 80) - Capteur de poids - Scaime (Teraillon) - jauges métalliques; substrat verre - coût puce 1 Euro; prix produit >50 Euros P - Hygromètre - Correci - polymère entre électrodes; substrat verre - coût puce qq Euros; prix produit >200 Euros Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/

parallèle au substrat - 1er dispo en quartz (1983) - gravure chimique anisotrope - directivité

12 Saut Technologique initial - axe sensible perpendiculaire au substrat poutres sensibles Les accéléromètres masse mobile en mouvement sous l effet de l accélération F = Mγ - axe sensible parallèle au substrat - 1er dispo en quartz (1983) - gravure chimique anisotrope - directivité - conception monolithique - détection capacitive - asservissement électromagnétique 21/04/

13 Les points clef de la technologie accéléromètre Substrat SOI Si monocristallin SiO2 Substrat de Si monocristallin 21/04/

14 Les points clef de la technologie accéléromètre Substrat SOI Gravure profonde du silicium Si monocristallin SiO2 Substrat de Si monocristallin 21/04/

15 Les points clef de la technologie accéléromètre Substrat SOI Gravure profonde du silicium Libération des structures Si monocristallin SiO2 Substrat de Si monocristallin 21/04/

16 Les accéléromètres Dispositif Hautes Performances - Géophone Sercel γ n = 8. π. k B. T. fo. BW M. Q -Augmenter m -Augmenter Q M masse sismique Q facteur de qualité fo fréquence de résonance BW bande passante - usinage profond (60 ou 200µm) - packaging sous vide - matériau haute qualité 21/04/

17 Les Evolutions? Les accéléromètres - Augmentation de l épaisseur SOI - Intégration de l électronique - Packaging sous vide ou atmosphère contrôlée - Packaging sur puce («0-level» packaging) - Filière compatible ligne micro-électronique (ATLAS) Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/

18 Capteurs de pression Membrane déformable sous l effet de la pression poutres déformables P membrane = étanchéité jauges SOI piézorésistives cavité sous vide substrat scellé Si : SDB Pyrex : anodique - Avantage jauge SOI : très bonne tenue en température vide - recherche pétrolière - avionique (Eurocopter) 21/04/

Capteurs de pression Différentes structures selon l

piézorésistives SiC protection layer Gauge Reference

19 Capteurs de pression Différentes structures selon l application Détection capacitive P Détection jauges piézorésistives SiC protection layer Gauge Reference vacuum Sensing element limit SiO2 Electrical conductor Silicon Glass or ceramic 1.6 bars 350 C 1500 bars Biomédical 500 C 100 bars Automobile / Aéronautique 21/04/

Le principe Poutre diélectrique actionnée thermiquement par effet bilame Maintien électrostatique pour limiter la consommation µcommutateur RF metal block

20 Le principe Poutre diélectrique actionnée thermiquement par effet bilame Maintien électrostatique pour limiter la consommation µcommutateur RF metal block bump contact clamping electrode heater resistance OFF State ground RF line ground ON State Thermal actuation 50µm 400µm ON State Electrostatic clamp 21/04/

21 Commutation Optique - Micro-Switch Optique - Détecteur de vibrations masse sismique entrée 2 guides de sortie guide mobile 21/04/

22 Micro-Banc Optique 21/04/

23 Enregistrement Magnétique Composants Magnétiques Intégrés substrat Si bobinage cuivre intégré gap d enregistrement azimuthal circuit magnétique 21/04/

24 Enregistrement Magnétique Composants Magnétiques Intégrés 20 µm 21/04/

25 Micro-Transformateur Intégré Composants Magnétiques Intégrés spire solénoïde circuit magnétique Dimensions : 1 mm x 1 mm 21/04/

26 Les perspectives Les MEMS RF Les MEMS inertiels Les miroirs déformable, mobiles La capture et la restitution de toucher La récupération et le stockage d énergie Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/

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