INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE N ttribué pr l bibliothèque _9_ _7_ _8_ _8_ _4_ _8_ _1_ _3_ _1_ _5_ _1_ _1_ THESE EN COTUTELLE INTERNATIONALE pour obtenir le grde de DOCTEUR DE L Institut Polytechnique de Grenoble et de l Ecole Ntionle d Ingénieurs de Sfx en Tunisie Spécilité : Micro et Nno Electronique préprée u lbortoire TIMA dns le cdre de l Ecole Doctorle EEATS et u lbortoire Micro-Electro Therml Systems : METS dns le cdre de l Ecole Doctorle «Sciences et Technologies» présentée et soutenue publiquement pr Frès Tounsi le Mrs 010 Microphone électrodynmique MEMS en technologie CMOS : étude, modélistion et rélistion JURY M. Mongi Lhini, Président M. Khlif Aguir, Rpporteur M. Hmdi Ghrini, Rpporteur M. Pscl Nouet, Rpporteur M. Mohmed Msmoudi, Co-directeur de thèse M. Libor Rufer, Co-directeur de thèse M. Mounir Smet, Exminteur
وما توف يق ي ا لا ب ال له عل يه توك ل ت وا ل يه ا ن يب [ھود: 88 ] i
إلى أبي و أمي الغاليين إلى زوجتي و ابني العزيزين إلى جميع أفراد أسرتي و إلى كل من يحبني ii
«Seuls ceux qui croient en leurs rêves peuvent les réliser» Hergé (1907-1983) iii
Remerciements Le trvil présenté dns ce mémoire de thèse est le fruit d une collbortion entre le groupe de recherche EMC de l ENI de Sfx et le groupe RMS du lbortoire TIMA à Grenoble. Je tiens à remercier sincèrement les responsbles de ces deux groupes, Messieurs Mohmed Msmoudi et Slvdor Mir pour leurs ccueils pendnt ces longues nnées de thèse. J'dresse mes profonds remerciements à Monsieur Libor Rufer pour m'voir ccueilli u groupe RMS et dirigé mes trvux de recherche. Je lui témoigne de m sincère reconnissnce pour l qulité de son ide, ses conseils et pour l'étt d'esprit qu'il m' su insturer. J'ssure de mon entière reconnissnce à Monsieur Mongi Lhini, Mître de conférence à l ENIS, pour voir ccepté d être le Président du Jury de cette soutennce. J exprime m grtitude à Monsieur Khlif Aguir, Professeur à l université Pul Céznne Aix-Mrseille III et Monsieur Hmdi Ghrini, Mître de conférence à l ENIS et à Monsieur Pscl Nouet, Professeur à l université Montpellier II, qui ont bien ccepté d être les rpporteurs de mon trvil de thèse. Je voudris remercier églement, Monsieur Mounir Smet, Professeur à l ENIS, pour voir ccepté d exminer mon trvil et d être membre du jury. J'dresse mes remerciements prticuliers et ssure de m sympthie à Monsieur Brhim Mezghni pour s ptience, s disponibilité, ses conseils et son ide. Je tiens à remercier Monsieur Thierry Fournier, Ingénieur de recherche à l Institut NEEL de Grenoble pour son ttention, s disponibilité et son ssistnce dns l expérimenttion des puces rélisées. Un grnd merci églement à Monsieur Alexndre Chgoy, responsble des outils CAO u CIME Nnotech pour son éternelle gentillesse, son sourire et ses conseils. J imeri remercier chleureusement tous les membres du groupe EMC pour leur bonne humeur et leur précieuse compgnie, sns oublier notre cher technicien Nbil. Mes remerciement s dresse églement à tous les membres du groupe RMS que j i eu l chnce de côtoyer : Louy, Gustvo, Yonn et Fbio, et plus prticulièrement ceux du fmeux bureu T1 : Rfik, Nourredine et le nouveu rrivnt Rshdee pour leurs grnde mitié. Enfin, je remercie m femme Lr, pour voir supporté tous les mois durnt lesquelles je me suis exilé loin d'elle et un énorme merci à m fmille qui m soutenue durnt toutes mes nnées d'études. Frès Tounsi (Mrs 010) iv
Tble des mtières Introduction générle 1 Chpitre 1 : Introduction ux technologies Microsystème 1) Introduction 4 ) Mtériux pour les microsystèmes comptibles ux circuits intégrés 5.1. Silicium 5.. Polysilicium (silicium polycristllin) 7.3. Oxyde de silicium SiO 8.4. Nitrure de silicium 8.5. Couches minces de métl 9 3) Technologie CMOS et le Micro-usinge 10 3.1. Micro-usinge en pré-cmos 10 3.. Micro-usinge en intr-cmos 1 3.3. Micro-usinge en post-cmos 13 3.3.1. Déposition de couches en post-cmos 14 3.3.. Grvure des couches CMOS en post-cmos 15 ) Micro-usinge en volume 15 b) Micro-usinge en surfce 1 4) Conclusion Chpitre : Ett de l Art des Structures de Microphones MEMS 1) Introduction 6 ) Principles crctéristiques des trnsducteurs électromécniques 7.1. Introduction ux trnsducteurs électromécniques 7.. Mesure des performnces du microphone 7 3) Différents principes des microphones microusinés 30 3.1. Microphones piézoélectriques 31 3.1.1. Présenttion et modélistion de l'effet piézoélectrique 31 3.1.. Principes des microphones piézoélectriques 34 v
3.. Microphones piézorésistifs 37 3.3. Microphones électrosttiques 38 3.3.1. Linéristion de l force électrosttique 40 3.3.. Microphones à condensteur 4 3.3.3. Microphones à électret 43 3.3.4. Principux trvux ntérieurs sur les microphones cpcitifs 44 3.4. Microphones optiques 49 4) Conclusion 49 Chpitre 3 : Modélistion mgnétique et électrique du microphone 1) Introduction 54 ) Présenttion du microphone électrodynmique CMOS-MEMS 55.1. Principe du couplge électrodynmique 55.. Description de l structure du microphone 56 3) Modélistion mgnétique du microphone 57 3.1. Modélistion d une inductnce intégrée 57 3.1.1. Modèle équivlent d une inductnce 57 3.1.. Évlution de l inductnce totle d une spirle intégrée 58 3.. Modélistion d un trnsformteur intégré 61 3..1. Reltions fondmentles des trnsformteurs 61 3... Différentes rélistions monolithiques des trnsformteurs 63 3.3. Modes de polristion du microphone 64 3.3.1. Évlution du chmp mgnétique produit pr une spire filiforme 64 3.3.. Polristion de l inductnce externe pr un cournt continu 67 ) Évlution de l tension induite à trvers le chmp mgnétique 67 b) Évlution de l tension induite à trvers l inductnce mutuelle 70 3.3.3. Polristion de l inductnce externe pr un cournt lterntif 73 3.3.4. Polristion des deux inductnces pr un cournt lterntif 78 3.4. Modélistion d une bobine vec déclge verticl 79 4) Modélistion électrique du microphone 81 4.1. Évlution de l tension induite du microphone 81 4.1.1. Modèles nlytiques du trnsformteur concentrique 81 4.1.. Expression du cournt dns le secondire 83 4.1.3. Effet de l force de Lorentz sur le comportement du microphone 85 4.. Montge vec l bobine spirle multicouches 87 5) Conclusion 88 Chpitre 4 : Modélistion mécnique et coustique du microphone 1) Introduction 91 ) Modélistion mécnique de l structure du microphone 9.1. Réponse en fréquence des microphones micro-usinés 93 vi
.. Modélistion des ressorts de suspension 94..1. Rigidité de flexion des différents types d ttchement 94... Comprison entre les différents types d ttchement 98.3. Estimtion de l msse équivlente de l membrne 99.4. Choix des dimensions de l membrne 100.4.1. Vlidtion des clculs de l rideur et de l membrne 100.4.. Clcul des dimensions de l membrne 101.4.3. Clcul des modes propres de l structure 10.4.4. Etude sttique de l membrne 103 3) Modélistion électro-coustique du microphone inductif 103 3.1. Modélistion en éléments loclisés de l structure du microphone 104 3.1.1. Impédnce de ryonnement 105 3.1.. Impédnce de l membrne et des brs d ttchement 106 3.1.3. Impédnce d'ir à trvers des ouvertures de l membrne 107 3.1.4. Impédnce coustique de l cvité 107 3.. Réponse en fréquence du microphone 107 3..1. Sensibilité du microphone sns mortissement 108 3... Sensibilité du microphone vec mortissement 109 3.3. Bruit du microphone 113 3.3.1. Bruit Brownien de l membrne 113 3.3.. Bruit thermique (Johnson) 114 4) Conclusion 115 Chpitre 5 : Fbriction du premier prototype du microphone 1) Introduction 118 ) Fbriction du microphone 118.1. Description du procédé de fbriction 119.. Post-process de grvure du microphone 11.3. Technologie et fbriction d un prototype 13 3) Description et résultts de grvure des différentes structures de test 14 3.1. Description et résultts de grvure de TEST1 14 3.. Description et résultts de grvure de TEST 15 3.3. Structure principle : le microphone électrodynmique 16 3.4. Solutions doptées pour remédier ux problèmes technologiques 19 3.4.1. Utilistion d une grvure humide 19 3.4.. Utilistion du FIB 130 3.4.3. Solutions proposées pour modifier l position verticle de l membrne 131 4) Conclusion 13 Conclusion générle 133 Annexe 136 vii
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Liste des figures Chpitre 1 : Figure 1.1. Représenttion schémtique des structures () cristlline, (b) polycristlline, et (c) morphe dns un mtériu. 6 Figure 1.. Les trois plns cristllogrphiques principux vec leurs indices de Miller montrés sur l structure cubique du cristl. 6 Figure 1.3. Vue en coupe de l technologie M 3 EMS de Sndi Ntionl Lb s [11]. 11 Figure 1.4. Vue en coupe de l technologie Mod MEMS d Anlog Devices, Plo Alto Reserch Center et l'uc Berkeley [15]. 1 Figure 1.5. Vue en coupe de l technologie imems d Anlog Devices Inc [17]. 13 Figure 1.6. Techniques de micro-usinge () micro-usinge en volume, grvure nisotropique et isotropique (b) micro-usinge en surfce vec les couches scrificielles, les couches structurelles et une étpe de grvure postérieure. 15 Figure 1.7. Schém d une poutre rélisée pr une grvure nisotrope du silicium pr l fce vnt. L rinure résultnte est limitée pr les plns (111) des qutre cotés et le pln (100) sur le plfond. 16 Figure 1.8. Post-CMOS : micro-usinge en volume pr l fce rrière du substrt. 17 Figure 1.9. Les différentes formes de grvure dns le substrt produites pr les techniques de grvures. 17 Figure 1.10. Grvure électrochimique pr l fce rrière. 19 Figure 1.11. Vue en coupe des séquences de process en post-cmos nécessire pour l rélistion () d un diélectrique [39] et (b) des microstructures en silicium cristlline [38]. 0 Figure 1.1. Schém en coupe d une technologie de micro-usinge en surfce vnt () et près (b) l grvure des oxydes scrificiels. Chpitre : Figure.1. Trcé typique de l réponse en fréquence. 8 Figure.. L llure de l densité spectrle en puissnce typique du bruit d un microphone. 9 Figure.3. Vritions de l mplitude et les spectres de puissnce d'une onde () sinusoïdle pure et (b) déformée (c) très déformée. 9 Figure.4. Polristion des cérmiques piézoélectriques suite à une déformtion. 31 Figure.5. Comprison entre l effet d une contrinte ppliquée sur des structures () centrosymétrique et (b) noncentrosymétrique. 31 ix
Figure.6. Axes de référence utilisés pour l modélistion d'un solide piézoélectrique. 3 Figure.7. Illustrtion des modes piézoélectriques d 33 et d 31 utilisés pour l récupértion d énergie.33 Figure.8. Vue en coupe du premier microphone piézoélectrique monolithique microusiné sur silicium de Royer et coll. [3]. 35 Figure.9. Vue en coupe du microphone piézoélectrique intégré de Kim et coll. [6]. 35 Figure.10. Vue en coupe du premier microphone piézorésistif microusiné sur silicium de Schellin et Hess [31]. 37 Figure.11. Microphone électrosttique () modèle simplifié [1] et (b) réponse en fréquence typique. 38 Figure.1. Structure d un microphone à condensteur typique. 39 Figure.13. Schémtique d un microphone à condensteur. 4 Figure.14. Circuit simplifié d'un microphone à condensteur connecté vec un prémplificteur (dpté pr Scheeper et coll. [30]). 43 Figure.15. Schém d un microphone cpcitif vec une membrne à électret. 43 Figure.16. Vue en coupe du microphone à électret micro-usiné de Hohm [39]. 45 Figure.17. Vue en coupe du microphone à électret micro-usiné de Sprenkels [37]. 45 Figure.18. Vue en coupe du microphone à condensteur micro-usiné de Bergqvist & Rudolf [44]. 45 Figure.19. Vue en coupe du microphone à condensteur mélioré de Bergqvist et coll [45]. 46 Figure.0. Vue en coupe du microphone à condensteur de Bourouin et coll [47]. 47 Figure.1. Vue en coupe du microphone à condensteur de Scheeper [48]. 47 Chpitre 3 : Figure 3.1. () Principe de bse de l induction mgnétique (b) Vue en coupe d'un microphone électrodynmique. 55 Figure 3.. Position des deux inductnces sur le substrt. 56 Figure 3.3. Vue 3D de l géométrie du microphone électrodynmique. 57 Figure 3.4. Représenttion sptile () d une inductnce intégrée plne crrée sur silicium (b) des éléments prsites. 57 Figure 3.5. Le modèle électrique équivlent, d une inductnce intégrée plne crrée () posée sur le substrt (b) suspendue. 58 Figure 3.6. Illustrtion de l inductnce mutuelle positive et négtive d une spirle plnire crrée. 59 Figure 3.7. Disposition en prllèle de deux conducteurs de même longueur. 60 Figure 3.8. Méthode de clcul de l GMD entre deux surfces. 60 Figure 3.9. Disposition, () rbitrire (b) symétrique pr rpport u milieu, de deux conducteurs en prllèle de longueur différente. 61 Figure 3.10. Interction mgnétique entre deux inductnces idéles. 6 Figure 3.11. Modèle en éléments loclisés d un trnsformteur non-idél. 63 x
Figure 3.1. Les différentes structures de trnsformteurs () concentrique, (b) entrelcée et (c) empilée. 64 Figure 3.13. Disposition géométrique et chmp mgnétique B produit pr () un fil conducteur rectiligne (b) une spire crrée. 65 Figure 3.14. Allure de l composnte du chmp mgnétique () B z en fonction de (x,y) pour z=0, (b) B x en fonction de (x,y) pour z=0µm, (c) B z en fonction de z et (d) B x en fonction de z. 66 Figure 3.15. Disposition géométrique () des deux spires dns le microphone (b) de l spire interne en mouvement de vibrtion. 67 Figure 3.16. Vrition des deux fcteurs A 1 et A dns l expression de l fem L en fonction du déplcement ξ (pour = 1.5 mm, ε = 109 µm et I = 5mA). 69 Figure 3.17. Allure de l fem L induite donnée pr l éqution excte et l estimée pour une mplitude de déplcement égle à () h = 0µm (b) h = 100µm. 70 Figure 3.18. Interction mgnétique entre deux inductnces idéles dns le cs où seul le primire est prcouru pr un cournt DC. 70 Figure 3.19. Structure d un trnsformteur plnire concentrique. 71 Figure 3.0. Vue en coupe du mouvement reltif de l inductnce interne B pr rpport à B 1. 71 Figure 3.1. Vrition de l mutuelle inductnce M en fonction du déplcement ξ, pour les expressions excte et estimée (pour l = 1.65 mm, ε = 11 μm, s = 0.9 µm et w = 1 μm). 7 Figure 3.. Vrition du coefficient du couplge mgnétique k en fonction de () l mplitude de vibrtion de l inductnce interne (b) l séprtion entre les deux inductnces. 73 Figure 3.3. Spectre de fréquences des forces électromotrices induites, cs de () Lorentz, (b) Neumnn et (c) l somme des deux. 74 Figure 3.4. Différentes formes de trpèze de modultion en fonction du tux de modultion, m. 76 Figure 3.5. L llure de l tension, fem T, résultnte de l somme de l fem L et de l fem N pour ω c >>ω p (f p = 1kHz et f c = 40kHz) 78 Figure 3.6. L llure de l tension, fem T, résultnte de l somme de l fem L et de l fem N pour ω c <<ω p (f p = 1kHz et f c = 0Hz) 78 Figure 3.7. Allure de l tension induite e L donnée pr l éqution excte et l estimée pour une mplitude de déplcement égle à () h = 0µm (b) h = 100µm. 80 Figure 3.8. Allure de l e L pour () ω c >>ω p (f p = 1kHz et f c = 40kHz, sns porteuse), et (b) ω c <<ω p (f p = 1kHz et f c = 0Hz, porteuse de bsse fréquence). 81 Figure 3.9. Différents montges du trnsformteur () inverseur (b) non-inverseur. 8 Figure 3.30. Modèle d un trnsformteur concentrique () inverseur (b) non-inverseur. 8 Figure 3.31. Schém équivlent générl de l bobine dns différents modes de polristion. 84 Figure 3.3. Direction de l force de Lorentz générer pr le chmp mgnétique () verticl (b) rdil. 86 Figure 3.33. Une inductnce spirle double couches sur substrt de silicium () Illustrtion tridimensionnelles (b) circuit équivlent idél. 88 xi
Chpitre 4 : Figure 4.1. Schém équivlent d un système à membrne () sns mortissement (b) vec mortissement. 93 Figure 4.. Réponse en fréquence clssique d une membrne (courbe 1), l'effet d un mortissement extérieur sur le diphrgme (courbes à 5) pour un microphone électrodynmique. 94 Figure 4.3. Divers structures de flexion () fixe-fixe, (b) «crb-leg», (c) «U-spring», (d) serpentine, ttché à une membrne crrée. L pression est ppliquée sur l surfce de l membrne. 95 Figure 4.4. Illustrtion du déplcement d une poutre simple soumise à une force F z. 97 Figure 4.5. Vue d'ensemble de différentes conceptions d'ttchement () Jmbe de crbe, (b) méndre, (c) U-spring et (d) l serpentine. 99 Figure 4.6. Comprison de l rideur pour les différents types d ttchements donnés dns l Figure 4.5. 99 Figure 4.7. Détermintion des modes propres de l structure vec le profilomètre Fogl. 101 Figure 4.8. Modes de résonnce simulés d une membrne crrée ttchée pr qutre brs en forme de crb-leg (respectivement en Hz : 861,119, 1468, 8360, 13761 et 14481). 10 Figure 4.9. Simultion sttique de l flèche de l membrne. 103 Figure 4.10. () Coupe trnsversle du circuit mécno-coustique équivlent (b) Le modèle électrocoustique à constntes loclisées, de l structure du microphone électrodynmique. 105 Figure 4.11. Représenttion du couplge mécnocoustique en forme de () trnsformteur entre les deux domines (b) schém de couplge (c) schém coustique équivlent. 106 Figure 4.1. Allure () de l impédnce coustique équivlente (b) du déplcement, de l membrne en fonction de l fréquence de l onde incidente. 109 Figure 4.13. Allure de l sensibilité du microphone en fonction de l fréquence dns le cs d une polristion en AC. 109 Figure 4.14. Illustrtion de l effet d mortissement visqueux pr compression «sqeeze film dmping» pour une oscilltion verticle de l membrne. 111 Figure 4.15. Allure () de l impédnce coustique équivlente (b) du déplcement, de l membrne en fonction de l fréquence de l onde incidente pour différentes vleurs de l distnce G 0. 111 Figure 4.16. Allure () de l vitesse (b) de l sensibilité, de l membrne en fonction de l fréquence de l onde incidente pour différentes vleurs de l distnce G 0. 11 Figure 4.17. Densité spectrle du bruit Brownien dns l membrne. 114 Figure 4.18. Densité spectrle du bruit Johnson dns l membrne. 115 Chpitre 5 : Figure 5.1. () Composition des, (b) Épisseurs des principles, couches de l technologie chinoise CSMC 0.6µm, PM. 119 Figure 5. Etpes technologiques de fbriction du microphone inductif. 10 Figure 5.3. Vue finle en coupe du microphone électrodynmique. 10 xii
Figure 5.4. Illustrtion de l grvure u coin convexe et l formtion des poutres suspendues dns un mtériu qui n'est ps grvée. 1 Figure 5.5. Simultion tomistique de l grvure nisotropique de l membrne du microphone soutenue pr qutre brs, pour différents ps de clculs montrnt l progression de l grvure. _ 1 Figure 5.6. Simultion tomistique de l grvure nisotropique de l membrne soutenue pr qutre brs à 45, pour différents ps de clculs montrnt l progression de l grvure. 13 Figure 5.7. () Dessin des msques (b) Imge MEB, de l structure de test du microphone. 13 Figure 5.8. Imge MEB de l structure TEST1 (vnt grvure). 14 Figure 5.9. () Empilement des couches (b) Profile topogrphique, enregistré lors du pssge à trvers l structure TEST1. 14 Figure 5.10. Imge de TEST1 près l grvure prise pr () MEB, (b) microscope optique. 15 Figure 5.11. Imge de TEST prise pr MEB près l grvure vec une membrne () ttchée (b) libérée. 15 Figure 5.1. Imge MEB () des spires de l bobine externe (b) de l ouverture sur le coté interne du brs entre le brs et l membrne. 16 Figure 5.13. Imge MEB () des ouvertures prévues sur les deux cotés du brs. (b) de l membrne du microphone près grvure. 17 Figure 5.14. () Sélection de l zone d nlyse sur l surfce du microphone pr spectroscopie (b) spectre spécifiques constitunt l composition des mtériux dns l zone d nlyse. 17 Figure 5.15. Identifiction de l présence des différents éléments chimique dns l zone d nlyse qui sont, respectivement de guche à droite et du hut en bs, le nitrure, l oxygène, l luminium, le silicium et le titne. 18 Figure 5.16. Profil enregistré lors du pssge sur les deux bobines et le brs. 19 Figure 5.17. Imge MEB de l ouverture du microphone grvée dns d'cide fluorhydrique. 130 Figure 5.18. () Elrgissement de l lrgeur des ouvertures pr le FIB, (b) Résultt près h de grvure pr TMAH sur le microphone. 130 Figure 5.19. Illustrtion de l position verticle de l membrne pr rpport u substrt. 131 Figure 5.0. Illustrtion de l incurvtion des brs d ttchement de l membrne 131 xiii
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Liste des tbleux Chpitre 1 : Tbleu 1.1. Comprison entre les différents processus CMOS micromécnique. 10 Tbleu 1.. Exemple de techniques de grvure pour micro-usiner le substrt en silicium. 18 Chpitre : Tbleu.1. Définition des coefficients piézoélectriques et leurs unités. 33 Tbleu.. Propriétés électromécniques de différents mtériux piézoélectriques. 34 Tbleu.3. Les importnts trvux précédents dns l conception des microphones cpcitifs. 44 Chpitre 3 : Tbleu 3.1. Comprison entre les différents types de rélistion de trnsformteurs. 64 Tbleu 3.. Éqution et vleur des prmètres physiques d une bobine plnire intégrée sur silicium. 83 Tbleu 3.3. Tbleu récpitultif des différents modes de polristion. 87 Chpitre 4 : Tbleu 4.1. Propriétés des différentes couches utilisées dns le processus de fbriction. 100 Tbleu 4.. Anlogie coustique / électrique / mécnique. 104 Tbleu 4.3. Vleurs de composntes de simultion du circuit électrocoustique. 107 Tbleu 4.4. Sensibilité et bnde pssnte simulées du microphone en fonction de l épisseur du gp d ir. 11 Chpitre 5 : Tbleu 5.. Les solutions de grvure du silicium sélectives et leurs rtios de grvure. 11 xv
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Introduction générle L communiction est une chose primordile dns notre existence. Notre compétence d échnger les informtions est essentielle pour le progrès de notre connissnce et civilistion. L communiction humine progresse à trvers l histoire d une communiction visuelle sous forme d imges et de gestes jusqu à rriver u lngge conventionnel sophistiqué de nos jours. En outre, l communiction vec les utres est un besoin nturel chez l espèce humine; ce désir eu beucoup d influence dns nos innovtions technologiques. L une des premières rélistions dns ce domine est le télégrphe inventé pr Smuel Morse (1833), dns lequel les informtions se trnsmettent en code à trvers un interrupteur électrique. Pourtnt, le besoin de trnsmettre, non ps les codes seulement mis ussi l prole, reste une nécessité d où l invention d un ppreil de trnsmission coustique s vère très importnte. Durnt le développement du téléphone, inventé pr Alexnder Grhm Bell (1876) pour l première fois, le besoin d un trnsducteur coustique "le microphone" est ffronté. Le microphone est demndé pour trnsformer un signl coustique en un signl électrique nlogique qui peut être trnsmis à un utre trnsducteur (hutprleur). L structure de bse de ce système électrocoustique n ps chngé; elle trouve beucoup d pplictions non seulement en téléphonie mis ussi dns l rdio, l télévision, les systèmes udio et vidéo. Une utre révolution technologique qui est comprble à celle de Morse et Bell, c est l invention du trnsistor pr Shockley et le développement des circuits intégrés fbriqués en semi-conducteur. Cette technologie méliore nettement l production en msse, fournit une minituristion immense ux systèmes et complique les circuits électroniques en leur donnnt plus de fonctionnlité et de fibilité. Un détournement de l microélectronique donné nissnce ux microsystèmes qui conjuguent l microélectronique des semi-conducteurs et l technologie du micro-usinge, permettnt insi l rélistion de systèmes entiers sur une puce. Une utre ppelltion des microsystèmes très usité est pprue en Amérique : les MEMS "Micro-Electro-Mechnicl Systems" ou Microsystèmes Electromécniques. Ce sont des micro-dispositifs ou micro-systèmes intégrés combinnt des composnts électriques et mécniques. Les MEMS sont fbriqués vec des techniques congénères à celles utilisées pour l fbriction des circuits intégrés et leurs tilles peuvent s'étendre des micromètres ux millimètres. En effet, les opértions trditionnelles d oxydtion, de diffusion, de dépôt de couches minces de l microélectronique se voient complétées pr l pprition de technique de micro usinge en volume et en surfce du silicium. Cette nouvelle micro technologie du silicium lisse entrevoir de nombreuses possibilités d intégrtion de formes géométriques plus complexes de mnière à minituriser et intégrer des fonctions supplémentires tout en restnt comptible vec l présence de l électronique intégrée de proximité. Cette possibilité de structurtion en trois dimensions du silicium permet de créer des cvités, des poutres, des membrnes et des structures suspendues qui vont être à l bse de micro dispositifs ynt l possibilité d intergir vec l environnement. Les principes physiques mis en oeuvre dns ces 1
Chpitre 1 : Introduction ux technologies Microsystème cpteurs et ces ctionneurs sont très divers : électriques, mécniques, chimiques, optiques, thermiques, thermodynmiques, etc Le chmp d ppliction des microsystèmes est donc très lrge, et leur conception fit ppel à de nombreux domines connexes comme l mécnique, l optique, l électronique ou l micro fluidique. Les microsystèmes fluidiques restent un domine récent mlgré que leurs pplictions soient nombreuses. L éronutique s intéresse notmment u développement de cpteurs de pression, d ctionneurs situés sur les voilures pour modifier les écoulements de couches limites et proposer une lterntive ux lourds orgnes hydruliques conventionnels. Le secteur utomobile développe pr exemple des micro-injecteurs hute pression pour les chmbres de combustion, des micros cpteurs pour l détection de bisses de pression dns les pneumtiques. Les imprimntes grnd public sont constituées, pour l pluprt, de micro buses à jets d encre. Mis c est certinement les secteurs de l télécommuniction et de l snté qui présentent le plus fort potentiel d ppliction. Les demndes en termes de micro cpteurs de l vrition de pression, ou des microphones, sont fréquentes et nombreux lbortoires se sont lncés dns l venture pour en effectuer l conception, l rélistion et l optimistion. Les microcpteurs de pression coustique sont spécilement utilisés dns les systèmes d'ides uditives tel que les prothèses uditives et les implnts cochléires. Le microphone est un microcpteur coustique qui trnsforme l'énergie coustique en une énergie électrique. Avec les récents progrès dns l technologie MEMS, l fbriction de microphones vec des dimensions miniturisées à bs coût est mintennt possible. Une vriété de systèmes de trnsduction, tels que piézoélectriques, piézorésistives, cpcitifs et optiques, ont été utilisés dns des microphones MEMS. Les microphones cpcitifs ont montré l meilleure sensibilité et ils sont les plus utilisés, compré ux utres types de microphones intégrés. Ils présentent les meilleurs vntges tels qu une sensibilité reltivement élevée, une lrge bnde pssnte pr inhérence, une fible consommtion d'énergie et un fible bruit de fond. Toutefois, dns l conception des microphones cpcitifs, des problèmes spécifiques doivent être résolus telles que l'instbilité dns l trction électrosttique, l'tténution du signl de sortie en rison de l cpcité prsite et, dns certins modèles, une bisse de l sensibilité dns les hutes fréquences due à l'mortissement visqueux de l ir. Encore que, leur intégrtion sur l même puce vec l électronique de tritement nécessite des mtériux et des chînes de fbriction spécifiques et ssez coûteux. Pour surmonter ces problèmes, une nouvelle pproche plus souple, utilisnt un procédé de fbriction de circuits intégrés CMOS stndrd, est présentée dns cette thèse. L'électronique de proximité est intégrée monolithiquement vec l prtie cpteur, en utilisnt une technologie CMOS industriel stndrd suivi d un miro-usinge en volume, permettr de minituriser le système et d'ugmenter ses performnces, et en prticulier de minimiser le bruit grâce à l réduction des cpcités prsites des interconnexions. En outre, notre pproche met l'ccent sur les MEMS à fible coût obtenus pr l trnsformtion de micro puce émis à prtir d'un procédé CMOS stndrd. Le trvil présenté dns ce mémoire décrit l modélistion, l optimistion et l rélistion d un microphone électrodynmique intégré. Ce mnuscrit est constitué de cinq chpitres et il est orgnisé comme suit : le premier chpitre décrit les différents procédés de fbriction des microsystèmes comptibles microélectroniques mis en oeuvre durnt ces dernières nnées en rpportnt les vntges et les inconvénients fin de montrer l intérêt de notre pproche. Le deuxième chpitre, récpitule l étt de l rt sur les différents principes de trnsduction et les spécifictions des différentes structures de microphones MEMS intégrés
Chpitre 1 : Introduction ux technologies Microsystème micro-usinés. Prmi les nombreuses structures de microphones intégrés, le microphone cpcitif offre les meilleures performnces. Un tour d horizon des différentes contributions dns l fbriction des microphones cpcitifs et leurs crctéristions est présenté. Dns le chpitre trois, on commence pr introduire notre nouvelle rchitecture de microphone électrodynmique intégré monolithique qui présente l vntge d être peu coûteuse tout en ynt des performnces stisfisntes. Dns cette pproche, nous utilisons des couches de silicium et utres émis à prtir d'un procédé CMOS stndrd comme mtériux de bse pour l fbriction de l prtie mécnique du cpteur. L idée du trnsducteur électrocoustique de type électrodynmique (ou inductif) intégré et similire à celle du microphone électrodynmique mcroscopique. En effet, en utilisnt deux bobines spirles plnires et concentriques occupnt deux régions distinctes, on peut imiter le fonctionnement du microphone électrodynmique hybride. Ensuite, une étude mgnétique du lien entre les deux bobines dns les différents cs de polristion est détillée. Cette étude permettr de donner une crctéristion nlytique du microphone en clculnt l tension induite, s sensibilité et le niveu de l distorsion à l sortie. Le qutrième chpitre est dédié à l nlyse mécnique et vibrtoire de l structure du microphone. Plusieurs structures différentes de fixtion pour l membrne suspendue vont être étudiées tel que l poutre simple, l jmbe de crbe, le ressort en forme de U et en serpentin. L'étude pour but de trouver l fréquence de résonnce optimle de l structure de l membrne d'un microphone électrodynmique fin de prvenir à une lrge bnde pssnte. L fréquence de résonnce du diphrgme doit être plcée u centre de l gmme udible ciblée de fréquence et doit être suffismment mortie. Pr l suite, on entmé une modélistion électro-coustique et une nlyse modle (fréquentielle), pr l Méthode des Eléments Finis (MEF), qui est nécessire pour connître l mplitude de vibrtion et l plge de réponse de l structure du microphone. L étude des trnsducteurs électrocoustiques est communément rélisée à l ide de modèles électriques équivlents en constntes loclisées trduisnt les comportements électrique, mécnique et coustique du système. Les constntes loclisées du circuit électrique équivlent, représentent l rideur, l msse et l'mortissement du système mécnocoustique. Ceci v nous mener, finlement, à proposer une structure optimisée du microphone électrodynmique et à estimer l tension induite ux bornes de son secondire. Le dernier chpitre de cette thèse consister à ccomplir le dessin des msques et fbriquer un prototype du microphone. Les différents résultts de grvures et de crctéristion des puces du microphone seront expliqués dns une seconde étpe du chpitre cinq. Finlement, on clôture pr une conclusion générle vec les perspectives de notre trvil. 3
Chpitre 1 Introduction ux technologies Microsystème 1) Introduction 4 ) Mtériux pour les microsystèmes comptibles ux circuits intégrés 5.1. Silicium 5.. Polysilicium (silicium polycristllin) 7.3. Oxyde de silicium SiO 8.4. Nitrure de silicium 8.5. Couches minces de métl 9 3) Technologie CMOS et le Micro-usinge 10 3.1. Micro-usinge en pré-cmos 10 3.. Micro-usinge en intr-cmos 1 3.3. Micro-usinge en post-cmos 13 3.3.1. Déposition de couches en post-cmos 14 3.3.. Grvure des couches CMOS en post-cmos 15 ) Micro-usinge en volume 15 b) Micro-usinge en surfce 1 4) Conclusion 1) Introduction Sns doute, l une des plus excitntes évolutions technologiques u cours de l dernière décennie du 0 ème siècle est le domine des microsystèmes (MEMS). L technologie MEMS pu profiter des vntges et des innovtions créées pendnt l révolution de l technologie des circuits intégrés (CI) en termes de procédés, équipements et mtériux. Étnt donné qu une structure MEMS comporte un empilement de couches de mtériux, chcun un rôle critique, rssemblées prfois sur un même substrt. L compréhension des MEMS exige, à prt des connissnces physique et électronique, une mturité dns l connissnce des mtériux utilisés pour construire les dispositifs insi que leurs propriétés. Dns l suite, une présenttion d une sélection de mtériux les plus répndus dns les procédés de fbriction des MEMS, ser présentée. Pr l suite, nous nous ttrderons sur les différentes techniques de fbriction des microsystèmes, comptible microélectronique, ccessible industriellement ou u niveu de lbortoire. 4
Chpitre 1 : Introduction ux technologies Microsystème ) Mtériux pour les microsystèmes comptibles ux circuits intégrés Le procédé de fbriction des dispositifs microsystèmes est bsé sur les techniques de fbriction stndrd des circuits intégrés microélectroniques. Le mtériu de bse est bien entendu le silicium (Si) insi que ses dérivés tels que l oxyde de silicium (SiO ), le nitrure de silicium (Si 3 N 4 ), le crbure de silicium (SiC) et ses oxy-nitrures (SiN x O y ). Ces mtériux sont déposés comme une couche mince d épisseur qui vrie entre une dizine d Ångström et plusieurs dizines de micromètres. Divers métux servent ussi des liisons électriques ou comme surfce d ccroche biochimique tel que l luminium, le titne, l or, le tungstène ou le cuivre. On peut joindre à cette liste quelques polymères tel que l résine photosensible 1 et les polyimides (PI) du groupe imide. Dns l suite, une brève description des ces mtériux les plus utilisés, ser détillée..1. Silicium Le silicium est prmi les éléments les plus bondnts sur l terre, il peut être fcilement obtenu à prtir du sble rffiné pour produire à l fin l EG-silicium (Electronic Grde pureté 99.99999999%). L'énorme richesse d'informtions ccumulées sur le silicium et ses composés u cours des dernières décennies permis d'innover et explorer de nouveux domines d'ppliction s'étendnt u-delà de l fbriction des circuits intégrés. Il devient évident que le silicium est l plte-forme ppropriée sur lquelle les composnts électroniques, mécniques, thermiques, optiques, et même les fonctions de dynmique des fluides peuvent être intégrées. Des ultr pures plquettes (wfer) d EG-silicium sont disponibles ujourd'hui à des prix très bs pour l industrie des circuits intégrés et insi pour les composnts MEMS. Le silicium possède une structure de type dimnt, forme dérivée de l structure cubique fces centrées (CFC). Il possède une bnde interdite de 1,1eV, et d illeurs, comme l pluprt des mtériux semi-conducteurs il peut être dopé vec des impuretés pour modifier s conductivité [1]. Le silicium est un très bon conducteur thermique vec une conductivité thermique supérieure à celle de nombreux métux et d'environ 100 fois supérieure à celle du verre []. Mécniquement, le silicium cristllin est un mtériu dur et frgile, il se déforme élstiquement jusqu'à tteindre s limite d'élsticité, à ce point il se csse. S résistnce à l trction est de 7 GP [1], qui est équivlente à un poids de 700 kg suspendu à une surfce de 1mm. Son module de Young dépend de l orienttion du cristl, qui vut 130 GP dns l direction <100>, 169 GP dns l direction <110> et 189 GP dns l direction <111> (une vleur qui est comprble à l'cier (10 GP) []). En médecine et en biologie, des études sont en cours pour évluer l utilistion du silicium pour les implnts médicux. Les résultts préliminires indiquent que le silicium est bénin dns l'orgnisme et ne libère ps de substnces toxiques u contct vec les cellules biologiques L élément silicium existe sous trois formes différentes: monocristlline, polycristlline ou morphe (illustrées sur l Figure 1.1). Le silicium monocristllin est d usge pour fbriquer des substrts circulires de dimètre llnt de 100 mm jusqu à 300 mm dont l épisseur vrie de 55μm jusqu à 650μm. Une structure monocristlline est une structure tomique tridimensionnelle de même orienttion cristllogrphique, qui s ppelle le grin, dns lquelle les tomes occupent des emplcements spécifiques et ordonnés dns une mille de treillis (lttice). Le silicium épitxile et le dimnt sont des exemples de mtériux qui présentent 1 L résine photosensible (ppelée ussi photorésine et prfois photorésist) est un mtériu photosensible utilisé dns de nombreux procédés industriels, comme l photolithogrphie ou l photogrvure fin de former un revêtement protecteur jouté à l surfce d'un substrt. 5
Chpitre 1 : Introduction ux technologies Microsystème une structure monocristlline. Le silicium polycristllin, ou simplement "poly", et le silicium morphe sont hbituellement déposés comme des couches minces vec une épisseur typique inférieur à 5µm. Dns un mtériu polycristllin, l'orienttion du réseu n'est ps l même dns tout le mtériu. Les grins sont séprés pr des joints de grins, qui sont des zones dns lesquelles le réseu cristllin est "perturbé" puisqu'il s'git d'une trnsition entre deux orienttions. L pluprt des métux, comme l'luminium et l'or, insi que le silicium polycristllin, présentent des exemples de cette structure. Dns une structure morphe, les tomes de Si ne respectent ucun ordre et ucune orienttion [3]. () (b) (c) Figure 1.1. Représenttion schémtique des structures () cristlline, (b) polycristlline, et (c) morphe dns un mtériu. Un wfer en Si monocristllin est crctérisé essentiellement pr son dopge initil et pr l orienttion cristllogrphique de son réseu cristllin. L compréhension des plns cristllogrphiques est essentielle pour comprendre le rpport entre les propriétés du mtériu et son orienttion et les effets des solutions de grvure sélective. Les trois principles orienttions de coordonnés dns un cube sont ppelées les xes principux. Les directions et plns spécifiques dns le cristl sont désignés en référence pr rpport ux xes principux en utilisnt les indices de Miller [4] (voir Figure 1.). Les chiffres utilisés dns l nottion Miller pour les plns représentent l inverse de l intercepte des xes dns les distnces de l cellule unitire depuis l'origine. Les fbricnts de wfers de Si coupent finement les plquettes circulires tout u long d un pln cristllin spécifique du mtériu. Le pln de fce de ces wfers représente l'orienttion du pln de coupe. Les wfers (100) dominent dns les technologies CMOS et MEMS, mis les wfers vec l orienttion (111) sont églement disponibles et, à un degré moins, on trouve l orienttion (110). Un méplt ltérl (pln (110) pour un wfer (100)) permet de définir correctement l'orienttion du réseu cristllin sur un wfer. Figure 1.. Les trois plns cristllogrphiques principux vec leurs indices de Miller montrés sur l structure cubique du cristl. 6
Chpitre 1 : Introduction ux technologies Microsystème Dns le cs de plusieurs pplictions MEMS à bse de silicium, le Si monocristllin sert pour réliser plusieurs fonctions clés. Le Si monocristllin est le mtériu le plus polyvlent pour le micro-usinge en volume, à trvers une bonne mîtrise des crctéristiques de l grvure et une mturité u niveu des msques de protection utilisés. Il permet de sculpter des structures micromécniques à prtir du substrt en Si. Pour les pplictions micro-usiné en surfce, le Si monocristllin est utilisé comme une plteforme mécnique sur lequel les structures sont fbriquées et montées... Polysilicium (silicium polycristllin) Le silicium polycristllin est un mtériu importnt dns l'industrie des CI où il été étudié pendnt plusieurs nnées. Une description détillée de ses propriétés électriques peut être trouvée dns [5]. Comme le Si monocristllin, le Si polycristllin peut être dopé pendnt ou près s déposition en utilisnt les techniques stndrd de tritement des CI. L résistivité du silicium polycristllin peut être modifiée pr un dopge en impuretés à l'ide des mêmes méthodes développées pour le silicium monocristllin. L'jout de l élément Phosphore réduit le tux de dopge et ugmente l résistivité, tndis que l'ddition du Bore ugmente le tux de dopge et lors, diminue l résistivité. Le coefficient de Seebeck du polysilicium est ssez élevé. Le silicium polycristllin est un mtériu ussi importnt et ttrynt pour les MEMS. Il est le mtériu structurel le plus souvent utilisé pour l fbriction des structures MEMS microusiné en surfce vec le SiO comme mtériu scrificiel et le Si 3 N 4 comme isolnt électrique. Pour les pplictions CI et MEMS, l couche mince de polysilicium est générlement déposée à trvers d un processus connu sous le nom Low-Pressure Chemicl Vpor Deposition (LPCVD). Les conditions typiques de dépôts exigent des tempértures de 580 à 650 C et des pressions llnt de 100 à 400 mtorr (1 Torr 1 mmhg = 133.3 P). Pour les processus rélisés à 630 C, le tux de dépôt du silicium polycristllin est d'environ 100 Å/min. Générlement, toutes les couches minces déposées sont soumises à des contrintes ppelées contrintes résiduelles qui peuvent grvement ffecter les performnces des microstructures. Les plus hutes vleurs de contrintes résiduelles se trouvent dns le Si morphe et le polysilicium sous forme de compression, principlement, vec une forte texture reltive à l colonne (110). Dns les mêmes conditions de dépôt, les couches de polysilicium épisses sont souvent soumises à moins de contrintes résiduelles que les couches minces, ce qui est prticulièrement vri pour les couches vec une microstructure de texture en colonne verticle (columnr). Pour réduire l compression dns les couches de polysilicium déposées on peut utiliser un recuit à des tempértures comprises entre 650 et 850 C. Les poutres en silicium polycristllin ou morphe, libérées vec le micro-usinge en surfce, qui n'ont ps été soumises à une étpe de recuit peuvent se déformer sous l'effet des contrintes intrinsèques. Cette étpe de recuit permet, en outre, d'nnuler les contrintes mécniques dns les couches de polysilicium permettnt d'méliorer l stbilité mécnique et d'nnuler les effets de vieillissement. Pour les couches de polysilicium déposées à 650 C, les contrintes de compression résiduelles sont typiquement de l'ordre de 0,5 à 1 GP. Toutefois, ces contrintes peuvent être réduites à moins de 10,8 P pr un recuit à hute tempérture (1000 C) des couches minces. L'effet Seebeck est un effet thermoélectrique, il se mnifeste vec l pprition d une différence de potentiel à l jonction de deux mtériux soumis à une différence de tempérture. L utilistion l plus connue de l effet Seebeck est l mesure de tempérture à l ide de thermocouples. 7
Chpitre 1 : Introduction ux technologies Microsystème.3. Oxyde de silicium SiO Le silicium est un mtériu qui retrouve un succès énorme églement grâce à son oxyde stble qui représente une bonne isoltion électrique. Contrirement u germnium, dont l oxyde est soluble dns l'eu, ou à l rséniure de gllium, dont l oxyde est incpble de croître sensiblement en épisseur. Diverses formes d oxydes de silicium (SiO, SiO x, etc ) sont lrgement utilisées dns les processus stndrds de fbriction des CI grâce à leurs excellentes propriétés d isoltion électrique et thermique. Son module de Young est supérieur à celui du silicium. Le dioxyde de silicium (SiO ) est produit principlement pr une oxydtion thermique (croissnce) du silicium se trouvnt sur l surfce du wfer. L'oxydtion thermique du Si est effectuée à des hutes tempértures (de 900 à 1000 C) en présence de l'oxygène ou de l vpeur. L'oxydtion thermique présente un processus uto-limité (le tux de croissnce de l oxyde diminue vec l'ugmenttion de l'épisseur de l couche), l'épisseur mximle de l couche obtenu en prtique est d'environ μm, ce qui est lrgement suffisnt pour de nombreuses pplictions. Les couches de SiO pour les pplictions MEMS peuvent être déposées églement pr LPCVD en utilisnt un processus ppelé oxydtion à bsse tempérture (LTO). Un vntge du procédé LPCVD, consiste dns l possibilité de doper le flux des gz de source pr d utres éléments fin de doper l couche de SiO déposée. Comme exemple, c est l'incorportion du phosphore sous forme de Phosphoro Silicte Glss (PSG). Le SiO thermique, LTO, et le PSG sont des isolnts électriques convennt pour de nombreuses pplictions MEMS. Les constntes diélectriques de l oxyde thermique et de l oxyde à bsse tempérture (LTO) sont égles à 3.9 et 4.3, respectivement. L oxyde de silicium est utilisé ussi comme des couches scrificielles dns le processus du micro-usinge en surfce prce qu'il est grvé vec une grnde sélectivité en utilisnt l'cide fluorhydrique (HF) [1]. L'objectif est de dissoudre entièrement l oxyde scrificiel fin de libérer les composnts prévus sns grver le silicium polycristllin formnt les prties structurelles. Les wfers ou les moules sont simplement immergés dns l solution ppropriée pour une période de temps suffisnte pour libérer toutes les prties souhitées. L fible densité des couches de LTO et de PSG est prtiellement responsble de l'ugmenttion du tux de grvure en HF, ce qui les rend ttryntes comme mtières scrificielles pour le micro-usinge en surfce. Sns doute, le SiO est un mtériu scrificiel excellent pour le micro-usinge en surfce vec le silicium polycristllin; toutefois, d'utres mtériux pourrient églement être utilisés..4. Nitrure de silicium Le nitrure de silicium (Si x N y ) est lrgement utilisé dns l industrie des CI grâce à ses propriétés diélectriques et mécniques intéressntes. En effet, le nitrure de silicium est un mtériu extrêmement dur ce qui le rend un mtériu ttrynt pour les pplictions dns lesquelles l'usure physique est une considértion mjeure. Son module de Young, de l ordre de 33 GP, est lrgement supérieur à celui du silicium vec des crctéristiques intrinsèques de l contrinte contrôlbles pr les spécificités du procédé de dépôt. En plus, le nitrure de silicium est un bon mtériu de msquge efficce dns de nombreuses solutions de grvures lclines. 8
Chpitre 1 : Introduction ux technologies Microsystème Le nitrure de silicium le plus répndu, de formule chimique Si 3 N 4, est lrgement utilisé en MEMS pour l isoltion électrique, l pssivtion, les msques de grvures et comme un mtériu structurel. Deux méthodes sont courmment utilisées pour déposer les couches minces de Si 3 N 4 : LPCVD et PECVD (Plsm enhnced chemicl vpor deposition). L'utilistion du Si 3 N 4 déposé pr PECVD dns les pplictions micro-usinées ses inconvénients en rison de son tux de grvure ssez élevé pr le HF (souvent plus élevé que celui de SiO déposé pr croissnce thermique), et de l porosité de l couche. Contrirement à son homologue PECVD, le dépôt du Si 3 N 4 pr LPCVD est extrêmement résistnt ux ttques chimiques, le rendnt insi le mtériu idél pour de nombreuses pplictions microusinées en volume et en surfce. Il est courmment utilisé comme une couche isolnte pour isoler les structures du dispositif du substrt prce qu'il possède une bonne résistivité qui est de 1016 Ω-cm. Le dépôt typique se fit à une tempérture entre 700 et 900 C et une gmme de pressions de 00 à 500 mtorr. Le tux de dépôt typique est d'environ 30 Å/min..5. Couches minces de métl Le choix de l nture d une couche mince de métl à utiliser dns un microsystème dépend essentiellement de l ppliction visée. Les couches minces de métl peuvent être déposées en utilisnt une lrge gmme de techniques de dépôt, les plus courntes étnt l'évportion, l pulvéristion cthodique (sputtering) et pr un dépôt chimique en phse vpeur (CVD- Chemicl Vpor Deposition). Ce lrge éventil de méthodes de dépôt fit d elles l'une des clsses les plus polyvlentes des mtériux utilisés dns l fbriction des CI. Les métux peuvent remplir plusieurs tâches llnt de l rélistion des interconnexions internes dns le circuit, pssnt pr leurs utilistions en tnt que msques durs de grvure, rrivnt jusqu à leurs utilités dns l formtion des éléments structurels ou scrificiels dns les microcpteurs et les microctionneurs MEMS. Pour les interconnexions électriques, l'luminium, vec une tempérture de fusion de 660 C, est le mtériu le plus utilisé et il est reltivement fcile à déposer pr pulvéristion cthodique, mis son fonctionnement est limité ux environnements non corrosif et à des tempértures inférieures à 300ºC. L'luminium tendnce à se dégrder vec le temps et vec l tempérture, ce qui provoque des chngements dns ses crctéristiques intrinsèques de l contrinte (stress). En conséquence, il est générlement situé à l'écrt du stress ou des éléments déformbles [1]. L or, le cuivre, le titne, le pltine et le Permlloy (Ni x Fe y ), et quelques utres mtériux peuvent églement être déposés pr des méthodes électrolytiques. Pour les environnements les plus sévères (rudes) ynt des tempértures très élevées, le tungstène, vec un point de fusion très élevé, de l ordre de 34 C, est très déqut. Dns les MEMS, les couches minces d luminium peuvent être utilisées en combinison vec des polymères tels que les polyimides, connu pour leurs bonnes propriétés thermiques et élstiques, cr ces derniers peuvent être déposés pr pulvéristion à bsse tempérture (<400 C). Dns l pluprt des cs, l luminium est utilisé comme une couche structurelle, mis il peut ussi bien être utilisé comme une couche scrificielle. Un inconvénient du polyimide est s viscoélsticité (il est glissnt). Le tungstène (W) (déposé pr CVD) peut églement être utilisé comme un mtériu structurel et le dioxyde de silicium comme mtériu scrificiel dns l construction des microstructures vec le micro-usinge en surfce [6]. Dns ce cs, le HF est utilisé pour l grvure de l'oxyde scrificiel. En termes de propriétés chimiques, l luminium serit certinement un bon mtériu pour construire les couches scrificielles, comme il peut être dissout dns des solutions de grvure cide qui n ttquent que l Al sns ttquer le silicium polycristllin. 9
Chpitre 1 : Introduction ux technologies Microsystème 3) Technologie CMOS et le Micro-usinge Le problème mjeur dns une intégrtion monolithique d un cpteur/ctionneur MEMS vec l électronique de tritement est le besoin d utiliser des hutes tempértures qui cusent l dégrdtion des performnces du circuit CMOS à son voisinge. En effet, les microstructures en polysilicium, qui forment générlement les couches structurelles du cpteur, sont déposées à des tempértures comprises entre 575 et 65 C dns un four LPCVD et exigent générlement un recuit thermique à des tempértures 900 C pour réduire les contrintes résiduelles [7]. Toutefois, près le dépôt de l couche de métllistion (générlement en luminium) du procédé CMOS, l tempérture mximle dns le processus ser limitée à 450 C fin de ne ps dégrder les contcts entre l luminium et le silicium. Pr conséquent, le polysilicium ne peut être déposé qu près l'chèvement du processus CMOS vec une métllistion stndrd de l luminium. Afin de permettre le dépôt des microstructures en polysilicium près l'chèvement du processus CMOS, une lterntive de métllistion stble à hute tempérture, comme le tungstène, doit être utilisée dns le procédé CMOS [8] [9]. Trois pproches différentes sont développées en vue d intégrer les étpes de micro-usinge vec l technologie CMOS stndrd pour réliser une structure MEMS monolithique. Les étpes de micro-usinge dditionnelles peuvent soit précéder le procédé CMOS stndrd (pré- CMOS) ou être effectuées entre les étpes régulières (intr-cmos) ou bien près l'chèvement de tous les processus stndrds (post-cmos) [10]. Le Tbleu 1.1 présente une comprison entre ces trois pproches. Générlement, les processus CMOS-MEMS sont ssociés à des étpes de micro-usinge en surfce ou en volume. Tbleu 1.1. Comprison entre les différents processus CMOS micromécnique. plnéité de l surfce contrinte de tempérture contrinte de contmintion ccessibilité Pré-CMOS excellent ucune oui limitée Intr-CMOS bonne oui oui très limitée Post-CMOS vrible oui non fcile 3.1. Micro-usinge en pré-cmos L pproche de micro-usinge en pré-cmos ou «MEMS u-premier" permet de réduire sensiblement le coût de fbriction des MEMS. Avec cette méthode on peut co-intégrer une épisse microstructure en polysilicium vec les circuits CMOS, en exigent un recuit à des tempértures llnt jusqu'à 1100 C pour réduire les contrintes résiduelles,. Le processus de micro-usinge en pré-cmos commence pr l construction de l structure MEMS sur un wfer en silicium nu. L étpe suivnte consiste à enterrer et sceller ces structures MEMS vec une plnristion de l surfce du wfer. L nouvelle surfce est utilisée pour bâtir l suite du procédé CMOS stndrd. En outre, une étpe de métllistion est nécessire pour réliser les interconnexions entre les structures MEMS et l surfce plnrisée du circuit contennt les composnts CMOS. Les fonderies CMOS stndrds en générl n cceptent ps de tels wfers personnlisés, une ligne de production dédiée est donc nécessire. Une étpe de libértion des structures MEMS est églement nécessire à l fin de fbriction [11]. Il existe deux pproches différentes pour réliser le micro-usinge en pré-cmos, l première consiste à construire l microstructure MEMS en polysilicium dns une trnchée grvée dns le wfer en silicium vec une grvure humide nisotrope. Ensuite, un recuit à hute 10