Caractérisation et modélisation de microtransducteurs de pression à

137
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET REALISATION
DE DEMONSTRATEURS
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
139
CHAPITRE VI
Conception et réalisation de démonstrateurs
VI.1 Introduction
Au cours des chapitres précédents nous avons développé un modèle de calcul par
éléments finis du comportement thermomécanique des membranes composites SiO2/Si. Dans
ce chapitre nous nous servons de ce modèle pour concevoir et réaliser deux architectures de
capteurs à membrane de type PSOI qui sont présentées et discutées. Un logiciel de conception
a été développé au laboratoire au cours de cette thèse pour prévoir la sortie électrique du
capteur en fonction de la réponse en pression et en température du corps d’épreuve, des
propriétés physiques du polysilicium et de la disposition des jauges. La conception des
capteurs a donc demandé un important travail de programmation qui ne sera pas présenté ici.
Nous montrons simplement la technique d’interpolation linéaire des déformations simulées en
surface du corps d’épreuve qui permet de s’affranchir du maillage éléments finis. Nous
donnons également le principe du calcul des variations de résistance des jauges
piézorésistives. Enfin les premiers résultats sur démonstrateurs sont présentés.
VI.2 Position des jauges piézorésistives sur le corps d’épreuve
Le principe de fonctionnement d’un capteur piézorésistif à membrane de type PSOI a été
décrit au chapitre I. Pour obtenir un capteur de pression sensible les jauges piézorésistives en
surface du corps d’épreuve doivent être disposées aux endroits où celui-ci se déforme le plus
sous pression. La simulation par éléments finis de la réponse pneumatique d’une membrane
carrée permet de connaître les zones de sa surface où les déformations sont maximales et
uniaxiales. Comme le montrent les Figure 82.a et Figure 82.b ces zones sont situées sur les
axes médians de la structure près des bords de la membrane. Dans ces zones les déformations
sont positives (tension) et en majorité uniaxiales.
Du fait de la forme carrée de la membrane, la carte des déformations εy est symétrique par
140
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
rapport à la droite d’équation y=x (diagonale) de la carte des déformations εx. Le centre de la
membrane est donc dans un état de déformation biaxiale avec εx • εy. Le centre de la
membrane est en compression.
a)
b)
Figure 82 : carte des déformation εx en surface d’un quart du capteur pour une pression de 100 mbar : a)
représentation plane et b) représentation en 3D. Le corps d’épreuve est une membrane de 3 mm de côté, 20
µm d’épaisseur recouverte par 0,5 µm d’oxyde. Les limites de la membrane apparaissent en trait noir pour
x=y=1,5 mm sur la figure a).
Le principe de positionnement des jauges piézorésistives et la définition d’un pont de
Wheatstone sont donnés dans la littérature [56]. La Figure 83 schématise une membrane
déformée sous l’effet d’une pression appliquée sur sa face supérieure. Une jauge longitudinale
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
141
JL est parcourue par un courant I parallèle à la déformation εx. Sa résistance augmente (facteur
de jauge longitudinal positif). Une jauge transversale JT est parcourue par un courant I
perpendiculaire à la déformation εy. Sa résistance diminue (facteur de jauge transversal
négatif). Pour un montage en pont de Wheatstone complet, deux jauges de chaque type sont
nécessaires et doivent avoir la même valeur de résistance au repos pour que la tension de
décalage du pont (offset) soit nulle.
Figure 83 : schéma de principe du positionnement des jauges piézorésistives
Connaissant par simulation les déformations en surface du corps d’épreuve en fonction de la
pression et de la température, la prévision de la sortie électrique du conditionneur piézorésistif
nécessite le calcul des variations de résistance des jauges en fonction de leur disposition par rapport
au champ de déformation et des propriétés physiques du polysilicium.
VI.3 Création d’un logiciel de conception
Nous avons vu au chapitre IV que des limites de la simulation par éléments finis ne permettent
pas la modélisation complète d’un capteur de pression. Le rôle du logiciel de conception appelé
CONCEPT développé au laboratoire est schématisé en Figure 84. CONCEPT fait le lien entre d’une
part le comportement thermomécanique simulé du corps d’épreuve, d’autre part les propriétés
physiques mesurées du polysilicium et enfin la disposition des jauges (layout). Pour une architecture
donnée CONCEPT calcule la sortie électrique du capteur alimenté à courant ou tension constant en
fonction de la pression et de la température.
142
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
Simulation Eléments Finis : ε(P,T)
Exploitation des données
Propriétés physiques
du polysilicium
CONCEPT
Géométrie et emplacement des
jauges piézorésistives
Calcul des ∆R
Sortie électrique du capteur
Figure 84 : schéma fonctionnel de CONCEPT
VI.3.1 Exploitation des déformations en surface du corps d’épreuve prévues
par la simulation par éléments finis
Nous avons montré dans le chapitre V comment se calcule la déformation des jauges à
partir de celles simulées en surface du diélectrique dans l’hypothèse d’une transmission
intégrale des déformations entre le corps d’épreuve et les jauges. Selon le principe même de la
simulation par éléments finis et comme le montre la Figure 85, les valeurs des déformations
en surface de la membrane pour une pression et une température données sont connues pour
un ensemble de coordonnées (xi, yj) où xi et yj sont des valeurs discrètes liées au maillage.
Figure 85 : maillage et valeurs discrètes des
déformations en surface du modèle du corps
d'épreuve
Les positions des jauges piézorésistives ne coïncidant pas forcément avec le maillage,
CONCEPT interpole les valeurs des déformations en tout point du corps d’épreuve. Soit
M(x,y) un point dont on veut connaître la valeur de εx et εy (Figure 86.a), ce point appartient à
une maille repérée par des sommets de coordonnées (xi-1, yj-1), (xi, yj-1), (xi, yj) et (xi-1, yj).
143
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
CONCEPT trouve la maille contenant le point M puis par trois interpolations linéaires, calcul
successivement les valeurs de εx et εy aux points A(x,yj-1), B(x,yj) et M (x,y). Ce calcul est
schématisé en Figure 86.b dans laquelle la déformation ε (soit εx ou εy) est représentée sur un
axe vertical.
Plusieurs remarques importantes permettent de justifier ce calcul. Tout d’abord en surface
de la structure toutes les mailles ont leurs côtés parallèles aux axes X et Y donc à la direction
des déformations εx et εy. Ensuite le maillage a été resserré dans les zones de forts gradients de
déformations, et ces déformations sont quasi uniaxiales sur les médianes près des bords de
membrane (zones dans lesquelles les jauges sont placées). On peut donc considérer sur la
Figure 86.b que les points P, Q, R et S sont toujours quasi coplanaires.
a)
b)
Figure 86 : a) maillage et point M à l’intérieur d’une maille et b) interpolation linéaire des déformations.
VI.3.2 Calcul des variations de résistance des jauges
Par définition la variation relative de résistance R d’une jauge piézorésistive en
déformation biaxiale s’exprime par l’Equation 41. KL et KT sont respectivement les facteurs de
jauges longitudinal et transversal du polysilicium et εL et εT sont respectivement les
déformations longitudinale et transversale moyennes sur l’ensemble de la jauge [163, 164].
∆R
= KL ⋅ε L + KT ⋅ ε T
R
Equation 41
Les facteurs de jauges dépendent de la température T. Les déformations simulées en
144
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
surface du corps d’épreuve dépendent de T et de la pression P. CONCEPT calcule la valeur R’
d’une jauge par l’Equation 42.
R' = R ⋅ (1+ K L ⋅ ε L + K T ⋅ ε T )
Equation 42
VI.4 Présentation de l’architecture générale des démonstrateurs
VI.4.1 Dimensions du capteur et contraintes sur le positionnement des jauges
Afin d’utiliser les résultats acquis jusqu’à présent sur le comportement thermomécanique
des membranes SiO2/Si pour la conception des capteurs nous avons décidé de réaliser les
démonstrateurs avec des membranes carrées de 3 mm de côté et de fixer l’épaisseur du film
d’oxyde en surface à 0,5 µm. Le modèle des déformations thermoélastiques décrit au chapitre
V a montré que l’épaisseur minimum du silicium doit être de 20 µm pour que le corps
d’épreuve ne soit pas déformé à pression nulle et à température ambiante. Les dimensions
globales du capteur sont représentées en Figure 87. L’ensemble du microsystème tient dans un
carré de 7 mm de côté laissant de chaque côté de la membrane un espace de 2 mm largement
suffisant pour placer des contacts en aluminium. Nous retrouvons sur cette Figure une zone
grisée dite zone interdite de largeur Wi = 150 µm à partir des bords de membrane qui a été
définie au chapitre V. Pour minimiser l’influence du corps d’épreuve sur les dérives
thermiques du capteur, les jauges sont positionnées en deçà de cette zone.
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
145
Figure 87 : vue par dessus des limites du capteur et de la membrane
VI.4.2 Schéma du conditionneur piézorésistif en surface du corps d’épreuve
Sur une plaquette de 2 pouces (5 cm) de diamètre, sont réalisés en fait deux types de
conditionneurs piézorésistifs. 8 capteurs, dits de type A, possèdent un conditionneur classique : des
jauges en polysilicium de géométrie parallélépipèdique sont interconnectées par des pistes
d’aluminium (Figure 88.a)). Les jauges longitudinales ont été dédoublées pour augmenter la
sensibilité du capteur (cf. paragraphe VI.5.1) [165] et obtenir une disposition symétrique des
connexions aluminium. Nous avons également essayé une architecture innovante de conditionneur
piézorésistif qui ne comporte pas de contact aluminium/polysilicium soumis aux déformations de la
membrane. L’architecture des 8 capteurs dits de type B, qui ne comportent aucune piste d’aluminium
sur la membrane, est représentée sur la Figure 88.b). Sur chaque puce ont été ajoutés des motifs de
Hall permettant de mesurer la résistivité du polysilicium. Le polysilicium (jauges piézorésistives)
apparaît en noir sur les figures. Des motifs d’alignement (alignement des différents masques lors des
étapes de photolithographie) sont situés sur trois coins de chaque puce. En pointillé sont indiqués les
limites de la membrane, gravée en face arrière de la plaquette, ainsi que deux axes de symétrie.
146
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
a)
b)
Figure 88 : Schéma non à l’échelle de la face avant (polysilicium et aluminium) des démonstrateurs.
a) capteur avec des motifs en polysilicium simples et des interconnexions aluminium. b) capteur sans
aluminium sur la membrane
Les caractéristiques communes aux deux types de démonstrateur sont les suivantes :
• Jauges placées dans des zones de déformations quasi uniaxiales de la membrane.
• Encombrement minimum sur la membrane (influence mécanique minimum du
polysilicium et de l’aluminium).
• Disposition symétrique par rapport à la membrane pour ne pas perturber sa réponse en
pression.
• Motif de Hall pour mesurer au plus près la résistivité du polysilicium.
VI.5 Explication détaillée de l’architecture
VI.5.1 Paramètres physiques du polysilicium utilisé
Une étude récente effectuée au laboratoire par P. Kleimann [15] sur les propriétés
piézorésistives de films de silicium polycristallin LPCVD dopé au bore nous a servi de
147
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
référence pour le choix du type de polysilicium utilisé dans les démonstrateurs. Nous avons
basé la conception des capteurs sur un polysilicium LPCVD déposé à 620°C sous une
pression totale de 450 mTorr de mélange silane/hydrogène. L’implantation ionique de bore à
30 keV d’une dose de 2 1015 cm-2 et un recuit rapide d’implantation de 1100°C pendant 20 s
conduisent à une résistivité de 7,68 mΩ.cm, un facteur de jauge longitudinal KL = 27,5 et un
facteur de jauge transversal KT = -7.
VI.5.2 Transducteur électrique des capteurs de type A
En tenant compte d’une résistivité de 7,68 mΩ.cm et d’une épaisseur de polysilicium de
0,45 µm, nous avons défini les dimensions des jauges pour que leur résistance au repos soit de
l’ordre du kΩ. La résistance d’un barreau de polysilicium de longueur L, de largeur W et
d’épaisseur e parcouru par un courant I dans le sens de la longueur (Figure 89) est donnée par
la classique Equation 43. Un motif en polysilicium de 200 µm de long, 20 µm de large et
0,45 µm d’épaisseur a une résistance de 1707 Ω. Cette valeur correspond également à la
résistance totale du pont de Wheatstone équilibré vue de la source de tension ou de courant.
Figure 89 : barreau de polysilicium
R = ρ⋅
L
e⋅w
Equation 43
Le logiciel CONCEPT a permis de mettre en évidence l’intérêt de dédoubler les jauges
longitudinales en deux motifs de 100 µm de long par 20 µm de large pour augmenter la
sensibilité du capteur. Une membrane de 3 mm de côté, de 20 µm de silicium et recouverte
par 0,5 µm d’oxyde a été simulée sous différentes pressions à 25°C. L’épaisseur du
polysilicium a été fixée à 0,45 µm et sa résistivité à 7,68 mΩ.cm. Les facteurs de jauge
longitudinal et transversal ont respectivement été fixés à : KL = 28 et KT = -7. Dans le premier
cas les deux jauges longitudinales sont simples : rectangles de 200 µm x 20 µm situés à 150
µm du bord de la membrane (Figure 90.a). Dans le deuxième cas, les jauges longitudinales
148
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
sont dédoublées en deux rectangles de 100 µm x 20 µm séparées par 10 µm et mis en série
(Figure 90.b). Dans tous les cas les jauges transversales font 200 µm x 20 µm et sont situées à
190 µm du bord. Le pont est alimenté par un courant constant de 1 mA. Nous ne tenons pas
compte ici des résistances de contact des interconnexions. La Figure 91 montre que le fait de
dédoubler les jauges longitudinales permet d’augmenter la sensibilité du capteur d’environ
10% entre 0 et 100 mbar. En effet les jauges longitudinales étant disposées dans une zone de
fort gradient de déformation, plus ces jauges sont courtes et plus la valeur moyenne de la
déformation qu’elles subissent est importante. La non-linéarité de la tension de sortie du
capteur est due essentiellement à la non-linéarité des déformations du corps d’épreuve en
fonction de la pression qui a été montrée au chapitre V.
a)
b)
Figure 90 : Schéma non à l’échelle de la disposition
des jauges piézorésistives sur la membrane. a) jauges
longitudinales simples, b) jauges longitudinales
dédoublées.
Figure 91 : tension de sortie du pont avec ou sans
jauge longitudinale dédoublée
Les motifs en polysilicium sont en fait un peu plus long pour prévoir un recouvrement
des pistes d’aluminium. Les côtes exactes des conditionneurs de type A et B sont données en
Annexe C. Notons simplement que les motifs d’aluminium sont tous basés sur le schéma de la
Figure 92 pour que toutes les résistances des contacts aluminium/polysilicium et toutes les
résistances des lignes d’aluminium soient égales et n’interviennent pas dans la tension de
sortie du pont de Wheatstone.
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
149
Figure 92 : motif de liaison en aluminium
VI.5.3 Transducteur électrique des capteurs de type B
VI.5.3.1 Principe de fonctionnement
Comme dans le cas des puces de type A, toutes les liaisons entre les « jauges » et les plots
de contact aluminium en dehors de la membrane ont des formes issues du motif de base donné
en Figure 93. Ce motif de base se retrouve pour toutes les jauges par rotation de 90° et
réflexion par rapport aux axes médians de la membrane. La nouveauté ici vient de ce que la
liaison entre les « jauges » et le plot de contact aluminium est également en polysilicium. Sur
la Figure 94 est schématisé un quart de membrane, dont les limites apparaissent en pointillés,
avec un motif longitudinal et un motif transversal en polysilicium. Les « jauges » sont situées
au delà de la zone de la membrane de largeur Wi sensible aux dérives thermiques. Donc une
partie du motif de liaison en polysilicium vers les plots de contacts aluminium sera sensible à
la déformation (zones 1 et 2). Par symétrie les déformations subies par les motifs de liaisons
sont équivalentes et ne doivent pas intervenir sur la tension de sortie du pont. La géométrie du
motif de mise en série des « jauges » longitudinales doit être optimisée pour que sa résistance
soit minimum.
150
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
Figure 93 : motif de liaison en
polysilicium vers le plot de contact
aluminium (schéma non à l’échelle)
Figure 94 : position par rapport au bord
de membrane des motifs polysilicium des
puces de type B (schéma non à l’échelle)
Dans la suite de cette étude nous allons étudier la résistance des motifs longitudinaux et
transversaux en polysilicium jusqu’aux plots de contact en aluminium (Figure 95).
Figure 95 : motifs longitudinal et transversal en polysilicium
VI.5.3.2 Modélisation par éléments finis de la résistance des motifs en polysilicium dans le
cas des capteurs de type B
VI.1.1.1.1 Validation préliminaire de la simulation dans le cas d’une jauge de géométrie simple
Dans un premier temps un modèle simple permet de vérifier la validité du calcul
151
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
électrique par éléments finis. Soit un barreau de polysilicium de résistivité ρ =7,68 mΩ.cm, de
longueur L=100 µm, de largeur W=20 µm, et d’épaisseur e=0,45 µm, traversé dans sa
longueur par un courant I (Figure 89). Sa résistance R est donnée par l’Equation 43 et vaut
853,3 Ω.
Sur un modèle ANSYS de même géométrie et de même résistivité (Tableau 27), tous les
noeuds du maillage sur une extrémité du barreau sont fixés au potentiel 0 alors qu’à l’autre
extrémité on leur impose un potentiel arbitraire de 1 V par exemple (10 V ou 100 V
conduisent au même résultats).
Nombre d’éléments
Longueur
Largeur
Epaisseur
50
10
2
Elément utilisé
n°69
Tableau 27 : paramètres de simulation d’un barreau de polysilicium
ANSYS ne donne pas directement la valeur de la résistance ni celle du courant mais
donne graphiquement la densité de courant J le long du barreau. Les lignes de courant étant
parallèles à la longueur du barreau et connaissant sa section on en déduit I par l’Equation 44.
I = J ⋅W⋅e
Equation 44
Connaissant la tension, le calcul de la résistance devient évident. Pour ce barreau de
polysilicium la simulation donne une densité de courant J = 130 106 A.m-2 soit un courant
I = 1,17 mA. La résistance simulée est donc de 854,7 Ω. L’écart entre la résistance simulée et
calculée est inférieur à 0,2 %. Ce résultat satisfaisant encourage à utiliser ANSYS pour
prévoir la résistance des motifs longitudinaux et transversaux en polysilicium des
démonstrateurs de type B. La validité de la simulation pour des géométrie irrégulières sera
vérifiée par des mesures sur démonstrateurs.
VI.5.3.2.2 Optimisation de la mise en série des motifs longitudinaux
Considérons, comme dans le cas des capteurs de type A, une jauge longitudinale
152
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
dédoublée sous la forme de deux pavés rectangulaires de longueur L = 100 µm et de largeur
W = 20 µm séparés par une distance D1 = 10 µm (Figure 96.a). Le motif de polysilicium de
longueur LS et de largeur WS = 2.W + D1 qui assure la mise en série des deux motifs de base
apporte une résistance « parasite » RS (Figure 96.b).
Figure 96 : a) jauge longitudinale dédoublée b) mise en série à une extrémité
Un modèle ANSYS en 3D permet de prévoir la valeur de la résistance R vue des
points A’ et B’. L’objectif est de minimiser cette résistance R et de minimiser
l’encombrement sur la membrane du contact série pour limiter son rôle mécanique. Un film
de polysilicium de 0,45 µm d’épaisseur et de résistivité égale à 7,68 mΩ.cm a de nouveau été
considéré. La Figure 97 donne les valeurs simulées de la résistance R en fonction de la
longueur LS du contact série. Pour des valeurs croissantes de LS jusqu’à 40 µm la résistance R
diminue. Si LS • 40 µm, R reste à une valeur constante de 1942,5 Ω. La Figure 98 représente
les lignes de courant simulées par ANSYS (la longueur des vecteur est proportionnelle à la
densité du courant). Nous voyons que le courant emprunte logiquement le plus court chemin
donc augmenter LS au delà de 40 µm ne conduit pas à une baisse de la résistance R. Pour
réduire encore l’encombrement sur la membrane, les coins du motif série pourraient sans
doute être biseautés sans augmentation notable de la résistance totale. La résistance RS du
contact série (• 236 Ω) représente environ 12% de la résistance totale vue des points A’ et B’.
153
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
Figure 97 : valeurs simulées de R(Ls)
Figure 98 : lignes de courant simulées
La géométrie du contact série étant définie (LS = 40 µm), la résistance totale du motif
longitudinal jusqu’aux plots de contacts aluminium doit maintenant être simulée.
VI.5.3.2.3 Modélisation de la résistance totale du motif longitudinal en polysilicium
Les surfaces de contact entre l’aluminium et le polysilicium étant égales (1 mm2) et les
lignes de liaison ayant la même géométrie pour les motifs longitudinaux et transversaux nous
n’avons simulé que les résistances vues des points A et B et C et D à la limite de l’aluminium
(Figure 95). Pour un film de polysilicium de 0,45 µm d’épaisseur et de résistivité égale à
7,68 mΩ.cm la valeur obtenue par simulation par éléments finis de la résistance du motif
longitudinal vue des points A et B est de 3892 Ω ± 7 Ω.
VI.5.3.2.4 Modélisation de la résistance totale du motif transversal et équilibrage du pont
Sans pression appliquée et à température ambiante les résistances des motifs transversaux et
longitudinaux doivent être égales pour que le pont de Wheatstone soit équilibré (tension d’offset nulle
du capteur). L’écart D2 entre les pistes de liaison d’un motif transversal représenté sur la Figure 95.b
a été utilisé comme paramètre pour que la résistance du motif transversal vue des points C et D soit
égale à celle du motif longitudinal vue des points A et B. Après plusieurs simulations, l’équilibre du
pont (résistance vue des points C et D égale à 3892 Ω ± 7 Ω) a été trouvé pour D2 = 204 µm.
154
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
VI.5.4 Utilisation d’un motif de Hall pour la mesure de résistivité du
polysilicium
La forme des motifs de Hall utilisés est indiquée à l’échelle sur la Figure 99 (les côtes
détaillées sont données en Annexe C). Sur la Figure 99.a est représenté le niveau polysilicium.
Après dépôt puis gravure de l’aluminium des plots de contacts numérotés de 1 à 6 sur la
Figure 99.b sont présents à chaque extrémité du motif.
Les mesures sont effectuées sous
pointes. Un courant constant est imposé
entre les plots 1 et 2 et la tension est
mesurée entre les plots 3 et 4 (ou 5 et 6).
La chute de tension correspond donc sur le
schéma à la résistance R de la partie de
polysilicium
grisée
(partie
active).
Connaissant la géométrie de la partie active
de polysilicium : longueur de 550 µm,
largeur de 100 µm, épaisseur epoly on en
a)
b)
Figure 99 : motif de Hall vu à l’échelle.
a) Niveau polysilicium. b) Polysilicium
aluminium. La zone active apparaît en gris
et
déduit facilement sa résistivité donnée par
l’Equation 45.
ρ=
100
⋅e ⋅ R
550 poly
Equation 45
Cette méthode simple présente l’avantage de ne pas faire intervenir les résistances de
contact aluminium/polysilicium. En effet le courant est imposé par le générateur quelles que
soient les résistances de contact des plots 1 et 2 et l’impédance d’entrée du voltmètre (en
général 10 MΩ ou plus) fait que les résistances de contact des plots 3 et 4 (ou 5 et 6) ne
provoquent qu’une chute de tension négligeable. L’erreur sur la détermination de ρ
correspond essentiellement à l’erreur sur la détermination de l’épaisseur epoly du polysilicium,
soit environ 3%.
VI.6 Etapes technologiques de l’élaboration des démonstrateurs
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
155
A partir des schémas côtés des démonstrateurs donnés dans l’Annexe C, trois masques
chrome/verre correspondant aux niveaux polysilicium, aluminium et membranes face arrière
a
ont été réalisés au LPMO de Besançon. Les étapes technologiques de réalisation des capteurs
sont présentées sur la Figure 100.
1) Oxydation thermique de 0,5 µm à 1130°C
2), 3) et 4) Dépôt de 0,45 µm de polysilicium LPCVD 620°C à
450 mTorr. Implantation de bore (30 keV, dose 2 1015 cm-3) puis recuit
d’implantation RTA, 1100°C, 20 secondes
5) Gravure plasma du polysilicium (masque 1) pour définir les jauges
6) Dépôt de 0,6 µm d’aluminium
7) gravure humide ou RIE de l’aluminium (masque 2) et recuit 450°C,
30 mn
8) dépôt de 0,3 µm de nitrure PECVD en face arrière des plaquettes
9) gravure humide de la couche de masquage SiO2+Si3N4 (masque 3)
10) gravure KOH+H2O pour réaliser les membranes
Figure 100 : étapes technologiques de la réalisation des démonstrateurs
Les étapes de réalisation de la face avant du capteur sont identiques à celles
précédemment utilisées au laboratoire par P. Kleimann [15] pour la réalisation de poutres
permettant d’étudier les facteurs de jauge du polysilicium. Ce processus de fabrication ayant
été validé aucune modification n’y a été apportée. L’épaisseur d’oxyde thermique sur les deux
faces du substrat est de 0,5 µm. Une couche de masquage de cette épaisseur n’étant pas
a
Laboratoire de Physique et de Métrologie des Oscillateurs
156
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
suffisante (cf. chapitre II), un film de nitrure PECVD de 0,3 µm a été déposé par dessus
l’oxyde en face arrière.
VI.7 Utilisation du masque démonstrateur définissant les membranes pour
l’étude des déformations thermoélastiques des membranes SiO2/Si
L’effet de l’encastrement en réseau des membranes sur leur déformation thermoélastique
a été démontrée dans le chapitre V au paragraphe V.2.3. Après découpe la relaxation de la
flèche thermoélastique d’une membrane d’environ 14 µm d’épaisseur recouverte par 1,55 µm
d’oxyde a été mesurée. Disposant d’un masque pour la gravure du silicium pour lequel les
motifs des membranes sont plus espacés pour permettre une découpe nette des échantillons
(cf. Annexe C), nous avons à nouveau mis en évidence l’influence de la largeur du cadre sur
la déformation thermoélastique d’une membrane SiO2/Si. Les flèches présentées par une
membrane de 9,5 µm d’épaisseur recouverte par 1 µm d’oxyde ont été mesurées et simulées
avant découpe (membrane en réseau) puis après découpe de l’échantillon à l’aide d’une scie à
fil (Figure 101).
Figure 101 : Relaxation après découpe de la flèche thermoélastique d’une membrane de 9,5 µm d’épaisseur
recouverte par 1 µm d’oxyde
Pour la simulation de la déformation de la membrane avant découpe nous avons comme
précédemment utilisé un cadre de 3 mm de large. Après découpe, la largeur du cadre restant
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
157
autour de la membrane a été mesurée au profilomètre optique et un cadre moyen de 1,7 mm a
été utilisé.
Bien que d’amplitude faible, environ 1 µm, (le cadre après découpe restant quand même
assez large) une relaxation de la flèche thermoélastique a été mesurée et simulée. L’écart entre
les flèches simulées et mesurées est inférieur à 15% et peut avoir pour origine la nonuniformité de la gravure de la membrane conduisant à son amincissement près des bords.
Cette explication avait déjà été donnée au chapitre V pour expliquer l’écart entre les flèches
mesurées et simulées en fonction de la pression d’une membrane non-oxydée.
VI.8 Mesures sur démonstrateurs comparées aux modèles Eléments Finis
VI.8.1 Mesures de résistance des motifs longitudinaux et transversaux
Des mesures sous pointes ont été réalisées au CIME de Grenoble avec un appareil
Hewlett Packard 4155A. Les résistances ont été déterminées d’après une mesure I(V) en 2
pointes : V variant de -2 V à 2 V par pas de 20 mV. On peut ainsi vérifier que les contacts
sont ohmiques. Une rampe de courant de -1 mA à 1 mA par pas de 10 µA a été imposée pour
les mesures 4 pointes de résistance des motifs de Hall. Les épaisseurs de polysilicium ont été
mesurées au profilomètre Alpha-step.
VI.8.1.1 Résistance des jauges pour un capteur de type A
Sur une plaquette nous nous avons mesuré une épaisseur de polysilicium de 0,46 µm ±
0,01 µm et une résistivité moyenne de 7,9 mΩ.cm. Sur 16 mesures nous avons déterminé une
résistance moyenne des jauges transversales de 2053 Ω et une valeur moyenne des jauges
longitudinales de 2100 Ω. Soit un écart inférieur à 2,5% qui peut être provoqué par la
présence de 2 contacts aluminium/polysilicium en plus pour les jauges longitudinales. La
résistance théorique (ou simulée) donnée par l’Equation 43 pour cette résistivité et cette
épaisseur de polysilicium est de 1713 Ω soit une différence inférieure à 20 % par rapport aux
mesures. Cette différence ne peut s’expliquer par le fait que l’Equation 43 ne tienne pas
compte des résistances de contact entre l’aluminium et le polysilicium qui sont en principe
très faibles pour le niveau de dopage utilisé (4,4 1019 cm-3). Nous pensons plutôt que la résine
158
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
photosensible utilisée lors des étapes de photolithographie a mal été gravée par plasma
oxygène
et
a
formé
partiellement
une
couche
diélectrique
à
l’interface
polysilicium/aluminium ou en surface de l’aluminium lors des étapes de réalisation du
conditionneur piézorésistif.
VI.8.1.2 Résistance des jauges pour un capteur de type B
Sur l’ensemble d’une autre plaquette nous avons mesuré la même épaisseur de
polysilicium que précédemment soit 0,46 µm ± 0,01 µm et une résistivité de 8,3 mΩ.cm.
Contrairement à ce que nous avions souhaité les motifs transversaux ont présenté une
résistance plus élevée soit 4535 Ω (moyenne sur 16 jauges) que celle des motifs longitudinaux
soit 4430 Ω (idem).
Pour la résistivité et l’épaisseur de polysilicium mesurées nous avons à nouveau simulé
les valeurs des résistances des motifs longitudinaux et transversaux en polysilicium (sans tenir
compte des contacts aluminium). Une valeur moyenne de 4109 Ω a été trouvée ce qui
représente un écart avec les mesures inférieur à 10% qui, encore une fois, peut être causé par
une mauvaise maîtrise des étapes technologiques de photolithographie.
VI.8.2 Réponse en pression mesurée et modélisée des capteurs
VI.8.2.1 Dispositif expérimental
Après découpe à la scie à fil des échantillons, des fils d’or sont soudés par ultrasons sur
les plots de contact aluminium. Le capteur est ensuite collé à la cire sur un support circulaire
en laiton percé (cf. chapitre V). Pour relier le capteur aux appareils de mesure un connecteur a
été réalisé au laboratoire : sur un anneau circulaire en dural de 5 mm d’épaisseur, 10 mm de
hauteur et 60 mm de diamètre intérieur sont fixées des mini embases banane (Figure 102). Les
fils d’or sont collés sur ces embases avec de la laque à argent. Lorsque l’on mesure en deux
fils à l’ohmmètre la résistance d’une jauge il faut tenir compte d’une résistance de liaison
totale (fils d’or, laque, connecteurs, fils classiques) de 2 à 3 Ω seulement. L’ensemble capteur
159
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
+ connecteur est placé sur le banc de mesure en pression lui même fixé à la table de
déplacement du profilomètre optique (Figure 103). Il est ainsi possible de faire simultanément
des mesures de profils et des mesures électriques.
Les jauges sont interconnectées en pont de Wheatstone alimenté en courant constant. Une
alimentation performante capable de délivrer un courant de 1 mA ± 1 µA avec une dérive en
température inférieure à 100 pA et pouvant alimenter des charges de 5 kΩ a été réalisée au
laboratoire.
Figure 102 : photo du connecteur en anneau
Figure 103 : photo du capteur monté sur le banc de
mesure en pression fixé à la table de déplacement xy
du profilomètre optique
VI.8.2.2 Réponse en pression d’un capteur de type A
L’épaisseur de la membrane du capteur de type A étudié n’a pas été mesurée au
spectromètre FT-IR mais compte tenu de la profondeur gravée et de l’épaisseur du substrat
nous estimons que l’épaisseur de la membrane est comprise entre 20 et 22 microns. Nous
avons modélisé par éléments finis la réponse en pression (jusqu’à 400 mbar) d’une membrane
composite de 3 mm de côté, 20 µm d’épaisseur recouverte par 0,5 µm d’oxyde. Sur ce capteur
nous avons mesuré une résistivité de 7,9 mΩ.cm et une épaisseur de polysilicium de 0,46 µm.
D’après les travaux de P. Kleimann [15] nous en avons déduit un facteur de jauge longitudinal
de 28,3 et un facteur de jauge transversal de -8,5. Avec ces paramètres et compte tenu de la
160
Chapitre
VI
:
Conception
et
réalisation
de
démonstrateurs
disposition des jauges donnée dans l’Annexe C, la sortie électrique du capteur à 25°C a été
donnée par le logiciel CONCEPT. Les sorties électriques mesurées et simulées sont
présentées sur la Figure 104. Malgré la non-linéarité du capteur, une sensibilité moyenne
d’environ 43 mV/bar/mA a été calculée. Un bon accord apparaît entre les tensions mesurées et
simulées pour des pressions de 0 à 400 mbar.
VI.8.2.3 Réponse en pression d’un capteur de type B
L’épaisseur de la membrane n’a pas été mesurée précisément mais est estimée également
entre 20 et 22 µm avec un oxyde en surface de 0,5 µm. L’épaisseur du polysilicium est de
0,46 µm ± 0,01 µm et sa résistivité de 8,3 mΩ.cm. La sortie électrique mesurée de ce capteur
est tracée en fonction de la pression sur la Figure 105. Une tension d’offset de -73,2 mV a été
soustraite pour ce tracé. Une sensibilité d’environ 37 mV/bar/mA a été calculée montrant la
faisabilité de ce type de capteur. La sortie électrique de ce capteur n’a toutefois pas été
modélisée dans le cadre de ce travail.
Figure 104 : sortie électrique d'un capteur de type A
Chapitre VI : Conception et réalisation de démonstrateurs
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Figure 105 : sortie électrique d'un capteur de type B
VI.9 Conclusion du chapitre VI
Deux architectures de capteurs de pression à membrane de type PSOI ont été présentées.
La conception du conditionneur piézorésistif en surface du corps d’épreuve a fait appel aux
résultats des simulations par éléments finis présentées dans les chapitres précédents. Le
positionnement et les dimensions des jauges ont été définis de façon à limiter les dérives
thermiques du capteur tout en gardant une forte sensibilité. Un logiciel de conception
permettant de prévoir la sortie électrique d’un conditionneur en pont de Wheatstone en
fonction des résultats des simulations, des propriétés physiques du polysilicium et de la
disposition des jauges a été développé. Nous avons montré la faisabilité d’un capteur sans
interconnexions métalliques soumises aux déformations de la membrane et aux éventuelles
atmosphères corrosives. La simulation par éléments finis a également été utilisée pour prévoir
la résistance de motifs en polysilicium de géométrie complexe. Les premières mesures en
pression ont été réalisées et un bon accord a été trouvé entre les sorties électriques mesurées et
simulées dans le cas d’un capteur à interconnexions par pistes d’aluminium.
Enfin, les résultats du chapitre V concernant l’influence du cadre sur la déformation
thermoélastique des membranes SiO2/Si ont été à nouveau confirmés sur un réseau de
membrane de géométrie différente.