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3A EMS Microtechnologie de fabrication silicium « micromachining » technologie MEMS (cours énergie systèmes nomades) Matthieu Denoual STMicroelectronic s 2 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Pourquoi le silicium ? Pourquoi le silicium ? Matériau pas cher (très répandu), Matériau de très grande qualité cristallographique, reproductible. Matériau aux propriétés intéressantes : Module d’Young proche de celui de l’acier, Plus léger que l’acier, densité proche de celle de l’aluminium, Limite élastique deux fois plus grande que celle de l’acier, Pas de déformation plastique, Déformations élastiques reproductibles, pas d’hystérésis, Très bonne résistance à la fatigue mécanique (bon vieillissement), Conductivité thermique ~50% supérieure à celle de l’acier, Dilatation thermique 1/5ième de celle de l’acier. excellentes propriétés mécaniques Propriétés piezorésistives (jauges d’extensiométrie), (100 fois plus importantes que dans les métaux) Propriétés semiconductrices (intégration IC, capteurs température, optiques). Technologie de fabrication maîtriser grâce aux technologie semi-conducteur, Réduction des coûts par procédés collectifs massifs, Reproductibilité, fiabilité, Possibilité d’intégration d’électronique. Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 1 3A EMS 3 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Pourquoi le silicium ? 4 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Plan de Microtechnologie de fabrication silicium « micromachining » 1. Micro-usinage de surface 2. Micro-usinage de volume 3. Ajout de matière Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 2 3A EMS 5 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » 1. Micro-usinage de surface Empilement de couches «sacrificielles» et de couches «structurelles» 6 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface Définitions : couche «sacrificielle» : couche de matériau qui est déposée entre des couches structurelles pour réaliser une séparation et une isolation mécanique. Cette couche est enlevée durant la phase de dégagement (releasing) pour libérer les couches structurelles et permettrent aux dispositifs mécaniques de bouger par rapport au substrat. couches «structurelles» : couche de matériau qui comporte le dispositif mécanique. Cette couche est dégageable lorsqu’une couche sacrificielle la sépare du substrat. Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 3 3A EMS 7 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface Empilement de couches «sacrificielles» et de couches «structurelles» 1. insolation de la couche sacrificielle 2. développement 4. insolation de la couche structurelle 5. développement 3. dépôt de la couche structurelle 6. retrait de la couche sacrificielle multi-couches, épaisseur, séparation des couches 8 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface Couches structurelles et couches sacrificielles Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 4 3A EMS 9 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface Exemple : Digital Mirror Display (DMD) de Texas Instrument 10 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface surface du DMD de Texas Instrument motifs du DMD de Texas Instrument comparés avec une patte de fourmi Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes Carrés de 10 à 15µm de coté. Jusqu’à 1.3 millions de miroirs. Micro-usinage de surface à base de polysilicium. Miroir d’aluminium réfléchissant. Fabriqué sur une mémoire SRAM CMOS. Actionnement électrostatique. 5 3A EMS 11 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Fonctionnement du DMD 12 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Fonctionnement du DMD Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 6 3A EMS 13 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface Exemple : moteur tournant électrostatique Applications ? démonstration Principe Contrôle de tension pour faire tourner un rotor sous l’action de force électrostatique. 14 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 7 3A EMS 15 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface http://mems.sandia.gov/ 16 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 8 3A EMS 17 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de surface 18 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » 2. Micro-usinage de volume Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 9 3A EMS 19 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume Définition : Bulk etching : usinage de volume. Rapport de forme (vertical aspect ratio) : c’est le rapport entre le hauteur d’une structure perpendiculaire au substrat et la largeur de la dimension minimum du dispositif. Ce paramètre permet de caractériser les procédés de gravure profonde ainsi que les méthode de microfabrication par ajout de matière. l h Ratio = h/l Exemple : pour une gravure deep-RIE le ratio peut aller jusqu’à 50 (100µm de hauteur pour 2µm de largeur) 20 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume Micro-usinage de volume retrait de matière 1. gravure humide anisotropique 2. gravure sèche isotropique 3. gravure sèche anisotropique Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 10 3A EMS 21 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usingae de volume Gravure humide anisotropique Vitesse de gravure plus importante dans une direction que dans l’autre. La vitesse dépend de l’orientation cristalline Les plans plus denses ( <111> par exemple pour Si) se gravent plus lentement que les plans moins denses (<100> ou <110>) La profondeur gravée dépend de la géométrie Arrêt de la gravure (ou sélective différente) en fonction du dopage Libération de structures suspendues. Non contaminant pour Si, donc compatible avec les circuits intégrés. Masques compatibles: SiO2, Si3N4, Al. Composition: (CH3)4NOH (20%) + H2O ; Forme OH- pour oxyder Si. Attention: la formation de bulles d’H2 peut donner des surfaces rugueuses 22 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume 1. gravure humide anisotropique performances vitesse de gravure du Si <100> (um/h) qualité de gravure sélectivité <111>/<100> vitesse de sous-gravure (um/h) compatibilité CMOS sélectivité SiO2/Si sélectivité Si3N4/Si gravure de l'aluminium couche d'arrêt de gravure toxicité coût EDP 30 à 65 très bonne 1/20 1.4 à 2.9 oui 1/10000 moyenne couche dopée bore élevée élevé EDP: Ethylene diamine pyrocatechol TMAH: Tetramethyl Amonium Hydroxyde KOH: potasse KOH 150 très bonne 1/30 à 1/130 0.5 à 2 non 1/100 à 1/400 1/10000 rapide couche dopée bore faible faible TMAH 40 à 100 moyenne 1/10 à 1/60 0.2 à 1.9 oui 1/100 à 1/1000 1/150 à 1/350 lente couche dopée bore faible moyen corrosif ET cancérigène! K+ contaminant pour Si à éviter en microélectronique Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 11 3A EMS 23 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume Hotte de chimie utilisée pour la gravure TMAH Capteur de pression www.elmos.com Structure libérée par une gravure TMAH Membrane suspendue de SiO2 libérée par une gravure TMAH 24 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume Gravure sèche anisotropique gravure sèche profonde ou Deep-RIE : ⇒ association d’une machine et d’un process Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 12 3A EMS 25 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume Principe du process «BOSCH» Masque défini en résine Gravures et passivations successives: Gravure: Passivation: C4F8 Effet SF6 + O2 de ‘scalopping’ Couche de polymère sur les flancs des structures. Bosch Sensortec https://www.bosch-sensortec.com Système RIE Système ICP (Reactive Ionic Etching) (Inductively Coupled Plasma) plus haute densité de plasma 26 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume Exemples de gravure Si profonde Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 13 3A EMS 27 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume motifs gravés par ICP-RIE 28 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume Vitesse de gravure en fonction du rapport de forme et de la largeur des tranchées Besoin d’une couche d’arrêt pour un contrôle dimensionnel précis. Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 14 3A EMS 29 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume 30 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Exemple d’utilisation ICP-SOI Structure Comb-drive Applications positionnement de tête de lecture disque dur, laser CDRom convoyage capteurs capacitifs (force, accélération) Principe actionneur électrostatique, capteur électrostatique, capacitif Intérêt du MEMS dimensions. Intégration dans le silicium. Structure en peignes interdigités Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 15 3A EMS M. Denoual ENSICAEN 31 Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » M. Denoual ENSICAEN 32 Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Exemple d’utilisation ICP-SOI Comb-drive sensor Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 16 3A EMS 33 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Exemple d’utilisation ICP-SOI Comb-drive sensor Characterizing Fruit Fly Flight Behavior Using a Micro Force Sensor With a New Comb Drive Configuration, Y. Sun and B.J. Nelson ETH Suisse 34 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Micro-usinage de volume Tableau comparatif des techniques de gravure de volume gravure humique anisotropique gravure sèche anisotropique ~µm/min Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 17 3A EMS 35 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Comparaison usinage de surface et usinage de volume : caractéristique Micro-usinage de surface Micro-usinage de volume Matériau de base Polysilicium Silicium Couches particulières Couches sacrificielles : PSG, SiO2 Couche d’arrêt oxyde, couche dopées. Couches sacrificielles : oxyde (wafers SOI) qqs µm Petites (grande précision contrôlée par l’épaisseur des couches (quelques µm) qqs 100 µm Grandes (les cavités font typiquement plusieurs centaines de µm) Process simple face, Basé sur la sélectivité de gravure, Gravure isotrope, Stress résiduel dans les couches dépendant du dépôt, du dopage et des recuits. Process simple ou double face, Basé sur la sélectivité de gravure, Gravure anisotrope, (dépendant des orientation du cristal), Couche d’arrêt de gravure, Modelage de contours (patterning). dimensions process 36 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » 3. Ajout de matière (épitaxie) Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 18 3A EMS 37 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Ajout de matière Epitaxie : croissance du silicium Semi-conducteur THELMA H2+SiH2Cl2 Si + H2 + 2HCl 38 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Ajout de matière 2. Epitaxie sélective polysilicium Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 19 3A EMS 39 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Ajout de matière 40 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Ajout de matière Actionneur thermique Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 20 3A EMS 41 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Ajout de matière Actionneur thermique video actionneur thermique 42 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Ajout de matière 3. Epitaxie polysilicium Accéléromètre angulaire ST L6671 : 2.5rad/sec2 ; 30$ process THELMA MEMS de l’accéléromètre angulaire ST Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 21 3A EMS 43 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Différence par rapport aux techniques semiconducteurs Différences entre les technologies de micro-fabrication MEMS (usinage de surface, de volume, ajout matière) et les technologies de microfabrication semiconducteurs : Machines utilisées (exemples ICP-RIE) Process spécifique aux microtechnologies MEMS : XeF2, HF vapeur Conception intègre des aspects mécaniques, thermiques différents (3D, mouvement). En pratique : dispositifs plus fragiles, sticking, alignement double face, haut rapports de formes. Procédé pas encore entièrement standardisés (MUMPS, THELMA). Moins de recul que dans le domaine des SC. Machines faible débit : ICP-RIE. Problème du packaging. D’un point de vue marché, production négligeable par rapport à l’industrie SC. 44 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Différence par rapport aux techniques semiconducteurs Alignement double face Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 22 3A EMS 45 M. Denoual ENSICAEN Microtechnologies de fabrication silicium « micromachining » Différence par rapport aux techniques semiconducteurs Effets négatifs sur l’étalement de la résine des rapports de formes des dispositifs MEMS Technologies silicium pour MEMS, microsystèmes 23
