b. Les microphones MEMS capacitifs - solutions typiques

Après les microphones MEMS à électret, Holm fut l’un des pionniers des microphones MEMS capacitifs. Lui et son équipe réalisent, en 1989, le premier microphone MEMS capacitif (sans électret) [14]. Ce microphone est fabriqué à partir de deux substrats différents, un pour le diaphragme et un pour l’électrode fixe, qui sont ensuite collés pour former le dit microphone. Le diaphragme est constitué de nitrure de silicium déposé par CVD sur un substrat ayant subi une première oxydation (Figure 4.9.a à gauche). Ensuite la face arrière du substrat est partiellement gravée par une solution de KOH (Figure 4.9.b à gauche). Un diaphragme en nitrure de silicium est alors obtenu. Une dernière étape consiste à déposer une fine couche d’aluminium (100 nm) afin de métalliser le diaphragme (Figure 4.9.c à gauche). Concernant l’électrode fixe, le procédé de fabrication est très similaire. En effet, un second substrat, sur lequel de l’oxyde a été déposé (Figure 4.9.a à droite), est gravé par une solution d’éthylène diamine pyrocatéchol (EDP) (Figure 4.9.b à droite). Deux fentes rectangulaires sont alors créées dans l’électrode fixe permettant de lier le gap d’air et la cavité arrière du microphone. Deux nouveaux dépôts successifs d’oxyde permettent respectivement de définir la hauteur du gap d’air (Figure 4.9.c à droite), et de réduire les capacités parasites en isolant l’électrode fixe du substrat (Figure 4.9.d à droite). Finalement, une fine couche d’aluminium est déposée pour la métallisation de l’électrode fixe. Une fois usinés, le diaphragme et l’électrode fixe sont collés pour former le microphone (Figure 4.9 au milieu). De cette façon, des microphones de différentes tailles ont été fabriqués, les sensibilités varient de 0.2 mV/Pa à 4.3 mV/Pa pour une tension de polarisation de 28 V. Les bandes de fréquences vont de 200 Hz à 2 kHz pour les microphones les plus sensibles et jusqu’à 20 kHz pour les moins sensibles d’entre eux.

Figure 4.9. Premier microphone MEMS capacitif (sans électret). Le diaphragme et l’électrode fixe sont fabriqués à partir de deux substrats différents pour ensuite être

assemblés afin de former le microphone [14]. diaphragme électrode fixe

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La voix des microphones MEMS utilisant les techniques de microfabrication est alors ouverte. En 1990, Bergqvist et Rudolf proposent les premiers microphones MEMS capacitifs [15,16] conçus entièrement par des techniques de micro-usinage, sans assemblage « à la main ». En effet, bien que le diaphragme et l’électrode fixe soient fabriqués sur deux substrats différents, ils sont assemblés par « wafer bonding ». On peut noter que le microphone dans [16] est le premier avec une électrode fixe présentant des perforations importantes (Figure 4.10), réduisant ainsi les effets d’amortissement dans le gap d’air. Ce microphone présente alors une sensibilité de 1.6 mV/Pa à 1 kHz et pour une tension de polarisation de 5 V, sa bande de fréquence s’étend de 2 Hz à 20 kHz. On retrouve, plus récemment (2007), un procédé utilisant le « wafer bonding » pour la fabrication d’un microphone MEMS capacitif dans [17].

Figure 4.10. Microphone MEMS capacitif avec une électrode fixe possédant des perforations importantes [16].

En 1991, Scheeper et son équipe présentent le premier microphone MEMS capacitif utilisant une couche sacrificielle [18]. En effet, un substrat de silicium, sur lequel a été déposé successivement du dioxyde de silicium (face avant et arrière), de l’aluminium et du nitrure de silicium (Figure 4.11.1), est partiellement gravé par la face arrière grâce à une solution de KOH (Figure 4.11.2), définissant ainsi les trous acoustiques permettant l’évacuation de l’air. Puis, une gravure à l’acide fluorhydrique (HF) élimine une partie du SiO2 afin de permettre la gravure de la couche sacrificielle d’aluminium par un mélange de H₃P0₄ / HN0₃ / CH₃COOH / H₂0 (Figure 4.11.3). Une fine couche d’or est enfin déposée pour la métallisation du diaphragme. De cette façon, un microphone avec un diaphragme constitué de nitrure de silicium est obtenu. Malheureusement, ce microphone présente une bande de fréquence limitée (<40 Hz) et la sensibilité diminue quand la fréquence augmente.

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Néanmoins, à partir d’un procédé similaire utilisant toujours une couche sacrificielle d’aluminium et un diaphragme en nitrure de silicium (Figure 4.12), Scheeper conçoit, en 1992, un nouveau microphone [19] et améliore ainsi les performances du précédent en augmentant l’épaisseur du gap d’air, mais aussi grâce à une électrode fixe possédant un plus grand nombre de trous. Les caractéristiques des différents microphones ainsi obtenus sont une sensibilité de 1 à 2 mV/Pa et une bande de fréquence pouvant aller jusqu’à 14 kHz. Cependant, l’avantage majeur de ce type de microphone n’est pas tellement ses performances, mais plutôt la possibilité de réaliser un microphone sur un seul substrat sans avoir recours aux techniques de collage ou de « wafer bonding ».

Figure 4.12. Microphone MEMS capacitif amélioré utilisant une couche sacrificielle d’aluminium [19].

A ce moment, on voit bien que l’amélioration des techniques de microfabrication commence donc à contribuer fortement à la miniaturisation des microphones. Cependant, afin de contrer les inconvénients causés par cette miniaturisation, plusieurs géométries de microphone et de nouveaux procédés sont développés. Ces nouvelles innovations visent surtout à réduire les effets d’amortissement du gap d’air et à augmenter la sensibilité des microphones.

Dans cette optique, Kühnel et Hess présentent, en 1992, un microphone MEMS capacitif avec une électrode fixe possédant des rainures [20]. Celles-ci permettent de réduire la résistance du gap d’air et offrent une alternative à la solution proposée dans [19], qui consistait à augmenter le nombre de trous dans l’électrode fixe. Cependant, ces rainures provoquent un gap d’air non uniforme, ce qui affecte le champ électrostatique du microphone. En 1994, une nouvelle technique, dont l’objectif est de diminuer la rigidité du diaphragme et donc d’améliorer la sensibilité du microphone, est proposée par Scheeper et son équipe [21]. Elle consiste à fabriquer un diaphragme ondulée (« corrugated diaphragm ») (Figure 4.13) offrant ainsi la possibilité de contrôler la sensibilité mécanique du diaphragme grâce aux dimensions de ces ondulations [21].

Figure 4.13. Schéma d’un diaphragme ondulé [21].

Le procédé de la Figure 4.14 décrit la façon de fabriquer des diaphragmes ondulés dans [21]. Des ondulations de différentes épaisseurs sont gravées par RIE (plasma SF₆-O₂) sur un substrat de silicium, sur lequel a été déposé préalablement, par évaporation, un masque d’aluminium (Figure 4.14.a). Après avoir éliminé le masque d’aluminium, 1 µm de nitrure de

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silicium est déposé par LPCVD sur les deux faces du substrat, cependant sur la face arrière de ce substrat, une fenêtre carrée de nitrure de silicium est gravée par RIE (plasma CHF3/O2) (Figure 4.14.b). Enfin, le substrat est gravé par la face arrière grâce à une solution de KOH, le diaphragme en nitrure de silicium est alors obtenu (Figure 4.14.c).

Figure 4.14. Procédé de fabrication d’un diaphragme ondulé [21].

En 1996, Zou et son équipe furent les premiers à utiliser un diaphragme ondulé pour un microphone MEMS capacitif [22,23] (Figure 4.15). Le procédé d’un tel microphone utilise sept masques différents et est détaillé dans [22]. Les ondulations du diaphragme sont réalisées par la gravure du substrat de silicium. Par la suite, on retrouve des microphones MEMS capacitifs avec des diaphragmes ondulés dans plusieurs travaux [24-27] et plus récemment dans [28] avec une mention spéciale pour celui-ci, puisqu’il a la particularité d’être fabriqué à partir d’une technologie CMOS (particularité qui fera l’objet du prochain paragraphe). Tous ces travaux montrent que la sensibilité du microphone est plus importante avec un diaphragme ondulé, cependant les procédés de fabrication de tels microphones sont plus complexes à mettre en œuvre.

Figure 4.15. Microphone MEMS capacitif avec diaphragme ondulé [22].

Bergqvist et Gobet présentent, en 1994, un nouveau procédé de fabrication d’un microphone MEMS capacitif [29]. Ils utilisent les techniques de couche sacrificielle et de galvanoplastie (électrodéposition). En effet, à partir d’un substrat de silicium, une couche sacrificielle photorésistante est déposée sur la face avant de celui-ci. Puis l’électrode fixe en cuivre est fabriquée par galvanoplastie en utilisant comme moule une fine couche de titane/or, préalablement déposée sur la couche photorésistante. Dans un second temps, la face arrière du substrat est partiellement gravée par une solution KOH, cette gravure est arrêtée de façon à ce que le silicium restant forme le diaphragme. L’étape finale consiste à graver la couche sacrificielle photorésistante afin de libérer la microstructure et obtenir ainsi le microphone convoité (Figure 4.16). Ainsi une sensibilité de 1.6 mV/Pa pour une tension de polarisation de 28V a été obtenue, la bande de fréquence s’étend jusqu’à 10 kHz.

CHAPITRE 4 : Microphone MEMS capacitif Page 138 Figure 4.16. Microphone MEMS capacitif fabriqué à partir des techniques de couches

sacrificielles et de galvanoplastie [29].

Plus récemment, on retrouve un procédé dans lequel l’électrode fixe est fabriquée par galvanoplastie dans [30], mais dans cet exemple, le diaphragme et l’électrode fixe sont fabriqués sur deux substrats différents puis assemblés.