• Aucun résultat trouvé

3.4 Microfabrication

3.4.2 Caractérisation

À toutes les étapes de fabrication, il est nécessaire de contrôler ce qui est obtenu. Il s’agit le

plus souvent d’épaisseurs et de largeurs (résines), de manière plus générale l’aspect des puces

(présence de défauts. . . ), mais également des propriétés particulières comme des résistances

Étape Schéma Description

1 a) Nettoyage substrat (verre)- Bain H2O2/ H2SO4(2 min). Plasma O2,

800 W, 15 min.

2 b) Métallisation- Dépôt couche d’accroche et métal par évaporation :

Ti/Au 50/50 nm.

3 c) Électrodésposition 2μm - Plasma O2, 200 W, 2 min. Bain de

crois-sance électrolytique. Densité de courant : 1 A2cm1. Temps de dépôt

en fonction de la surface à croître et de l’épaisseur souhaitée (2μm).

4 d) Dépôt ECI1.2μm - Plasma O2, 200 W, 2 min. Dépôt résine ECI de

1.2μm,vr ot=5000 rpm. Recuit : 90C, 1 min. Détourage (acétone).

5 d) Photolithographie- Insolation : masque avec pistes d’arrivée de

cou-rant,λ=405 nm, dose de 200 mJ2cm1. PEB : 110C, 1 min.

Dévelop-pement : bain de MF CD 26 pendant 15 s puis rinçage à l’eau DI.

6 - Retrait ECI- Dissolution du moule en ECI avec un nettoyage (jet /

bain) à l’acétone.

7 e) Attaque des couches d’accroche- Plasma O2, 200 W, 2 min. La couche

d’or est attaquée avec une solution de KI + I2(bain d’environ 2 min). La

couche de titane est attaquée par un bain de HF 5%, pendant environ

20 s. Contrôle visuel au microscope pour les deux opérations.

8 f ) Dépôt SU-85μm - Plasma O2, 200 W, 2 min. Dépôt résine SU-8 3005

de 5μm,vr ot=3500 rpm. Recuit : 95C, 3 min. Détourage (acétone).

9 f ) Photolithographie - Insolation : masque avec ouvertures pour

connexions électriques,λ=365 nm, dose de 200 mJ2cm1. PEB : 95C,

3 min. Développement : bain de PGMEA pendant 3 min. Recuit final

(rampe) : 125C, 2 min.

TABLEAU3.4 – Première partie du protocole pour la réalisation d’actionneurs (bobines spirales).

Les lettres (a-f ) se réfèrent à la Fig.3.14.

Étape Schéma Description

10 g) Métallisation- Dépôt couche d’accroche et métal par évaporation :

Ti/Au 50/50 nm.

11 h) Dépôt AZ 40XT13μm - Plasma O2, 200 W, 2 min. Dépôt résine AZ 40XT

de 13μm,vr ot =5000 rpm. Recuit : 126C, 4 min (2 min de mise en

température). Détourage (acétone).

12 h) Photolithographie- Insolation : masque avec bobines spirales,λ=

405 nm, dose de 450 mJ2cm1. PEB : 105C, 90 s (mise en température

de 20 s). Développement : bain de MF CD 26 pendant 1 min puis

rinçage à l’eau DI.

13 i) Électrodésposition 5μm - Plasma O2, 200 W, 2 min. Bain de

crois-sance électrolytique. Densité de courant : 1 A2cm1. Temps de dépôt

de l’ordre de 20 min, en fonction de la surface à croître et de l’épaisseur

souhaitée (5μm).

14 - Retrait AZ 40XT- Dissolution du moule en AZ 40XT avec un nettoyage

(jet / bain) à l’acétone.

15 j) Attaque des couches d’accroche- Plasma O2, 200 W, 2 min. La couche

d’or est attaquée avec une solution de KI + I2(bain d’environ 30 s). La

couche de titane est attaquée par un bain de HF 5%, pendant environ

20 s. Contrôle visuel au microscope pour les deux opérations.

16 k) Dépôt SU-810μm - Plasma O2, 200 W, 2 min. Dépôt résine SU-8 de

10μm,vr ot=900 rpm. Recuit (rampe) : 95C, 7 min. Détourage

(acé-tone).

17 k) Photolithographie - Insolation : masque avec ouvertures pour

connexions électriques, λ = 365 nm, dose de 200 mJ2cm1. PEB

(rampe) : 95C, 3 min. Développement : bain de PGMEA pendant

5 min. Recuit final (rampe) : 125C, 2 min.

18 i) Laminage DF20μm (ou 50μm) - Plasma O2, 200 W, 2 min. Laminage

niveau supérieur : P = 2 bar, v = 1 m/ min, T = 65C. Découpe et retrait

du liner.

19 - Photolithographie- Insolation : masque avec réseau fluidique et

ou-vertures connexions électriques,λ=365 nm, dose de 250 mJ2cm1.

PEB (rampe) : 100C, 5 min. Développement : cyclohexanone, 2 + 2

min.

. . . 25 l) Répétition (×3) des étapes 18 et 19- Les temps de PEB et de

dévelop-pement augmentent avec les niveaux.

TABLEAU3.5 – Deuxième partie du protocole pour la réalisation d’actionneurs (bobines

spi-rales). Les lettres (g-j) se réfèrent à la Fig.3.14. Le "+" entre deux durées pour une étape de

développement indique que le bain a été renouvelé.

!"#$%

&

'

!$$(%

)

*

$

+++

FIGURE3.14 – Procédé de fabrication d’un dispositif magnéto-microfluidique comprenant des

bobines spirales et un réseau de canalisations 3D. Deux étapes de métallisation, deux étapes

d’électrodéposition et huit étapes de photolithographie (quatre dépôts liquides et autant de

laminages) sont nécessaires. Les différentes opérations sont détaillées dans le texte et dans les

tableaux3.4et3.5.

électriques (microbobines).

3.4.2.1 Bobines filaires

La Fig.3.15présente quelques points de contrôle et résultats de fabrication pour les bobines

filaires. Après la recharge électrolytique pour la création des bobines et le retrait de la résine,

l’attaque de la couche de base est réalisée. Il faut s’assurer que les couches d’or et de titane

(couche d’accroche) ont bien été dissoutes, ce qu’on vérifie au microscope optique (a). La

géométrie des bobines est contrôlée de trois manières : au microscope optique, au profilomètre

mécanique (épaisseur), et au microscope électronique à balayage, qui permet d’observer avec

une plus grande résolution (d-e).

On remarque que la granularité du dépôt électrolytique est différente selon le métal employé :

le cuivre (a) est constitué de grains beaucoup plus fins que l’or (b-d). Ce n’est pas un problème

pour nos systèmes, la résistivité électrique étant conforme à ce que l’on attendait.

La résistance de chaque bobine est mesurée pour chaque puce, en utilisant une station

sous pointe automatisée (mesure de 120 circuits par wafer, pour 3 wafers). La Fig.3.15f )

présente les mesures obtenues pour un dispositif de piégeage (photos c et e) : pour chaque

métal les résistances sont voisines, la variation étant due à des longueurs différentes pour les

pistes connectant les bobines. Ces mesures permettent de remonter à des valeurs de résistivité

électrique pour chaque métal :σCu=6.24 S m1,σAu=3.85·107S m1,σAu,r=3.12·107S m1.

On note en premier lieu que ces valeurs sont proches de ce qui existe dans la littérature (densité

satisfaisante pour la croissance électrochimique), et que la résistance de l’or décroit de près

de 20% après un recuit. Le cuivre reste le meilleur matériau en terme de conductivité, mais est

plus sujet à l’oxydation lors du procédé (plasma O2).

La partie fluidique est observée étage par étage au microscope optique (vérification de

l’ali-gnement et du bon développement des canaux), comme le montrent les images (b) et (c).

3.4.2.2 Bobines spirales

Les dispositifs à bobines spirales sont plus complexes à construire (nombres d’étapes plus

élevé), mais les techniques de contrôle sont identiques : microscope optique, électronique,

profilomètre mécanique, et mesures de résistivité sous pointes. La Fig.3.16montre la

réa-lisation de deux types de bobines spirales à 10 spires, l’une circulaire et l’autre carrée. Le

design de séparation verticale met en jeu des bobines en série (gain de place et deux contacts

permettent d’alimenter trois bobines en même temps). Cela implique une bonne circulation

du courant dans les trois bobines et les trois vias reliant les pistes inférieures et supérieures (a).

L’alignement des vias est particulièrement important (b), et doit être précis à 5μm près pour

que toutes les bobines du wafer soient connectées : le phénomène de contraintes mécaniques

imposées par la résine désaligne de manière antagoniste des côtés opposés du wafer.

Les images M.E.B. (c-d) ainsi que le profilomètre mécanique permettent de mesurer que des

fils conducteurs de 5×5μm de large et de haut sont bien obtenus.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

!

FIGURE3.15 – Caractérisation des dispositifs comprenant des bobines filaires. a) Image au

microscope optique de bobines (focalisation) en cuivre. b) Image au microscope optique de

bobines (focalisation) en or après ajout des canalisations. c) Idem que b) pour des systèmes

de piégeage. d) Observation au M.E.B. d’une bobine (focalisation) de cuivre. e) Observation

au M.E.B. d’un tableau de bobines (piégeage) en or. f ) Mesures des résistances de bobines

(piégeage) pour chaque matériau employé.

FIGURE3.16 – Caractérisation des bobines spirales. a-b) Images au microscope optique d’une

série de bobines spirales circulaires (a) et carrées (b). c) Image M.E.B. d’une série de trois

bobines spirales carrées connectées. d) Zoom de d). e) Image M.E.B. de quatre bobines spirales

circulaires (les trois de gauche sont connectées en série). f ) Zoom de e).

La Fig.3.17montre ainsi l’intégration sur un même dispositif de canalisations 3D obtenues

par laminage de films secs (DF) et des bobines spirales (à 2 niveaux de pistes électriques).

Un système combinant les dispositifs fluidiques en bypass et des bobines spirales a été réalisé

(c), ainsi qu’un autre système comprenant des mélangeurs 3D et des bobines carrées (d).

Toutes les images sont présentées avant ajout du capot final (permet de voir les contours

en lumière blanche). Les niveaux fluidiques (a-b) sont bien résolus et ne présentent pas de

défauts. Les bulles (points blancs) visibles sont de l’air piégé lors des étapes de laminage, mais

ne sont pas en contact avec les canalisations et ne présentent pas de problème pour le système.

On distingue également l’ouverture de la séparation centrale au dessus de la zone de piégeage

(deux bobines de droite sur e). Enfin les canalisations de sortie (f ) bifurquent, celle du bas

sur l’image (niveau inférieur) disposant d’autres bobines et éventuellement électrodes pour

d’autres opérations de détection et séparation, et celle du haut sur l’image (niveau supérieur)

se dirigeant directement vers une sortie fluidique.