cMUT par micro-usinage de surface

Le micro-usinage de surface a été pendant longtemps la seule technique de fabrication des cMUTs. On peut distinguer deux catégories dans ce type de procédé : celle de haute- température et celle de basse-température (<400°C) dit "compatible CMOS" (CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor) permettant ainsi l'intégration de l'électro-

2.2. CMUT PAR MICRO-USINAGE DE SURFACE nique de façon monolithique (sur le même wafer).

Figure 2.2  Exemple des diérentes étapes de fabrication en micro-usinage de surface [43]

An d'illustrer les diérentes étapes de cette technique, le dernier procédé de micro- usinage de surface proposé par l'université de Stanford en 2005 est présenté gure 2.2 [43]. Celui-ci utilise des dépôts LPCVD (Low Pressure Chemical Vaporised Deposition) de nitrure de silicium à 785°C donc à haute-température. La première étape de ce procédé (- gure 2.2-(a)) consiste tout d'abord à doper le substrat de silicium qui aura ainsi la fonction d'électrode inférieure. Ensuite, une couche de 100 nm de nitrure de silicium est déposée. Cette couche, qui sert d'arrêt à l'attaque de la couche sacricielle, doit être particuliè- rement ne pour éviter une capacité parasite supplémentaire au cMUT. En eet, elle se retrouve directement en série avec la capacité "utile" (car variable) de la cavité. La couche sacricielle de polysilicium est ensuite déposée par LPCVD et structurée par photolitho- graphie pour dénir les chemins d'excavation. Les étapes suivantes (2.2-(b) et (c)) répètent cette succession dépôt-structuration du polysilicium an de dessiner la géométrie des mem- branes et des cavités. L'étape suivante (2.2-(d)) consiste au dépôt de l'élément structurel du cMUT, la membrane. Celle-ci est composée d'un nitrure de silicium faiblement contraint (< 100 MPa). Il faut alors "ouvrir" les canaux en perforant la couche structurelle (2.2- (e)) an de pouvoir attaquer le polysilicium sacriciel (2.2-(f)). Cette attaque chimique se fait avec l'aide d'hydroxyde de potassium (KOH). Il est alors nécessaire de fermer les canaux par un dépôt LPCVD de nitrure de silicium sous les mêmes conditions de pression et de température. Il est à remarquer que cette étape est cruciale pour la fabrication des cMUTs appliqués à l'immersion qui nécessite l'isolation des cavités vis-à-vis de l'extérieur. La dernière étape consiste à la mise en place des contacts électriques en face-avant qui se traduit par le dépôt d'une couche de métal par pulvérisation puis sa structuration en piste et électrode par photolithographie.

Ce procédé de fabrication illustre bien les diérentes étapes clés de la fabrication des cMUTs. Tout l'enjeu de ce procédé consiste à contrôler d'une part la fabrication de la membrane mais aussi sa libération par attaque de la couche sacricielle. Ainsi, les condi- tions mécaniques de la membrane c'est-à-dire à la fois ses paramètres mécaniques (module d'Young E, coecient de poisson ν) et ses contraintes résiduelles sont maîtrisés par le choix du matériau utilisé (nitrure de silicium, SixNy, silicium polycristallin, etc.), sa st÷- chiométrie ainsi que le type de dépôt utilisé. De même, le choix du matériau de la couche sacricielle est primordial en termes de contraintes résiduelles et de sélectivité avec les couches structurelles, suivant le type d'attaque utilisée. Il est à remarquer que l'étape de libération de la membrane peut entrainer souvent un collage de la membrane sur le fond de la cavité. Ce phénomène est dû à l'apparition de force de capillarité lors de la phase de séchage après suppression de la couche sacricielle. Ainsi, diérentes techniques ont été mises au point pour éviter ce phénomène : on peut citer le séchage super-critique [93], la lyophilisation [48] ou encore la gravure sèche [74].

Le nombre d'équipes étudiant ou ayant étudié les cMUTs étant relativement important (on peut dénombrer presque une vingtaine de laboratoires, souvent soutenus par des multi- nationales des domaines de la micro-électronique ou de l'imagerie médicale), de nombreux travaux d'amélioration des procédés de fabrication ont été entrepris.

On peut citer les travaux de l'équipe allemande de Siemens [40, 38] qui a fait le choix d'utiliser le silicium polycristallin (plus couramment appelé polysilicium) comme couche structurelle déposée par LPCVD. En eet, le polysilicium ore un meilleur contrôle des contraintes résiduelles et une forte sélectivité à l'attaque par rapport à l'oxyde. De plus, il est beaucoup plus robuste en terme de température et d'hygrométrie ce qui, dans des condi- tions d'utilisations extrêmes, en fait alors un meilleur candidat que le nitrure de silicium. Les derniers travaux recensés sur le dépôt de polysilicium utilise le procédé commercial po- lyMUMPs [80, 99] (MUMPS = Multi-User MEMS Processes). Ce procédé ore en théorie une meilleure rentabilité mais semble néanmoins manquer de souplesse pour la conception des cMUTs : l'isolation entre électrodes n'est pas faite ce qui provoque un court-circuit dès que la membrane collapse et les puits d'excavations ne peuvent pas être scellés empêchant ainsi l'utilisation en immersion.

An d'intégrer l'électronique sur le même wafer, deux laboratoires (l'équipe italienne d'ACULAB [33, 32, 89] et l'équipe de Levent Degertekin à Atlanta [67]) ont utilisé un procédé basse-température PECVD (Plasma Enhanced Chemical Deposition) de dépôt de nitrure de silicium. Ce type de dépôt permet en eet d'être compatible avec les technologies CMOS mais présente d'un point de vue mécanique de nombreux désavantages : le nitrure de silicium obtenu étant moins dense, il devient beaucoup moins sélectif avec les oxydes lors de la phase de libération. L'équipe italienne, avec leur procédé dit "inversé", a donc utilisé un polymère comme couche sacricielle an de pallier ce problème. De plus, ils ont adapté leur procédé [22] en ajoutant une couche de silicone sur la face-avant et un polymère epoxy pour permettre d'"assouplir" leurs dispositifs et les rendre ainsi curvilignes (voir gure 2.3). Dans une démarche similaire d'assouplissement du capteur, une équipe taiwanaise [29] propose de fabriquer à partir d'une membrane polymère des capteurs entièrement exible. La composition à la fois de la membrane et du substrat est en polymère bien que les diérents dépôts se fassent sur wafer de silicium. Le capteur est ensuite "décollé" du