Démarche privilégiée

Pour la réalisation des micro structures étudiées au cours de ce programme de re- cherche, la démarche de déposition du matériau choisi - le PZT - est celle de la méthode Sol-Gel. Nous allons décrire précisément chaque étape du processus de fabrication de

Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions 71 micro-dispositifs [66] (cf gure 3.9).

Fig. 3.9  Processus générique appliqué de la micro fabrication d'un cantilever.

Préparation du substrat

Il faut, dans un premier temps, préparer le substrat c'est à dire la galette (wafer) de silicium de 200 mm de diamètre et de 390 µm d'épaisseur. Le wafer employé doit posséder une couche de dioxyde de silicium (SiO2). Pour cela, il est oxydé thermiquement. Ensuite,

il est poli sur ses deux faces pour atteindre le niveau de planéité attendu. On nomme la structure ainsi formée un wafer de silicium sur isolant (silicon on isolator wafer, SOI wafer). Ensuite, un première série de couches est déposée sur la face avant du wafer (cf gure 3.9 (a)). Cette série est composée, du wafer vers l'extérieur, d'une couche d'adhé- sion (Ti/TiO2) de 10 nm d'épaisseur, de l'électrode inférieure en platine (P t) de 100 nm

72 Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions déposition de la couche de matériau piézoélectrique. Ces couches sont déposées en phase vapeur sur le substrat. Il est à noter que l'électrode inférieure joue un rôle majeur sur la texture, la qualité et les propriétés de la couche de PZT déposée.

Le lm piézoélectrique (PZT 53/47)) est déposé sur la couche de germination par la méthode Sol-Gel. Pour obtenir une couche d'épaisseur uniforme, la méthode de la tour- nette (spin coating) est utilisée. Elle permet d'étaler la solution contenant les précurseurs par la mise en rotation du substrat. A l'issue de ce dépôt, le lm est traité thermiquement an d'éliminer les solvants les plus volatils et conduire à la transformation de la solution (sol) en gel polymérique (gel). Puis, le gel est recuit pour la densication an d'obtenir l'oxyde cristallin. L'épaisseur d'un lm, après un passage, est d'environ 60 nm. Il faut donc 32 couches simples pour obtenir une épaisseur nale de 2 µm. Une grande vigilance est requise à chaque étape de la procédure de dépôt. L'utilisation d'une solution stable dans le temps, ltrée et de viscosité adaptée et d'une surface uniforme est un facteur prépondérant pour la qualité du dépôt. Les traitements thermiques subits impliquent un retrait de la couche. Ils nécessitent une adéquation satisfaisante des coecients de dila- tation respectifs de la couche sol-gel et du substrat pour limiter les contraintes pouvant générer des craquelures.

Déposition de l'électrode supérieure

A présent, l'électrode supérieure est déposée. Plusieurs alliages peuvent être em- ployés (Au/Cr ou Pt) (cf gure 3.9 (b)). Cependant, le Au/Cr possède deux avantages par rapport au platine :

 La mise en forme de l'électrode nécessite uniquement une photolithographie. Cette méthode est très simple d'emploi et permet d'obtenir une résolution à l'échelle du micron.

 Ce matériau ne nécessite pas de recuit après la déposition.

Dans ce processus, l'or est déposé par eet Joule et le chrome par la méthode d'évapo- ration à faisceau d'électrons. La forme de l'électrode est obtenue par photolithographie en utilisant une couche photorésistante négative. La photolithographie est une technique per- mettant de projeter, à l'aide d'une source lumineuse, une image au travers d'un masque. Celui-ci contient la forme souhaitée. La projection s'eectue sur un support photosensible an d'y imprimer la forme voulue.

Gravure d'un via vers l'électrode inférieure

Pour dégager un accès vers l'électrode inférieure, il est nécessaire de graver un via au travers les diérentes couches déposées (cf gure 3.9 (c)). Cette gravure est eectuée par voie humide. Il s'agit d'un moment critique de la microfabrication du MEMS. Les contours du lieu gravure sont protégés par un matériau photorésistant dont la forme lui a été donnée au travers d'un masque par un processus de photolithographie. En dépit du manque de contrôle de la gravure et des problèmes générés sur le masque photorésistant, la gravure humide est une méthode très simple, très rapide et peu onéreuse. Cependant, elle est destinée à des structures MEMS de grand surface (> 50 µm × 50 µm). A cause des grandes concentrations d'acide chlorhydrique utilisées généralement dans la solution de gravure, toutes les couches telles que celle d'adhésion de l'électrode inférieure sont attaquées de manière non sélective. Des phénomènes de délamination sont ainsi observés.

Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions 73 Il est à noter que la tolérance géométrique de la gravure est évaluée à environ dix fois la valeur de l'épaisseur de PZT déposé (pour 2 µm de PZT, la tolérance est de 20 µm). Rainurage limitant les contours de la structure

Les contours de la structure sur la face avant du wafer sont rainurés au travers des couches de PZT, de Platine et de SiO2 (cf gure 3.9 (d)). Les contours de gravure

sont protégés par un matériau photorésistant. Une gravure humide est utilisée jusqu'à l'électrode inférieure. En eet, le platine est une métal noble inerte chimiquement. Par conséquent, il faut employer une technique de gravure sèche. Il s'agit de mécanismes plus physiques que chimiques avec un bombardement d'ions et la formation de composants volatils résultants.

Gravure de la face arrière du wafer

La gravure par la face arrière du wafer est eectuée pour dénir l'épaisseur nale de la structure voulue (cf gure 3.9 (e)). La précision et l'uniformité de l'épaisseur sont des facteurs déterminants dans les structures sensibles. La tolérance généralement admise sur l'épaisseur est de l'ordre de 0.2 µm. La méthode la plus communément utilisée pour les gravures profondes de silicium est connue sous le nom de "processus Bosch" [67]. Par, alternativement, des étapes de gravure chimique et de passivation des contours du front gravure par polymérisation, une gravure profonde anisotrope peut être obtenue.

Gravure en face avant pour libérer la structure

La dernière étape de fabrication de la structure est la libération de ses contours par une ultime gravure par voie humide (cf gure 3.9 (f)).

A chaque étape du processus, une multitude de défauts, décrits en gure 3.10, peut apparaître : des rugosités indésirables entre chaque couche déposées, des variations d'épais- seur préjudiciables à la qualité du dispositif, des contraintes résiduelles modiant les com- portements mécaniques de la structure, des craquelures favorisant la délamination des couches, des défauts internes aux couches (pores, cavités, ...) diminuant la densité du lm piézoélectrique déposé et, donc, ses propriétés.

74 Piézoélectricité : mécanismes, modélisations et dépositions

Cristallites

Joints de grains Rugosité aux interfaces Variation d'épaisseur

Craquelures Interaction_{film/substrat}

Défauts (pores ..) Contraintes Film déposé Substrat préparé

Fig. 3.10  Schéma de l'ensemble des défauts susceptibles d'apparaître lors de la déposition d'une couche mince.