d. Les microphones capacitifs en technologie CMOS-MEMS

Après avoir discuté des microphones MEMS capacitifs traditionnels et de quelques créations originales, nous allons maintenant parler des microphones MEMS capacitifs intégrés avec leur interface électronique, particulièrement ceux fabriqués à partir d’un procédé CMOS standard.

En 1991, Kühnel avait déjà proposé un microphone capacitif intégré avec transistor FET (cf. chapitre 1 p.13). Mais il faut attendre 1995-1996, pour voir apparaître les premiers microphones MEMS capacitifs intégrés avec leur interface électronique [47,48]. En effet, en 1996, Bernstein et Borenstein [48] fabriquent un microphone MEMS capacitif intégré avec un amplificateur JFET. La galvanoplastie est utilisée pour fabriquer l’électrode fixe de ce microphone de façon similaire à [29]. En 1998, Pedersen et son équipe proposent le premier microphone MEMS capacitif fabriqué à partir d’un procédé standard CMOS [49,50]. Dans un premier temps [49], il intègre avec le microphone un circuit de modulation de fréquence à sortie numérique. Puis, il améliore le microphone précédent en intégrant un préamplificateur et un convertisseur de tension continu/continu (« DC-DC converter »), qui génère la tension de polarisation pour le microphone [50]. La fabrication d’un tel microphone est décrite par la Figure 4.23. La puce initiale contenant le circuit électronique, fabriqué par un procédé CMOS, est utilisée comme substrat de départ pour la fabrication du microphone. Ensuite plusieurs couches seront déposées pour former le microphone : le diaphragme et l’électrode fixe sont en polyamide et polarisés par l’intermédiaire d’une couche de chrome/platine/chrome. La couche sacrificielle est en aluminium et une couche de résine protège le circuit électronique pendant la gravure. Un masque de chrome est utilisé pour la gravure RIE de la face arrière du substrat pour la création de la cavité arrière du microphone. On peut parler ici d’un procédé post-CMOS avec ajout de couches et donc de technologie post-CMOS-MEMS. La sensibilité de ce microphone atteint 10 mV/Pa pour une tension de polarisation de 1.9 V, et une fréquence de résonance de 8 kHz (à -3 dB).

Figure 4.23. Microphone MEMS capacitif à partir d’un substrat CMOS [50] : a) dépôt de chrome/platine/chrome (pour la polarisation du diaphragme) et de polyamide (diaphragme),

b) dépôt d’aluminium (couche sacrificielle) et de chrome/platine/chrome (polarisation pour l’électrode fixe), c) dépôt de polyamide (électrode fixe) et de chrome (masque pour la face arrière du substrat), d) gravure de la couche sacrificielle et de la face arrière du substrat.

CHAPITRE 4 : Microphone MEMS capacitif Page 143

En 2003, Neumann et son équipe développent un microphone MEMS capacitif à partir des couches existantes d’un procédé CMOS [51]. Pour cela, ils utilisent une variante des techniques de micro-usinage proposé dans [1 (chapitre 1)] (Figure 4.24) pour la fabrication d’un micro-haut-parleur. Ce microphone est composé de six diaphragmes carrés de 320 µm de côté. Chaque diaphragme est composé de métal et d’oxyde. Le substrat est utilisé comme électrode fixe. Une couche de polymère (téflon) recouvre le diaphragme créant ainsi un diaphragme hermétique et une cavité. Le microphone agit en tant que capacité variable dans un oscillateur intégré sur la même puce et utilisé dans une modulation de fréquence. Ainsi le signal est transmis par l’intermédiaire d’un signal FM et est retranscris par un récepteur FM. La sensibilité du microphone s’élève à 1.4 mV/Pa et possède une bande de fréquence de 10 Hz à 6 kHz.

Figure 4.24. Procédé CMOS-MEMS utilisé dans la fabrication d’un micro-haut-parleur [1chap1] (en haut). Une variante de ce procédé est utilisée dans [51] pour la fabrication d’un

microphone (en bas).

En 2009, Wu et son équipe proposent un microphone MEMS capacitif à partir de la technologie CMOS 0.5 µm de MXIC (Macronix) à deux niveaux de polysilicium et deux niveaux de métal (2P2M) [42,52]. Le diaphragme est formé par une couche métallique et l’électrode fixe perforée est formée par une couche de polysilicium (Figure 4.25). La face arrière du substrat est gravée par plasma à couplage inductif (« inductively coupled plasma

etching », ICP etching). La couche sacrificielle d’oxyde est gravée par une solution de Silox

Vapox et forme alors un gap d’air de 1.4 µm. On peut remarquer que ce microphone possède de petites ouvertures et plusieurs petites poutres supportant le diaphragme (cf. paragraphe précédent), réduisant ainsi les contraintes et améliorant la sensibilité. La sensibilité du microphone est de l’ordre de 5 mV/Pa à 1 kHz et pour une tension de polarisation de 2.7 V, la fréquence de résonance est estimée à 40 kHz.

CHAPITRE 4 : Microphone MEMS capacitif Page 144 Figure 4.25. Microphone MEMS capacitif fabriqué à partir d’un procédé CMOS [42].

Un autre microphone MEMS capacitif basé sur la technologie CMOS 0.35 µm, d’UMC, à un niveau de polysilicium et quatre niveaux de métal, est proposé, en 2011, par Huang et son équipe [28] (Figure 4.26). Le diaphragme est ondulé afin de diminuer les contraintes et d’améliorer ainsi la sensibilité.

CHAPITRE 4 : Microphone MEMS capacitif Page 145 Figure 4.27. Procédé de fabrication du microphone MEMS capacitif développé dans [28] à

partir d’un procédé CMOS.

Le procédé de fabrication est décrit par la Figure 4.27. A partir du procédé CMOS terminé, le diaphragme ondulé est formé (Figure 4.27.a) avec la couche métallique M4. La face arrière du substrat est partiellement coupée par un procédé « grinding » (coupe abrasive), puis est gravée par DRIE afin de définir les trous acoustiques (Figure 4.27.b). Une couche de silicium est ensuite déposée pour rendre l’électrode fixe plus rigide, et une seconde gravure DRIE du substrat forme alors la cavité arrière du microphone et définit aussi l’épaisseur de l’électrode fixe (Figure 4.27.c). Finalement, la couche sacrificielle d’oxyde, entre le diaphragme et l’électrode fixe, est éliminée par gravure humide (Figure 4.27.d). La couche de passivation de nitrure de silicium sert de protection durant cette gravure. Le microphone est intégré sur la même puce avec un amplificateur. La sensibilité du microphone s’élève à environ 8 mV/Pa à 1 kHz pour une tension de polarisation inconnue mais située entre 1.65 et 3.6 V, la bande de fréquence plate commence à partir de 100 Hz et s’étend jusqu’à 20 kHz.