Etat de l’art de la Gravure Profonde du Silicium

Le silicium (Si) est le matériau le plus utilisé pour la fabrication de MEMS. Il a pour particularité d’avoir des techniques de micro usinages viables permettant d’obtenir des gravures isotropiques et anisotropiques selon le besoin tout en ayant un large panel de matériaux compatibles pouvant servir de masque de gravure. Malgré les avancées ma-jeures dans les techniques de micro usinage en surface, le micro usinage en volume reste toujours très utilisé particulièrement poussé par de nouvelles avancées dans les techniques de gravures telles que la gravure sèche par plasma ou RIE (Reactive Ion Etching). Dans notre cas, nous nous intéressons à la gravure profonde du Si permettant de libérer nos membranes piézoélectriques.

Les techniques de gravure du Si se divisent en deux catégories : — Gravure humide.

— Gravure sèche.

3.2.1.1 Gravure humide

La gravure humide utilise des solutions chimiques acides ou basiques pour graver le silicium. Pour y parvenir, un masque dur présentant une sélectivité élevée avec le silicium doit être utilisé afin de protéger les zones qu’on ne souhaite pas graver.

Dans les zones ne présentant pas de masque de gravure, une réaction chimique entre la solution de gravure et le silicium se produit gravant ainsi le silicium avec une vitesse qui

3.2 Procédé de réalisation des membranes piézoélectriques

Figure 3.1 – Représentation de la forme de gravure Anisotropique (Gauche) et isotro-pique (droite).

dépend de la solution de gravure utilisée et de sa concentration. Suivant le type de solution chimique utilisée, cette gravure humide peut se présenter sous une forme isotropique ou anisotropique (figure 3.1).

Gravure isotropique

Par définition, une gravure isotropique est une gravure ou le silicium est gravé à la même vitesse quel que soit la direction cristallographique. Ce type de profil est obtenu en général en utilisant une solution acide telle que le ‘HNA’ (HF/Nitric/Acetic acid) composé d’acide fluorhydrique (HF), acide nitrique (HNO3) et acide acétique (CH3COOH).

Gravure anisotropique

Ce type de gravure présente la particularité d’avoir une vitesse de gravure du silicium qui dépend fortement de la direction cristallographique. Par exemple, lorsque le substrat utilisé pour la gravure est un substrat de Silicium (100), un angle de 54,7° se forme entre le plan cristallin (100) et (111), donnant ainsi un profil de côté d’une forme en ‘V’ ou pyramidale en trois dimensions à la gravure finale (figure 3.1). Ceci vient du fait que la vitesse gravure suivant la direction cristallographique (111) est très lente par rapport à la direction cristallographique (100). Ce type de profil est obtenu en utilisant des solutions basiques telles que le KOH (Hydroxyde de potassium), EDP (éthylène diamine et pyrocatechol) et le TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium). La réaction chimique entre le silicium et ce type de solution de manière générale est exprimée dans l’équation suivante [198] :

De cette équation, on peut déduire que les atomes de silicium sont oxydés via OH- et enlevés du substrat, ce qui implique que la concentration de la solution de gravure a un effet non négligeable sur la vitesse de gravure.

3.2.1.2 Gravure sèche

Dans le cas de la gravure sèche, la solution chimique liquide est troquée contre un plasma gazeux ou ions injectés dans chambre à basse pression. Ainsi, la gravure prend forme soit de manière chimique, soit de manière physique soit par la combinaison des deux [199]. Le profil de gravure obtenu ici peut être soit isotropique ou anisotropique, ceci dépend essentiellement du type de gravure utilisé et les composés chimiques utilisés à cet effet [199, 200]. Aussi d’après les travaux de Williams et al. [201], la vitesse de gravure peut être contrôlée en modifiant la pression et le composé chimique utilisé pour la gravure. Dans la gravure sèche, nous pouvons distinguer deux types de gravures : des gravures à faible épaisseur RIE et profonde DRIE. Le procédé DRIE aurait été une solution particulièrement intéressante dans notre cas pour libérer nos membranes en face arrière. Néanmoins, ne disposant pas d’équipement pour réaliser ce type de gravure, nous avons opté pour un couplage entre gravure humide et sèche. Le tableau 3.1 qui suit montre un récapitulatif des techniques de gravures sèches et humides citées dans les travaux de Kovacs et al. [28].

HNA

Alcaline-OH

EDP TMAH XeF2 Plasma

SF6

DRIE

Type de gravure

Humide Humide Humide Humide Sèche Sèche Sèche

Anisotropique Non Oui Oui Oui Oui Variable Oui

Disponibilité Large Large Modérée Modérée Limitée Large Limitée

Vitesse de gravure 1 à 3 µm/min 1 à 2 µm/min 0.02 à 1 µm/min ≈1 µm/min 1 à 3 µm/min ≈1 µm/min >1 µm/min

Rugosité Si Faible Faible Faible Variable Elevée Variable Faible

Vitesse de gravure

Si3N4

Faible Faible Faible 1 à 10

nm/min - Faible Faible Vitesse de gravure SiO2 1 à 30 nm/min 1 à 10 nm/min 1 à 80 nm/min ≈1 nm/min

Faible Faible Faible

Compatibilité CMOS

Non Non Oui Oui Oui Oui Oui

Coût Faible Faible Modéré Modéré Modéré Elevé Elevé

3.2 Procédé de réalisation des membranes piézoélectriques

A partir du tableau 3.1, nous pouvons déjà constater que la gravure humide compa-rée à la gravure sèche présente l’avantage d’avoir une sélectivité élevée avec une vitesse de gravure relativement plus élevée avec un avantage de taille par rapport à la gravure sèche qui est le coût. Dans le cas de la gravure humide, le TMAH en tant que gravure anisotropique se démarque par une multitude d’avantages, notamment une grande sélec-tivité aux oxydes (SiO2 et Si3N4), une compatibilité avec les circuits intégrés (ne présente pas de résidus alcalins), une bonne sélectivité avec certains métaux tels que le chrome et l’aluminium [202], et ne comporte pas de substance toxique contrairement à l’EDP. Ainsi, notre choix s’est tourné vers ce type de solution de gravure pour l’élaboration de nos membranes piézoélectriques. L’inconvénient majeur de la gravure profonde du silicium par voie chimique reste que les solutions utilisées à cet effet sont de nature hasardeuse et leurs manipulations requiert une attention particulière.