La fabrication du microrobot sur le wafer SOI se déroule en trois grandes étapes : – la réalisation des connexions électriques ;
– la fabrication des éléments mobiles (modules bistables et structure flexible) ; – la libération des structures.
5.3 Flowchart du DiMiBot 101 À chacune de ces étapes correspond la réalisation d’un masque de résine. Nous présentons ici chacune de ces trois étapes.
5.3.1 Masque A : connexions électriques
Le premier masque correspond à la réalisation des connexions électriques. Elles sont réalisées en aluminium déposé sur la surface du wafer. Cet aluminium est également uti- lisé pour afficher certaines annotations (dimensions, logo, . . .) sur les structures microfa- briquées afin de les identifier. Le flowchart de cette étape est présenté sur la Figure 5.4.
wafer SOI (0) Dépôt d’aluminium (1) Photolithographie masque A (2) Gravure de l’aluminium (3) Contact ohmique 1h à 450◦C (4) Si SiO2 Al S1813
Figure 5.4 – Flowchart lié au masque A, permettant la réalisation des connexions élec- triques.
La première étape consiste à déposer une couche de 800 nm d’aluminium sur la surface totale du wafer par pulvérisation. Une étape de photolithographie s’en suit avec une résine nommée S1813 créant un masque de 1,3 µm d’épaisseur. Le wafer est ensuite plongé dans un bain d’une solution permettant la gravure de l’aluminium non protégé par le masque. Après avoir nettoyé le wafer, une dernière étape est nécessaire afin d’assurer une bonne conductivité des connexions électriques, il s’agit d’effectuer le contact ohmique entre l’aluminium et la couche de silicium. Ceci se fait par un recuit du wafer dans un four à 450◦C pendant 1 h, permettant aux atomes d’aluminium de diffuser dans le silicium, assurant un contact électrique de bonne qualité entre les connexions électriques et les actionneurs thermiques.
5.3.2 Masque B : gravure des parties mobiles
La deuxième grande étape de fabrication concerne la gravure de la couche supérieure de silicium qui donnera la forme des éléments mobiles du microrobot (modules bistables et architecture flexible). Pour cela, la deuxième photolithographie est réalisée par dessus
102 Chapitre 5 les connexions en aluminium, et utilise, cette fois, une résine différente autorisant une couche plus épaisse du masque et permettant une meilleure qualité des flancs du masque (plus verticaux). Il s’agit de la résine AZ9260 dont nous déposons une couche de 6,3 µm. Afin d’optimiser le process de gravure nous décidons que les zones à graver auront toutes la même dimension. Ceci permet de graver chaque zone du wafer à la même vitesse. Nous éviterons alors, autant que possible, les défauts de gravure (et particulièrement le problème de sur-gravure de certaines structures). Ainsi les zones de gravure sont des tranchées de 20 µm de largeur qu’il convient de graver sur toute l’épaisseur de la couche supérieure (100 µm) jusqu’à la couche de silice.
Photolithographie masque B
(5)
Gravure par DRIE
(6)
Si SiO2 Al AZ9260
Figure 5.5 – Flowchart lié au masque B, permettant la fabrication des structures mo- biles.
5.3.3 Masque C : libération des microrobots
La dernière étape de microfabrication est la plus délicate puisque les structures réali- sées tendent à devenir très fines et de plus en plus fragiles. Cette étape consiste à graver la couche inférieure du wafer (300 µm d’épaisseur), ainsi que la couche de silice (1 µm d’épaisseur) afin de libérer les parties mobiles de la structure et de pouvoir également libérer le microrobot complet. Elle fait intervenir un troisième masque pour lequel les zones à graver ne sont plus des tranchées de largeur fixe, mais sont de larges zones de gravure. À cause de cela la phase de gravure n’est pas toujours très homogène, mais cela est moins contraignant sur cette couche de silicium qui sert de base fixe et dont les dimensions ne sont pas critiques. Étant donné la large épaisseur de silicium à graver et le fait qu’il faudra également, par la suite, graver la couche de silice (ce qui prend beaucoup de temps malgré sa faible épaisseur), il est nécessaire d’avoir un masque de résine d’une épaisseur suffisante. En effet durant les process de gravure la résine se détériore légère- ment, tout particulièrement lors de la gravure par DRIE pour laquelle l’action physique de gravure accentue la détérioration de la résine. Ainsi, nous utilisons un masque de résine de 9 µm d’épaisseur. Nous observons sur le flowchart de la Figure 5.6 que nous conservons la résine restante de l’étape précédente (gravure de la couche supérieure). Ce résidu de résine permet de protéger l’aluminium du développeur, utilisé lors de la phase de photolithographie, qui attaque l’aluminium.
La gravure de la couche inférieure de silicium est réalisée par le même procédé DRIE que pour la couche supérieure. Cependant, elle sera réalisée pendant une durée plus longue. Une étape supplémentaire est, par ailleurs, réalisée avant d’atteindre la fin de la gravure (avant d’atteindre la couche de silice). Elle consiste à placer un wafer support
5.3 Flowchart du DiMiBot 103 en dessous de celui qui est usiné. Ce second wafer permet de protéger le premier (lorsque la structure devient fragile) contre le flux d’hélium servant au refroidissement. Ce wafer support sera conservé tout au long de la gravure, ainsi que lors de la phase de gravure de la silice. Cette dernière étape de gravure de la silice n’est pas réalisée par BHF comme il est coutume de le faire, mais par gravure sèche RIE (Reactive Ion Etching). Les différents éléments de la structure ainsi terminés sont en effet trop fragiles pour être plongés dans un bain. Il ne sera donc pas possible d’effectuer la gravure de la silice en milieu humide, ni de nettoyer le wafer dans un bain d’acétone. Le positionnement du wafer au dessus du bain lors d’une gravure par vapeur de HF peut également s’avérer une étape délicate. En effet, les liaisons sécables permettant de fixer le microrobot au reste du wafer pouvant être fragilisées au cours du process, il serait malencontreux que le microrobot tombe du wafer dans le bain, cassant ainsi certaines parties fragiles de la structure.
Photolithographie masque C
(7)
Gravure par DRIE
(8)
Ajout support Fin gravure silicium
(9) Wafer support Gravure oxyde (10) Wafer support (11) Si SiO2 Al AZ9260
Figure 5.6 – Flowchart lié au masque C, libération des structures.
Le process de fabrication est complet et il nous a permis d’obtenir des DiMiBots. Les trois masques utilisés lors de ce process de microfabrication sont présentés dans l’Annexe B.
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