Mécanismes de défaillance et défauts spécifiques aux microstructures

Nous allons décrire dans ce paragraphe les défauts et mécanismes de défaillances observés sur différents microsystèmes fabriqués avant ou pendant cette thèse.

™ Fracture

En raison de leurs dimensions et des grandes rigidités des matériaux utilisés, les microstructures suspendues ont des fréquences de résonance mécanique assez élevées ce qui les rend insensibles aux vibrations engendrées par les systèmes mécaniques "macro". D'un autre coté, les grandes rigidités des matériaux utilisés (globalement de l'oxyde et du nitrure de silicium) les rend sensibles à la fracture, notamment lors de contacts directs avec une pointe de test, une particule ou un fluide. Certaines structures suspendues à des masses de silicium ont de fait des fréquences de résonance beaucoup plus basses et l'effet des vibrations et des chocs peut entraîner des contraintes dépassant les contraintes maximum de rupture. La Figure 41 montre des photos MEB de convertisseurs électrothermiques [17] à grande constante de temps ayant subi des fractures de leur bras de support. L'image (a) montre une structure à 12 bras dont l'un des bras est complètement détruit et l'image (b) montre le détail de la ligne de fracture. Les images (c) et (d) montrent le même phénomène sur une microstructure à 4 bras. On remarque d'après ces photos que la fracture s'est produite au niveau des coudes des bras de suspension qui sont les endroits de contrainte maximum lorsque la structure se déforme. La présence d'angles droits est également propice à la progression d'amorce de rupture ce qui rend la structure plus sensible à la fatigue. Une solution pour éviter ce problème est d'arrondir les angles et de superposer des couches de métal dans les régions de contraintes maximum pour absorber l'énergie interne de déformation. Cette technique est utilisée pour les chemins de découpe des circuits intégrés ou le caractère mou des métaux sert à stopper la progression des fissures engendrées par le sciage.

(a) (b)

(c) (d)

Figure 41 : Image MEB de microsystèmes ayant subi des fractures sur les bras de suspension. Convertisseur électrothermique à 12 bras (a)(b) et à 4 bras (c)(d).

ou un fil de bonding par exemple ou la solution de gravure qui peut arracher des microstructures lors d'une trop forte agitation du bain de gravure.

(a) (b)

Figure 42 : Image MEB de poutres suspendues ayant subies de fractures (a) et image au microscope optique d'une thermopile en pont ayant également subie une fracture.

™ Contamination par les particules

Comme pour la partie microélectronique, les microsystèmes sont sensibles aux particules qui se déposent à la surface du wafer. Si les particules déposées après la fabrication n'influencent que très peu les circuits intégrés, elles peuvent avoir des conséquences sur le fonctionnement des microsystèmes. En effet la présence d'une particule en surface peut faire varier les propriétés thermiques d'une structure ou ses propriétés mécaniques. La Figure 43 montre des particules de poussières déposées sur des microstructures, sur une thermopile en (a) et à coté d'une résistance de chauffe d'un convertisseur électrothermique en (b).

(a) (b)

Figure 43 : Images optiques (a) et MEB (b) de particules de poussière déposées sur des microstructures.

™ Sous-gravure anisotropique

La sous gravure anisotropique est un défaut fréquent des microsystèmes obtenus par micro-usinage en volume face avant. Il résulte soit d'un temps de gravure insuffisant soit de la perte du caractère anisotropique de la solution par la présence de contamination chimique du bain de gravure (avec le TMAH). Un problème de sous gravure anisotropique entraîne généralement la présence d'un résidu de

comme sur la Figure 44(a) ou l'on observe la forme triangulaire du silicium non gravé par transparence à travers les couches d'oxyde. Sur La Figure 44(b), on remarque par contre que la membrane est restée accrochée en son centre. L'influence de la sous gravure anisotropique peut s'exercer au niveau mécanique en empêchant la structure de se déformer ou au niveau thermique ou la présence du résidu de silicium court-circuite thermiquement la structure. C'est ce dernier phénomène que l'on remarque sur la Figure 44(c), qui représente un pixel thermique servant de source de rayonnement infrarouge. La perte de chaleur par conduction dans le silicium induit un mauvais fonctionnement du composant, la lumière étant émise par la partie suspendue de la résistance de chauffe et non par la structure entière.

(a) (b)

(c)

Figure 44 : Image MEB de structures microsystèmes insuffisamment gravées. ™ Résidus dans les ouvertures

Un phénomène fréquent dans les technologies de micro-usinage en volume sur technologies CMOS est l'apparition de résidus d'oxyde dans les ouvertures vers le silicium du substrat. Pour obtenir de telles ouvertures il faut empiler les ouvertures dans les oxydes thermiques d'isolation (LOCOS), dans

gravée, on remarque les résidus d'oxydes dans les angles. Ces résidus se retrouvent après la gravure anisotropique (Images MEB (b),(c) et (d)). Les effets de ces résidus sur le fonctionnement des microsystèmes interviennent dans le domaine mécanique ou leur présence peut faire changer les propriétés mécaniques des structures suspendues et dans le domaine thermique ou la présence de ces résidus peut provoquer des courts circuits thermiques et affecter l'isolation de structures. Un exemple sera donné au chapitre 6.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figure 45 : Images optiques (a,e) et MEB (b, c, d, f) de résidus d'oxydes dans les ouvertures vers le silicium du substrat.

™ Attaque chimique

Lors de la gravure anisotropique, il est possible que la solution attaque les lignes de métal encapsulées dans les sandwichs d'oxyde par diffusion à travers les couches d'oxydes. Ce phénomène intervient surtout avec le KOH et dans une moindre mesure avec les solutions EDP (plus grande sélectivité). Ce phénomène est en partie évité en opérant un décalage au niveau layout entre les oxydes interniveaux de manière à éviter le contact direct entre la solution de gravure et les oxyde de via et de contact qui ont un caractère poreux et rendent possible la diffusion de la solution de gravure vers les lignes de métal et d'oxyde. Des coupures de pistes métalliques ont été observées par ce phénomène avec la gravure par KOH.

™ Surcharge électrique : effets thermiques et fusion

L'isolation thermique procurée par la suspension des microstructures permet d'obtenir des augmentations de température significatives grâce à des résistances de chauffe. L'effet conjugué d'un fort courant et d'une température importante favorise des effets de transformation cristalline dans les résistances en polysilicium. La Figure 46 montre une image prises avec un détecteur CCD infrarouge refroidis. L'image est constituée par la superposition de l'image du dispositif éclairé et l'image de l'intensité lumineuse produite par le dispositif. La Figure 46(a) montre le dispositif en fonctionnement normal ou l'on constate que l'échauffement de la résistance de chauffe représenté par l'intensité du rayonnement infrarouge émis est distribué tout au long de la résistance. La Figure 46(b) montre le même dispositif dans les mêmes conditions de mesure après quelques heures de fonctionnement. On remarque que l'élévation de température se produit sur le bord de la résistance. Les mesures électriques ont montré que la valeur de la résistance de chauffe avait beaucoup augmenté.

(a) (b)

Figure 46 : Images prises avec un détecteur infrarouge refroidi d'un convertisseur électrothermique en fonctionnement et superposition de l'intensité lumineuse produite par la résistance de chauffe. Une explication possible de ce phénomène est le fait d'une surcharge de température qui a induit une transformation du matériau le rendant beaucoup plus résistif localement. Le fait que les

™ Dépôt d'un résidu chimique

L'opération de gravure anisotropique est une réaction chimique en solution et il peut arriver que des réactions chimiques secondaires aient lieu à cause d'une pollution du bain de gravure. Ces réactions chimiques secondaires peuvent entraîner l'apparition d'un précipité qui vient se déposer en fond de cavité comme le montre la Figure 47.

Figure 47 : Apparition d'un composé chimique déposé en fond de cavité lors d'une gravure anisotropique à l'EDP.

Un autre phénomène observé est le dépôt d'un résidu chimique sur toute la surface du dispositif agissant donc comme un encapsulant. A ce titre la Figure 48 montre une suite d'images MEB du coin d'une cavité micro-usinée prises avec un grossissement de plus en plus important. On y remarque la présence d'un composé chimique recouvrant la surface et ayant craquelé lors du séchage. Sur la dernière image on aperçoit le fond de la cavité.

Figure 48 : Apparition d'un composé chimique encapsulant dans une cavité gravée par TMAH. La présence d'un composé encapsulant entièrement les microstructures peut avoir des influences sur les paramètres de conductivité thermique mais également sur des paramètres mécaniques comme les coefficients de raideur ou la masse.