Principe de fabrication des microsystèmes

C. Les différents prototypes et motifs de test ... 108

II. Fabrication des prototypes...113

A. Filière de fabrication initiale des prototypes à actionneurs en inconel ... 113 B. Améliorations de la filière initiale... 125 C. Caractérisation mécanique d’une structure améliorée ... 133 A. Architecture ... 138 B. Matériaux... 139

Conclusion ... 140

Introduction

Dans cette dernière partie, les principes de fabrication des MEMS et l’organisation des différents niveaux de la filière de fabrication que nous avons élaborée et utilisée sont exposés. Nous décrivons notamment les différentes variantes des prototypes, et les motifs de test qui ont été intégrés sur les masques. Nous détaillons ensuite les différentes étapes du procédé de fabrication des prototypes qui comporte neuf niveaux de photolithographie, en précisant certaines améliorations apportées au cours du développement des prototypes. Pour finir, nous présentons les résultats de caractérisation des prototypes qui ont été fabriqués.

Partie 3 : Fabrication et caractérisation des composants

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I.

Technique et stratégie de réalisation des masques

Lors de la conception de notre prototype, nous avions opté pour la fabrication simultanée de 56 variantes différentes. Ces variantes étaient déclinées en trois types : un premier type avec une structure parfaitement symétrique qui serait facilement comparable avec le modèle analytique présenté auparavant ; un deuxième type avec une structure dissymétrique au niveau de l’actionneur de la poutre, mais dont les actionneurs du châssis sont symétriques ; et enfin un troisième type où les actionneurs du châssis sont situés vers la fibre neutre de celui-ci, alors que ceux de la poutre sont au-dessus de celle-ci.

Nous avons débuté la fabrication de nos prototypes par la troisième variante car elle ne nécessite que neuf niveaux de photolithographie, alors que les deux autres variantes en nécessitent 12. Compte tenu des difficultés technologiques rencontrées pour cette variante et de contraintes de temps, nous nous sommes finalement limités à la réalisation de ce type de prototype.

A. Principe de fabrication des microsystèmes

1) Description d’une brique technologique standard

Les MEMS sont élaborés au cours d’une succession d’étapes technologiques dont le principe va être résumé au début de cette partie. En général, le substrat sur lequel vont être fabriqués les MEMS est en silicium. La raison de ce choix est historique : le silicium est utilisé en microélectronique pour ses propriétés semi-conductrices, ce qui permet aux substrats de silicium d’être disponibles à bas coûts. Des substrats de quartz ou de silice sont aussi utilisés de manière anecdotique. Ils ont pour inconvénients de ne pas être compatibles avec certains procédés et sont par ailleurs plus chers.

a) Dépôt

Une brique de base commence généralement par le dépôt d’un matériau en couche mince, comme illustré sur la Figure 84-a. Ce dépôt peut être réalisé selon des procédés variés qui peuvent être regroupés sous les termes génériques de PVD ou CVD, et qui sont abondamment décris dans la littérature (cf. [MAD 97], par exemple, pour plus de détails).

Partie 3 : Fabrication et caractérisation des composants

Figure 84 : description des différentes étapes d’une brique technologique standard

b) Photolithographie

Ensuite, comme illustré sur la Figure 84-b, pour pouvoir graver sélectivement cette couche mince, on vient la protéger par le dépôt d’une résine photosensible. Pour la réalisation de notre composant, nous n’avons utilisé que des résines positives qui sont moins polluantes que les résines négatives. Ces résines positives sont constituées de polymères qui vont être dissociés lorsqu’ils sont exposés à une source lumineuse. Après l’insolation de cette résine, on réalise alors son développement qui va permettre de dissoudre la résine exposée. On recuit ensuite cette résine, afin qu’elle résiste aux procédés de gravure qui suivent. Après l’étape de photolithographie, une partie de la couche mince déposée précédemment est apparente et peut être gravée.

c) Gravure

La gravure peut être réalisée par des procédés secs ou humides. Les procédés secs utilisent l’attaque chimique ou mécanique d’ions réactifs issus d’un plasma. Parmi ces procédés de gravure sèche, on distingue le procédé d’usinage ionique au cours duquel l’action est purement mécanique, et où la surface est bombardée par des ions d’Argon qui vont arracher des atomes de la surface. Ce procédé a l’avantage de pouvoir graver toutes les surfaces, mais possède cependant une faible sélectivité et des vitesses de gravure relativement modestes (de l’ordre de la centaine d’Angström par minute).

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Le procédé de gravure sèche le plus commun est appelé RIE pour « Reactive Ion Etching ». Il utilise notamment des gaz à base de Fluor, Dioxygène, voire de Chlore. Dans la mesure où ce procédé associe des réactions chimiques au bombardement mécanique, le gaz employé pour la gravure va dépendre de la couche utilisée. Pour notre dispositif, nous avons utilisé du SF₆ pour les gravures du Titane et du Silicium, et du CHF3O2 pour la gravure des couches diélectriques.

Par ailleurs, la gravure peut aussi se faire de manière humide. Dans ce cas là, les espèces réactives sont ramenées en phase liquide. La solution utilisée pour la gravure va être fortement dépendante de la couche à utiliser. En général, la sélectivité de la gravure humide est relativement bonne, meilleure en tout cas que la gravure par usinage ionique, et aussi parfois que la gravure RIE classique. Pour notre dispositif, nous avons utilisé une gravure humide pour attaquer les couches d’inconel et d’or.

d) « Stripping »

Lorsque la gravure de la couche mince est terminée, il faut procéder à l’élimination de la résine photolithographique qui a servi de masque à l’étape de gravure. Cette étape est communément appelée l’étape de stripping. Là encore, on peut utiliser des procédés secs ou humides. Les plasmas généralement utilisés pour les procédés secs sont fais à base d’O2 ou de

N2O2. Les strippings réalisés par voie humide peuvent être réalisés avec un mélange d’alcool et

d’acétone, de l’acide nitrique, ou encore des produits commerciaux spécifiques. Outre l’action chimique des espèces en solution, il est possible d’ajouter une action mécanique par l’utilisation d’ultrasons. Ces ultrasons vont alors améliorer l’action des espèces réactives.

2) Organisation des masques de photolithographie

Pour la fabrication des prototypes présentés dans ce travail, nous avons utilisé la technique de photolithographie par contact. Les différents niveaux de l’empilement utilisé pour fabriquer le prototype sont réalisés par des masques de verre sur lesquels les motifs sont imprimés par une couche de chrome.

Pour aligner les différents niveaux de l’empilement, au fur et à mesure de la fabrication, on utilise des croix dédiées qui vont permettre de positionner les niveaux par rapport à une référence commune. Sur la Figure 85-a ci-dessous, un exemple de masque est donné avec la position des motifs d’alignement. Nous avons représenté sur la Figure 85-b un agrandissement des motifs d’alignement de deux niveaux qui se distinguent par leurs deux couleurs différentes. Dans le cas de la technologie de contact que nous avons utilisée, la précision de l’alignement entre les niveaux est de l’ordre du micromètre.

Partie 3 : Fabrication et caractérisation des composants

Figure 85 : a) masque 4 pouces et b) croix d’alignement

Les deux autres techniques communément utilisées sont d’une part la photolithographie par projection, qui possède une meilleure résolution que la technologie de contact et évite d’abîmer le réticule sur lequel les motifs sont imprimés ; d’autre part, la lithographie par faisceau d’électrons qui possède une résolution bien meilleure que les deux autres méthodes, mais est plus lente à mettre en œuvre. Nous avons choisi d’utiliser la méthode de photolithographie par contact pour des raisons de coûts et de disponibilité des équipements. Dans notre cas, nous nous sommes servis du premier niveau comme référence pour l’alignement des 8 autres niveaux, comme illustré sur la Figure 86 ci-dessous.

Figure 86 : schéma de l’alignement des différents niveaux

b) a)

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Dans la suite seront présentées tout d’abord les différentes géométries de prototype utilisées, puis les autres motifs de test répartis sur les différents niveaux.