Procédé de fabrication de la poutre silicium

Le procédé de fabrication consiste à graver un substrat en verre pour former le gap nécessaire, déposer une électrode en aluminium au centre de la cavité, assembler une plaque en silicium contre la plaque en verre, et finalement graver les motifs de la poutre sur le silicium.

5.6.1.1.

Wafers utilisés

Nous avons choisi d'utiliser un substrat en verre parce qu’il est isolant ce qui permet d’avoir des capacités parasites presque nulles. Le verre que nous avons utilisé est du Borofloat33 de coefficient thermique (3.25) proche de celui du silicium (2.5) ce qui permet de réaliser un scellement anodique entre le verre et le silicium avec de faibles contraintes mécaniques après refroidissement.

Nous utilisons un wafer silicium de diamètre 100mm avec une face polie dopé de type N, d’orientation <100>, de résistivité inférieure à 5mΩ.cm et ayant un TTV<5µm.

5.6.1.2.

Etapes de fabrication

La poutre a été fabriquée à la PTA (Plateforme Technologique Amont) dans les locaux du CEA et du CIME-Nanotech. Les étapes de fabrication sont décrites dans le tableau suivant :

Etape 1 : Gravure du substrat en verre : création de l’entrefer 1. Nettoyage de la plaque en verre pyrex. La

solution utilisée pour nettoyer le verre est de l'acide sulfurique H2SO4 et du peroxyde

d’hydrogène H2O2 1:1. La plaque est

immergée pendant 20 min dans la solution puis rincée à l’eau dé-ionisée.

2. Dépôt par évaporation d’une couche Cr/Or d’épaisseur 30nm/120nm. Le chrome sert de couche d’adhésion pour l'or sur le verre, et l’or sert de masque de gravure.

3. Dépôt d’une couche de résine positive par spin coating.

4. Ouverture d’une fenêtre de gravure par photolithographie.

5. Gravure de l’or à l’aide d’une solution de IKI, et gravure du chrome à l’aide d’une solution Chrome etch du commerce.

6. Gravure de 2µm de profondeur dans le verre dans une solution d’acide fluoridrique HF à 10% de concentration. La vitesse de gravure mesurée est égale à 0.2µm/min.

7. Retrait du masque résine à l’aide d’acétone et gravure du Cr/Or.

Etape 2 : Dépôt de l’électrode fixe 1. Dépôt par évaporation de 150nm d’Aluminium

après nettoyage de la plaque. L’aluminium est choisi parce que l’oxyde de silicium, qui va être déposé à l'étape suivante, adhère bien dessus contrairement à l’or.

Al Résine Cr

139 2. Dépôt d’une couche de résine et

photolithographie.

3. Gravure humide de l’aluminium (aluminium etch).

4. Dépôt par pulvérisation de 50nm de SiO2. La

couche de SiO2 sert d’isolant pour protéger

contre le collage des plaques.

5. Après dépôt de résine et insolation, gravure du SiO2 par RIE (reactive ion etching) avec un

plasma SF6.

Etape 3 : Scellement de la plaque de verre contre la plaque en silicium 1. Nettoyage des deux plaques de verre et de

silicium dans une solution Pirhana (H2SO4 :H2O2

3 :1) pendant 10 minutes suivi d’un rinçage à l’eau dé-ionisée, puis dans une solution de HF tamponnée pendant 1 minute et un rinçage à l’eau dé-ionisée. La solution Pirhana permet d’enlever les particules et l’acide fluoridrique enlève l’oxyde natif déposé sur le silicium. Ce nettoyage est critique avant de procéder à une étape de scellement, il permet d’activer la surface et d’enlever les particules contaminantes.

2. Scellement anodique en appliquant une tension de 300V entre la plaque en verre et celle en silicium et en chauffant les deux plaques à 250°C.

3. Amincissement de la plaque de silicium par DRIE (que pour le cas de la poutre simple).

Etape 4 : Formation des encoches 4. Dépôt d’une couche de résine épaisse puis

alignement en face arrière et lithographie et insolation.

5. Gravure des encoches par DRIE et retrait de la résine.

Etape 5 : Prise de contact 1. Dépôt d’une couche de résine épaisse puis

lithographie et insolation.

2. Dépôt d’une couche d’or (100nm) par évaporation et lift off pour enlever la résine.

Etape 6 : Libération des poutres 1. Dépôt d’une couche de résine épaisse.

2. Alignement face arrière puis lithographie et insolation.

3. Gravure du silicium par DRIE pour libérer les poutres et retrait de la résine.

Tableau 5.7 Etapes de fabrication de la poutre encastrée-encastrée

5.6.1.3.

Etape critique de fabrication: le scellement

La meilleure méthode de scellement entre le verre et le silicium est le scellement anodique [WEI2002]. La machine que nous utilisons pour faire le scellement est une SB6 de Karl Suss, le schéma du dispositif utilisé pendant le scellement est montré sur la Figure 5.12. Une haute tension est appliquée entre le verre et le silicium, la cathode est appliquée sur le verre. Les deux plaques sont chauffées durant le scellement. La force électrostatique due à la tension appliquée attire les deux plaques, les ions de sodium Na migrent vers le contact négatif en laissant l’oxygène à l’interface entre le verre et le silicium, l’oxygène se lie au silicium pour former du SiO2. Les deux

plaques sont par suite définitivement collées vu que la liaison SiO2 est même plus forte qu’une

141 Figure 5.12 Schéma du dispositif du scellement anodique

Le scellement anodique entre le verre et le silicium se fait à une température entre 200 et 600°C et sous une tension continue entre 200V et 10 00V, le wafer en verre étant en contact avec l’électrode négative et le silicium avec l'électrode positive.

Le problème du scellement anodique vient du risque de collage au niveau des cavités à cause d'une part de la force électrostatique, et d'autre part de la déformation due à la différence du coefficient de dilatation thermique entre le verre et le silicium. A haute température le verre et le silicium se dilatent différemment à cause de la différence de leur coefficients de dilatation thermique, après refroidissement ceci crée des contraintes qui se manifestent par une courbure concave ou convexe selon la nature de la contrainte en tension ou en compression.

En appliquant une tension de 500V et en chauffant à 250°C, presque toutes les cavités ont été collées (Figure 5.13 a). Pour pallier à ce problème, nous avons essayé de baisser la tension jusqu’à 300V, le problème du collage a été résolu (Figure 5.13 b), par contre le problème de déformation de la plaque à cause de la dilatation thermique persistait.

(a) 500V et 250°C : presque toutes les cavités sont collées

(b) 300V et 250°C : aucune des cavités n'est collée mais il y a déformation

Figure 5.13 Résultats du scellement anodique

Pour éviter les problèmes du scellement anodique, nous avons essayé d’autres méthodes de scellement qui ne nécessitent pas d’appliquer une tension et par suite ne souffrent pas du collage à cause de la force électrostatique. Le scellement eutectique est la méthode qui a donné les

- + Electrode supérieure Plaque chauffante Verre Silicium

meilleurs résultats dans notre cas. Le scellement eutectique [JIN2010] consiste à sceller les plaques à l'aide d'un métal intermédiaire, qui en chauffant l'ensemble à haute température entre en fusion. Dans notre cas nous avons utilisé de l’or comme métal intermédiaire que nous déposons sur la surface du verre.

(a) Résultat du scellement entre les deux wafers: pas

de collage dans les cavités (b) Zoom sur une des cavités

Figure 5.14 Résultat du scellement eutectique avec de l'or comme métal intermédiaire

En parallèle avec les essais des différentes méthodes de scellement, nous avons essayé de découper des poutres et de les coller avec de la colle (type cyanoacrylate) afin d’avoir des premiers dispositifs plus rapidement. Le problème de cette méthode est que l'entrefer est mal maitrisé, mais nous avons quand même réussi à obtenir des dispositifs avec des capacités proches de la valeur visée.

(a) Collage des poutres sue un wafer en verre avec des cavités gravées et une électrode déposée au

centre

(b) Résultat après découpage des échantillons

6 mm 1 cm 1 cm Electrode fixe en aluminium Zone de scellement avec de l'or 1 cm

143

(c) Photo du dispositif après prise de contact et montage de l'échantillon

Figure 5.15 Résultat du collage manuel par de la colle type cyanoacrylate

Avant de passer à la caractérisation électrique des dispositifs fabriqués nous allons présenter les résultats de la fabrication et la comparaison au dimensionnement prévu.