Procédé technologique développé pour la fabrication de structures inductives planaires intégrées

Pour valider les simulations présentées au chapitre II, nous avons dessiné des jeux de masques optiques et développé un procédé technologique ad hoc permettant de réaliser des inductances monobrins et multibrins, sur un et deux niveaux.

L’étude de la littérature [64-71, 104, 106, 110, 112] fait apparaître un certains nombre de constantes concernant la fabrication d’inductances intégrées. Dans le domaine de la puissance, cette fabrication repose sur deux étapes essentielles qui sont :

- l’enduction de résines épaisses de définition : la résine insolée et développée sert de moule dans lequel du cuivre croît par croissance électrolytique pour constituer les bobines.

- la croissance électrolytique de cuivre : grâce à une base de croissance conductrice recouverte d’un moule de résine épaisse, la croissance électrolytique permet d’obtenir des conducteurs avec de fortes épaisseurs que des techniques d’évaporation ne permettent pas d’atteindre.

Les matériaux utilisés varient peu d’une publication à l’autre et quel que soit la topologie d’inductance choisie (solénoïdale ou planaire). Les conducteurs sont en cuivre pour abaisser au maximum la résistance électrique de l’inductance. Le moule de définition, quant à lui, est généralement réalisé avec un polymère de type polyimide [110, 113]. Ce matériau est apprécié dans le domaine de la réalisation d’inductances pour la puissance mais aussi dans le domaine MEMS. Il possède les caractéristiques d’insolation d’une résine négative et peut constituer un moule épais permettant d’obtenir des structures à fort facteur de forme. Egalement, après recuit, il peut être utilisé comme une couche d’isolation et se démarque dans ce rôle des oxydes diélectriques par sa faible permittivité (εr=3).

Pour la réalisation de nos inductances, le polyimide n’a pas été employé pour des raisons techniques et historiques. Au sein du laboratoire, de nombreux travaux ont porté sur la réalisation de structures à fort facteur de forme pour des applications MEMS en optique ainsi qu’en micro-fluidique [3, 4, compléter]. La résine SU-8 est privilégiée pour sa capacité de moule à fort facteur de forme avec des flancs droits et sa résistance aux attaques chimiques [114]. Ainsi, une forte compétence à l’utilisation de cette résine a été développée au laboratoire et a été notamment exploitée pour la conception des premières structures inductives [58, 59]. Ces travaux font parti du projet européen INDUCSIL pour lequel a été dimensionnée une structure solénoïdale avec des conducteurs de 100µm d’épaisseur. La SU-8 a alors servi à la fois de moule pour la croissance électrolytique du cuivre et du matériau magnétique ainsi que comme isolant entre les conducteurs et le noyau.

Cette résine étant bien connue et maîtrisée, à notre tour nous l’avons utilisée pour réaliser l’isolation de la bobine. D’autres considérations techniques nous ont également orientées naturellement vers cette résine. Pour notre procédé, l’enduction d’une résine épaisse isolante est indispensable à plusieurs titres. Tout d’abord, les inductances étant réalisées en cuivre, il faut les protéger de l’oxydation. Par ailleurs, dans un objectif d’intégration monolithique de ces objets, elles doivent être isolées vis-à-vis des autres composants. Parmi les résines épaisses isolantes, deux sont plus particulièrement misent en œuvre au laboratoire : le BCB et la SU-8. Le BCB est principalement apprécié dans le domaine RF pour son faible angle de pertes en très hautes fréquences [113]. Néanmoins, le BCB est très long à mettre en œuvre et à tendance à contraindre les wafers lorsque de fortes épaisseurs sont déposées. Ces contraintes entraînent la déformation des wafers et des structures à sa surface. Il devient alors difficile d’insoler à sa surface avec une bonne résolution. De plus, nous avons choisi la SU-8 car elle est simple à mettre en œuvre et possède un fort pouvoir planarisant, indispensable pour la réalisation du second niveau d’inductance. Cette dernière caractéristique fait d’ailleurs de la SU-8 une résine très utilisée dans les procédés MEMS [114, 115]. Enfin, malgré une constante diélectrique de l’ordre de 4, la SU-8 dispose de bonnes propriétés en hautes fréquences, avec notamment un faible angle de pertes [116, 117].

Les étapes technologiques élémentaires que nous avons alors mises en place pour la réalisation d’inductances planaires, s’inspirent des travaux évoqués jusqu’ici ainsi que ceux menés au sein du laboratoire concernant l’intégration d’inductances solénoïdales [58, 59]. Ces derniers ont notablement participé au développement du dépôt électrolytique de cuivre sur de fortes épaisseurs et des résines épaisses (SU-8) associées. Ces étapes principales du procédé sont rassemblées dans la figure 3.1 :

a) - Sur un substrat silicium, dépôt d’oxyde thermique sec - Dépôt d’une base de croissance d) Enduction de SU-8 b) - Enduction d’une résine épaisse - Photolithographie de la résine c) - Croissance électrolytique de Cuivre puis d’Or - Nettoyage de la résine épaisse - Attaque chimique de la base de croissance e) Photolithographie pour ouvrir la SU-8 au-dessus des plots de contact

Figure 3.1. Procédé technologique pour la réalisation d’inductances planaires intégrées

a) à partir d’un substrat silicium, une couche d’oxyde sec de silicium est réalisée pour isoler la future inductance. Ensuite, une base de croissance métallique est déposée sur toute la surface du wafer par évaporation par effet Joule.

b) une résine de définition positive est enduite, insolée et développée pour former un moule dans lequel vont croître les conducteurs en cuivre.

c) Le wafer est ensuite immergé dans une solution contenant des ions Cu 2+

. Les conducteurs sont alors obtenus par croissance électrolytique, la base de croissance constituant l’électrode de travail.

A la fin, une fine couche d’or est également déposée par croissance électrolytique afin d’éviter l’oxydation du cuivre et assurer un bon contact électrique au niveau des plots de mesure. Cette étape est suivie par une gravure chimique de la base de croissance pour dé court-circuiter les spires.

d) les inductances sont ensuite recouvertes d’une résine épaisse SU-8 isolante. L’épaisseur de cette couche doit être contrôlée et présenter une planéité suffisante pour la réalisation d’un second niveau.

e) une étape de photolithographie permet d’ouvrir la SU-8 au niveau des plots de contact de la bobine pour réaliser les mesures et/ou établir une connexion électrique avec le niveau suivant de bobine.

La réalisation du second niveau d’inductances se base sur les mêmes étapes technologiques. A partir de la couche de SU-8, le procédé recommence alors avec l’évaporation d’une base de croissance. La mise au point du procédé a nécessité la résolution de plusieurs problèmes inhérents à la forme de nos inductances ainsi qu’à notre objectif de superposer deux bobines électriquement connectées. Nous traitons ici de l’ensemble des difficultés rencontrées et des solutions que nous proposons pour leur résolution.