Résultats expérimentaux

Nous reprenons quelques résultats présentés par Adrien Piot pour illustrer la modélisa-tion [2][163]. Un film sec MX5015 de la compagnie Dupont d’épaisseur 15 µm est laminé par-dessus des tranchées traversantes de largeur 300 µm ouvertes dans un wafer de GaAs de 450 µm d’épaisseur (voir figures 4.21(Ia) et 4.21(Ib)). Les lignes blanches visibles à la surface du film sec sont des reflets provoqués par des ondulations plus ou moins sinusoïdales. Elles trahissent la présence de contraintes compressives générées pendant le procédé de fabrication du masque d’ombrage.

(I) (II)

Figure 4.21 – (Ia) Dessin 3D de tranchées profondes dans un wafer en GaAs recouvert d’un film sec. Une ouverture rectangulaire est faite pour permettre une connexion entre la surface supérieure et le flanc latéral. (Ib) Photographie au microscope optique prise d’en-haut de la zone du dessin 3D délimitée par la ligne noire pointillée. L’ouverture du masque est soulignée par des tirets blancs. (IIa) Dessin 3D des formes attendues des électrodes supérieure et latérale sur une tranchée quand l’ouverture rectangulaire du masque est telle que présentée dans (Ia) et (Ib) et quand le wafer est en rotation pendant le dépôt. (IIb) Photographie au microscope optique d’une vue inclinée d’une tranchée après la fabrication d’électrodes Au/Cr à travers une ouverture du masque d’ombrage de largeur 150 µm avec L1 = 0 µm et L2 = 220 µm. Les bordures de l’électrode sur le flanc de tranchée sont approximativement marquées par des tirets blancs pour souligner la forme hyperbolique du film déposé.

Les échantillons de GaAs gravés et recouverts de masques d’ombrage en film sec mesurent environ 1 × 1 cm2. Lors du dépôt ils sont placés au centre du porte-échantillon. Pour l’électrode visible dans la figure 4.21(IIb), le dépôt a eu lieu avec un angle d’inclinaison β = 46◦ et une vitesse de rotation du wafer de 5 tr.min−1. Les conditions de dépôt fourniraient à incidence

120 CHAPITRE 4. MODÉLISATION DES ÉLECTRODES LATÉRALES normale une épaisseur de la couche d’adhérence en chrome de 10 nm déposée à 0,1 nm.s−1 et une épaisseur de la couche d’or de 400 nm déposée à 0,3 nm.s−1.

Les figures 4.21(IIa) et 4.21(IIb) présentent le résultat d’un dépôt latéral pour une ouverture étroite du masque d’ombrage telle que montrée dans les figures 4.21(Ia) et 4.21(Ib). Étant donné la rugosité des flancs due à la gravure DRIE du GaAs, il est ardu de distinguer précisément les bordures de l’électrode. De plus la difficulté de mesurer l’épaisseur de films latéraux empêche toute comparaison directe entre notre modèle et les résultats expérimentaux. Néanmoins on retrouve bien la forme hyperbolique attendue.

Une limitation importante de ce procédé pour fabriquer des électrodes latérales est illustrée dans la figure 4.22. Si deux électrodes, même étroites, sont situées sur le même flanc, la défor-mation hyperbolique induite par la rotation du wafer pendant le dépôt peut créer un contact entre les électrodes et donc un court-circuit électrique. Ce phénomène existe même si l’espace entre les électrodes est grand. Cet aspect doit donc être pris en compte lors de la conception du dessin des électrodes. Autrement, il faudrait changer la forme soit de l’ouverture du film sec, soit du flanc de tranchée.

Figure 4.22 – Trois ensembles d’électrodes Au/Cr supérieures et latérales réalisées à l’aide d’un masque d’ombrage de film sec avec des ouvertures rectangulaires et étroites.

4.4 Conclusion

Il existe différentes techniques pour déposer des films minces sur les flancs des tranchées, que nous avons brièvement présentées dans la section 4.1. Parmi celles-ci, la méthode de dé-pôt de films minces sur les flancs des tranchées avec un masque d’ombrage en film sec et une inclinaison du porte-échantillon est à la fois simple à mettre en œuvre et précise dans la délimi-tation des motifs. Nous avons vu que les formes et les distributions d’épaisseur des motifs ainsi déposés peuvent être déterminées à l’aide de formules analytiques, donc à l’aide d’un modèle mathématique relativement simple. Ce modèle peut être divisé en deux parties, dépôt sur wafer vierge et dépôt latéral, le second se servant du premier.

Dans la section 4.2, sous les hypothèses d’avoir un dépôt lent et une source de petite surface, un premier modèle mathématique permettant de prédire l’épaisseur d’un dépôt métallique par évaporation sous incidence oblique a été développé. Il prend notamment en compte un décalage de l’axe d’inclinaison par rapport au plan du wafer. On a montré que la rotation du wafer

4.4. CONCLUSION 121 pendant le dépôt améliore l’uniformité de l’épaisseur du film sur un wafer quel que soit l’angle d’inclinaison et que, de plus, il existe pour chaque configuration un angle d’inclinaison qui rend l’épaisseur constante au 1erordre. Les formules analytiques de l’angle d’incidence à la surface du wafer et de l’épaisseur du dépôt ont été exprimées, cette dernière sous condition que le nombre de tours du wafer soit entier. L’erreur de la formule quand le nombre de tours n’est pas entier a été évaluée et il a été montré qu’elle est négligeable.

Dans la section 4.3, un modèle mathématique complet des électrodes latérales délimitées par dépôt incliné et shadow-masking à travers un masque en film sec a été développé. Il permet de prédire la forme et l’épaisseur des motifs en fonction des ouvertures dans le masque. À l’aide de ce modèle, il est ainsi possible de concevoir un masque adapté pour obtenir les motifs souhaités sur les flancs des tranchées. On a montré que dans le cas où le wafer est en rotation pendant le dépôt par évaporation, les bordures du dépôt latéral suivent la plupart du temps une trajectoire hyperbolique, comme les rayons du soleil sur un cadran solaire en une journée. Ce résultat théorique est cohérent avec les observations des expériences.

Chapitre 5

Caractérisations des résonateurs

Grâce au procédé de gravure DRIE, il a été possible de fabriquer des résonateurs en GaAs semi-isolant et de caractériser leurs fréquences et modes de résonance. Comme expliqué dans le chapitre 3, la gravure traversante, nécessaire dans notre cas pour détacher les structures de leur substrat, n’a pleinement fonctionné qu’au début de nos travaux à Orsay. Les dispositifs fabriqués cumulent donc tous les défauts que nous avons détaillés précédemment (sous-gravure, flancs inclinés et pied de gravure) puisque les actions pour les corriger n’ont été entreprises qu’après avoir pris connaissance de leurs existences et de leurs ampleurs.

La caractérisation de ces résonateurs est néanmoins intéressante puisqu’elle évalue les perfor-mances atteintes au niveau des fréquences de résonance et des facteurs de qualité (spécifications B21, B102 et B113 de la section 2.1) dans un cas défavorable. On obtient ainsi une borne in-férieure des valeurs atteignables. L’utilisation du nouveau masque de gravure plus sélectif avec sous-couche en silice et recuit en étuve ne peut que les améliorer. Des mesures en fonction de la température ont également été effectuées pour déterminer la stabilité thermique de la fréquence de résonance et la température maximum d’utilisation de résonateurs en GaAs semi-isolant.

Outre la tenue des spécifications, démontrer qu’il est possible avec notre procédé d’obtenir des résonances importantes répond aux interrogations soulevées par les premières mesures ef-fectuées par Adrien Piot sur des gyromètres triaxiaux en GaAs fabriqués par DRIE [2]. Si les fréquences de résonance différaient des simulations avec des écarts acceptables compris entre 5 % et 15 %, les facteurs de qualité étaient, eux, anormalement bas et ne dépassaient pas 1200. Parmi les hypothèses émises pour expliquer ces valeurs, aucune n’avait pu être validée. Nous n’avions ainsi pas pu savoir si ces résultats étaient une conséquence des défauts de fabrication ou s’ils étaient dus à des causes externes, comme un collage défaillant de la structure sur ses ancrages.

Nous présentons dans la section 5.1 les dispositifs de caractérisation employés pour mesurer les résonances et dans la section 5.2 les trois types de résonateurs qui ont été fabriqués : six poutres encastrées-libres, un gyromètre diapason VIG et un gyromètre triaxial. Nous détaillons alors les résultats concernant la fréquence de résonance (section 5.3), le facteur de qualité (section 5.4) et la résistivité (section 5.5). Les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats obtenus avec des simulations par éléments finis.

1. L’écart entre les fréquences de résonance des modes pilote et de détection doit être contrôlé. 2. Le facteur de qualité du mode pilote doit être supérieur à 100 000.

3. Le facteur de qualité du mode de détection doit être supérieur à 100 000.

124 CHAPITRE 5. CARACTÉRISATIONS DES RÉSONATEURS

5.1 Dispositifs de caractérisation

Pour observer et mesurer les résonances d’une structure MEMS, c’est-à-dire les modes de vibrations, les fréquences de résonance et les facteurs de qualité associés, nous utilisons une méthode in situ, la mesure de l’impédance motionnelle, et deux méthodes ex situ, la vibro-métrie optique par interférovibro-métrie moyennée dans le temps pour les vibrations hors-plan et la microscopie optique stroboscopique pour les vibrations dans le plan. La première est accessible facilement puisqu’elle ne requiert qu’un impédancemètre. Les deux autres en revanche néces-sitent un appareillage optique sophistiqué et des logiciels adaptés. Les mesures ex situ se sont déroulées au sein du département Microsystèmes et nanobiofluidiques du C2N qui possède une grande expertise dans ce domaine.