Structuration de la partie mobile en silicium

Pour graver la microstructure de la partie mobile en silicium, r´ealis´ee en face arri`ere du substrat SOI, nous avons utilis´e le bˆati DRIE avec le proc´ed´e Bosch pr´esent´es pr´ec´edemment. Cette gravure du silicium a ´et´e faite jusqu’`a atteindre la couche de silice enterr´ee, soit 300 µm de profondeur. Le masque de gravure a ´et´e r´ealis´e avec la r´esine AZ4562. Une ´epaisseur de r´esine de 10 µm s’est av´er´ee suffisamment r´esistante pour atteindre la profondeur de gravure voulue. Nous avons tout d’abord enr´esin´e la face avant du substrat SOI, de mani`ere `a prot´eger m´ecaniquement la bobine durant ces ´etapes technologiques (Figure 3.27-b). Apr`es un recuit d’une heure pour solidifier la r´esine protectrice en face avant, nous avons proc´ed´e `a la lithogra-phie de la face arri`ere du substrat avec les param`etres suivants :

– enr´esinement avec de la r´esine AZ4562, acc´el´eration de 2000 tr/mn/s et une vitesse de 2000 tr/mn pendant 10 s,

– recuit avec un rampe de 20^◦C `a 90<sup>◦</sup>C en 20 min, suivie d’un plateau `a 90^◦C pendant 40 min,

– r´ehydratation d’une demi journ´ee,

– insolation avec une dose de 325 mJ/cm² et d´eveloppement de 3 min 30 sec dans le

d´eveloppeur AZ400 dilu´e dans de l’eau d´e-ionis´ee dans un rapport 1/4.

Cette ´etape de gravure profonde est ´eprouvante m´ecaniquement et thermiquement pour le substrat. Elle n´ecessite de prendre certaines pr´ecautions afin de limiter les risques de casse. En effet, l’attaque majoritairement physique du proc´ed´e de gravure profonde produit un d´egagement de chaleur consid´erable au niveau du substrat. Pour limiter l’´echauffement, un flux d’h´elium circule sous l’´echantillon pour le maintenir `a la temp´erature de consigne, soit

10^◦C dans notre cas. Ce flux sous l’´echantillon est `a une pression de 10 torr, alors que du

cˆot´e de la gravure la pression est de 10 mtorr. Afin d’´eviter tout mouvement du substrat et d’assurer l’´etanch´eit´e de la chambre vis-`a-vis du flux d’h´elium, une s´erie des pinces appuient sur le contour du substrat et le serrent contre le joint d’´etanch´eit´e du porte-´echantillon (Figure 3.28-a). Dans le cas de substrats ´epais (500 µm ou plus), la diff´erence de pression et l’appui des pinces ne posent pas de probl`eme particulier, mais ils peuvent ˆetre `a l’origine de ruptures dans le cas de substrats minces comme le nˆotre. Ce probl`eme est accentu´e par le fait que notre gravure est quasiment traversante.

Pour contourner ce probl`eme, nous avons utilis´e un substrat suppl´ementaire sur lequel nous avons fix´e notre ´echantillon de mani`ere temporaire (Figure 3.27-c). Nous avons dˆu mettre au point des moyens d’assemblage permettant d’assurer un refroidissement satisfaisant de l’´echantillon. La Figure 3.29-a montre par exemple un cas o`u la microstructure a ´et´e endom-mag´ee `a cause d’un mauvais transfert de chaleur. Nous avons test´e diff´erents mat´eriaux pour am´eliorer le contact thermique entre le support et l’´echantillon : de l’huile Fomblin, de la cire Crystalbond et de la pˆate thermique. Parmi ces mat´eriaux, c’est la pˆate thermique AlT-CGR7018 ´etal´ee uniform´ement sur toute la surface qui a donn´e les meilleurs r´esultats.

Un autre probl`eme m´ecanique est dˆu `a la pr´esence des bobines, dont l’´epaisseur est assez importante. De ce fait, l’appui des pinces de maintien d´eforme l’´echantillon (Figure 3.28-b). La pr´esence des micro-d´efauts en p´eriph´erie de l’´echantillon peut alors suffire `a amorcer sa

(a) (b) (c) Pince de maintien Motif Substrat Bobine Substrat Support Joint Pâte thermique

FIGURE3.28 – (a) Repr´esentation sch´ematique des pinces de maintien du substrat dans le bˆati DRIE, (b) collage

du substrat entier, avec bobines au dessous, (c) collage du substrat cliv´e avec bobine au dessous

(b) (a) Partie mobile Substrat 3 mm 4 mm Pâte thermique

FIGURE3.29 – (a) Endommagement de la microstructure due `a la surchauffe de l’´echantillon au cours du proc´ed´e,

(b) D´ebordement de la pˆate thermique `a travers les ouvertures

rupture m´ecanique.

Pour r´esoudre ce probl`eme, apr`es l’´etape de lithographie nous avons cliv´e le substrat en six morceaux, un par dispositif. Puis chaque morceau a ´et´e chauff´e `a 70<sup>◦</sup>C, recouvert de pˆate ther-mique et d´epos´e sur le substrat servant de support (Figure 3.28-c). De cette mani`ere, les pinces maintiennent directement le support, et aucune force ind´esirable ne s’applique sur les morceaux d’´echantillon. Un autre avantage de cette m´ethode d’´eviter tout probl`eme de d´ebordement de la pˆate thermique par les ouvertures qui apparaissent en fin de gravure (Figure 3.29-b). Le fait qu’une partie des motifs soit recouverte par la pˆate thermique peut en effet empˆecher la gravure du silicium de se terminer proprement. De plus, dans ce cas la couche de silice enterr´ee ne peut pas ˆetre grav´ee correctement.

Afin de prot´eger le substrat de silicium qui sert de support aux dispositifs lors de la gravure, nous l’avons recouvert d’une couche de 2 µm de silice PECVD. Ce traitement a montr´e une bonne r´esistance pour la dur´ee de gravure consid´er´ee.

Mis `a part les probl`emes m´ecaniques et thermiques, nous avons rencontr´e d’autres probl`emes lors de la gravure profonde que nous citons ci-dessous :

1) Sous-gravure : ce ph´enom`ene intervient en fin de gravure, lorsque l’on atteint la silice enterr´ee. Il a pour cons´equence une gravure lat´erale des flancs (Figure 3.30-a). En effet, la vitesse de gravure n’est pas parfaitement uniforme, d’une par `a cause de la non-uniformit´e du plasma et d’autre part `a cause des diff´erences de largeur des ouvertures `a graver. Il faut donc poursuivre la gravure jusqu’`a atteindre la couche de silice dans toutes les ouvertures. Mais, du fait de leur distribution angulaire plus large que celle des ions, les ´electrons du plasma atteignent moins facilement le fond des ouvertures. Ainsi, dans les ouvertures o`u la silice a ´et´e atteinte, sa surface se charge par l’accumulation d’ions et d´erive la trajectoire des ions incidents vers les parois. Dans notre cas, les motifs r´ealis´es sont des nervures assez ´etroites, et le ph´enom`ene de sous-gravure peut aller jusqu’`a les d´etacher compl`etement du reste du dispositif (Figure 3.30-b). Ce probl`eme peut ˆetre r´esolu en r´eduisant la vitesse en fin de gravure (utilisation d’un plasma `a basse fr´equence). Dans notre cas, nous avons plutˆot cherch´e `a uniformiser la largeur des ouvertures.

(a) (b)

FIGURE 3.30 – (a) Vue sch´ematique du ph´enom`ene de sous-gravure [124], (b) nervures d´etach´ees du dispositif

par une sous-gravure excessive

2) Largeur des ouvertures : comme mentionn´e au paragraphe pr´ec´edent, la vitesse de gravure varie suivant la largeur des ouvertures. Ce ph´enom`ene, connu sous le nom de ”RIE lag”, est dˆu `a l’´epuisement des ions et des esp`eces radicales en fond de gravure. Pour les tranch´ee ´etroites, le renouvellement des esp`eces gazeuses prend plus de temps que pour des tranch´ees larges [125]. Cet effet s’accroˆıt avec la profondeur de gravure, c’est-`a-dire lorsque le rapport d’aspect augmente.

Le diagramme 3.31-a repr´esente la variation de la profondeur de gravure en fonction du temps pour une largeur d’ouverture donn´ee. L’image MEB de la Figure 3.31-b montre des profondeurs de gravure de 83 et 117 µm pour des ouvertures de 2 et 5 µm, soit des rapports d’aspect de 41 et de 23 [115]. D’apr`es les tests que nous avons r´ealis´es sur des ´echantillons de 500 µm d’´epaisseur, il y a une grande diff´erence de gravure entre les tranch´ees de 100 µm de large, qui s´eparent la partie mobile et le substrat (Figure 3.31-c), et les ouvertures beaucoup plus larges de la partie nervur´ee. En travaillant avec des substrats plus minces, par exemple de 400 µm d’´epaisseur, nous avons observ´e une am´elioration d’homog´en´eit´e de la vitesse de gravure (Figure 3.31-d). Cependant, ce n’est qu’avec des substrats de 300 µm d’´epaisseur que nous avons obtenu des r´esultats vraiment satisfaisants (Figure 3.31-e).

D’autres solutions ont ´et´e propos´ees pour homog´en´eiser la vitesse de gravure. Haobing et al. [124] et Docker et al. [126] proposent par exemple de remplir les grandes ouvertures avec des microstructures particuli`eres qui seront ´elimin´ees `a la fin par sous-gravure (Figure 3.32).

N´eanmoins, il faut ensuite r´eussi `a ´eliminer totalement les d´ebris de silicium avant de passer aux ´etapes suivantes.

h/w (a) (b) (c) Partie mobile Par tie mob ile Substr at Substrat Substrat

Par^{tie mob} ile (d) _(e) 200 µm 200 µm 200 µm Silice Ouverture de 20 µm en face avant

FIGURE3.31 – (a) Effet du facteur d’aspect sur le temps de gravure [115], (b) facteur d’aspect de 23 `a 41 [115],

(c) partie non-grav´ee entre le substrat et la partie mobile pour le substrat de 500 µm d’´epais, (c) mˆeme partie quasiment grav´ee pour le substrat de 400 µm d’´epais, (d) mˆeme partie enti`erement grav´ee pour le substrat de 300 µm d’´epais

(a) ^(b)

FIGURE 3.32 – (a) Microstructures permettant d’homog´en´eiser la largeur des ouvertures, (b) microstructures

d´etach´ees du substrat par sous-gravure [124]

3) Verticalit´e des flancs : la verticalit´e des flancs des motifs n´ecessite un parfait ´equilibre entre gravure et passivation. En cas de d´es´equilibre, des profils positifs ou n´egatifs appa-raissent. La Figure 3.33-a montre par exemple la vue en coupe d’une nervure dont le profil est l´eg`erement n´egatif. Pour corriger ce probl`eme, il faut soit augmenter l’´epaisseur de la couche de passivation en augmentant temps de passivation ou le d´ebit du gaz C44F8, ou bien diminuer le temps de gravure du plasma SF6. Dans notre cas, la verticalit´e des flancs n’´etait pas critique, et nous n’avons pas pouss´e plus loin l’optimisation du proc´ed´e [110].

4) ”Herbe” ou ”black silicon” : il s’agit en fait de la formation de micro-piliers de silicium au fond des motifs grav´es (Figure 3.33-b). La pollution qui se d´epose sur le substrat,

c’est-`a-dire les d´ebris du polym`ere de passivation et les d´ebris de r´esine de masque, introduit un effet de micromasquage qui est `a l’origine de ce ph´enom`ene.

Pour notre application, ce d´efaut de surface peut causer des probl`emes de gravure de la silice lors de l’´etape technologique suivante, et induire par cons´equent des probl`emes de lib´eration des ressorts de suspension et de la partie mobile.

Pour r´esoudre ce probl`eme, `a la fin de la gravure nous avons ajout´e une ´etape de gravure isotrope qui permet d’´eliminer la plupart des micro-piliers de silicium attach´es `a la silice au fond des ouvertures.

(a) (b)

Herbe

50 µm

FIGURE3.33 – (a) Exemple de profil n´egatif des flancs d’une nervure, (b) ”herbe” de silicium au fond des motifs

grav´es

Pour la gravure profonde, nous avons utilis´e un proc´ed´e dont les param`etres principaux sont r´esum´es ci-dessous. Ce proc´ed´e donne une vitesse de gravure de 6,7 µm/min.

´

Etape Gaz D´ebit Puissance RF Polarisation de substrat Temps Gravure ^{SF6 450 sccm} 2,2 kW 40 W 11 s

O2 45 sccm

Passivation C4F8 200 sccm 2,0 kW 20 W 3 s

Pour la gravure isotrope effectu´ee en fin de gravure profonde, nous avons utilis´e les mˆemes param`etres, mais en supprimant la phase de passivation.

Une fois la gravure termin´ee, l’´echantillon est d´elicatement d´ecoll´e du support et nettoy´e dans un bain d’ac´etone (Figure 3.27-e).