Technologie de micro-usinage en volume

Le micro-usinage en volume consiste a graver le substrat pour liberer une structure sus-pendue. Cette attaque peut se faire par la face avant, par la face arriere ou par les deux faces de la plaquette (wafer) en m^eme temps.

2.5.2.1 Le micro-usinage en volume par la face avant

le micro-usinage par la face avant consiste a faire des ouvertures dans les couches d'oxydes CMOS pour atteindre le substrat [81]. Avec des ouvertures judicieusement placees, le con-cepteur peut former des poutres, ponts et membranes, qui sont les briques elementaires des capteurs et actionneurs. Les ouvertures sont obtenues en empilant lors de la conception des masques (layout), les niveaux d'ouvertures dans les oxydes telque le CONTACT, VIA et la

8AsGa : Arseniure de gallium.

2.5. TECHNOLOGIE VISEE

PASSIVATION. Tous ces niveaux emp^echent la formation ou le dep^ot d'oxyde, et laissent le substrat a nu. Aucune etape supplementaire au procede CMOS n'est necessaire pour former les zones de silicium a nu.

Apres le procede CMOS, les puces ou les plaquettes sont plongees dans une solution de gravure anisotropique telque le TMAH9ou l'EDP10. L'agent gravant qui possede une bonne selectivite vis a vis des oxydes, va attaquer le silicium par les ouvertures qui ont ete faites durant le process CMOS et liberer les structures. Seul le silicium est attaque, les autres couches (metal, oxydes) sont inertes ou possedent une vitesse de gravure insigniante. C'est a cette seule condition que l'on peut faire des microsystemes compatibles avec la micro-electronique. Les structures liberees sont un sandwich des couches CMOS comme le montre la gure 2.16.

Remarque : Lors de la gravure, la face arriere de la puce est attaquee, mais c'est sans

impor-LOCOS Poly1 BPSG1 metal1 metal2 passivation interpoly BPSG2 Poly2

Figure 2.16: Vue en coupe d'une structure suspendue en technologie CMOS (double poly., double metal).

tance car le temps de liberation des structures (de la face avant) est bien inferieur au temps necessaire pour faire dispara^tre tout le substrat.

Cette technologie est essentiellement dediee aux capteurs thermiques (convertisseur electro-thermique, capteur infrarouge, capteur de ux de gaz,...) a cause de l'excellente isolation thermique obtenue par le retrait du substrat sous la structure, et par la faible conductivite des couches d'oxydes du procede CMOS. Quelques applications mecaniques sont possibles (capteur de force, capteur d'empreinte,...) gr^ace a la piezoresistivite du polysilicium, mais la plage des capteurs que l'on peut concevoir est assez reduite. En eet, le micro-usinage par la face avant est incapable de liberer une masse en silicium, ce qui est indispensable pour augmenter la sen-sibilite des capteurs inertiels.

Le micro-usinage en volume par la face avant est un moyen simple et peu onereux pour fab-riquer des capteurs thermiques. Cependant les faibles inerties thermiques et mecaniques des structures reduisent le champ des applications que l'on peut concevoir avec une telle technique. Seul le micro-usinage par la face arriere peu combler ce vide.

9TMAH : Tetra Methyle d'Ammonium Hydroxyde, voir le chapitre 4.

10EDP : Ethylamine Diamine Pyrocathecol, voir le chapitre 4.

Figure 2.17: Vue en coupe d'une structure suspendue en technologie CMOS (double poly., double metal).

2.5.2.2 Le micro-usinage en volume par la face arriere

Le micro-usinage en volume par la face arriere consiste a graver le substrat a partir de la face arriere ou par les deux faces (avant et arriere) simultanement. Cette technique permet de liberer des membranes pleines (attaque face arriere uniquement) ou des masses inertielles en silicium (attaque par les deux faces simultanement). Le principe consiste a deposer sur la face arriere d'un wafer, un masque d'oxyde ou nitrure que l'on ouvre a certain endroit pour faire appara^tre le silicium. Les ouvertures de la face arrieres doivent correspondre aux motifs ou aux ouvertures de la face avant, donc une lithographie double face est obligatoire pour aligner les 2 faces. La gure 2.18 donne un exemple de realisation d'une membrane suspendue et d'un obelisque.

Les applications sont essentiellement mecaniques (capteur de pression, accelerometre,...) mais on peut aussi faire des capteurs thermiques (capteur IR, convertisseur electro-thermiques, capteur de ux de gaz...).

En conclusion le micro-usinage par la face arriere autorise plus de liberte dans la conception des capteurs, mais cette liberte co^ute relativement cher. En eet, le travail au niveau d'une plaquette, le dep^ot d'un masque sur la face arriere, l'amincissement du wafer a 300 m et les volumes d'agent gravant necessaire, rendent son utilisation plus chere qu'un procede de gravure par la face avant. Par consequent on reservera cette technique pour des applications ou le micro-usinage par la face avant n'est pas possible.

2.5. TECHNOLOGIE VISEE membrane flottante plot résistance thermocouple obélisque obélisque

Figure 2.18: Vue de dessus et en coupe d'un convertisseur grave par la face arriere avec un obelisque pour augmenter la constante de temps.

2.5.2.3 Gravure electro-chimique

Le micro-usinage en volume classique peut ^etre complete par une gravure electro-chimique [31] [50]. Le principe est de polariser une zone dopeen(par rapport a une electrode plongee dans la solution) pour emp^echer son attaque. Cette technique permet de suspendre des petits blocs de quelques microns d'epaisseur en silicium sans avoir recourt a une technique de micro-usinage face arriere. Les principaux inter^ets sont :

{ de suspendre de l'electronique, soit pour l'isoler thermiquement ou electriquement du reste de la puce (band-gap reference11par exemple),

{ de former une petite masse inertielle.

Cette technique est aussi utilisee pour former une couche d'arr^et lors des gravures face arriere. On obtient ainsi une membrane plus epaisse et donc plus rigide (voir gure 2.19).

La gravure electro-chimique est interessante, mais dicile a mettre en oeuvre car elle necessite des moyens de gravure adaptes. La couche liberee en silicium ne peut ^etre que de typen ce qui limite les possibilites de l'electronique suspendue.