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Micro-usinage de surface pour MEMS

1980
  • Richard S. Muller
  • Roger T. Howe
Processus de micro-usinage de surface pour la fabrication de dispositifs MEMS en laboratoire.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Constructions de micro-usinage de surface MEMS Ce procédé permet de fabriquer des dispositifs en déposant et en structurant des couches minces sur un substrat. Il comprend une séquence de dépôt d'une couche sacrificielle (comme le dioxyde de silicium), sa structuration, le dépôt d'une couche structurale (comme le polysilicium), puis l'élimination de la couche sacrificielle pour libérer la structure mécanique. Ce procédé permet la création de microstructures complexes et autoportantes directement sur la surface de la plaquette.

La micro-usinage de surface est une étape fondamentale de la fabrication des MEMS, permettant la création de systèmes mécaniques complexes sur un substrat, généralement une plaquette de silicium. Ce procédé additif construit les structures couche par couche, contrairement à la micro-usinage de volume, qui est soustractif. Un processus typique commence par le dépôt d'une couche isolante, comme le nitrure de silicium, sur le substrat. Ensuite, une couche sacrificielle, souvent un type de dioxyde de silicium appelé verre phosphosilicate (PSG), est déposée par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD). Cette couche est ensuite structurée par photolithographie et gravure, définissant les zones d'ancrage de la structure finale au substrat et les espaces sous les pièces mobiles.

Next, the structural layer, most commonly polycrystalline silicon (polysilicon), is deposited over the patterned sacrificial layer. This polysilicon layer is then itself patterned to define the geometry of the desired mechanical components, such as beams, gears, or membranes. This sequence of depositing and patterning sacrificial and structural layers can be repeated multiple times to create highly complex, multi-level structures. The final, critical step is the ‘release’ process. The wafer is immersed in a chemical etchant, typically hydrofluoric acid (HF), which selectively removes the sacrificial PSG layers without attacking the polysilicon structural layers or the silicon nitride isolation layer. This leaves the polysilicon structures free to move, suspended above the substrate by their designated anchors.

A major advantage of this technique is its inherent compatibility with standard CMOS integrated circuit manufacturing processes. This allows for the monolithic integration of MEMS devices with their control and signal processing electronics on the same chip, leading to smaller, cheaper, and higher-performance systems. However, surface micromachining is not without its challenges. The primary failure mode during release is ‘stiction,’ where the released structures, once wet, are pulled down to the substrate by capillary forces during drying and become permanently stuck due to intermolecular forces like van der Waals attraction. Various anti-stiction strategies, such as supercritical CO2 drying or special surface coatings, have been developed to mitigate this critical issue.

UNESCO Nomenclature: 3313
- Ingénierie industrielle

Taper

Procédé chimique

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • techniques de photolithographie issues de l'industrie des semi-conducteurs
  • dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour la croissance de couches minces
  • procédés de gravure humide et sèche
  • technologie de fabrication de circuits intégrés (CI)

Applications

  • dispositifs à micromiroirs numériques (DMD) dans les projecteurs
  • capteurs inertiels (accéléromètres et gyroscopes) dans les smartphones
  • capteurs de pression
  • têtes d'imprimante à jet d'encre
  • Commutateurs RF MEMS

Brevets:

  • US4673455A
  • US5024723A

Idées d'innovations potentielles

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Related to: surface micromachining, MEMS, fabrication, thin film, polysilicon, sacrificial layer, etching, microfabrication, lithography, stiction.

Contexte historique

Micro-usinage de surface pour MEMS

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1987

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

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