Micro-usinage de surface pour MEMS
1980
- Richard S. Muller
- Roger T. Howe
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.
Ensuite, la couche structurale, généralement du silicium polycristallin (polysilicium), est déposée sur la couche sacrificielle structurée. Cette couche de polysilicium est elle-même structurée afin de définir la géométrie des composants mécaniques souhaités, tels que des poutres, des engrenages ou des membranes. Cette séquence de dépôt et de structuration des couches sacrificielles et structurales peut être répétée de nombreuses fois pour créer des structures multicouches très complexes. L'étape finale et cruciale est le procédé de « libération ». La plaquette est immergée dans un agent de gravure chimique, généralement de l'acide fluorhydrique (HF), qui élimine sélectivement les couches sacrificielles de PSG sans attaquer les couches structurales de polysilicium ni la couche d'isolation en nitrure de silicium. Les structures en polysilicium sont ainsi libres de se déplacer, suspendues au-dessus du substrat par leurs ancrages.
Un avantage majeur de cette technique réside dans sa compatibilité intrinsèque avec les procédés de fabrication de circuits intégrés CMOS standard. Ceci permet l'intégration monolithique des dispositifs MEMS avec leurs circuits électroniques de commande et de traitement du signal sur une même puce, aboutissant à des systèmes plus petits, moins coûteux et plus performants. Cependant, la micro-usinage de surface n'est pas sans difficultés. Le principal mode de défaillance lors du détachement est l'adhérence statique : les structures détachées, une fois humides, sont attirées vers le substrat par capillarité pendant le séchage et y restent collées de manière permanente en raison de forces intermoléculaires telles que l'attraction de van der Waals. Diverses stratégies anti-adhérence, comme le séchage au CO₂ supercritique ou l'application de revêtements de surface spéciaux, ont été développées pour atténuer ce problème critique.
UNESCO Nomenclature: 3313
- Ingénierie industrielle
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
Idées d'innovations potentielles
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Lié à : micro-usinage de surface, MEMS, fabrication, couche mince, polysilicium, couche sacrificielle, gravure, microfabrication, lithographie, adhérence.