Les technologies MEMS

 Les technologies MEMS 

Le premier MEMS fut un résonateur en silicium à actionnement électrostatique fabriqué en 1967 par Dr. Harvey Nathanson [Nathanson67]. Vingt ans plus tard, Howe et Muller développaient l’usinage de surface du silicium, une des principales techniques employées aujourd’hui pour les MEMS commercialisés [Howe86]. Ceci montre bien le lien très étroit qui existe entre la notion même de MEMS et la technologie silicium. Cependant, depuis le début des années 90, d’autres techniques (LIGA, SU8, LTCC…) sont venues compléter les possibilités offertes par le silicium. Il existe deux familles de technologies MEMS qui se démarquent :
♦ le micro-usinage en surface,
♦ le micro-usinage en volume.

Le micro-usinage en surface

C’est la technique de microfabrication la plus directement dérivée de la technologie du circuit intégré. Il s’agit de superposer deux types de matériaux au dessus du substrat : les couches structurales et les couches sacrificielles, dont la géométrie est obtenue par photolithographie. Les couches sacrificielles sont dissoutes à la fin du procédé de fabrication, afin de libérer les couches structurelles. Les couches sacrificielles sont souvent des oxydes ou des résines, et les couches structurelles du polysilicium, des métaux ou des isolants non oxydés, tels que le nitrure de silicium. Le principe de base du micro-usinage de surface du silicium est présenté en Figure 1. Cette figure illustre les étapes fondamentales de fabrication qui sont le dépôt des couches, le transfert de forme et la gravure.

A ce jour, cette technique demeure la plus performante en matière de complexité des formes géométriques réalisées et offre une grande densité d’intégration. Elle permet de fabriquer des faisceaux de poutres suspendues, des micromoteurs (Figure 2) ou encore des micromiroirs mobiles (Figure 3) [Sandia-net]. Notons que l’épaisseur de ce type de microstructures est de quelques μm seulement, développant par conséquent de très faibles puissances mécaniques dans le cas de microactionneurs.

En revanche, le point critique de ce procédé se situe au niveau de la gravure chimique des couches sacrificielles. Il est d’autant plus difficile de contrôler si les oxydes ont été entièrement dissous par les solutions chimiques, que les structures sont larges et proches du substrat (Figure 4). De ce fait, la reproductibilité est difficile à maîtriser.

Le micro-usinage en volume

Le micro-usinage en volume ou bulk micromachining consiste à graver le substrat pour libérer la structure suspendue, ainsi on peut obtenir les formes recherchées pour un MEMS en travaillant le substrat brut [Kovacs98, Madou02]. Cette méthode est notamment utilisée :
♦ pour fabriquer des microstructures ayant un haut rapport de forme (rapport hauteur/largeur)
♦ pour la fabrication de membranes silicium en effectuant un usinage de volume par la face arrière d’un wafer.

Cette technique s’appuie sur une gravure chimique anisotrope et sélective du silicium. Différentes solutions peuvent être utilisées pour attaquer le silicium selon certains plans cristallins afin de libérer des structures (masses, membranes, poutres, ponts…) [Mardalhon03].  Une ou plusieurs couches structurelles sont déposées et gravées à la surface du silicium. Puis, en fin de procédé de fabrication, une attaque du silicium est réalisée pour libérer les structures mécaniques.

La profondeur des cavités peut aller jusqu’à 100 μm ou plus et la gravure peut s’effectuer aussi bien depuis la face avant que depuis la face arrière du wafer. La gravure en face arrière augmente le coût car elle impose des contraintes supplémentaires d’alignement et de polissage. Les formes géométriques obtenues sont peu complexes (polygones) et la densité d’intégration est faible. D’autre part les temps de gravure sont longs (quelques heures) et les solutions utilisées sont délicates à manipuler et polluantes. A l’heure actuelle, cette technique est bien maîtrisée et permet, outre le dégagement des poutres, de réaliser des membranes très régulières avec une grande précision. Les premiers succès commerciaux ont d’ailleurs utilisé cette technique (têtes d’imprimantes, capteurs de pression ou d’accélération). Deux techniques sont principalement utilisées pour l’usinage en volume du silicium :

Le procédé DRIE (Deep Reactive Ion Etching)
Ce procédé a été mis au point par la société Robert Bosch Corporation en 1995 [Bhardwaj95]. Elle permet un usinage en profondeur (plusieurs centaines de microns) du silicium grâce à un faisceau d’ions réactifs. Cette technique utilise en alternance un plasma C4F8 pour passiver les parois de la cavité silicium et un plasma SF6 pour usiner le fond de la cavité. Ce type d’usinage est indépendant de l’orientation cristalline et permet d’obtenir de hautes parois verticales. Depuis son développement en 1995, cette technique a été utilisée pour la fabrication de MEMS dans divers domaines : optique [Li03, Perregaux01], composants pour la microfluidique [Andersson01], ou encore capteurs [Aebersold06, Jang07, Neels09].

Le procédé HEXIL
Ce procédé de micro-moulage couple l’usinage du silicium par DRIE avec des dépôts de couches minces classiques incluant une couche sacrificielle permettant de libérer les microstructures silicium de leur moule en fin de procédé [Keller94, Klaassen95]. L’originalité est donc l’utilisation d’une microstructure en silicium qui sert de moule pour fabriquer des parties d’un composant MEMS qui sont ensuite reportées sur un autre substrat, le moule en silicium étant ensuite réutilisable pour un autre moulage. Cette technique a été utilisée pour fabriquer des outils de micropositionnement tels que des micropinces [Keller98].

Autres technologies spécifiques 

D’autres techniques plus spécifiques, car utilisant des technologies moulées, sont couramment employées et de part leurs performances, elles permettent la réalisation d’objets de haute précision.

Le prodédé LIGA
LIGA pour Lithographie, Galvanoformung, Abformung, est un procédé de fabrication de microstructures à très grand facteur de forme [Madou02, Banks-net]. On doit ce procédé à l’équipe d’Erwin Willy Becker et de Wolfgang Ehrfeld, de l’institut pour l’ingénierie de procédés nucléaires au centre nucléaire de recherche de Karlsruhe.

Ce procédé, originellement développé dans le cadre de travaux sur la séparation des isotopes de l’uranium, est aujourd’hui très important dans la fabrication des MEMS ; son intérêt est de travailler sur des couches épaisses jusqu’à 1mm. Son principe, comportant différentes étapes :

♦ la première étape est le dépôt d’une résine photosensible sur le substrat
♦ la résine est ensuite exposée à un rayonnement X émis à travers un masque photolithographique. La longueur d’onde du rayonnement, de quelques dizaines de nanomètre, permet d’obtenir une très bonne résolution ce qui est le principal atout de cette technologie.
♦ les zones exposées sont éliminées par dissolution chimique
♦ L’étape suivante est le dépôt électrolytique d’un métal dans le moule polymère.
♦ Ce dépôt métallique peut ensuite lui-même constituer un outil pour fabriquer des microstructures par emboutissage ou injection de polymères ou d’autres métaux [Bley91, Kupka00] .

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 FIABILITE DES MICROSYSTEMES
1. Les technologies MEMS
1.1. Le micro-usinage en surface
1.2. Le micro-usinage en volume
1.3. Autres technologies spécifiques
1.4. L’encapsulation
2. Domaines d’application des MEMS
2.1. L’informatique
2.2. L’automobile
2.3. Les télécommunications
2.4. L’aérospatiale
2.5. L’optique
2.6. Le biomédical
3. Mécanismes de défaillance des MEMS
3.1. Notion de fiabilité
3.2. Différentes approches
3.3. Mécanismes de défaillance induits par le procédé de fabrication
3.4. Mécanismes de défaillance induits par le fonctionnement
3.5. Facteurs influençant les mécanismes de défaillance
4. Tests de Fiabilité : Méthodes de diagnostic et d’analyse
4.1. Les principaux tests
4.2. Diagnostic thermique de la fiabilité
CHAPITRE 2 CONCEPTION ET DEVELOPPEMENT DU BANC HAUTE RESOLUTION
1. La thermographie Infrarouge
1.1. Rappel sur les ondes électromagnétiques
1.2. Définition des grandeurs radiatives
1.3. Le rayonnement thermique
2. Mesure de la température avec une caméra thermique
2.1. De l’image à la température
2.2. Etude de la chaîne de mesure
2.3. L’étalonnage d’une caméra en température
3. Banc de thermographie infrarouge pour l’analyse des microsystèmes
3.1. L’objet thermique
3.2. La caméra infrarouge
3.3. L’objectif de microscope pour la thermographie infrarouge à haute résolution
3.4. Le système de commande et d’acquisition
4. Etude des phénomènes perturbateurs et leur correction
4.1. L’émissivité et sa détermination
4.2. L’effet Narcisse et la correction différentielle mise en œuvre
4.3. Traitements mis en œuvre pour la thermographie haute résolution
5. Evaluation du banc de thermographie infrarouge
5.1. Etude du temps d’intégration
5.2. Evaluation du bruit
5.3. Estimation de la résolution spatiale
Bilan
CHAPITRE 3 ETUDE DE COMPOSANTS D’EMETTEURS-RECEPTEURS
1. Etude d’une capacité variable MEMS-RF
1.1. Présentation et fonctionnement de la capacité variable MEMS-RF
1.2. Le dispositif expérimental
1.3. Caractérisation thermique
1.4. Le mécanisme de rupture
2. Etude d’un résonateur BAW-RF
2.1. Présentation des résonateurs BAW-RF
2.2. Le dispositif expérimental
2.3. Caractérisation thermique
CHAPITRE 4 ETUDE DE COMPOSANTS AVEC CONTACT ELECTRIQUE
1. Etude de micro-commutateurs MEMS-RF
1.1. Présentation des commutateurs étudiés
1.2. Le dispositif expérimental
1.3. Caractérisation thermique des commutateurs
2. Etude d’un tuner RF
2.1. Présentation des Tuners d’impédance
2.2. Le dispositif expérimental
2.3. Caractérisation thermique
3. Etude thermique du contact dans un micro-commutateur
3.1. Présentation des micro-commutateurs
3.2. Le dispositif expérimental
3.3. Caractérisation thermique
Bilan
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
REFERENCES
ANNEXE 1
ANNEXE 2
ANNEXE 3
ANNEXE 4

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