Procédés de dépôtEdit
L’un des éléments de base du traitement des MEMS est la capacité de déposer des films minces de matériau d’une épaisseur comprise entre un micromètre, et environ 100 micromètres. Le processus NEMS est le même, bien que la mesure du dépôt du film varie de quelques nanomètres à un micromètre. Il existe deux types de procédés de dépôt, comme suit.
Dépôt physiqueEdit
Le dépôt physique en phase vapeur (« PVD ») consiste en un procédé dans lequel un matériau est retiré d’une cible, et déposé sur une surface. Les techniques pour y parvenir comprennent le processus de pulvérisation, dans lequel un faisceau d’ions libère des atomes d’une cible, leur permettant de se déplacer à travers l’espace intermédiaire et de se déposer sur le substrat souhaité, et l’évaporation, dans laquelle un matériau est évaporé d’une cible en utilisant soit la chaleur (évaporation thermique), soit un faisceau d’électrons (évaporation e-beam) dans un système sous vide.
Dépôt chimiqueEdit
Les techniques de dépôt chimique comprennent le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), dans lequel un flux de gaz source réagit sur le substrat pour faire croître le matériau souhaité. Cette technique peut encore être divisée en catégories selon les détails de la technique, par exemple LPCVD (dépôt chimique en phase vapeur à basse pression) et PECVD (dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma).
Les films d’oxyde peuvent également être cultivés par la technique de l’oxydation thermique, dans laquelle la tranche (généralement en silicium) est exposée à de l’oxygène et/ou de la vapeur, pour faire croître une fine couche de surface de dioxyde de silicium.
PatterningEdit
Le patterning dans les MEMS est le transfert d’un motif dans un matériau.
LithographieEdit
La lithographie dans le contexte des MEMS est généralement le transfert d’un motif dans un matériau photosensible par exposition sélective à une source de rayonnement telle que la lumière. Un matériau photosensible est un matériau qui subit une modification de ses propriétés physiques lorsqu’il est exposé à une source de rayonnement. Si un matériau photosensible est exposé sélectivement à un rayonnement (par exemple en masquant une partie du rayonnement), le motif du rayonnement sur le matériau est transféré sur le matériau exposé, car les propriétés des régions exposées et non exposées diffèrent.
Cette région exposée peut ensuite être retirée ou traitée fournissant un masque pour le substrat sous-jacent. La photolithographie est généralement utilisée avec le dépôt de métal ou d’autres couches minces, la gravure humide et sèche. Parfois, la photolithographie est utilisée pour créer une structure sans aucune sorte de post-gravure. Un exemple est la lentille à base de SU8 où des blocs carrés à base de SU8 sont générés. Ensuite, le photorésist est fondu pour former une demi-sphère qui agit comme une lentille.
Lithographie par faisceau d’électronsModifier
La lithographie par faisceau d’électrons (souvent abrégée en lithographie par faisceau d’électrons) est la pratique consistant à balayer un faisceau d’électrons de façon structurée sur une surface recouverte d’un film (appelé réserve), ( » exposer » la réserve) et à enlever sélectivement les régions exposées ou non exposées de la réserve ( » développer « ). L’objectif, comme pour la photolithographie, est de créer de très petites structures dans la réserve qui peuvent ensuite être transférées sur le matériau du substrat, souvent par gravure. Développée pour la fabrication de circuits intégrés, elle est également utilisée pour créer des architectures nanotechnologiques.
Le principal avantage de la lithographie par faisceau d’électrons est qu’elle est l’un des moyens de battre la limite de diffraction de la lumière et de réaliser des caractéristiques de l’ordre du nanomètre. Cette forme de lithographie sans masque a trouvé un large usage dans la fabrication de photomasques utilisés en photolithographie, la production en faible volume de composants semi-conducteurs et la recherche & développement.
La principale limite de la lithographie par faisceau d’électrons est le débit, c’est-à-dire le temps très long nécessaire pour exposer une tranche de silicium ou un substrat de verre entier. Un long temps d’exposition laisse l’utilisateur vulnérable à la dérive ou à l’instabilité du faisceau qui peut se produire pendant l’exposition. En outre, le temps d’exécution pour le retraitement ou la reconception est allongé inutilement si le motif n’est pas modifié la deuxième fois.
Lithographie par faisceau ioniqueEdit
Il est connu que la lithographie par faisceau ionique focalisé a la capacité d’écrire des lignes extrêmement fines (moins de 50 nm de ligne et d’espace a été réalisé) sans effet de proximité. Cependant, comme le champ d’écriture en lithographie par faisceau d’ions est assez petit, des motifs de grande surface doivent être créés en assemblant les petits champs.
La technologie de piste ioniqueEdit
La technologie de piste ionique est un outil de découpe profonde avec une limite de résolution autour de 8 nm applicable aux minéraux, verres et polymères résistants aux rayonnements. Elle est capable de générer des trous dans des films minces sans aucun processus de développement. La profondeur de la structure peut être définie soit par la gamme d’ions, soit par l’épaisseur du matériau. Des rapports d’aspect allant jusqu’à plusieurs 104 peuvent être atteints. La technique permet de façonner et de texturer les matériaux selon un angle d’inclinaison défini. Il est possible de générer des motifs aléatoires, des structures de pistes à un seul ion et des motifs visés constitués de pistes individuelles uniques.
Lithographie aux rayons XModifier
La lithographie aux rayons X est un procédé utilisé dans l’industrie électronique pour enlever sélectivement des parties d’un film mince. Elle utilise les rayons X pour transférer un motif géométrique d’un masque à une photoréserve chimique photosensible, ou simplement « resist », sur le substrat. Une série de traitements chimiques grave ensuite le motif produit dans le matériau situé sous la photoréserve.
Modelage du diamantModelage
Une manière simple de graver ou de créer des motifs à la surface de nanodiamants sans les endommager pourrait conduire à un nouveau dispositif photonique.
Le modelage du diamant est une méthode de formation de MEMS en diamant. Elle est réalisée par l’application lithographique de films de diamant sur un substrat tel que le silicium. Les motifs peuvent être formés par un dépôt sélectif à travers un masque en dioxyde de silicium, ou par un dépôt suivi d’un micro-usinage ou d’un fraisage par faisceau ionique focalisé.
Procédés de gravureÉditer
Il existe deux catégories de base de procédés de gravure : la gravure humide et la gravure sèche. Dans la première, le matériau est dissous lorsqu’il est immergé dans une solution chimique. Dans la seconde, le matériau est pulvérisé ou dissous à l’aide d’ions réactifs ou d’un agent de gravure en phase vapeur.
La gravure humideEdit
La gravure chimique humide consiste à enlever sélectivement du matériau en plongeant un substrat dans une solution qui le dissout. La nature chimique de ce procédé de gravure offre une bonne sélectivité, ce qui signifie que le taux de gravure du matériau cible est considérablement plus élevé que celui du matériau du masque s’il est sélectionné avec soin.
La gravure isotropeEdit
La gravure progresse à la même vitesse dans toutes les directions. Des trous longs et étroits dans un masque produiront des rainures en forme de V dans le silicium. La surface de ces rainures peut être atomiquement lisse si la gravure est effectuée correctement, les dimensions et les angles étant extrêmement précis.
La gravure anisotropeEdit
Certains matériaux monocristallins, comme le silicium, auront des vitesses de gravure différentes selon l’orientation cristallographique du substrat. Ce phénomène est connu sous le nom de gravure anisotrope et l’un des exemples les plus courants est la gravure du silicium dans du KOH (hydroxyde de potassium), où les plans Si <> se gravent environ 100 fois plus lentement que les autres plans (orientations cristallographiques). Par conséquent, la gravure d’un trou rectangulaire dans une tranche de silicium (100)-Si donne lieu à une fosse de gravure de forme pyramidale avec des parois de 54,7°, au lieu d’un trou avec des parois latérales courbes comme avec la gravure isotrope.
Mise au point de la gravure HF
L’acide hydrofluorique est couramment utilisé comme agent de gravure aqueux pour le dioxyde de silicium (SiO
2, également appelé BOX pour SOI), généralement sous forme concentrée à 49%, 5:1, 10:1 ou 20:1 BOE (buffered oxide etchant) ou BHF (Buffered HF). Ils ont été utilisés pour la première fois à l’époque médiévale pour la gravure du verre. Ils ont été utilisés dans la fabrication de circuits intégrés pour la formation de motifs sur l’oxyde de grille jusqu’à ce que cette étape du processus soit remplacée par la RIE.
L’acide fluorhydrique est considéré comme l’un des acides les plus dangereux en salle blanche. Il pénètre la peau dès le contact et il se diffuse directement dans les os. Par conséquent, les dommages ne sont pas ressentis avant qu’il ne soit trop tard.
La gravure électrochimiqueEdit
La gravure électrochimique (ECE) pour l’élimination sélective du dopant du silicium est une méthode courante pour automatiser et contrôler sélectivement la gravure. Une jonction de diode p-n active est nécessaire, et l’un ou l’autre type de dopant peut être le matériau résistant à la gravure ( » etch-stop « ). Le bore est le dopant d’arrêt de gravure le plus courant. En combinaison avec la gravure anisotrope humide décrite ci-dessus, l’ECE a été utilisé avec succès pour contrôler l’épaisseur du diaphragme en silicium dans les capteurs de pression piézorésistifs commerciaux en silicium. Les régions dopées sélectivement peuvent être créées soit par implantation, diffusion ou dépôt épitaxial de silicium.
Mise au point de la gravure sèche
Gravure en phase vapeurEdit
Difluorure de xénonEdit
Le difluorure de xénon (XeF
2) est une gravure isotrope en phase vapeur sèche pour le silicium initialement appliquée pour les MEMS en 1995 à l’Université de Californie, Los Angeles. Principalement utilisé pour libérer les structures métalliques et diélectriques en sous-coupant le silicium, le XeF
2 présente l’avantage d’une libération sans frottement contrairement aux agents de gravure humide. Sa sélectivité de gravure du silicium est très élevée, ce qui lui permet de travailler avec des photoréserves, du SiO
2, du nitrure de silicium et divers métaux pour le masquage. Sa réaction au silicium est « sans plasma », elle est purement chimique et spontanée et est souvent utilisée en mode pulsé. Des modèles de l’action de gravure sont disponibles, et des laboratoires universitaires et divers outils commerciaux proposent des solutions utilisant cette approche.
La gravure par plasmaEdit
Les procédés VLSI modernes évitent la gravure humide, et utilisent plutôt la gravure par plasma. Les graveurs plasma peuvent fonctionner selon plusieurs modes en ajustant les paramètres du plasma. La gravure au plasma ordinaire fonctionne entre 0,1 et 5 Torr. (Cette unité de pression, couramment utilisée dans l’ingénierie du vide, est égale à environ 133,3 pascals). Le plasma produit des radicaux libres énergétiques, chargés de manière neutre, qui réagissent à la surface de la plaquette. Comme les particules neutres attaquent la tranche de silicium sous tous les angles, ce procédé est isotrope.
La gravure au plasma peut être isotrope, c’est-à-dire présenter un taux de contre-dépouille latérale sur une surface à motifs approximativement égal à son taux de gravure vers le bas, ou peut être anisotrope, c’est-à-dire présenter un taux de contre-dépouille latérale inférieur à son taux de gravure vers le bas. Une telle anisotropie est maximisée dans la gravure profonde par ions réactifs. L’utilisation du terme anisotropie pour la gravure par plasma ne doit pas être confondue avec l’utilisation du même terme lorsqu’il s’agit de gravure en fonction de l’orientation.
Le gaz source du plasma contient généralement de petites molécules riches en chlore ou en fluor. Par exemple, le tétrachlorure de carbone (CCl
4) grave le silicium et l’aluminium, et le trifluorométhane grave le dioxyde de silicium et le nitrure de silicium. Un plasma contenant de l’oxygène est utilisé pour oxyder ( » cendre « ) la résine photosensible et faciliter son retrait.
Le fraisage ionique, ou gravure par pulvérisation, utilise des pressions plus faibles, souvent aussi basses que 10-4 Torr (10 mPa). Elle bombarde la tranche de silicium avec des ions énergétiques de gaz nobles, souvent Ar+, qui font tomber les atomes du substrat par transfert de momentum. Étant donné que la gravure est effectuée par des ions, qui s’approchent du wafer approximativement à partir d’une seule direction, ce processus est fortement anisotrope. D’autre part, il a tendance à présenter une faible sélectivité. La gravure par ions réactifs (RIE) fonctionne dans des conditions intermédiaires entre la gravure par pulvérisation et la gravure par plasma (entre 10-3 et 10-1 Torr). La gravure profonde par ions réactifs (DRIE) modifie la technique RIE pour produire des caractéristiques profondes et étroites.
Edit de pulvérisation
La gravure par ions réactifs (RIE)Editer
Dans la gravure par ions réactifs (RIE), le substrat est placé à l’intérieur d’un réacteur, et plusieurs gaz sont introduits. Un plasma est déclenché dans le mélange gazeux à l’aide d’une source d’énergie RF, qui brise les molécules de gaz en ions. Les ions s’accélèrent vers la surface du matériau à graver et réagissent avec elle, formant un autre matériau gazeux. C’est ce qu’on appelle la partie chimique de la gravure par ions réactifs. Il existe également une partie physique, qui est similaire au processus de dépôt par pulvérisation. Si les ions ont une énergie suffisamment élevée, ils peuvent faire tomber des atomes du matériau à graver sans réaction chimique. C’est une tâche très complexe que de développer des procédés de gravure sèche qui équilibrent la gravure chimique et physique, car il y a de nombreux paramètres à ajuster. En modifiant l’équilibre, il est possible d’influencer l’anisotropie de la gravure, puisque la partie chimique est isotrope et la partie physique fortement anisotrope la combinaison peut former des parois latérales qui ont des formes allant de l’arrondi à la verticale.
La RIE profonde (DRIE) est une sous-classe spéciale de la RIE qui gagne en popularité. Dans ce procédé, des profondeurs de gravure de centaines de micromètres sont atteintes avec des parois latérales presque verticales. La technologie primaire est basée sur le « procédé Bosch », du nom de la société allemande Robert Bosch, qui a déposé le brevet original, où deux compositions de gaz différentes alternent dans le réacteur. Il existe actuellement deux variantes du procédé DRIE. La première variante comprend trois étapes distinctes (le procédé Bosch original), tandis que la deuxième variante ne comprend que deux étapes.
Dans la première variation, le cycle de gravure est le suivant :
(i) gravure isotrope SF
6;
(ii) passivation C
4F
8;
(iii) gravure anisoptrope SF
6 pour le nettoyage des sols.
Dans la 2e variante, les étapes (i) et (iii) sont combinées.
Les deux variantes fonctionnent de manière similaire. Le C
4F
8 crée un polymère à la surface du substrat, et la deuxième composition gazeuse (SF
6 et O
2) grave le substrat. Le polymère est immédiatement éliminé par pulvérisation cathodique par la partie physique de la gravure, mais uniquement sur les surfaces horizontales et non sur les parois latérales. Comme le polymère ne se dissout que très lentement dans la partie chimique de la gravure, il s’accumule sur les parois latérales et les protège de la gravure. En conséquence, des rapports d’aspect de gravure de 50 à 1 peuvent être atteints. Le procédé peut facilement être utilisé pour graver complètement un substrat de silicium, et les taux de gravure sont 3 à 6 fois plus élevés que la gravure humide.
Préparation des matricesModification
Après avoir préparé un grand nombre de dispositifs MEMS sur une tranche de silicium, les matrices individuelles doivent être séparées, ce qui est appelé préparation des matrices dans la technologie des semi-conducteurs. Pour certaines applications, la séparation est précédée d’un rétro-broyage de la tranche afin de réduire l’épaisseur de la tranche. Le découpage de la plaquette peut ensuite être effectué soit par sciage à l’aide d’un liquide de refroidissement, soit par un procédé laser sec appelé stealth dicing.