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Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 1 MICRO-SYSTEMES Pascale BERRUYER Jean-Sébastien DANEL DTS / STMS / LCEMO

MICRO-SYSTEMES · MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical System) = Domaine des µtechnologies = Technologies microélectronique: • Dépôt •

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Laboratoire Composants Electro-Mécaniques et Optiques 21/04/2005 1

MICRO-SYSTEMES

Pascale BERRUYERJean-Sébastien DANELDTS / STMS / LCEMO

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Qu’est-ce qu’un micro-système?

Un élément sensible…

…Souvent en silicium

Capteur(accéléromètre)

Actionneur(interrupteur)

Du packaging

…Sur la plaquette de silicium …Sur la puce

De l’électroniquepuissance RFet transmission

capteur de température convertisseur CAD

filtres digitaux

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Élément sensible=

MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)

MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical System)

= Domaine des µtechnologies

=Technologies microélectronique:• Dépôt• Lithographie• Gravure• Trait. Therm.

+

Technologies spécifiques:• Scellement• Dépôt/gravure à fort facteur de forme• Libération de structures•….

(Nanométrique) (Micrométrique)

Optique

Physique

ÉlectriqueMagnétique

Mécanique

ChimieBiologie

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Spécificités Technologiques (1)- Substrats de base

- Si : 100mm au LETI; passage en 200 ou 150mm ?- épaisseurs variées: 200µm, 1mm, …; dopages divers : 1mΩ.cm, …- poli 2 faces; orientations variées : (100), (110), (111), (121)- substrats plus exotiques : verre, quartz, niobate, …

- Lithographie- double face- résines épaisses (>10µm)

- Dépôts- SiO2, SiN basse température : 300, 200, voire 80°C- dépôts faibles contraintes- métaux « spéciaux » : Cr, Au, magnétiques, haute pureté- pulvé verre, Si, …- dépôts épais: >20µm (SiO2, PolySi, Cu, …)

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Spécificités Technologiques (2)

- Autres dépôts- épitaxies Si épaisses : 50 voire 100µm- implantations : fortes énergies, fortes doses, neutrons, …- dépôts électrolytiques : cuivre, or, matériaux magnétiques, …

- Gravures- gravures chimiques- gravures plasma profondes : SiO2 30µm, Si 500µm, …

- Autres- scellements : Si/Si, Si/verre, polymère, eutectique Au-Si, …- sciage - polissage

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Intérêts des Micro-Systèmes

- Fabrication collective- Prix de revient abaissé- Fiabilité accrue- Reproductibilité

- Nouveaux débouchés- petite taille : automobile, médical, puits de forage, …- faible coût : redondance

- Performances améliorées- matériau monocristallin : bonnes propriétés mécaniques- méthodes d’usinage douces- compacité : électronique proche

- Niches avec des efforts financiers « raisonnables »

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Particularité des filières

- Technologies souvent complexes

- Packaging souvent complexe et cher (> 70% du coût total ?)

- Importance des interfaces et connexions entre microcomposants

- Multitude de filières technologiques différentes

- Différents « philosophies » d’intégration

- monolithique : Above-IC, filière spécifique, …

problème : compatibilité, rendement, fondeur

- hybride- Conception dépendant de la technologie disponible : Silicium ?

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Exemple de brique de base :Gravure Chimique Anisotrope du Silicium (1)

- Structure cristalline- Formes limitées par les plans lents (111)

α

(100)

(110) α = 35°16’tgα = 1/ 2

- Autres formes et orientations possibles

(110)

(111)

(100)

(100)

(100)

(110) plans (111)

54°45'

1ers plans (111) endommagés

(110)

(111)

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Gravure Chimique Anisotrope du Silicium (3)- Remplacement par la gravure plasma

- la forme reproduit le masque; simplicité de conception- zones de contrainte aux encastrements

contraintes

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Quelques exemples de domaines d’application

AutomobileAvionique

Grand publicMédical

InformatiqueTélécommunications Détection pétrolière

Défenseetc…

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Les « ancêtres » (années 80)

- Capteur de poids- Scaime (Teraillon)- jauges métalliques; substrat verre- coût puce 1 Euro; prix produit >50 Euros

- Hygromètre- Correci- polymère entre électrodes; substrat verre- coût puce qq Euros; prix produit >200 Euros

P

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Les accéléromètres

masse mobile en mouvement sous l’effet de l’accélération

poutres sensibles

Saut Technologique initial- axe sensible perpendiculaire au substrat

- axe sensible parallèle au substrat

F = Mγ

- 1er dispo en quartz (1983)- gravure chimique anisotrope- directivité- conception monolithique- détection capacitive- asservissement électromagnétique

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Les points clef de la technologie accéléromètre

•Substrat SOI

Substrat de Si monocristallin

Si monocristallinSiO2

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Les points clef de la technologie accéléromètre

•Substrat SOI•Gravure profonde du silicium

Substrat de Si monocristallin

Si monocristallinSiO2

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Les points clef de la technologie accéléromètre

•Substrat SOI•Gravure profonde du silicium•Libération des structures

Substrat de Si monocristallin

Si monocristallinSiO2

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Les accéléromètresDispositif Hautes Performances - Géophone Sercel

8 . π . kB . T . fo . BW

M . Qγn =

M masse sismiqueQ facteur de qualitéfo fréquence de résonanceBW bande passante

- usinage profond (60 ou 200µm)- Augmenter m

- packaging sous vide- matériau haute qualité

- Augmenter Q

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Les accéléromètres

Les Evolutions ?

- Augmentation de l’épaisseur SOI

- Intégration de l’électronique

- Packaging sous vide ou atmosphère contrôlée

- Packaging sur puce (« 0-level » packaging)

- Filière compatible ligne micro-électronique (ATLAS)

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Capteurs de pressionMembrane déformable sous l’effet de la pression

membrane = étanchéité

poutres déformables

jauges SOI piézorésistives cavité sous vide

substrat scelléSi : SDBPyrex : anodique

P

- Avantage jauge SOI :très bonne tenue en température

vide- recherche pétrolière- avionique (Eurocopter)

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Capteurs de pressionDifférentes structures selon l’application

Détection capacitive Détection jauges piézorésistives

PElectrical conductor

Reference vacuum Sensing element limit

SiO2

Glass or ceramic

SiC protection layer

Silicon

Gauge

1.6 bars350°C1500 bars

500°C100 bars

Biomédical Automobile / Aéronautique

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µcommutateur RF• Le principe

– Poutre diélectrique actionnée thermiquement par effet bilame

– Maintien électrostatique pour limiter la consommation

OFF State

ON StateThermal actuation

ON StateElectrostatic clamp

bump contactheater resistance

RF lineground

ground

400µm50µm

clamping electrodemetal block

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Commutation Optique

- Micro-Switch Optique

- Détecteur de vibrationsmasse sismique entrée

2 guides desortie

guide mobile

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Micro-Banc Optique

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Composants Magnétiques Intégrés

Enregistrement Magnétique

substrat Si

gap d’enregistrementazimuthal

bobinage cuivreintégré

circuit magnétique

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Composants Magnétiques Intégrés

Enregistrement Magnétique

20 µm

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Composants Magnétiques Intégrés

Micro-Transformateur Intégré

spire solénoïde

circuit magnétique

Dimensions :1 mm x 1 mm

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Les perspectives

Les MEMS RF

Les MEMS inertiels

Les miroirs déformable, mobiles

La capture et la restitution de toucher

La récupération et le stockage d’énergie