Brevet FR2915985A1 — publié le 20081114

Cette invention se rapporte d'une manière générale à un micromoteur SDA tracé de manière photolithographique pour des applications de systèmes micro-électromécaniques (SMEM). Le développement et l'application de la technologie de miniaturisation constituent la tendance principale de la science moderne. En particulier, les technologies des circuits intégrés (IC) et des systèmes micro-électromécaniques (SMEM) sont les procédés rudimentaires du monde microscopique ces dernières années. Le plus petit micro-ventilateur du monde avec une dimension de 2 mm x 2 mm (R. J. Linderman, P. E. Kladitis et V.M. Bright, Development of the Micro Rotary Fan , Sensors and Actuators A, Vol. 95, 2002, pages 135 à 142.) est constitué par des micro-pales auto-assemblées et des micro-actionneurs électrostatiques ou SDA (scratch drive actuator). Le micro-ventilateur actionné par SDA est fabriqué en utilisant une technologie de micro-usinage de surface à base de polysilicium (processus SMEM à utilisateurs multiples). Un exemple de plaquette (chip en anglais) à micromoteur implanté se trouve dans le document R. J. Linderman and V. M. Bright, Optimized Scratch Drive Actuator for Tethered Nanometer Positioning of Chip Sized Components , Technical Digest of Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Isl., SC, USA, 2000, pages 214 à 217 . De nombreuses recherches et applications de dispositif SDA ont été rapportées dans la littérature antérieure. Par exemple, Terunobu Akiyama et ses collaborateurs ont d'abord proposé le mouvement pas à pas commandé de manière électrostatique (c.-à-d., un actionneur SDA) dans une micro-glissière, un micromoteur et une table croisée en polysilicium. Comme leurs résultats expérimentaux le montrent, la vitesse des microstructures est une fonction de la fréquence d'impulsion appliquée et la longueur de pas est une fonction de la valeur de crête de l'impulsion appliquée et de la longueur de la plaque de SDA. Ils présentent également une nouvelle technologie de remodelage de base pour réaliser des microstructures tridimensionnelles en silicium. D'autre part, Ryan J. Linderman et Victor M. Bright ont proposé un nouveau micro-ventilateur rotatif à base de SMEM en utilisant des technologies d'auto- assemblage à soudure et SDA. Leurs articles ont présenté un micro-ventilateur SMEM entraîné de manière électrostatique qui peut être encore réduit en taille et en poids par gravure en bloc du substrat de moteur, en laissant seulement une couche structurelle mince afin de supporter le moteur et la rangée de pales de ventilateur. Les aspects critiques de conception des dispositifs SDA sont les dimensions de la couche structurelle de polysilicium, du pied, de la couche diélectrique et des poutres de support. Les dimensions optimisées adoptées dans leur conception de micro-ventilateur sont : une plaque SDA de 78 pm de long par 65 pm de large, une hauteur de pied de 1,5 pm, les poutres de support de 1,5 pm d'épaisseur faisant 4 pm de large et 30 pm de long. Le micromoteur rotatif SDA a été développé pendant plus d'une décennie ; cependant, un tel dispositif a des applications commerciales limitées du fait de sa tension de commande élevée (30 à 150 Vo_F (Volt)). Afin de surmonter cet inconvénient, ce brevet vise à développer un micromoteur SDA à faible tension de commande utilisant une rondelle (wafer en anglais) de silicium à très faible résistivité comme substrat de plaquette. Un processus qui permet de tracer de manière photolithographique un micromoteur SDA formé sur un substrat de silicium à très faible résistivité 0,004 Q-cm) a été développé. Le substrat de silicium à très faible résistivité peut réduire la tension de commande du micromoteur SDA de 30 à 150 V0_F à 12 à 30 V0_F d'amplitude de C.A. (Courant Alternatif). Un autre inconvénient du micromoteur SDA conventionnel est sa faible durée de vie. Pour pallier cet inconvénient, cette invention présente une nouvelle conception de structure de nervure et de bride pour l'augmentation de la durée de vie, l'amélioration du rendement et la réduction de puissance du micromoteur SDA. Un nouveau micromoteur SDA avec des conceptions de structure de nervure et de bride a démontré une durée de vie (> 75 heures) et une vitesse de rotation (,--- 30 tour/min) plus élevées dans ce brevet. Un micromoteur SDA à faible tension de commande et durée de vie élevée est prévu dans ce brevet. Afin de réduire de manière substantielle la tension de commande de 30 à 150 Vo_p à 12 à 30 Vo_p d'amplitude de C.A., une rondelle de silicium avec une très faible résistivité ( 75 heures) et de la vitesse de rotation (o 30 tour/min) du micromoteur SDA ont également été démontrées dans ce brevet. La technologie principale adoptée dans ce brevet est le processus de micro-usinage de surface à base de polysilicium de la technologie de systèmes micro-électromécaniques (SMEM), avec les avantages d'une fabrication par lots, d'un faible coût et d'une compatibilité élevée avec la technologie de circuit intégré. La figure 1 montre les structures principales de micromoteurs SDA traditionnel et nouveau à partir 10 des résultats simulés du logiciel L-edit. La figure 2 représente une conception innovante de structure de bride afin d'améliorer de manière efficace la robustesse de structure et la durée de vie du micromoteur SDA. 15 La figure 3 illustre les vues en coupe des étapes de processus principal du micromoteur SDA. La figure 4 montre les conceptions de disposition et de structure en coupe du micromoteur SDA proposées dans la présente invention. 20 La figure 5 montre la tension de commande de l'actionneur de type SDA à plaque unique en fonction du rapport longueur/largeur pour deux types de rondelle de silicium. La figure 6 illustre une nouvelle conception de 25 micro-ventilateur actionné par un micromoteur SDA. Un micromoteur SDA conventionnel a des applications commerciales limitées du fait de sa tension de commande élevée et de sa faible durée de vie. La figure 1 montre les structures principales de 30 micromoteurs SDA traditionnel et nouveau à partir des résultats simulés du logiciel L-edit. Afin d'améliorer la résistance à la rupture (qui résulte de la force de torsion) de la poutre de support 5, la présente invention utilise la couche de polysilicium-3 (3) afin 35 de construire simultanément la plaque de SDA 4, la poutre de support 5, l'anneau 6 et le couvercle 8, qui forment une structure de nervure 7 plus épaisse (couches empilées de polysilicium 2 (Poly-Si2) et polysilicium 3 (Poly-Si3) adjacente à la partie d'anneau 6 ; la rigidité en flexion et la durée de vie du micromoteur SDA peuvent ainsi être améliorées. La figure 2 montre une nouvelle disposition de bride 9 proposée dans la présente invention. La conception de bride peut en outre améliorer la robustesse de structure de la poutre de support, ce qui améliore encore le rendement du micromoteur SDA et réduit la défaillance de rupture dans la situation d'actionnement. La nouvelle conception de structure de nervure et de bride pour l'amélioration de la durée de vie (> 75 heures) et de la vitesse de rotation (,.,, 30 tour/min) du micromoteur SDA a été démontrée dans ce brevet. Par ailleurs, afin de réduire de manière substantielle la tension de commande de 30 à 150 V0 à 12 à 30 Vo_p d'amplitude de C.A., une rondelle de silicium 10 avec une très faible résistivité ( Les processus complets exigent au moins huit processus de photolithographie et sept de dépôt de couche mince. La technologie de fabrication principale de la présente invention est le processus de micro-usinage de surface à base de polysilicium. Les étapes de traitement principales sont décrites en détail comme suit : (a) Traçage de manière photolithographique de la couche d'isolant en nitrure de silicium 11 à faible contrainte de 600 nm d'épaisseur qui est déposée sur un substrat de silicium à très faible résistivité 10 par un système de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD). Comme le montre La figure 3 (a), au moins une fenêtre de contact électrique de substrat 12 peut être définie dans le premier processus de photolithographie et de gravure. (b) Utilisation du système de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression pour déposer une couche de polysilicium 13 dopé in situ à faible contrainte de 1,5 pm d'épaisseur sur ou au-dessus du substrat de silicium. Comme le montre la figure 3 (b), cette invention adopte un système de gravure à plasma à couplage inductif (ICP) pour définir avec précision les zones de piste 14 et le bloc d'ancrage 15 dans le processus de traçage photolithographique secondaire. (c) Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) d'une couche sacrificielle de verre phosphosilicate (PSG) à faible contrainte de 2 pm d'épaisseur 16 sur ou au-dessus du substrat. Afin de commander avec précision la dimension critique et améliorer l'anisotropie de gravure, la présente invention adopte un système de gravure à sec ICP pour tracer au moins une fenêtre de bossage de 750 nm de profondeur 17 et une fenêtre de pied 18 de micromoteur SDA après le troisième processus de photolithographie (figure 3 (c)). (d) Dépôt d'une couche de polysilicium 19 dopé in situ à faible contrainte de 2 pm d'épaisseur sur ou au-dessus du substrat en utilisant un système de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression et traçage de celle-ci afin de définir au moins une microstructure de nervure 20 du micromoteur SDA en utilisant les processus photolithographique et de gravure à sec (figure 3 (d)). (e) Dépôt d'une couche sacrificielle 21 de verre 35 phosphosilicate à faible contrainte de 1,5 pm d'épaisseur sur ou audessus du substrat en utilisant le système de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Le cinquième photomasque est utilisé pour tracer les zones de fenêtre de bossage 22, de fenêtre de couvercle 23 et de fenêtre de pied 24 du micromoteur SDA comme cela est représenté dans la figure 3 (e). (f) Grâce au sixième processus photolithographique et de gravure à sec, la présente invention peut en outre définir les zones de la fenêtre d'ancrage 25 du micromoteur SDA comme cela est représenté dans la figure 3 (f). (g) Dépôt de la troisième couche de polysilicium 26 dopé in situ à faible contrainte de 2 pm d'épaisseur sur ou au-dessus du substrat en utilisant le système de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression et traçage de celle-ci afin de définir au moins un bossage 27, une poutre de support 28, un anneau 29, un couvercle 30, un pied 31 et un rotor SDA 32 du micromoteur SDA en utilisant le septième processus de photolithographie et de gravure à sec (figure 3 (g . (h) Dépôt de films métalliques de chrome de 200 nm d'épaisseur et d'or de 250 nm d'épaisseur 33 sur ou au-dessus du substrat en utilisant un système de dépôt à évaporateur à faisceau d'électrons. Dans le huitième processus photolithographique, cette invention utilise un procédé de décollement pour tracer les couches métalliques de chrome et d'or et pour définir au moins un bloc de polarisation 34 et un bloc de masse 35 du micromoteur SDA (figure 3 (h)). (i) Dégagement par gravure des première et deuxième couches sacrificielles de verre phosphosilicate en utilisant une solution acide fluorhydrique à 49% afin de libérer la partie de rotor SDA du micromoteur SDA du substrat, les parties de couvercle et de piste du micromoteur SDA restant fixées sur le substrat. Après le processus de libération, le rotor SDA libre peut tourner sur l'isolant en nitrure de silicium sous l'effet d'un entraînement électrostatique approprié (figure 3 (i)). Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, l'étape de dépôt de la couche de matière isolante comporte l'étape de processus de dépôt et de post-recuit en utilisant un système de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), l'isolant en nitrure de silicium à faible contrainte signifiant que sa contrainte doit être commandée en-dessous de 250 MPa. Dans un autre mode particulier de réalisation de l'invention, la fenêtre de contact électrique du substrat de silicium à faible résistivité est réservée pour le contact électrique d'une couche métallique et du substrat de silicium, le substrat de silicium à très faible résistivité agissant en tant qu'électrode de masse et support mécanique lors de la commande du micromoteur SDA. Selon une variante de réalisation, l'étape de dépôt de la couche de matière de polysilicium dopé in situ à faible contrainte comporte l'étape de processus de dépôt, de dopage in situ et de post-recuit dans un système de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), chaque sous-processus de cette étape étant réalisé à pression, écoulement de gaz et température différents, le film structurel mince de polysilicium à faible contrainte signifiant que sa contrainte doit être commandée en-dessous de 200 MPa. Selon une autre variante de réalisation, l'étape de dépôt de la couche de matière sacrificielle de verre phosphosilicate à faible contrainte comporte l'étape de processus de dépôt et de post-recuit en utilisant un système de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), la matière sacrificielle de verre phosphosilicate à faible contrainte signifiant que sa contrainte doit être commandée en-dessous de 300 MPa. La figure 4 montre les conceptions de disposition et de structure en coupe dans la présente invention, le plus petit micromoteur SDA du monde avec seulement environ 475 um de diamètre. Basée sur la théorie de la division de tension, la tension de commande du micromoteur SDA diminue avec la résistivité du substrat. La figure 5 compare deux actionneurs SDA (plaque SDA unique) avec les mêmes processus de disposition et de fabrication mais une résistivité différente du substrat. Le SDA à plaque unique sur la rondelle à faible résistivité a démontré une tension de commande inférieure de seulement environ 4 à 7 Vo_p. D'autre part, la tension de commande du micromoteur SDA à huit plaques est mesurée à 12 à 30 Vo_p. Cette valeur est beaucoup plus petite que les résultats présentés dans d'autres littératures. La figure 6 illustre une nouvelle conception d'une application possible du micromoteur SDA 40, le micro-ventilateur SDA, qui est constitué par le micromoteur SDA 40 et huit micro-pales auto-assemblées à polyimide 41. Le mécanisme d'actionnement de base de l'auto-assemblage à polyimide utilise la force de tension superficielle de la jonction élastique en polyimide 42 générée pendant le processus de fusion (reflow) à haute température pour soulever la couche structurelle. L'invention vise également un procédé de formation d'un micro-ventilateur comportant les étapes 35 consistant à : a. fabriquer le micromoteur SDA suivant les processus décrits dans le procédé de formation d'un micromoteur SDA conforme à l'invention, à l'exception du dernier processus de libération ; b. déposer par rotation un film mince de polyimide sur ou au-dessus de la troisième couche structurelle de polysilicium à faible contrainte du micromoteur SDA ; c. tracer de manière photolithographique et graver une forme de jonction élastique sur le film mince de polyimide ; d. dégager par gravure les première et deuxième couches sacrificielles de verre phosphosilicate afin de libérer la partie de rotor SDA et la partie de micro-pale du micro-ventilateur SDA du substrat, les parties de couvercle et de piste du micromoteur SDA restant fixées sur le substrat ; e. réaliser un processus de fusion avec pour résultat la contraction de ladite jonction élastique de polyimide afin de faire tourner et soulever une partie prédéfinie de micro-pale, l'angle de soulèvement de la partie de micro-pale pouvant être commandé en ajustant la température de fusion de couche de polyimide, le micro-ventilateur SDA libre pouvant tourner sur le substrat de silicium sous l'effet d'un entraînement électrostatique approprié après le processus de libération de structure et de durcissement de polyimide. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, l'étape de gravure est un processus de gravure sélective, l'étape utilisant un acide fluorhydrique dilué qui grave les couches sacrificielles de verre phosphosilicate beaucoup plus vite que la couche structurelle de polysilicium. REVENDICATIONS 1. Procédé de formation d'un micromoteur SDA, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à a. déposer une première couche de matière isolante (11) en nitrure de silicium sur ou au-dessus d'un substrat de silicium (10) à très faible résistivité, l'isolant en nitrure de silicium ayant une faible contrainte de tension et un faible coefficient de friction ; b. tracer de manière photolithographique la couche de matière isolante en nitrure à faible contrainte afin de former au moins une fenêtre (12) de contact électrique du substrat de silicium à faible résistivité ; c. déposer la deuxième couche de matière sur ou au-dessus du substrat de silicium (11) à nitrure déposé, qui est une matière (13) de polysilicium dopé in situ ayant une très faible contrainte ; d. tracer de manière photolithographique la première couche structurelle de polysilicium dopé in situ à faible contrainte afin de former au moins une piste (14) du micromoteur SDA et un bloc d'ancrage (15) ; e. déposer la troisième couche de matière sur ou au- dessus du substrat, qui est une matière phosphosilicate (PSG) (16) ayant un faible gradient de contrainte et agit en tant que couche sacrificielle de la couche structurelle du micromoteur SDA ; f. tracer de manière photolithographique la première couche sacrificielle de verre phosphosilicate (PSG) à faible contrainte afin de définir au moins une fenêtre de pied (18) et une fenêtre de bossage (17) du micromoteur SDA ;g. déposer la quatrième couche (19) sur ou au-dessus de la première couche sacrificielle de verre phosphosilicate, qui est une matière de polysilicium dopé in situ ayant un gradient de contrainte très faible ; h. tracer de manière photolithographique la deuxième couche de polysilicium dopé in situ à faible contrainte afin de définir au moins une partie de microstructure (.20) de nervure du micromoteur SDA ; i. déposer la cinquième couche (21) de matière sur ou au-dessus de la nervure et d'une partie de la première couche sacrificielle de verre phosphosilicate, qui est une matière phosphosilicate ayant un faible gradient de contrainte et agit en tant que deuxième couche sacrificielle de la couche structurelle du micromoteur SDA ; j. tracer de manière photolithographique la deuxième couche sacrificielle de verre phosphosilicate afin de définir au moins une fenêtre de bossage (22) et une fenêtre de pied (24) ; k. tracer de manière photolithographique la première et la deuxième couche sacrificielle de verre phosphosilicate afin de définir au moins une fenêtre de couvercle (23) du micromoteur SDA ; 1. déposer la sixième couche (26) de matière sur ou au-dessus d'une partie de la nervure et d'une partie de la deuxième couche sacrificielle de verre phosphosilicate, qui est une matière de polysilicium dopé in situ ayant un très faible gradient de contrainte et agit en tant que couche structurelle principale du micromoteur SDA ; m. tracer de manière photolithographique la troisième couche structurelle de polysilicium à faible contrainte afin de définir la partie de couvercle (30) et au moins une partie de rotor (32) SDA du micromoteur ;n. déposer la septième couche de matière sur ou au-dessus de la troisième couche de polysilicium à faible contrainte et d'une partie de la deuxième couche sacrificielle de verre phosphosilicate, qui se compose de couches métalliques (33) de chrome et d'or ; o. tracer de manière photolithographique les couches métalliques de chrome et d'or afin de définir les blocs de polarisation (34) et de masse (35) du micromoteur SDA ; p. dégager par gravure les première et deuxième couches sacrificielles de verre phosphosilicate afin de libérer la partie de rotor SDA du micromoteur SDA du substrat, les parties de couvercle et de piste du micromoteur SDA restant fixées sur le substrat, le rotor SDA libre pouvant tourner sur l'isolant en nitrure de silicium sous l'effet d'un entraînement électrostatique approprié après le processus de libération. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat en silicium à très faible résistivité signifie que sa résistivité doit être inférieure à 0,004 ê-cm, ladite rondelle (10) de silicium à très faible résistivité 0,004 ê-cm) étant principalement adoptée comme substrat de micromoteur SDA afin de réduire effectivement la tension de commande de 30 à 150 Vo_p à 12 à 30 Vo_p d'amplitude de C.A. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de dépôt de la couche de matière isolante comporte l'étape de processus de dépôt et de post-recuit en utilisant un système de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), ledit isolant en nitrure de silicium à faiblecontrainte signifiant que sa contrainte doit être commandée en-dessous de 250 MPa. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre de contact électrique du substrat de silicium à faible résistivité est réservée pour le contact électrique d'une couche métallique et du substrat de silicium, ledit substrat de silicium à très faible résistivité agissant en tant qu'électrode de masse et support mécanique lors de la commande du micromoteur SDA. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de dépôt de la couche de matière de polysilicium dopé in situ à faible contrainte comporte l'étape de processus de dépôt, de dopage in situ et de post-recuit dans un système de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), chaque sous-processus de cette étape étant réalisé à pression, écoulement de gaz et température différents, ledit film structurel mince de polysilicium à faible contrainte signifiant que sa contrainte doit être commandée en-dessous de 200 MPa. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de dépôt de la couche de matière sacrificielle de verre phosphosilicate à faible contrainte comporte l'étape de processus de dépôt et de postrecuit en utilisant un système de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), ladite matière sacrificielle de verre phosphosilicate à faible contrainte signifiant que sa contrainte doit être commandée en-dessous de 300 MPa. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de dépôt de la couche de15 matière sacrificielle comporte l'étape de dépôt d'un phosphosilicate à faible contrainte. 8. Procédé de formation d'un micro-ventilateur, 5 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à . a. fabriquer le micromoteur SDA (40) suivant les processus décrits dans la revendication 1, à l'exception du dernier processus de libération ; 10 b. déposer par rotation un film mince de polyimide sur ou au-dessus de ladite troisième couche structurelle de polysilicium à faible contrainte du micromoteur SDA ; c. tracer de manière photolithographique et graver 15 une forme de jonction élastique (42) sur ledit film mince de polyimide ; d. dégager par gravure les première et deuxième couches sacrificielles de verre phosphosilicate afin de libérer la partie de rotor SDA et la partie de 20 micro-pale (41) du micro-ventilateur SDA du substrat, les parties de couvercle et de piste du micromoteur SDA restant fixées sur le substrat ; e. réaliser un processus de fusion avec pour résultat la contraction de ladite jonction élastique 25 (42) de polyimide afin de faire tourner et soulever une partie prédéfinie de micro-pale (41), l'angle de soulèvement de la partie de micro-pale pouvant être commandé en ajustant la température de fusion de couche de polyimide, le micro-ventilateur SDA libre 30 pouvant tourner sur le substrat de silicium sous l'effet d'un entraînement électrostatique approprié après le processus de libération de structure et de durcissement de polyimide. 16 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de gravure est un processus de gravure de dégagement. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de gravure est un processus de gravure sélective, l'étape utilisant un acide fluorhydrique dilué qui grave les couches sacrificielles de verre phosphosilicate beaucoup plus vite que la couche structurelle de polysilicium.