L’étude du micro-usinage chimique des cristaux et la modélisation des effets piézorésistifs du silicium constituent deux des axes de recherche du groupe de recherche "Micro-usinage chimique anisotrope – Cristaux semiconducteurs piézorésistifs" du laboratoire de Chronométrie électronique et piézo-électricité de l’Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et Microtechniques à Besançon.
• Les microcapteurs de grandeurs mécaniques (pression, force, accélération…) sont constitués d’un corps d’épreuve fabriqué par micro-usinage chimique et de jauges piezorésistives diffusées sur ce corps d’épreuve. Sous l’effet de contraintes mécaniques, des jauges silicium subissent des variations de résistivité électrique dont l’ampleur dépend de l’orientation de la résistance silicium. Sous l’effet de contraintes mécaniques le silicium se comporte donc comme un matériau anisotrope dont les propriétés piézorésistives sont décrites au premier ordre par un tenseur d’ordre 4 (coefficients piézorésistifs linéaires de référence) et au deuxième ordre par un tenseur d’ordre 6 (coefficients non linéaires de référence). Les valeurs de ces coefficients dépendent du dopage et de la température.
• Dans le domaine des applications capteurs grand public les corps d’épreuve en silicium (membranes minces, poutres, masses sismiques suspendues par des ponts…) sont fabriqués dans des lames d’orientation (100), voire (110). Or les plans d’orientation (hhl) offrent de nouvelles applications en détection piézorésistive notamment avec des dispositifs piézorésistifs quadripolaires qui permettent de mesurer avec une forte sensibilité un système de trois contraintes coplanaires. L’optimisation des formes usinées de corps d’épreuve dans un plan (100) est maîtrisée. Il n’en est pas de même pour la microfabrication collective de structures 3D dans des plans d’orientation non conventionnelle. En effet, le micro-usinage chimique est gouverné par l’orientation du cristal et est dit anisotrope. La forme usinée de structures 3D est caractéristique de la coupe. Comme pour d’autres propriétés de matériaux anisotropes il est possible de décrire l’attaque chimique anisotrope à l’aide d’une surface représentative de la lenteur de dissolution dont l’équation fait intervenir des constantes de dissolution, caractéristiques du cristal et du bain d’attaque chimique, qui sont les composantes de tenseurs de dissolution. L’intérêt de ce modèle vient du fait qu’il permet de construire numériquement les formes usinées 3D et qu’il est à l’origine d’un logiciel de simulation TENSOSIM conçu au laboratoire.
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• Récemment l’intérêt pour le bain d’attaque TMAH — Tetra Methyl Ammonium Hydroxyde — compatible avec les procédures de fabrication des circuits intégrés s’est fait sentir. Une réponse à cette nécessité technique a été la caractérisation du bain d’attaque TMAH 25 % massique. Ce travail a été effectué dans le cadre de la thèse "Capteurs piézorésistifs sur silicium : modélisation de l’influence du dopage et de la température. Caractérisation du micro-usinage chimique de corps d’épreuve en silicium dans une solution de TMAH" présentée à l’ENSMM*. Une approche pragmatique a été adoptée avec une étude de la dégradation des états géométriques des surfaces usinées et la fabrication de structures simples (membranes, mesa, poutres) sur des lames de silicium d’orientation (hk0) et (hhl). Les orientations pour lesquelles la lenteur de dissolution passe par des maxima et des minima et qui jouent un rôle prépondérant dans la forme finale des structures usinées ont été déterminées. Un premier jeu de constantes de dissolution (base de données du logiciel TENSOSIM) a été établi qui a conduit récemment à une bonne adéquation entre formes théoriques simulées et formes expérimentales et qui permet donc de dégager des orientations (hhl) et des directions d’alignement des masques favorables à la réalisation de microstructures mécaniques.
• L’autre problématique traitée dans le cadre de cette thèse est la recherche de valeurs plus fiables pour les coefficients non linéaires du silicium dopé N dont les valeurs sont actuellement mal connues, voire manquantes. Une approche théorique a été choisie car elle rend bien compte des effets piézorésistifs linéaires. Pour modéliser les effets non linéaires associés aux contraintes uni-axiales, ont été combinés le modèle de vallées (valable pour le silicium type N) et le formalisme de l’équation de transport de Boltzmann qui permet d’inclure l’effet du dopage et de la température. De nouvelles expressions théoriques pour les coefficients non-linéaires de référence associés aux contraintes de cisaillement ont également été proposées. En adjoignant de nouveaux modules de calcul des coefficients linéaires et non linéaires de référence au logiciel PIEZOSIM (également développé au laboratoire), il est maintenant possible d’évaluer la sensibilité et les non-linéarités de jauges en silicium N ou d’éléments quadripolaires alignés suivant toutes directions sur des plans d’orientation non conventionnelle. Il est alors possible d’optimiser la détection piézorésistive du silicium N et de dégager de nouvelles applications capteurs compatibles avec les contraintes de la microfabrication.
Colette Tellier
LCEP – Laboratoire de Chronométrie électronique etpiézoélectricité
ENSMM Besançon
Tél. 03 81 40 28 30
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