Létude 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 lEcole Nationale Supérieure de Mécanique et Microtechniques à Besançon.
• Les microcapteurs de grandeurs mécaniques (pression, force, accélération…) sont constitués dun corps dépreuve fabriqué par micro-usinage chimique et de jauges piezorésistives diffusées sur ce corps dépreuve. Sous leffet de contraintes mécaniques, des jauges silicium subissent des variations de résistivité électrique dont lampleur dépend de lorientation de la résistance silicium. Sous leffet de contraintes mécaniques le silicium se comporte donc comme un matériau anisotrope dont les propriétés piézorésistives sont décrites au premier ordre par un tenseur dordre 4 (coefficients piézorésistifs linéaires de référence) et au deuxième ordre par un tenseur dordre 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 dépreuve en silicium (membranes minces, poutres, masses sismiques suspendues par des ponts…) sont fabriqués dans des lames dorientation (100), voire (110). Or les plans dorientation (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. Loptimisation des formes usinées de corps dépreuve dans un plan (100) est maîtrisée. Il nen est pas de même pour la microfabrication collective de structures 3D dans des plans dorientation non conventionnelle. En effet, le micro-usinage chimique est gouverné par lorientation du cristal et est dit anisotrope. La forme usinée de structures 3D est caractéristique de la coupe. Comme pour dautres propriétés de matériaux anisotropes il est possible de décrire lattaque chimique anisotrope à laide dune surface représentative de la lenteur de dissolution dont léquation fait intervenir des constantes de dissolution, caractéristiques du cristal et du bain dattaque chimique, qui sont les composantes de tenseurs de dissolution. Lintérêt de ce modèle vient du fait quil permet de construire numériquement les formes usinées 3D et quil est à lorigine dun logiciel de simulation TENSOSIM conçu au laboratoire.
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• Récemment lintérêt pour le bain dattaque TMAH — Tetra Methyl Ammonium Hydroxyde — compatible avec les procédures de fabrication des circuits intégrés sest fait sentir. Une réponse à cette nécessité technique a été la caractérisation du bain dattaque TMAH 25 % massique. Ce travail a été effectué dans le cadre de la thèse "Capteurs piézorésistifs sur silicium : modélisation de linfluence du dopage et de la température. Caractérisation du micro-usinage chimique de corps dépreuve en silicium dans une solution de TMAH" présentée à lENSMM*. 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 dorientation (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 dalignement des masques favorables à la réalisation de microstructures mécaniques.
• Lautre 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 léquation de transport de Boltzmann qui permet dinclure leffet 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 dévaluer la sensibilité et les non-linéarités de jauges en silicium N ou déléments quadripolaires alignés suivant toutes directions sur des plans dorientation non conventionnelle. Il est alors possible doptimiser 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
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colette.tellier@ens2m.fr