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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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LES TENDANCES TECHNOLOGIQUES

troisième partie (3/8) : les couches

élément sensible en couche mince
une technologie complexe
les exemples
le capteur type
les couches épaisses
l'artisanat n'est pas mort
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élément sensible en couches minces

Une seconde voie de recherche consiste à utiliser un support de silicium (ou de verre spécial) dans lequel (ou sur lequel) on intégrera une partie des éléments et à lui adjoindre par dépôt superficiel un élément sensible en couche dite mince d'un tout autre matériau. Une couche mince (voir chapitres spécialisés pour de plus amples informations théoriques) est un élément de matériau dans lequel l'une des dimensions a été fortement réduite. Dans le cas typique d'un métal, une couche sera dite mince si son épaisseur est de l'ordre de grandeur du libre parcours moyen des électrons de conduction dans le métal considéré. Aussi en pratique une couche mince aura moins d'un micron d'épaisseur. Cette couche mince est toujours déposée sur un substrat dont il faudra tenir compte car son importance sur le résultat dépassera toujours celle d'un simple support mécanique. Les procédures d'obtention les plus courantes font appel aux dépôts par procédé physique (PVD) ou chimique (CVD) ou microchimique (technique de Langmuir-Blodgett et assimilées).

Parmi les procédés PVD qui impliquent tous un vide plus ou moins poussé, on citera l'évaporation thermique (en ultra-vide), la pulvérisation cathodique et le dépôt assisté par faisceau d'ions.

Les procédés CVD opèrent soit à faible pression, soit dans un plasma dont le rôle est soit d'être le vecteur du matériau à déposer, soit d'être un activateur (par ex dans le cas de polymérisation assistée par plasma).

L'intérêt des couches minces pour la réalisation de capteurs résulte de leurs propriétés spécifiques qui assurent :
  • une aptitude à la miniaturisation
  • des temps de réponse ultra courts
  • la potentialité de créer des matériaux impossibles à produire autrement
  • de plus les technologies employées sont proches de celles de la microélectronique-silicium et se marient donc très bien avec elles.
Ainsi, on développe des jauges de contrainte en couches minces conduisant à des capteurs de pression (Statham, Sedeme, Eurosensor,...) hautes performances et hautes températures (LCIA-INSA Rouen), des capteurs d'humidité (Philips, Coreci, LCIA), de température de surface (LCIA)... En raison de l'importance de cette technologie elle sera présentée en détail et certaines applications seront décrites dans les chapitres ultérieurs.

Très souvent on associe aujourd'hui les techniques de micromachining vues précédemment et les technologies couches minces, ainsi qu'on va le voir dans les exemples ci-dessous.

l'exemple type

Dans l'exemple ci-dessus on figure un capteur de pression à membrane rectangulaire en polysilicium de 300 nm d'épaisseur destiné aux applications de mesure de pression dans le domaine automobile, dans une plage de pression de 0-500 mbar. La figure de gauche montre une coupe de la zone capteur du chip, tandis que la figure de droite présente l'ensemble du chip vu de dessus avec 3 capteurs (à l'extrême-gauche) et les lignes métalliques de prise d'information (connexions à droite). La surface du chip est de 400x2300 µm2, tandis que la membrane représente 110x250 µm2. L'épaisseur du substrat de silicium oxydé en surface est de 525 µm.

La procédure de fabrication comporte 7 étapes :
1. On commence par déposer sur le substrat, oxydé en surface, une couche de polysilicium, dite sacrificielle, par CVD d'une épaisseur de 1µm qu'on va ensuite graver afin de définir le volume du capteur (la zone en blanc dans la coupe ci-dessus).

2. On réalisera ensuite une couche de passivation en SiO2 puis déposera une couche de 300nm de polysilicium qui figurera les piézorésistances après gravure. Cette couche sera dopée au bore par implantation en deux temps : d'abord avec une faible concentration pour les résistances 2.1013/cm3 puis une forte concentration pour les électrodes 6.1014/cm3 et enfin un traitement thermique d'activation en atmosphère d'azote à 1000°C.

3. Après gravure des résistances celles-ci sont passivées par une fine couche d'oxyde.

4. On dépose alors une couche de polysilicium qui figurera la membrane (2µm) la couche est alors gravée (masque N° 4) puis couverte d'une couche d'oxyde et de nitrure de Si.

5. Le masque 5 va permettre de définir les trous qui vont permettre d'éliminer la couche sacrificielle qui sert actuellement de support à la membrane. L'astuce consiste à utiliser une solution standard de TMAH en phase aqueuse qui dissout parfaitement le polysilicium de la zone à sacrifier sans toucher aux couches d'oxyde ou de nitrure qui protègent la membrane et les résistances.

6. Après cette opération on enlève la couche d'oxyde inférieure avec de l'acide fluorhydrique (qui n'attaque pas la couche supérieure de nitrure).

7. Il reste à ouvrir les fenêtres pour les contacts (masque 6) puis à déposer une couche d'aluminium de 1 µm structurée grâce au septième masque, et enfin sceller le capteur (boucher les trous) via une couche d'oxynitride de 1.5µm déposée par PECVD. Il reste alors à enlever la couche d'oxynitride de protection de la membrane (masque 8).
Notons que, si besoin est, on peut réduire l'épaisseur du support par un procédé de polissage mécano-chimique classique jusqu'à 100µm. Un tel capteur présente une sensibilité pouvant atteindre 12mV/V/bar (dépendant de la géométrie de la membrane) avec une non linéarité de l'ordre de 1%

Dans l'exemple ci-dessous d'accéléromètre, obtenu par " micromachining ", on distingue une plaque métallique suspendue par deux barres de torsion et traversant le substrat. Constituant une liaison commune à deux condensateurs variables cette plaque est libre de tourner autour de l'axe de torsion. Les deux électrodes fixes des condensateurs sont déposées sur la surface du substrat (capacité quelques dizaines de picofarads, dimension 40x25 millièmes d'inch).

Lors d'une accélération la plaque qui est légèrement décalée par rapport à l'axe de torsion va subir une rotation augmentant la capacité d'un côté et la diminuant de l'autre.


Le dispositif est réalisé par électrodéposition sur une couche de photorésist préexistante et prégravée, l'élément sensible est obtenu en plaçant un élément espaceur qui sera enlevé chimiquement après le dépôt ainsi cet élément sensible ne sera soutenu que par la partie en contact avec le substrat pendant ce même dépôt. Notons qu'un tel dispositif peut fonctionner jusqu'à 20000 G. En pratique on réalise un double capteur ce qui permet de monter l'électronique en pont. L'ensemble est intégré sur une puce de 3mm en technologie CMOS. On convertit ainsi les variations de capacité en une variation de fréquence (entre 0 et 250kHz).

Le constructeur Silicon Designs compte intégrer un cœur de 8051 sur la puce et vendre l'ensemble 5 $ en grande quantité. L'application visée concerne évidemment le contrôle des airbags d'une automobile.

La même philosophie est envisagée pour réaliser des capteurs de pression, humidité et contraintes. Un autre exemple concerne le domaine des capteurs chimiques, développés à partir du concept d'ISFET. Il s'agissait dans un premier temps (1988-1990) d'implémenter sur le gate d'un transistor MOS une membrane sensible aux ions et permettant la réalisation d'un pH-mètre sur une puce (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne et Centre de Microtechniques de Neuchâtel) ou d'un capteur de gaz (Université de l'Utah). Ainsi par greffage de silane sur le gate peut-on obtenir un capteur sensible à l'ion argent, on parle alors de CHEMFET (Centrale de Lyon). On reviendra dans le chapitre consacré aux capteurs de gaz sur ces exemples.

Dans le domaine des capteurs chimiques les récents développements (2000-2003) concernent la réalisation de multicapteurs sur un unique substrat de la taille d'un timbre poste. Ainsi pour illustrer cette tendance nous donnerons l'exemple du capteur de gaz destiné à fonctionner dans le pot d'échappement d'une voiture et développé à l'Université Technique de Chemnitz (Zentrum für Microtechnologien) en Allemagne. Il s'agit d'un réseau de 9 capteurs (3x3) identiques mais fonctionnant à des températures différentes. Chacun comporte une couche résistive sensible en oxyde de titane et dont la résistance varie en fonction de son environnement et de sa température de surface. Pour discriminer les divers gaz d'un mélange un réseau de neurones et une analyse multivariable des données de mesure sont utilisés (voir chap_si2.htm).

Les figures ci-dessous montrent une vue de dessus de l'ensemble et une vue en coupe d'un des 9 éléments sensibles. On remarquera l'emploi d'un substrat de silicium comme support, émincé dans sa partie centrale à moins de 50µm d'épaisseur afin de minimiser la puissance de chauffe nécessaire pour atteindre la plage 350-540°C de fonctionnement du dispositif. Précisons enfin que la durée de vie estimée est de l'ordre de 600h, soit environ 50000km sur un véhicule diesel récent (moteur Hdi).


multicapteur de gaz


vue en coupe d'un élément sensible


capteurs à couches épaisses
Dans un certain nombre de cas, il apparaît que la technologie couche épaisse (dite encore hybride) peut apporter des solutions élégantes à certains problèmes de mesure. Les capteurs céramiques à couches épaisses présentent de nombreux avantages tant en ce qui concerne la fabrication que leurs propriétés métrologiques. Leur principal avantage est la plus grande simplicité de mise en oeuvre que les techniques silicium + couches minces. Ils sont donc mieux adaptés à des productions plus proches de l'artisanat. Il est généralement possible d'obtenir un temps de réponse plus court avec des couches épaisses qu'avec des céramiques monolithiques. Le premier domaine a concerné la mesure de la pression (1991), mais on commence à voir des biocapteurs et des capteurs chimiques en couches épaisses. Dans les deux cas le support est en céramique (typiquement de l'alumine), la figure ci-dessous donne un exemple de capteur de NO dont l'utilisation peut être envisagée pour optimiser le fonctionnement d'un brûleur à fuel (ou d'un moteur de voiture).


Leur technique de fabrication repose sur la décomposition thermique de certains sels en oxydes qui ont une grande réactivité potentielle. La procédure de fabrication implique le mélange d'une poudre (grains de 5µm) du matériau inorganique qui sera " in fine " l'élément sensible du capteur avec un composé organique du type résine epoxyde. Cette mixture est alors pressée à travers un écran d'impression (définissant le motif à reproduire) sur la céramique support, le solvant évaporé thermiquement et la résine polymérisée simultanément. Notons que la résine est choisie pour ses propriétés initiales d'adhérence sur la céramique (laquelle est généralement constituée à base d'alumine).


modèle de l'élément actif

Dans un certain nombre de cas la résine est remplacée par un flux constitué d'une mixture d'oxydes qui à la fusion vont donner un verre actif (Bi2O, PbO, CdO et SiO2) associé à quelques substances organiques (liant) chargées de donner de la plasticité au mélange et donc d'assurer l'adhérence du film. On notera que la phase plastifiante représente moins de 25% du total de la pâte dans laquelle le flux (verre) représente seulement 5%. La cuisson de la pâte, à une température comprise entre 400 et 1200°C selon son type, provoque l'élimination du solvant organique contenu dans le liant, puis la formation de la structure poreuse du film et sa fixation définitive sur le substrat. Notons que le verre de type borosilicate va intervenir en réduisant dans une certaine proportion la liaison trop étroite entre les grains du matériau actif. On voit donc que la conception d'un capteur chimique de gaz ou d'humidité relève d'un compromis entre la nécessaire adhérence du film sur le substrat, obtenue grâce à l'interaction du borosilicate avec celui-ci, et une surface d'échange maximale (donc une porosité maximale impliquant l'élimination du verre) et une résistivité du film pas trop élevée (donc un contact électrique franc entre les grains du matériau actif).

Les électrodes conductrices seront déposées de la même façon. On doit simplement noter qu'elles devront avoir des caractéristiques de porosité (sinon la sensibilité du capteur risque d'être gravement affectée), une faible résistivité, une bonne adhérence sur la céramique, une non activité chimique et une bonne stabilité thermique. C'est pourquoi les métaux nobles constituent le meilleur choix (Au, Pt, Pd et dans une moindre mesure Ag,) le plus souvent sous forme de bi-composés (Ag-Pd, Au-Pt, Au-Pd) . On utilise parfois des oxydes stables à haute température (pour les capteurs fonctionnant à haute température) tels PdO2 TiO2 SnO2. Parfois aussi des électrolytes solides du type LaCoO3 ou PrCoO3 qui présentent l'avantage d'être aisément obtenus avec une structure poreuse.