L`aCTUde la Centrale de Technologie - Université Paris-Sud

L’aCTU de la Centrale de
Technologie Universitaire IEF-MINERVE
Volume 2, numéro 2
Microsystèmes
Imageries
Nanosciences
Enseignement
Recherche
Valorisation
Entreprises
Centrale de
Technologie
Universitaire
Printemps 2008
Cette lettre est l’occasion de vous tenir informé régulièrement de
l’avancée des projets de la Centrale de Technologie Universitaire.
N’hésitez pas à consulter notre site WEB www.u-psud.fr/ief. Vous y
trouvez la liste des principaux équipements de la plateforme, les
conditions d’accès, les archives de l’aCTU.
Micro fabrication de matrices de bolomètres dans
le cadre du projet DCMB
Dans ce
numéro :
♦ Micro fabrication de
matrices de bolomètres
♦ Technologie de
scellement de substrats
♦ Délaqueur Nanoplas
♦ Informations pratiques
Projet exogène de la Centrale de Technologie Universitaire IEF-MINERVE, centrale du réseau RTB
La caractérisation précise de la polarisation du
rayonnement cosmologique micro-onde (CMB) et en
particulier du mode B est l’un des prochains défis de la
cosmologie observationnelle. Elle permettra de valider
certains modèles théoriques expliquant la physique
associée à la phase d’inflation de l’univers primordial.
On trouve donc dans les plans à long terme de la
NASA, de l’Agence Spatiale Européenne et du Centre
National d’Etudes Spatiales des projets de satellites
destinés à cette mesure essentielle pour la cosmologie
et la physique fondamentale.
En 2001 a démarré en France une action de R&D DCMB
(«Développement
Concerté
de
Matrices
de
Bolomètres»), soutenue principalement par le CNES et
par le CNRS, visant à développer des matrices de
bolomètres très basse température pour l’IR lointain.
Le côté innovant et exclusif au niveau international de
ce projet repose sur l’utilisation d’un alliage
supraconducteur
de
NbSi
pour
réaliser
les
thermomètres. Ainsi il est possible, en faisant varier la
concentration en niobium dans l’alliage, de contrôler la
transition supraconductrice des thermomètres ∆R/∆T.
Cette collaboration regroupe aujourd’hui plusieurs
laboratoires et UFR en France : Institut Néel- CNRS
Université Joseph Fourier Grenoble (coordination du
projet), le CSNSM, l’IAS, et l’IEF Université Parissud-11, le LPN-CNRS Marcoussis, l’APC Université Paris
7 Paris, et le CESR Université Paul Sabatier Toulouse.
Pour mener à bien ce projet, trois laboratoires de
l’université Paris sud apportent leurs compétences et
leur interdisciplinarité :
- L’IEF : l'Institut d'Electronique Fondamentale et la
Centrale Technologique Universitaire MINERVE
prirent part activement à cette collaboration en 2004
donnant ainsi accès aux compétences indispensables à
la réalisation des matrices : spécialistes de micro et
nanotechnologies, outils de photolithographie, maîtrise
de la fabrication et du contrôle de la contrainte de
membranes en SiNx, évaporateurs et moyens d’analyse
des échantillons, réalisation et architecture de
masques, gravure anisotrope profonde du silicium.
Pour plus
d’informations sur
l’ACTU contactez :
[email protected]
- LE CSNSM : Le Centre de Spectrométrie Nucléaire
et de Spectrométrie de Masse a une grande
expérience de l'étude des détecteurs à très basse
température, appliquée avec succès dans le programme
EDELWEISS. Il se charge de la réalisation des
couches de NbSi par co-évaporation, de la mise au
point et de la caractérisation des thermomètres à
transition supraconductrice.
- L’IAS : L'institut d'Astrophysique Spatiale possède
une grande expérience de la conception et de la
réalisation
d'instruments
des
domaines
submillimétrique et millimétrique. Il est responsable de
l'instrument HFI du satellite Planck. HFI a été intégré
et étalonné à l'IAS et est maintenant intégré sur le
satellite qui sera mis en orbite par Ariane V courant
2008. L'IAS dispose des moyens de tests mis en place
lors du développement de ces instruments, du savoirfaire en architecture thermique, détection à bas
niveau et thermométrie à basse température, et
mesures optiques dans ce domaine de longueur d'onde.
Avant de présenter les réalisations de matrices de
bolomètres au sein de la CTU IEF-MINERVE, il nous
semble intéressant de faire une rapide présentation du
principe de fonctionnement d’un bolomètre. Les
bolomètres sont des détecteurs d’énergie. Ils sont
constitués d’un absorbeur d’énergie (qui sera exposé au
rayonnement), d’un thermomètre qui permet de
mesurer le changement de température de celui-ci,
d’un lien thermique au point froid (le cryostat qui
maintient le bolomètre à basse température) et d’une
électronique de mesure externe au bolomètre. Ils
trouvent leurs applications dans le domaine de
l’astrophysique, la détection de particules ou la
détection de rayonnements électromagnétiques. Son
principe de fonctionnement réside dans sa faculté de
convertir en chaleur l’énergie reçue par le détecteur,
qui se traduira par une élévation de température
mesurable par un thermomètre. Ainsi en choisissant un
matériau dont la résistance électrique change avec la
température, on peut mesurer les variations
d’impédance du détecteur, et donc l’énergie
électromagnétique incidente. La résistance est ensuite
mesurée par un système externe. La mesure thermique
par une variation de résistance électrique est le trait
caractéristique du bolomètre.
L’absorbeur est généralement un cristal couplé à un
thermomètre capable de détecter de très faibles
variations de température. Afin d'accroître leur
sensibilité et de réduire leur « bruit » intrinsèque,
c'est-à-dire le rayonnement parasite qu'ils émettent,
les bolomètres sont le plus souvent refroidis à très
basse température (autour de quelques Kelvins, c'està-dire à des températures inférieures à -269°C). Un
cryostat se charge donc de maintenir le cristal à très
basse température.
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L’absorbeur
(cristal)
convertit la puissance en
chaleur. Le thermomètre
voit sa résistance varier
avec la température.
Figure 1 : Schéma
simplifié du bolomètre
Pour la réalisation de l’absorbeur de rayonnement d’un
bolomètre, on peut utiliser simplement un film mince
résistif. Soit le film, dont la surface est adaptée à la
longueur d’onde du rayonnement, est suffisamment
absorbant et a une capacité calorifique suffisamment
faible pour pouvoir collecter à lui seul le rayonnement,
soit il doit être associé à un collecteur de
rayonnement. La solution utilisée pour la collecte du
rayonnement est l’utilisation d’une antenne. L’énergie
peut alors être dissipée dans l’absorbeur, dont le
dimensionnement respecte les conditions d’adaptation
de résistance électrique qui dépendent de la géométrie
de l’antenne et de la nature du substrat.
Les premiers bolomètres utilisant un film mince comme
absorbeur furent développés au milieu des années 90
par les américains, au Caltech/JPL-NASA. Ces
bolomètres de type « Spider Web », sont actuellement
utilisés dans la plupart des expériences sensibles pour
la mesure du rayonnement cosmologique. Il sont
employés avec un important succès sur de nombreuses
caméras au sol ou ballons et choisis pour de nombreux
satellites tels que Planck, Hershel.... Les matrices de
« spider web » sont réalisées manuellement par
montage de thermomètres hybrides sur l’absorbeur.
L’assemblage manuel des caméras à partir de
détecteurs individuels est limité à quelques centaines
de pixels.
La collaboration française DCMB s’est lancée dans le
développement de matrices se présentant sous la
forme d’un réseau 2D de détecteurs thermométriques
à base de matériaux supraconducteurs. Ils sont
refroidis à des températures cryogéniques autour de la
centaine de mK et doivent mesurer des variations de
température de l’ordre de la dizaine de µK. La
nouveauté repose sur l’utilisation d’un nouvel alliage de
NbSi déposé en couche mince par co-évaporation.
Ainsi, la matrice de détecteurs est entièrement
réalisée de façon monolithique en utilisant les
techniques classiques mises en place dans le domaine
des micro et nanotechnologies. Le comportement du
thermomètre et sa plage de fonctionnement peuvent
être contrôlés et ajustés en modifiant la composition
de l’alliage. La mesure est réalisée par l’intermédiaire
d’une antenne qui collecte le rayonnement et qui est
reliée à un absorbeur. Compte tenu des faibles
variations de température à mesurer, il est
indispensable
de
découpler
thermiquement
le
thermomètre du substrat de silicium qui le maintient.
Lors d’une première étude, les thermomètres sont
suspendus sur des membranes de nitrure de silicium
dont l’épaisseur est de l’ordre de 500 nm.
Pour obtenir une matrice de bolomètres, les principales
étapes nécessaires sont :
- Dépôt d’une couche de nitrure de silicium sur le
support,
- Lithographie des antennes et de l’absorbeur,
- Lithographie des thermomètres en NbxSi1-x,
- Lithographie des électrodes (en Nb par exemple)
reliées aux thermomètres,
- Lithographie des pistes et contacts (en Au),
- Ouverture des membranes en Si3N4.
Figure 3 : Matrice
de bolomètres à
antenne
Figure 2 : Bolomètre hybride type “Spider Web”
avec absorbeur en toile d’araignée
Des matrices multi-pixels ont été réalisées avec
plusieurs géométries d’antennes et furent testées en
froid. Pour caractériser la performance de ces
détecteurs, on utilise une grandeur caractéristique
appelée le NEP (Noise Equivalent Power). Elle résulte
de la sensibilité intrinsèque du thermomètre liée à sa
composition et des bruits qui lui sont associés, et de
l’efficacité de la mesure directement associée à la plus
ou moins bonne performance thermique de la
membrane. Les mesures sur les dispositifs à
membranes pleines nous ont donné des résultats
satisfaisants avec un NEP de l’ordre de 10-16 W/Hz1/2,
mais il reste encore deux ordres de grandeur à gagner
pour atteindre un NEP de l’ordre de 10-18 W/Hz1/2,
indispensable pour la détection de la polarisation du
CMB. Afin d’atteindre cette performance, il sera
indispensable par la suite de réduire la fuite thermique
dans la membrane en jouant sur sa géométrie.
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Technologies de scellement de substrats avec du
BCB pour du packaging sur tranches
Les substrats de type SOI (Silicon On Insulator) ont
permis le développement considérable des filières
technologiques de fabrication de MEMS. Un des points
limitants de l’utilisation de ces substrats est leur prix.
Nous présentons ici un procédé de soudure adhésive de
deux substrats de silicium monocristallin utilisant du
BCB (Benzo Cyclo Butene).
Introduction
Le scellement de substrats (ou wafer) avec polymère
photosensible Benzo Cyclo Butene (BCB) présume
beaucoup d’avantages pour la soudure de wafer comme
une faible température de soudure, une mise en forme
facile, des capacités de planarisation, un faible taux de
dégazage après recuit, une haute résistance chimique
et une bonne stabilité thermomécanique.
C’est une technologie alternative à la technologie SOI
classique
permettant
l’obtention
de
substrat
d’extrêmement
bonne
qualité
mais
également
extrêmement faible. Dans cet article, nous présentons
le procédé de soudure optimisé.
Fabrication de substrats par soudure au BCB
Dans les deux cas, un substrat de silicium (100)
d'épaisseur 525μm et un substrat de verre 7740 de
500μm d'épaisseur sont utilisés. Le substrat supérieur
est toujours un substrat de silicium (100) poli double
face d'épaisseur 300μm.
Après un nettoyage standard des deux wafers de 4
pouces et l'application de promoteur d'adhérence
AP3000, une couche de BCB d'épaisseur entre 5 et
8μm est déposée à l'aide d'une tournette à 5000
tr/min sur le premier de ces deux substrats ou sur les
deux. L'étape suivante est un pré-recuit optionnel à
70°C pendant 90 secondes sur plaque chauffante et
une exposition pleine plaque aux UV de la (ou les)
couche(s) de BCB avec une dose ≥ 25m W/cm2/μm. Puis
les deux substrats sont alignés en respectant
l'orientation des méplats avec un aligneur double face
EVG 620 et sont chargés dans l'appareil de soudure
(ou bonder) de substrats EVG 501.
Pour éviter l'oxydation du BCB qui peut se produire audessus de 150°C, le recuit des couches de BCB a été
exécuté sous vide (10-3 mbar) dans le bonder. Le cycle
de recuit thermique est donné en figure 3.
Les substrats SOI utilisent une couche d'oxyde
thermique comme couche isolante entre le substrat de
silicium de dessus et celui du dessous. La fabrication
de substrats hautes performances, haute planéité et
d'une très faible rugosité est onéreuse à cause de la
nécessité d'un environnement très propre. De plus,
l'épaisseur de la silice thermique (SiO2) est
généralement limitée à environ 2μm. Quand celle-ci est
utilisée comme couche sacrificielle, le faible gap peut
limiter le facteur de qualité des dispositifs vibrants à
pression atmosphérique. Une alternative étudiée ici est
la réalisation d’un substrat « SOI-like » par soudure
de substrats avec une couche de BCB d'épaisseur
variable.
Les principales étapes de ce procédé sont présentées
dans la figure 2.
Figure 3 : Cycle de recuit du BCB
Après la première étape de chauffage à 150°C pendant
15 minutes, moins de 35 % du film de BCB se trouve
polymérisé. Ce traitement a été exécuté avant et après
l'application de la pression du bonder (0,74 bar à 4,3
bar). La seconde étape de chauffage, à 250°C pendant
une heure, est toujours exécutée pendant la soudure
pour avoir plus de 95 % de polymérisation du film de
BCB.
Figure 2 : Procédé de fabrication des substrats
SOI avec du BCB La couche BCB2 est optionnelle
Les principaux problèmes rencontrés sont la formation
de bulles dans les films de BCB (figure 4) qui peut
résulter de l'accumulation de solvant ou une
polymérisation non uniforme ou des défauts de
dégazage avec une forme dendritique (figure 5) dont
l'origine n'est pas éclaircie.
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Une partie du substrat 4 pouces présentant une
soudure de bonne qualité est découpée en morceaux de
4mm x 4mm pour effectuer les tests de cisaillement
avec un système de la société Xysztech. Pour ces
échantillons, la résistance moyenne de la soudure est
typiquement autour de 94 Kg/cm2. Cette valeur
mesurée est indépendante de la position d’origine de
l’échantillon test sur le wafer initial (position centrale
ou périphérique). Elle est aussi peu sensible à la
présence d’un nombre plus ou moins important de
défauts de soudure.
Figure 4 : Vue de profil au MEB d’une zone
avec une bulle d’un substrat verre/BCB(12μm)/Si
L’étape finale de fabrication du substrat SOI est
l’amincissement du substrat supérieur d’épaisseur
300μm pour arriver à une épaisseur d’environ 50 à
60μm. Trois méthodes sont testées : l’amincissement
mécanique, la gravure chimique dans le KOH et la Deep
Reactive Ion Etching (DRIE) dans un plasma SF6.
L’amincissement mécanique est réalisé avec une force
totale de 160N (pour un substrat 4̎ pouces) et donne
une rugosité de surface faible (quelques nm rms)
mesurée avec un profilomètre optique (Zoomsurf 3D
Fogale Nanotech).
Figure 5 : Image Infrarouge d’un substrat
Si/BCB/Si comportant une zone de défauts
dendritiques
Les meilleurs résultats sont obtenus pour des films de
BCB déposés sur les deux substrats (épaisseur totale
de BCB entre 12 et 16μm) avec une pression de soudure
maximale (4,3 bars) et sans pré-recuit.
Les zones soudées sont très nettement majoritaires
(environ 90 %) sur le substrat pleine plaque avec tout
de même 10 % de zones non soudées. Des analyses
complémentaires sont en cours pour essayer de
comprendre la dépendance de ces défauts avec les
paramètres du procédé.
Une partie du substrat 4 pouces présentant une
soudure de bonne qualité est découpée en morceaux de
4mm x 4mm pour effectuer les tests de cisaillement
avec un système de la société Xysztech. Pour ces
échantillons, la résistance moyenne de la soudure est
typiquement autour de 94 Kg/cm2. Cette valeur
mesurée est indépendante de la position d’origine de
l’échantillon test sur le wafer initial (position centrale
ou périphérique). Elle est aussi peu sensible à la
présence d’un nombre plus ou moins important de
défauts de soudure.
Les zones soudées sont très nettement majoritaires
(environ 90 %) sur le substrat pleine plaque avec tout
de même 10 % de zones non soudées. Des analyses
complémentaires sont en cours pour essayer de
comprendre la dépendance de ces défauts avec les
paramètres du procédé.
Pour plus
d’informations
contactez :
[email protected]
L’amincissement par cette technique est un procédé
efficace avec une vitesse de gravure supérieure à
250μm/heure. Cependant, à cause d’une courbure
concave assez importante du substrat (supérieure à
85μm) induite par une contrainte (thermo)mécanique
pendant la soudure de substrat, l’épaisseur de silicium
restant présente une faible homogénéité avec une
épaisseur au centre inférieure à la périphérie. Pour
surmonter ce problème, une gravure humide et une
gravure sèche sont testées par la suite.
La gravure chimique humide est réalisée à 85°C dans un
bain de KOH de concentration 20 % en masse avec
agitation. Le BCB est résistant au KOH et on obtient
une vitesse de gravure du silicium d’environ 1,7μm/min.
Néanmoins, la rugosité de la surface finale est trop
élevée (supérieure à 320nm rms), et l’homogénéité est
très dépendante des conditions d’agitation. De plus,
cette méthode révèle les éventuels défauts présents
dans la masse du silicium.
Les meilleurs substrats sont obtenus par l’utilisation
de la gravure DRIE à température ambiante dans un
plasma pur de SF6 (STS ICP HRM system) avec une
puissance de 500W, une pression de 60mTorr et un
débit de SF6 de 600sccm. La vitesse de gravure du Si
est de 5,7μm/min et la rugosité de surface est entre
15 et 30nm rms, excepté dans une zone centrale,
probablement à cause d’une contamination par le
support de soudure. Les effets de charges sont
présents, ce qui peut expliquer la faible vitesse de
gravure remarquée pour les substrats Si/BCB/Si par
rapport aux substrats de Si vierges.
Bien que notre procédé de fabrication de substrat SOI
avec le BCB ait besoin d’améliorations, ces substrats
peuvent être utilisés dans le packaging sur tranches ou
pour intégrer des dispositifs tests de MEMS mais
également pour la fabrication de résonateurs MEMS
sous forme de poutres.
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Délaqueur Nanoplas
La société Nanoplas annonce l’installation d’une
machine DSB-6000 dans la Centrale de Technologie
Universitaire IEF-MINERVE en mai prochain, en
remplacement du système prototype actuel, utilisé
jusqu’à présent pour des nettoyages organiques fins et
du stripping de résine. Celà concrétise 18 mois de
coopération engagée entre Nanoplas et la CTU IEFMINERVE, dans le cadre d’un contrat de R&D
pluriannuel.
Les premiers utilisateurs du procédé HDRF® sont
basés en Californie, au Japon, en Turquie et en
Angleterre ; et désormais aussi à Orsay.
Cette machine de deuxième génération permettra de
mettre en œuvre le nouveau procédé HDRF® de
Nanoplas, mis au point en étroite coopération avec des
chercheurs du Gremi (laboratoire de physique des
plasmas d’Orléans). Baptisé HDRF - pour « High
Density Radical Flux » - le procédé Nanoplas permet
d’éliminer les effets indésirables des systèmes plasma
conventionnels, tel que les interactions avec les
particules
chargées,
les
radiations
UV
et
électromagnétiques, ainsi que le « bombardement »
ionique. Les traitements à basse température sont
rendus possibles, offrant la possibilité d’une innocuité
du procédé sur les matériaux les plus sensibles.
Pour plus
d’informations
contactez :
[email protected]
Très souple et versatile, la machine DSB-6000 offre
des possibilités nouvelles en matière de traitement
plasma. Issu d’une première coopération à Grenoble en
2006 avec le LETI (LTPI/DIHS), le procédé HDRF®
est destiné à la fonctionnalisation de surfaces
ultrasensibles, le nettoyage organique, la désoxydation
de contacts et des gravures isotropes : applications
packaging avancé, flip chip, libération de membranes
MEMS et stripping basse température.
Nanoplas, société basée dans le bâtiment 503 de notre
campus universitaire, se propose de réaliser des
formations à qui souhaite utiliser cette machine. Son
accès sera possible deux jours par semaine avec le
support de Nanoplas sur place.
Merci de prendre contact avec Marc Segers, par email ou
téléphone pour fixer rendez-vous pour votre formation.
Dr. Marc Segers
NANOPLAS
Bât 503 Cité universitaire Paris XI
BP01
91401 Orsay
Tél. 01 69 35 87 70
www.nanoplas.eu
Dates des prochains stages :
Profilométrie et vibrométrie optique
Pour plus
d’informations
contactez :
[email protected]
Du 19 au 21 mai 2008
Physique des semi-conducteurs
Du 26 au 30 mai 2008
Informations pratiques
La CTU-IEF-MINERVE se situe sur le site de l’Université Paris-Sud 11, Bâtiment 220, 91405
ORSAY Cedex
Responsable de la CTU : Daniel BOUCHIER
Responsable de l’accueil : Véronique MATHET ([email protected])
Mise en page :
Annie ROY
Responsable de l’ACTU : Benoit BELIER ([email protected])
Secrétariat : Annie ROY ([email protected])