FR2948114A1 - Nems comportant des moyens de transduction a base d'alliage d'aluminium - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système nano-électro-mécanique (NEMS) constitué sur un substrat (21) et comprenant au moins une partie fixe associée au substrat et au moins une partie (23) mobile par rapport au substrat, ledit système comprenant des moyens de transduction (24) aptes à exciter la partie mobile pour lui conférer un mouvement et/ou détecter un mouvement de la partie mobile, les moyens de transduction comprenant au moins un matériau électriquement conducteur. Le matériau électriquement conducteur est constitué par un dépôt à base d'alliage d'aluminium, ce dépôt étant supporté au moins en partie par la partie mobile du système.

Description

NEMS COMPORTANT DES MOYENS DE TRANSDUCTION A BASE D'ALLIAGE D'ALUMINIUM DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte aux dispositifs appelés NEMS (pour "Nano-Electro-Mechanical Systems") comportant au moins un élément mobile associé à des moyens de transduction (d'excitation et/ou de détection).

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Le développement des NEMS nécessite de mettre au point des principes d'actionnement et de détection intégrables, adaptés à détecter de faibles déformations aux hautes fréquences comparées aux déplacements et fréquences mises en jeu dans des micro-capteurs, fabriqués par des technologies MEMS (pour "Micro-Electro-Mechanical Systems"). Les principes disponibles doivent permettre de concevoir des motifs et des procédés de réalisation simples. Les techniques mises en oeuvre doivent rester compatibles avec les outils et procédés de la microélectronique pour que leur intégration à large échelle (ou "Very Large Scale Integration"), via des salles blanches ou des fonderies microélectroniques, soit accessible. Dans cet esprit, la pertinence des principes d'actionnement thermoélastique et de détection piézorésistive a été démontrée. On peut se référer à ce sujet à l'article "Ultra-sensitive NEMS-based cantilevers for sensing, scanned probe and very high-frequency applications" de Mo Li et al., Nature Nanotechnology, Volume 2, N°2, pages 114 à 120, 2007. Concernant l'actionnement thermoélastique (effet bilame), afin de limiter la consommation et de garantir la meilleure efficacité de l'actionneur, des matériaux aux CTE (Coefficient d'Expansion Thermique) le plus différents possible doivent être choisis. On peut se référer à ce sujet à l'article "Efficient electrothermal actuation of multiple modes of high- frequency nanoelectromechanical resonators" de 1. Bargatin et al., Applied Physics Letters, 2007, 90(9), 93116. Pour la détection piézoresistive, on recherche des matériaux disposant de facteurs de jauge élevés avec une résistivité la plus basse possible afin de diminuer les problématiques liées au bruit de Johnson. Ce bruit est un bruit blanc lié à la valeur de la résistance et dont la densité spectrale est donnée par : B =,/4kTR exprimé en V / Hz (1) avec k = constante de Boltzman, T = température et R = résistance globale. On peut connaître la variation de résistance AR, liée à la variation de contrainte (6) induite par la déformation du matériau (AR étant proportionnel à la contrainte). Une résistance formée par une structure conductrice élastique en forme de barreau varie en fonction d'une contrainte axiale comme suit : dR =dp+d- +d- =dp+EL(1+2v) P p (2) p est la résistivité du barreau élastique, EL est l'allongement relatif du matériau (S et L sont respectivement la section et la longueur du barreau). v est le coefficient de Poisson.

Le premier terme correspond à l'effet piézorésistif à proprement parler alors que le second correspond à un effet purement géométrique. Dans le cas d'un semi-conducteur comme le silicium, le second terme est de plusieurs ordres de grandeur inférieur au premier. La piézorésistivité est un phénomène physique qui relie cette variation de résistivité à une contrainte appliquée sur la jauge. Cette relation peut s'exprimer comme suit :

dp = nLGL +IITGT (3) p nL =1 11 -2(IIii -1112 -114)(limi +fni +mini IIT = niz +(f ii ùniz ùn,)(112122 +mime +ninz) nzu avec sont les éléments du tenseur de piézorésistivité exprimé selon les axes cristallins principaux du semi-conducteur. nL, IIT sont respectivement les coefficients piézorésistifs longitudinal et transversal exprimés dans le repère principal de la jauge (N, T). 6L et 6T sont respectivement les contraintes longitudinales et transverses appliquées. Ceci est représenté sur la figure 1 qui est un schéma d'une jauge piézorésistive et des axes principaux (N, T) associés. 11, m1 et n1 sont les coordonnées des vecteurs directeurs T et N par rapport à la base cristalline du matériau.

Dans le cas d'une jauge purement métallique, Pest nul. La variation de résistance est P alors purement induite par l'allongement du matériau et se réduit à : dR = e 1+2v (4) Dans ce cas précis, y (appelé le facteur de jauge) est de l'ordre de quelques unités (voir le tableau 1 et la figure 1). Dans le cas d'une jauge semi-conductrice, l'équation (3) peut aussi se réduire à une forme équivalente à (4) en utilisant la loi de Hooke. Dans ce cas là, y est compris entre 50 et 200, selon le type de dopage et les axes cristallins considérés. Le tableau 1 donne quelques exemples de facteur de jauge pour des alliages couramment utilisés et le silicium.

Matériaux Facteur de jauge Elongation ultime (%) Faible Forte déformation déformation Cuivre 2,6 2,2 0,5 Constantan 2,1 1,9 1,0 Nickel - 12 2,7 - Platine 6,1 2,4 0,4 Argent 2,9 2,4 0,8 40% or/palladium 0,9 1,9 0,8 Semiconducteur - 100 - 600 - Tableau 1 Le constantan est un alliage de cuivre et de nickel Cu60Ni40r similaire aux alliages de cuivre et de nickel recuits dénommés "Ferry", "Advance" et "Copel". Le facteur de jauge d'un matériau semiconducteur dépend grandement de son taux de dopage et de son espèce dopante. La figure 2 est un diagramme illustrant, pour quelques matériaux métalliques, la variation de résistance en % AR/R en fonction du pourcentage de déformation D de ces matériaux. Sur ce diagramme, le facteur de jauge pour un matériau est la pente de la courbe correspondante. La courbe 1 a été tracée pour l'alliage 10% rhodium/platine, la courbe 2 pour l'alliage "Ferry", la courbe 3 pour le constantan, la courbe 4 pour l'alliage 40% or/platine et la courbe 5 pour le nickel. On constate que pour de faibles déformations, le facteur de jauge du nickel est négatif.

La figure 3 est extraite du document "Electrical resistance-strain characteristics of thin evaporated metal films" de R. L. Parker et al., Journal of Applied Physics, Vol. 34, N°9, septembre 1963, pages 2700 à 2708. Cette figure représente le facteur de jauge y en fonction de la résistance Rs d'une couche d'aluminium. On remarque que le facteur de jauge pour l'aluminium seul peut devenir négatif pour certaines valeurs de résistances (voir la zone A), c'est-à-dire pour certains paramètres géométriques.

A l'échelle des microsystèmes (MEMS), pour la détection piézorésistive, les matériaux métalliques 6 ont peu à peu été abandonnés au profit de jauges semiconductrices dopées (Si de type P ou N). Comme dit précédemment, les facteurs de jauge dans le Si intrinsèque sont beaucoup plus élevés (plusieurs centaines) que dans le cas des matériaux métalliques (entre 2 et 4). Le silicium intrinsèque étant trop résistif, ce dernier est dopé afin de le rendre plus conducteur. Ce faisant, le facteur de jauge diminue mais reste malgré tout autour de 100 pour des niveaux de dopage proches de 1019 cm-3, c'est-à-dire pour des gammes de dopage parmi les plus élevées et couramment utilisées en microélectronique. A de tels niveaux, la résistivité du matériau est de l'ordre de 10 mQ.cm. Cette valeur est nettement plus élevée que celles mesurées dans quelques métaux classiques (Au, Cu, etc.) qui est de l'ordre de quelques un.cm. Cette valeur permet d'avoir des tensions de polarisation des jauges plus élevées et ainsi d'obtenir un signal de sortie d'autant plus fort. Dans le même temps, pour des applications microsystèmes le bruit inhérent à la résistance reste bien au-dessous des signaux de sortie. Outre les signaux importants grâce aux facteurs de jauge élevés, le fait de pouvoir travailler à partir de jauges semiconductrices permet d'envisager des procédés de fabrication parfaitement compatibles avec ceux de la microélectronique. Pour les applications de capteurs de masse à bases de NEMS (par exemple des platesformes multi-gaz ou des spectromètres de masse), l'utilisation de couches métalliques comme élément piézorésistif sensible devient avantageux. En effet, les jauges semi- 7 conductrices à l'échelle d'un capteur NEMS ont des sections typiques très faibles (de l'ordre de 0,2 nm2). En considérant un dopage typique de 1018 cm-3 utilisé classiquement en technologie MEMS, leurs résistances présentent des valeurs linéiques importantes ce qui rend la mesure très délicate (réduction du signal par effet de pont résistif par exemple...). Il est alors nécessaire de doper fortement la jauge au-delà de 1019 cm-3 ce qui réduit fortement la valeur du coefficient de jauge. Par ailleurs, on montre que la résolution en masse est proportionnelle à la densité de bruit de la jauge et inversement proportionnelle au gain de détection de celle-ci donnée au premier ordre par le produit tension de lecture, facteur de jauge. Etant donné les fortes résistivités et plus faible valeur de jauge des jauges semi-conductrices, la résolution chute à des valeurs proches de celles obtenues avec des couches sensibles métalliques.

De plus, pour des applications en spectrométrie de masse, la température ambiante peut être faible, de l'ordre de 50 K. A ces températures, il existe un effet dit de gel des porteurs dans les semi-conducteurs augmentant très fortement leur résistivité. L'utilisation de jauges semi-conductrices pour cette application est donc désavantageuse par rapport aux couches métalliques. Cette constatation pour les applications NEMS a déjà été publiée et des réalisations à partir de différents métaux ont donc été entreprises avec d'excellents résultats (voir l'article de Mo Li et al. 8 cité plus haut). Néanmoins, l'utilisation de ces derniers comme l'or peut poser plusieurs problèmes de fabrication, comme les étapes de gravure ou la non compatibilité de ces métaux avec des filières CMOS du fait de leur caractère hautement contaminant. En-dehors des métaux et alliages métalliques présentés à la figure 2 et dans le tableau 1 des couches de PdCr, PdCr/Pt (voir l'article "Thin-film thermocouples and strain-gauge technologies for engine applications" de Jih-Fen Lei et al., Sensors and Actuators A : Physical, Vol. 65, N°S 2-3, mars 1998, pages 187 à 193), des couches NiXAg1_X (voir H. Chiriac et al., "Ni-Ag thin films as strain- sensitive materials for piezoresistive sensors", 15 Sensors and Actuators A : Physical, Vol. 76, N°S 1-3, pages 376 à 380) ou des couches plus exotiques telles que In2Te3 (voir R. R. Desai et al., "Indium sesquitelluride (In2Te3) thin film strain gauge", Sensors and Actuators A : Physical, Vol. 121, N°2, 2005, pages 405 à 409) pour des MEMS. Ces matériaux pourraient être intégrés pour la fabrication de NEMS mais ils sont pour la plupart des métaux exotiques (Ag, Pt, Pd, ...) pour des procédés de fabrication collective compatibles CMOS. Ces métaux sont généralement contaminants lorsqu'ils sont gravés. Par ailleurs, il est connu que certains alliages d'aluminium tels que l'AlSi a été utilisé pour des applications d'interconnexion en microélectronique dans les années 1970. On peut se référer à ce sujet au document JP-A-61-239 644. Ce matériau n'a, par contre, jamais été considéré comme un matériau apte à être 9 utilisé en couche mince pour réaliser une transduction piézorésistive.

EXPOSE DE L'INVENTION Comme tout métal, le facteur de jauge d'un matériau à base d'alliage d'aluminium est faible et sa résistivité est très faible. En d'autres termes, cela signifie que le signal appliqué sur un élément sensible à base d'alliage d'aluminium doit être très faible pour éviter toute fusion de l'élément par effet fusible. D'autre part, la transduction est peu efficace à cause de son faible facteur de jauge. Les déplacements et les contraintes dans les éléments mécaniques mobiles des microsystèmes étant fortes, tous ces arguments poussent l'homme de l'art à écarter ce type de couche pour former la couche sensible. Pour des applications NEMS à faible déformée (par rapport à sa plus petite dimension) qui ne peuvent pas par essence accepter de fortes puissances (donc de fortes tensions), ces arguments deviennent des préjugés. La sensibilité d'un NEMS (notamment sa capacité à être sensible à une masse se déposant à sa surface ou à une accélération) n'est plus le problème majeur (en particulier pour des capteurs à détection fréquentielle). De ce fait, la détermination de la couche sensible se fera plutôt sur des considérations de bruit de fond, d'intégration pour limiter tout parasitage du signal. Les couches métalliques deviennent donc de bons candidats. De plus, la couche à base d'alliage d'aluminium présente une grande différence de coefficient de dilatation 10 thermique par rapport au silicium ce qui permet aussi de réaliser un actionnement thermoélastique simultanément à la détection. La détection fréquentielle consiste à mesurer tout décalage de la fréquence de résonance mécanique d'un élément oscillant lorsque celui-ci est soumis à un stimulus donné. Dans le cas de l'invention, il s'agit de mesurer un décalage en fréquence lorsqu'une très faible masse vient se poser à la surface de l'élément sensible. La taille des NEMS est donc favorable pour atteindre de fortes sensibilités. En même temps, les fréquences mécaniques atteintes avec ces nano-structures sont élevées (100 MHz et plus). Il est donc avantageux que les impédances d'entrée du capteur et des circuits électriques soient proches et adaptées 50 n. En résumé, contrairement aux préjugés existant chez l'homme de l'art spécialiste des capteurs MEMS, le choix d'une couche mince d'alliage d'aluminium, pour réaliser à la fois la couche sensible piézorésistive et la couche d'actionnement thermoélastique dans des capteurs de masse sur des NEMS, est le plus adapté. Elle remplit en effet toutes les conditions requises : faible résistivité, forte différence de CTE avec le silicium (constituant le matériau de base des NEMS), faible densité massique, dépôt en couches fines, uniformes et contrôlables, facilité de mise en oeuvre, compatibilité CMOS et autres procédés de la microélectronique (VLSI).

Du fait des étapes de libération en fin de mise en oeuvre, le matériau doit aussi résister aux 11 techniques de gravure de la couche sacrificielle réalisant la libération permettant d'obtenir la partie mobile (par exemple, gravure à base d'HF). D'autre part, une faible densité massique du matériau est aussi recherchée pour des applications capteurs de masse où l'on démontre que la résolution du capteur est proportionnelle à sa masse totale. Plus la couche d'actionnement thermoélastique et la couche sensible seront légères et plus la résolution finale du système sera fine. A partir du cahier des charges ci-dessus, il est possible de définir une liste de matériaux compatibles CMOS susceptibles de répondre aux exigences listées. Les inventeurs de la présente invention ont étudié de nombreuses possibilités d'utilisation de matériaux compatibles avec une fonderie CMOS et permettant de réaliser à la fois la couche sensible piézorésistive et la couche d'actionnement thermoélastique de capteurs NEMS. Parmi ces matériaux, on peut citer les suivants : PtSi, NiSi, TiSi2, AlSi, WSi2r TiN, TiN/Cu, Cu, Ti, Cr, Ni et W. Parmi tous ces matériaux, les inventeurs ont retenu les matériaux à base d'aluminium et par exemple l'AlSi, matériau utilisé classiquement pour l'interconnexion dite "back-end" (opérations aval d'un procédé de fabrication) en technologie CMOS dans les années 1980. L'invention a donc pour objet un système nano-électro-mécanique (NEMS) comprenant au moins une partie fixe associée à un substrat et au moins une partie mobile par rapport au substrat, ledit système 12 comprenant des moyens de transduction aptes à exciter la partie mobile pour lui conférer un mouvement et/ou détecter un mouvement de la partie mobile, les moyens de transduction comprenant au moins un matériau électriquement conducteur, caractérisé en ce que le matériau électriquement conducteur est constitué par un dépôt à base d'alliage d'aluminium, ce dépôt étant supporté au moins en partie par la partie mobile du système.

L'alliage d'aluminium peut être un alliage choisi parmi AlSi, AlCu et AlCuSi. L'alliage d'AlSi est particulièrement avantageux, notamment pour des raisons de mise en oeuvre technologique (nombre limité d'étapes).

Les moyens de transduction peuvent comporter en outre, sous le matériau électriquement conducteur, une couche additionnelle pour structurer le matériau électriquement conducteur et/ou pour amplifier le mouvement détecté et/ou pour former une barrière à la diffusion du matériau conducteur. Cette couche additionnelle peut être une couche de Ti ou de Ti/TiN. Le dépôt à base d'alliage d'aluminium peut former au moins une boucle de courant pour l'excitation de la partie mobile et/ou pour la détection d'un mouvement de la partie mobile. Il peut former deux boucles de courant imbriquées, l'une pour l'excitation de la partie mobile et l'autre pour la détection d'un mouvement de la partie mobile. La partie mobile du système peut comprendre une poutre encastrée-libre ou une poutre bi-encastrée. Bien entendu, d'autres formes de partie mobile peuvent 13 être utilisées comme par exemple une plaque, un disque, un anneau, un serpentin, et ancré par au moins un point d'ancrage au substrat. Le substrat peut comprendre un support recouvert successivement d'une couche d'isolant électrique et d'une couche superficielle de silicium, lesdites parties fixe et mobile étant réalisées dans la couche superficielle de silicium, la partie mobile étant obtenue grâce à un évidement réalisée dans la couche d'isolant électrique. Selon un mode de réalisation, le système comprenant en outre une masse d'épreuve, la partie mobile est rattachée par l'une de ses extrémités au substrat et par son autre extrémité à la masse d'épreuve, les moyens de transduction étant des moyens aptes à détecter un mouvement. Selon un autre mode de réalisation, le système comprenant en outre une masse d'épreuve, un résonateur relie la masse d'épreuve au substrat, la partie mobile étant rattachée par l'une de ses extrémités au substrat et par son autre extrémité au résonateur, les moyens de transduction étant des moyens aptes à détecter une accélération. Le dépôt à base d'alliage d'aluminium peut avoir une épaisseur comprise entre 10 et 100 nm, de préférence entre 40 et 80 nm. Le système peut comporter en outre au moins un dépôt d'une couche de fonctionnalisation électrogreffée, en dehors du matériau à base d'alliage d'aluminium. 14 Le NEMS selon l'invention peut s'appliquer à la réalisation d'un capteur choisi parmi un capteur de masse, un capteur de gaz, un capteur biochimique, un capteur de force, un capteur inertiel et un capteur de pression. Avantageusement, l'alliage d'AlSi selon l'invention comprend entre 0,5 % et 4 % de silicium en masse et préférentiellement 1 %. La quantité maximale de matériaux, mélangée à l'aluminium dans l'alliage, est déterminée par la limite de solubilité de ces matériaux dans cet alliage, en fonction de la température maximale utilisée dans les procédés de réalisation des NEMS.

Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est un schéma d'une jauge piézorésistive et des axes principaux (N, T) associés, - la figure 2, déjà décrite, est un diagramme illustrant, pour quelques matériaux métalliques, la variation de résistance en fonction de la déformation de ces matériaux, - la figure 3, déjà décrite, est un diagramme représentant le facteur de jauge en fonction de la résistance d'une couche d'aluminium, 15 - la figure 4 est une vue de dessus d'une poutre encastrée-libre portant une boucle de courant commune à l'actionnement thermoélastique et à la détection piézorésistive, selon l'invention, - les figures 5A à 5C sont des vues en coupe longitudinale illustrant un procédé de fabrication de la poutre encastrée-libre de la figure 4, - les figures 6 et 7 sont des vues de dessus de poutres encastrées-libres portant une boucle de courant dédiée à l'actionnement thermoélastique et une boucle de courant dédiée à la détection piézorésistive, selon l'invention, - les figures 8A à 8D sont des vues en coupe longitudinale illustrant un procédé de fabrication de la poutre encastrée-libre de la figure 6, la figure 8D' est une vue en coupe longitudinale montrant une variante de réalisation d'une poutre encastrée-libre, - la figure 9 est une vue de dessus d'une autre poutre encastrée-libre portant une boucle de courant dédiée à l'actionnement thermoélastique et une boucle de courant dédiée à la détection piézorésistive, selon l'invention, - les figures 10A et 10B sont des vues respectivement en coupe longitudinale et de dessus d'une poutre bi-encastrée avec une boucle d'actionnement à un encastrement et une boucle de détection à l'autre encastrement, selon l'invention, 16 la figure 11 est une représentation schématique, en vue de dessus, d'une structure comportant une poutre encastrée-libre apte à se déplacer dans le plan de son substrat support, selon l'invention, - les figures 12 et 13 sont des graphes représentant des courbes de résonance pour une poutre encastrée-libre du type représenté à la figure 4, - les figures 14A et 14B sont des vues de dessus montrant la réalisation d'un capteur piézorésistif pour la détection de gaz, respectivement avant et après fonctionnalisation, selon l'invention, - la figure 14C est une vue en coupe selon l'axe C-C de la figure 14B, - la figure 15 est une représentation schématique d'un capteur d'accélération utilisant la compression/traction d'une jauge de contrainte, selon l'invention, - la figure 16 est une représentation schématique d'un capteur d'accélération à détection fréquentielle utilisant une jauge de contrainte travaillant en traction/compression, selon l'invention, la figure 17 est une représentation schématique illustrant la détection piézorésistive de jauges de contrainte selon l'invention et pour une mesure en pont de Wheatstone, - la figure 18 représente le schéma électrique du pont de Wheatstone mis en oeuvre dans la figure 17.30 DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS DE L'INVENTION On va maintenant décrire quelques exemples de réalisation de structures pour des capteurs de masse (spectrométrie de masse, capteurs chimiques, biochimiques). Ces exemples sont réalisés, par exemple sur un substrat SOI présentant une couche superficielle de silicium de 160 nm d'épaisseur reposant sur une couche d'oxyde de silicium enterrée de 400 nm d'épaisseur. Sur la couche superficielle de silicium, on dépose par exemple une couche d'AlSi de 40 à 80 nm d'épaisseur. La figure 4 est une vue de dessus d'une poutre encastrée-libre (ou poutre cantilever) portant une boucle de courant commune à l'actionnement thermoélastique et à la détection piézorésistive. La poutre 10 est fixée au substrat par des parties 11 et 12 et est en porte-à-faux à partir de ces parties. La boucle de courant est définie depuis les parties 11 et 12 par un intervalle 13. Le tableau 2 donne des exemples de dimensions (en }gym) pour une telle poutre. 1 w 11 b s 1,5 0,6 0,5 0,2 0,2 2,8 0,7 1 0,25 0,2 5 1 2 0,3 0,4 Tableau 2 Les figures 5A à 5C sont des vues en coupe longitudinale illustrant un procédé de fabrication de la poutre encastrée-libre de la figure 4. 18 La figure 5A montre un substrat SOI 20 constitué d'un support 21 en silicium supportant successivement une couche d'oxyde enterrée 22 et une couche superficielle 23 en silicium. Une couche 24 en AlSi de 50 nm d'épaisseur est formée sur la couche superficielle 23. On procède ensuite à la définition de la partie électriquement conductrice de la poutre sur la couche superficielle 23 par photolithographie et gravure par exemple par plasma chloré tel que BC13. Puis, on procède à la gravure de la couche superficielle de silicium 23 par un mélange gazeux comprenant par exemple du CF4. On obtient la structure représentée à la figure 5B. Il reste à libérer la poutre Ceci est réalisé par gravure au moyen de HF de la couche d'oxyde enterrée 22. On obtient la structure représentée à la figure 5C où la direction de déplacement de la poutre est indiquée par une flèche. Les figures 6 et 7 sont des vues de dessus de deux poutres encastrées-libres portant une boucle de courant dédiée à l'actionnement thermoélastique et une boucle de courant dédiée à la détection piézorésistive, les boucles étant imbriquées. Ces poutres sont 25 symétriques par rapport à leur axe longitudinal. La partie de la poutre située en haut de chaque figure est libre. La partie de la poutre située en bas de chaque figure est encastrée. La figure 6 montre une poutre 30 comprenant 30 une extrémité 31 apte à se déplacer dans une direction perpendiculaire au plan de la figure, une première 20 19 boucle de courant 32 en AlSi et une deuxième boucle de courant 33 en AlSi. Dans cet exemple de réalisation, la totalité des boucles de courant repose sur une couche de silicium 34.

La figure 7 montre une poutre 40 comprenant une extrémité 41 apte à se déplacer dans une direction perpendiculaire au plan de la figure, une première boucle de courant 42 en AlSi et une deuxième boucle de courant 43 en AlSi. Dans cet exemple de réalisation, seules les parties des boucles de courant situées vers l'extrémité 41 reposent sur une couche de silicium 44. Le tableau 3 donne des exemples de dimensions (en }gym) pour les poutres représentées aux figures 6 et 7. 1 w 11 b1 b2 s g 5 1,4 2 0,2 0,2 0,2 1 7 2,1 2,5 0,3 0,3 0,3 1,5 Tableau 3

Les figures 8A à 8D sont des vues en coupe longitudinale illustrant un procédé de fabrication de la poutre encastrée-libre de la figure 6. Ces figures sont vues selon l'axe VIII-VIII de la figure 6. La figure 8A montre un substrat SOI 50 constitué d'un support 51 en silicium supportant successivement une couche d'oxyde enterrée 52 et une couche superficielle 53 en silicium. Une couche 54 en AlSi de 50 nm d'épaisseur est formée sur la couche superficielle 53. 20 On procède ensuite à la définition de la partie électriquement conductrice de la poutre sur la couche superficielle 53 par lithographie et gravure. C'est ce que représente la figure 8B.

On procède alors à la définition de la partie en silicium de la poutre. Pour cela, une étape de lithographie est effectuée pour laisser un plot de protection 55 sur la partie de la couche superficielle de silicium 53 non recouverte par la couche d'AlSi 54 subsistante et devant être conservée (voir la figure 8C). On procède alors à la gravure de la couche superficielle de silicium 53 par un plasma à base de CF4. Le plot de protection 55 est éliminé et on procède à la libération de la poutre par gravure HF de la couche d'oxyde enterrée 52. On obtient la structure représentée à la figure 8D où la direction de déplacement de la poutre est indiquée par une flèche. La figure 9 est une vue de dessus d'une autre poutre encastrée-libre portant une boucle de courant dédiée à l'actionnement thermoélastique et une boucle de courant dédiée à la détection piézorésistive. La poutre comprend une boucle électrique d'actionnement 61 reliée au plots de connexion 62 et 63 et une boucle électrique de détection 64 reliée aux plots de connexion 65 et 66. La zone d'encastrement de la poutre est figurée sous la référence 67. La référence 68 désigne une partie de couche mince en silicium subsistant sous la partie libre de la poutre.

Par ailleurs, il est aussi possible de dupliquer les structures décrites ci-dessus en réseau 21 dans une approche VLSI pour obtenir un réseau de nanopoutres en silicium avec des dépôts d'AlSi. Il est aussi possible d'ajouter sous le dépôt d'AlSi une ou plusieurs couches de métal ou d'autre matériau pour structurer la couche d'AlSi ou pour amplifier la déformation de la couche sensible supérieure et donc pour amplifier le signal électrique de sortie et/ou encore pour jouer le rôle de barrière à la diffusion de l'alliage d'aluminium dans le reste de la structure. Cette amplification mécanique est due à un simple effet de bras de levier car le plan médian de la couche sensible d'AlSi est rehaussé par rapport à la ligne neutre de la partie en silicium de la poutre. La figure 8D' illustre une telle structure où une couche 56, par exemple en Ti ou en Ti/TiN, est prévue sous la couche 54' en AlSi. Toute architecture permettant une continuité électrique est envisageable. Ainsi, au lieu de considérer des poutres encastrées-libres (ou cantilevers), on peut considérer des ponts (poutre bi- encastrées). Les figures 10A et 10B sont des vues respectivement en coupe longitudinale et de dessus d'une poutre bi-encastrée avec une boucle d'actionnement à un encastrement et une boucle de détection à l'autre encastrement. La structure montrée aux figures 10A et 10B est réalisée à partir d'un substrat SOI 70 comprenant un support 71 supportant successivement une couche d'oxyde enterrée 72 et une couche superficielle 73 en silicium. La partie 74 de la poutre, en silicium, est obtenue par photolithographie et par gravure plasma de la couche superficielle de silicium 73 puis par gravure HF de la couche d'oxyde enterrée 72. Des dépôts d'AlSi sont réalisés sur la poutre pour obtenir une boucle d'actionnement 75 à l'un des encastrements et une boucle de détection 76 à l'autre encastrement. Le tableau 4 donne des exemples de dimensions (en }gym) pour la poutre bi-encastrée représentée aux figures 10A et 10B. 1 w b s z d fo 1 0,34 0,08 0,05 0,22 0,08 1 400 Î,2 0,25 197156 1,3 0,29 2 828 1,5 0,34 0,08 0,05 0,34 0,08 622 2 0,34 0,08 0,05 0,45 0,08 350 2,5 0,34 0,08 0,05 0,56 0,08 224 3,5 0,34 0,08 0,05 0,46 0,08 114 Tableau 4

Ce tableau donne en outre des valeurs de la 15 fréquence de résonance de la poutre (en MHz). Il est aussi possible d'envisager des mouvements dans le plan du substrat contrairement à tous les exemples donnés précédemment. Dans ce cas, la jauge métallique en AlSi est comprimée ou dilatée en 20 fonction d'une poutre qui lui est reliée (voir la figure 11). Ce schéma de détection a été divulgué dans le document FR-A-2 917 731. Dans ce cas, la partie active de la jauge selon la présente invention n'est pas en silicium. Le silicium n'est qu'un support mécanique non conducteur, ou peu conducteur par rapport à la couche métallique déposée en AlSi. La jauge est donc la couche d'AlSi. Si le facteur de jauge est dans ce cas plus faible, le bruit blanc de Johnson induit par la jauge est par contre beaucoup plus faible, ce qui permet d'améliorer la résolution intrinsèque du capteur. La figure 11 représente schématiquement une telle structure vue de dessus. Elle montre une poutre mobile 80 encastrée au substrat par l'une de ses extrémités, l'autre extrémité étant libre. Parallèlement à la poutre mobile 80 et du côté de son extrémité libre se trouve une électrode d'actionnement 81. Perpendiculairement à la poutre mobile 80 et du côté de son extrémité encastrée se trouvent deux jauges piézorésistives 82 et 83, chacune étant rattachée d'un côté à la poutre mobile 80 et de l'autre côté au substrat. La poutre mobile 80, l'électrode d'actionnement 81 et les jauges piézoélectriques 82 et 83 sont en silicium recouvert d'AlSi. La double flèche indique la direction de déplacement de la poutre mobile 80. Le tableau 5 donne des exemples de dimensions (}gym) pour la structure représentée à la 25 figure 11. 1 W 11 b s a g 6 0,1 3 0,2 0,0 8 4 0,2 6 0,1 3 0,5 0,0 8 4 0,2 6 0,2 3 0,2 0,0 8 4 0,1 Tableau 5 24 Plusieurs types de dépôts peuvent être envisagés à différentes épaisseurs. Différentes compositions peuvent aussi être obtenues, par exemple de l'AlSi de type Aluminium-Silicium 1%. Un premier dépôt est réalisé par pulvérisation à une température de 175°C. La couche d'AlSi formée peut être réalisée soit via un dépôt continu à puissance constante, soit en plusieurs étapes, par exemple en deux temps, selon l'épaisseur souhaitée. Une première couche de quelques dizaines de nanomètres peut être déposée avec une puissance de 3 kW par exemple (ou 1,5 kW), permettant d'obtenir une couche bien dense et bien uniforme (de 20 à 40 nm). Une seconde couche peut être ensuite ajoutée à basse puissance (par exemple 0,5 kW) afin de mieux contrôler l'épaisseur finale (50 à 60 nm au final). Des dépôts hautes températures permettent de révéler des orientations cristallines préférentielles des grains d'AlSi. Un deuxième type de dépôt peut aussi être réalisé via un procédé basse température à 20°C par exemple. Ceci permet d'obtenir des grains d'AlSi plus petits et des discontinuités entre grains plus fines avec une répartition plus homogène. Ces dépôts basse température permettent aussi de réduire la rugosité des films d'AlSi (d'un facteur 5, autour de 1 nm rms c'est-à-dire en moyenne quadratique) mais augmentent la résistivité du matériau (0,5 à 1 pohm.cm) à épaisseur constante. Des épaisseurs variables peuvent être 30 obtenues. On a par exemple démontré expérimentalement la faisabilité de dépôts uniformes et continus jusqu'à 25 10 nm au moins. Des épaisseurs de 80 nm ont aussi été réalisées sur des NEMS. Des épaisseurs plus importantes peuvent être déposées (100 nm, 200 nm, 500 nm) mais on cherche plutôt à privilégier les fines couches (gamme de 10 à 100 nm). Des caractérisations de résonateurs tels que décrits sur la figure 4 ont été réalisées en utilisant des films d'AlSi de 80 nm d'épaisseur comme élément simultanément d'actionnement thermoélastique et de détection piézorésistive. Les résultats des courbes de résonance sont donnés aux figures 12 et 13. Ces résultats sont conformes aux prédictions théoriques. La figure 12 correspond à une mesure du pic de résonance dans l'air ambiant. La figure 13 correspond à une mesure du pic de résonance sous un vide de 10-3 torrs. L'axe des ordonnées de ces graphes correspond à la tension en volt du signal de sortie des moyens de détection. L'axe des abscisses correspond à la fréquence f du signal détecté. Pour la figure 12, le facteur de qualité Q vaut 200. Pour la figure 13, le facteur de qualité Q vaut 1100. Ces résultats sont obtenus pour une tension alternative de 40 mV RMS. D'autres caractérisations ont été réalisées sur des poutres résonnantes de même forme mais avec des dimensions différentes (fréquence de résonance autour de 5,5 MHz). Dans tous les cas, les comportements obtenus sont semblables à ceux observés et mesurés jusqu'à présent sur des dispositifs équivalents en SiC ou SiN (jauges piézorésistives avec 10 nm d'or déposé).

De façon surprenante vis-à-vis de l'état de l'art (voir la figure 3), on trouve expérimentalement 26 des facteurs de jauge compris entre 2 et 4 (selon l'épaisseur considérée) pour l'AlSi pour une résistance de 20 n, c'est-à-dire conforme aux prédictions connues pour un métal autre que l'aluminium. Les résistivités mesurées sont comprises entre 3 et 5 pohms.cm, selon l'épaisseur considérée (autour de 3 pohms.cm pour des films épais dits bulk et proche de 4,5 pohms.cm pour des épaisseurs de 60 nm). Pour des applications de détection de gaz via l'utilisation de couches de fonctionnalisation, on montre que le dépôt de polymères (à base de diazonium) par des techniques d'électro-greffage se font préférentiellement entre du silicium et de l'AlSi sur les parties non métallisées.

Par exemple, on sait déposer simultanément 15 à 20 nm de ces couches de sel de diazonium sur du silicium pour seulement quelques nanomètres maximum sur de l'AlSi. Dans le cadre d'une application de détection de gaz (via l'adsorption des molécules à détecter sur les couches de fonctionnalisation), il est ainsi aussi possible d'utiliser l'AlSi comme électrode d'amenée de courant sur les parties en silicium (dopé ou faiblement dopé) pour que le greffage des couches de fonctionnalisation ne se fasse qu'aux endroits choisis en silicium. Les figures 14A à 14C illustrent la réalisation d'un capteur piézorésistif pour la détection de gaz, selon la présente invention. La figure 14A montre, vu de dessus, le capteur avant sa fonctionnalisation. Il comprend une poutre encastrée-libre en silicium 100. La poutre 100 27 est encastrée sur un substrat support par l'ancrage 101. L'extrémité libre de la poutre 100 est recouverte d'une couche d'AlSi 102 reliée par une boucle de courant 103 à des amenées de courant 104 et 105.

La figure 14B montre, vu de dessus, le capteur après sa fonctionnalisation. Sa surface supérieure est recouverte d'une couche de greffage répartie en 100' sur la poutre en silicium, en 102' sur la couche d'AlSi et en 103' sur la boucle de courant.

La couche de greffage recouvre aussi en 101' l'ancrage du capteur et en 104' et 105' les amenées de courant. La figure 14C est une vue en coupe transversale selon l'axe C-C de la figure 14B. Cette figure montre les répartitions de la couche de greffage sur les différentes parties du capteur. Pour réaliser un accéléromètre, on peut par exemple se baser sur la structure illustrée par la figure 11. A ces structures, il faut ajouter une masse d'épreuve dont le mouvement sera fonction d'une accélération externe. La détection peut être en compression/traction de la jauge métallique comme le montre la figure 15. Une masse d'épreuve subissant une accélération va contraindre la jauge placée perpendiculairement au mouvement créé par l'accélération. La lecture se fait alors préférentiellement avec un pont de mesure, type pont de Wheatstone. La lecture peut se faire en courant continu ou en courant alternatif afin de supprimer les bruits en 1/f.

La figure 15 est une représentation schématique d'un capteur d'accélération utilisant la 28 compression/traction d'une jauge de contrainte, selon l'invention. Cette figure montre une masse d'épreuve 110 soumise à une accélération y. La masse d'épreuve est reliée à des zones d'ancrage 111 et 112 par des suspensions 113 et 114. La référence 115 désigne une jauge de contrainte entre la masse d'épreuve 110 et une zone d'ancrage 116. La jauge 115 comprend une couche d'AlSi déposée sur une nano-poutre en silicium. L'épaisseur de la couche d'AlSi peut être comprise entre 10 nm et 200 nm. La largeur de la couche est inférieure par exemple à 100 nm. La valeur de l'élancement du résonateur est par exemple autour de 100. La jauge peut aussi servir à mesurer la variation de fréquence. Le mouvement subi par la poutre va induire une contrainte dans une nano-poutre vibrante judicieusement attachée à la masse d'épreuve. Cette contrainte va alors moduler la fréquence de résonance. Celle-ci est mesurée par des jauges de contrainte métallisées en AlSi et placées perpendiculairement à la poutre résonante comme le montrent les figures 16 et 17. La jauge en AlSi travaille en traction/compression. La figure 16 est une représentation schématique d'un capteur d'accélération à détection fréquentielle utilisant une jauge de contrainte travaillant en traction/compression, selon l'invention. Cette figure montre une masse d'épreuve 120 soumise à une accélération y. La masse d'épreuve est reliée à des zones d'ancrage 121 et 122 par des suspensions 123 et 124. La référence 125 désigne un résonateur disposé entre la masse d'épreuve 120 et une zone d'ancrage 126. 29 Des électrodes d'actionnement, désignées sous la référence unique 127, sont disposées pour activer le résonateur 125. Une jauge de contrainte 128 est disposée entre le résonateur 125 et une zone d'ancrage 129 et perpendiculairement au résonateur. Elle travaille en traction/compression. Le résonateur peut présenter une épaisseur de silicium comprise par exemple entre 100 nm et 2 }gym. Sa largeur est supérieure ou égale à 100 nm.

L'élancement du résonateur est situé autour de 100. Son écartement par rapport aux électrodes d'actionnement est égal ou supérieur à 50 nm. Son rapport d'aspect est égal ou supérieur à 4. La jauge de contrainte 128 comprend une couche d'AlSi, de 10 nm à 200 nm d'épaisseur, déposée sur une nano-poutre en silicium. Sa largeur est inférieure à 100 nm. Son élancement se situe autour de 100, voire même inférieur à 100. La masse d'épreuve peut être réalisée dans la même couche que la jauge. Néanmoins, avantageusement cette masse est définie dans une autre couche plus épaisse de façon à obtenir une inertie suffisante. La lecture peut se faire selon le schéma de la figure 17 qui est une représentation illustrant la détection piézorésistive de jauges de contrainte selon l'invention et pour une mesure en pont de Wheatstone. Ce schéma montre deux masses d'épreuve 130 et 140 rattachées à des zones d'ancrage et soumises à une accélération y. Un résonateur 131 est disposé entre la masse d'épreuve 130 et une zone d'ancrage. Ce résonateur est soumis à une force F générée par la 30 masse d'épreuve 130 sous l'effet de l'accélération. Des électrodes d'activation, désignées sous la référence unique 132, sont disposées parallèlement au résonateur 131. Située perpendiculairement au résonateur est disposée une jauge de contrainte 133 reliée par une extrémité au résonateur 131 et par une autre extrémité à une zone d'ancrage. Un résonateur 141 est disposé entre la masse d'épreuve 140 et une zone d'ancrage. Ce résonateur est soumis à la force F générée par la masse d'épreuve 140 sous l'effet de l'accélération. Des électrodes d'activation, désignées sous la référence unique 142, sont disposées parallèlement au résonateur 141. Située perpendiculairement au résonateur est disposée une jauge de contrainte 143 reliée par une extrémité au résonateur 141 et par une autre extrémité à une zone d'ancrage. Le pont de Wheatstone est complété par deux résistances fixes R disposées en série dans une première branche du pont, les jauges de contrainte 133 et 143 étant branchées en série dans la deuxième branche du pont. Le pont est alimenté sous une tension E. Lorsque les masses d'épreuve 130 et 140 sont soumises à l'accélération y, une force F est générée dans les résonateurs 131 et 141, ce qui se traduit par des variations de résistivité dans les jauges 133 et 143, respectivement R+dR et R-dR. Une variation de tension VAB est mesurée entre les points A et B.

31 La figure 18 représente le schéma électrique du pont de Wheatstone mis en oeuvre dans la figure 17. Une application particulièrement intéressante de l'AlSi concerne l'intégration à très large échelle (VLSI) de NEMS. On peut se référer à ce sujet aux articles suivants : Ultimate limits to inertial mass sensing based upon nanoelectromechanical systems de K.L. Ekinci et al., Journal of Applied Physics, vol. 95, n°5, 2004, pages 2682 à 2689 ; - l'article de Mo Li et al., cité plus haut, - A self-sustaining ultrahigh-frequency nanoelectromechanical oscillator de X.L. Feng et al., Nature Nanotechnology, vol. 3, n°6, pages 342 à 346. Dans le domaine des capteurs inertiels, on peut citer l'article Micromachined inertial sensors de N. Yazdi et al., Proceedings of the IEEE, vol. 86, n°8, août 1998, pages 1640 à 1659.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Système nano-électro-mécanique (NEMS) comprenant au moins une partie fixe associée à un substrat (21) et au moins une partie (23) mobile par rapport au substrat, ledit système comprenant des moyens de transduction (24) aptes à exciter la partie mobile pour lui conférer un mouvement et/ou détecter un mouvement de la partie mobile, les moyens de transduction comprenant au moins un matériau électriquement conducteur, caractérisé en ce que le matériau électriquement conducteur est constitué par un dépôt à base d'alliage d'aluminium, ce dépôt étant supporté au moins en partie par la partie mobile du système.
2. 2.Système selon la revendication 1, dans lequel l'alliage d'aluminium est un alliage choisi parmi AlSi, AlCu et AlCuSi.
3. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les moyens de transduction comportent en outre, sous le matériau électriquement conducteur, une couche additionnelle (56) pour structurer le matériau électriquement conducteur et/ou pour amplifier le mouvement détecté et/ou pour former une barrière à la diffusion du matériau conducteur.
4. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le dépôt à base d'alliage d'aluminium forme au moins une boucle de 33 courant pour l'excitation de la partie mobile et/ou pour la détection d'un mouvement de la partie mobile.
5. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel le dépôt à base d'alliage d'aluminium forme deux boucles de courant (32, 33) imbriquées, l'une pour l'excitation de la partie mobile et l'autre pour la détection d'un mouvement de la partie mobile.
6. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la partie mobile du système comprend une poutre encastrée-libre ou une poutre bi-encastrée.
7. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le substrat (20, 50, 70) comprenant un support (21, 51, 71) recouvert successivement d'une couche d'isolant électrique (22, 52, 72) et d'une couche superficielle de silicium (23, 53, 73), lesdites parties fixe et mobile étant réalisées dans la couche superficielle de silicium, la partie mobile étant obtenue grâce à un évidement réalisée dans la couche d'isolant électrique.
8. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, le système comprenant en outre une masse d'épreuve (110), la partie mobile (115) est rattachée par l'une de ses extrémités au substrat et par son autre extrémité à la masse d'épreuve, les moyens de transduction étant des moyens aptes à détecter un mouvement. 34
9. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, le système comprenant en outre une masse d'épreuve (120), un résonateur (125) relie la masse d'épreuve au substrat, la partie mobile (128) étant rattachée par l'une de ses extrémités au substrat et par son autre extrémité au résonateur, les moyens de transduction étant des moyens aptes à détecter une accélération.
10. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le dépôt à base d'alliage d'aluminium a une épaisseur comprise entre 10 et 100 nm, de préférence entre 40 et 80 nm.
11. 11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant en outre au moins un dépôt d'une couche de fonctionnalisation électrogreffée, en dehors du matériau à base d'alliage d'aluminium.
12. 12. Application du système selon la revendication 1 à la réalisation d'un capteur choisi parmi un capteur de masse, un capteur de gaz, un capteur biochimique, un capteur de force, un capteur inertiel et un capteur de pression.