CMOS-MEMS technology for acoustic apllications
La technologie CMOS-MEMS pour des applications acoustiques
Résumé
Recently, several teams have demonstrated a MEMS fabrication process based on a CMOS technology combined with a surface micromachining not requiring an etching mask. Unlike an earlier CMOS-based approach, where the release of MEMS structures is made by the silicon etching, the proposed technology etches oxide sacrificial layers to release the MEMS structures made of metallic layers of the CMOS process. In this project, we propose to fabricate MEMS-based acoustic devices with the AMS 0.35 μm standard CMOS process. The work is divided in two parts. In the first part, we have developed a complete etching process (etching type, etching time). After considering different aspects of the CMOS-MEMS technology available in the literature, the CMOS-MEMS process has been defined. This process consists of silicon dioxide sacrificial layers etching to release MEMS structures made by metallic layers of the AMS 0.35 μm CMOS process. Microstructures, like cantilever beams or fixed-fixed beams, have been used to develop and validate this process. The second part of the work was focused on the validation of the CMOS-MEMS process based on the AMS 0.35 μm CMOS technology for the fabrication of a capacitive MEMS microphone. A lumped parameters equivalent circuit, based on the electro-acoustic and electro-mechanical analogies, has been realized and used for the simulation of the capacitive MEMS microphone. The model takes into account various aspects of the industrial AMS 0.35 μm CMOS process (materials, dimensions, design rules,...). Each parameter of the equivalent circuit is determined with a help of analytical relations and simulation software based on the finite element method (ANSYS, CoventorWare). After the modeling, the layout of several MEMS microphones structures has been finalized in Cadence Virtuoso software and sent to AMS foundry. After the completion of the CMOS process, the etching process, studied previously, was applied in order to release the MEMS microphones and other test structures. Finally, electrical and mechanical measurements have been performed, firstly, on the MEMS microphones to determine its characteristics (resonant frequency, sensitivity,...) and secondly, on the test microstructures, to estimate the mechanical properties (Young's modulus and residual stress) of the metallic layers used to form the microphones structures. Thus, the equivalent circuit was improved according to obtained results and validated.
Récemment, des travaux montrant la faisabilité des MEMS à base de la technologie CMOS complétée par un micro-usinage en surface sans masque ont été publiés. A la différence de l'approche plus ancienne où la libération des composants MEMS a été faite par une gravure du silicium, la technologie proposée consiste en la gravure des couches d'oxyde afin de libérer les couches métalliques issues de la technologie CMOS. Ce sujet de thèse propose donc de fabriquer des microsystèmes à vocation acoustique à partir d'une technologie CMOS standard : AMS 0.35 μm. Il sera, pour cela, composé de deux parties. Dans la première partie, il s'agit de développer un procédé technologique (déterminer le type de gravure, les temps de gravure, ainsi que les dimensions extrêmes réalisables pour les structures simples en technologie CMOS). En effet, après avoir étudié les différentes possibilités de la technologie CMOS-MEMS proposées dans la littérature, un procédé CMOSMEMS a été mis au point. Ce procédé consiste à graver une couche sacrificielle d'oxyde afin de libérer des microstructures constituées des couches métalliques issues de la technologie CMOS 0.35 μm d'AMS. Le procédé est premièrement testé sur des échantillons contenant des microstructures telles que des ponts et des poutres. La seconde partie du travail est consacrée à la validation du procédé CMOS-MEMS par un développement de structures MEMS acoustiques représentées par un microphone MEMS capacitif. Dans un premier temps, un microphone MEMS capacitif a été réalisé à partir de la technologie CMOS 0.35 μm d'AMS. Après avoir pris connaissance des différents aspects de la technologie CMOS 0.35 μm d'AMS (matériaux, dimensions, règles de dessin,...), une modélisation de microphone MEMS capacitifs est proposée grâce à la réalisation d'un schéma électrique équivalent basé sur les analogies entre les domaines électrique, mécanique et acoustique. Chaque paramètre de ce circuit est déterminé par l'intermédiaire de relations connues et par des logiciels de simulation utilisant la méthode des éléments finis (ANSYS, CoventorWare). Une fois les performances des microphones estimés à partir de ce circuit équivalent, un layout, représentant les différents microphones conçus, a été créé sous Cadence afin d'être envoyé au fondeur AMS. Dès la réception des échantillons, le procédé CMOSMEMS mise en oeuvre précédemment a été appliqué afin de libérer les structures des différents dispositifs. Ensuite, une série de caractérisations a pu être réalisée sur les premiers échantillons. Ces caractérisations visent à déterminer les performances des différents dispositifs fabriqués, mais aussi à estimer les propriétés mécaniques des différentes couches utilisées pour former la structure des microphones. De cette façon, le circuit équivalent pourra être validé ou être amélioré selon les résultats obtenus.
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