A study and implementation of silicon microsystems design methodology and collective fabrication
Etude et mise au point de la méthodologie de conception et de fabrication collective de microsystèmes sur silicium
Résumé
The microsystem notion was born with microelectronics, but its development was never the same. The reasons for this difference are the multiplicity of the domains to be mastered, the complexity of the necessary signal treatment devices, and particularly the lack of standard fabrication processes. Until now, a specific fabrication process has been developed for each microsystem circuit. Moreover, because of the lack of apparent market for this kind of component, very few applications have been industrialised, the necessary investments being too expensive. Since they were born, microsystems stayed research subjects in laboratories, but did not become industrial products. The aim of my research activities was to use the microelectronics industry capabilities and competences (fabrication technologies, methods and tools for circuits design, simulation and test), in order to design and realise monolithic microsystems circuits. Thanks to the anisotropic etching of single crystal silicon process, it is possible to obtain elements suspended on the top of micro-cavities, from chips fabricated with VLSI technologies. These elements can be used to realise micro-electro-mechanical functions. This etching process has been studied and characterised, and rules for the design and fabrication of suspended components have been established. A computer assisted design environment, based on the Cadence software, has been developed, in order to make this fabrication process available to all designers.
La notion de micro-systèmes est née avec la microélectronique, mais n'a jamais connu le même essor. Les raisons de cette différence de développement sont nombreuses : multiplicité des domaines à maîtriser, complexité des circuits de traitement du signal nécessaires, et surtout manque de procédés de fabrication standards. Jusqu'à nos jours, pour presque chaque circuit micro-système conçu puis réalisé, un procédé de fabrication spécifique a dû être développé en Laboratoire. En outre, en raison du manque de marché apparent pour ce type de composant, rares sont les applications qui ont pu être industrialisées, les investissements nécessaires étant trop importants. Les micro-systèmes sont donc, depuis leur naissance, restés des sujets de recherche en laboratoire, et n'ont pu connaître de phase d'industrialisation. Le but de mon travail de recherche a été l'utilisation des capacités et des compétences offertes par l'industrie de la microélectronique (technologie de fabrication, outils et méthodes de conception, de simulation et de test), pour concevoir et réaliser des circuits micro-systèmes monolithiques, grâce au procédé de gravure anisotropique du silicium cristallin, il est possible d'obtenir des éléments suspendus sur des micro-cavités à partir de puces fabriquées avec des technologies VLSI. Ces éléments peuvent être utilisés pour réaliser des fonctions micro-électroniques. Ce procédé de gravure a été étudié et caractérisé, et des règles de dessin pour la conception et la fabrication de structures suspendues ont été établies. Un environnement de conception assisté par ordinateur, basé sur le logiciel CADENCE, a de plus été développé afin de rendre ce procédé de fabrication accessible à tous les concepteurs.