Methods and tools for the fabrication of silicon micromachined ultrasonic transducers

L’utilisation des ultrasons pour l’imagerie présente plusieurs avantages : elle est extrêmement sure car ellen'utilise pas de radiations ionisantes et ne présente pas d'effets néfastes sur la santé. D’autre part, elle donne desrésultats d’excellente qualité avec un coût relativement faible. Historiquement, les matériaux piézoélectriques et leurscomposites ont été très tôt utilisés pour la génération d’ultrasons. Les transducteurs fabriqués à partir de ces matériauxdominent actuellement le marché des sondes ultrasonores. Cependant, pour certaines applications, ils ne peuvent pasêtre utilisés pour des raisons de dimensionnement et de limitations dues aux propriétés des matériaux. Une solutionpeut être apportée par l’utilisation des transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés dits CMUTs. Ces dernierssuscitent un intérêt croissant dans le milieu de l’imagerie ultrasonore et sont considérés comme une alternativepotentielle et viable aux transducteurs piézoélectriques. Cette nouvelle technologie CMUTs est caractérisée par uneplus large bande passante, une sensibilité élevée, une facilité de fabrication et une réduction des coûts de production.Cette thèse est consacrée à la mise en place d’un certain nombre d’outils théoriques et expérimentaux permettant lamodélisation/conception, la fabrication et la caractérisation de transducteurs CMUTs à membrane circulaire pourl’émission des ultrasons. Nous commençons par développer des outils de simulation à base de calculs par élémentsfinis, permettant la compréhension et la modélisation du comportement électromécanique des CMUTs pour laconception et le dimensionnement des cellules élémentaires et des réseaux. Nous proposons par la suite un nouveauprocédé de fabrication de transducteurs CMUTs basé sur le collage anodique d’une couche de silicium monocristallind’épaisseur fixe d’une plaquette de SOI sur un substrat de verre. L’évolution du procédé de fabrication est détailléepour chaque étape technologique en soulignant à chaque fois les améliorations/modifications apportées pour unefiabilité et une répétitivité accrue associées à une connaissance des limites de faisabilité. Dans la dernière partie de cetravail, on s’intéresse à la mise en œuvre de plusieurs plateformes expérimentales permettant différentescaractérisations électromécaniques statiques et dynamiques des dispositifs CMUTs fabriquésThe use of ultrasound imaging has several advantages: it is extremely safe because it does not use ionizingradiation and has no adverse effects on health. It gives excellent quality results with a relatively low cost. Historically,piezoelectric materials and their composites have been early used for ultrasound generation. Transducers made fromthese materials dominate currently the ultrasonic probes market. However, for some applications, they can’t bebecause of design and limitation reasons due to material properties. A solution can be provided by the use ofcapacitive micromachined ultrasonic transducers CMUTs. A growing interest in the field of the ultrasound imaging isshown to this technology considered as a potential and viable alternative to piezoelectric transducers andcharacterized by a wide bandwidth, high sensitivity, ease of manufacture and reduce production costs. This thesis isdevoted to the establishment of a number of experimental and theoretical tools for the modeling/design, fabricationand characterization of circular membrane CMUTs transducers for ultrasound transmission. We begin by developingsimulation tools based on finite elements method in order to understand/model the CMUTs electromechanicalbehavior for the design and dimensioning of elementary cells and networks. Thereafter, we introduce a new CMUTtransducers fabrication process based on the anodic bonding a fixed thickness single crystal silicon layer of a SOIwafer on a glass substrate. The process evolution is detailed for each technological step highlighting everyimprovements/changes introduced for increased reliability and repeatability associated with an increased knowledgeof feasibility limits. In the last part of this work, we focus on the implementation of several experimental platformsallowing different static and dynamic electromechanical characterizations of the fabricated CMUTs devices