Intégration de bobine sur silicium pour la conversion d'énergie

Fabrication of integrated inductors on silicon for low power micro-converters

• Auteur / Autrice : Ghislain Troussier
• Direction : Jean-Pierre Laur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Conception des circuits micrélectroniques et microsystèmes
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inductance

Convertisseurs continu-continu

Alliages fer-nickel

Nickel

Couches minces métalliques

Cuivre -- Couches minces

Électrochimie

Dépôt électrolytique

Résumé

Dans un contexte d'intégration des dispositifs de conversion d'énergie de petite puissance, le travail de thèse présenté porte sur la réalisation de micro-bobines intégrées sur silicium. Les contraintes liées à ce type d'intégration résident dans la mise au point, la compatibilité des procédés technologiques contribuant à la fabrication du système complet et le coût de fabrication. Dans un premier temps, une étude bibliographique nous a permis de faire une synthèse sur les structures intégrables de micro-bobines ainsi que sur les matériaux conducteurs et magnétiques et leurs techniques de dépôt. Une fois les objectifs fixés, notamment concernant la nature des matériaux à déposer, nous avons mis au point les dépôts électrochimiques et les procédés photolithographiques de résines épaisses destinées à la réalisation de moules. Ces résines doivent résister à la fois à des contraintes chimiques et physiques fortes. Une première structure de micro-bobine de type spirale a été dimensionnée et le processus de fabrication a été identifié. En parallèle, des motifs spécifiques de forme bien définie ont été étudiés puis réalisés afin de caractériser les couches déposées par électrochimie, en termes de résistivité, perméabilité et composition de l'alliage. La dernière partie de la thèse a consisté à appliquer ce procédé de fabrication à une seconde structure de bobine dont la géométrie a été définie dans le but de réduire le nombre d'étapes technologiques. Actuellement les premiers prototypes de ces bobines ont été réalisés avec de faibles épaisseurs de matériaux. Ceci nous a permis de valider les procédés de fabrication de ces dispositifs.

In the context of integration of low power DC-DC converters, the topic of this work consists in studying the integration of inductors on silicon. The difficulties of this kind of integration are related to the development, the compatibility of the whole technological processes, which are used for fabricating the complete system, and the manufacturing cost. First, a bibliographical synthesis has been made on the integrated inductors as well as conducting and magnetic materials and their deposit techniques. Once we have set the objectives, in particular the nature of the used materials, we have developed the electrochemical deposits and the thick photoresists processes that are required for the fabrication of moulds. These photoresists must withstand to chemical and physical constraints. A first structure of spiral type inductor has been calculated and the fabrication process has been determined. In the same time, specific devices have been studied then realized in order to characterize the electrochemical deposited layers in terms of resistivity, permeability and alloy composition. The last part of this thesis consists in applying this fabrication process to a second type of structure, which have been studied with the aim of reducing the number of technological steps. Currently, the first prototypes of these two kinds of inductors have been fabricated with low thickness materials layers. These prototypes confirm the feasibility of these devices