BOCQUENE, Dominique (2 rue des Carrières, Carquefou, F-44470, FR)
GADOT, Gérard (18 bis chemin des Closes, Treillières, F-44119, FR)
BOCQUENE, Dominique (2 rue des Carrières, Carquefou, F-44470, FR)
REVENDICATIONS
1 - Micro-relais (1 ) caractérisé en ce qu'il comporte :
- des premiers contacts (3.1 , 3.2) positionnés l'un à côté de l'autre sans se toucher,
- des deuxièmes contacts (4.1 , 4.2) positionnés l'un à côté de l'autre sans se toucher,
- une électrode (2) mobile positionnée entre ces premiers contacts (3.1 , 3.2) et ces deuxièmes contacts (4.1 , 4.2), - cette électrode (2) étant apte à se déplacer entre ces premiers contacts (3.1 , 3.2) et ces deuxièmes contacts (4.1 , 4.2), pour passer
- d'une première position commutée dans laquelle elle est plaquée contre les premiers contacts (3.1 , 3.2), de manière à court-circuiter les premiers contacts (3.1 , 3.2) entre eux, à - une deuxième position commutée dans laquelle elle est plaquée contre ces deuxièmes contacts (4.1 , 4.2), de manière à court-circuiter les deuxièmes contacts (4.1 , 4.2) entre eux, et
- des îlots (11.1 -11.4) disposés régulièrement autour de l'électrode (2) mobile dans le prolongement du plan de l'électrode lorsque ladite électrode (2) se trouve en position milieu, ces îlots (11.1 -11.4) formant des butées latérales pour assurer un blocage latéral de l'électrode (2) lors de ses déplacements d'une position commutée à une autre,
- le micro-relais (1 ) étant tel que la distance potentielle (a, b) de mouvement entre la position milieu de l'électrode (2) et une position commutée est inférieure à l'épaisseur (e) de l'électrode (2).
2 - Micro-relais selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les îlots (11.1 -11.4) et l'électrode (2) mobile sont réalisés à partir d'une même couche (2) de métallisation.
3 - Micro-relais selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'écart (a) entre la face (14) des îlots et la face (15) des premiers contacts les plus proches l'une de l'autre et parallèles à un plan d'allongement de l'électrode mobile (2), et - l'écart (b) entre la face (16) des îlots et la face (17) des deuxièmes contacts les plus proches l'une de l'autre et parallèles au plan d'allongement de l'électrode mobile (2),
- sont inférieurs à l'épaisseur (e) de cette électrode (2) libre.
4 - Micro-relais selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'électrode mobile (2) présente sensiblement la forme d'un disque.
5 - Micro-relais selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les premiers contacts (3.1 , 3.2) et les deuxièmes contacts (4.1 , 4.2) présentent sensiblement la forme d'un demi-disque.
6 - Micro-relais selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les îlots (11.1-11.4) présentent une forme en V.
7 - Micro-relais selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les îlots (11.1 -11.4) sont au nombre de 4 et espacés régulièrement entre eux autour de l'électrode mobile (2) d'un angle de 90°.
8 - Micro-relais selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une couche (19) de passivation pour sa protection recouvrant les premiers contacts (3.1 , 3.2).
9 - Micro-relais selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les contacts (3.1 , 3.2, 4.1 , 4.2), et l'électrode (2) sont réalisés en un matériau conducteur qui peut être de l'aluminium et ses alliages ou encore de l'or, du cuivre ou du platine ou des couches minérales à base de titane.
10 - Procédé de fabrication d'un micro-relais (1 ) caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- déposer une première couche (24) métallique à partir de laquelle on réalise des contacts bas (4.1 , 4.2),
- déposer une première couche (25) de diélectrique sur les contacts bas (4.1 , 4.2) ainsi réalisés, - déposer, sur la première couche (25) de diélectrique, une deuxième couche (26) métallique à partir de laquelle on réalise simultanément une électrode (2) et des îlots (11.1 -11.4) disposés autour de cette électrode (2),
- déposer une deuxième couche (27) de diélectrique sur l'électrode (2) et les îlots (11.1 -11.4) ainsi réalisés,
- déposer, sur la deuxième couche (27) de diélectrique, une troisième couche (29) métallique à partir de laquelle on réalise des contacts hauts (3.1 , 3.2),
- l'électrode (2) étant destinée à passer d'une première position commutée dans laquelle elle court-circuite les contacts hauts (3.1 , 3.2) à une deuxième position commutée dans laquelle elle court-circuite les contacts bas (4.1 , 4.2),
- les îlots (11.1 -11.4) formant des butées latérales pour assurer un blocage latéral de cette électrode (2) lors de ses déplacements, - libérer l'électrode (2) en détruisant en partie les couches (25, 27) de diélectrique situées autour de cette électrode (2), de sorte qu'elle puisse se déplacer d'une position commutée à une autre.
- les couches étant déposées de sorte que la distance potentielle (a, b) de mouvement entre la position milieu de l'électrode (2) et une position commutée est inférieure à l'épaisseur (e) de l'électrode (2).
11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape suivante :
- déposer une couche (19) de passivation sur les contacts hauts (3.1 , 3.2) pour la protection du micro-relais.
12 - Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce que pour libérer l'électrode (2), il comporte l'étape suivante :
- réaliser des ouvertures (30.1-30.4) dans la couche (19) de passivation préalablement déposée sur les contacts hauts (3.1 , 3.2), et
- plonger le micro-relais (1 ) dans un bain de produit chimique qui attaque spécifiquement les couches de diélectrique pendant une durée telle qu'une zone évidée (31 ) se forme autour de l'électrode. 13 - Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que :
- les contacts hauts (3.1 , 3.2) et bas (4.1 , 4.2) ainsi que l'électrode (2) et les îlots (11.1 -11.4) sont réalisés par photolithographie.
14 - Procédé selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que :
- les couches (25, 27) de diélectriques sont déposées par un procédé de type PECVD, ou HDCVD,
15 - Procédé selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante :
- déposer une couche de diélectrique (23) sous la première couche (24) métallique par un procédé de type PECVD ou LPCVD.
16 - Procédé selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape suivante :
- planariser les couches de diélectrique par une technique de type CMP (Chemical Mechanical Polishing en anglais). |
Micro-relais de type MEMS et procédé de fabrication associé
La présente invention concerne un micro-relais de type MEMS (Micro Electro Mechanical Systems en anglais) et le procédé de fabrication associé. L'invention a notamment pour but de gérer le déplacement d'une électrode mobile de ce relais. L'invention trouve des applications particulièrement avantageuses dans le domaine des microsystèmes développés sur substrat semi-conducteur, notamment dans le cas de relais intégrés.
Plus précisément, l'invention concerne un micro-relais comportant une électrode mobile en translation entre une paire de contacts hauts et une paire de contacts bas. Les déplacements de l'électrode sont commandés de manière qu'elle court-circuite soit les contacts hauts entre eux, soit les contacts bas entre eux. Lorsque l'électrode se trouve dans une position où elle court-circuite une des paires de contacts, on dit qu'elle se trouve dans une position de commutation.
L'invention permet notamment de guider l'électrode libre lorsqu'elle se déplace pour passer d'une position de commutation à l'autre.
A cet effet, le micro-relais selon l'invention comporte des îlots disposés en périphérie de l'électrode libre pour la maintenir latéralement lors de ses déplacements.
Ces îlots sont des éléments fixes intégrés à l'intérieur de couches de diélectrique utilisées pour réaliser le micro-relais. Ces îlots peuvent être réalisés en un matériau conducteur ou non conducteur. Ces îlots présentent généralement une forme qui suit le contour de l'électrode libre. De préférence, ces îlots sont réalisés en même temps et en utilisant la même couche de métal que celle définissant l'électrode mobile. Ainsi, l'invention permet d'utiliser une même couche d'un matériau pour réaliser conjointement une partie active (l'électrode libre) et une partie inerte (les îlots) destinée au blocage ou contrôle du déplacement latéral de la partie active. Toutefois en variante, les îlots pourraient être réalisés indépendamment de l'électrode libre.
L'invention concerne donc un micro-relais caractérisé en ce qu'il comporte :
- des premiers contacts positionnés l'un à côté de l'autre sans se toucher,
- des deuxièmes contacts positionnés l'un à côté de l'autre sans se toucher,
- une électrode mobile positionnée entre ces premiers contacts et ces deuxièmes contacts, - cette électrode étant apte à se déplacer entre ces premiers contacts et ces deuxièmes contacts, de sorte qu'elle court-circuite les premiers contacts entre eux lorsqu'elle est plaquée contre ces premiers contacts ou court-circuite les deuxièmes contacts entre eux lorsqu'elle est plaquée contre ces deuxièmes contacts, et - des îlots disposés régulièrement autour de l'électrode mobile, ces îlots assurant un blocage latéral de cette électrode lors de ses déplacements entre les premiers et les deuxièmes contacts.
Selon une réalisation, les îlots et l'électrode mobile sont réalisés à partir d'une même couche de métallisation. Selon une réalisation, l'écart entre la face des îlots et la face des premiers contacts les plus proches l'une de l'autre et parallèles à un plan d'allongement de l'électrode mobile, et l'écart entre la face des îlots et la face des deuxièmes contacts les plus proches l'une de l'autre et parallèles au plan d'allongement de l'électrode mobile, sont inférieurs à l'épaisseur de cette électrode libre.
Selon une réalisation, l'électrode mobile présente sensiblement la forme d'un disque.
Selon une réalisation, les premiers contacts et les deuxièmes contacts présentent sensiblement la forme d'un demi-disque. Selon une réalisation, les îlots présentent une forme en V.
Selon une réalisation, les îlots sont au nombre de 4 et espacés régulièrement entre eux autour de l'électrode mobile d'un angle de 90°.
Selon une réalisation, le micro-relais comporte une couche de passivation pour sa protection recouvrant les premiers contacts. Selon une réalisation, les contacts, et l'électrode sont réalisés en un matériau conducteur qui peut être de l'aluminium et ses alliages ou encore de l'or, du cuivre ou du platine ou des couches minérales à base de titane.
L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un microrelais caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- déposer une première couche métallique à partir de laquelle on réalise des contacts bas,
- déposer une première couche de diélectrique sur les contacts bas ainsi réalisés, - déposer, sur la première couche de diélectrique, une deuxième couche métallique à partir de laquelle on réalise simultanément une électrode et des îlots disposés autour de cette électrode,
- déposer une deuxième couche de diélectrique sur l'électrode et les îlots ainsi réalisés, - déposer, sur la deuxième couche de diélectrique, une troisième couche métallique à partir de laquelle on réalise des contacts hauts et
- libérer l'électrode en détruisant en partie les couches de diélectrique situées autour de cette électrode, de sorte qu'elle puisse se déplacer entre les contacts hauts et bas pour les court-circuiter. Selon une mise en œuvre, il comporte en outre l'étape suivante :
- déposer une couche de passivation sur les contacts hauts pour la protection du micro-relais.
Selon une mise en œuvre, pour libérer l'électrode, il comporte l'étape suivante : - réaliser des ouvertures dans la couche de passivation préalablement déposée sur les contacts hauts, et
- plonger le micro-relais dans un bain de produit chimique qui attaque spécifiquement les couches de diélectrique pendant une durée telle qu'une zone évidée se forme autour de l'électrode. Selon une mise en œuvre, les contacts hauts et bas ainsi que l'électrode et les îlots sont réalisés par photolithographie.
Selon une mise en œuvre, les couches de diélectriques sont déposées par un procédé de type PECVD, ou HDCVD. En outre, une couche de diélectrique est déposée sous la première couche métallique par un procédé de type PECVD ou LPCVD.
Selon une mise en œuvre, il comporte en outre l'étape suivante :
- planariser les couches de diélectrique par une technique de type CMP (Chemical Mechanical Polishing en anglais).
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent :
- figure 1 : une représentation schématique d'un micro-relais selon l'invention vu en coupe ;
- figure 2 : une représentation schématique d'un micro-relais selon l'invention vu de dessus ;
- figures 3-13 : des représentations schématiques d'étapes du procédé permettant de fabriquer le micro-relais selon l'invention. Les éléments identiques conservent la même référence d'une figure à l'autre.
Les figures 1 et 2 montrent une vue en coupe selon l'axe A-A et une vue de dessus du micro-relais 1 selon l'invention.
Ce micro-relais 1 comporte une électrode libre 2 positionnée entre des contacts hauts 3.1 et 3.2 et des contacts 4.1 et 4.2 bas. Cette électrode libre 2 présente sensiblement une forme de disque, toutefois en variante elle pourrait présenter une autre forme, par exemple rectangulaire ou carré.
Les contacts hauts 3.1 et 3.2, tout comme les contacts bas 4.1 et 4.2, sont positionnés l'un à côté de l'autre, de sorte qu'ils sont proches l'un de l'autre mais qu'ils ne se touchent pas. Dans une réalisation, ces contacts présentent chacun sensiblement la forme d'un demi-disque. Toutefois là encore, ils pourraient présenter n'importe qu'elle autre forme.
Lorsque l'électrode 2 se déplace suivant la direction 7 et vient se plaquer contre les contacts hauts 3.1 , 3.2, elle met en court-circuit ces contacts hauts (c'est la première position de commutation). De même analogue, lorsque l'électrode 2 se déplace suivant la direction 8 et vient se plaquer contre les contacts bas 4.1 , 4.2, elle met en court-circuit ces contacts bas 4.1 , 4.2 (c'est la deuxième position de commutation). Le circuit 1 réalise ainsi une fonction de relais à deux étages, l'électrode libre 2 étant apte à établir une liaison électrique dans les deux positions de commutation.
Dans une réalisation, pour déplacer l'électrode libre 2 d'une position de commutation à une autre, des électrodes d'activation positionnées de part et d'autre des contacts hauts et bas (non représentées ici) attirent par un principe électrostatique, l'électrode libre 2 vers les contacts bas ou hauts.
En outre, pour garantir le guidage de l'électrode libre 2 suivant les directions 7 et 8 perpendiculaires au plan de l'électrode, des îlots 11.1 -11.4 sont disposés autour de l'électrode mobile 2 dans le prolongement du plan de l'électrode 2 lorsque celle-ci se trouve dans sa position milieu. La position milieu de l'électrode 2 est celle dans laquelle l'électrode 2 se situe sensiblement à équidistance des contacts hauts 3.1 , 3.2 et bas 4.1 , 4.2.
Les îlots 11.1-11.4 forment ainsi des butées latérales pour assurer un blocage latéral de l'électrode 2, lorsqu'elle se déplace d'une position commutée à l'autre. Dans une réalisation, pour éviter que l'électrode 2 glisse sous les îlots
11.1-11.4, on s'assure que la distance potentielle de mouvement a, b de l'électrode libre 2 entre sa position milieu et une position commutée est inférieure à l'épaisseur e de cette électrode 2. Autrement dit, on choisit a<e et b<e. Les îlots 11.1-11.4 sont réalisés ici dans la couche à partir de laquelle est réalisée l'électrode 2 libre. Ainsi, la distance potentielle de mouvement a correspond à l'écart entre la face 14 des îlots et la face 15 des contacts hauts les plus proches l'une de l'autre et parallèles au plan d'allongement de l'électrode libre 2. En outre, la distance potentielle de mouvement b correspond à l'écart entre la face 16 des îlots et la face 17 des contacts bas les plus proches l'une de l'autre et parallèles au plan d'allongement de l'électrode libre 2.
Dans les deux cas, les écarts précités sont mesurés selon une direction perpendiculaire au plan dans lequel s'étend l'électrode libre 2. Ces îlots 11.1-11.4, qui sont fixes et retenus à l'intérieur d'une couche de diélectrique, peuvent par exemple prendre une forme en V de manière à suivre le contour de l'électrode 2 en forme de disque. Dans une réalisation, les îlots 11.1-11.4 sont au nombre de 4 et espacés régulièrement entre eux autour de l'électrode 2 d'un angle de 90°. Par ailleurs, les électrodes hautes 3.1 , 3.2 sont recouvertes par une couche 19 isolante, dite aussi couche de passivation, pour la protection du micro-relais.
En variante, une troisième position de l'électrode 2 peut être envisagée dans laquelle elle ne court-circuite ni les contacts hauts, ni les contacts bas. C'est la position représentée qui est une position neutre.
En variante, le relais 1 ne comporte que des contacts hauts 3.1 , 3.2 ou que des contacts bas 4.1 , 4.2.
Le procédé de fabrication du micro-relais se déroule suivant les étapes décrites ci-après. Dans une première étape, représentée à la figure 3, on réalise une première couche 23 de diélectrique de type SiO2 par une technique de dépôt par voie chimique. Dans cette technique, le diélectrique est initialement sous forme vapeur puis condensé et solidifié. Ce dépôt par voie chimique peut indifféremment être fait par plasma réactif (méthode PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition en anglais) ou à basse pression (méthode LPCVD : Low Pressure Chemical Vapor Déposition en anglais).
Dans l'étape représentée à la figure 4, on dépose une première couche 24 d'un matériau conducteur sur la première couche 23 de diélectrique par une méthode de pulvérisation cathodique par exemple, de manière à constituer un premier niveau métallique. Ce matériau conducteur peut être de l'aluminium et ses alliages ou encore de l'or, du cuivre ou du platine, ou des couches minérales à base de titane.
Dans une étape représentée à la figure 5, on réalise les contacts bas 4.1 , 4.2 et les électrodes basses d'activation (non représentée) par photolithographie à partir du premier niveau 24 métallique.
Dans une étape représentée à la figure 6, on dépose une couche 25 de diélectrique sur les contacts bas 4.1 , 4.2, par voie PECVD ou par un dépôt par voie chimique de type HDCVD (High Density Chemical Vapor Déposition en anglais). De préférence, la technique LPCVD n'est pas utilisée pour réaliser la couche 25, car elle est mise en œuvre à une température élevée (entre 600 et 800 degrés) qui risque de faire fondre le métal des contacts 4.1 , 4.2, en particulier si ces derniers comportent de l'aluminium.
Dans une étape représentée à la figure 7, on dépose, sur la couche
25 de diélectrique, une deuxième couche 26 métallique par la même méthode que précédemment. L'épaisseur a de la couche de diélectrique 25 qui se situe entre les contacts 4.1 et 4.2 et la couche métallique 26 est inférieure à l'épaisseur e de la couche 26 déposée.
Dans une étape représentée à la figure 8, on réalise conjointement l'électrode 2 libre et les îlots 11.1-11.4 de maintien latéral par photolithographie à partir de la deuxième couche 26 métallique.
Dans une étape représentée à la figure 9, on dépose une couche 27 de diélectrique sur l'électrode 2 et les îlots 11.1-11.4, là encore, par voie PECVD ou HDCVD.
Dans une étape représentée à la figure 10, on dépose une troisième couche 29 métallique sur la couche 27 de diélectrique par la même méthode que précédemment. L'épaisseur b de la couche de diélectrique 27 qui se situe entre l'électrode 2 et la couche métallique 29 est inférieure à l'épaisseur e de la couche 26 utilisée pour réaliser l'électrode 2.
Dans une étape représentée à la figure 11 , on réalise les électrodes hautes d'activation (non représentées) et les contacts hauts 3.1 , 3.2 à partir de la couche 29 métallique par photolithographie.
Dans une étape représentée à la figure 12, on dépose une couche 19 isolante de protection, ou couche de passivation, sur les contacts hauts 3.1 ,
3.2 afin de protéger le micro-relais et ses connexions du milieu extérieur. Dans une étape représentée à la figure 13, on libère l'électrode 2 afin qu'elle puisse se déplacer entre les contacts hauts 3.1 , 3.2 et bas 4.1 , 4.2. A cet effet, on réalise des ouvertures 30.1-30.4 dans la couche 19 de passivation au dessus de l'électrode 2. Et on trempe le circuit intégré dans un bain de produit chimique comportant un produit à base d'acide fluorhydrique qui attaque spécifiquement les couches de diélectrique mais pas les couches métalliques, ni la couche 19 de passivation.
Ainsi lors du trempage, le produit chimique, en passant par les ouvertures 30.1-30.4, attaque les couches 23, 25, 27 de diélectrique situées autour de l'électrode 2, de sorte que lorsque le circuit ressort du bain, une zone 31 évidée apparaît autour de l'électrode 2. Cette zone 31 permet à l'électrode 2 de se déplacer librement entre les contacts hauts et bas.
Le temps de trempage est déterminé en fonction de la nature du produit d'attaque et de la quantité de matière à attaquer, la vitesse d'attaque du produit chimique utilisé étant connue. La structure du circuit est élaborée, de sorte que si la durée de trempage excède de quelques secondes la durée prévue, les îlots 11.1-11.4 ne se décollent pas des couches de diélectrique qui les retiennent. Autrement dit, il existe une certaine tolérance pour la durée de trempage du circuit.
En variante, une technique d'attaque par un agent chimique en phase gazeuse est utilisée pour libérer l'électrode 2 du micro-relais.
En outre, on réalise des ouvertures (non représentées) dans la couche 19 de passivation pour relier des contacts du circuit intégré portant le micro-relais vers des structures d'entrée/sortie.
De préférence, les couches 23, 25, 27 de diélectrique sont planarisées par une technique CMP (Chemical Mechanical Polishing en anglais) de manière à lisser leur topologie. On améliore ainsi les performances fonctionnelles du dispositif. A cet effet, des disques abrasifs lisses et plans sont appliqués à la surface des couches afin d'en supprimer leurs aspérités.
D'autres circuits électroniques peuvent être réalisés sur le circuit intégré du micro-relais, soit pour piloter ce micro-relais, soit pour le gérer, soit pour d'autres applications indépendantes. Ces autres circuits peuvent être réalisés conjointement, en utilisant tout ou partie des couches actives (c'est- à-dire les couches métalliques et/ou les couches de diélectrique) nécessaires à la réalisation du micro-relais 1 selon l'invention. Aucune ouverture n'est réalisée au-dessus de ces circuits afin que leurs couches de diélectrique ne soient pas attaquées par le bain acide lors du trempage de la plaque.
Toutes les couches réalisées pour la fabrication du micro-relais 1 présentent une épaisseur de l'ordre du micro-mètre.