DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

L'invention concerne la fabrication d'une structure micromécanique pour mesurer ou détecter une grandeur mécanique ou une grandeur physique et en particulier un capteur de pression comprenant une telle microstructure. ETAT DE LA TECHNIQUE

De manière connue, un capteur de pression comprend une structure micromécanique (en anglais, « Micro Electro Mechanical Systems », (MEMS)) comprenant une membrane déformable assemblée à un support partiellement séparés par une cavité dans laquelle règne une pression de référence, par exemple le vide.

Des jauges de contrainte supportées par la membrane peuvent alors mesurer des contraintes provoquées par des déformations que subit la membrane soumise à un apport d'énergie externe (telle que par exemple une pression P appliquée sur la membrane), en observant les modifications de propriétés physiques et/ou électriques de la structure associées aux déformations (telles que par exemple un changement de résistance électrique ou de contraintes internes).

Des capteurs de pression de ce type sont destinés à être utilisé dans des environnements hostiles et doivent être protégés du milieu extérieur.

Pour ce faire, la structure micromécanique est placée dans un boîtier de protection : encapsulation de la structure micromécanique (plus généralement on parle d'encapsulation de la structure micromécanique quand il s'agit de protéger la structure micromécanique). Une fois dans le boîtier, la pression à mesurer est transmise du boîtier aux jauges de contrainte par l'intermédiaire d'une interface de transmission généralement constituée d'huile. Une telle mise en boîtier est connue sous son nom anglais de « packaging ».

Un tel packaging présente toutefois des inconvénients.

La présence d'huile limite l'utilisation du capteur ainsi obtenu à une température de l'ordre de 200°C.

En outre, le capteur présente une précision limitée par la présence d'éléments intermédiaires ayant des interactions avec la structure micromécanique (telles que l'huile et la colle), affectant en particulier la précision et la stabilité à long terme,

Depuis quelques années, pour pallier ces inconvénients, l'encapsulation de la structure micromécanique peut être mise en œuvre au moment de la fabrication de la structure micromécanique (en anglais, « Wafer Level Packaging »).

Les procédés connus présentent toutefois les inconvénients suivants. Le choix des matériaux utilisés pour définir les contacts électriques sont limités ce qui entraine des contraintes au cours de l'assemblage de la structure.

Une pâte de verre est souvent utilisée pour les connexions ce qui créé des résistances de contact non négligeables, qui peuvent évoluer au cours du temps sous l'effet de la température.

Des fils électriques sont utilisés ce qui peut fragiliser la structure.

L'invention s'inscrit dans ce contexte pour proposer un procédé de fabrication d'un capteur de pression. PRESENTATION DE L'INVENTION

L'invention propose, selon un premier aspect, un procédé de fabrication d'un capteur qui de part sa conception même, permet de regrouper en une seule phase la fabrication et la protection d'un élément sensible de structure micromécanique.

A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'un capteur de pression comprenant les étapes suivantes : assemblage d'un substrat support avec une membrane déformable sur laquelle des jauges de contraintes ont été déposées, la membrane déformable comprenant une zone amincie en son centre, le substrat support étant disposé au-dessus de la membrane déformable, le substrat support comprenant une surface supérieure, une surface inférieure en contact avec la membrane déformable, le substrat support comprenant en outre des évidements latéraux disposés au-dessus des jauges de contraintes et un évidement central disposé au-dessus la zone amincie de la membrane, ceci pour obtenir une structure micromécanique ; et une fois l'assemblage effectué, le procédé comprenant l'étape suivante :

dépôt en une unique étape d'au moins un matériau conducteur sur la surface supérieure du support et dans les évidements latéraux du support, le matériau conducteur s'étendant dans les évidements pour être en contact avec les jauges de contraintes afin de former des contacts électriques en liaison avec les jauges de contraintes.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :

- il comprend, une fois l'assemblage effectué et avant l'unique étape de dépôt d'au moins un matériau conducteur, une étape de dépôt d'au moins une barrière de diffusion, dans chaque évidement latéral, la barrière de diffusion étant en contact avec la jauge de contrainte correspondante ;

- il comprend une étape de formation de plusieurs contacts électriques mise en œuvre par photolithographie associé à une technique de laminage 3D à chaud ou de revêtement par pulvérisation de surfaces de forte topologie ;

- le ou les matériau(x) conducteur(s) sont choisis parmi le groupe suivant : polysilicium ultra dopé, Au, Ag, Ni, Pt, TiW, Cu, Pd, Al, Ti, TiN ;

- la membrane est en silicium et : le support est en verre, l'assemblage consistant en un scellement anodique ; ou le support est en silicium, l'assemblage consistant en un scellement au moyen d'une liaison moléculaire ou atomique avec ou sans couche intermédiaire, ou par brasage ;

- il comprend une étape consistant à : intégrer le support à un boîtier comprenant des contacts électriques en matériau conducteur ; le support étant intégré au boîtier par l'intermédiaire des connecteurs formés sur le support ;

- l'intégration du support au boîtier est effectuée par un procédé de thermocompression ;

- le procédé de thermo compression est mis en œuvre avec une température comprise entre 250°C et 500°C, typiquement 320°C avec une pression comprise entre 10 MPa et 200 MPa, typiquement 50 MPa ;

- les contacts électriques du boîtier sont en matériau choisi parmi le groupe suivant : polysilicium ultra dopé, Au, Ag, Ni, Pt, TiW, Cu, Pd, Al, Ti, TiN ;

- l'intégration du substrat support au boîtier est mise en œuvre au moyen de la technique de la puce retournée ;

- la membrane est formée à partir d'un substrat, par exemple constitué de silicium monocristallin comme le SOI ou le PSOI, de saphir comme le SOS ou bien d'autres matériaux comme le SiCOI ou le SiC.

L'invention concerne également un capteur de pression obtenu par un procédé selon de l'invention.

Et l'invention propose, selon un second aspect, un capteur de pression obtenu par un procédé selon le premier aspect de l'invention.

L'invention présente de nombreux avantages.

L'assemblage du support avec la membrane déformable étant effectué avant le dépôt d'au moins un matériau conducteur pour obtenir ensuite les contacts électriques, le choix des matériaux est supérieur à celui des techniques connues.

L'invention permet d'éviter d'utiliser des éléments supplémentaires pour créer la connectique au niveau des jauges de contraintes : le dépôt du matériau conducteur est effectué en une seule étape et conduit à la formation des contacts électriques.

En outre, le procédé de l'invention permet de déposer plusieurs matériaux conducteurs successifs après l'assemblage pour améliorer les contacts électriques d'une part, et faciliter l'intégration du support à un boîtier de connexion d'autre part.

Le procédé permet également de déposer, après l'assemblage entre le support et la membrane déformable, une barrière de diffusion qui évite la diffusion du matériau servant aux contacts électriques dans les jauges de contraintes

En outre, avec le procédé de l'invention la qualité d'assemblage du support avec la membrane déformable est accrue car la qualité de surface des deux composants est non altérée par les étapes de gravure qui sont réalisées dans ce cas en aval de l'assemblage.

Par ailleurs, la température de scellement n'est pas limitée par le choix des matériaux conducteurs.

Un autre intérêt est que la connexion électrique par contact métallique direct, présente une résistance de contact négligeable par rapport à la mesure en elle-même, et elle est non sujette aux variations de températures.

Par ailleurs, l'intégration par la technique dite de la puce retournée (en anglais, « flip chip ») en une seule étape, ne nécessite pas un apport d'autres matériaux qui pourraient créer des limitations lors du procédé de fabrication et /ou des contraintes mécaniques entre matériaux dues à l'intégration par thermocompression.

PRESENTATION DES FIGURES

D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 a, 1 b et 1 c illustrent l'assemblage d'une membrane déformable et d'un support selon un procédé conforme à un mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 1 d illustre un dépôt d'une barrière de diffusion conforme à un second mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 2a et 2b illustrent le dépôt d'un ou plusieurs matériaux conducteurs selon un procédé conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 2c et 2d illustrent le dépôt d'un ou plusieurs matériaux conducteurs selon un procédé conforme à un second mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 3 et 4 illustre la mise en boîtier selon, respectivement un procédé conforme à un premier et un second mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 5 illustre des étapes d'un procédé conforme à un mode de réalisation de l'invention.

Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Un capteur de pression comprend notamment un support 10 et une membrane déformable 20, des jauges de contrainte 30 et des supports 40 d'assemblage disposées entre le support 10 et la membrane 20.

La mesure de la pression peut être absolue ou bien différentielle.

La structure micromécanique formée par la membrane déformable et les jauges de contraintes sont donc protégées par le support 10.

La structure micromécanique est connectée électriquement à un boîtier 80 par l'intermédiaire du support 10 qui comprend des contacts électriques 61 , le boîtier 80 comprenant également des contacts électriques 81 disposés à l'intérieur. De manière avantageuse, la membrane déformable 20 comprend une surface supérieure 201 et une surface inférieure 202, un diaphragme sensible à la pression / ou partie fine 20b suspendue au-dessus d'un espace libre et une partie épaisse 20a formant support de la partie fine 20b.

Une telle membrane 20 est typiquement formée à partir d'un substrat, par exemple constitué de silicium monocristallin comme le SOI ou le PSOI, de saphir comme le SOS ou bien d'autres matériaux comme le SiCOI ou le SiC.

L'espace libre (au niveau de la partie fine 20b de la membrane) est avantageusement formé par micro-usinage.

Les techniques de micro-usinage employées pour former un tel espace libre peuvent par exemple être de la gravure chimique, telle qu'une gravure KOH à une température déterminée et/ou une gravure profonde par ions réactifs (en anglais, « Deep Reactive Ion Etch », (DRIE)) dans un substrat de surface d'origine plane.

Les épaisseurs d'une telle membrane 20 sont de plusieurs dizaines de microns, de 100 μιτι à Ι ΟΟΟμηη, typiquement de 500 μιτι pour la partie épaisse 20a, et de 10 à 200 μιτι pour la partie fine 20b.

La membrane déformable 20 comprend sur sa partie supérieure des jauges de contrainte 30. Les jauges de contrainte 30 sont constituées par des microstructures en silicium monocristallin situées sur la surface supérieure 201 de la membrane déformable 20 (voir la figure 1 a). Typiquement, ces microstructures sont habituellement formées à partir d'une couche de silicium initiale gravée par photolithographie et gravure chimique ou plasma.

Les jauges de contraintes 30 sont de préférence disposées dans la zone de contrainte mécanique maximale de la membrane déformable 20.

La membrane déformable 20 comprend en outre sur sa surface supérieure 201 des supports 40 d'assemblage qui sont déposés aux extrémités de la partie épaisse 20b de la membrane déformable 20. Il est en outre possible de prévoir sur la surface supérieure 201 de la membrane déformable 20 une couche électriquement isolante (non représentée) telle qu'une couche de S1O2. Les jauges de contraintes 30 et les supports d'assemblage 40 étant dans ce cas déposées sur la couche électriquement isolante.

Le support 10 présente une section externe identique à celle de la membrane déformable 20. Le support 10 comprend en outre une surface supérieure 101 et une surface inférieure 102 laquelle est destinée à être en contact avec la surface supérieure 201 de la membrane déformable 20 au cours d'un procédé qui sera décrit par la suite.

Le support 10 comprend des évidements latéraux 1 1 qui sont formés pour être en face des jauges de contrainte 30 et un évidement central 50 formé pour être en face de la partie fine 20b de la membrane déformable lorsque la membrane 20 et le support 10 sont assemblés. Le support 10 comprend de préférence au moins quatre évidements latéraux 1 1 . Les évidements latéraux 1 1 présentent avantageusement une section circulaire.

Les évidements latéraux 1 1 et l'évidement central 50 sont formés à partir d'un substrat par des techniques de micro-usinage telle qu'une gravure KOH à une température déterminée et/ou une gravure profonde par ions réactifs (en anglais, « Deep Reactive Ion Etch », (DRIE)) dans un substrat de surface d'origine plane.

Le support 10 peut être un matériau à base de verre, de Silicium quartz, pyrex™, saphir, alumine, Si, SiC.

Le support 10 présente, par exemple, une épaisseur comprise entre 50 et 1000 pm.

Au cours d'un procédé de fabrication d'un capteur de pression, un support 10 est assemblé E1 à une membrane déformable 20 sur laquelle des jauges de contraintes 30 et des supports 40 d'assemblage ont été préalablement déposés. L'assemblage E1 peut être effectué en mettant en œuvre un scellement anodique ou au moyen d'une liaison moléculaire ou atomique avec ou sans couche intermédiaire, ou par brasage.

Bien entendu on peut envisager d'autres possibilités pour assembler le support 10 avec la membrane déformable 20, possibilités connues de l'homme du métier et qui ne seront pas plus décrites ici.

Après l'assemblage E1 , on dépose E2, en une unique étape, au moins un matériau conducteur 60 dans les évidements latéraux 1 1 du support 10 et sur la surface supérieure 101 du support 10. Ainsi, le matériau conducteur 60 s'étend dans les évidements latéraux 1 1 pour être en contact avec les jauges de contraintes (30) et pour former ensuite des contacts électriques 61 en liaison avec les jauges de contraintes 30.

Un tel dépôt E2 comprend notamment le dépôt d'un film en matériau(x) conducteur(s) sur la surface supérieure 101 du support 10 (opposée à la surface inférieure 102 du support 10 en contact avec la membrane déformable 20).

Le/les matériau(x) conducteur(s) 60 peuvent être un film de polysilicium ultra-dopé superposé à un métal, un dépôt métallique seul, ou une composition de plusieurs couches métalliques.

Et de manière plus générale, le/les matériau(x) conducteur(s) 60 sont choisis parmi le groupe suivant : polysilicium ultra dopé, Au, Ag, Ni, Pt, TiW, Cu, Pd, ΑΙ, ΤΊ, ΤΊΝ.

Le dépôt d'au moins un matériau conducteur 60 est de préférence effectué par une technique de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (en anglais, « Low Pressure Chemical Vapor Déposition », (LPCVD)), mais peut aussi être réalisé par évaporation, électrodéposition ou pulvérisation.

En outre, bien que la température soit faible et la pression élevée, le film est polyc stallin et présente des propriétés homogènes partout où il est déposé. Un tel dépôt E2 présente l'avantage de pouvoir déposer un film épais de matériau conducteur 60, présentant une épaisseur allant jusqu'à plusieurs dizaines de μιτι, en particulier dans des cavités, profondes, du support 10 qui pourraient avoir été obtenues par le micro-usinage du support 10 pour effectuer les évidements 1 1 . En d'autres termes, le matériau conducteur 60 remplit toutes les cavités des parois des évidements latéraux 1 1 .

De cette façon, le ou les matériaux conducteurs 60 sont déposés sur l'ensemble de la surface supérieure 101 du support 10 et dans les évidements 1 1 latéraux (voir la figure 2).

Ensuite, le procédé de fabrication comprend une étape E3 de formation des contacts électriques 61 . Une telle étape E3 est mise en œuvre par photolithographie associé à une technique de laminage 3D à chaud ou de revêtement par pulvérisation d'un matériau photosensible (en anglais, « spray coating »). De cette façon, les zones utiles des contacts électriques 61 sont restreintes de manière précise.

En effet, la technique de photolithographie 3D associée à une technique de laminage à chaud ou de revêtement par pulvérisation d'un matériau photosensible permet de définir des zones de dépôt et des zones d'épargnes sur des surfaces présentant une forte topologie ; cette technique permet de maîtriser l'homogénéité du dépôt, même sur des surfaces inclinées ou au fond des cavités. A titre d'exemple, cette technique permet de définir des structures de l'ordre de dix à quelques dizaines de microns au fond des évidements 1 1 qui sont de profondeur de l'ordre de δθθμηη, pour une largeur à la base de l'ordre de Ι ΟΟμηη.

Après le dépôt E2 d'au moins un matériau conducteur 60 au cours d'une étape unique, la photolithographie 3D permet de pouvoir usiner les matériaux ainsi déposés après l'étape d'assemblage E1 entre le support 10 et la membrane 20, et ainsi de pouvoir réaliser E3 des formes structurées complexes présentant des variations de hauteurs de plusieurs centaines de μιτι, comme par exemple l'intérieur des évidements 1 1 . A l'issue de l'étape E3 de formation des contacts électriques les contacts électriques 61 sont connectés aux jauges de contraintes 30 (voir la figure 2b) et étendent à partir de la surface supérieure 101 du support 10.

De manière alternative ou complémentaire, une fois l'assemblage E1 effectué et avant l'unique étape E2 de dépôt d'au moins un matériau conducteur 60, le procédé de fabrication comprend une étape E10 de dépôt dans chaque évidement latéral 1 1 , d'une barrière de diffusion 31 en contact avec les jauges de contraintes (30) correspondantes (voir la figure 1d).

La barrière de diffusion 31 est constituée d'un métal tel que du TiW, TiN, Pt, Ta, etc. De manière plus générale, la barrière de diffusion 31 est constituée d'un matériau dont les propriétés lui permettent de bloquer la diffusion d'une autre espèce atomique dans les jauges de contraintes 30.

Ensuite, comme décrit précédemment les contacts électriques sont formés (étape E3).

La barrière de diffusion 31 est en matériau conducteur comme le matériau servant à la formation des contacts électriques. Ainsi, comme on l'aura compris, dans chaque évidement latéral 1 1 , les contacts électriques 61 sont, dans ce mode de réalisation, en contact avec la barrière de diffusion 31 elle-même en contact avec la jauge de contrainte 30 correspondante. La barrière de diffusion participe alors au contact électrique 61 formé dans chaque évidement 1 1 . Après avoir obtenu les contacts électriques 61 , on intègre E4 la structure support 10 membrane déformable 20 à un boîtier 80 comprenant des contacts électriques 81 .

Les contacts électriques du boîtier 80 sont en matériau choisi parmi le groupe suivant : polysilicium ultra dopé, Au, Ag, Ni, Pt, TiW, Cu, Pd, Al, Ti, TiN.

Le boîtier 80 peut être constitué de différents matériaux, à base de verre, céramique ou métal, ou un assemblage des trois, et avoir diverses formes.

Les contacts électriques 81 du boîtier 80 sont disposés de telle sorte qu'ils soient en face des contacts électriques 61 du support 10. La connexion électrique entre les contacts 61 et les contacts 81 peut se faire par la technique du câblage sans fil (en anglais, « wire bonding ») (technique classiquement utilisée pour les capteurs de pression) ou par une technique de contact direct.

Les contacts électriques 81 du boîtier 80 s'étendent vers l'extérieur du boîtier 80 pour permettre l'acquisition des signaux électriques générés pendant la mesure de la pression P.

Pour intégrer E4 la structure support 10/membrane déformable 20 au boîtier 80, on peut mettre en œuvre différentes techniques comme la technique connue dite de la puce retournée (en anglais, « Flip chip »).

Pour connecter les contacts électriques entre eux, on peut mettre en œuvre en particulier un procédé de thermocompression à une température comprise entre 200°C et 500°C, et à une pression comprise entre 10 MPa et 250 MPa.