| JP2002181651 | PRESSURE SENSOR |
| JP2009036627 | SEMICONDUCTOR DEVICE |
| JP2003315193 | PRESSURE SENSOR |
Brida, Sebastiano (2 rue Tory, Bourges, Bourges, F-18000, FR)
| 1. | Structure micromécanique (20,30) destinée à mesurer ou à détecter une grandeur mécanique ou une grandeur dynamique, comprenant une membrane déformable et un substrat support (10) comprenant une base support (4), la membrane étant suspendue audessus du substrat support définissant ainsi un espace libre, ladite structure micromécanique comportant en outre une butée (5) limitant les déformations de la membrane, ladite butée s'étendant dans l'espace libre à partir de la base support vers la membrane, caractérisée en ce que la butée et la base support sont chacune en un matériau cristallin. |
| 2. | Structure micromécanique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la butée présente une face supérieure électriquement conductrice de sorte à établir un contact électrique avec la membrane lorsque celleci est déformée suffisamment pour venir en appui sur elle. |
| 3. | Structure micromécanique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la base support et la butée sont formées dans un seul et mme matériau. |
| 4. | Structure micromécanique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la base support et la butée sont respectivement formées dans deux matériaux différents l'un de l'autre. |
| 5. | Structure micromécanique selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisée en ce que la base support et la butée sont chacune en un matériau choisi parmi les matériaux suivants : alliages ; Si ; SiC ; saphir. |
| 6. | Structure micromécanique selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisée en ce que la base support comprend des canaux traversants permettant une circulation de fluide entre l'extérieur et l'espace libre. |
| 7. | Structure micromécanique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la membrane est d'une structure choisie parmi : silicium, SOI, PSOI, SOS, SiCOl, SiC. |
| 8. | Structure micromécanique selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un couvercle (6) du côté de la membrane opposé à la base support, ce couvercle étant éventuellement pourvu de canaux traversants. |
| 9. | Structure micromécanique du type capteur à jauges de contrainte supportées par la membrane, caractérisée en ce qu'il est constitué par une structure micromécanique selon l'une des revendications précédentes. |
| 10. | Ensemble de substrats support, chacun des substrats support comprenant une butée et chacun étant apte à remplir la fonction d'un substrat support d'une structure micromécanique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une seule pièce. |
| 11. | Ensemble de structures micromécaniques, chacune des structures micromécaniques étant conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une seule pièce. |
| 12. | Procédé de réalisation d'une structure micromécanique conforme à l'une des revendications précédentes, comprenant la réalisation de la butée et de la base support à partir d'une plaquette comprenant au moins un matériau cristallin, la plaquette étant revtue d'un masque à la gravure de forme prédéterminée, et en ce qu'il comprend une étape de gravure de la plaquette jusqu'à obtenir la butée qui correspond principalement à une partie de la plaquette protégée de la gravure par le masque. |
| 13. | Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la gravure est une gravure chimique employant des espèces chimiques aptes à attaquer chimiquement un matériau à enlever de la plaquette. |
| 14. | Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la gravure est une gravure anisotropique. |
| 15. | Procédé selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que la gravure est mise en oeuvre de sorte à conserver une partie non gravée de la plaquette, cette partie non gravée formant une base support de la butée après gravure. |
| 16. | Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que la plaquette comprend une première couche en un premier matériau cristallin et la base support en un deuxième matériau cristallin, et en ce que la gravure est mise en oeuvre de sorte à graver de façon sélective le premier matériau vis à vis du deuxième matériau afin de former la butée. |
| 17. | Procédé selon l'une des revendications 12 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après l'étape de gravure, une étape de mise en liaison d'un ensemble de membrane sur la base support, l'ensemble de membrane comportant une membrane et un moyen d'attache supportant la membrane, la liaison se faisant entre la base support et le moyen d'attache. |
| 18. | Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de mise en liaison de l'ensemble de membrane sur la base support est mise en oeuvre au moyen d'une liaison forte moléculaire ou atomique avec ou sans couche intermédiaire adhésive, par frittage ou par brasage. |
| 19. | Procédé selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaquette et la forme du masque sont choisies de sorte que, après l'étape de gravure, la butée formée puisse tre contenue dans l'espace libre situé sous la membrane, sans tre en contact ni avec la membrane ni avec le moyen d'attache. |
| 20. | Procédé selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaquette est choisie de sorte que, après gravure, il y ait un écart entre la butée obtenue et la membrane, l'écart étant prédéterminé de sorte que la membrane entre en contact avec la butée à partir d'une déformation prédéterminée de la membrane. |
| 21. | Procédé selon l'une des revendications 12 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'usinage de sorte à former des canaux traversant la base support. |
| 22. | Procédé selon l'une des revendications 12 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de collage d'un couvercle sur la membrane sur le côté de la membrane opposé à la base support. |
| 23. | Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le couvercle est en verre, et en ce que le collage du couvercle est réalisé par scellement anodique. |
| 24. | Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le couvercle est en silicium, et en ce que le collage du couvercle est réalisé par thermocompression. |
| 25. | Procédé selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape d'usinage dans le couvercle pour y former des canaux traversants. |
| 26. | Procédé de réalisation collective d'une pluralité de substrats supports comprenant chacun une butée et chacun apte à remplir la fonction de substrat support dans une structure micromécanique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation collective des butées des substrats supports à partir d'une seule plaquette, en ce que la plaquette est revtue d'un masque couvrant une pluralité de surfaces de la plaquette, et en ce qu'il comprend une étape unique de gravure de la plaquette jusqu'à obtenir les butées qui correspondent principalement aux parties de la plaquette protégées par le masque. |
Nombre de telles utilisations de ces membranes suspendues sont connues.
Ainsi, des capteurs capacitifs ou des jauges de contrainte supportés par la membrane peuvent mesurer les déformations que subit la membrane soumise à un apport d'énergie externe (telle que par exemple une pression appliquée perpendiculairement au plan principal de la membrane), en observant les modifications de propriétés physiques de la membrane associés aux déformations (telles que par exemple un changement de capacité électrique ou de contraintes internes). On peut ainsi mesurer par exemple les modifications d'énergie apportée à la membrane ou de force exercée sur la membrane et donc surveiller des grandeurs physiques dans un certain milieu (que ce soient des grandeurs de type dynamique, c'est à dire de type accélération ou de type décélération, et/ou de type mécanique).
De telles membranes soumises à de fortes énergies peuvent devenir fragiles, leurs propriétés intrinsèques pouvant tre altérées, et leur structure pouvant se fissurer voire se rompre.
Des moyens de protection de la membrane aux fortes énergies, telles que des énergies de surpression, ont été proposés.
Dans le document WO 90/04701, a été proposée une membrane montée dans une cavité délimitée par deux plaques de verre, la cavité ayant une profondeur déterminée pour que, en cas de surpression, la membrane vienne
en butée contre l'une ou l'autre des plaques de verre sans connaître de détérioration, les plaques de verre jouant ainsi une fonction d'arrt de la déformation de la membrane, évitant des problèmes liés à la surpression.
Cependant, cette solution est contraignante du fait de l'encombrement de l'espace environnant la membrane par les plaques de verre, limitant ainsi les applications à des mesures de pressions de fluides injectées à travers des cavités traversant les plaques de verre.
En outre, l'ajout de composants sur la membrane semble difficile à concevoir si ces composants doivent eux aussi entrer en butée avec les plaques de verre, risquant sérieusement de les détériorer.
Dans le document US 6 030 851, est proposé une membrane suspendue au-dessus d'un support plan, définissant ainsi une cavité d'une profondeur déterminée pour pallier la déformation de la membrane lors de surpression.
Cet ensemble de membrane nécessite d'ajuster précisément la profondeur de la cavité à une valeur maximale déterminée de déformation de la membrane. Or, sa structure présente des possibilités limitées de modification de cette profondeur de cavité dans le cas où elle a été non convenablement ajustée ou si la valeur maximale déterminée de déformation de la membrane est modifiée.
Cet ensemble de membrane présente donc un manque de flexibilité vis à vis de sa conception et de son champ d'application.
Dans le document WO 94/05986 est décrite une membrane suspendue au-dessus d'un substrat plan définissant une cavité entre eux, la membrane étant pourvue d'une pluralité de butées individuelles s'étendant dans la cavité vers le substrat de sorte qu'en cas de surpression les butées prennent appui sur le substrat, évitant ainsi une trop forte déformation de la membrane.
Le document US 6 330 829 propose le mme type de structure, mais avec une seule butée individuelle.
Ce type de membrane voit cependant sa structure et sa géométrie modifiées pour l'unique besoin de sa protection aux surpressions. Ses
propriétés intrinsèques peuvent ainsi tre fortement modifiées, faussant les mesures de déflexion ; ou, si elles sont maîtrisées, viennent complexifier ces mesures.
En tous les cas, la réalisation d'une telle membrane est complexe à réaliser.
Le document US 4 852 408 divulgue une membrane suspendue au- dessus d'une base support en verre définissant une cavité entre elles, la base support étant pourvue d'une butée en silicium s'étendant dans la cavité de la base support vers la membrane de sorte qu'en cas de surpression la membrane prenne appui sur la butée, évitant ainsi une trop forte déformation de la membrane. Cette structure micromécanique tente ainsi de s'affranchir des difficultés énoncées ci-dessus.
Sa réalisation comprend les étapes suivantes : préparation de la base support en verre à un premier collage (notamment nettoyage chimique de la surface à coller) ; premier collage par scellement anodique de la base support à une plaquette en Si ; gravure sélective de la plaquette en Si pour former ladite butée ; préparation de la base support à un deuxième collage (nettoyage chimique de la surface en verre encore libre en retirant le reste du Si) ; deuxième collage par scellement anodique de cet ensemble avec la membrane.
Une telle réalisation nécessite donc deux scellements anodiques précédés d'étapes de nettoyage. Elle reste donc complexe et longue à réaliser.
La présente invention tend à améliorer la situation en proposant selon un premier aspect une structure micromécanique destinée à mesurer ou à détecter une grandeur mécanique ou une grandeur dynamique, comprenant une membrane déformable et un substrat support comprenant une base support, la membrane étant suspendue au-dessus du substrat support définissant ainsi un espace libre, ladite structure micromécanique comportant en outre une butée limitant les déformations de la membrane, ladite butée s'étendant dans l'espace
libre à partir de la base support vers la membrane, caractérisée en ce que la butée et la base support sont chacune en un matériau cristallin.
D'autres caractéristiques possibles de cette structure micromécanique sont : - la butée peut présenter une face supérieure électriquement conductrice de sorte à établir un contact électrique avec la membrane lorsque celle-ci est déformée suffisamment pour venir en appui sur elle ; - la base support et la butée sont formées dans un seul et mme matériau ; - la base support et la butée sont respectivement formées dans deux matériaux différents l'un de l'autre ; - la base support et la butée sont chacune en un matériau choisi parmi les matériaux suivants : alliages ; Si ; SiC ; saphir ; - la base support peut comprendre des canaux traversants permettant une circulation de fluide entre l'extérieur et l'espace libre ; - la membrane est d'une structure choisie parmi : silicium, SOI ; PSOI, SOS, SiCOl, SiC ; - la structure micromécanique comprend en outre un couvercle du côté de la membrane opposé à la base support, ce couvercle étant éventuellement pourvu de canaux traversants ; - ladite structure micromécanique est de type capteur à jauges de contrainte supportées par la membrane.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose un ensemble de substrats support, chacun des substrats support comprenant une butée et étant apte à remplir la fonction d'un substrat support d'une desdites structures micromécaniques, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une seule pièce.
Selon un troisième aspect, l'invention propose un ensemble de structures micromécaniques, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une seule pièce.
Selon un quatrième aspect, l'invention propose un procédé de réalisation de ladite structure micromécanique, comprenant la réalisation de la butée et de
la base support à partir d'une plaquette comprenant au moins un matériau cristallin, la plaquette étant revtue d'un masque à la gravure de forme prédéterminée, et comprenant une étape de gravure de la plaquette jusqu'à obtenir la butée qui correspond principalement à une partie de la plaquette protégée de la gravure par le masque.
D'autres caractéristiques possibles de ce procédé sont : - la gravure est une gravure chimique employant des espèces chimiques aptes à attaquer chimiquement un matériau à enlever de la plaquette ; - la gravure est une gravure anisotropique ; - la gravure est mise en oeuvre de sorte à conserver une partie non gravée de la plaquette, cette partie non gravée formant une base support de la butée après gravure ; - la plaquette comprend une première couche en un premier matériau cristallin et la base support en un deuxième matériau cristallin, et en ce que la gravure est mise en oeuvre de sorte à graver de façon sélective le premier matériau vis-à-vis du deuxième matériau afin de former la butée ; - le procédé comprend en outre, après l'étape de gravure, une étape de mise en liaison d'un ensemble de membrane sur la base support, l'ensemble de membrane comportant une membrane et un moyen d'attache supportant la membrane, la liaison se faisant entre le moyen d'attache et la base support ; - l'étape de mise en liaison de l'ensemble de membrane sur la base support est mise en oeuvre au moyen d'une liaison forte moléculaire ou atomique avec ou sans couche intermédiaire adhésive, par frittage ou par brasage ; - l'épaisseur de la plaquette et la forme du masque sont choisies de sorte que, après l'étape de gravure, la butée formée puisse tre contenue dans l'espace libre situé sous la membrane, sans tre en contact ni avec la membrane ni avec le moyen d'attache ; - l'épaisseur de la plaquette est choisie de sorte que, après gravure, il y ait un écart calibré entre la butée obtenue et la membrane, l'écart étant
prédéterminé de sorte que la membrane entre en contact avec la butée à partir d'une déformation prédéterminée de la membrane ; - le procédé peut comporter en outre une étape d'usinage de sorte à former des canaux traversant la base support ; - le procédé comprend en outre une étape de collage d'un couvercle sur la membrane sur le côté de la membrane opposé à la base support ; - le couvercle est en verre, et le collage du couvercle est réalisé par scellement anodique ; - le couvercle est en silicium, et le collage du couvercle est réalisé par thermocompression ; - le procédé comprend en outre une étape d'usinage dans le couvercle pour y former des canaux traversants.
Selon un cinquième aspect, l'invention propose un procédé de réalisation collective d'une pluralité desdits substrats supports comprenant chacun une butée et chacun étant apte à remplir la fonction de substrat support dans une structure micromécanique, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation collective des butées des substrats supports à partir d'une seule plaquette, en ce que la plaquette est revtue d'un masque couvrant une pluralité de surfaces de la plaquette, et en ce qu'il comprend une étape unique de gravure de la plaquette jusqu'à obtenir les butées qui correspondent principalement aux parties de la plaquette protégées par le masque.
D'autres aspects, buts et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de mise en oeuvre de procédé selon celle-ci, donnée à titre d'exemple et en référence aux figures annexées suivantes : Les figures 1a et 1b représentent respectivement un premier et un deuxième exemple d'ensemble de membrane, selon des vues en coupe.
Les figures 2a à 2d représentent différentes étapes d'un procédé de réalisation d'une structure micromécanique selon l'invention.
La figure 2e représente une vue en coupe d'une variante d'une structure micromécanique, réalisée selon l'invention, comprenant des canaux traversant sa base support, la vue en coupe correspondant à la coupe selon le plan 1-1 de la figure 3.
La figure 3 est une vue extérieure d'une structure micromécanique, réalisée selon l'invention, comprenant des canaux traversant sa base support, la vue étant dirigée perpendiculairement vers la base support.
Les figures 4a à 4c représentent différentes étapes d'un procédé de réalisation d'un ensemble de structures micromécaniques selon l'invention.
Un premier but de l'invention est de réaliser une structure micromécanique destinée à mesurer ou à détecter une grandeur mécanique ou une grandeur dynamique, cette structure comprenant une membrane suspendue résistant à des contraintes externes (telles que des surpressions ou des suraccélérations) que cette dernière peut subir.
Un deuxième but de l'invention est d'obtenir cette résistance à la surpression par un moyen qui : - ne modifie ni la structure ni la géométrie de la membrane suspendue, cette dernière gardant une épaisseur sensiblement homogène ; - ne modifie ni la structure ni la définition des éléments de mesure montés sur la membrane ; - n'encombre pas la partie exposée de la membrane ; - minimise les étapes de réalisation de la structure.
La structure micromécanique atteint donc une résistance aux contraintes externes sans avoir eu à modifier pour cela la membrane suspendue, cette structure micromécanique pouvant ainsi fonctionner par exemple avec des membranes standard.
Le principe général de réalisation d'une telle structure micromécanique comprend les réalisations distinctes des deux éléments suivants : - un ensemble de membrane ;
- un substrat support de l'ensemble de membrane ; L'ensemble de membrane comprend : - une membrane, supportant des éléments de mesure de pression ou d'accélération ; - un moyen d'attache supportant la membrane afin qu'elle soit suspendue, et destinés à réaliser la jonction entre la membrane suspendue et le substrat support.
L'ensemble de membrane présente donc sous la membrane un espace libre dans lequel la membrane peut se déformer.
Cet espace libre est généralement formé par micro-usinage dans une plaquette initiale dont des parties (qui vont constituer le moyen d'attache de la membrane sur une base support) sont protégées.
Les techniques de micro-usinage employées pour former un tel espace libre peuvent par exemple tre de la gravure chimique, telle qu'une gravure KOH à une température déterminée d'un matériau tel que le silicium, et/ou une gravure profonde par ions réactifs, encore appelée DRIE (de l'acronyme anglo- saxon « Deep Reactive Ion Etch ») dans un substrat de surface d'origine plane.
Les épaisseurs d'un ensemble de membrane selon l'invention sont typiquement de l'ordre d'environ quelques centaines de microns pour le moyen d'attache et d'environ 10 à 200 microns pour la membrane elle-mme.
En référence à la figure 1 a, un premier exemple d'ensemble de membrane 20 de type SOI (acronyme anglo-saxon de « Silicon On Insulator ») est représenté.
Cet ensemble de membrane 20, non limitatif selon l'invention, comporte un substrat 21 présentant ledit espace libre 40 de sorte à former une structure suspendue appelée membrane ayant un moyen d'attache 21a à une base support ultérieurement fournie, et une partie fine 21 b formant la partie inférieure de la structure suspendue.
Ce substrat 21 est par exemple constitué de silicium monocristallin.
Cet ensemble de membrane 20 comporte en outre sur le substrat 21 une couche électriquement isolante 22, telle qu'une couche de Si02.
Sur cette couche isolante 22, l'ensemble de membrane 20 comporte une pluralité de micro-structures en silicium monocristallin 23a et 23b situés sur des zones localisées de la partie fine 21 b du support 21 et de la partie épaisse 21 a du support 21. Typiquement, ces micro-structures 23a et 23b sont habituellement formées à partir d'une couche de silicium initiale, par exemple par photolithographie et gravure chimique ou plasma.
La membrane de l'ensemble de membrane 20 est alors constituée de la partie fine 21 b et de la partie de la couche isolante 22 qui la recouvre.
Cet ensemble de membrane 20 est de type SOI, les micro-structures 23a et 23b en silicium formant la partie silicium supérieure du SOI et la couche isolante 22 formant la partie isolante du SOI.
La membrane 21 b peut se déformer sous l'effet d'une modification d'une grandeur physique telle que par exemple une pression mécanique appliquée directement par un fluide statique ou en mouvement, dans une direction perpendiculaire à la membrane, ou telle que par exemple une accélération La déformation de la membrane, sous l'action de ces forces extérieures, entraîne des modifications de propriétés physiques des micro-structures 23a et 23b (modifications de propriétés électriques ou modifications de contraintes mécaniques intrinsèques) ont lieu.
Les micro-structures 23a et 23b servent ainsi d'éléments de mesure de la grandeur physique à mesurer (par exemple une pression mécanique ou une accélération), par l'observation que l'on peut faire desdites modifications de propriétés physiques.
Ces micro-structures 23a et 23b peuvent par exemple chacune remplir une fonction de jauge de contraintes.
Des parties métalliques 24a et 24b sont formées par exemple par dépôt sous vide suivi de photolithographie et gravure chimique sur, respectivement, les micro-structures 23a et 23b, définissant sur ces micro-structures 23a et 23b
des zones de contacts électriques métal/semiconducteur 25a et 25b, et comprenant des liaisons métalliques 24a1 et 24b1 destinées à faire fonction de bornes de branchement à des moyens extérieurs de gestion des mesures.
Ces couches métalliques 24a et 24b peuvent par exemple tre constituées d'Aluminium.
Afin de protéger la couche de silicium 23 d'agressions extérieures (frottement mécanique, contaminant chimique...), une couche de passivation contenant du nitrure, telle qu'une couche de SixNy, 26a et 26b est disposée directement sous les couches métalliques 24a et 24b, à l'exception des zones de liaisons électriques 25a et 25b.
Cette couche de passivation 26a, 26b participe en outre à l'isolation électrique des couches métalliques 24a et 24b d'avec le reste de l'ensemble de membrane 20, à l'exception des contacts électriques 25a et 25b.
Bien entendu, cet ensemble de membrane 20 discuté n'a été présenté ici qu'à titre d'exemple et ne se limite pas à une structure SOI, l'homme du métier comprendra que l'invention peut tre mise en oeuvre avec d'autres types d'ensemble de membrane 20 comprenant un espace libre 40, telles que des ensembles de membrane de type PSOI ( « Polysilicon On Insulator »), SOS (« Silicon On Saphir »), SiC01 ( « SiC On Insulator »), SiC ou Si.
En référence à la figure 1 b, un deuxième exemple d'ensemble de membrane 20 de type SOI est représenté.
Celui-ci est sensiblement identique à l'ensemble de membrane 20 représenté sur la figure 1a, à l'exception qu'il est en outre pourvu de plots 27a et 27b s'étendant de la surface libre de la membrane. Ces plots peuvent tre de toute forme et ont un poids, un encombrement volumique et une disposition tels qu'ils ne modifient pas ou de façon négligeable les propriétés mécaniques et électriques de la membrane. Ces plots 27a et 27b sont par exemple constitués de silicium.
Ces plots 27a et 27b sont destinés à supporter un couvercle 6, ce dernier pouvant servir de protection de la membrane contre des pressions extérieures éventuelles que la membrane pourrait subir.
Optionnellement, cet ensemble de membrane 20 est muni non seulement des plots 27a et 27b, mais aussi dudit couvercle 6. Ce dernier pourra par exemple tre constitué de verre (tel que le Pyrex@) scellé anodiquement auxdits plots 27a et 27b, ou en Si scellé auxdits plots 27a et 27b par thermocompression. Le couvercle 6 peut aussi tre pourvu de canaux traversants 28a et 28b. Dans le cas où le couvercle 6 est en verre, ces canaux traversants 28a et 28b peuvent tre pratiqués par usinage ultrasonique ou chimique. Ces canaux traversants 28a et 28b peuvent ainsi faire passer un fluide sous une pression à déterminer par les jauges SOI.
En alternative, ce couvercle 6 pourra tre solidarisé avec les plots 27a et 27b après que l'ensemble de membrane 20 soit lui-mme solidarisé avec un substrat support.
Ce type d'ensemble de membrane, couramment utilisé par exemple en tant que système de capteur de pression absolue, nécessite en effet un substrat support.
Différentes étapes de réalisation d'un tel substrat support selon l'invention sont représentées en référence aux figures 2a à 2e.
En référence à la figure 2a, le matériau de base à partir duquel sera réalisé le substrat support 10 d'un ensemble de membrane 20 se présente sous forme d'une plaquette 1 en matériau cristallin.
Selon une première configuration, la plaquette 1 est en un matériau massif, tel qu'un matériau semiconducteur, comme par exemple du silicium ou du SiC monocristallin d'orientation cristalline judicieusement choisie, par exemple de type <100>.
Selon une deuxième configuration, la plaquette 1 comprend deux matériaux cristallins différents. Par exemple, cette plaquette 1 a été réalisée par épitaxie d'une première couche en un premier matériau cristallin sur une base
support en un deuxième matériau cristallin. Par exemple une première couche en SiC sur une base support en saphir monocristallin, ou une couche en SiGe sur une base support en Si monocristallin.
Les surfaces de cette plaquette 1 peuvent éventuellement dans un premier temps tre préparées, en mettant en oeuvre une ou plusieurs des techniques suivantes prises seules ou en combinaison : rodage, polissage double face, nettoyage chimique, oxydation sacrificielle, ou toutes autres techniques pouvant améliorer la qualité de surface de la plaquette 1.
Selon une première étape du procédé selon l'invention, et en référence à la figure 2a, une formation d'une couche isolante 2 de la plaquette 1 est mise en oeuvre, par exemple par oxydation thermique à haute température de la plaquette 1, entre 1000 et 1100°C pendant plusieurs heures, pour réaliser une couche isolante 2 en SiO2 d'une épaisseur suffisante, par exemple de 1 à 2 microns.
Il est important qu'après la formation de la couche isolante 2, la plaquette 1 ait une épaisseur prédéterminée de sorte à contrôler l'épaisseur de la butée 5 à graver dans la plaquette 1 par la suite (en référence à la figure 2c), afin que lorsque l'ensemble de membrane 20 sera assemblé (en référence à la figure 2d) lors d'une étape ultérieure, il y ait un écart 41 déterminé entre la surface libre de la butée 5 obtenue et la membrane.
Cet écart 41 représente la distance maximale de déformation de la membrane, une déformation plus importante que cet écart 41 mettant alors la membrane en appui contre la butée 5, empchant ainsi une surdéformation liée à une surpression.
Ainsi, la valeur de cet écart 41 peut tre choisie en fonction des paramètres de résistance à la déformation de la membrane (dépendant notamment de son épaisseur et du matériau qui la constitue), avec un écart seuil à partir duquel la membrane risque de se détériorer.
Lors de la réalisation de ce capteur de pression ou d'accélération 30, la valeur de cet écart 41 est principalement déterminée par :
la hauteur de suspension de la membrane non déformée par rapport à la base du moyen d'attache 21 a ; et * l'épaisseur de la plaquette 1, (typiquement comprise entre 100 et 1000 micromètres).
En référence à la figure 2b, après dépôt de résine photosensible, une photolithographie de la couche isolante 2 est mise en oeuvre.
La forme du masque, ainsi que l'épaisseur de la plaquette 1, doit tre choisie de sorte que, après la prochaine étape de gravure (en référence à la figure 2c), la butée 5 qui sera formée puisse tre contenue dans l'espace libre situé sous la membrane, sans tre en contact ni avec le moyen d'attache 21a ni avec la membrane (voir figure 2d).
Une gravure des parties apparentes en surface de la couche isolante 2 est alors mise en oeuvre au moyen d'espèces chimiques déterminées et à des températures contrôlées.
A cet effet, on pourra par exemple utiliser une gravure chimique telle qu'une gravure employant du HF pendant plusieurs minutes, pour retirer la couche isolante 2 en SiO2 d'une épaisseur de l'ordre de 1,6 micromètres sur les surfaces non protégées par la résine.
En référence à la figure 2c, une butée 5, telle qu'ici un bossage 5, est gravée dans la plaquette 1.
Optionnellement, on peut former une couche métallique sur la surface supérieure du bossage 5 pour constituer une électrode métallique au sommet de la butée, cette électrode assurant au besoin un contact électrique avec la face inférieure de la membrane lorsque celle-ci viendrait en appui en cas de surdéformation. La formation de cette couche métallique pouvant tre réaliser avant la gravure (en ce cas cette gravure inclut aussi la gravure sélective de la couche métallique) ou après la gravure, en faisant un dépôt sélectif (par masquage) uniquement sur le bossage 5.
Cette dernière configuration optionnelle pourrait ainsi permettre par exemple la détection électrique d'un seuil de pression appliquée sur la membrane, lorsque celle-ci vient en appui contre le bossage 5.
Nous rappelons ici que la plaquette 1 est, selon une première configuration, en un matériau massif ou comprend, selon une deuxième configuration, une première couche en un premier matériau cristallin sur une base support en un deuxième matériau cristallin.
Selon la première configuration, on pourra graver la plaquette 1 en utilisant une solution ayant une composition et une dilution appropriées au matériau à graver et pendant une durée contrôlée. Dans le cas où la plaquette 1 est en silicium, on pourra par exemple utiliser une solution à base de KOH ou de TMAH, éventuellement suivie d'une étape de finition de surface au moyen par exemple d'une ou de plusieurs des techniques de finition précitées prises seules ou en combinaison. Par exemple, une gravure de KOH à 80°C pendant environ 12 heures aura raison d'environ 500 pm.
Selon la deuxième configuration, on pourra graver la plaquette 1 en utilisant une solution ayant une composition et une dilution appropriées pour graver sélectivement le premier matériau vis à vis du deuxième matériau. Dans un cas de figure particulier, une couche d'arrt pourra tre intercalée entre la première couche et la deuxième couche, de sorte que la première couche soit gravée sélectivement vis à vis de cette couche d'arrt, puis que cette couche d'arrt soit gravée sélectivement vis à vis de la deuxième couche. On atteint ainsi une surface de la deuxième couche très propre. Cette couche d'arrt pourra par exemple tre en Si02.
La couche isolante 2'forme ici une couche d'arrt à la gravure de la plaquette 1, protégeant ainsi la partie de la plaquette 1 qui lui est sous-jacente.
Pourra tre utilisée aussi une DRIE, éventuellement suivie d'une étape de finition de surface au moyen par exemple d'une ou de plusieurs des techniques de finition précitées prises seules ou en combinaison.
Cette technique de gravure DRIE est une gravure anisotropique qui va alors permettre de graver la plaquette de silicium 1 tout autour de la couche isolante 2', cette dernière ayant alors un rôle similaire a un masque lors d'une photo lithogravure.
La forme donnée à la couche isolante 2'lors de sa précédente étape de photolithographie discutée plus haut (en référence à la figure 1 b) a ainsi déterminé la forme à donner au bossage 5 final après la mise en oeuvre de la gravure.
La gravure n'est pas réalisée sur toute l'épaisseur de la plaquette 1, laissant une partie 4 de celle-ci non gravée sous la butée 5. Cette partie 4 forme alors une base support 4 à la butée 5. Il est souhaitable de laisser une épaisseur suffisante pour la base support 4 afin de rigidifier suffisamment le substrat support 10 ainsi formé. En outre, la gravure doit tre particulièrement contrôlée pour pouvoir obtenir au final une butée 5 ayant une épaisseur déterminée pour tre comprise dans l'espace libre de l'ensemble de membrane 20 à coller tout en conservant une fonction de butée calibrée à la déformation maximale attendue de la membrane (tel qu'expliqué auparavant).
Une étape de finition de la surface de la partie non gravée est ensuite optionnellement mise en oeuvre, par exemple par des moyens de gravure chimique appropriés.
Un retrait de la couche isolante 2'est ensuite optionnellement mis en oeuvre, par exemple au moyen d'une solution HF dans le cas où cette couche isolante 2'est en Si02.
Le substrat support 10 ainsi obtenu comprend un système d'arrt (constitué de la butée 5) de la déformation d'une membrane (ultérieurement suspendue au-dessus de la butée 5) qui est : un élément distinct de la membrane à suspendre ; en trois dimensions, offrant une surface supérieure. « en hauteur » sur laquelle la membrane une fois déformée pourra venir en appui ;
* ce système d'arrt (i. e. la butée 5) obtenu permet ainsi de pouvoir effectuer des finitions sur sa structure (avant la fixation du substrat support 10 à l'ensemble de membrane 20), et donc de le modifier dans sa forme ou dans ses dimensions, mme après avoir été réalisé, offrant ainsi des possibilités pour rectifier des erreurs dans sa réalisation, ou de changer la hauteur de suspension ou la déformation maximale initialement déterminée de la membrane à suspendre.
On pourra ainsi ajuster dans une certaine mesure les paramètres de la butée 5 en fonction des circonstances, en mettant par exemple en oeuvre des techniques de finition telles des polissages, des gravures, etc.
On pourra par exemple pratiquer des canaux à l'intérieur de la butée 5.
La technique de réalisation de la butée 5 selon l'invention ne comprend aucun scellement anodique, contrairement à l'état de la technique, mais une simple gravure d'une unique plaquette 1 en matériau cristallin. La technique est donc grandement allégée, plus rapide et moins coûteuse.
En référence à la figure 2d, une mise en liaison d'un ensemble de membrane 20 et du substrat support 10 est réalisé.
L'ensemble de membrane 10 pourra par exemple tre conforme à l'ensemble de membrane 20 de la figure 1a, ou de l'ensemble de membrane 20 de la figure 1b, ou de l'ensemble de membrane 20 de la figure 1b sans couvercle 6.
Une préparation des surfaces avant mise en liaison peut tre préalablement faite au moyen par exemple d'une ou plusieurs des techniques de préparation précitées, prises seules ou en combinaison.
La mise en liaison du substrat 21 au substrat support 10 se fera au niveau du moyen d'attache 21 a et des parties périphériques de la base support 4.
La mise en liaison peut tre réalisée au moyen d'une liaison moléculaire ou covalente avec ou sans couche intermédiaire adhésive, ou par frittage, ou par brasage.
La structure micromécanique 30 ainsi obtenue est une membrane montée sur substrat support 10, présentant une butée 5 séparée de la membrane par un espace 41 de sorte que, lorsqu'une surpression est appliquée sur la membrane de sorte à tre susceptible de détériorer cette dernière, la membrane vienne en butée contre la partie supérieure de la butée 5, limitant ainsi la déformation qu'elle aurait eu sans la présence de cette butée 5.
Ainsi, cette simple butée 5 offre une sécurité de fonctionnement à la structure micromécanique 30 sans que la géométrie ou la structure initiale de l'ensemble de membrane 20 ne s'en trouve modifiée et sans ajouter d'éléments supplémentaires encombrant l'espace au dessus de la membrane pouvant alors perturber l'application de pression sur celle-ci.
En référence à la figure 2e, des canaux optionnels peuvent avoir été préalablement pratiqués à travers la base support 4, par exemple par gravure sélective (après masquage).
Dans ce dernier cas, la topographie du masque est choisie de sorte que les canaux 51 et 52 ne débouchent pas au niveau du bossage 5 ou du moyen d'attache 21 a.
De façon particulière, l'usinage réalisé à l'arrière de la base support 4 est paramétré de sorte à déboucher dans l'espace libre 40.
En référence à la figure 3, une vue par l'arrière du capteur de pression ou d'accélération 30 permet de visualiser une configuration dans laquelle quatre canaux 51,52, 53 et 54 traversant la base support 4 ont été pratiqués (la figure 2e étant une vue en coupe selon le plan 1-1 représenté sur cette figure 3).
Ainsi, sont obtenus des passages d'accès à la membrane « par l'arrière » dans lesquels des fluides (gaz ou liquides) peuvent circuler afin de créer une pression appliquée sous la membrane susceptible d'tre mesurée par les éléments de mesure supportés par la membrane.
Optionnellement, l'ensemble de membrane 20 solidarisé avec le substrat support 10 pour former la structure 30 est conforme à l'ensemble de membrane
20 représenté sur la figure 1b sans le couvercle 6. Dans ce cas, le procédé selon l'invention comprend en outre une étape supplémentaire de solidarisation d'un couvercle 6 à l'ensemble de membrane 20 via les plots 27a et 27b qu'il comprend. Le couvercle 6 pourra par exemple tre constitué de verre (tel que le Pyrex@) scellé anodiquement auxdits plots 27a et 27b, ou en Si scellé auxdits plots 27a et 27b par thermocompression. Le couvercle 6 peut aussi tre pourvu de canaux traversants 28a et 28b. Dans le cas où le couvercle 6 est en verre, ces canaux traversants 28a et 28b peuvent tre pratiqués par usinage ultrasonique ou chimique. Ces canaux traversants 28a et 28b peuvent ainsi faire passer un fluide de l'extérieur sur la membrane. Ainsi, dans le cas où la base support 4 est également pourvue de canaux traversants 51,52, 53 et 54, la membrane pourra recevoir des pressions venant de « dessus » et de « dessous ».
Selon un procédé particulier selon l'invention, une pluralité de substrats supports 10 selon l'invention peuvent tre réalisées collectivement à partir d'une structure constituée en un seul matériau ou d'une structure constituée de plusieurs structures, telle que celle représentée figure 3a.
En référence à la figure 4a, une structure comprend, de mme que la structure représentée sur la figure 2b, une plaquette 1 recouverte en partie par un masque couvrant une pluralité de surfaces 2a', 2b', 2c'afin de former une pluralité de butées 5a, 5b et 5c (en référence à la figure 4b) dans la plaquette 1 sous-jacente au masque, contrairement à la structure représentée sur la figure 2b qui ne couvrait qu'une seule surface.
En référence à la figure 4b, une pluralité de butées 5a, 5b, 5c, telles qu'ici les bossages 5a, 5b, 5c, est gravée collectivement dans la plaquette 1 dans des conditions et avec des moyens similaires à ceux décrits plus haut en référence à la figure 2c.
Selon ce procédé selon l'invention il est donc possible de former collectivement et simultanément une pluralité de butées 5a, 5b, 5c.
Dans une première configuration, les différentes butées 5a, 5b, 5c sont individualisées (au moyen par exemple d'une césure diamant) de sorte à former une pluralité de substrats support, chacun similaire à celui représenté sur la figure 2c. De mme qu'en référence aux figures 3f à 3h, chacun de ces substrats support est ensuite lié à un ensemble de membrane, tel qu'un des deux ensembles de membrane 10 représentés sur les figures 1 et 2.
Dans une deuxième configuration, un ensemble de membrane 10' comprenant une pluralité de cavités 40a, 40b, 40c, est lié sur le substrat support 10'de façon similaire à celle décrite en référence à la figure 2d, chaque cavité venant entourer les butées respectives 5a, 5b, 5c.
La partie fine au-dessus de chaque butée 5a, 5b, 5c définissant une membrane munie chacune d'éléments de mesure de pression ou d'accélération.
On obtient ainsi une structure micromécanique 30'comprenant une pluralité de membranes déformables proportionnellement aux forces qui lui sont appliquées.
Optionnellement, des canaux 51-53,55-57, 56-58 traversant la base support 4 peuvent tre préalablement pratiqués, par exemple par gravure sélective, afin d'ouvrir un accès aux cavités respectives 40a, 40b, 40c à des fluides entrants.
Optionnellement, les membranes sont ensuite individualisées (par exemple par césure diamant) pour former des structures micromécaniques chacune similaire à celle représentée sur la figure 2d ou 2e.
La butée 5 et la base support 4 ont été illustrés dans ce document comme étant en silicium, du SiC, du SiGe et/ou du saphir, mais elles peuvent tre constituées d'autres types de matériaux, tels que par exemple des alliages.