Brevet FR2514502A1 — publié le 19830415

Transducteur de pression capacitif au silicium lié par voie électrostatique. La présente invention concerne des transduc- teurs de pression capacitifs à cavité constitués de deux organes en silicium réunis l'un à l'autre par un verre de borosilicate pulvérisé en adoptant une tech- nique de liaison thermique assistée par un champ élec- trique. Un transducteur de pression de type capacitif réalisé pratiquement entièrement en silicium est dé- crit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 634 727 Ce dispositif est constitué de deux disques en silicium creusés en leur centre et enduits d'une couche d'oxyde isolant, puis réunis l'un à l'au- tre, soit par métallisation des oxydes suivie d'un brasage, soit simplement au moyen d'un verre à basse température de fusion Un dispositif de ce type a un diamètre de l'ordre de 25,4 mm ( 1 pouce) et, par inhé- rence, il présente un rapport relativement élevé entre la capacitance parasite statique non-désirée et la ca- pacitance variable en fonction de la pression. Tel qu'il est décrit dans le brevet précité, le procédé de liaison entre les deux disques de sili- cium est complexe et coûteux En outre, le dispositif décrit dans ce brevet nécessite le traitement de deux plaquettes pour réaliser un seul transducteur de pres- sion capacitif Evidemment, l'utilisation de trans- ducteurs de pression au silicium d'un faible coût im- plique l'obligation d'adopter des techniques de fabri- cation en série pour leur réalisation Par exemple, le traitement de deux plaquettes de plus grandes di- mensions pour fabriquer un nombre important de conden- sateurs plus petits (de l'ordre d'un demi-centimètre dans la plus grande dimension) permettrait de réduire sensiblement le coût Toutefois, l'obtention d'un joint étanche intégral entre les deux parties de chacun des transducteurs formés sur une plaquette doit être ga- rantie de manière impérative. Un meilleur procédé pour la formation de joints étanches silicium-sursilicium consiste à uti- liser un verre de borosilicate pulvérisé Les parties de silicium ainsi revêtues de verre sont attirées l'une vers l'autre par un champ de courant continu créé dans un vide, à une température de l'ordre 'de 5000 C Ce procédé est décrit dans un exposé technique de la "NASA" B 74-10263, janvier 1975, intitulé "Low Temperature Electrostatic Silicon-To-Silicon Seals Using Sputtered Borosilicate Glass". L'avantage qu'offre l'utilisation du silicium comme matière support pour les transducteurs de pres- sion capacitifs à cavité, réside dans le fait qu'elle permet d'établir un raccordement électrique extérieur avec des plaques de condensateurs intérieures, sans exiger une structure mécanique complexe Compte tenu de la technologie bien connue des microcircuits pour le traitement du silicium, ainsi que de la technique de- liaison assistée par un champ électrique dont il est fait mention dans l'exposé technique précité de la "NASA", l'opportunité de la fabrication en série de transducteurs de pression capacitifs sensibles extrême- ment petits d'une manière hautement reproductible de- vient évidente Toutefois, lorsqu'il s'agit de trans- ducteurs capacitifs mesurant environ un demi-centimètre dans leurs plus grandes dimensions, la capacitance est très faible, à moins que les deux plaqués capacitives soient extrêmement proches l'une de l'autre On a constaté que la proximité des deux plaques capacitives contrariait l'utilisation d'une liaison assistée par un champ électrique lors de la fabrication de transduc- teurs de pression capacitifs au silicium extrêmement petits. La présente invention a notamment pour objet d'apporter des perfectionnements à des transducteurs de pression capacitifs au silicium extrêmement petits, ainsi qu'aux procédés de fabrication de ces transduc- teurs à l'échelle industrielle, en utilisant la techno- logie connue des microcircuits et des couches minces. La présente invention est basée sur la décou- verte faite par la Demanderesse et selon laquelle les imperfections superficielles présentes dans une ou dans les deux pièces de silicium à assembler moyennant une liaison assistée par un champ électrique établissent des concentrations de champ qui favorisent un amorçage d'arc, lequel donne lieu à un court-circuitage du champ et, partant, à un scellage non uniforme des deux pièces de silicium à la couche de borosilicate située entre elles. Suivant la présente invention, on prévoit des transducteurs de pression capacitifs comprenant une cavité définie par deux éléments en silicium dopé réu- nis l'un à l'autre par un verre de borosilicate moyen- nant un procédé de liaison assistéepar un champ élec- trique, un revêtement de verre de borosilicate étant appliqué pratiquement sur toute la surface de la pla- que capacitive d'au moins une de ces pièces de sili- cium Suivant un aspect de l'invention, un transduc- teur de pression au silicium-verre de borosilicate- silicium comprend du verre de borosilicate à l'intérieur de la cavité sensible à la pression afin d'obtenir un meilleur diélectrique entre les plaques du condensa- teur Suivant un autre aspect de la présente inven- tion, le procédé de formation d'un transducteur de pres- sion au silicium en utilisant deux pièces de silicium réunies l'une à l'autre par un verre de borosilicate moyennant une liaison assistée par un champ électrique, comprend l'étape qui consiste à assurer une isolation diélectrique entre les deux pièces de silicium à l'aide d'un verre de borosilicate, évitant ainsi un court-circuitage du champ au cours du processus de liaison. L'invention permet de formuler des transduc- teurs de pression capacitifs silicium-silicium avec un très faible écartement entre les plaques de condensa- teurs obtenues et ce, sans rencontrer les difficultés que présente une liaison assistée par un champ électri- que au cours du procédé de fabrication de ces transduc- teurs. Bien que le mécanisme principal avantageux de l'invention ne soit pas actuellement parfaitement com- pris, on pense qu'il réside dans la meilleure proprié- té diélectrique du verre de borosilicate (environ 4,2), comparativement à celle du vide (environ 1,0) qui exis- te entre les deux pièces de silicium De plus, il sem- ble possible que la haute constante diélectrique du verre de borosilicate appliqué sur la surface de sili- cium, par-exemple, au cours de la dernière étape pré- cédant la liaison assistée par un champ électrique, ait tendance à disperser quelque peu le-champ à des sur- faces saillantes, réduisant ainsi la concentration du champ en des points saillants localisés. A la lumière des enseignements qui vont suivre, l'invention peut être mise en oeuvre en adoptant les techniques de traitement de microcircuits et de couches minces qui rentrent parfaitement dans les compétences de l'homme de métier Les objets, caractéristiques et avantages précités de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de formes de réalisa- tion données à titre d'exemple, en se référant aux des- sins annexés dans lesquels: les figures 1-3 sont des coupes simplifiées en élévation latérale illustrant des exemples de transducteurs de pression capacitifs au silicium- verre-silicium formés par le procédé de la présente invention conformément aux principes de cette derniè- re; et les figures 4-8 sont des vues en coupe et en élévation latérale de plaquettes de silicium devant être traitées au cours de la fabrication du transduc- teur de pression illustré à titre d'exemple en figure 1. En se référant à présent à la figure 1, un transducteur de pression capacitif au silicium-verre- silicium 10 est constitué d'un substrat en silicium 11 dans lequel est formé un socle circulaire 12, ce sub- strat 11 comportant une surface inférieure métallique 13 qui peut être constituée de couches minces de ni- ckel et d'or (ainsi qu'on le décrira ci-après plus en détail en se référant aux figures 4-8) permettant une liaison métallique avec les conducteurs électriques qui y sont raccordés La surface supérieure du socle 12 constitue une plaque d'un condensateur, l'autre pla- que de ce dernier étant constituée de la surface infé- rieure d'une pièce en silicium 14 La surface supé- rieure de cette pièce en silicium 14 comporte des cou- ches métalliques 15 semblables aux couches 13 Les deux pièces en silicium 11, 14 sont assemblées à l'écart l'une de l'autre par du verre de borosilicate 16 qui est déposé et soumis à une morsure par étapes (comme décrit ci-après), de façon à définir l'écarte- ment désiré entre les surfaces de plaques capacitives formées par les parties 12 et 14, tout en formant un diélectrique 17 en travers du socle 12, évitant ainsi un amorçage d'arc entre celui-ci et la pièce 14 au cours de la liaison assistée par un champ électrique Lors de la fabrication du transducteur 10, l'ensemble du 14502 traitement topologique est effectué sur une plaquette comprenant la pièce 12, tandis qu'une plaquette com- prenant la pièce 14 est pourvue uniquement d'un revête- ment métallique 15 En outre, la formation de la cou- che de verre de borosilicate 16, 17 sur l'ensemble de la pièce en silicium 11, y compris le socle 12, est obtenue au cours du traitement topologique de la pla- quette comprenant la pièce en silicium 11 Les revête- ments métalliques 13, 15 peuvent être déposés après l'assemblage des deux plaquettes moyennant une liaison assistée par un champ, en recourant à une pulvérisation haute fréquence ou à une évaporation résistive ou par faisceau électronique ccnformément à des techniques bien connues. En se référant à présent à la figure 2, un transducteur de pression quelque peu différent 18 est constitué d'une pièce de silicium lla dans laquelle un creux annulaire 20 est pratiqué par morsure de fa- çon à définir un socle circulaire 12 a sur lequel est déposé un revêtement de verre de borosilicate 16 a qui définit la séparation entre des plaques de condensa- teur Un revêtement supplémentaire de verre de boro- silicate 16 b définit l'écartement entre les pièces en silicium 1 la et 14 a, ce revêtement étant soumis à une morsure pour y définir un trou 22 à travers lequel une couche mince de métal 24 peut établir un contact avec le socle 12 a La couche de verre de borosilicate 16 c peut être pulvérisée sur le silicium ou sur le métal afin d'éviter un amorçage d'arc au cours de la liaison assistée par un champ électrique suivant l'invention. Conjointement avec le creux 20 formé par morsure dans la pièce de silicium lla, l'utilisation du revêtement de verre de borosilicate 16 a, 16 b apporte une amélioraticnau contrôle dimensionnel comme décrit et revendiqué dans une demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique dépo- sée le même jour que la présente aux noms de Swindal 25145 à 2 et Grantham et ayant pour titre "SILICON-GLASS-SILICON CAPACITIVE PRESSURE TRANSDUCER". La figure 3 illustre une autre forme de réa- lisation de la présente invention telle qu'elle est ap- pliquée à un transducteur 26 du type décrit dans la de- mande de brevet précitée des Etats-Unis d'Amérique. Dans cette forme de réalisation, deux plaquettes reçoi- vent un traitement topologique, une première plaquette llb comportant un creux 20 a formé par morsure pour dé- finir un socle circulaire 12 b d'une manière analogue à celle décrite à propos de la pièce de silicium lla. D'autre part, sur une autre plaquette comprenant la pièce de silicium 14 b, sont appliqués un revêtement de verre de borosilicate pulvérisé 16 d façonné pour assu- rer le contrôle dimensionnel comme décrit dans la de- mande de brevet précitée, une couche mince de métal 24 a destinée à former une plaque capacitive raccordée élec- triquement à la pièce de silicium 14 b, ainsi qu'un revê- tement de verre de borosilicate pulvérisé 16 e consti- tuant l'isolation diélectrique conformément à la pré- sente invention La formation du transducteur de pression 26 diffère de celle des transducteurs de pres- sion 10 et 18, étant donné qu'elle nécessite un trai- tement topologique de deux plaquettes et une mise en coïncidence de ces dernières avant leur assemblage par liaison assistée par un champ électrique D'autre part, la formation du transducteur de pression 26 est semblable à celle du transducteur de pression 10 du fait que le verre de borosilicate est appliqué intégralement sur la même plaquette. Les transducteurs 18, 26 peuvent comporter un revêtement métallique sur leurs surfaces extérieures opposées afin de permettre une liaison métallique avec les connexions électriques qui y sont raccordées, les- quelles ne sont toutefois pas représentées pour la sim- plicité de l'illustration. Un procédé de formation d'un transducteur capacitif suivant l'invention est illustré dans les figures 4-8 En figure 4, on représente une plaquet- te 11 en silicium de type N ou de type P qui est dopé à un niveau d'au moins 10 5 impuretés par cm 3 avec du phosphore, de l'arsenic ou analogues, cette plaquette pouvant avoir une résistivité d'environ 1/3 ohm-cm et une épaisseur de l'ordre de 300-400 microns En adop- tant des techniques bien connues de masquage, de ré- serve photographique et de morsure, la plaquette 11 est attaquée pour créer plusieurs socles 12 (unpour cha- que dispositif à réaliser dans la plaquette) ayant une hauteur de l'ordre de 6 microns Le diamètre de cha- que socle 12 peut être de l'ordre d'un demi-centimètre. Les socles 12 peuvent être espacés d'une distance d'environ 1/3 cm. Au cours de l'étape suivante illustrée en fi- gure 5, une couche de verre de borosilicate 29 est pul- vérisée sur la plaquette 11 jusqu'à une profondeur de l'ordre de 8 ou 9 microns Ensuite, au cours de l'éta- pe suivante illustrée en figure 6, le verre de boro- silicate 29 est soumis à une morsure, de façon à con- server une structure réticulaire 16 définissant des creux 30 qui entourent chacun des socles 12 de la pla- quette 11 Le traitement de morsure illustré en figu- re 6 est réalisé aisément du fait que le silicium fait office d'arrêt de morsure pour les mor- dants du verre de borosilicate (par exemple, l'acide fluorhydrique). Au cours de l'étape illustrée en figure 7, une couche supplémentaire de verre de borosilicate 32 est pulvérisée sur la surface de la plaquette 11 et de la matrice de verre de borosilicate 16 conformément à la présente invention, afin de former un diélectrique 14502 17 sur les socles 12 Etant donné que le contrôle di- mensionnel est assuré par la pulvérisation de la cou- che 29 (figure 5) avec morsure jusqu'au silicium (fi- gure 6), une couche 32 peut être pulvérisée simple- ment à la dimension souhaitée de l'ordre de 1/2 micron, sans aucune morsure supplémentaire. La figure 8 illustre les étapes restantes du procédé de formation du transducteur de pression capa- citif 10 Moyennant un rodage approprié à une épais- seur désirée, par exemple, de l'ordre de 200 microns, on peut préparer une deuxième plaquette 14, de façon à former un diaphragme flexible La plaquette 14 est en- suite amenée à proximité de laplaquette 11 (seul un alignement approximatif étant requis), après quoi les deux plaquettes peuvent être chauffées à une tempéra- ture de l'ordre de 500 C dans une chambre à vide dans laquelle est créée une dépression d'environ 10 6 Torr, tandis qu'une tension de courant continu de l'ordre de -125 volts est appliquée entre la plaquette 14 (+) et la plaquette 11 (-) pendant une période d'environ -10 minutes De façon connue, le champ électrostati- que créé a pour effet d'attirer les deux plaquettes l'une vers l'autre à mesure que la chaleur assure l'étanchéité des chambre à vide formées autour de cha- que socle 12 Des couches métalliques 13, 15 peuvent être déposées sur les plaquettes 11, 14 Par exemple, en raison de son affinité vis-à-vis du silicium, on peut déposer une première couche de nickel 13 a, 15 a d'une épaisseur de l'ordre de 500 angstrôms, suivie d'une deuxième couche d'or 13 b, 15 b d'une épaisseur d'environ 5 000 angstrôms, de façon à obtenir une sur- face appropriée pour la liaison métallique des conduc- teurs électriques de raccordement Ensuite, les pla- quettes liées 11, 14 peuvent être découpées (par exem- ple, par sciage) comme indiqué par les lignes en traits discontinus 38, de façon à former des transducteurs de pression individuels 10 du type illustré en figu- re 1 Si les couches de métallisation sont consti- tuées d'Al, de Cr ou de Ni seul, elles pourraient être déposées avant l'étape de liaison Toutefois, la liaison est obtenue à une température supérieure à la température eutectique de l'or-silicium (le nickel n'isolant pas ces derniers), si bien que l'or doit être déposé après l'a liaison. On a constaté qu'un transducteur capacitif constitué de silicium monocristallin de type N, dopé avec environ 1018 atomes de phosphore par cm 3, ayant pratiquement les dimensions décrites ci-dessus, avait une capacitance variant entre une valeur nomi- nale à une pression statique absolue de O kg/cm 2 et une valeur environ 8 % supérieure à la capacitance no- minale à une pression absolue d'environ 1,05 kg/cm 2 ( 15 psia) (pression statique nulle) Evidemment, les deux plaquettes 11, 14 ne doivent pas nécessaire- ment avoir le même type de conductivité, ni contenir le même dopant, étant donné qu'il n'y a aucune inter- action moléculaire entre elles Un type de verre de borosilicate qui s'est avéré utile dans la fabrication des transducteurs capacitifs décrits cidessus est commercialisé sous la désignation "Corning 7070 ". Toutefois, d'autres verres peuvent s'avérer utiles, certains exemples de ces verres étant décrits par Guckel et al dans "Electromechanical Devices Utili- zing Thin Si Diaphragms", "Applied Physics Letters", volume 31, N 9, 1 novembre 1977. Dans certaines applications de la présente in- vention, il peut s'avérer souhaitable que le verre de borosilicate recouvre moins d'une surface complète de la cavité sous vide Dans ce cas, on pourrait prévoir une étape de morsure supplémentaire (succédant à l'éta- il pe de dépôt de la figure 7) afin d'éliminer le verre de borosilicate se trouvant dans les creux 30 (figu- re 6) ou le verre de borosilicate qui ne-recouvre pas la couche métallique 24 a dans la forme de réalisation de la figure 3 Cette remarque est particulièrement vraie lorsque le verre de borosilicate est appliqué sur la pièce de silicium formant la "charnière" rela- tivement mobile d'un dispositif (par exemple, à l'in- térieur du creux 20 dans la forme de réalisation de la figure 2 et lorsqu'on envisage une modification dans laquelle le verre de borosilicate est appliqué à la plaquette Il soumise à un traitement topologique). En tout cas, suivant l'invention, le verre de boro- silicate est appliqué entre les parties actives des deux plaques capacitives, étant donné que c'est-à cet endroit que le vide diélectrique a la plus petite di- mension et que le risque d'amorçage d'arc est le plus grand au cours du procédé de liaison assistée par un champ électrique Comme on peut le constater en com- parant les formes de réalisation des figures 1-3, qu'une ou les deux plaques capacitives soient en fait réalisées en métal ou non, importe peu pour l'utilisa- tion de la présente invention, étant donné que le verre de borosilicate peut être déposé sur une plaque métal- lique en offrant le même avantage que lorsqu'il est appliqué sur une des plaques en silicium Il est évident que le verre de borosilicate pourrait être ap- pliqué sur les deux plaques du condensateur, dans tous les cas o il s'avère nécessaire ou souhaitable de pro- céder de la sorte et ce, sans se départir de l'inven- tion. De la même manière, bien que l'invention ait été illustrée et décrite en se référant à des formes de réalisation données à titre d'exemple, l'homme de métier comprendra que les modifications, additions ou omissions précitées, ainsi que d'autres peuvent être envisagées sans se départir de l'esprit et du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de formation d'un capteur de pres- sion capacitif moyennant une liaison, assistée par un champ électrique, de deux pièces de silicium séparées par un verre de borosilicate, afin de définir une cham- bre étanche à la pression comprenant deux surfaces étroitement espacées qui forment les plaques respecti- ves d'un condensateur variable en fonction de la pres- sion, caractérisé en ce qu'il comprend le perfection- nement consistant à déposer une couche mince de verre de borosilicate sur une de ces plaques avant l'appli- cation du champ électrostatique, de façon à éviter un amorçage d'arc entre les plaques et le court-circuita- ge résultant du champ électrostatique au cours du pro- cédé de liaison. 2 Transducteur de pression capacitif au sili- cium-verre-silicium comprenant deux pièces de silicium dont au moins une est façonnée de façon à définir une surface conductive distincte sur une des pièces de si- licium à proximité d'une surface conductive disposée sur l'autre pièce, définissant ainsi deux surfaces conduc- tives étroitement espacées formant les plaques d'un -condensateur variable en fonction de la pression, ca- ractérisé par le perfectionnement selon lequel une cou- che mince de verre de borosilicate est appliquée sur une des surfaces précitées.