Brevet FR2513441A1 — publié le 19830325

L'invention concerne d'une manière générale un procédé de production de transducteurs de pression minia- turisés, et plus particulièrement la préparation de tels transducteurs supportant des températures élevées en servi- ce Ces transducteurs sont du type comportant un diaphragme qui est configuré afin de concentrer et limiter la contrainte induite dans les zones des capteurs piézorésistifs et de diriger les contraintes vers les capteurs pour détecter des diffé- rences de pression dans les zones o les transducteurs sont montés L'invention concerne en particulier un procédé de production de semiconducteurs ou de transducteurs de pression à diaphragme en silicium, ainsi que les semi-con- ducteurs ou les transducteurs de pression ainsi produits, par l'utilisation de deux tranches de silicium orientées de façon déterminée et jointes par des techniques de dif- fusion qui utilisent des paramètres de mise en oeuvre li- mités et moins coûteux Les transducteurs et/ou semi-con- ducteurs ainsi obtenus présentent une surface de pellicule de mesure riche en bore extrêmement plane et extrêmement uniforme sur toute son étendue. La fabrication de transducteurs de pression par diffusion de capteurs ou jauges piézorésistifs dans un diaphragme de silicium est bien connue A cet égard, on peut se reporter au brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 065 970 qui décrit l'utilisation d'une tranche unique de silicium, Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 858 150 décrit également un dispositif à tranche de silicium à couches multiples Le problème posé par les dispositifs de l'art antérieur est qu'ils n'assurent pas une isolation convenable entre les jauges de contrainte et le diaphragme qui est exposé à des températures élevées Par conséquent, le transducteur de pression n'assume plus sa fonction lors- qu'il est exposé à des températures élevées, communément rencontrées dans l'industrie. Par contre, l'invention concerne un procédé sim- plifié pour la préparation de semiconducteurs ou transduc- teurs de pression à diaphragme en silicium, pouvant être mis en oeuvre dans des applications à haute température, dépassant 1500 C, c'est-à-dire la température maximale ha- bituelle pour ces dispositifs Le procédé selon l'inven- tion est simple et il peut être mis en oeuvre aisément en utilisant des températures et des pressions de traitement très inférieures à celles utilisées précédemment, ce qui rend ce procédé beaucoup plus apte aux techniques de production en grande série. Le transducteur ou semiconducteur selon l'inven- tion peut être constitué de deux couches formées de tran- ches de silicium qui sont assujetties par une liaison à haute température Les deux tranches sont des tranches de silicium monocristallin Une tranche est configurée, de préférence avant sa jonction à la seconde tranche, par attaque chimique pour former un diaphragme de sommation de pres- sion très efficace, conformément à ce qui est décrit dans le brevet No 4 065 970 précité Bien qu'une telle attaque préliminaire ne soit pas indispensable,elle est considérée comme préférable, car elle permet de parvenir plus efficace- ment au produit final obtenu conformément à l'invention lorsque des transducteurs de pression sont-préparés L'au- tre tranche, dans ce cas la couche sensible ou de mesure, est extrêmement mince à la fin du traitement selon l'in- vention et est de préférence configurée par incorporation dans cette couche, par attaque chimique, de jauges de contrainte aux points de contrainte élevée du diaphragme une fois que les deux couches sont associées conformément au procédé de l'invention. L'invention permet donc d'obtenir un transduc- teur à deux couches, comportant une couche mince extrê- mement uniforme et plane, constituant la couche sensible ou de mesure, et une couche plus épaisse se présentant sous la forme de la couche de diaphragme La couche mince est formée par élimination, par attaque sélective, du silicium légèrement dopé de la partie de la couche sen- sible, telle qu'elle est finalement formée, ayant été précédemment fortement dopée au silicium Le dopage im- portant de la couche sensible est nécessaire pour que l'attaque ait lieu de préférence pendant son traitement, mais il est également avantageux pour sa fonction piézo- résistive, car le coefficient de température du facteur d'étalonnage est faible, et le coefficient de température de la résistance est suffisamment élevé pour que cette diminution du facteur d'étalonnage avec la température soit compensée par l'utilisation de résistances appropriées montées en série. En variante, une structure à semiconducteur peut être formée au moyen d'une tranche de silicium à plusieurs couches, pouvant être de toute orientation et de toute épaisseur spécifiées, et portant une couche isolante en dioxyde de silicium Dans ce cas, la couche isolante com- prend 15 % ou moins d'oxyde de bore La structure comporte en outre une couche électriquement active, constituée de silicium imnocristallin, d'épaisseur uniforme, sensible- ment égale à un micromètre, dans laquelle des composants tels que des résistances, des transistors à effet de champ et des piézorésistances peuvent être formés Il convient de noter que la couche isolante constitue non seulement un support mécanique, mais également un radia- teur de chaleur pour la couche active Elle peut être con- figurée afin d'engendrer dans la couche active une faible contrainte globale ou une contrainte concentrée localement. Dans les conditions générales de mise en oeuvre du procédé de l'invention, deux minces tranches de silicium sont choisies afin d'être jointes l'une à l'autre conformé- mert au procédé décrit La tranche de silicium du "diaphrag- me" est orientée ( 100), polie sur ses deux faces et, comme décrit précédemment, attaquée ou gravée sur une face en un ensemble de diaphragmes de pression à concentration de con- trainte, dont les caractéristiques linéaires sont alignées dans la direction /11 07 La tranche sensible ou de mesure en silicium est du type N et elle est légèrement dopée, orientée ( 100) et indexée /1107 Elle est de préférence polie sur une première face et aplanie par rodage-sur l'au- tre face Cette tranche reçoit une couche de bore en "dépôt préalable", le bore étant déposé sur la face polie de la tranche Dans ce traitement, il est préférable que la tranche soit conservée dans une zone à faible humidité si elle ne doit pas être utilisée rapidement, afin de ra- lentir l'hydratation de la couche de bore déposée. Après le dépôt du bore sur la tranche sensible, la face de cette dernière présentant le bore est appliquée sur la face plane de la tranche du diaphragme et les deux faces sont alignées afin que les indices /ilo 7 soient pa- rallèles A cet égard, l'alignement est bloqué avec de la paraffine afin qu'il soit maintenu au cours des opérations suivantes de traitement Les deux couches sont ensuite com- primées l'une contre l'autre sous température et pression afin de former entre elles un joint initial Puis les cou- ches sont placées sous haute température pour provoquer une diffusion des deux surfaces adjacentes l'une dans l'au- tre. L'une des caractéristiques de l'invention est que seule la couche de diaphragme est revêtue de Sio 2 avant la jonction des deux tranches Par conséquent, au cours de la diffusion suivante des deux couches adjacentes l'une dans l'autre pour provoquer la formation de la paire de tranches destinée au transducteur de pression final, il se produit simultanément une diffusion du bore dans la couche sensible et une diffusion de l'oxyde de bore dans le revê- tement de Si O 2 de la couche-de diaphragme Les procédés de l'art antérieur consistaient à appliquer un revêtement de Si O 2 sur les deux couches avant leur jonction La se- conde couche de Si O 2 avait pour effet de réduire le main- tien de la diffusion du bore dans la couche sensible, tan- dis que, dans le procédé de l'invention, la couche riche en bore résultante est enrichie de façon continue pendant l'opération de diffusion. La poursuite du traitement de la paire de tranches à présent jointes consiste à roder ensuite la face de la paire constituée par la tranche sensible afin d'en réduire l'épaisseur Après cette opération de rodage, la tranche sensible est attaquée au cours d'une opération d'attaque ou de gravure sélective, afin que la partie légèrement dopée de la tranche sensible restante soit enlevée pour ne laisser qu'une pellicule riche en bore. Ensuite, le traitement consiste à former un pont de jauges de contrainte sur la couche sensible de la paire de tranches, et à appliquer des capteurs individuels de pression et des fils de connexion en aluminium pour l'as- semblage des pièces du transducteur avec la paire de tranches réalisée conformément à l'invention. L'invention sera décrite plus en détail en re- gard des dessins annexés à titre d'exemple nullement li- mitatif et sur lesquels: Les figures la à li sont des coupes schématiques montrant la suite d'opérations de traitement des deux tranches, représentées chacune sous la forme d'une dé- coupe à l'emporte-pièce, conformément au procédé de l'in- vention; la figure 2 est une coupe axiale à échelle agran- die d'une paire de tranches produites par le procédé mon- tré sur les figures la à li; et la figure 3 est une coupe axiale schématique d'une presse convenant à la jonction des paires de tranches, conformément à une étape de traitement selon l'invention. Sur les figures, les mêmes r'éférences numériques désignent les mêmes éléments La figure la représente une tranche sensible ou tranche de mesure 10 en silicium et une tranche de diaphragme: 12 en silicium, avant leur jonction réalisée conformément aux étapes du procédé de l'invention La tranche 12 de diaphragme, comme montré sur la figure lb, est gravée sur une face en un ensemble de diaphragmes 14 de pression à concentration de contraintes, l'axe longitudinal des diaphragmes étant aligné dans la direction 'T 1 o 7 En outre, comme décrit plus en détail ci-après, une caractéristique de l'invention réside dans le fait que la face plane ou face 41 de mesure de la tran- che 12 de diaphragme est profilée en 42 afin que les zones de déchets, qui sont finalement éliminées par découpage, soient plus minces Cette configuration a en outre pour effet de former des rainures de décharge dans l'une des surfaces liées au cours des opérations suivantes, La pro- fondeur de cet évidement est de préférence de l'ordre de 1 à 5 micromètres. Comme opération suivante de traitement et comme montré sur la figure le, la tranche sensible ou tranche de mesure, qui peut être une tranche de silicium de type négatif, légèrement dopé, d'orientation ( 100) et d'in- dice /1107, est polie avant toute autre opération de trai- tement, sur une face et aplanie par rodage sur la face op- posée Après ce traitement, une couche de B 203, formant un "dépôt préalable", est déposée sur la face polie 43 de la tranche de mesure. Cette opération de dépôt a lieu dans un four classique dans lequel le B 203 est déposé à 11000 C, pen- dant environ 7 minutes Il est ensuite maintenu pendant environ 35 minutes à 11000 C afin que l'on obtienne un dé- pôt préliminaire approprié du bore dans la tranche de me- sure Ainsi, comme montré sur la figure lc, la couche ou tranche 10 de mesure porte une couche 16 de bore déposée sur sa face polie 43. Au cours de cette opération préalable de traite- ment de la couche de mesure et avant sa jonction avec la couche de diaphragme, la couche ou tranche 12 de diaphragme est également soumise à un traitement préalable par dépôt d'une couche 18 de Si O 2 sur cette tranche, comme montré sur la figure lc Comme représenté sur la figure ld, la couche 10 de mesure est combinée et/ou jointe à la couche 12 de diaphragme et, comme indiqué précédemment, les deux couches sont fixées par de la paraffine, en alignement ap- proprié, la face 16 de bore de la couche 10 de mesure étant appliquée sur la face plane 41 de la couche 12 de diaphragme et les indices /1107 étant alignés afin d'être parallèles La paire de tranches jointes est ensuite mon- tée dans une presse La figure 3 représente une presse convenant à cet effet et comportant un bâti 28 à enclume massive 30 en silicium, et une vessie pneumatique 34 en acier inoxydable, une tranche 32 de silicium rodé étant placée entre la vessie 34 et la tranche 10 de mesure, comme tampon. L'opération consistant à joindre initialement les deux tranches comprend l'application d'une légère pression à l'intérieur de la vessie, cette pression étant d'environ 14 k Pa La presse est ensuite chauffée à 850 'C, puis, lorsque cette température est atteinte, la pression est élevée à 420 k Pa et elle est maintenue à cette valeur pendant 6 heures à la température de 8500 C La température est choisie de manière à être supérieure à la température de fusion de B 203, mais insuffisamment élevée pour ré- duire notablement la durée de vie de la vessie en acier inoxydable Le temps de séjour relativement long permet aux concentrations locales de B 203 de passer dans les évidements de la tranche de diaphragme, et il permet éga- lement une certaine diffusion initiale du B 203 dans le Si O 2 Au bout du temps de séjour, la pression est élimi- née, puis la presse est refroidie. Ensuite, dans le procédé de traitement selon l'in- vention, la paire de tranches jointes est retirée de la presse et placée dans un four classique de diffusion o elle est chauffée à 10350 C pendant environ 2 heures afin que la diffusion finale du B 203 dans le Si O 2 ait lieu. Le bore a pour autre effet, pendant cette étape de diffu- sion, de doper la surface exposée finale de la tranche de mesure par diffusion à partir de la source de B 203 Au- trement dit, le bore diffuse davantage dans la tranche 10 de mesure de sorte que, lorsque cette dernière est ensuite rodée au cours de la poursuite du traitement, la partie de la tranche de mesure dopée au bore peut être aisément mise à découvert lors d' une opération suivante de gravure ou d' attaque chimique. La figure le montre la paire de tranches associées après cette étape finale de diffusion dans un four classique de diffusion, cette figure montrant les couches diffusées et combinées 22 d'oxyde de bore et de dioxyde de silicium. Après cette étape de diffusion, la couche ou tranche 10 est rodée mécaniquement afin de former une couche mince comme montré sur la figure lf L'épaisseur de la couche de mesure après ce rodage mécanique est de l'ordre de 12,5 à 63,5 micromètres. Une autre caractéristique de l'invention, à ce stade, est que la tranche 10 de mesure est de préférence gravée dans un bain d'attaque chaud et caustique, tamponné à l'alcool, afin que la partie de silicium légèrement dopé i O de la tranche de mesure soit éliminée ou retirée pour qu'il ne reste que la pellicule riche en bore qui constitue essentiellement tout ce qui reste de la tranche 10 de mesu- re après cette opération de traitement L'attaque chimique permet de conférer à la pellicule une surface 45 extrêmement plane, constituant une base nettement meilleure que toutes celles produites jusqu'à présent pour les jauges de con- trainte formées ensuite sur elle La pellicule 10 de mesu- re ainsi obtenue est en outre extrêmement uniforme, l'uni- formité atteignant un degré inconnu jusqu'à présent Le seuil de résistance à l'attaque est compris entre environ 1019 et 1 1020 atomes de bore par cm 3 de la pellicule résultante restant de la couche de mesure. La partie 16 en surplomb de la couche 10 de mesure, montrée sur la figure lg,est ensuite éliminée mécaniquement, au-dessus de l'évidement 42 de la couche 12 de diaphragme. Une caractéristique de l'invention est que, comme mentionné précédemment, le profil évidé 42 est réalisé dans la couche 12 de diaphragme afin d'améliorer l'uniformité de la liai- son de la diffusion dioxyde de silicium/oxyde de bore d'une couche dans l'autre, lors de la jonction par diffusion de la couche 10 de mesure sur la couche 12 de diaphragme, à des températures et pressions de travail plus faibles Une fois que l'élimination mécanique de la partie 16 en sur- plomb a eu lieu, la paire de tranches présente, en coupe, l'aspect montré sur la figure lh. Après l'enlèvement mécanique de la partie en sur- plomb, on fait croître une couche 24 d'oxyde de masquage sur la face de la paire,constituée par la tranche de me- sure, à une température de 10300 C et dans une atmosphère oxygénée et humide Cette couche d'oxyde présente une épaisseur d'environ 0,5 micromètre et son dépôt consomme 0,25 micromètre de la couche restante 10 de mesure qui a à présent la forme d'une pellicule, comme décrit précé- demment La pellicule 24 d'oxyde est montrée sur la figure hi. Par conséquent, ainsi que l'homme de l'art peut l'apprécier, le procédé décrit ci-dessus permet la prépa- ration d'une tranche pouvant être utilisée comme transduc- teur de pression à diaphragme en silicium, pouvant fonc- tionner à des températures élevées De plus, en apportant certaines modifications aux opérations décrites, on peut préparer également des semiconducteurs Les opérations de traitement effectuées utilisent des paramètres de travail qui sont notablement réduits par rapport à ceux utilisés dans l'art antérieur, ce qui rend le procédé idéal pour l'application de techniques de production en grande série, en raison des exigences réduites de pression et de tempéra- ture ainsi que des opérations mécaniques moins complexes. Il convient de noter que la paire de tranches pro- duites par les opérations décrites ci-dessus peut ensuite être soumise à d'autres opérations classiques entrant dans la préparation du transducteur de pression à diaphragme, ces opérations portant sur l'assemblage des deux tranches avec les autres pièces du transducteur Ainsi, le pont de jauges de contrainte ou extensomètres est réalisé par gra- vure dans la couche d'oxyde que l'on a fait croître sur la couche 10 de mesure Cette opération de gravure ou d'attaque chimique est effectuée dans une solution de fluorure acide et est suivie d'une autre opération d'atta- que pour former le pont dans la pellicule 10 de mesure, avec utilisation, comme matière d'attaque,d'un mélange de fluorure d'hydrogène et d'acide nitrique Après que ce pont de jauges de contrainte ait été formé par attaque dans la couche 24 d'oxyde et dans la couche 10 de mesure, la paire de tranches est de nouveau masquée et des fenê- tres sont ouvertes dans la couche 24 d'oxyde en vue d'opé- rations de métallisation Ensuite, de l'aluminium est dé- posé et les zones de "contact" et de "conducteurs" sont définies par des procédés de photo-traitement,, En outre, la pellicule d'aluminium est frittée sur la pellicule de mesure. Après l'exécution de ces diverses opérations, la paire de tranches est découpée en capteurs de pression individuels qui sont acceptés ou rejetés par tri Les fils de connexion en aluminium sont ensuite reliés de manière classique et les capteurs de pression individuelle sont pliés par soudure-verre au support de silicium, et assem- blés avec les autres pièces du transducteur à l'aide de résines organiques à haute température. Il apparait donc que l'invention concerne un pro- cédé permettant de satisfaire un besoin en mesures de pres- sion sous des températures communément atteintes, à l'aide de transducteurs de pression piézorésistifs en silicium, conçus pour étendre leur plage de fonctionnement et pour pouvoir travailler sous des températures élevées, supé- rieures au maximum précédent qui était de 1500 C, ces tem- pératures pouvant atteindre au moins 3000 C et, dans certains cas, 4500 C, car les jauges de contrainte sont convenablement isolées du diaphragme aux températures élevées De plus, le procédé selon l'invention permet d'obtenir ces transducteurs de pression sous des dimensions miniaturisées, tout en leur conférant une grande sensibilité, de faibles constantes de temps et l'absence d'hystérésis. Les transducteurs et semiconducteurs obtenus par le procédé de l'invention peuvent être aisément fabriqués par la mise en oeuvre de techniques de production en grande série utilisant des températures et des pressions de tra- vail relativement basses Ces paramètres de travail peu contraignants rendent le procédé de l'invention et le pro- duit obtenu par ce procédé particulièrement intéressants en ce qui concerne le coût, comme celà est évident à l'homme de l'art Toutes les caractéristiques indiquées précédemment rendent particulièrement intéressants,du point de vue commercial, le procédé et le produit selon l'invention. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif à utiliser comme transducteur de pression et semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte une tranche ( 12) de silicium, dans une première face de laquelle du dioxyde de silicium et de l'oxyde de bore ont diffusé, tandis que ladite face reçoit une pellicule ( 10), provenant d'une tranche de silicium monocristallin riche en bore; la pellicule ( 10) ayant une épaisseur uniforme et une concentration de bore, sur toute son étendue, comprise entre environ 5 1019 et 1 1020 atomes de bore par centimètre cube de pellicule. 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'un ensemble de diaphragmes ( 14) de pression, à concentration de contraintes a été formé par attaque, dans la seconde face de la tranche de silicium ( 12), les caractéristiques linéaires de ces diaphragmes ( 14) pouvant être parallèles entre elles et alignées dans la direction i 107. 3 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la pellicule ( 10) provient d'une tranche ( 10) de mesure et est orientée ( 100) et indexée /1107, la tranche ( 12) de silicium étant aussi orientée ( 100) et indexée /11-7; un pont de jauges de contrainte pouvant être réalisé par attaque, notamment dans la pellicule ( 10) provenant de la tranche de mesure en silicium ( 12). 4 Dispositif selon la revendication 1 à utiliser en particulier comme transducteur à haute pression, caracté- risé en ce qu'il comporte une tranche de silicium ( 12) orientée ( 100), sur une première face polie de laquelle est formé, par attaque, un ensemble de diaphragmes ( 14) de pression à concentration de contraintes, dont les caracté- ristiques linéaires sont parallèles entre elles et alignées dans la direction /1107; une pellicule ( 10) provenant d'une tranche de mesure en silicium et riche en bore, étant dépo- sée sur la seconde face de la tranche de silicium ( 12), cette pellicule ( 10) étant orientée ( 100) et indexée /1107; une couche ( 24) d'oxyde de masquage étant formée par croissance sur la face de la pellicule ( 10) opposée à celle en contact avec la tranche de silicium ( 12); et un pont de jauges de contraintes étant réalisé par attaque, dans la couche ( 24) d'oxyde de masquage et dans ladite pellicule ( 10) de la tranche de mesure. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la pellicule ( 12) de la tranche à jauges de contrainte présente une épaisseur uniforme et une concentra- tion de bore, sur toute son épaisseur, comprise entre envi- ron 5 1019 et 1 10 atomes de bore par centimètre cube de pellicule. 6 Dispositif selon la revendication 1 à utiliser en particulier comme semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte une couche isolante ( 18) ,en dioxyde de silicium, constituant un support mécanique pour ledit dispositif et ayant une teneur en oxyde de bore de 15 % ou moins; une couche électriquement active ( 10) en silicium monocristallin, d'une épaisseur uniforme d'environ 1 micromètre, et de telle sorte que des résistances, des transistors à effet de champ ou des piézorésistances puissent être formés dans cette couche électriquement active ( 10); la couche isolante ( 18) se comportant comme un radiateur de chaleur pour ladite couche électriquement active ( 10). 7 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que la couche isolante ( 18) est réalisée de manière à engendrer une contrainte globale et une contrainte concentrée localement, dans ladite couche active ( 10).