Brevet FR2577362A1 — publié le 19860814

PROCEDE DE FABRICATION DE RESONATEURS A QUARTZ A HAUTE FREQUENCE La présente invention est relative à un procédé de fabrication de résonateurs à quartz travaillant dans une gamme de fréquences relativement élevée pouvant aller typiquement de 20 à 100 MHz. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des résonateurs à quartz fonctionnant dans le mode à cisaillement d'épaisseur. - On sait que dans ce genre de résonateurs, la fréquence de fonctionnement dépend directement de l'épaisseur du cristal actif (US-A-3.694.677). Pour atteindre des fréquences aussi élevées que celles mentionnées ci-dessus, l'épaisseur de l'élément résonnant est extrêmement faible (de l'ordre de quelques microns à une centaine de microns), de sorte que les opérations d'usinage mécanique sont totalement inappropriées. En outre, la manipulation des éléments est très délicate et au cours de l'utilisation, des chocs peuvent être fatals et provoquer la rupture de l'élément. C'est pourquoi, dans le brevet américain précité, on envisage d'une part de munir l'élément résonateur d'une bordure de renfort, nettement plus épaisse que l'est le résonateur lui-même et, d'autre part, de ne procéder de préférence qu'à des opérations d'usinage non mécaniques telles que la gravure chimique ou ionique tout au moins dans le dernier stade du processus conduisant à l'épaisseur souhai- tée de l'élément résonnant. Si ces deux précautions peuvent dans une certaine mesure résoudre les problèmes mécaniques évoqués ci-dessus, il subsiste néanmoins des difficultés qui résident dans le couplage trop important qu'a l'élément résonateur avec la bordure de renfort. Ceci conduit à des résonances parasites et d'une façon générale à une caractéristique médiocre du résonateur. Le US-A-4.135.108 décrit un résonateur à quartz du type dans lequel le quartz est monté en tant que diélectrique entre les armatures d'un condensateur, ces armatures étant prévues sur des plaques qui tiennent le résonateur en place. A cet effet, ce dernier peut comprendre un anneau périphérique coincé entre les plaques et séparé de l'élément résonateur proprement dit par des zones amincies qui peuvent prendre la forme de simples pattes de connexion radiales entre l'anneau périphérique et l'élément résonateur. L'anneau, les pattes amincies et l'élément résonateur sont d'une seule pièce et la forme de l'ensemble est obtenue par usinage tel que l'abrasion, l'attaque chimique ou analogue. Dans certains cas, cet ensemble peut avoir une épaisseur globale uniforme, à l'excep- tion des pattes de connexion, les surfaces principales étant paral- lèles. L'ajustage en fréquence de l'élément résonnant peut être obtenu par enlèvement de matière, mais une telle opération d'usinage précis implique alors la totalité de la surface ou des surfaces principales de l'ensemble composé de l'anneau, des pattes et de la partie centrale résonnante, de sorte qu'elle entraine un affaiblis- sement mécanique général de cet ensemble y compris de l'anneau extérieur. Celui-ci perd donc son rôle de renfort mécanique et ne sert en définitive que d'organe de fixation. Bien que cette disposi- tion conduise à un meilleur découplage par rapport au support, il reste qu'elle est fragile et supporte difficilement les manipula- tions. Or, si l'anneau est relativement mince, la réduction de l'épaisseur de la partie centrale ne peut être aussi importante que l'on pourrait le souhaiter, compte tenu des fréquences élevées de résonance à obtenir. L'invention a pour but de fournir un procédé de fabrication d'un résonateur à quartz et le produit en résultant, qui permettent d'allier la rigidité mécanique du résonateur à une fréquence aussi élevée que 100 MHz. Elle a donc pour objet un procédé de fabrication de résonateurs à quartz, notamment à coupe AT et à mode de vibration en cisaille- ment d'épaisseur, chaque résonateur comportant un élément central actif entouré d'un cadre de renfort dont il est séparé par au moins un organe de connexion de moindre épaisseur, ce procédé consistant à soumettre un substrat en quartz à faces parallèles à des opérations sélectives de gravure chimique et de photolithographie, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à réduire l'épaisseur du substrat dans la zone marginale correspondant à l'organe de conne- xion de chaque résonateur, tout en conservant celles correspondant audit élément central et audit cadre de renfort puis à réduire davantage l'épaisseur de ladite zone marginale simultanément à une réduction d'épaisseur de la partie centrale, cette deuxième réduction d'épaisseur n'affectant pas non plus l'épaisseur dudit cadre de renfort. L'invention a également pour objet un résonateur obtenu par le procédé tel que défini ci-dessus. Ce résonateur, conforme à l'invention, présente l'avantage d'allier une fréquence fondamentale élevée à une résistance mécani- que et un découplage des vibrations très satisfaisants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî- tront plus clairement à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexes sur lesquels: - les figures lA à 9B illustrent respectivement par des vues en coupe et des vues en plan, un mode de mise en oeuvre préféré du procédé de fabrication suivant l'invention; - les figures 10 et 11 sont des vues en plan de deux variantes d'un résonateur obtenues par ce procédé. Selon ce procédé, on prépare tout d'abord une plaquette en quartz (Wafer) selon la technique classique. Cette plaquette est de préférence de coupe AT pour permettre l'établissement d'un mode de cisaillement d'épaisseur dans les résonateurs que l'on se propose d'y fabriquer. Cette plaquette ou substrat 1 est ensuite revêtue sur ses deux faces de métallisations pouvant être constitutées de deux couches superposées métalliques, respectivement une couche de chrome 2 o d'environ 200 A d'épaisseur et en une couche d'or 3 d'environ o 2'000 A. Ensuite, on délimite sur le substrat les contours des résona- teurs à obtenir ainsi que celui des réseaux de connexions mécaniques qui permettent de manipuler les résonateurs au cours des divers stades du procédé. Cette étape consiste (figure 2A) à apporter toujours sur les deux faces du substrat, un masque 4 en photo- resist. La figure 2B montre ainsi le contour d'un seul résonateur 5 que l'on voit muni de pattes de connexion 6 destinées à relier le résonateur à une bande de connexion 7. On procède ensuite à une attaque chimique sélective des couches d'or puis de chrome pour mettre à nu les faces du substrat en dehors des zones correspondant aux résonateurs, c'est-à-dire dans les zones qui ne sont pas masquées par le photo-resist 4. L'étape suivante du procédé consiste à placer sur les deux faces du substrat un masque permettant de n'exposer à la lumière que des zones en forme de cadre 8 (figure 3B) dans chaque partie du substrat correspondant à un résonateur. On expose à la lumière et on dévelop- pe le photo-resist de manière à former une rainure 9 (figure 3A) dans le photo-resist. On procède alors à la mise en place d'un autre masque sur l'ensemble ainsi traité, ce masque permettant d'exposer à la lumière les parties centrales 10 des résonateurs délimités par les rainures 9. Toutefois, on ne procède pas encore au développement de ces parties centrales après l'exposition à la lumière ce qui est repré- senté par des hâchures croisées sur les figures. Le substrat présen- te alors la configuration représentée à la figure 4. On procède alors à l'attaque chimique du substrat lui-même pour séparer les résonateurs les uns des autres tout en conservant la bande de connexion 7 et les pattes de connexion 6 représentées aux figures 2B et 3B. Le substrat a alors la configuration représentée sur la figure 5. L'étape suivante consiste à effectuer une attaque chimique sélective des portions de métallisation se trouvant en-dessous des rainures 9 du photoresist suivie d'une attaque du quartz permettant de ménager dans le substrat lui-même une rainure 11 à l'aplomb des rainures 9 du photo-resist. Le substrat présente alors la configura- tion de la figure 6. Le stade suivant consiste à développer le photo-resist déjà exposé de la partie centrale 10 suivi d'une attaque sélective des couches de métal sous-jacentes pour mettre à nu le quartz de la partie centrale. La figure 7 montre la configuration qui est obtenue après les opérations qui viennent d'être décrites. Le substrat 1 comporte une partie centrale lA destinée à devenir le résonateur proprement dit, une partie de connexion mécanique lB qui va assurer le découplage des vibrations de la partie centrale, et un cadre de renfort 1C entourant l'ensemble. Pour l'instant la partie 1C est encore cou- verte de métallisations et de photo-resist. 25773,62 A partir de la configuration de la figure 7 et suivant une caractéristique essentielle de l'invention, on procède alors de nouveau à une attaque chimique du substrat pour en réduire et ajuster l'épaisseur, c'est-à-dire de la partie active lA et de la partie de connexion lB. Ensuite, le restant du photo-resist et les couches de métal subsistant encore sont enlevés moyennant quoi on obtient la configu- ration de la figure 8. Le dernier stade du procédé consiste à apporter deux électrodes 12 et 13 par métallisation conformément aux figures et 9A et 9B. Il y lieu de noter deux remarques importantes à propos du procédé que l'on vient de décrire. 1. Le résonateur qui est finalement obtenu comporte ainsi la partie centrale 1A d'épaisseur t1 déterminant la fréquence fonda- mentale. L'épaisseur t1 peut être choisie entre 16p à 160p pour une fréquence pouvant aller de 100 MHz à 10 MHz environ, ces valeurs n'étant indiquées ici qu'à titre indicatif. La partie centrale est entourée de la partie de connexion lB d'épaisseur t2 qui peut être choisie dans une fourchette allant de 10p à une valeur s'approchant de t1, une valeur inférieure de 5% donnant déjà d'excellents résul- tats sur le plan du découplage des vibrations. Enfin, la partie de connexion lB est entourée d'une ceinture ou d'un cadre de renfort 1C dont l'épaisseur t3 peut être nettement plus élevée que t1 et t2, une valeur située entre 0,08 et 0,2 mm s'étant avérée favorable. 2. Toutes les opérations de masquage sont effectuées avant que les résonateurs ne soient séparés les uns des autres, l'exposition de la partie centrale 10 (figure 3B) ayant lieu préalablement à l'opération de découpe (passage de la figure 4 à la figure 5). Cette caractéristique particulière permet de réduire considérablement les défauts de fabrication puisque toutes les manipulations intensives nécessaires pour le masquage et l'insolation sont réalisées alors que le substrat de la pastille de quartz possède encore son integri- té. Dans ce qui précède, on a supposé que la partie active 1A du résonateur est attachée au cadre de renfort 1C sur toute la périphé- rie de cette partie active. Or, comme représenté aux figures 10 et 11, on peut également réaliser des fentes 14 traversant le substrat de part en part, lorsqu'on procède à l'opération de séparation des résonateurs (passage de la figure 4 à la figure 5). Il en résulte en définitive que le résonateur comporte simplement des pattes de connexion reliant le cadre de renfort à la partie active. Sur la figure 10, ces pattes de connexion portent la référence 15 et sont au nombre de deux tandis que sur la figure 11 les pattes sont indiquées par la référence 16 et sont au nombre de quatre. Bien entendu, d'autres variantes peuvent être imaginées à partir de ce que l'on vient de décrire. En particulier, il est possible de faire varier le nombre des pattes de connexion à la manière des réalisations des figures 10 et 11. En particulier, il est possible de ne prévoir qu'une seule de ces pattes, de manière à obtenir un montage en porte-à-faux de la partie centrale du résonateur. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de résonateurs à quartz, notamment à coupe AT et à mode de vibration en cisaillement d'épaisseur, chaque résonateur comportant un élément central actif (1A) entouré d'un cadre de renfort (1C) dont il est séparé par au moins un organe de connexion (lB) de moindre épaisseur, ce procédé consistant à soumet- tre un substrat en quartz à faces parallèles (1) à des opérations sélectives de gravure chimique et de photolithographie, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à réduire l'épaisseur du substrat (1) dans la zone marginale (8) correspondant à l'organe de connexion (lB) de chaque résonateur, tout en conservant celles correspondant audit élément central (lA) et audit cadre de renfort (18), puis à réduire davantage l'épaisseur de ladite zone marginale (11) simultanément à une réduction d'épaisseur de la partie centra- le, cette deuxième réduction d'épaisseur n'affectant pas non plus l'épaisseur dudit cadre de renfort (1C). 2. Procédé suivant la revendication I caractérisé en ce- qu'il consiste, préalablement à l'exécution de la première réduction d'épaisseur, à revêtir le substrat (1) d'une couche de photo-resist (4), à ouvrir une rainure (9) dans cette couche au-dessus de ladite zone marginale (8) et à attaquer la zone du substrat sousjacente jusqu'à obtention de la première épaisseur. 3. Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce que la seconde opération de réduction d'épaisseur consiste à éliminer la couche de photoresist au-dessus de ladite partie centrale (lA) du substrat (1) puis à attaquer les parties (1A, lB) mises à nu du substrat, jusqu'à obtention de l'épaisseur (tl) de cette partie centrale (1A) correspondant à la fréquence à obtenir. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite première réduction d'épaisseur est précédée d'une opération de découpe par attaque chimique dudit substrat pur délimiter les résonateurs dans celui-ci. 5. Procédé suivant les revendications 2 et 4 prises ensembles caractérisé en ce que ladite opération de découpe est exécutée à l'aide de ladite couche de photo-resist (9). 6. Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce que ladite opération de découpe consiste également à pratiquer au moins une fente (14) dans le substrat à l'endroit de ladite zone marginale (1B) à l'exception du ou desdits organes de connexion (lB, 15,16). 7. Procédé suivant la revendication 6 caractérisé en ce qu'il consiste à insoler ladite couche de photo-resist (9) dans la zone correspondant à ladite partie centrale (lA) préalablement à ladite opération de découpe et à développer la partie correspondante (10) de cette couche de photo-resist (9) postérieurement à ladite opéra- tion de découpe mais antérieurement à ladite première opération de réduction d'épaisseur. 8. Résonateur obtenu selon le procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une partie centrale active (1A) d'épaisseur t1 bordée d'un cadre de renfort d'épaisseur t3 auquel elle est reliée mécaniquement par au moins un organe de connexion d'épaisseur t2, avec t3 > t1> t2. 9. Résonateur suivant la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend un seul organe de connexion entourant la totalité de ladite partie centrale (1A). 10. Résonateur suivant la revendication 9 caractérisé en ce que ledit ou chaque organe de connexion se présente sous la forme d'une patte (15, 16), le restant de ladite zone marginale étant occupé par une fente (14) traversant le substrat d'une face à l'autre.