Brevet FR2687779A1 — publié le 19930827

MICRO-CAPTEUR CAPACITIF À PROTECTION LATÉRALE ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne le domaine des micro- capteurs capacitifs en silicium De tels micro-capteurs peuvent par exemple constituer des capteurs de pression, des capteurs d'accélération Ces dernières années, se sont développés de nouveaux types de micro-capteurs en silicium, tirant partie des techni- ques de gravure du silicium développées dans le cadre de la fabrication des composants électroniques à semiconducteurs Au début, de tels microcapteurs étaient constitués de l'assemblage de plaquettes de silicium convenablement gravées et de lames minces de verre servant de boîtier étanche ou de plaques de séparation isolantes entre des plaquettes de silicium, ces lames de verre portant éventuellement divers motifs d'électrodes métalliques. On tend actuellement à développer des micro-capteurs entièrement en silicium, sans plaque de verre jouant un rôle actif Des exemples très schématiques de tels capteurs sont illustrés en figures 1 et 2. Le capteur de la figure 1 est un capteur d' accéléra- tion et le capteur de la figure 2 un capteur de pression Chacun de ces capteurs comprend une plaquette de silicium centrale 1 prise en sandwich entre des plaquettes de silicium externes 2 et 3 L'isolement entre les plaquettes est assuré par une première bande isolante, généralement une couche d'oxyde de silicium, 5 entre les plaquettes 1 et 2 et une deuxième bande isolante 6 entre les plaquettes 1 et 3 Ces bandes isolantes prennent la forme d'un cadre disposé entre des plaquettes adjacentes, le long des bords de celles-ci Des couches d'oxyde peuvent être obtenues par croissance ou dépôt à partir de l'une des plaquet- tes adjacentes Une fois les trois plaquettes appliquées les unes contre les autres, une soudure est réalisée par un recuit à une température de 900 à 1100 C Pour cela, la pratique montre qu'il convient que les surfaces de silicium et d'oxyde de sili- cium en regard aient de très faibles rugosités, par exemple inférieures à 0,5 nm Les plaquettes de silicium extrêmes 2 et 3 définissent entre elles et avec la partie de cadre de la pla- quette de silicium 1 une région dans laquelle est contenue une atmosphère contrôlée, par exemple une atmosphère à très faible pression, appelée vide. La description précédente s'applique communément aux micro-capteurs des figures 1 et 2. Dans le cas de la figure 1, qui représente schémati- quement une vue en coupe d'un accéléromètre, la plaquette de silicium centrale 1 est gravée avant assemblage pour comprendre un cadre et une plaque centrale ou masselotte 8 fixée au cadre par des barres minces de suspension 9 Une seule barre apparaît dans la vue en coupe schématique de la figure 1 De façon clas- sique, on utilisera des systèmes de suspension à deux ou quatre barres Les plaquettes externes 1 et 3 délimitent avec le cadre formé à la périphérie de la plaquette centrale un espace vide. On détecte les variations de capacité entre la face supérieure de la masselotte et la plaquette de silicium 3 et éventuellement également entre la face inférieure de la masselotte et la pla- quette inférieure 2 Quand le dispositif est soumis à une accélération, la masselotte 8 se déplace par rapport à l'ensem- ble du dispositif et les capacités susmentionnées varient Il est également généralement prévu un asservissement électrosta- tique pour maintenir en place la masselotte par application d'un champ électrique continu et c'est alors le signal d'erreur qui donne une indication de la variation de capacité. La figure 2 représente très schématiquement une struc- ture constituant un capteur de pression La plaquette inférieure 2 est gravée pour y former une membrane mince 11 La plaquette 1 est gravée pour former un plot 12 appuyé sur cette membrane Une lamelle de silicium 13 s' étend entre ce plot et le cadre de la plaquette 1 A nouveau, l'espace délimité par la plaquette supé- rieure, la plaquette inférieure et le cadre de la plaquette cen- trale définit un espace vide Des variations de pression externe déforment la membrane 11 et entraînent une déformation de la tension de la lamelle 13 Cette variation de tension entraîne une variation de la fréquence de résonance du résonateur capa- citif constitué par la lamelle 13 et la surfaoe en regard de la plaquette 3 De préférence, la face interne de la plaquette 3 est gravée pour former une bande en saillie en face de la lamelle 13. Dans le cas de la figure 1, des électrodes 21, 22 et 23 doivent être respectivement solidaires des plaquettes 1, 2 et 3 Dans le cas de la figure 2, seules les électrodes 21 et 23 seront nécessaires. Ces structures de l'art antérieur, qu'elles utilisent directement une mesure de capacité ou une mesure de fréquence de résonance présentent l'inconvénient que ces mesures sont forte- ment affectées par la présence de capacités parasites élevées. Ces capacités parasites correspondent essentiellement aux capa- cités entre le cadre formé dans la plaquette 1 et les parties en regard de la plaquette supérieure et/ou inférieure, capacités dont le diélectrique est constitué par les couches d'isolant (oxyde de silicium) 5 et 6. Non seulement ces capacités parasites ont une valeur élevée mais en plus cette valeur est variable Cette variation pouvant notamment résulter d'un dépôt de matière polluante ou d'humidité sur les faces latérales du dispositif dans les zones d'affleurement des couches isolantes 5 et 6 En outre, en pra- tique, la fabrication d'un micro-capteur tel que celui de la figure 1 ou 2 résulte d'un procédé collectif, chaque plaquette faisant initialement partie d'une tranche de silicium de plus grande dimension, la séparation en capteurs individuels se fai- sant après les opérations finales d'assemblage et éventuellement de formation de contact Généralement, cette séparation est effectuée par sciage et, lors du sciage, des particules de sili- cium peuvent être entraînées vers les zones d'affleurement susmentionnées ce qui augmente la valeur des capacités parasites et peut même au pire court-circuiter deux plaquettes de sili- cium. Un objet de la présente invention est de prévoir une structure de micro-capteur permettant d'éviter l'apparition de tels court-circuits totaux ou partiels susceptibles d'affecter les capacités associées aux faces latérales des micro-capteurs. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une structure de micro-capteur permettant d'éviter l'apparition de variation de capacités parasites en fonction de l'environ- nement dans lequel est placé le micro-capteur. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un micro-capteur capacitif comprenant un sandwich de trois plaquettes de silicium, une bande périphérique de chaque fac de la plaquette centrale étant accolée à une bande correspondante de la face en regard d'une plaquette externe par l'intermédiaire d'une bande isolante, dans lequel les faces latérales du sand- wich sont encochées au niveau de l'affleurement de chacune des bandes isolantes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les encoches sont remplies d'un produit de protection. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les faces latérales du dispositif sont entièrement revêtues d'un produit de protection. La présente invention prévoit aussi un procédé de fabrication d'un micro-capteur capacitif qui consiste à assem- bler trois plaquettes de silicium séparées entre elles, au moins au niveau de leur pourtour, par une bande isolante, chacune de ces plaquettes faisant initialement partie d'une tranche de silicium, des dispositifs individuels étant formés par découpe de l'assemblage de tranches, dans lequel, avant assemblage, une rainure est formée sur l'une au moins des faces de chacune de deux plaquettes en regard dans la région de découpe, oette rainure étant plus large que la zone de découpe. Selon un mode de réalisation de ce procédé, on prévoit les étapes consistant à former d'abord une découpe partielle de l'ensemble des trois tranches, jusqu'à découper les deux pre- mières tranches en laissant en place au moins une partie de l'épaisseur de la troisième tranche, à remplir le sillon ainsi formé d'un produit de protection, puis à effectuer une nouvelle découpe pour séparer complètement l'assemblage en dispositifs individuels La deuxième découpe est effectuée avec une scie moins large que celle ayant servi à la première découpe. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 et 2 décrites précédemment sont des vues en coupe schématique d'un micro-capteur d'accélération et d'un micro-capteur de pression selon l'art antérieur; la figure 3 est une vue en coupe d' une partie de la zone de séparation entre deux micro-capteurs avant découpe; et la figure 4 A est une vue en coupe d'une partie de la zone de séparation entre deux micro-capteurs lors d'une phase intermédiaire de découpe; et la figure 4 B est une vue en coupe d'un bord d'un micro-capteur après une découpe selon la présente invention. Dans les diverses figures, les épaisseurs relatives des diverses couches et les dimensions latérales des divers éléments ne sont pas à l'échelle mais ont été tracées arbitrai- rement pour faciliter la lisibilité des figures et en simplifier le dessin. La figure 3 est une vue en coupe représentant une partie d'un assemblage de trois plaques ou tranches de silicium 1, 2 et 3 dans une zone o devra être effectuée une découpe de séparation entre deux dispositifs élémentaires La région de découpe est marquée par deux traits en pointillés 30 dont l'écart symbolise la largeur d'un trait de scie (par exemple 0,2 à 0,3 mm) Pour fixer des ordres de grandeur, on rappelera que chacune des tranches de silicium 1, 2, 3 a classiquement une épaisseur de l'ordre de 0,3 à 0,4 mm et les couches d'oxyde isolantes 5 et 6 entre les plaquettes une épaisseur de l'ordre du micromètre. La présente invention prévoit de former dans les pla- ques, avant assemblage de celles-ci, des rainures 31 et 32 dans les zones o doivent passer les traits de scie Chacune de ès rainures est plus large que la largeur de découpe, par exemple de l'ordre de 0,4 à 0, 5 mm et a une profondeur supérieure à l'épaisseur de la couche d'oxyde, par exemple de l'ordre de 10 à 50 micromètres Ainsi, la scie, dans son passage, ne vient plus toucher le bord apparent des couches d'oxyde 5 et 6 et il n'y a donc plus de risque d'y "coller" des particules de silicium. Dans 1 'exemple représenté, la rainure 31 est formée dans la tranche de silicium 3 et la rainure 32 dans la tranche de silicium 2 On notera que l'une et/ou l'autre de ces rainures pourraient aussi bien être formées dans la tranche centrale 1. La structure illustrée en figure 3 permet d'éviter les dépôts de particules de silicium sur les bords des couches d'oxyde mais n'évite pas les phénomènes de variation de capacité liés par exemple à des dépôts d'humidité sur les parois laté- rales des dispositifs. Pour résoudre également ce problème, la présente invention prévoit d'effectuer un sciage partiel, tel qu'illustré en figure 4 A, en traversant par exemple les tranches de silicium 3 et 1 jusqu'à arriver à hauteur de la rainure 32 Une fois cette première découpe effectuée, le sillon formé est rempli d'un produit de protection minéral ou organique 33 qui vient protéger les bords apparents des couches d'oxyde 5 et 6 Un deuxième sciage complet est ensuite effectué à travers l'en- semble du dispositif, en redécoupant le produit de protection 33. De préférence, la première découpe est effectuée avec une scie relativement large, par exemple d'une largeur de lame de 0,3 mm et la deuxième découpe avec une scie de largeur plus faible, par exemple 0,2 mm, de sorte qu' il reste en place sur les faces latérales de chacun des dispositifs une certaine épaisseur de produit de protection en plus du produit de protec- tion ayant pénétré dans les encoches ménagées au niveau des interfaces latérales entre les plaquettes On obtient alors une structure telle que celle représentée en figure 4 B qui permet de résoudre les problèmes exposés en objet. Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec une structure particulière de micro-capteur comprenant un sandwich de trois tranches de silicium séparées latéralement par une couche d'oxyde, la présente invention s'ap- plique à d'autres types de micro-capteur dans lesquels la couche isolante serait autre qu'une couche d'oxyde, par exemple un sandwich d'une couche isolante, d'une couche conductrice et d'une couche isolante. REVENDICATIONS 1 Micro-capteur capacitif comprenant un sandwich de trois plaquettes de silicium ( 1, 2, 3), une bande périphérique de chaque face de la plaquette centrale étant accolée à une ban- de correspondante de la face en regard d'une plaquette externe par l'intermédiaire d'une bande isolante ( 5, 6), caractérisé en ce que les faces latérales dudit sandwich sont encochées au niveau de l'affleurement de chacune desdites bandes isolantes. 2 Micro-capteur capacitif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites encoches sont remplies d'un produit de protection ( 33). 3 Micro-capteur capacitif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les faces latérales du dispositif sont entièrement revêtues d'un produit de protection ( 33). 4 Procédé de fabrication d'un micro-capteur capacitif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à assembler trois plaquettes de silicium séparées entre elles, au moins au niveau de leur pourtour, par une bande isolante, cha- cune de ces plaquettes faisant initialement partie d'une tranche de silicium, des dispositifs individuels étant formés par décou- pe de l'assemblage de tranches, caractérisé en ce que, avant ledit assemblage, une rainure ( 31, 32) est formée sur l'une au moins des faces de chacune de deux plaquettes en regard dans la région de découpe, ladite rainure étant plus large que la zone de découpe. 5 Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à former d'abord une découpe partielle de l'ensemble des trois tranches, jusqu'à découper les deux premières tranches en laissant en place au moins une partie de l'épaisseur de la troisième tranche, à remplir le sillon ainsi formé d'un produit de protection ( 33), puis à effectuer une nouvelle découpe pour séparer complètement l'assemblage en dispositifs individuels. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la deuxième découpe est effectuée avec une scie moins large que celle ayant servi à la première découpe.