Brevet FR2704949A1 — publié le 19941110

" Procédé pour la fabrication de capteurs et capteur fabri- qué selon ce procédé " Etat de la technique L'invention part d'un procédé pour la fabrication de capteurs, notamment de capteur d'accélération, en creu- sant par mordançage des tranchées dans une plaque compor- tant plusieurs couches en silicium monocristallin. L'invention concerne également un capteur fabriqué selon ce procédé. Par le brevet allemand DE 40 00 903, on connaît déjà un procédé pour la fabrication de capteur d'accéléra- tion, procédé dans lequel des tranchées sont mises en oeu- vre par mordançage dans une plaque à deux couches en silicium monocristallin. Grâce à ces tranchées, est dégagée à partir de la couche supérieure, la structure d'un capteur d'accélération avec une languette flexible accrochée à un support et une contre électrode. La languette flexible et la contre électrode sont toutes deux fixées sur la seconde couche qui constitue un substrat en forme de plaque. La languette flexible et la contre électrode sont isolées par rapport à ce substrat en forme de plaque par une jonction pn. La mobilité de la languette flexible est obtenue par mordançage du substrat en forme de plaque au-dessous de la languette flexible. Avantages de l'invention Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est créée une plaque stratifiée, dans laquelle, entre une couche supérieure et une couche inférieure en si- licium monocristallin est disposée une couche de mordan- çage, en ce que dans la couche supérieure par mise en place de tranchées, qui s'étendent jusqu'à la couche de mordan- çage, une structure est constituée, et en ce que la couche de mordançage est enlevée au moins sous une partie de cette structure et présente par contre un avantage que du fait de l'utilisation d'une couche de mordançage entre les deux plaques de silicium, un processus de fabrication est créé dont les étapes de mordançage peuvent être contrôlées de façon particulièrement exacte. Grâce à la bonne possibilité de contrôle des étapes de mordançage, des précisions dimen- sionnelles élevées peuvent être obtenues lors de la fabri- cation de capteur bien que la conduite du processus soit simple et sans problème. Le capteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'entre l'élément capteur mobile et le substrat, est disposée une couche isolante, notamment en oxyde de sili- cium ou bien en nitrure de silicium et présente une isola- tion particulièrement bonne de ces différentes parties constitutives les unes par rapport aux autres et permettent ainsi l'utilisation d'une structure de mesure particulière- ment simple pour mesurer la capacité entre la languette flexible et la contre électrode. Grâce à l'utilisation de matériaux isolants pour la couche de mordançage, cette couche peut être utilisée pour l'isolation des parties constitutives du capteur. En outre, des matériaux isolants peuvent être mordancés sélec- tivement par rapport au silicium de façon particulièrement bonne. Grâce à la mise en oeuvre de tranchées ou de zones de diffusion, les différentes zones peuvent être isolées les unes des autres de façon particulièrement bonne et avec 3 2704949 des moyens simples. La fabrication de la plaque stratifiée s'effectue avec une dépense d'appareillage réduite grâce à l'assemblage de deux plaques de silicium. Grâce à l'implan- tation d'atomes étrangers, la fabrication de la plaque stratifiée peut s'effectuer en utilisant seulement une pla- que de silicium. Lorsque le mordançage inférieur de la structure s'effectue à travers les tranchées, seul un fa- çonnage de la plaque stratifiée d'un seul côté est ainsi nécessaire. Lors d'un mordançage à couche de mordançage à travers une ouverture de mordançage dans la couche infé- rieure de silicium, il est possible de disposer sur la face supérieure des structures qui lors d'un mordançage de cette face supérieure sont traitées en conséquence. Dessins Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés sur les dessins ci-joints et vont être exposés plus en détail dans la description ci-après. Les figures ci-jointes montrent: La figure 1 une plaque de silicium avec des ato- mes étrangers implantés. La figure 2 une plaque stratifiée formée à partir de cette implantation. Les figures 3, 4 et 5 la fabrication d'une plaque stratifiée à partir de deux plaques de silicium. La figure 6 l'isolation de différentes zones. La figure 7 un procédé de fabrication pour un capteur. Les figures 8 et 9 une section transversale et une vue de dessus d'un capteur. La figure 10 une section transversale d'un autre capteur. Description des exemples de réalisation Sur les figures 1 et 2 est représenté un procédé de fabrication pour une plaque stratifiée 5. A cet effet, comme le montre la figure 1, des atomes étrangers sont im- plantés dans une plaque de silicium 23. Cette implantation des atomes étrangers s'effectue grâce à un jet d'atomes étrangers accéléré comme le montrent les flèches. En fonc- tion de l'énergie de ce jet d'atomes étrangers, il se forme dans la plaque de silicium 23 une couche d'atomes étrangers 24. Pour un tel processus d'implantation, il peut être par exemple utilisé de l'oxygène qui est emmagasiné avec une énergie de 200 keV dans la plaque de silicium 23. La réac- tion des atomes étrangers avec le silicium de la plaque 23 est soutenue par un processus de températion. Grâce à la réaction de la couche implantée 24 avec le silicium, il est ainsi formée une couche de mordançage 3, qui est représen- tée sur la figure 2. Lors de l'implantation d'oxygène une couche d'oxyde de silicium est par exemple formée grâce à un traitement en température au-dessus de 1200 C pendant plusieurs heures. Cette couche d'oxyde de silicium convient en tant que couche de mordançage 3 et est insérée entre deux couches de silicium monocristallin 1, 2. Une plaque stratifiée 5 ainsi constituée est par exemple représentée sur la figure 2. Les deux couches de silicium 1, 2 sont constituées de silicium monocristallin et entre ces deux couches, est disposée une couche de mordançage 3 constituée d'oxyde de silicium. La couche de silicium 2 est formée par l'épaisseur résiduelle de la plaque de silicium 23 et est notablement plus épaisse que les deux couches 1, 3. Des épaisseurs de couche typique pour les couches 1 et 3 qui sont formées par implantation d'oxygène dans une tranche de silicium, se situent dans un ordre de grandeur de moins 1 x -6 m. L'épaisseur de la couche 1 peut être augmentée par un processus épitaxie. Un autre procédé pour la fabrication d'une plaque stratifiée 5 est représenté sur les figures 3 à 5. Ce pro- cédé part de plaques de silicium 20, 21 telles qu'elles sont indiquées sur la figure 3. Ces deux plaques de sili- cium 20, 21 sont assemblées par un processus dit de liaison (" bonding "). Un tel processus consiste en ce que deux plaques de silicium avec des surfaces lisses sont placées l'une sur l'autre après un éventuel traitement chimique préalable des surfaces d'assemblage et sont ensuite reliées ensemble de façon indissoluble par un traitement en tempé- rature. Les surfaces d'assemblage des tranches de silicium peuvent alors également être munies d'une couche auxiliaire qui n'est par reconstituée par du silicium. Des couches auxiliaires appropriées sont par exemple constituées d'oxyde de silicium, de nitrure de silicium ou de verre. Ces couches auxiliaires peuvent alors être prévues seule- ment sur une des surfaces d'assemblage ou sur les deux. Sur la figure 3, la plaque de silicium 21 est munie d'une cou- che d'oxyde de silicium 22. Les plaques de silicium 21 et 22 sont placées l'une sur l'autre comme l'indique les flè- ches sur la figure 3. Grâce à un processus de températion, par exemple échauffement au-dessus de 40 C pendant plu- sieurs heures, les plaques de silicium 20 et 21 sont re- liées ensemble comme cela est indiqué sur la figure 4. Les plaques de silicium 20 et 21 sont fermement reliées ensem- ble par la couche d'oxyde de silicium 22. Par un traitement ultérieur, la plaque stratifiée 5 est alors formée par l'empilage de plaques représenté sur la figure 4. Cette plaque stratifiée 5 est représentée sur la figure 5. Lors de ce processus de traitement ultérieur, l'épaisseur de la plaque de silicium supérieure 20 est réduite, pour ajuster définitivement l'épaisseur de la couche supérieure de sili- cium 1 de la plaque stratifiée 5. On enlève tout d'abord par meulage une grande partie de l'épaisseur et ensuite, l'épaisseur et la qualité de la surface de la couche supé- rieure de silicium 1 est ajustée par un processus de polis- sage, éventuellement aussi par un processus de polissage chimique. En outre, la réduction d'épaisseur de la plaque de silicium 20 peut également s'effectuer par un procédé de mordançage chimique, auquel cas, l'épaisseur de la couche 6 2704949 de silicium 1 peut également être réglée par un dopage pré- alable de la plaque de silicium 20, par exemple en intro- duisant dans la plaque de silicium 20, une couche de mordançage d'arrêt. Lors de la fabrication de plaques stratifiées 5 par implantation, on traite seulement une plaque de sili- cium unique. Ce procédé nécessite ainsi que peu de maté- riaux au départ. Des appareils appropriés pour l'implantation d'atomes étrangers, tels que par exemple de l'oxygène, ne sont pas utilisés dans la fabrication normale des semi-conducteurs et doivent en conséquence être acquis en supplément pour ce processus. Lors de l'utilisation de deux plaques de silicium, qui sont assemblées par un pro- cessus de bonding, il n'y a pas besoin d'un tel appareil pour l'implantation, mais deux plaques de silicium doivent être utilisées. Sur la figure 6, est représentée une plaque stra- tifiée 5, qui a été subdivisée en zones 10, 11, 12 isolées les unes par rapport aux autres par la couche de mordançage 3 et une tranchée 4 ou bien une diffusion d'isolation 4. Grâce à la couche de mordançage 3 en oxyde de silicium, la couche de silicium supérieure 1 est isolée par rapport à la couche de silicium inférieure 2. Par la mise en place d'une ou de plusieurs tranchées 4 ou bien d'une diffusion d'iso- lation 14, telle qu'elle est par exemple connue par la technique bipolaire, la couche supérieure 1 peut être sub- divisée en zones individuelles 10, 11, 12 qui sont isolées les unes par rapport aux autres. Ce type d'isolation permet la fabrication de capteurs dans lesquels les différentes parties constitutives sont particulièrement bien isolées les unes par rapport aux autres. Sur la figure 7 est représentée la fabrication et sur les figures 8 et 9 un premier exemple de réalisation d'un capteur selon le procédé de l'invention. Sur la figure 7, est représentée une plaque stratifiée 5 qui est consti- 7 2704949 tuée par une couche supérieure de silicium 1, une couche inférieure de silicium 2 et une couche de mordançage 3 en oxyde de silicium placée entre les deux couches précéden- tes. Dans la couche supérieure de silicium 1, sont mises en place des tranchées 4 qui s'étendent jusqu'à la couche de mordançage 3. Sur la figure 8, est représentée une section transversale d'un capteur d'accélération, qui est fabriqué à partir de la plaque stratifiée 5 de la figure 7. Ce cap- teur comporte une languette flexible 30 qui est fixée sur un support 32. Le support 32 est fixé sur le substrat 33 par l'intermédiaire d'une couche d'isolation 34. En outre, le capteur comporte un cadre 35 qui est séparé du support 32 et de la languette flexible 30 par une tranchée 4. Le cadre 35 est également ancré sur le substrat 33 par l'in- termédiaire d'une couche isolante 34. La figure 9 est une vue de dessus du capteur selon la figure 8. La ligne I-I indique alors une section transversale du capteur qui cor- respond à la figure 8. Dans cette vue de dessus, on peut voir en outre à côté du support 32 et de la languette flexible 30 qui y est accrochée, deux contre électrodes 31. Celles-ci sont disposées des deux côtés de la languette flexible 30 et sont également ancrées sur le substrat 33 par l'intermédiaire de couches isolantes 34 qui ne sont pas représentées sur le dessin. On peut voir en outre sur cette vue de dessus la forme géométrique des tranchées 4 qui sont mises en place dans la couche supérieure de silicium 1 et qui forment ainsi à partir de la couche supérieure de sili- cium 1, le cadre 35, le support 32, la languette flexible et les contre électrodes 31. Les étapes de fabrication du capteur sont préci- sées de façon particulièrement claire sur les figures 7 et 8. Tout d'abord, dans une plaque stratifiée selon la figure 2 ou la figure 5, sont mises en place des tranchées 4 comme cela est représenté sur la figure 7. Par les tranchées 4, les structures du support 32, de la languette flexible 30, 8 2704949 des contre électrodes 31 et du cadre 35, sont dégagées de la couche supérieure de silicium 1. Comme les tranchées s'étendent jusqu'à la couche d'oxyde de silicium 3, les différentes parties constituantes du capteur sont isolées électriquement les unes par rapport aux autres. Dans une autre étape de mordançage, la couche d'oxyde de silicium est maintenant enlevée sous la languette flexible 30. Le résultat de cet état de mordançage est représenté sur la figure 8 dans laquelle on peut voir, subsistant à partir de la couche d'oxyde de silicium 3, des couches isolantes in- dividuelles 34 sous le support 32 ou bien sous le cadre 35. Les contre électrodes 31 sont également ancrées sur le substrat 33 par des couches isolantes. La languette flexi- ble 30 est alors constituée de façon qu'elle présente sa J5 rigidité la plus réduite à la flexion dans un axe qui est parallèle à la surface du substrat 33. La languette flexi- ble 30 est ainsi courbée de façon particulièrement simple dans une direction qui est indiquée par la flèche sur la figure 9. Cette courbure est associée à une modification de la capacité électrique entre la languette flexible 30 et les contre électrodes 31. Par mesure de cette capacité en- tre la languette flexible 30 et les contre électrodes 31, l'accélération peut ainsi être mesurée. La réalisation des tranchées 4 s'effectue avec des processus de mordançage donnant des bords autant que possible verticaux. Ceci peut par exemple s'effectuer grâce à un processus de mordançage par placement anisotrope comme par exemple un mordançage ionique réactif. Une autre possibilité consiste à utiliser les propriétés de mordançage anisotropes du silicium vis-à- vis de solutions liquides de mordançage, telles que par exemple des solutions aqueuses de KOH. Par exemple, des pa- rois verticales avec une orientation de surface 110 peuvent être mordancées dans des plaques de silicium. De même le mordançage de la couche 3 sous la languette flexible 30 peut s'effectuer avec un liquide de mordançage. Comme li- 9 2704949 guide de mordançage, est par exemple indiqué l'acide fluor- hydrique, qui mordance l'oxyde de silicium sans attaquer les structures de silicium. Le procédé de fabrication présenté ici n'est pas limité à la fabrication de capteurs d'accélération selon la figure 9. D'autres géométries pour les capteurs d'accéléra- tion ou bien d'autres capteurs, tels par exemple que des capteurs de pression, des capteurs d'effort, ou autres peu- vent être aussi bien réalisées. Sur la figure 10 est représenté un autre exemple pour un capteur d'accélération. Ce capteur est constitué par une languette flexible 30 qui est accrochée à un sup- port 32. La languette flexible 30 et le support 32 sont sé- parés du cadre 35 par des tranchées 4. En vue de dessus, ce capteur correspond à un capteur d'accélération tel que ce- lui représenté sur la figure 9. Le cadre 35 et le support 32 sont à nouveau reliés à un substrat 33 par l'intermé- diaire de couches isolantes 34. Sous la languette flexible , une ouverture 6 a été ménagée dans le substrat 33. La fabrication de ce capteur part d'une plaque stratifiée 5, telle qu'elle est représentée sur la figure 7. Les tran- chées 4 structurent à nouveau la couche de silicium 1 de façon que le support 32, la languette flexible 30 et les contre électrodes 31, soient dégagés de la couche supé- rieure de silicium 1. Dans une autre étape de mordançage, il est alors pratiqué au-dessous de la languette flexible , une ouverture de mordançage 6 dans la couche inférieure de silicium 2. Cette ouverture de mordançage 6 est alors conformée de façon qu'elle se place directement au-dessous de la languette flexible 30. Dans une autre étape de mor- dançage, la couche de mordançage 3 au-dessous de la lan- guette flexible 30 est alors enlevée à travers l'ouverture de mordançage 6 à partir du côté inférieur. Du fait de la limitation de l'ouverture de mordançage 6, à une zone di- rectement au-dessous de la languette flexible 30, l'assem- 2704949 blage mécanique du support 32 et des contre électrodes 31 assuré par la couche d'oxyde de silicium n'est pas altéré. Les deux processus de fabrication présentent res- pectivement des avantages spécifiques. Grâce au mordançage de la couche de mordançage 3 à partir du haut, par les tranchées 4 la structuration de la couche inférieure de si- licium 2 est supprimée. Ainsi, il n'est pas nécessaire de traiter des deux côtés les plaques de silicium, ce qui abaisse le coût de la fabrication. Grâce au mordançage de la couche de mordançage 3 en partant du côté inférieur, à travers une ouverture de mordançage 6 ménagée dans la cou- che inférieure de silicium 2, la couche de mordançage 3 peut également être enlevée au-dessous de structures de très grandes surfaces, sans que les zones de maintien, tel- les que par exemple le support 32, soient mises en danger par le mordançage appliqué en dessous. Ceci permet par exemple de prévoir la languette flexible avec une masse sismique importante, grâce à laquelle la sensibilité du capteur est augmentée. En outre, dans le cas de ce proces- sus de mordançage, des circuits de commutation sur la cou- che supérieure de silicium 1, qui seront par exemple utilisés pour une première exploitation des signaux du cap- teur, sont mieux protégés de l'attaque de l'agent de mor- dançage pour la couche de mordançage 3. Du fait de leur grande proximité du capteur, les signaux parasites éven- tuels sont alors particulièrement réduits. il 2704949 R E V E N D I C A T I 0 N S 1) Procédé pour la fabrication de capteurs, no- tamment de capteur d'accélération, en creusant par mordan- çage des tranchées dans une plaque comportant plusieurs couches de silicium monocristallin, procédé caractérisé en ce qu'il est créée une plaque stratifiée (5), dans laquelle, entre une couche supérieure (1) et une couche in- férieure (2) en silicium monocristallin est disposée une couche de mordançage (3), en ce que dans la couche supé- rieure (1) par mise en place de tranchées (4), qui s'éten- dent jusqu'à la couche de mordançage (3), une structure est constituée, et en ce que la couche de mordançage (3) est enlevée au moins sous une partie de cette structure. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de mordançage (3) est constituée d'un matériau isolant, notamment de l'oxyde de silicium, du ni- trure de silicium ou du verre. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins deux parties (10, 11, 12) de la couche supérieure (1) sont isolées les unes des autres par mise en place de tranchées (4) ou de zones de diffusion (14) qui s'étendent jusqu'à la couche de mordançage (3). 4) Procédé selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que pour créer la plaque strati- fiée (5) deux plaques (20, 21) sont assemblées, tandis qu'au moins une des plaques (20, 21) comporte sur la sur- face d'assemblage une couche (22) constituée du matériau de la couche de mordançage, et en ce qu'après l'assemblage des plaques de silicium (20, 21), une de ces plaques de sili- cium (20,21) est réduite en épaisseur, pour ajuster ainsi l'épaisseur de la couche supérieure de silicium (1). ) Procédé selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que pour créer la plaque strati- fiée (5), des atomes étrangers sont introduits dans une plaque de silicium (23) à implantation à une profondeur 12 2704949 prédéfinie, en ce que par un traitement de températion, la réaction de ces atomes étrangers avec la plaque de silicium (23) est activée, et en ce que le produit de la réaction du silicium et des atomes étrangers ainsi obtenu, constitue une couche de mordançage (3). 6) Procédé selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que pour le mordançage de la cou- che (3) sous une partie de la structure, un agent de mordançage est amené à la couche de mordançage (3) par l'intermédiaire des tranchées (4). 7) Procédé selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que pour le mordançage de la cou- che (3), sous une partie de la structure, une ouverture de mordançage (6) est pratiquée dans la couche inférieure de silicium (2), et en ce qu'à travers cette ouverture de mor- dançage (6), un agent de mordançage est amené dans la cou- che (3). 8) Capteur pour la mise en oeuvre du procédé avec un élément capteur mobile en silicium monocristallin qui est fixé sur un substrat en forme de plaque (33) en sili- cium monocristallin, capteur caractérisé en ce qu'entre l'élément capteur mobile et le substrat (33), est disposée une couche isolante, notamment en oxyde de silicium ou bien en nitrure de silicium. 9) Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément mobile revêt la forme d'une languette flexible (30), en ce que cette languette flexible 30, est disposée en face d'une contre électrode (31), en ce que la languette flexible (30) est accrochée à un support (32), en ce que ce support (32) et les électrodes antagonistes (31) sont fixés sur un substrat (33) en forme de plaque en sili- cium monocristallin et l'axe de la rigidité de flexion la plus réduite de la languette flexible (30) s'étend parallè- lement à la surface du substrat (33), en ce que l'accéléra- tion est susceptible d'être mesurée à l'aide de la capacité 13 2704949 entre la languette flexible (30) et la contre électrode (31), et en ce que entre le support (32) ou bien la contre électrode (31) et le substrat (33) est disposée une couche isolante, notamment en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium.