Brevet FR2742224A1 — publié le 19970613

CAPTEUR A BASE DE SILICIUM ET PROCEDE DE FABRICATION L'invention concerne un capteur à base de silicium comprenant une membrane, et son procédé de fabrication. Elle s'applique notamment aux capteurs de type accélérométre comprenant une masse mobile reliée à un cadre fixe par l'intermédiaire d'une membrane localement ouverte pour définir des bras de suspension, comprenant des jauges de contrainte de types détecteurs piézoélectriques. Dans ce type d'application, les déplacements subis par la masse mobile, sous l'action de conditions extérieures, sont compensés par un système de rappel, par exemple électromagnétique, asservi par des signaux foumis par les jauges de contraintes portés par les membranes. D'une manière générale, lorsque l'on cherche à définir une membrane silicium dans un substrat silicium, on utilise le plus souvent un procédé de gravure chimique ou électrochimique avec un arrêt de gravure difficile à contrôler avec précision, conduisant à l'obtention d'une membrane dont l'épaisseur est calibrée plus ou moins finement. L'invention vise à pallier cet inconvénient en proposant un capteur à base de silicium monoaistallin comprenant une membrane d'épaisseur bien calibrée, grâce à l'utilisation d'une couche d'arrêt de gravure, intégrée dans le substrat silicium, la membrane peut avantageusement être localement ouverte. Cette couche d'arrêt de gravure peut avantageusement être un oxyde de silicium, ou bien en nitrure. Plus précisément, I'invention a pour objet un capteur à base de silicium monocristallin comprenant une membrane possédant une face supérieure dans un plan pl et une face inférieure dans un plan p2, ladite membrane étant suspendue à des parties massives, possédant des faces supérieures dans le plan pi et des faces inférieures dans un plan p3, caractérisé en ce que la distance entre les plans pl et p2 étant petite devant la distance entre les plans p2 et p3, les parties massives comprennent une couche i réalisée dans un matériau possédant un comportement à la gravure chimique plus stable que celui du silicium, ladite couche 1 étant dans le plan p2. Le capteur selon l'invention peut avantageusement être de type accéléromètre, comprenant une masse mobile et une membrane, localement ouverte pour définir deux bras de suspension, lesdits bras reliant la masse mobile aux parties massives périphériques. Dans cette variante de l'invention, le plan pi peut être recouvert d'une couche isolante 2, le capteur comprenant des jauges de contrainte au niveau des bras de suspension sur ladite couche isolante. L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un capteur à base de silicium tel que celui décrit ci-dessus. Plus précisément, I'invention conceme également un procédé de réalisation d'un capteur à base de silicium monocristallin comprenant au moins une membrane 3 suspendue à des parties massives 5, les faces supérieures des parties massives et de la membrane étant dans un même plan pi, les faces inférieures des parties massives étant dans un plan p3, la face inférieure de la membrane étant dans un plan p2, caractérisé en ce qu'il comprend la gravure chimique d'un élément monolithique comprenant une face supérieure dans un plan p et une face inférieure dans le plan p3, et une couche i de matériau isolant dans le plan p2, ladite gravure étant effectuée entre le plan p3 et le plan p2 et s'arrêtant sur la couche i, de manière à définir la membrane dans l'élément monolithique. Selon un mode de réalisation préférentiel, la couche d'oxyde i de l'élément monolithique est obtenue par implantation ionique à forte énergie d'atomes d'oxygène (procédé SIMOX). La couche d'oxyde ainsi formée étant peu profonde, le procédé prévoit une étape de croissance épitaxiale de silicium pour définir la membrane d'épaisseur bien calibrée. Selon un autre mode de réalisation, I'élément monolithique avec sa couche d'oxyde i, peut être obtenu par soudure à haute température, typiquement 900 à 1 000 "C d'une plaquette de silicium avec une autre plaquette de silicium, oxydée en surface, ou recouverte d'une couche isolante par exemple de type nitrure. II est à noter néanmoins que les qualités d'un tel élément monolithique sont moins satisfaisantes que celles d'éléments de type SIMOX, en raison notamment de différences de coefficient de dilatation thermique entre une couche d'oxyde SiO2 et du silicium, conduisant à l'existence de contraintes, lors du refroidissement, succédant à la soudure des deux plaques à haute température. Selon une variante du procédé selon l'invention concemant la réalisation d'un accéléromètre, le procédé prévoit d'utiliser un élément monolithique comprenant deux couches d'oxyde implantée i et 2. La membrane du capteur est définie entre la couche 1 et la couche 2. Des jauges de contraintes peuvent être fabriquées dans la couche de silicium située au-dessus de la couche 2. La couche 2 peut avantageusement être réalisée par implantation ionique typiquement à une profondeur de quelques milliers d'Angstrms. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées, parmi lesquelles: - la figure i schématise un capteur selon l'invention; - la figure 2 illustre un accéléromètre selon l'invention; - la figure 3 représente un élément monolithique avec une couche d'oxyde implantée 2 et une reprise d'épitaxie 8 sur une fine couche de silicium 7; - la figure 4 représente le même élément monolithique que celui illustré en figure 3, sur lequel on réalise par implantation ionique une seconde couche d'oxyde 2; - la figure 5 illustre les étapes de gravure sur un élément monolithique tel que celui représenté en figure 4, pour définir des jauges de contrainte 6 et des membranes 3; ; - la figure 6 illustre une étape de connexion électrique des jauges de contrainte - la figure 7 illustre une étape de procédé selon l'invention utilisant deux substrats silicium Si et S2 pour former l'élément monolithique. D'une manière générale, le capteur selon l'invention comprend au moins une membrane 3, reliée à des parties massives 4 pouvant correspondre à un cadre périphérique. La membrane possède une face dite supérieure ou avant dans un plan p1, une face dite inférieure ou arrière dans un plan p2, les parties massives possédant une face dite arrière dans un plan p3 et une couche d'oxyde 1, au niveau du plan p2, comme l'illustre la figure 1. L'invention va être décrite dans le cadre d'un accéléromètre, étant néanmoins applicable de façon générale à tout type de capteur, notamment des capteurs de pression utilisant également des membranes silicium et fonctionnant en mode capacitif. Comme le schématise la figure 2 un accéléromètre selon l'invention comprend principalement une masse mobile 5 reliée à un cadre fixe 4 (correspondant aux parties massives évoquées précédemment), par des bras de suspension 31 et 32. Ces bras 31 et 32 définis dans la membrane sont munis de jauges de contrainte 6. La membrane présente sa face avant dans le plan pi, sa face arrière dans le plan p2, les parties massives possédant une face arrière dans le plan p3. Les parties 4 et 5 possèdent en outre une couche d'oxyde i dans le plan p2. La couche d'oxyde 1 est incluse dans le procédé de fabrication mais peut être retirée en final pour ne pas ajouter de contraintes supplémentaires au niveau de la membrane. Par ailleurs, les jauges de contrainte 6 possèdent une face avant dans le plan P et reposent sur une couche d'oxyde 2 élaborée sur le plan pl de l'ensemble de la membrane et des parties massives. La membrane est ainsi définie entre les deux couches d'oxyde 1 et 2. La couche d'oxyde 1, ultérieurement maintenue ou non en face arrière de la membrane, permet une gravure en face arrière, particulièrement précise, conduisant à une épaisseur de membrane très bien calibrée. Pour réaliser ce type de configuration d'accéléromètre, un exemple de procédé selon l'invention comprend les différentes étapes détaillées ci-après: A partir d'une plaquette de silicium monocristallin standard microélectronique (polie double face pour applications capteurs), on réalise une implantation ionique d'oxygène, conduisant typiquement à implanter une couche d'oxyde SiO2 sur plusieurs milliers d'Angströms (par exemple 4 000 A) et ce à une profondeur de quelques milliers d'Angstroms (par exemple 2 000 A). Ce procédé dit "SIMOX" inclut après l'opération d'implantation ionique, un recuit particulier à des températures supérieures à 1300"C. On obtient ainsi l'élément monolithique illustré en figure 3 qui schématise la plaquette de silicium d'épaisseur de plusieurs centaines de microns (environ 500 pm) avec sa couche d'oxyde 1, recouverte d'une couche de silicium 7 de faible épaisseur. Pour obtenir la membrane et donc ultérieurement les bras 31 et 32 d'épaisseur recherchée de l'ordre d'une dizaine de microns, capable par là meme de subir des déformations significatives sans se rompre, il est nécessaire de procéder à une étape de croissance par épitaxie silicium à partir de la fine couche silicium située au-dessus de la couche d'oxyde i, pour élaborer une couche silicium 8 d'épaisseur bien calibrée et voisine d'une dizaine de microns par exemple. A partir de la couche épitaxiée 8, on peut définir également par implantation ionique, une seconde couche d'oxyde 2 d'épaisseur comparable à celle de la couche d'oxyde 1. Une fine couche 9 de silicium d'environ 2 000 A est alors située en face avant de l'ensemble de la plaquette silicium Si comme illustrée en figure 4 qui schématise l'existence des différentes couches, représentées dans des proportions non réelles, puisqu'il existe plusieurs ordres de grandeur entre les différentes couches. L'élément monolithique préalablement élaboré, est ensuite soumis à des étapes de gravure chimique pouvant typiquement être effectuée dans un milieu type solution KOH ou TMAH (tétraméthyl ammonium hydroxyde), conduisant à la gravure de façon oblique illustrée en figure 5, conformément à l'aspect que prennent les faces silicium lorsqu'une gravure classique anisotrope de silicium a été réalisée selon les plans ili du silicium monocristallin. Les deux couches d'arrêt de gravure que représentent les couches 1 et 2, permettent ainsi à partir d'un même élément monolithique de définir d'une part en face avant des jauges de contrainte 6 et d'autre part, en face arrière, les membranes 3 d'épaisseur parfaitement calibrée. Les parties grisées représentées en figure 5 correspondent aux parties de silicium qui ont été attaquées. Un seul bras de suspension de l'accéléromètre a été représenté en raison de la différence de dimensions entre l'épaisseur des couches d'oxyde i et 2 et la largeur d'un accéléromètre. Cette figure fait apparaître que la face inférieure de la couche 1 est dans le plan p2 défini précédemment. La face supérieure de la couche 2 est dans le plan pl, la face supérieure de la couche 9 étant dans le plan p. Les éléments 6, définis dans la couche 9 de silicium vont permettre d'élaborer des jauges piézorésistives isolées du substrat par une couche d'oxyde et présentant par là même des performances en terme de bruit et de comportement en température, meilleures que les jauges piézorésistives classiquement obtenues par diffusion ou implantation dans le silicium. Pour réaliser le montage électrique des jauges résistives, I'ensemble des éléments 6 est recouvert d'une couche d'isolement 10, par exemple du nitrure de silicium. Des ouvertures il sont pratiquées à l'aplomb de chaque jauge et une couche conductrice 12 par exemple en aluminium, est alors déposée puis gravée pour former des pistes de raccordement de chaque jauge, comme l'illustre la figure 6, qui ne représente qu'un seul bras de suspension. La jauge 6 représentée sans ouverture sur la figure 6 possède une ouverture et une piste de raccordement dans un plan perpendiculaire au plan de ladite figure 6. Il est à noter que les bras de suspension sont définis dans la membrane par découpe laser. Selon un autre procédé de l'invention, il est possible d'utiliser deux plaques de silicium dont une possède en surface une couche isolante, il peut s'agir de silicium oxydée ou de nitrure. Typiquement, si l'on utilise deux substrats Si et S2 d'épaisseur de plusieurs centaines de microns, on procéde à l'assemblage de ces substrats par soudure à haute température, un des substrats S1 ou S2 est ensuite poli mécaniquement puis poli chimiquement pour affiner le polissage mécanique. Le substrat ainsi poli peut présenter ainsi une épaisseur de l'ordre de quelques dizaines de microns. La figure 7 illustre le produit de l'assemblage réalisé par soudure à chaud d'un exemple de substrat S1 présentant en surface une couche d'oxyde 1 et d'un substrat S2 ultérieurement poli. A partir de cet élément monolithique, on peut procéder de même que dans le procédé précédemment décrit à l'implantation ionique d'oxygène au niveau du substrat S2 afin de définir une deuxième couche 2 d'oxyde. Les étapes ultérieures du procédé peuvent être identiques à celles déjà énoncées, pour réaliser les membranes et les jauges de contrainte. Selon d'autres variantes d'accéléromètre, la masse mobile 5 peut être formée d'un empilement de deux éléments monolithiques tels que ceux qui viennent d'être décrits. Chaque élément est alors réalisé séparément et comporte des bras de suspension ainsi qu'une partie de la masse mobile 5 et du cadre périphérique 4. Les deux éléments sont alors assemblés dos à dos, c'est-à-dire que les bras de suspension se retrouvent sur les faces libres de la masse mobile. Seuls les bras de suspension d'un élément monolithique peuvent comprendre l'ensemble des jauges de contrainte, les bras de suspension dits inférieurs permettant d'aider à supporter ladite masse mobile 5, et pouvant être situés selon un axe perpendiculaire à l'axe défini par les bras de suspension dits supérieurs. REVENDICATIONS i. Capteur à base de silicium monocristallin comprenant une membrane possédant une face supérieure dans un plan (p1) et une face inférieure dans un plan (P2), ladite membrane étant suspendue à des parties massives, possédant des faces supérieures dans le plan (pi) et des faces inférieures dans un plan (pu), caractérisé en ce que la distance entre les plans (pi) et (P2) étant petite devant la distance entre les plans (P2) et (pu), les parties massives comprennent une couche (i) réalisée dans un matériau possédant un comportement à la gravure chimique plus stable que celui du silicium, ladite couche (i) étant dans le plan (P2). 2. Capteur à base de silicium monocristallin selon la revendication i, caractérisé en ce que la couche (i) est une couche d'oxyde de silicium. 3. Capteur à base de silicium monocristallin selon l'une des revendications i ou 2, caractérisé en ce que le capteur comprend une masse mobile (3) et une membrane localement ouverte pour définir deux bras de suspension (31, 32), lesdits bras de suspension reliant la masse mobile aux parties massives. 4. Capteur à base de silicium monocristallin selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une couche d'oxyde (2) dans le plan (pi) et des jauges de contraintes (6) sur ladite couche (2) au niveau des bras (31, 32). 5. Procédé de réalisation d'un capteur à base de silicium monocristallin comprenant au moins une membrane (3) suspendue à des parties massives (5), les faces supérieures des parties massives et de la membrane étant dans un même plan (pi), les faces inférieures des parties massives étant dans un plan (p3), la face inférieure de la membrane étant dans un plan (P2), caractérisé en ce qu'il comprend la gravure chimique d'un élément monolithique comprenant une face supérieure dans un plan (p) et une face inférieure dans le plan (p3), et une couche (1) de matériau isolant dans le plan (P2), ladite gravure étant effectuée entre le plan (p3) et le plan (P2) et s'arrêtant sur la couche (1), de manière à définir la ou les membranes dans l'élément monolithique. 6. Procédé de réalisation d'un capteur à base de silicium monocristallin selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau de la couche (i) est de l'oxyde de silicium. 7. Procédé de réalisation d'un capteur à base de silicium selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau de la couche (i) est du nitrure. 8. Procédé de réalisation d'un capteur silicium selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche (i) d'oxyde de silicium de l'élément monolithique est obtenue par implantation profonde d'oxygène dans un substrat silicium. 9. Procédé de réalisation d'un capteur à base de silicium selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend l'assemblage de deux substrats silicium (Si, S2) dont un comprend en surface une couche (i) de matériau isolant, pour obtenir l'élément monolithique avec la couche (1 ) de matériau isolant. 10. Procédé de réalisation d'un capteur à base de silicium selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend la gravure chimique d'un élément monolithique comprenant une couche (2) de matériau isolant dans un plan (p1), la distance entre les plans (p) et (p1) étant faible devant la distance entre les plans (p) et (pi), ladite gravure étant effectuée entre les plans (pg) et (P2) de manière à définir des jauges de contraintes (6) au-dessus de la membrane. 11. Procédé de réalisation d'un capteur à base de silicium selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend l'implantation ionique d'oxygène dans un élément monolithique comprenant la couche (i) de manière à définir une couche (2) d'oxyde de silicium.