Brevet FR2753264A1 — publié le 19980313

La présente invention concerne un dispositif allumeur à semiconducteur pour appareils de déclenchement pyrotechnique, ainsi qu'un procédé permettant de former un dispositif allumeur à semiconducteur pour appareils de déclenchement pyrotechnique. On connaît l'utilisation d'appareils de déclenchement pyrotechnique pour mettre à feu des substances explosives, par exemple dans les applications minières ainsi que pour gonfler des coussins d'air protecteurs et enrouler des ceintures de sécurité d'automobiles afin de protéger les passagers. Les appareils de déclenchement pyrotechnique comprennent typiquement un dispositif allumeur possédant un élément allumeur qui est placé à proximité de la substance explosive de façon que, lorsqu'on excite l'élément allumeur, la substance explosive est mise à feu. L'élément allumeur peut être un fil qui passe dans une cavité contenant la substance explosive et que l'on excite en y faisant passer un courant d'allumage. Ces allumeurs électriques à fil peuvent toutefois se révéler peu fiables en raison de leur sensibilité aux interférences produites à l'extérieur. La demande de brevet britannique GB-A-2 730 et le brevet des Etats-Unis d'Amérique US-A-4 708060 décrivent des appareils de déclenchement pyrotechnique possédant un dispositif allumeur à semiconducteur. Ces dispositifs allumeurs à semiconducteur comprennent généralement un élément allumeur qui est placé sur un substrat entre deux contacts. Un circuit de commande externe est couplé aux deux contacts par exemple par l'intermédiaire de contacts de fil et produit, au moment voulu, le courant d'allumage qui chauffe l'élément allumeur et met à feu la substance explosive. Typiquement, l'élément allumeur est constitué par exemple d'une couche métallique conductrice formée sur le substrat ou d'une couche de silicium polycristallin formée sur une couche d'oxyde, par exemple du dioxyde de silicium, elle-même formée sur le substrat, ou encore d'une couche de silicium dopé formée sur le substrat. Le fonctionnement d'un dispositif allumeur à semiconducteur dépend du niveau du courant d'allumage nécessaire pour mettre à feu la substance explosive, de la résistance électrique de l'élément allumeur, du niveau du courant de "non-mise à feu" et de la capacité du dispositif à supporter les décharges électrostatiques (ESD) et les interférences électromagnétiques (EMI). Dans certaines applications, comme par exemple les enrouleurs de ceintures de sécurité, il existe un besoin pressant de réduire la consommation électrique due au courant d'allumage dans les dispositifs allumeurs à semiconducteur connus. ll faut aussi satisfaire certaines normes de sécurité renforcées, comme la norme lEC801-2. Selon l'invention, il est proposé un procédé de formation d'un dispositif allumeur à semiconducteur possédant un élément allumeur pour appareil de déclenchement pyrotechnique, le procédé comprenant les opérations suivantes: produire un substrat semiconducteur; former une couche d'isolant sur le substrat semiconducteur; former une unique couche active sur la couche d'isolant, qui possède une profondeur prédéterminée dépassant 4 Fm; ; et appliquer un tracé de motif à la couche active et graver celle-ci afin de former l'élément allumeur. Le procédé selon l'invention prévoit donc une couche active qui est suffisamment profonde pour assurer que le courant d'allumage sera réduit sans qu'il y ait pour autant dégradation de la réponse ESD et EMI du dispositif, ni variation de la résistance électrique de l'allumeur. Un avantage de l'invention est qu'elle évite de devoir faire appel à des opérations de traitement supplémentaires, comme cela est nécessaire pour les structures multicouches de la technique antérieure. Selon un mode de réalisation préféré, l'opération de formation d'une unique couche active sur la couche d'isolant comprend l'opération consistant à réaliser la liaison atomique d'une couche active avec la couche d'isolant. L'opération de formation d'une couche active peut comprendre une opération supplémentaire de tracé de motif et de gravure d'au moins une tranchée dans une surface de la couche active avant l'opération de liaison atomique de la surface de la couche active avec la couche d'isolant. Selon un autre mode de réalisation, I'opération de formation d'une couche d'isolant et d'une unique couche active sur la couche d'isolant comprend l'opération consistant à bombarder le substrat à l'aide de particules d'oxygène très énergétiques de façon à former une couche d'isolant du type oxyde entre deux parties du substrat, la couche active étant formée par l'une des deux parties du substrat. De préférence, la profondeur prédéterminée de la couche active est de 10,ut. On peut intégrer dans la couche active le circuit servant à commander le fonctionnement du dispositif allumeur à semiconducteur en formant des tranchées d'isolation dans la couche active afin de produire une région de dispositif actif qui est isolée vis-à-vis de l'élément allumeur et en intégrant le circuit dans la région de dispositif actif. Un dispositif allumeur à semiconducteur et un appareil de déclenchement pyrotechnique à semiconducteur comprenant un dispositif allumeur à semiconducteur dotés d'un circuit intégré sont également décrits selon l'invention. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une représentation simplifiée d'un élément allumeur à semiconducteur; la figure 2 montre la relation qui existe entre le courant d'allumage et l'épaisseur de l'élément d'allumage pour une valeur donnée de résistance électrique; les figures 3 à 5 sont des vues simplifiées en section droite d'un dispositif allumeur à semiconducteur, à différents stades de fabrication, qui est formé par un premier procédé selon l'invention; la figure 6 est une vue simplifiée en plan du dispositif allumeur à semiconducteur de la figure 5; les figures 7 et 8 sont des vues simplifiées en section droite du dispositif allumeur à semiconducteur lors d'opérations facultatives du premier procédé selon l'invention; la figure 9 est une vue simplifiée en section droite d'un dispositif allumeur à semiconducteur selon l'invention, où on a formé une région de dispositif actif afin d'y intégrer un circuit; la figure 10 est un schéma simplifié du circuit qui peut être intégré dans la région de dispositif actif présentée sur la figure 9 ; et la figure 11 est une vue simplifiée en section droite d'un dispositif allumeur à semiconducteur formé selon un deuxième procédé de l'invention. Comme brièvement indiqué ci-dessus, les principaux paramètres de fonctionnement d'un dispositif allumeur à semiconducteur comprennent le niveau du courant d'allumage (If), la capacité à supporter les ESD et les EMI, ainsi que la résistance électrique de l'allumeur. En liaison avec la représentation simplifiée d'un élément allumeur à semiconducteur sur la figure 1, on voit que l'ESD est une fonction de la largeur 4 de l'élément allumeur, que la résistance est une fonction de l'aire en section droite A et de la largeur 4, et que le niveau du courant d'allumage est une fonction inverse (voir la figure 2) de l'aire 6 de l'élément allumeur qui est en contact avec la substance explosive (non représentée). Eu égard, aux relations existant entre ces trois paramètres, le demandeur a compris qu'on pouvait obtenir une réduction de la consommation électrique, tout en maintenant une même valeur de résistance électrique et sans pour autant dégrader la capacité ESD, en augmentant la profondeur 10 et en réduisant la longueur 8 de l'élément allumeur. Dans les dispositifs allumeurs à semiconducteur connus qui possèdent des éléments allumeurs formés de métal, de silicium polycristallin, de silicium dopé, les profondeurs de ces couches ne sont pas supérieures à quelques microns. A cause des contraintes de traitement, il apparaît des problèmes importants lorsqu'on veut augmenter l'épaisseur 10 de l'élément allumeur. Par exemple, en ce qui concerne le silicium polycristallin, du fait des contraintes mécaniques introduites dans la couche, il n'est pas possible de fabriquer une unique couche de silicium polycristallin possédant une profondeur supérieure à 1 ,ut. Ainsi, pour augmenter la profondeur au-delà de 1 ,um, il est nécessaire d'utiliser plus d'une couche de silicium polycristallin. Toutefois, après que chaque couche de silicium polycnstallin a été formée, il est nécessaire d'effectuer un recuit pour éviter la présence de contraintes mécaniques dans la structure en couches. Puisque d'autres opérations de traitement sont nécessaires, cette structure en couches est donc difficile et coûteuse à fabriquer. L'invention obtient la norme ESD voulue, une réduction du niveau du courant d'allumage et un maintien de la valeur de la résistance électrique de l'allumeur sans que ceci s'accompagne des inconvénients ci-dessus indiqués. On va maintenant décrire, en liaison avec les figures 3 à 6, un premier procédé de formation d'un dispositif allumeur à semiconducteur selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le premier mode de réalisation utilise la technique de liaison atomique ou liaison de plaquette. On prévoit un substrat 12, et, sur ce substrat, on forme une couche d'isolant 14 (figure 3). La couche d'isolant 14 peut être formée en n'importe quelle matière qui constitue une barrière vis-à-vis du transfert de chaleur, par exemple une couche d'oxyde ou une couche de nitrure. Dans le mode de réalisation préféré, on forme une couche de dioxyde de silicium sur une plaquette de silicium possédant une profondeur minimale de 0,5 ,um. On assure ensuite automatiquement la liaison atomique d'une couche active 16 avec la couche d'isolant 14 (figure 4). Les procédés de liaison atomique sont bien connus dans la technique. Le procédé suivant est un exemple d'une manière d'assurer automatiquement la liaison de la couche active 16 avec la couche d'isolant 14. Pour lier la couche active 16 à la couche d'isolant 14 et au substrat 12, on nettoie la couche d'isolant 14 et la couche active 16 selon la séquence suivante: tout d'abord, élimination des substances organiques, puis décapage à l'oxygène naissant dans une solution diluée d'acide fluorhydrique (HF), puis rinçage à l'eau, et, enfin, séchage dans l'azote chaud. On met immédiatement en contact les deux surfaces hydrophobes de la couche d'isolant 14 et de la couche active 16 dans une "salle propre" de classe 10, avec un défaut d'orientation des plats compris entre +2 et -2 . Si cela est souhaitable, on peut lier ensemble deux couches 14 et 16 ayant des orientations différentes. Alors que les deux couches 14 et 16 sont en contact à la température ambiante, on leur applique une précontrainte de manière à faire que le contact commence au centre des couches, pour ainsi éviter la présence de vides au cours de l'opération suivante de traitement thermique. n faut ajuster la valeur de la contrainte et que celle-ci ne soit pas trop élevée. L'opération de traitement thermique s'effectue dans l'azote ambiant à 1 200*C pendant environ 50 min et aboutit à la liaison des couches. Dès que la couche active 16 a été liée à la couche d'isolant 14, on meule la surface exposée de la couche active jusqu'à la profondeur voulue ou prédéterminée 18. On polie ensuite la surface. Après le meulage et le polissage, la profondeur de la couche active 16 est supérieure à 4cor. De préférence, elle est comprise dans l'intervalle de 10 à 15 m. Toutefois, la profondeur préférée est 10 tnn, puisque cette valeur satisfait les exigences liées à la réduction du courant d'allumage, au maintien de la résistance électrique de l'allumeur et de la capacité ESD tout en permettant une bonne reproductibilité. On applique ensuite un tracé de motif à la couche active 16 et on la grave de manière à former un élément allumeur 20 ayant une profondeur 18 et une longueur 26 prédéterminées. On forme de manière classique des contacts 22 et 24. Les figures 5 et 6 montrent le dispositif allumeur à semiconducteur 23. Comme cela est bien connu, lorsqu'une tension voulue est présente entre les deux contacts 22 et 24, la différence de potentiel aux bornes de l'élément allumeur 20 provoque le passage d'un courant d'allumage dans l'élément allumeur 20, qui vaporise et met à feu la substance explosive (non représentée) qui est tassée autour de l'élément allumeur 20. La couche active 16 peut être formée à partir de n'importe quelle matière conductrice susceptible de former des liaisons atomiques avec la couche d'isolant 14. Dans un mode de réalisation préféré, on lie une couche active 16 de silicium à une couche d'isolant 14 de dioxyde de silicium. La couche active 16 peut aussi être du silicium dopé à l'arsenic, au phosphore ou à l'antimoine. Le substrat et la couche active peuvent être formés en une matière possédant un type de conductivité quelconque, à savoir N+, N-, P+, P-. Le procédé ci-dessus décrit selon l'invention peut comporter une opération supplémentaire consistant à effectuer le tracé de motif et la gravure d'au moins une tranchée 17 dans la surface de la couche active 16 avant la liaison de la surface avec la couche d'isolant 14 (voir la figure 7). Comme ci-dessus décrit, après la liaison, on meule et on polit la couche active 16 pour obtenir la profondeur voulue 18 de couche active 16 (voir la figure 8). Le procédé selon le premier mode de réalisation de l'invention peut être utilisé pour former un ensemble d'appareillage de déclenchement pyrotechnique, comme représenté sur la figure 9. Sur cette figure, on désigne les composants identiques à ceux des figures précédentes en utilisant un même numéro de référence multiplié par 10. Puisque la profondeur de la couche active est de 4,um au minimum, on peut appliquer un tracé de motif à la couche active et la graver comme représenté sur la figure 9 afin de former l'élément allumeur 200. On peut ensuite former des tranchées d'isolation 280 et 300 dans la couche active 16 afin de produire une région de dispositif actif 302 isolée du dispositif allumeur à semiconducteur 201, de manière à intégrer un circuit dans la région de dispositif actif. Ce circuit peut comporter des diodes Zener, par exemple les deux diodes Zener 402 et 404 placées dos-à-dos, comme représenté sur la figure 10, de manière à assurer une protection améliorée vis-à-vis des ESD. Les deux diodes Zener 402 et 404 sont connectées aux bornes de l'élément allumeur à semiconducteur 400 entre deux contacts 406 et 408. Le circuit peut également comporter des combinaisons plus complexes d'éléménts actifs de façon à commander le fonctionnement du dispositif allumeur à semiconducteur. Un tel ensemble doit permettre d'éviter la nécessité de prévoir un circuit externe. L'invention a été décrite jusqu'à ce point en référence au processus de liaison atomique, ou liaison de plaquettes, qui lie une couche active à une couche d'isolant placée sur un substrat de manière à produire une couche active possédant une profondeur supérieure à 4,ut. Il ne faut pas comprendre que l'invention se limite au seul processus de liaison atomique. D'autres procédés, comme par exemple une implantation d'oxygène très énergétique, peuvent être utilisés. Selon le procédé d'implantation d'oxygène très énergétique, on bombarde un substrat, par exemple un substrat de silicium, avec de l'oxygène hautement énergétique de façon que l'oxygène migre à travers le substrat pour former une couche d'isolant du type oxyde 514, comme on peut le voir sur la figure 11. ll est possible d'intégrer un circuit dans la couche active, de la manière ci-dessus indiquée. Par conséquent, un procédé permettant de former un dispositif allumeur à semiconducteur selon l'invention fournit une couche active qui est suffisamment profonde pour assurer que le courant d'allumage sera réduit, que la capacité ESD ne sera pas dégradée et que la résistance électrique de l'allumeur ne variera pas, sans pour autant qu'il soit nécessaire de faire appel à des structures multicouches et aux opérations de traitement supplémentaires qui leur sont associées, comme cela devait se faire avec les processus de la technique antérieure. Un autre avantage du procédé selon l'invention est qu'il permet l'intégration de fonctions simples ou complexes. Le fait d'avoir une couche active unique possédant une épaisseur supérieure à 4,um signifie qu'on peut intégrer dans la couche active un circuit, par exemple des diodes Zener servant à améliorer la protection contre les ESD, ainsi que des circuits de commande plus complexes permettant de commander le fonctionnement du dispositif allumeur à semiconducteur. De plus, puisque le substrat et la couche active peuvent être formés d'une matière possédant n'importe quel type de conductivité, à savoir N+, N-, P+, P-, l'invention offre une plus grande souplesse vis-à-vis de l'intégration de fonctions dans le dispositif allumeur à semiconducteur. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas possédant un élément allumeur pour appareil de déclenchement pyrotechnique, le procédé étant caractérisé en ce qu il comprend les opérations suivantes produire un substrat semiconducteur (12); former une couche d'isolant (14) sur le substrat semiconducteur; produire une unique couche active (16); réaliser une liaison atomique de la couche active unique avec la couche d'isolant, où la couche active unique possède une profondeur (18) prédéterminée qui est supérieure à 4 ,um; et appliquer un tracé de motif à la couche active et graver celle-ci pour former l'élément allumeur (20). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, avant l'opération de liaison atomique, l'opération consistant à effectuer le tracé de motif et la gravure d'au moins une tranchée dans la surface de la couche active ; et où l'opération de liaison atomique consiste à réaliser une liaison atomique de la surface de la couche active avec la couche d'isolant. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à meuler et polir la couche active formée sur la couche d'isolant de façon que la couche active ait la profondeur prédéterminée. 4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la profondeur prédéterminée de la couche active est de 10 clam. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche d'isolant (14) a une profondeur d'au moins 0,5 ,um. 6. Procédé de formation d'un appareil de déclenchement pyrotechnique à semiconducteur qui comprend un dispositif allumeur à semiconducteur et un circuit permettant de commander le fonctionnement du dispositif allumeur à semiconducteur, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: former un dispositif allumeur à semiconducteur selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 5; former des tranchées d'isolation dans la couche active (16) afin de produire une région de dispositif actif isolée vis-à-vis du dispositif allumeur à semiconducteur; et intégrer le circuit dans la région de dispositif actif. 7. Dispositif allumeur à semiconducteur (23), caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semiconducteur (12); une unique couche active (16) à laquelle ont été appliqués un tracé de motif et une gravure pour former un élément allumeur (20), la couche active ayant une profondeur (18) prédéterminée qui est supérieure à 4 clam; une couche d'isolant (14) placée entre le substrat semiconducteur et l'élément allumeur des tranchées d'isolation formées dans la couche active afin de produire une région de dispositif actif isolée du dispositif allumeur à semiconducteur; et un circuit qui est intégré dans la région de dispositif actif afin de commander le fonctionnement du dispositif allumeur à semiconducteur.