Brevet FR2757941A1 — publié le 19980703

PROCEDE DE REALISATION D'UN ELEMENT SUSPENDU DANS UNE STRUCTURE MICRO-USINEE La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un élément suspendu dans une structure micro-usinée. Ce procédé s'applique en particulier dans le domaine de la microélectronique pour obtenir des microcapteurs au silicium accéléromètres, capteurs de pression, etc.) ou des microactionneurs. Les structures micro-usinées, exploitant les propriétés mécaniques et élastiques des matériaux, comportent en général au moins un élément flexible (poutre, membrane) et sont réalisées par des attaques chimiques ou physico-chimiques. Ces attaques permettent d'isoler des éléments suspendus au sein d'une structure de même nature ou de nature différente. Ces éléments suspendus doivent être délimités dans le plan de la structure et libérés ne la masse de la structure, à l'exception de leurs points d'attache, ne façon à pouvoir se déplacer dans une certaine mesure par rapport au reste de la structure. On peut distinguer deux grands types de libération d'éléments suspendus. selon un premier type, la libération de l'élément susuendu est obtenue par gravure humide d'une couche sacrificielle. Ce procédé de libération est le plus connu et le plus utilisé. On part d'une structure comportant un substrat (par exemple en silicium) recouvert successivement@ d'une couche sacrificielle (par exemple en d@oxyde de s@licium) et d'une couche (par exemple en silicium, obtenue par dépôt ou coi taxie) dans laquelie sera élaboré i' élément suspendu. La couche sacriFicielle sert d'espaceur et de @@@@he d'adhérence Pour obtenir l'élément suspendu, on rave ia couche supérieure jusqu'au niveau de la couche sacrificielle afin de définir le motif de l'élément suspendu. La couche sacrificielle est ensuite retirée par gravure humide pour libérer l'élément suspendu. Cette méthode est simple à mettre en oeuvre et présente une grande liberté technologique. Cependant, elle présente plusieurs inconvénients qui sont énumérés ci-après. Lors de l'étape de séchage, postérieure à l'étape de gravure humide, il peut se produire un collage de l'élément suspendu sur le substrat de la structure. La mouillabilité des matériaux n'est pas toujours suffisante pour assurer un bon contact entre la solution d'attaque et la couche sacrificielle à graver surtout Si cette couche sacrificielle est très fine ou si le motif gravé est très rin. Enfin, la solution d'attaque n'est pas toujours compatible avec les techniques utilisées : gravure sélective pour certains matériaux mais pas pour d'autres (par exemple l'acide fluorhydrique présente une très bonne selectivité pour le silicium par rapport a dioxyde de silicium mais n'est pas sélectif par rapport aux métallisations) et généralement pas compatible CMOS. Selon un deuxième type, la libération de l'élément suspendu est obtenue par gravure sèche. C'est le cas du procédé dit SCREAM (acronyme de l'expression anglaise Single-Crystal-silicon Reactive Etchlng And Metallization). On part d'une structure constituée par un suostrat en silicium. Une première tape de ce procédé consiste à soumettre le substrat à une gravure -- he anisotrope pour définir l'élément suspendu. Lors d'une seconde étape, on dépose une couenne de protection sur les rlancs de gravure. Une troisième étape consiste a effectuer une gravure sèche Isotrope des zones non protégées, ce qui a pour conséquence de libérer l'élément suspendu. Ce procédé ne nécessite pas la presence d'une couche sacrificielle et, mettant en oeuvre une gravure sèche, il ne peut se produire de collage de l'élément suspendu sur le substrat. Cependant, ce procédé présente les inconvénients suivants. Le fond de gravure obtenu n'est ni plan ni homogène, ce qui peut poser problème dans le cas d'une détection capacitive sous l'élément suspendu. La protection des flancs de gravure est peu contrôlée et ces flancs sont donc susceptibles d'être entamés lors de la seconde gravure. Enfin, ce procédé implique un nombre d'étapes intermédiaires importantes et sa mise en oeuvre est délicate. La présente invention fournit un procédé qui permet de remédier aux inconvénients présentés par la technique antérieure. Elle résulte d'une constatation faite par l'inventeur de la présente invention et présente un aspect tout à fait inattendu et surprenant. En microélectronique, les gravures sèches se distinguent par leur rapport entre vitesse de gravure verticale Vv et vitesse de gravure latérale V1. Si Vl=Vv, la gravure est Jota isotrope. Si ç) O, la gravure est dite anlsotrope. I1 a été constaté ce qui suit à partir d'essais effectués sur une structure comportant un substrat de silicium recouvert successivement d'une couche d'arrêt isolante (par exemple en SiO2, en quartz, en verre)et d'une couche épitaxiée de silicium (structure Silicium Sur Isolant ou SI) . La couche épitaxiée est masquée à l'exception d'une zone destinée à être gravée selon un mot@ r déterminé par le masque. On procède à une gravure sèche anisotrope de a structure au moyen d'un gaz qui a une sélectivité suffisante vis-à-vis de la couche d'oxyde pour que celle-ci puisse servir de couche d'arrêt à la gravure. Lorsque la gravure débouche sur la couche d'arrêt, la vitesse de gravure verticale s'annule alors que la vitesse de gravure latérale, au volsinage de la couche d'arrêt, devient non nulle et croit très rapidement. On passe brusquement d'un régime anisotrope (Vl=0) à un régime isotrope (V1 > 0) localisé au niveau de l'interface couche épitaxiée-couche d'arrêt (augmentation de la proportion des espèces neutres, polarisation du substrat, etc.). Durant cette deuxième phase de gravure, les flancs du motif, passivés lors de la gravure anisotrope, ne sont pas altérés. Par contre, au-dessus de la couche d'oxyde, la gravure du silicium est rapide (surface de silicium apparent très faible) . On observe une vitesse de gravure latérale en régime isotrope supérieure à la vitesse de gravure verticale en régime anisotrope (environ 3 rois plus grande). La conséquence de ceci est une surgravure latérale rapide du silicium qui est adjacent à la couche d'arret. Cette surgravure peut être utilisée pour libérer un élément suspendu juste au-dessus de la couche d'arrêt. L'invention a donc pour objet un procédé de réalisation d'au moins un élément suspendu, par micro-usinage, au moyen d'une technique de gravure, d'une structure comportant un substrat recouvert successivement d'une première couche, àite couche d'arrêt, réalisée en un premier matériau, et d'une deuxième couche réalisée en un deuxième matériau et dans laquelle est élaboré l'élément suspendu, caractérisé en ce que le procédé met en oeuvre une technique de gravure séc)îe employant un gaz dont la s eut iv te po rmet a gravure de la deuxième couche sans at:taquer la couche cl'arret, sous des conditions établies pour permettre une gravure anisotrope du deuxième matériau, la gravure étant menée selon une premiere phase pour colimiter l'élément suspendu jusqu'au niveau de la couche d'arrêt et étant poursuivie selon une deuxième phase au cours de laquelle on obtient la libération de l'élément suspendu par gravure de la couche superficielle de l'élément suspendu délimité lors de la première phase et qui est adjacente à la couche d'arrêt. De préférence, la technique de gravure sèche utilisée est du type gravure réactive. La gravure sèche peut être réalisée dans une machine STS (Multiplex ICP) ou dans une machine Alcatel 602 E. Le procédé selon l'invention s'applique en particulier à la réalisation d'au moins un élément suspendu dans une structure où la couche d'arrêt est en dioxyde de silicium et la deuxième couche est en silicium. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'une structure du type SSI dans laquelle un élément suspendu va être réalisé en appliquant le procédé de i' invention, - la Figure 2 est une vue en coupe selon l'axe II-II de la figure 1 et montrant la structure gravée par le procédé de l'invention. La Figure 1 montre, en perspective, une structure du type SSI comprenant un substrat 1 en silicium, recouvert sur l'une de ses faces d'une couche 2 d'oxyde de sil m et d' une couche 3 de silicium déposée ou épitaxiée sur la courte ~ d'oxyde. Afin Si graver, ùÛns la couche 3 de silicium, un élément suspendu constitué par une poutre, un masque 4 est déposé sur la couche 3 de silicium. Ce masque 4 est par exemple constitué d'un film de résine photosensible ou d'une couche d'oxyde (par exemple SiO2) et comporte une ouverture 5 en forme de U pour délimiter l'élément suspendu. La gravure est menée dans une machine STS. I1 s'agit d'une gravure réactive ou RIE (Reactive Ion Etchlng). Le gaz utilisé est de l'hexafluorure de soufre SF6. L La gravure est monel sous des conditions de pression et de puissance haute fréquence déterminées pour obtenir une gravure fortement anisotrope (verticale) du silicium. La couche de silicium située juste sous l'ouverture 5 du masque 4 est, selon la première phase de gravure, gravée jusqu'à la couche d'oxyde 2. La gravure se poursuit alors latéralement selon la deuxième phase de gravure juste au-dessus de la couche d'oxyde 2. La gravure est arrêtée lorsque l'élément suspendu est libéré ce la couche d'oxyde. La figure 2 montre le résultat obtenu, le masque 4 ayant été ôté. La couche 3 de silicium présente un évidement 6 délimitant un élément suspendu 7 en forme de poutre. La poutre 7, an porte à faux sur le reste de la couche 3, est séparée de a couche d'oxyde 2 par un espace O résultant de la gravure latérale de la couche superficielle de silicium reposant sur la couche 3. On constate que, au fond de l'é-lidement 6, le silicium superficiel à la couche 2 a aussi été attaqué vers l'extérieur pour former on espace 9 entourant l'évidement 6. Le procédé selon l'invention permet de réaliser des éléments suspendus par gravure sèche, ce qui élu inde les problèmes de mouillabilité des matériaux. évite également les problèmes de collage de l'élément suspendu sur le reste de la structure. Ce procédé est compatible /LSI. Les flancs et le fond de la gravure sont contrôlés et propres. Un autre avantage résulte du fait que la gravure et la libération des éléments suspendus se fait au cours d'une étape commune. Ce procédé peut avantageusement s'appliquer à la réalisation de microstructures en peigne, à la réalisation de microcaptours (accéléromètre, capteur de pression,...), à la réalisation de microactionneurs. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'au moins un élément suspendu (7), par micro-usinage, au moyen d'une technique de gravure, d'une structure comportant un substrat (1) recouvert successivement d'une première couche, dite couche d'arrêt (2), réalisée en un premier matériau, et d'une deuxième couche (3) réalisée en un deuxième matériau et dans laquelle est élaboré l'élément suspendu (7), caractérisé en ce que le procédé met en oeuvre une technique de gravure sèche employant un gaz dont la sélectivité perme la gravure de la deuxième couche (3) sans attaquer la couche d'arrêt (2), sous des conditions établies pour permettre une gravure anisotrope du deuxieoe matériau, la gravure étant menée selon une première phase pour délimiter l'élément suspendu (7) jusqu'au niveau de la couche d'arrêt (2) et étant poursuivie selon une deuxième phase au cours de laquelle on obtient la lbération ne 1 'élément suspendu (t) par gravure de la couche superficielle de l'élément suspendu délimité lors de la première phase et qu. est ad@acente à la couche d'arrêt (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé que la technique de gravure séche ut@@isée est du type gravure réactive. 3. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 à la réalisation d'au moins un élément suspendu (7) dans une structure ou la couche d'arrêt (2) est en dioxyde de silicium et la deuxième cou@@@ (3 est en @@@@@@lum.