Brevet FR2761199A1 — publié le 19980925

PROCEDE DE REALISATION DE DEUX CAVITES COMMUNICANTES DANS UN SUBSTRAT EN MATERIAU MONOCRISTALLIN PAR GRAVURE CHIMIQUE ANISOTROPE La présente invention concerne un procédé de réalisation de deux cavités communicantes dans un substrat en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope. Certaines structures micro-usinées en matériau monocristallin sont conçues pour présenter des cavités communicantes. C'est notamment le cas des hydrophones où une première cavité constituée par un microcanal permet à un fluide, dont on veut mesurer la pression, d'avoir accès à une deuxième cavité constituant une enceinte. Dans ce type de capteur, un microcanal peut assurer l'écoulement du fluide depuis une première enceinte jusqu'à une deuxième enceinte. Un paramètre important à prendre en considération dans l'écoulement de fluide est la perte de charge, surtout lorsqu'il s'agit de mesurer une pression de fluide. Considérons un fluide qui s'écoule par une canalisation depuis une première enceinte jusqu'à une deuxième enceinte, les enceintes étant ouvertes ou fermées. En raison de la présence de forces de viscosité du fluide, on sait que la pression du fluide tend à diminuer le long de la canalisation. Ainsi, si le fluide s'écoule d'une enceinte A vers une enceinte B, la pression dans l'enceinte A est plus grande que la pression dans l'enceinte B. On dit alors que la canalisation crée une perte de charge au sein de l'écoulement ou que la canalisation forme une restriction au sein de l'écoulement. L'expérience et la théorie de la mécanique des fluides montrent que, dans de nombreux cas d'écoulement, il est possible d'établir une relation simple entre les pressions de fluide dans les enceintes et le débit volumique de fluide dans la canalisation. Cette relation est uniquement fonction des propriétés du fluide (masse volumique et viscosité), des caractéristiques géométriques de la canalisation et éventuellement de la rugosité des parois de la canalisation. Dans ce cas, on dira que la perte de charge est calibrée si les tolérances des grandeurs géométriques de la canalisation, et éventuellement la rugosité de ses parois, sont maîtrisées. Pour bien contrôler le débit dans une canalisation, il est donc nécessaire de porter une attention particulière aux tolérances dimensionnelles de la section de la canalisation ainsi que de sa longueur. Les tolérances sur la section doivent notamment être particulièrement considérées. Ainsi, pour une canalisation cylindrique et de section circulaire, on peut montrer que, sous certaines conditions, le débit de fluide est inversement proportionnel à la longueur de la canalisation et proportionnel à la quatrième puissance de son rayon. Ce point est important à observer lorsqu'il s'agit de choisir un procédé de réalisation d'un microcanal pour hydrophone. Dans le cas de structures micro-usinées, on part le plus souvent de plaques minces, ou substrats, en matériau monocristallin (silicium ou germanium). Le microcanal est réalisé soit perpendiculairement au substrat, soit parallèlement à ce substrat. Un canal cylindrique traversant de part en part un substrat peut être réalisé par gravure ionique réactive profonde ou par usinage laser. Ces procédés nécessitent des machines performantes et ne sont pas toujours utilisables dans un contexte industriel. D'autre part, la longueur du canal est limitée à l'épaisseur du substrat. Un canal parallèle au substrat peut être réalisé par gravure chimique anisotrope. Cette gravure est couramment utilisée pour réaliser des microstructures en silicium monocristallin. Elle résulte d'une différence de vitesse d'attaque entre les plans cristallographiques de ce matériau. I1 est ainsi possible de graver une rainure sur la surface d'un premier substrat. Un deuxième substrat est ensuite scellé sur la surface gravée du premier substrat de façon à recouvrir la rainure et ainsi former un canal. L'ensemble constitué par le premier et le deuxième substrat est ensuite découpé perpendiculairement à la rainure pour que le canal débouche sur des faces de découpe. Grâce à la parfaite organisation cristalline des matériaux monocristallin, l'usinage par gravure anisotrope présente l'avantage de contrôler précisément les tolérances dimensionnelles de la section du canal, ce qui est bien adapté à l'obtention d'une perte de charge calibrée. Cependant, l'opération de découpe perpendiculaire à la rainure présente les inconvénients suivants. La précision sur la longueur de la canalisation à obtenir est donnée par la précision de la machine de découpe. Ensuite, pendant cette phase de découpe, il y a un risque de pollution pouvant obstruer la canalisation. Enfin, l'opération de découpe peut générer la formation d'écailles sur les arêtes d'intersection de la canalisation et du plan de découpe. Différentes méthodes ont été proposées pour tenter d'améliorer le principe d'ouverture du canal. Pour limiter la formation d'écailles, on peut apporter certaines améliorations à la phase de découpe en intervenant sur les paramètres de découpe et sur le type d'outillage, comme décrit dans le brevet US-A-4 639 748. Un autre procédé de réalisation de microcanaux ne présentant aucun défaut du type écaille et limitant le risque de pollution est décrit dans le document FR-A-2 727 648. Ce document préconise l'utilisation d'une couche protectrice déposée avant la phase de découpe. Cependant ce procédé n'est pas toujours applicable car il n'est pas toujours possible de déposer une couche protectrice. Les procédés décrits dans les documents US-A-4 639 748 et FR-A-2 727 648 ne résolvent pas complètement le problème du risque de pollution et de la précision de la longueur du canal. Au vu de ce qui précède, il semble préférable de ne pas utiliser de découpe pour l'ouverture du canal. Il semble plus judicieux de faire déboucher le canal sur des "cheminées" traversant l'un des deux substrats. Cette solution est présentée à la figure 1 qui montre un premier substrat 10 dont une face 11 possède une rainure 12 obtenue par gravure, et un deuxième substrat 20 dont la face 21 est scellée sur la face 11 du premier substrat 10 pour transformer la rainure en canal. Deux cheminées 22 et 23 ont été percées dans le deuxième substrat 20 et communiquent avec le canal 12. Ainsi la longueur utile du canal est définie par la position et la géométrie des cheminées 22 et 23. Cependant, cette solution oblige à usiner les deux substrats 10 et 20, ce qui n'est pas toujours possible. Par exemple de nombreuses applications utilisent un premier substrat monocristallin sur lequel sont gravés les micro-structures alors que le deuxième substrat est en verre pour lequel l'usinage est délicat et souvent imprécis. Il est, dans ce cas, préférable de réaliser la rainure et les cheminées sur le même substrat ainsi que cela est montré sur la figure 2. Pour réaliser une cheminée traversant un substrat de part en part, avec un bon positionnement et par des techniques classiques, il est préférable de la réaliser par gravure chimique comme indiqué plus haut. Seule une telle gravure permet par ailleurs une fabrication collective à bas coût. La figure 2 montre un premier substrat 30 dont une face 31 possède une rainure 32 et qui est traversée par une cheminée 33 communiquant avec la rainure 32. La face 41 d'un deuxième substrat 40 est scellée sur la face 31 du premier substrat 30 pour transformer la rainure en canal. Il se pose alors le problème de l'apparition de plans rapides pendant les phases de gravure anisotrope, pouvant provoquer une modification importante de la géométrie de l'ouverture de la restriction. Suivant le type de bain de gravure utilisé, le nombre de plans rapides et leurs orientations peuvent être très différents mais on peut schématiser le résultat obtenu par la représentation donnée à la figure 3 qui est une vue en coupe selon la direction III-III indiquée sur la figure 2. La cheminée 33 et le canal 32 sont délimités par des plans lents 34. Par contre, l'intersection cheminée-canal consiste en une succession de plans rapides 35 (en pointillés sur la figure) L'existence de ces plans rapides pose deux problèmes. Premièrement, on observe une forme en entonnoir occupant un espace plus ou moins important, ce qui peut nuire à la miniaturisation du microsystème. Par exemple pour une rainure de 60 pm de profondeur, les plans rapides peuvent avancer de plus de 400 um suivant la direction du canal. Deuxièmement, l'expérience montre que la vitesse des plans rapides est fortement dépendante de la stabilité du bain (concentration, température) et qu'une petite désorientation cristalline peut générer de fortes dissymétries. Il y aura donc une grande incertitude sur la longueur du canal. Ce problème est bien connu en micro-usinage, et en général il est possible de définir des motifs de compensations pour retarder l'apparition des plans rapides sur les motifs utiles comme décrit dans l'article : "Corner Compensation Techniques in Anisotropic Etching of (100)-Silicon Using Aqueous KOH", par H. SANDMAIER et al., IEEE, 1991, pages 456-459. Ces motifs de compensation sont bien adaptés pour la plupart des cas simples. Cependant, dans le cas particulier d'un canal résultant d'une gravure en V et débouchant sur une gravure très profonde, l'application de motifs de compensation s'est révélée inadéquate. Après différents essais, il n'a pas été possible de mettre en évidence un motif de compensation permettant d'obtenir des résultats satisfaisants et reproductibles. La présente invention permet de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de réalisation d'au moins deux cavités communicantes dans un substrat en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope, les deux cavités communiquant l'une avec l'autre selon une intersection, caractérisé en ce que - on définit une zone de raccordement pour les deux cavités correspondant à ladite intersection, - on grave le substrat en vue de réaliser les deux cavités, à l'exception de la zone de raccordement, - on grave la zone de raccordement jusqu'à obtenir ladite intersection. La gravure du substrat peut être menée de façon que l'une des cavités constitue une cheminée traversant le substrat et que l'autre cavité constitue une rainure sur l'une des faces du substrat. L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'une structure pour hydrophone dans un substrat en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope pour obtenir trois cavités dans le substrat : une première cavité s'ouvrant sur l'une des faces principales du substrat et délimitant une membrane qui la sépare de l'autre face principale du substrat, une deuxième cavité ou cheminée traversant le substrat de part en part, une troisième cavité constituée par une rainure réalisée sur la face du substrat où s' ouvre la première cavité et communiquant avec la première cavité par une première intersection et avec la deuxième cavité par une deuxième intersection, caractérisé en ce que - on définit des zones de raccordement entre la première cavité et la troisième cavité et entre la deuxième cavité et la troisième cavité, les zones de raccordement correspondant auxdites intersections, - on grave le substrat en vue de réaliser les trois cavités , à l'exception des zones de raccordement, - on grave les zones de raccordement jusqu'à obtenir lesdites intersections. Si le substrat est en silicium, les cavités peuvent être gravées en utilisant comme masques des couches de protection développées sur les faces principales du substrat telles que de l'oxyde de silicium SiO2 ou du nitrure de silicium Si3N4. Dans ce cas, les masques sont avantageusement réalisés par gravure ionique réactive des couches de protection. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront dans 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 coupe longitudinale d'une structure micro-usinée présentant un canal débouchant dans deux cheminées, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une structure micro-usinée présentant un canal débouchant dans une cheminée, le canal et la cheminée étant gravés dans un même substrat, - la figure 3 est une vue selon le plan III-III de la structure représentée à la figure 2, - les figures 4 à 6 sont illustratives du principe mis en oeuvre dans le procédé selon la présente invention, - la figure 7 illustre les différentes étapes du procédé selon la présente invention, dans une application industrielle. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un substrat 1 en matériau monocristallin, par exemple en silicium monocristallin, qui a été gravé partiellement à partir de l'une de ses faces principales référencée 2. La gravure chimique anisotrope a permis, dans une première étape, d'ébaucher une cheminée 3, puis, dans une seconde étape d'ébaucher la rainure 4 tout en approfondissant la cheminée 3. On remarque que la gravure a laissé intacte une zone 5, dite zone de raccordement, entre les ébauches de cheminée et de rainure. Une troisième étape de gravure est ensuite menée et le résultat obtenu est illustré par la figure 5 qui est une vue longitudinale correspondant à la figure 4. La troisième gravure donne leur forme définitive à la cheminée 3 et à la rainiure 4 et met en communication la cheminée 3 et la rainure 4 par élimination de la zone de raccordement. La figure 6 est une vue de dessous du substrat 1 représenté à la figure 5. L'intersection cheminée-rainure consiste en des plans lents 6 représentés en pointillés. Les temps de gravure des plans lents sont minimums ce qui rend optimum la précision de positionnement de ces plans et en particulier de ceux définissant la section de la rainure. La largeur de la zone de raccordement 5 doit être choisie en fonction de la précision requise pour les dimensions de la rainure. On comprend que plus cette largeur sera faible, mieux la rainure sera calibrée. On obtient ainsi un premier substrat pourvu d'une cheminée, ou éventuellement de deux cheminées à (raison d'une cheminée par extrémité de rainure), et d'une rainure. Le scellage, sur la face 2 du substrat 1, d'un deuxième substrat permet de transformer la rainure en canal. On va décrire maintenant un procédé techniquement plus détaillé d'élaboration d'une structure micro-usinée pour hydrophone, en référence à la figure 7. Sur cette figure, le substrat de départ est représenté de côté. On part d'un substrat 50 en silicium monocristallin, d'épaisseur 450 um et d'orientation . Lors d'une première étape, on dépose sur le substrat 50 des couches de protection, en silice SiO2 ou en nitrure Si3N4. A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche 53 déposée sur la face supérieure 51 du substrat peut être de 1 um et l'épaisseur de la couche 54 déposée sur la face inférieure 52 du substrat peut être de 1,3 um (voir séquence A de la figure 7). La technique de dépôt peut être une technique de décomposition de gaz assistée par plasma ou PECVD. Les couches de protection 53 et 54 sont ensuite masquées et gravées en plusieurs étapes en utilisant les techniques classiques de la photolithogravure. La gravure des couches protectrices peut être réalisée par une technique de gravure ionique réactive. La couche de protection 54 est d'abord gravée, sur toute son épaisseur, dans des zones 55 et 56 correspondant respectivement à la membrane et à la cheminée de l'hydrophone. (voir la séquence B de la figure 7). Ensuite, la partie de la couche de protection 54 subsistant entre les zones 55 et 56 est gravée sur une profondeur d'environ la moitié de l'épaisseur de la couche 54, la gravure préservant des zones d'extrémité 57 et 58 plus épaisses. Les zones d'extrémité 57 et 58 subissent une nouvelle gravure (voir la séquence C de la figure 7) afin de réduire leur épaisseur par rapport au reste de la couche de protection 54. Cette gravure peut être d'environ 0,3 um. La couche de protection supérieure 53 est gravée à son tour, sur toute son épaisseur, dans une zone 59 correspondant à la cheminée. Le substrat 50 peut alors être soumis à une gravure chimique anisotrope en utilisant un bain de KOH ou de TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium) à environ 80 C. La séquence D de la figure 7 représente le résultat obtenu après gravure des deux faces du substrat 50. Les parties des faces non protégées du substrat ont été gravées sur une profondeur d'environ 380 um, produisant une première cavité 61 en correspondance avec la future membrane et une deuxième cavité 62 correspondant à la future cheminée. La couche de protection inférieure 54 est ensuite gravée par gravure ionique réactive. Cette opération est effectuée sans masquage. La gravure est réalisée jusqu'à disparition de la couche de protection au niveau du futur canal, c'est-à-dire entre les zones d'extrémité 57 et 58 (voir la séquence E de la figure 7). On procède alors à une deuxième gravure anisotrope du substrat 50, de profondeur 45 um. On obtient notamment une ébauche du futur canal 63. Les zones 64 et 65 du substrat, protégées respectivement par les zones d'extrémité 57 et 58 venant de la couche de protection inférieure 54, constituent des zones de raccordement entre la cavité 61 et le canal 63 d'une part et entre le canal ou rainure 63 et la cheminée 62 d'autre part. L'étape suivante, illustrée par la séquence F de la figure 7, consiste à effectuer une gravure ionique réactive de la couche de protection inférieure 54 jusqu'à élimination des zones d'extrémité 57 et 58 (encore visibles à la séquence E de la figure 7). Cette opération se fait sans masquage. On réalise ensuite une troisième gravure chimique anisotrope de 5 um de profondeur qui permet la suppression des zones de raccordement 64 et 65 (voir la séquence E). On obtient ainsi un canal 63 communiquant, par une extrémité, avec la cavité 61 et, par son autre extrémité avec la cheminée 62. Cette troisième gravure a également permis de définir l'épaisseur de la membrane 65. Ce qui subsiste des couches de protection 53 et 54 est éliminé, par exemple par gravure ionique réactive. La face 52 de la structure obtenue peut alors être scellée sur un support 70, par exemple en verre, percé d'un trou traversant 71 (voir la séquence G de la figure 7). L'assemblage peut être obtenu par un scellement anodique. Le trou 71 du support 70 débouche dans la cavité 61 et une communication est ainsi formée entre les deux faces de l'ensemble via le trou 71, la cavité 61, la rainure 63 devenu canal et la cheminée 62. A titre d'exemple, la structure obtenue peut avoir une cheminée de section 400 um x 400 um, une membrane de 3 mm2 de superficie et de 20 um d'épaisseur et un canal de 400 um de longueur pour une section triangulaire de 70 um de base de 50 um de hauteur. Bien que la figure 7 n'illustre que la réalisation d'un seul capteur, par souci de simplification, il est évident pour l'homme de l'art que le procédé permet de réaliser un grand nombre de capteurs en même temps par un procédé collectif de fabrication. Dans ce cas, la découpe individuelle des capteurs intervient après l'étape de scellement sur le support en verre. Les parties utiles de la micro-structure obtenue ne sont pas réalisées par une opération de découpe. Il n'y a donc pas les problèmes de pollution, de défauts et d'imprécision inhérents aux opérations de découpe. Le procédé permet d'assurer une bonne précision de la section du canal et de sa longueur. L'invention s'applique également à la réalisation de micro-structures autres que les hydrophones, par exemple les micro-doseurs et les micro-mélangeurs. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'au moins deux cavités (3,4;61,63;62,63) communicantes dans un substrat(l;50) en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope, les deux cavités communiquant l'une avec l'autre selon une intersection, caractérisé en ce que - on définit une zone de raccordement (5;64;65) pour les deux cavités (3,4;61,63;62,63) correspondant à ladite intersection, - on grave le substrat (1;50)en vue de réaliser les deux cavités, à l'exception de la zone de raccordement, - on grave la zone de raccordement jusqu'à obtenir ladite intersection. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gravure du substrat est menée de façon que l'une des cavités constitue une cheminée (3;62) traversant le substrat (1;50) et que l'autre cavité constitue une rainure (4;63) sur l'une des faces (2;52) du substrat. 3. Procédé de réalisation d'une structure pour hydrophone dans un substrat (50) en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope pour obtenir trois cavités dans le substrat : une première cavité (61) s ouvrant sur l'une (52) des faces principales du substrat (50) et délimitant une membrane (65) qui la sépare de l'autre face principale (51) du substrat (50), une deuxième cavité ou cheminée (62) traversant le substrat de part en part, une troisième cavité constituée par une rainure (63) réalisée sur la face (52) du substrat (50) où s'ouvre la première cavité (61) et communiquant avec la première cavité (61) par une première intersection et avec la deuxième cavité (62) par une deuxième intersection, caractérisé en ce que - on définit des zones de raccordement (64,65) entre la première cavité (61) et la troisième cavité (63) et entre la deuxième cavité (62) et la troisième cavité (63), les zones de raccordement (64,65) correspondant auxdites intersections, - on grave le substrat (50) en vue de réaliser les trois cavités (61,62,63), à l'exception des zones de raccordement (64,65), - on grave les zones de raccordement (64,65) jusqu'à obtenir lesdites intersections. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, le substrat étant en silicium, les cavités (61,62,63) sont gravées en utilisant comme masques des couches de protection (53,54) développées sur les faces principales (51,52) du substrat (50) telles que de l'oxyde de silicium SiO2 ou du nitrure de silicium Si3N4. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les masques sont réalisés par gravure ionique réactive des couches de protection (53,54)