Brevet FR2785449A1 — publié le 20000505

SYSTEME D'ASSEMBLAGE DE SUBSTRATS A ZONES D'ACCROCHAGE POURVUES DE CAVITES Domaine technique La présente invention concerne un système d'assemblage de substrats, au moyen d'un matériau fusible. L'assemblage de substrats au moyen de matériau fusible peut avoir lieu en mettant en contact les substrats à assembler, en chauffant un matériau fusible préalablement mis en place dans des zones d'accrochage mutuel des substrats puis en laissant ce matériau refroidir pour souder entre elles les zones d'accrochage. L'invention trouve des applications dans la fabrication de dispositifs électroniques et en particulier de circuits à hyperfréquences. Dans les circuits à hyperfréquences, l'invention peut tre mise en oeuvre pour associer un capot aux composants. Un tel capot est destiné notamment à favoriser la propagation des signaux, et à constituer un blindage contre les rayonnements électromagnétiques parasites. De façon plus générale, l'invention trouve également des applications dans la fabrication de dispositifs incluant des composants de microélectronique et/ou de micromécanique nécessitant un élément de blindage ou de protection. A titre d'exemple, l'invention peut tre utilisée dans la fabrication d'accéléromètres incluant un circuit électronique de mesure et une masselotte sismique, c'est-à-dire un élément de micromécanique susceptible de se déplacer sous l'effet d'une accélération. Dans cet exemple, un capot de protection peut tre utilisé notamment pour empcher un déplacement excessif de la masselotte. Etat de la technique antérieure La technique la plus couramment utilisée pour l'assemblage de deux substrats est la technique dite de "flip chip". Cette technique comprend pour l'essentiel les étapes suivantes : -le dépôt de billes ou de galettes d'assemblage en un matériau fusible sur des zones d'accrochage de substrats à assembler, -l'assemblage des substrats de façon à mettre en regard des paires de zones d'accrochage respectivement de chacun des substrats, au moins l'une des zones d'accrochage de chaque paire étant équipée de matériau fusible, -le chauffage des substrats pour porter les deux parties à assembler, mises face à face, à une température légèrement supérieure à la température de fusion du matériau des billes, de manière à réaliser une sorte de brasage, qui relie entre elles des zones d'accrochage situées respectivement sur chacun des substrats. Les billes d'interconnexion en un matériau fusible ont pour fonction essentielle d'assurer la cohésion de la structure formée par les substrats assemblés. Une autre fonction conférée aux billes, notamment pour les assemblages incluant des circuits électroniques, est de fournir une voie de contact électrique entre les parties assemblées. Enfin, les billes peuvent tre mises à profit dans une fonction d'ajustage et de maintien d'un espacement déterminé entre les substrats assemblés, et en particulier entre un substrat comportant un composant, et un substrat formant capot. Cette dernière fonction peut tre essentielle, notamment dans la formation d'accéléromètres dans lesquels le capot est utilisé pour ajuster la course ou le déplacement maximum d'une masselotte sismique. La masselotte sismique est en effet un organe mécanique fragile et le capot permet d'empcher un déplacement ou une déformation excessifs de la masselotte susceptibles de causer sa rupture. La technique d'assemblage par billes de matériau fusible, bien que commode à mettre en oeuvre, reste d'une précision insuffisante pour l'ajustage d'un espacement entre substrats qui soit inférieur ou égal à 15pm. Pour garantir avec précision et uniformité des espacements inférieurs à 15um, il est indispensable d'avoir recours à des techniques particulières de fabrication et de contrôle de la hauteur des billes de matériau fusible. En particulier, le matériau fusible des billes, ou des galettes, peut tre formé par voie d'électrolyse, par dispensing ou toute autre technique de dépôt. Il est formé notamment en des zones d'accrochage pourvues de plages de matériau mouillable par le matériau fusible, encore appelées"plots d'interconnexion". Les techniques particulières de fabrication des billes de matériau fusible augmentent le nombre d'étapes de procédé, notamment de préparation de masques de dépôt ou de croissance, et alourdissent le coût de l'assemblage. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer un substrat, et plus généralement un système d'assemblage de substrats ne présentant pas les limitations évoquées ci-dessus. Un but est en particulier de proposer un substrat et un système d'assemblage ne nécessitant pas d'opérations supplémentaires de traitement. Un but est également de proposer un système d'assemblage peu coûteux à réaliser et à mettre en oeuvre. Un but est encore de proposer un système et un procédé d'assemblage permettant d'ajuster simplement et avec une grande précision des espacements entre substrats, et notamment des espacements inférieurs à 15um. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un dispositif comprenant un premier substrat, avec au moins une zone d'accrochage, susceptible d'tre assemblé à un deuxième substrat, la zone d'accrochage présentant une plage en un matériau mouillable par un matériau fusible. De plus, conformément à l'invention, la zone d'accrochage est munie d'au moins une cavité de réception de matériau fusible. Au sens de la présente invention, on entend par substrat tout élément susceptible d'tre assemblé par un matériau fusible. Un substrat peut donc tre, par exemple, un capot, un support comportant des composants mécaniques, optiques et/ou électroniques, individuels ou en circuit. Le"substrat"peut aussi consister en une pièce de micromécanique, destinée à tre assemblée avec d'autres pièces pour former une structure. Le présent exposé de l'invention se rapporte de façon simplifiée à un cas où le système de substrats à assembler ne comporte que deux substrats. On comprendra que l'invention s'applique à tout système comprenant un nombre de substrats supérieur ou égal à deux. Les zones d'accrochage du substrat, et en particulier les plages de matériau mouillable, sont destinées à recevoir le matériau fusible. Grâce à l'invention, la quantité de matériau fusible nécessaire pour effectuer un assemblage avec un espacement donné peut tre déterminée avec une précision moindre. En effet, un éventuel excès de matériau fusible peut tre recueilli dans les cavités des zones d'accrochage. De plus, comme le matériau fusible peut tre recueilli dans les cavités, il est possible, avec une bonne précision, d'obtenir des hauteurs d'espacement entre les substrats de l'ordre du micromètre. Les parois des cavités peuvent tre en un matériau mouillable par le matériau fusible. Lorsqu'elles sont en un matériau mouillable, les parois de la cavité contribuent également à l'accrochage, c'est-à-dire à la cohésion des structures. A l'inverse, lorsqu'elles sont en un matériau non mouillable, les cavités reçoivent un éventuel excès de matériau fusible qui ne se fixe pas dans la cavité. Le caractère non-mouillable des parois de la cavité peut également tre mis à profit pour délimiter l'extension de la surface sur laquelle se fait la soudure, c'est-à-dire, en définitive, pour délimiter l'extension de la zone d'accrochage. La zone d'accrochage peut tre délimitée notamment par une ou plusieurs cavités qui l'entourent. Pour une quantité donnée de matériau fusible, la hauteur d'hybridation, c'est-à-dire la hauteur de l'espacement entre les substrats assemblés est dictée pour l'essentiel par l'extension de la zone d'accrochage. Ainsi, lorsque les cavités sont utilisées pour délimiter la zone d'accrochage, l'écartement prévu entre les cavités permet d'ajuster la hauteur d'hybridation. Dans un cas particulier où le volume de matériau fusible mis en place dans une zone d'accrochage est inférieur au volume global des cavités associées à cette zone d'accrochage, la hauteur d'hybridation se règle automatiquement à une valeur minimale de l'ordre du micron. L'invention concerne également un système d'assemblage comprenant un premier substrat et au moins un deuxième substrat, les premier et deuxième substrats présentant des zones d'accrochages. Les zones d'accrochage des premier et deuxième substrats sont respectivement conjuguées par paires de telle sorte qu'une première zone d'accrochage d'une paire vienne en regard d'une deuxième zone d'accrochage conjuguée de la paire, lorsque les premier et deuxième substrats sont assemblés. De plus, les zones d'accrochage comportent chacune au moins une plage de matériau mouillable par un matériau fusible, et au moins l'une des zones d'accrochage d'une paire comporte un bossage de matériau fusible en contact avec la plage de matériau fusible. Conformément à l'invention, au moins l'une des zones d'accrochage de chaque paire est munie d'au moins une cavité de réception de matériau fusible. On entend par bossage tout amas de matériau fusible susceptible de contribuer à l'assemblage (ou hybridation) des substrats. Les bossages peuvent se présenter notamment sous forme de billes, de galettes ou de colonnettes. Dans une présentation particulière possible du système, seules les zones d'accrochage d'un seul des substrats sont équipées de bossages de matériau fusible, mais dépourvues de cavités. Le deuxième substrat, présentant les zones d'accrochage conjuguées est dépourvu de matériau fusible (avant l'assemblage) mais comprend les cavités destinées à recueillir, lors de l'assemblage, le matériau fusible en excès. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif comprenant un premier et un deuxième substrats tels que décrits. Selon ce procédé : -on assemble les premier et deuxième substrats de façon que les zones d'accrochage d'une paire soient en regard et séparées respectivement par au moins un bossage de matériau fusible, -on effectue un chauffage du matériau fusible à une température suffisante pour provoquer le soudage du matériau fusible respectivement sur les zones d'accrochage en regard et pour provoquer l'écoulement d'un excès de matériau fusible dans au moins une cavité des zones d'accrochage, et -on laisse refroidir le matériau fusible pour le durcir. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures -La figure 1 représente de façon simplifiée un substrat conforme à l'invention. -La figure 2 est une coupe schématique transversale d'un dispositif de propagation de microondes utilisant un substrat semblable à celui de la figure 1. -Les figures 3 à 7 sont des coupes schématiques de substrats illustrant des étapes successives de préparation d'un premier substrat conformément à l'invention. -Les figures 8 et 9 sont des coupes schématiques illustrant l'assemblage du premier substrat de la figure 7 avec un deuxième substrat. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention La figure 1 représente un substrat 100, mis en forme, conformément à l'invention en vue de réaliser un capot pour une ligne de transmission hyperfréquence. Le substrat 100, en un matériau isolant ou semiconducteur, tel que du silicium par exemple, présente une face 102 recouverte d'une couche métallique 104. La couche métallique est mouillable par un matériau fusible susceptible d'tre employé lors d'une opération d'assemblage. La face 102 du substrat comprend une dépression centrale rectiligne 106 destinée à former un logement pour un composant d'un deuxième substrat (non représenté) auquel le substrat 100 peut tre associé. La face 102 de substrat comprend également deux zones d'accrochage 110au 110b ménagées de part et d'autre de la dépression 106. Les zones d'accrochage présentent une plage de matériau mouillable, formée par la couche métallique 104, et sont munies de cavités 120. Chaque zone d'accrochage 110a, 110b, de forme rectangulaire, est munie de quatre cavités 120. Les cavités sont disposées respectivement sur chacun de ses côtés de façon à délimiter et entourer les zones d'accrochage. Dans l'exemple décrit, dès lors que la couche métallique 104 recouvre l'ensemble de la face 102, les cavités 120 peuvent présenter des parois mouillables par un matériau fusible. Eventuellement, les zones d'accrochage peuvent aussi tre entourées respectivement par une zone (non représentée) dont la surface est non mouillable. Les cavités 120 peuvent tre pratiquées dans le substrat soit avant la mise en place de la couche métallique 104 (les cavités présentent alors des parois mouillables), soit après la gravure de la couche métallique 104 (les cavités présentent des parois non mouillables). La figure 2 montre en coupe un dispositif hyperfréquence utilisant un premier substrat semblable à la figure 1 comme capot. Des éléments identiques ou similaires sur les figures 1 et 2, de mme que sur les figures suivantes, sont repérés par les mmes références pour en faciliter la lecture. Le dispositif hyperfréquence de la figure 2 comprend également un deuxième substrat 200 utilisé comme support d'une membrane suspendue 203. Cette membrane est composée de matériaux isolants qui ne sont pas mouillables par le matériau fusible utilisé pour l'hybridation. Une ligne de propagation hyperfréquence 205 s'étend sur la partie centrale de la membrane perpendiculairement au plan de la figure. Dans des parties périphériques de la membrane, où celle-ci recouvre le substrat, sont ménagées des zones d'accrochage 210a, 210b. Les zones d'accrochage 210a, 210b comprennent chacune une plage de matériau mouillable 212a, 212b sous la forme d'un plot métallique formé à la surface de la membrane. Les plages de matériau mouillable sont entourées par des plages non mouillables, formées par des portion à nu de la membrane 203. Le dispositif hyperfréquence de la figure 2 comporte également un substrat 100, semblable à celui de la figure 1, qui est reporté sur le substrat 200 de manière à faire coïncider respectivement les zones d'accrochage 110a, 110b du premier substrat 100 avec les zones d'accrochage 210a, 210b du deuxième substrat 200. Par ailleurs, on observe que la dépression 106 du substrat 100 est disposée de façon à coïncider avec la ligne de propagation hyperfréquence 205. La couche métallique 104 du premier substrat 100 constitue un plan de masse destiné à former un blindage de la ligne hyperfréquence. Ce plan de masse doit tre relié électriquement à d'autres plans de masse du deuxième substrat supportant la ligne hyperfréquence. Sur la figure 2, des plages métalliques 213, de mme que les plages de matériau mouillable 212a, 212b peuvent constituer des plans de masse du deuxième substrat. De plus, il convient de positionner le plan de masse à une distance donnée de la ligne de propagation, déterminée par ses caractéristiques et propriétés de transmission hyperfréquence. Cette distance est par exemple de 200pm. La mise en contact électrique du plan de masse du premier substrat avec le deuxième substrat a lieu par l'intermédiaire d'un matériau fusible 214 mis en place entre les zones d'accrochage en regard. Le matériau fusible assure également le maintien mécanique et l'espacement mutuel entre les substrats. De préférence, les cavités 120 du premier substrat 100, formant le capot, présentent un volume supérieur au volume du matériau fusible mis en place. Ainsi, la hauteur d'hybridation, c'est-à-dire l'espacement des substrats au voisinage des zones d'accrochage est très faible, de l'ordre du micromètre. L'espacement (200um) qu'il convient de ménager entre le plan de masse, c'est-à-dire la couche 104 du capot, et la ligne de propagation 205 peut tre ajusté avec grande précision en contrôlant simplement la profondeur de gravure du capot lors de la formation de la dépression 106. Les figures 3 à 7 indiquent de façon plus précise un exemple de traitement d'une plaquette de substrat conforme à l'invention. Dans une première étape, illustrée par la figure 3, on forme sur une face 102 d'une plaquette de substrat 100 une couche continue 142 de matériau de masquage. Le substrat 100 est, par exemple, un substrat de silicium et la couche de masque 142 est, par exemple, une couche de nitrure de silicium par rapport à laquelle le matériau du substrat peut tre gravé sélectivement. La figure 4 montre la formation sur la couche de masque 142 d'une couche de résine photosensible 144 selon un motif prédéterminé. Le motif est obtenu selon des techniques de photolithographie classiques par insolation puis par développement de la couche de résine. La couche de masque 142 est alors soumise à une gravure sèche ou humide, sélective par rapport au matériau du substrat, de façon à ne laisser à la surface du substrat qu'une partie de cette couche de masque correspondant au motif de la couche de résine. La figure 5 montre l'état du substrat après cette gravure. Après avoir éliminé la couche de résine, le substrat est soumis également à une gravure, par exemple une gravure chimique dans une solution de KOH de façon à pratiquer dans le substrat des dépressions. La gravure des dépressions est sélective par rapport au matériau de la couche de masque 142 qui protège les parties du substrat qu'elle recouvre. Comme le montre la figure 6, dans l'exemple illustré, on obtient au terme de la gravure une dépression centrale 106, pouvant coïncider, par exemple, avec un composant d'un autre substrat et des dépressions 120 dans des régions périphériques dans lesquelles on souhaite former des zones d'accrochage. Les zones d'accrochage repérées avec les références 110a, 110b sur la figure 7 sont formées pour l'essentiel en déposant par pulvérisation sur la surface gravée du substrat une couche de métal 104. Le métal est par exemple du titane-nickel ou du titanecuivre, et est mouillable par un matériau fusible. La couche de métal 104 recouvre également les parties de la couche de masque subsistant à la surface du substrat. Enfin, la couche de métal 104 tapisse les parois des dépressions 120 qui forment des cavités de réception de matériau fusible. La figure 8 montre un système de substrats à assembler. Ce système comprend le substrat 100 de la figure 7 et un autre substrat 300 pouvant comporter des composants 305. Le substrat 300, en un matériau non mouillable, comprend des zones d'accrochage 310a, 310b dans lesquelles sont formées des plots de connexion 312a, 312b en un matériau, tel que Cu, Ti-Ni ou Ti-Cu, mouillable par un matériau fusible. Aussi, au sens de l'invention, les plots 312a, 312b constituent les plages de matériau mouillable des zones d'accrochage 310a, 310b. Les plots sont réalisés par gravure d'une couche métallique selon un motif défini également par un masque de résine (non représenté). Les zones d'accrochage 310a, 310b du deuxième substrat 300 sont conjuguées en position aux zones d'accrochages 110a, 110b du premier substrat 100, de façon à former des paires de zones d'accrochage en regard. Les plages de matériau mouillable formées par les plots 312a, 312b sont entourées par le matériau non mouillable du deuxième substrat. Sur les plots 312a et 312b, on dépose une quantité de matériau fusible, par exemple sous la forme de billes ou de bossages 314. Le matériau fusible est par exemple un alliage à base d'indium, d'étain-plomb ou tout autre matériau fusible, pouvant tre fondu (ou ramolli) à faible température. Il s'agit par exemple d'un alliage SnPb 60/40. La mise en place du matériau fusible sur les plots 312a, 312b peut tre réalisée très simplement par "dépôt à la seringue" (dispensing). Ce procédé est plus rapide et plus économique que les procédés de formation du matériau par voie chimique ou électrolyte. De plus, dès lors que les cavités 120 sont prévues pour absorber l'excès de matériau, la quantité de matériau appliquée n'est pas très critique. Les substrats sont assemblés de façon à mettre les billes de matériau fusible en contact avec les zones d'accrochage du premier substrat. Les billes de matériau fusible, et éventuellement l'ensemble de la structure, est (sont) portée (s) ensuite à une température suffisante pour faire ramollir, ou pour faire fondre le matériau fusible, de sorte qu'un soudage du matériau sur les zones d'accrochage correspondantes puisse avoir lieu. Après refroidissement, on obtient l'assemblage illustré par la figure 9. On observe qu'un excès de matériau fusible s'est écoulé dans les cavités 120 du premier substrat 100 et que seule une faible quantité de matériau demeure entre les zones d'accrochage. REVENDICATIONS 1. Dispositif comprenant un premier substrat (100) avec au moins une zone d'accrochage (llOa, lob), susceptible d'tre assemblé avec un deuxième substrat (200,300), la zone d'accrochage (llOa, 110b) présentant une plage en un matériau mouillable par un matériau fusible, caractérisé en ce que la zone d'accrochage (llOa, 110b) est munie d'au moins une cavité (120) de réception de matériau fusible. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cavité (120) présente des parois en un matériau mouillable par le matériau fusible. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la cavité (120) présente des parois en un matériau non mouillable par le matériau fusible. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la ou les cavités (120) entourent la plage de matériau mouillable de la zone d'accrochage de façon à la délimiter. 5. Système d'assemblage comprenant un premier (100) substrat et au moins un deuxième substrat (200, 300), les premier et deuxième substrats présentant des zones d'accrochage (llOa, 110b, 210a, 210b, 310a, 310b) et les zones d'accrochage des premier et deuxième substrats étant respectivement conjuguées par paires, de telle sorte qu'une première zone d'accrochage (llOa, 110b) d'une paire vienne en regard d'une deuxième zone d'accrochage (210a, 310a, 210b, 310b) conjuguée de la paire, lorsque les premier et deuxième substrats sont assemblés, dans lequel les zones d'accrochage comportent respectivement une plage de matériau mouillable par un matériau fusible et dans lequel au moins l'une des zones d'accrochage d'une paire comporte un bossage (214,314) de matériau fusible en contact avec la plage de matériau mouillable, caractérisé en ce qu'au moins l'une des zones d'accrochage de chaque paire est munie d'au moins une cavité (120) de réception de matériau fusible. 6. Système selon la revendication 5, dans lequel l'une des zones d'accrochage, comportant le bossage de matériau fusible, est dépourvue de cavité et une seconde zone d'accrochage, dépourvue de matériau fusible, comporte au moins une cavité (120). 7. Système selon la revendication 5, dans lequel au moins une zone d'accrochage (llOa, 110b) est munie d'une pluralité de cavités (120), ménagées à sa périphérie de façon à l'entourer et la délimiter. 8. Système selon la revendication 5, dans lequel au moins une cavité (120) présente des parois en un matériau mouillable. 9. Système selon la revendication 5, dans lequel au moins l'un des premier et deuxième substrats présente en outre une dépression (106) de logement de composant. 10. Dispositif comprenant au moins un premier et un deuxième substrats d'un système d'assemblage selon la revendication 5, dans lequel les zones d'accrochage (llOa, 110b, 310a, 310b) d'au moins une paire de zones d'accrochage sont reliées par un bossage (314) de matériau fusible, le bossage s'étendant, au moins en partie dans une cavité de réception (120) de l'une des zones d'accrochage. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le bossage (314) présente une hauteur de l'ordre de lum. 12. Procédé de réalisation d'un dispositif selon la revendication 10, dans lequel : -on assemble les premier et deuxième substrats (100, 300) de façon que les zones d'accrochage (llOa, 110b, 310a, 310b) d'une paire soient en regard et séparées respectivement par au moins un bossage (314) de matériau fusible, -on effectue un chauffage du matériau fusible à une température suffisante pour provoquer le soudage du matériau fusible respectivement sur les zones d'accrochage en regard et pour provoquer l'écoulement d'un excès de matériau fusible dans au moins une cavité (120) des zones d'accrochage, et -on laisse refroidir ce matériau fusible pour le durcir.