Brevet FR2815953A1 — publié le 20020503

Etat de la technique La présente invention concerne un composant microméca- nique comportant un substrat et une membrane appliquée sur le subs- trat. L'invention concerne également un procédé pour la fabrica- tion d'un tel composant micromécanique. Bien que la présente invention concerne n'importe quel composant micromécanique et des structures, notamment des capteurs et des actionneurs, l'invention et le problème à la base de celle-ci, la descrip- tion sera faite notamment à propos de la technique de fabrication d'un capteur de point de rosée, en micromécanique de surface de silicium. Le document WO 96/05506, connu, décrit le principe de la détection du point de rosée en refroidissant un élément Peltier dans un élément de capteur micromécanique jusqu'à ce que l'humidité se condense à la surface. La température de l'élément capteur à laquelle se produit la condensation est mesurée à l'aide d'un capteur de température ce qui permet de déterminer le point de rosée. En particulier, le document WO 96/05506 décrit un mon- tage formé d'un élément Peltier, d'un capteur de température, d'un con- densateur interdigité et d'un microprocesseur assurant l'exploitation. Le dépôt de la rosée peut se constater par la variation de la capacité du con- densateur interdigité. Une autre possibilité consiste à détecter le dépôt de la rosée par une mesure optique (voir entre autre, D. Heinze, " Halbleitertechnologien zur Herstellung moderner Feuchtesensoren ", Sensor 91, Nuremberg 1991, document du congrès IV, 112-121). La fabrication d'un élément Peltier à l'aide de semi- conducteurs à dopage (n) et (p) reliés par un pont métallique est une tech- nique connue depuis longtemps, (voir par exemple M. von Ardenne et au- tres " Effekte der Physik und Ihre Anwendungen ". Verlag Harri Deutsch, Francfort /Main 1990, p. 399). Le document US-A-5 714 791 décrit un élément Peltier avec des zones semiconductrices à dopage (n) et (p) sur une membrane. La membrane est isolée thermiquement du côté arrière du substrat par la réalisation d'une caverne par gravure. Le procédé de gravure du silicium pour le rendre poreux (anodisation) est une technique connue et décrite dans de nombreuses publications. Le procédé consistant à réaliser une cavité sous une couche de silicium poreux a également déjà été publié (G. Lammel, P. Renaud, " Free-standing, mobile 3D microstructures of porous silicon ", Procee- dings the 13th European Conference on Solid-State Transducers, Eurosen- sors XIII, La Haye, 1999, 535-536). Les inconvénients des capteurs de rosée connus sont la dif- ficulté et la complexité de leur fabrication. Avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients et concerne à cet effet un composant micromécanique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'une zone, en matière poreuse, iso- lante thermique, et soutenant mécaniquement la membrane, est prévue sous la membrane. L'invention concerne également un procédé évitant les in- convénients et solutions connus. Ce procédé est caractérisé en ce que sous la membrane on réalise une zone isolante thermiquement et soute- nant mécaniquement la membrane, cette zone en matière poreuse étant au moins en deux parties. Les avantages du composant micromécanique selon l'invention et de son procédé de fabrication résident dans la simplicité et le faible coût de la fabrication avec une zone de membrane à découplage thermique. Par exemple l'utilisation de silicium poreux permet de fabri- quer d'une manière relativement simple une caverne profonde recouverte d'une membrane. Il est de plus possible de rendre une zone définie sur une plaquette, poreuse jusqu'à une épaisseur définie, et de l'oxyder en option pour avoir une ossature solide à faible conductivité thermique. En réalisant un capteur de point de rosée selon ce procédé on obtient les avantages suivants: - faible puissance consommée du fait de l'excellent découplage thermi- que, - intégration d'un élément de capteur, par exemple d'un élément Peltier dans une puce, - intégration possible d'un circuit sur l'élément de capteur, - très faible encombrement, - très faible temps de réponse du fait de la masse réduite dont la tempé- rature doit changer. La caractéristique de base de la présente invention consiste à prévoir, sous la membrane, une zone en matière poreuse, isolante ther- miquement et qui soutient mécaniquement la membrane. Selon un développement préférentiel, la matière poreuse est formée dans la matière du substrat. Cela est facilement possible en parti- culier dans le cas d'un substrat de silicium. Selon un autre développement préférentiel, on a une cavité sous la zone de la matière poreuse. Selon un autre développement préférentiel, on forme la cou- che membrane en oxydant la surface supérieure du substrat et la surface supérieure de la zone poreuse. Cela permet d'économiser le dépôt d'une couche membrane supplémentaire. Selon un autre développement préférentiel, la zone de ma- tière poreuse est oxydée en totalité. Une telle oxydation est facilement pos- i5 sible grâce à la structure poreuse et elle augmente ainsi le pouvoir d'isolation thermique. Selon un autre développement préférentiel, le composant comporte un capteur de point de rosée qui comporte en outre un thermo- élément au-dessus de la zone de la matière poreuse pour saisir la tempé- rature. Au-dessus de la zone de matière poreuse on a un condensateur interdigité; une installation à éléments Peltier avec un ou plusieurs élé- ments Peltier permet de chauffer ou de refroidir la membrane; une ins- tallation de saisie du point de rosée permet de saisir le point de rosée à l'aide de la capacité du condensateur interdigité et de la température fournie par le thermoélément. Selon un autre développement préférentiel, le composant comporte un capteur de rayonnement thermique et celui-ci, au-dessus de la zone de matière poreuse, une installation d'absorption pour absorber le rayonnement thermique; une installation à éléments Peltier avec un ou plusieurs éléments Peltier génère une tension d'origine thermique corres- pondant à une différence de température entre une zone de la membrane à côté de la zone de matière poreuse et une zone de membrane au-dessus de la zone de matière poreuse; ainsi qu'une installation de saisie de tem- pérature pour saisir la température dans la zone de la membrane au- dessus de la zone de matière poreuse. Selon un autre développement préférentiel, l'installation de saisie de température détecte la température en s'appuyant sur la tension thermique. Selon un autre développement préférentiel, une installation de régulation régule la température dans la zone de la membrane au- dessus de la zone de matière poreuse à l'aide d'une installation à effet Pel- tier et l'installation de saisie de température saisit la température en s'appuyant sur la puissance de régulation. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: o0 - la figure 1 est une vue en plan d'un premier mode de réalisation selon la présente invention sous la forme d'un capteur de point de point de rosée, - les figures 2-4 représentent des étapes de fabrication du capteur de point de rosée de la figure 1, - les figures 56 représentent les étapes de fabrication d'un second mode de réalisation selon l'invention, sous la forme d'un capteur de rosée - la figure 7 est une vue d'un troisième mode de réalisation d'un troi- sième mode de réalisation de l'invention sous la forme d'un capteur de rayonnement thermique. Description des exemples de réalisation Dans les différentes figures on utilisera les mêmes référen- ces pour désigner les éléments identiques ou de même fonction. La figure 1 est une vue en plan d'un capteur de rosée cor- respondant à un premier mode de réalisation de la présente invention. Selon la figure 1, la référence 1 désigne un thermoélément, la référence 2 un condensateur interdigité, la référence 3 un chemin con- ducteur à dopage (p), la référence 4 un chemin conducteur à dopage(n), la référence 5, un conducteur métallique, la référence 6, des surfaces ou des patins de contact; la référence 10 désigne un substrat semi- conducteur, la référence 40, une couche en forme de membrane sur la surface supé- rieure du substrat semi-conducteur. La référence 300 désigne la limite d'une zone dans laquelle se trouve sous la couche membrane 40, une zone en matière poreuse isolante thermiquement et soutenant mécaniquement la couche membrane 40. Dans le cas présent, la matière du substrat est du silicium et la matière poreuse est du silicium anodisé (gravure po- reuse). Pour le fonctionnement de la structure de capteur de la fi- gure 1, on régule l'installation formée des différents éléments Peltier 3, 4, branchés en série, pour que sur la surface de la couche membrane 40, à l'intérieur de la zone 300, par refroidissement ou chauffage de la jonction, on puisse déterminer le passage de l'état chargé de rosée à un état sans rosée et inversement, car cette zone est isolée thermiquement par rapport à l'environnement. Au niveau de cette jonction, la capacité du condensa- teur interdigité 22 sur la couche membrane 40 change du fait du nombre diélectrique élevé de l'eau (Er = 81). La température du point de rosée cor- respondante sera mesurée à l'aide du thermoélément 1. Les figures 2-4 montrent les étapes de fabrication du cap- teur de point de rosée de la figure 1. La figure 2 montre un masque 15, par exemple un masque de vernis et les composants 100 d'un circuit de capteur non détaillé ici. Le substrat 10 de la figure 2 est un substrat de silicium. On peut également utiliser d'autres substrats, par exemple un substrat avec une couche épi- taxiale. Dans un but de simplification, on décrira ici un substrat de pla- quette. Selon la figure 3, en appliquant des procédés connus de gravures poreuses on génère une structure dont la matière a été rendue poreuse dans une certaine zone 30 et ensuite on forme une cavité 20 sous la zone poreuse 30, c'est-à-dire que l'on enlève une partie de la zone po- reuse 30, ce qui conduit à la structure présentée à la figure 3. La figure 4 montre la couche membrane 40, une couche d'isolation 50, une capacité de mesure 60, un chemin conducteur métalli- que 70 et des chemins conducteurs de type Peltier 80 correspondant aux chemins conducteurs 3, 4 de la figure 1. Pour fabriquer la structure représentée à la figure 4, après enlèvement du masque 15 on ferme la zone poreuse 30 par le dépôt de la couche membrane 40, par exemple un nitrure, un oxyde ou du polysili- cium. Une autre possibilité pour former la couche membrane 40 consiste à oxyder la surface supérieure du substrat et la surface supérieure de la zone poreuse 30. Cette fermeture étanche à l'air de la cavité 20 ne doit pas nécessairement faire suite à la fabrication de la cavité 20 mais on peut également la réaliser comme l'une des dernières étapes de procédé. On a ainsi l'avantage que pendant le traitement, la couche membrane 40 ne se bombe pas et ne risque pas de produire des défauts de copie dans le pro- cédé de mise en structure. La pression interne qui s'établit en définitive dans la cavité 20 dépend des rapports de pressions existant au moment du dépôt ou de l'oxydation. Sur la couche membrane 40 on forme la capa- cité de mesure 60 correspondant au condensateur interdigité 2 de la fi- gure 1, les chemins conducteurs métalliques 70 et les chemins conducteurs Peltier 80. Entre la couche membrane 40 et les chemins con- ducteurs 70 ou au-dessus des chemins conducteurs on peut appliquer d'autres couches fonctionnelles et les mettre en structure. Le présente mode de réalisation comporte une cavité 20 avec un vide emprisonné sous la couche membrane 40 pour assurer une bonne isolation thermique par rapport au substrat 10. La couche isolante 50 protège la structure ainsi formée contre l'influence de l'environnement. Les figures 5-6 montrent des étapes de fabrication du cap- teur de point de rosée correspondant à un second mode de réalisation de la présente invention. Dans le second mode de réalisation représenté aux figures 5 et 6, on ne forme pas de cavité sous la zone de substrat 30' rendue po- reuse. Au contraire, en enlevant le masque 15 on ferme la zone poreuse ' directement par le dépôt de la couche membrane 40 ou par oxydation. L'oxydation (non représentée) a l'avantage que l'oxyde pré- sente une conductivité thermique inférieure à celle du silicium ce qui permet un meilleur découplage par rapport au substrat 10. Comme dans le premier mode de réalisation, on forme les chemins conducteurs et au- tres éléments sur la couche membrane 40. La figure 7 est une vue en plan d'un capteur de rayonne- ment thermique correspondant à un troisième mode de réalisation de la présente invention. Dans le mode de réalisation de la figure 7, à la place du thermoélément 1 et du condensateur interdigité 2 on a réalisé un disposi- tif de capteur de rayonnement thermique 2' sur la zone centrale de la membrane. Cette installation absorbe le rayonnement thermique incident et le transforme en chaleur. Cela permet de réaliser de manière simple un capteur de rayonnement thermique. La différence de température entre la zone centrale de la membrane 40 et la zone environnante conduit à une tension thermique sur les éléments Peltier 3, 4, 5 fonctionnant mainte- nant comme thermoéléments. La tension thermique est ainsi une mesure du rayonnement infrarouge absorbé. Dans un autre mode de réalisation (non représenté) il est possible de réguler la zone centrale de la membrane pour rester avec un thermoélément prévu sur celle-ci, à la même température et dans ce cas la chaleur générée par le rayonnement infrarouge est évacuée par l'élément Peltier. La puissance frigorifique de l'élément Peltier est alors une mesure du rayonnement infrarouge absorbé. Bien que la présente invention ait été décrite ci-dessus à l'aide d'exemples de réalisation préférentiels, elle n'est pas limitée à ces exemples et peut être modifiée de différentes manières. Dans les exemples ci-dessus on a réalisé le capteur de point de rosée ou le capteur de rayonnement thermique selon l'invention sous des formes simples pour expliciter leur principe de base. Des combinai- sons des exemples et des réalisations beaucoup plus complexes en utili- sant les mêmes principes de base sont évidemment envisageables. Il est en outre possible de faire une gravure sélective après ou entre les étapes de procédé, dans la zone poreuse 30, 30'. Pour cela, on peut réaliser une ou plusieurs ouvertures dans la couche membrane 40 à travers lesquelles peut se dégager un agent de gravure à effet sélectif, à l'état liquide ou gazeux, pour la zone poreuse. Les ouvertures peuvent en- suite de nouveau être bouchées pour emprisonner de préférence du vide dans la cavité 20 afin d'assurer un découplage thermique optimum entre la membrane 40 et le substrat 10. Les ouvertures peuvent également res- ter intentionnellement ouvertes. De ce fait, la zone centrale de la mem- brane peut comporter des éléments fonctionnels pour n'être reliée que par quelques entretoises au substrat à l'extérieur de la cavité (par exemple une liaison sous la forme de seulement deux entretoises en pont). Cela aboutit à un excellent découplage thermique latéral important pour le fonctionnement de l'élément Peltier. Il est possible de réaliser le compensateur de mesure au- dessus de l'élément Peltier et entre les deux couches on insère une couche isolante. De plus, les chemins conducteurs de l'élément Peltier peu- vent être réalisés en polysilicium sur une couche de fermeture isolante. Il est en outre possible de réaliser les chemins conducteurs Peltier sous la forme de zones à dopage (p) ou (n) dans la couche épitaxiale servant de couche de fermeture. Enfin, il est possible en plus de réaliser des chemins con- ducteurs résistants sur la zone de membrane 40 pour chauffer rapide- ment la membrane. Le but est de permettre une régulation plus rapide. Il est également possible d'appliquer une couche miroir sur la zone centrale de la membrane pour pouvoir déceler optiquement le dé- pôt de rosée. On peut également utiliser n'importe quel matériau de base de micromécanique et ne pas se limiter au substrat de silicium donné simplement à titre d'exemple. Suivant une autre caractéristique, le composant comporte un capteur de point de rosée ayant en outre: - au-dessus de la zone 30 de matière poreuse, un thermoélément 1 pour détecter la température, - un condensateur interdigité 2 au-dessus de la zone 30 de matière po- reuse, - une installation à éléments Peltier comprenant un ou plusieurs élé- ments Peltier 3, 4, 5 pour chauffer et refroidir la membrane 40 et - une installation de saisie de point de rosée pour saisir le point de rosée à l'aide de la capacité du condensateur interdigité 2 et de la tempéra- ture saisie par le thermoélément 1 ou un miroir pour une exploitation optique. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la zone 30, 30' en matière poreuse est enlevée après formation de la membrane 40. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S ) Composant micromécanique comportant: - un substrat (100), - une membrane (40) appliquée sur le substrat (10), caractérisé par une zone (30, 30') en matière poreuse, isolante thermique, et soutenant mécaniquement la membrane (40), cette zone étant prévue sous la mem- brane (40). 2 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière poreuse est réalisée dans la matière du substrat. 3 ) Composant micromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par une cavité (20) sous la zone (30) en matière poreuse. 4 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on forme la couche membrane (40) en oxydant la surface supérieure du substrat et la surface supérieure de la zone poreuse (30, 30'). ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone (30, 30) en matière poreuse est oxydée complètement. 6 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant comporte un capteur de point de rosée ayant en outre: au-dessus de la zone (30) de matière poreuse, un thermoélément (1) pour détecter la température, - un condensateur interdigité (2) au-dessus de la zone (30) de matière poreuse, - une installation à éléments Peltier comprenant un ou plusieurs élé- ments Peltier (3, 4, 5) pour chauffer et refroidir la membrane (40) et une installation de saisie de point de rosée pour saisir le point de rosée à l'aide de la capacité du condensateur interdigité (2) et de la tempé- rature saisie par le thermoélément (1) ou un miroir pour une exploita- tion optique. 7 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un capteur de rayonnement thermique ayant en outre: - une installation d'absorption prévue au-dessus de la zone (30) de ma- tière poreuse pour absorber le rayonnement thermique, - une installation à éléments Peltier avec un ou plusieurs éléments Pel- tier (3, 4, 5) pour générer une tension d'origine thermique correspon- dant à une différence de température entre une zone de membrane à côté de la zone (30) en matière poreuse et une zone de membrane au- dessus de la zone (30) de matière poreuse et - une installation de saisie de température pour saisir la température dans la zone de membrane au-dessus de la zone (30) de matière po- reuse. 8 ) Composant micromécanique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'installation de saisie de température détecte la température à partir de la tension thermique. 9 ) Composant micromécanique selon la revendication 7, caractérisé par une installation de régulation pour réguler la température dans la zone de membrane au-dessus de la zone (30) en matière poreuse à l'aide de l'installation à éléments Peltier et l'installation de saisie de température détecte la température en fonction de la puissance de régulation. 10 ) Procédé de fabrication d'un composant micromécanique comprenant un substrat (10) et sur celui-ci une membrane (40), caractérisé en ce que sous la membrane (40) on réalise une zone (30, 30') isolante thermique- ment et soutenant mécaniquement la membrane (40), cette zone en ma- tière poreuse étant au moins en deux parties. 11 ) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la zone (30, 30') en matière poreuse est de nouveau enlevée après forma- tion de la membrane (40).