Brevet FR2834977A1 — publié le 20030725

COMPOSANTS MINIATURISES A ELEMENT MOBILE ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL COMPOSANT Domaine technique La présente invention concerne la réalisation de composants miniaturisés comprenant un ou plusieurs éléments mobiles. L'élément mobile, généralement de très faible masse, peut être utilisé comme organe de détection d'une grandeur physique, comme actionneur ou encore comme élément de commutation. L'invention trouve notamment des utilisations dans la réalisation de composants tels que des accéléromètres, des gyromètres ou des commutateurs optiques. A titre d'exemple, dans les commutateurs optiques, l'élément mobile, agissant comme un miroir ou comme un support de miroir, peut servir à commander la déflexion d'un faisceau lumineux. Un domaine d'application particulier de l'invention est celui des télécommunications par voie optique. Etat de la technique antérieure. La fabrication de composants à éléments mobiles fait généralement appel à des substrats présentant trois couches. Une couche épaisse et rigide sert de support. Elle porte dans l'ordre une couche enterrée sacrificielle et une couche superficielle en un matériau différent du matériau de la couche sacrificielle. De façon plus précise, la couche superficielle et la couche sacrificielle sont en des matériaux pouvant être gravés sélectivement l'un par rapport à l'autre. La couche superficielle, généralement mince, est utilisée pour la définition de l'élément mobile. Une étape de photolithographie permet, par exemple, de découper une partie de la couche superficielle selon un motif correspondant à tout ou partie du contour de l'élément mobile que l'on souhaite réaliser. La partie de la couche superficielle ainsi mise en forme reste cependant solidaire de la couche de support par l'intermédiaire de la couche enterrée sacrificielle. Pour libérer l'élément mobile, une partie de la couche sacrificielle est éliminée par gravure sélective. Il s'agit notamment de la partie de la couche sacrificielle située sous l'élément mobile. La gravure de la couche sacrificielle a lieu selon une technique de gravure isotrope, par exemple par gravure humide. Après l'élimination locale de la couche sacrificielle, l'élément découpé dans la couche superficielle devient mobile. Il reste éventuellement relié à une partie fixe de la couche superficielle par l'intermédiaire de poutrelles flexibles. Il convient de noter ici que la partie fixe de la couche superficielle correspond simplement à une partie de cette couche sous laquelle la couche sacrificielle n'a pas été éliminée. Un certain nombre de difficultés apparaissent lors de la réalisation d'un composant à élément mobile selon la technique indiquée ci-dessus. Une première difficulté est liée à l'élimination de la couche sacrificielle enterrée. Une élimination satisfaisante de la couche sacrificielle n'est possible que lorsqu'un accès suffisant à cette couche est fourni pour les agents de gravure. Cette condition n'est pas remplie lorsque la surface de l'élément mobile est importante. A titre d'illustration, les éléments mobiles devant servir de miroir dans des commutateurs optiques peuvent présenter des surfaces pouvant atteindre ou même dépasser lmm2. Or la gravure de la couche sacrificielle sous la couche superficielle devient difficile lorsque les plages de couche superficielle dépassent une surface de quelques milliers de micromètres carrés. Pour augmenter la surface des plages de la couche superficielles devant être libérées, une technique consiste à pratiquer dans ces plages des ouvertures d'accès à la couche sacrificielle sousjacente. Ces ouvertures permettent une meilleure attaque de celle-ci par des agents de gravure. Toutefois, dans un certain nombre d'applications, la présence d'ouvertures de gravure n'est pas compatible avec la destination finale des éléments mobiles. Tel est le cas notamment pour les composants optiques dont les éléments mobiles doivent présenter une qualité de surface élevée pour ne pas perturber les faisceaux de lumière. Une autre difficulté est liée à la déformation de la couche superficielle formant l'élément mobile. Les couches sacrificielle et superficielle sont généralement formées ou déposées sur la couche de support dans des conditions générant des contraintes internes. Or, l'élimination de la couche sacrificielle induit une modification des contraintes s'exerçant sur la couche superficielle. La modification des contraintes est alors la cause de déformations de la couche superficielle, initialement plane, dans la région de l'élément mobile. Il s'avère que ces déformations sont des défauts rédhibitoires pour un certain nombre de composants. Parmi ceux-ci figurent encore les composants optiques. La qualité de surface est un paramètre supplémentaire dont le respect est rendu difficile par la technique de fabrication exposée ci-dessus. Une gravure insuffisamment sélective de la couche sacrificielle est en effet susceptible d'altérer la surface de la couche superficielle utilisée pour la fabrication de l'élément mobile. Exposé de l'invention L'invention a pour but de proposer une composant à élément mobile, de même que son procédé de fabrication, qui ne présentent pas les difficultés et limitations mentionnées ci-dessus. Un but est principalement d'empêcher les défauts ou difficultés liés à l'élimination de la couche sacrificielle mentionnée précédemment. Un but est encore de proposer un procédé dont la mise en oeuvre fait appel à des techniques éprouvées et reproductibles, de façon à autoriser une fabrication industrielle des composants avec un rendement élevé et un faible coût. Un but est enfin de proposer un procédé permettant d'obtenir des éléments mobiles avec une bonne planéité et une bonne qualité de surface, compatibles avec des applications comprenant un traitement optique de données. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un procédé de fabrication d'un composant miniaturisé avec au moins un élément mobile, comprenant les étapes suivantes : a) la délimitation de l'élément mobile dans au moins une couche de matériau d'un premier substrat, b) la préparation d'au moins un deuxième substrat présentant au moins une dépression de débattement de l'élément mobile et c) l'assemblage des premier et deuxième substrats en faisant coïncider la dépression avec l'élément mobile. Dans ce procédé, le deuxième substrat peut être utilisé comme un support de rigidité. Le fait d'y rapporter un substrat comprenant l'élément mobile rend inutile le recours à une couche sacrificielle telle que décrite dans la partie introductive. L'élément mobile peut être découpé selon une technique de découpage quelconque dans une plaquette formée d'une ou de plusieurs couches de matériau et constituant le premier substrat. Dans une mise en oeuvre particulière du procédé, l'étape a) peut comporter, par exemple, les sous étapes suivantes : al) la fourniture d'un premier substrat comprenant une couche de support et une couche superficielle, en contact avec la couche de support par l'intermédiaire d'une couche d'arrêt de gravure, a2) l'ouverture d'une fenêtre dans la couche de support, par gravure avec arrêt sur la couche d'arrêt de gravure, a3) la délimitation de l'élément mobile dans une partie de la couche superficielle coïncidant avec la fenêtre de la couche de support. Les sous-étapes peuvent être exécutées dans l'ordre indiqué ou dans un ordre différent, par exemple, en inversant les étapes a3 et a2. L'utilisation d'une couche d'arrêt de gravure permet de protéger la couche superficielle lors de la gravure de la couche de support. Cette mesure permet de conserver un meilleur état de surface de l'élément mobile. Pour éviter un endommagement de l'élément mobile lors de l'étape d'assemblage, ou même avant cette étape, l'étape a) de délimitation peut ne comporter qu'une délimitation partielle de l'élément mobile, de façon à interdire un débattement de l'élément mobile. Dans ce cas, on peut libérer l'élément mobile après l'étape d'assemblage, de façon à autoriser son débattement. L'assemblage des premier et deuxième substrats peut avoir lieu par report de l'un des supports sur l'autre. Le report peut comporter un collage direct ou indirect, c'est-à-dire avec ou sans apport d'une matière intermédiaire. Le collage direct est obtenu par un nettoyage et un traitement approprié des surfaces à mettre en contact, de sorte à provoquer un collage moléculaire. Le procédé peut inclure la fabrication de moyens moteurs aptes à provoquer un mouvement de l'élément mobile. Bien que d'autres solutions soient envisageables, les moyens moteurs sont de préférence des moyens électrostatiques. Les moyens électrostatiques font appel à des armatures conductrices ou semi-conductrices en regard, entre lesquelles une tension est appliquée. La tension électrique permet alors d'exercer entre les armatures des forces électrostatiques. Le fait d'équiper l'élément mobile, et une partie correspondante du deuxième substrat, avec des armatures conductrices ou semi-conductrices, permet par ailleurs d'utiliser le composant comme un capteur du déplacement de l'élément mobile. En effet, les armatures en regard de l'élément mobile et du deuxième substrat forment un condensateur dont la capacité varie avec le déplacement de l'élément mobile. Les électrodes formant le capteur et celles formant les moyens moteurs peuvent être distinctes ou non. L'invention concerne également un commutateur optique comprenant un composant tel que décrit cidessus et dans lequel l'élément mobile présente une face réfléchissante de renvoi d'un faisceau. L'actionnement de l'élément mobile permet ainsi de mettre en communication une entrée et une sortie optique du commutateur, en les sélectionnant parmi une pluralité d'entrées et/ou de sorties optiques. Le mouvement de l'élément optique est, par exemple, un mouvement de rotation ou de pivotement autour d'un ou de plusieurs axes. Les axes sont matérialisés par des bras de suspension reliant l'élément mobile à une partie fixe de la couche de matériau dans lequel il a été délimité. L'invention concerne aussi un accéléromètre. Dans ce, cas l'élément mobile constitue une masse sismique suspendue et sensible aux accélérations. La masse sismique forme avec une partie fixe du composant un condensateur de capacité variable. La mesure de cette capacité permet de rendre compte de l'accélération subie par l'élément mobile. L'élément mobile peut à cet effet être garni d'une ou de plusieurs armatures conductrices, ou constituer une telle armature. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 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 est une coupe schématique d'un substrat utilisable pour la définition d'un élément mobile d'un composant conforme à l'invention. - Les figures 2 et 3 sont des coupes du substrat de la figure 1 et illustrent des étapes de formation de l'élément mobile. - La figure 4 est une coupe schématique du substrat de la figure 3 et illustre une étape garniture de l'élément mobile. - Les figures 5 et 6 sont des coupes schématiques d'un deuxième substrat illustrant des étapes de leur préparation avant l'assemblage avec un substrat comprenant un élément mobile. - Les figures 7 et 8 sont des coupes schématiques de substrat illustrant d'autres exemples de préparation de substrats susceptibles d'être assemblés avec un substrat comprenant un élément mobile. - La figure 9 est une coupe schématique d'un composant conforme à l'invention résultant de l'assemblage de substrats conformes aux figures 4 et 7. - La figure 10 est une coupe schématique d'un composant conforme à l'invention résultant de l'assemblage de substrats conformes aux figures 4 et 6. Description détaillée de modes de mise n oeuvre de l'invention. Dans la description qui suit des parties identiques,'similaires ou équivalentes des différentes figures sont repérées par les mêmes signes de référence pour faciliter le report entre les figures. Par ailleurs, et dans un souci de clarté des figures, tous les éléments ne sont pas représentés selon une échelle uniforme. La figure 1 montre un premier substrat 10 avec une couche de support 12, une couche enterrée 14 et une couche superficielle 16 destinée à la fabrication de l'élément mobile. Il s'agit, par exemple, d'un substrat de type SOI (silicium sur isolant) dans lequel la couche de support 12 est une couche de silicium, la couche enterrée 14 est une couche d'oxyde de silicium, et la couche superficielle 16, une couche de silicium cristallin. Les différences de matériaux constituant les couches du premier substrat 10, autorisent leur gravure sélective. Les couches sont en effet sensibles à des agents de gravure différents. La couche enterrée d'oxyde de silicium 14 peut notamment être utilisée comme couche d'arrêt de gravure. Un substrat conforme à la figure 1 peut aussi être obtenu en déposant sur une couche de support la couche d'arrêt et la couche superficielle, par des techniques de dépôt connues en soi. On peut mentionner, par exemple, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou le dépôt par pulvérisation cathodique. Il convient de préciser qu'un substrat avec un nombre plus important de couches peut aussi être retenu. En particulier, la couche superficielle destinée à la formation de l'élément mobile peut présenter une structure multicouche. La figure 2, illustre une étape d'ouverture d'une fenêtre 20 dans la couche de support 12. L'ouverture de la fenêtre coïncide avec une région de la couche superficielle 16 dans laquelle on souhaite réaliser un élément mobile. La gravure de la fenêtre 20 peut être de préférence une gravure chimique ou une gravure ionique réactive, ou résulter de la combinaison de ces techniques de gravure. Elle a lieu avec arrêt sur la couche enterrée 14 utilisée comme couche d'arrêt de gravure. La couche enterrée 14 permet ainsi de ne pas exposer la couche superficielle 16 lors de la gravure du support épais, et donc de préserver la qualité de surface de cette couche. La figure 2 montre l'ouverture d'une seule fenêtre, et les figures suivantes montrent la fabrication d'un seul élément mobile. L'invention peut toutefois être mise en oeuvre pour la réalisation dans un même premier substrat 10, d'une pluralité de fenêtres et/ou d'une pluralité d'éléments mobiles. Après l'ouverture de la fenêtre 20, la couche d'arrêt de gravure 14 peut également être éliminée au fond de la fenêtre. Il s'agit sur la figure 2 de la partie de la couche 14 représentée en trait mixte. Contrairement à l'élimination de la couche sacrificielle des techniques de l'art antérieur, la couche d'arrêt de gravure peut ici être éliminée très facilement. En effet, la partie à éliminer est exposée directement aux agents de gravure. Une étape suivante comprend la définition de l'élément mobile 30. La figure 3 montre, en fausse perspective, le cas particulier où l'élément mobile 30 est un support de miroir pivotant. L'élément mobile est découpé dans la couche superficielle 16, par exemple, par gravure selon un masque, non représenté, qui en fixe de contour. L'élément mobile 30 reste relié à une partie fixe de la couche superficielle 16 par des poutrelles 32, dont une seule est visible. Les poutrelles sont déformables en torsion et définissent ainsi un axe de rotation de l'élément mobile 30. On rappelle qu'il s'agit ici d'un élément mobile susceptible de constituer un support de miroir. Dans une autre réalisation, où l'élément mobile est utilisé comme masse sismique, les dimensions et formes des poutrelles peuvent être ajustées pour leur conférer des propriétés de déformation en flexion. Elles permettent alors, par exemple, un déplacement de l'élément mobile en translation, parallèlement ou perpendiculairement au plan de la couche superficielle. La figure 4 montre une étape de garniture de l'élément mobile. Sur une première face de l'élément mobile, tournée vers la fenêtre 20, on dépose un réflecteur 34. Il s'agit d'une seule couche ou d'une structure multicouche, métallique ou diélectrique, susceptible de rendre la face réfléchissante. A titre d'exemple, le réflecteur peut être formé par une couche de Al, Cr ou Au. Comme évoqué précédemment, le réflecteur 34 a pour rôle, dans le composant final, de renvoyer un faisceau lumineux dans une direction déterminée par l'angle de pivotement de l'élément mobile autour de son axe. Une couche de matériau métallique 36, par exemple une couche de l'un des métaux mentionnés ci-dessus, est également déposée sur une deuxième face de l'élément mobile opposée à la première face. La couche de matériau métallique est prévue pour former une électrode. On peut observer sur la figure 4 que, dans cet exemple, la couche métallique 36 se retrouve sur l'ensemble de la face libre de la couche superficielle 16. Le rôle de l'armature est encore décrit de façon plus détaillée dans la suite du texte. Lorsque la couche superficielle est en un matériau suffisamment conducteur de l'électricité, le dépôt de la couche métallique 36 peut éventuellement être omis. La figure 5, décrite ci-après, illustre la préparation d'un deuxième substrat 40, susceptible d'être assemblé au premier substrat pour la constitution d'un composant. Une couche 44 de séparateur, par exemple en un matériau isolant électrique tel que l'oxyde de silicium ou le nitrure de silicium, est formée sur une couche 42 de support du deuxième substrat 40. La couche de support est, par exemple, une couche de silicium, de verre, de céramique ou même de métal. La couche de séparateur est éliminée dans une région du deuxième substrat, pour former une dépression 47 susceptible de venir en regard de l'élément mobile lors d'un assemblage ultérieur du deuxième substrat avec le premier substrat. De façon accessoire, un ou plusieurs puits de débattement 45 sont pratiqués dans la même région pour autoriser, si nécessaire un débattement de plus grande amplitude de l'élément mobile. La gravure du séparateur et des puits 45 peut avoir lieu selon des masques, non représentés, qui en déterminent les emplacements. Lors de la gravure il est encore possible de mettre en forme des butées permettant de fixer un débattement maximum de l'élément mobile. Dans l'exemple illustré, une butée est simplement formée par la partie centrale du substrat, non gravée, et entourée par les puits 45. La figure 6 montre une étape supplémentaire comprenant la formation d'électrodes 46a, 46b sur une région de la couche de support 42, entourée par la couche de séparateur 44. Dans l'exemple illustré deux électrodes 46a, 46b sont respectivement formées sur un plateau de la couche de support 42 délimité par les puits de débattement 45. De façon plus précise, les électrodes 46 sont disposées de façon à venir en regard d'électrodes correspondantes d'un élément mobile d'un premier substrat, tel que décrit précédemment, et susceptible d'être assemblé avec le deuxième substrat représenté. On considère ici que le matériau de la couche de support 42 du deuxième substrat 40 présente une résistance électrique suffisante pour garantir l'isolation électrique des électrodes. Si tel n'est pas le cas, des couches intercalaires de matériau diélectrique peuvent être prévues comme moyen d'isolation. Le deuxième substrat peut être mis à profit pour y intégrer des moyens électroniques de commande ou formation d'un signal de mesure. Ces moyens, représentés symboliquement avec la référence 50, peuvent être des moyens de mesure d'une capacité ou des moyens d'application de tensions de commande. Des moyens équivalents ou complémentaires peuvent être prévus dans le substrat pourvu de l'élément mobile. La figure 7 montre une variante de réalisation du deuxième substrat 40. Selon cette variante, la couche de support 42 du deuxième substrat 40 n'est pas gravée. Les électrodes 46a, 46b sont simplement formées dans une dépression correspondant à la fenêtre dans la couche de séparateur 44. La figure 8 montre encore une autre variante de réalisation du deuxième substrat 40, dans laquelle la couche de séparateur est absente. Les électrodes sont formées sur le fond d'une dépression 47 directement gravée dans la couche de support 42 qui constitue ici le deuxième substrat 40. La figure 9 est une coupe d'un composant résultant de l'assemblage de substrats conformes aux figures 4 et 7. Le premier substrat 10 est reporté sur le deuxième substrat 40 en mettant la couche conductrice 36 en contact avec la couche de séparateur 44. Les deux couches peuvent être préalablement traitées pour permettre un collage moléculaire. Le collage peut aussi faire appel à une couche de colle intercalaire. On considère ici que le matériau de la couche de séparateur est isolant électrique. Eventuellement une couche isolante supplémentaire peut être prévue si nécessaire. Par ailleurs, la couche conductrice 36 peut être éliminée sur les parties du premier substrat à mettre en contact avec le deuxième substrat. L'application sélective d'une tension sur l'une des deux électrodes 46a ou 46b du deuxième substrat permet de faire pivoter l'élément mobile autour de son axe en direction de cette électrode. On considère ici que la tension appliquée aux électrodes 46a ou 46b est référencée par rapport au potentiel de la couche conductrice 36 qui tapisse la face de l'élément mobile 30 désormais en regard du deuxième substrat. Selon une autre possibilité, les mouvements de pivotement ou de translation de l'élément mobile peuvent être détectés par mesure de la capacité électrique formée entre l'armature de l'élément mobile formée par la couche conductrice 36, et les armatures du deuxième substrat formées par les électrodes 46a et 46b. L'amplitude du pivotement de l'élément mobile est déterminée pour l'essentiel par l'épaisseur de la couche de séparateur 44. La figure 10 montre un autre composant obtenu par l'association des substrats des figures 4 et 8. Dans ce cas une amplitude de débattement en rotation de l'élément mobile est plus grande en raison des puits 45. Bien que les exemples illustrés par les figures correspondent plus particulièrement à un composant avec un élément mobile pivotant, il convient de préciser que les poutrelles peuvent ainsi permettre un déplacement de l'élément mobile parallèlement ou perpendiculairement au plan de sa position de repos. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un composant miniaturisé avec au moins un élément mobile (30), comprenant les étapes suivantes : a) la délimitation de l'élément mobile (30) dans au moins une couche (16) d'un premier substrat (10), b) la préparation d'au moins un deuxième substrat présentant au moins une dépression (45,47) de débattement de l'élément mobile et c) l'assemblage des premier et deuxième substrats en faisant coïncider la dépression avec l'élément mobile. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a, comprend les sous-étapes suivantes : al) la fourniture d'un premier substrat comprenant une couche de support (12) et une couche superficielle (16) en contact avec la couche de support par l'intermédiaire d'une couche d'arrêt de gravure (14), a2) l'ouverture d'une fenêtre (20) dans la couche de support (12), par gravure avec arrêt sur la couche d'arrêt de gravure (14), a3) la délimitation de l'élément mobile dans une partie de la couche superficielle (16) correspondant à la fenêtre (20) de la couche de support (12). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l'étape a) on effectue d'abord une délimitation partielle de l'élément mobile interdisant un débattement de l'élément mobile, et dans lequel on libère ensuite l'élément mobile, de façon à autoriser un débattement, après l'étape d'assemblage. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on effectue un assemblage par report de l'un des premier et deuxième substrats sur l'autre de ces substrats. 5. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, avant l'assemblage, la formation d'électrodes (36,46a, 46b) sur l'élément mobile et sur une partie conjuguée du deuxième substrat de telle façon que les électrodes se trouvent en regard après assemblage des substrats. 6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on forme en outre, dans au moins l'un des premier et deuxième substrats, des moyens électrostatiques (50) de commande et/ou formation d'un signal, connectés respectivement aux électrodes. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, on forme en outre sur le deuxième substrat des butées de limitation du débattement de l'élément mobile. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape b) comprend le dépôt d'une couche de séparateur (44) sur une couche de support (42), puis l'ouverture d'une fenêtre dans ladite couche de séparation. 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise un premier substrat (10) de type SOI (silicium sur isolant) présentant une couche superficielle de silicium monocristallin (16) reliée à une couche de support (16) en silicium massif par l'intermédiaire d'une couche enterrée isolante (14) et dans lequel on forme l'élément mobile (30) dans la couche superficielle. 10. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre la formation d'un réflecteur (34) sur une face de l'élément mobile (30) tournée vers la fenêtre (20). 11. Composant comprenant un premier substrat (10) présentant un élément mobile (30) délimité dans ce substrat, et un deuxième substrat (40) assemblé au premier substrat (10), présentant une dépression (45, 47) de débattement de l'élément mobile. 12. Composant selon la revendication il, comprenant des moyens électrostatiques (50) de commande et/ou de formation d'un signal, reliés à une électrode (36) de l'élément mobile. 13. Commutateur optique comprenant un composant selon la revendication 11, dans lequel l'élément mobile présente une face réfléchissante de renvoi d'un faisceau. 14. Accéléromètre comprenant un composant selon la revendication il, dans lequel l'élément mobile est une masse sismique suspendue.