Brevet FR2834282A1 — publié le 20030704

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une microstructure macanique et une microstructure mécanique comportant une partie électriquement active. Une telle microstructure peut avantageusement constituer un élément capteur, par exemple de pression, ou un actionneur tel qu'un micro système optique (MOEMS). Elle trouve une application privilégiée, mais non exclusive, dans le domaine des composants inertiels, tels que des 1 0 accéléromètres. On conna^'t, notamment par le document FR 2.558.263 de la Demanderesse, la fabrication de dispositifs micromécaniques par les techniques de la micro électronique. Ces procédés permettent de réaliser une microstructure, que l'on définira comme étant une structure mécanique réalisoe avec les techniques de la micro électronique, à savoir, traitement collectif de substrats par dépôt, gravure, photolithographie, etc Dans le cas des accéléromètres, la partie électriquement active peut être en partie portée une pièce mobile, la mesure de l'accélération s'effectuant alors par exemple en mesurant une variation de la capacité électrique entre cette pièce mobile et une partie fixe de la microstructure mécanique. De façon connue, notamment par le document FR-2. 770.339 de la Demanderesse, une telle microstructure peut comporter un capot de confinement de la partie active. Au cour de leur développement, les inventeurs ont tout d'abord été confrontés au problème de la formation de capacités parasites entre la partie active et le capot. Il y a lieu en effet de diminuer celles-ci, notamment lorsque l'on souhaite réaliser un capteur de grande sensibilité. Dans ce but, et selon une première caractéristique de l'invention, ils ont ménagé un retrait dans le capot, à l'aplomb et à distance prédéterminse de la partie active. 2 2834282 Cette distance prédéterminée est en particulier suffisamment importante pour limiter, voire éviter l'apparition de la capacité parasite précitée. Par ailleurs, et comme explicité dans le document FR 2.770.339, la partie électriquement active peut-être réalisée dans une couche formée sur un substrat, le substrat comportant au moins un trou débouchant sur une face interne de cette couche, au travers duquel on forme un contact électrique avec la partie électriquement active sur la face interne de cette couche. Ce contact électrique peut être réalisé sur un dépôt métallique, en utilisant par exemple une technique de soudure à ultrasons connue de l'homme du métier. Les inventeurs se sont trouvés confrontés aux problèmes liés à la faible épaisseur de la couche dans laquelle la partie active est réalisée, par exemple 60 m, et plus particulièrement à sa grande fragilité. Ils ont en effet constatés au cours de leurs recherches, qu'une dégradation pouvait apparatre, notamment au moment de la réalisation du contact électrique sur la face interne de la couche, les vibrations ultrasoniquçs alliées à la pression du dispositif de soudure étant susceptibles d'entraner la rupture de la couche mince, cela à raison de sa grande fragilité, lorsque la face externe de cette couche est en regard de la cavité. lls ont d'ailleurs relevé que l'agencement d'une trop grande distance prédéterminée, selon la première caractéristique susvisée de l'invention, était susceptible de favoriser cette rupture, un compromis étant difficile, voire impossible, à trouver entre la minimisation des capacités parasites et l'absence de rupture. Pour résoudre ce problème, la présente invention vise un procédé de réalisation d'une microstructure mécanique comportant une première couche déformable située en porte-à-faux vis-à-vis d'une deuxième couche comportant une cavité aménagée en retrait d'une face externe de la première couche déformable, procédé selon lequel on connecte un fil à une portion d'une face interne de la première couche déformable. 3 2834282 Selon l'invention, la portion est en regard d'une zone de fond de la cavité dans ia cavité dans laquelle un plot de butée vient en saillie, tout en étant à distance de la première couche déformable. Grâce à ces dispositions l'invention pallie les inconvénients susvisés. En effet: - d'une part, grâce au caractère localisé du plot de butée, le retrait aménagé à l'aplomb de la première couche est à une distance prédéterminée suffisante pour empêcher la formation de capacités parasites entre la première couche et la deuxième couche; et -d'autre part, à l'aplomb de la portion de connexion, la distance entre la première couche et la deuxième couche étant diminuée, sans être nulle, le plot de butée limite la déformation de la première couche mince lors de l'opération de soudure, ce qui permet d'éviter toute détérioration locale de cette couche. Selon une première caractéristique, la microstructure comportant en outre une couche support de la première couche, au cours du procédé selon l'invention, on aménage n puits dans le support débouchant en regard de la portion de la face interne de la première couche et on réalise la connexion du fil à la première couche à travers le puits. Selon une autre caractéristique, après l'étage d'aménagement du puits, on dépose une couche localisée de contact du fond du puits, la liaison entre le fil de connexion et la première couche étant réalisée au moyen de la couche de contact. La connexion peut ainsi être obtenue par la technique dite du Ball Bonding. Corrélativement, la présente invention vise également une microstructure mécanique comportant une première couche déformable située en porte-à-faux vis-à-vis d'une deuxième couche comportant une cavité amènagée en retrait d'une face externe de la première couche déformable, la première couche comportant une portion à laquelle est connectée un fil. Selon l'invention, cette portion est en regard d'une zone de fond de la cavité dans laquelle un plot de butée vient en saillie tout en étant à distance de la première couche déformable. Les caractéristiques et avantages de ladite microstructure mécanique identiques à ceux du procédé de réalisation selon l'invention, ne seront pas rappelés ici. Selon une caractéristique particulière, la microstructure comporte une couche isolante entre la première couche isolante et la couche support, cette couche isolante comportant un retrait sous les bords du puits. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse, car elle garantit qu'il y a discontinuité électrique entre un éventuel dépôt sur une paroi du puits et la couche localisée du contact. D'autres aspects et avantages de la présente invention apparatront plus clairement à la lecture de la description de modes particuliers de réalisation qui va suivre, cette description étant donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: -la figure 1 représente une microstructure du type géophone en voie d'achèvement; - la figure 2 en est une vue de dessous de l'ensemble de la figure 1 dans une variante de réalisation, - la figure 3 est une vue de dessus du second substrat après libération d'une partie sensible, - la figure 4 est une vue agrandie de l'ensemble de la figure 1, après retournement pour la fixation d'une liaison électrique, et - la figure 5 est une vue schématique générale d'un substrat supportant une couche mince sur laquelle une connexion électrique est réalisée en une zone en porte-à-faux. La figure 1 représente une microstructure du type géophone en voie d'achèvement, comportant au moins trois parties principales, une partie centrale 20 comportant une masse mobile 24 sensible aux accélérations à détecter par le géophone, une partie support 10 qui porte cette partie centrale, et une partie supérieure 30 qui recouvre cette partie centrale et qui définit avec 2834282 la partie support 10 une enceinte dans laquelle il est possible, le cas échéant, de faire le vide. Dans un mode préféré de réalisation, chacune de ces parties est réalisée à partir d'un substrat en Silicium. En variante, I'un au moins de ces substrats est en un matériau différent. Chacun de ces substrats peut avoir au départ les mêmes caractéristiques, notamment la même épaisseur, par exemple 450 1lm. Dans un mode préféré de réalisation, le substrat 30 correspondant à la partie supérieure à une épaisseur de 300 1lm. Toutefois, puisque, dans le cas d'un géophone, la partie centrale doit en principe avoir finalement une épaisseur bien plus faible (on parle d'une couche mince) il faut, préalablement aux étapes spécifiques de réalisation de la microstructure voulue, réduire l'épaisseur du substrat 20 jusqu'à l'obtention d'une couche d'épaisseur par exemple égale à quelques dizaines de microns. Dans un mode préféré de réalisation, I'épaisseur finale de la couche mince 20 est de l'ordre de 60 microns. Cette couche mince peut être obtenue par tout moyen connu approprié, par exemple par attaque de la partie excédentaire du susbtrat. Nous allons maintenant décrire brièvement l'obtention d'une telle microstructure. Dans un premier temps, la partie support 10 est revêtue d'une couche 12 d'oxyde discontinue, cette couche d'oxyde étant appliquée sur les parties de la face de la partie support 10 destinées à être scellées à la couche mince 20. De préférence cette couche d'oxyde 12 est constitué du matériau dans lequel le substrat 10 est constitué, à savoir de l'oxyde de silicium. La couche mince 20 est ensuite rapportée sur le substrat 10 dans lequel une cavité 15 a été réalisée, par exemple par gravure à travers un masque non représenté. De manière préférée, la couche mince est reportée sur le substrat par la technique du collage moléculaire Si/SiO2 sous vide. La couche 6 2834282 d'oxyde 12 sert ici d'isolant entre la couche mince et le substrat 10. Selon cette technique de collage, un recuit ultérieur à haute température, par exemple à 1100 C (voir plus loin), permet un renforcement du scellement. Après les opérations de collage et recuit, on amincit le substrat 20 par usinage mécano-chimique et/ou par attaque chimique afin d'obtenir une couche 20 d'épaisseur désirée. On procède à un traitement de gravure du substrat 10 sur toute son épaisseur à l'endroit d'une ouverture 11A en sorte de former un puits 17 destiné à une reprise de contact électrique. Ce traitement est ici une gravure anisotrope au KOH, ce qui se traduit par une section du puits 17 qui diminue vers le haut, c'est à dire vers la couche mince 20. Cette attaque est poursuivie jusqu'au travers de la couche d'oxyde 12, en pratique par une technique de gravure chimique (avec de l'acide fluorhydrique HF par exemple), ce qui permet d'obtenir un retrait 18 de la couche d'oxyde 12 sous les bords du puits 17, et donc un surplomb de ceux-ci vis-à-vis de la couche mince. Ainsi que cela ressort de la fiigure 2, il y a avantageusement plusieurs puits 17 de contact, nombre défini en fonction du nombre de connexions à établir avec la couche mince (ii y a donc eu un nombre égal d'ouvertures). Dans l'exemple considéré ici, les puits sont identiques, et ont une section carrée. Selon un masque non représenté, il y a ensuite découpe dans la couche mince 20 d'une partie sensible 23, classiquement appelée "structure", par exemple par gravure sèche (de type DRIE, "Deep Reactive Dry Etching", notamment) en sorte de détourer mécaniquement et électriquement cette structure qui se trouve libérée, en fin de gravure, vis-à-vis du reste de la couche mince et du reste de l'ensemble. Ainsi que cela est représenté à la figure 3, la structure obtenue dans l'exemple considéré ici comporte une partie centrale 24 reliée aux bords de la cavité par des poutres sustentatrices 25 qui font office de ressort de rappel, ces poutres étant relices à deux plots d'ancrage 26. 7 2834282 De cette masse centrale sont solidaires des poutres en porte-à faux 24A disposées auprés de poutres en porte-à-faux 27 fixes: par effet capacitif ces poutres en porte-à-faux permettent de mesurer l'amplitude du mouvement de la partie centrale en réponse à une accélération.. Pour plus de précisions, le lecteur pourra se reporter au document FR 2558263 cité dans le préambule de cette demande de brevet. Le troisième substrat 30 réalisant capot est ensuite positionné sur la couche mince 20 elle même positionnée sur le support 10. Le scellement de ce capot 30 avec l'ensemble constitué de la couche mince 20 et du support 10 peut par exemple être réalisé par une technique connue de scellement eutectique qui ne sera pas décrite ici. Après la solidarisation des trois éléments 10, 20 et 30 de la figure 1, des aménagements sont réalisés pour permettre de relier la partie active à l'extérieur. La figure 1 montre ainsi cet ensemble après fixation de fils de connexion 51 et 52, dont l'un est connecté à la surface extérieure du substrat , et l'autre est fixé au fond d'un puits 17. Ainsi que cela ressort de la figure 4, cette connexion au fond du puits 17 se fait avantageusement après dépôt d'une couche localisée de contact 53. Cette couche peut notamment être obtenue en utilisant les parois du puits comme masque, auquel cas la couche localisée de contact a la section de la partie basse de ce puits sur cette figure. L'existence d'un dépôt sur les parois de ce puits n'est pas gênante dans la mesure o le retrait 18 de la couche d'oxyde 12 garantit qu'il y a discontinuité entre un éventuel dépôt sur cette paroi et la couche localisée. Les contacts électriques sont en pratique réalisés sur la couche mince en une zone disposée à l'extérieur de l'ouverture dans laquelle la partie centrale est mobile. Toutefois, cette couche mince, encastrée mais en porte-à-faux à l'endroit considéré, peut ne pas avoir une rigidité suffisante pour résister aux 8 2834282 efforts de poussoe qu'impliquent la soudure d'un fil à la couche localisée. Dans la configuration de la figure 4 ces efforts de poussée sont dirigés vers le bas. C'est notamment pour éviter que ces efforts de poussée ne risquent de dégrader la couche mince 20 qu'un plot 37 est prévu, dans le troisième substrat 30 réalisant capot, en regard de chaque zone de la couche mince o doit se faire une soudure. Ce plot 37 constitue ainsi une butée qui limite la déformation de la couche mince lors de cette opération de soudure à un niveau n'impliquant aucune dégradation de celle-ci. L'opération de soudure peut donc être effectuée en toute sécurité (il s'agit par exemple d'une opération selon la technologie dite "Ball-Bonding"). Le principe général de cette connexion est représenté à la figure : la liaison d'un fil de connexion 52' à une portion de couche déformable B qui est en porte-à-faux vis-à-vis d'un support A comportant une cavité, est avantageusement réalisée en regard d'une zone de fond de cette cavité dans laquelle un plot de butée 37' vient en saillie tout en étant à distance de cette couche. Le retrait de la butée 37 ou 37' par rapport à la couche mince est avantageusement ici de l'ordre de quelques microns (il dépend de la distance à I'encastrement). Ce qui précède s'applique à des géophones ainsi qu'à divers autres systèmes ou micro-structures o il y a besoin de connecter une couche mince en porte à faux sur un substrat. La connexion aux plots de contact est avantageusement réalisée à la faveur de puits et de plots de butée décrits ci-dessus. 9 2834282 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une microstructure mécanique comportant une première couche déformable (20) située en porte à faux vis-à- vis d'un deuxième couche (30) comportant une cavité aménagée en retrait d'une face externe de ladite première couche déformable (20) selon lequel on connecte un fil (52) à une portion (B) d'une face interne de ladite première couche déformable (20), caractérisé en ce que ladite portion (B) est en regard d'une zone de fond de ladite cavité dans laquelle un plot de butée (37) vient en saillie, tout en étant à distance de ladite première couche déformable (20). 2. Procédé de réalisation d'une microstructure selon la revendication 1, ladite microstructure comportant en outre une couche support (10) de ladite première couche (20), caractérisé en ce que: -on aménage un puits (17) dans ledit support (10) débouchant en regard de ladite portion (B) de la face interne de la première couche (20); et -on réalise ladite connexion dudit fil (52) à ladite face interne de la première couche (20) à travers ledit puits (17). 3. Procédé de réalisation d'une microstructure selon la revendication 2, caractérisé en ce que, après ladite étape d'aménagement, on dépose une couche localisée de contact (53) au fond dudit puits (17), ladite liaison entre le fil de connexion (52) et ladite première couche (20) étant réalisoe au moyen de ladite couche de contact (53). 4. Microstructure mécanique comportant une première couche déformable (20) située en porte à faux vis-à-vis d'une deuxième couche (30) comportant une cavité aménagée en retrait d'une face externe de ladite première couche déformable (20), la première couche (20) comportant une portion (B) à laquelle est connectée un fil (52), caractérisée en ce que ladite portion (B) est en regard d'une zone de fond de ladite cavité dans laquelle un plot de butée (37) vient en saillie, tout en étant à distance de ladite première couche déformable (20). 1 0 2834282 5. Microstructure mécanique selon la revendication 4 comportant en outre une couche support (10) de ladite première couche (20), caractérisée en ce que ledit support (10) comporte un puits (17) débouchant en regard de ladite portion (B) de la face interne de ladite première couche (20). 6. Microstructure selon la revendication 5, caractérisoe en ce qu'elle comporte une couche localisée de contact (53) au fond dudit puits (17), ladite liaison entre le fil de connexion (52) et ladite première couche (20) étant réalisée au moyen de ladite couche de contact (53). 7. Microstructure selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, ladite microstructure comportant une couche isolante (12) entre ladite première couche (20) et ladite couche support (10), caractérisoe en ce que ladite couche isolante (12) comporte un retrait (18) sous les bords dudit puits (17).