Brevet FR2839061A1 — publié le 20031031

Domaine de ['invention La presente invention concerne un composant micromeca nique comportant un substrat. L'invention concerne egalement un procede de fabrication s d'un tel composant. Etat de la technique Bien que la presente invention puisse s'appliquer a des composants micromecaniques et des structures micromecaniques quel conques, en particulier des capteurs et des actionneurs? elle sera decrite 0 dans le cas de son probleme de base rapporte a un capteur chimique en micromecanique realisable selon la technique de la mecanique de surface du silicium comme par e:emple un capteur de qualite d'air Les capteurs de qualite d'air anciens ont ete realises avec une matiere sensible aux gaz sur une ceramique. La matiere sensible aux s gaz change de resistance et/ou de propriete dielectrique suivant la concentration du gaz detecte. Pour avoir une bonne sensibilite il faut chauffer la matiere sensible aux gaz. L'inconvenient est l'utilisation de la ceramique et de ltencombrement relativement important du point de vue du chauffage propre a utiliser et du temps de reponse long. Recemment on fabrique des capteurs chimiques reposant sur des effete thermiques, et appliquant des procedes de micromecanique en bloc. Dans ces procedes de micromecanique en bloc on realise par exemple une membrane par un procede de gravure complique a partir du cote arriere. Une telle membrane est necessaire pour assurer ['isolation 2s thermique des resistances par fils chauffants sur la face avant du capteur. La mise en structure de la membrane se fait habituellement par un proce de de gravure par chimie humide a la potasse KOH. Selon ce procede il faut monter la plaquette dans une bote de gravure. Ce procede, avec un procede de face arriere, integre, ou procede de gravure par KOH, est tres complique et entrane des frais considerables. But de ['invention La presente invention a pour but de developper un compo sant micromecanique selon un procede de fabrication plus simple et plus economique avec une zone de face avant isolee permettant de recevoir par ss exemple une installation de capteur. A cet effet, ['invention concerne un composant micromeca nique du type defini ci-dessus, caracterise par une couche d'isolation electrique et/ou thermique prevue dans le substrat et adjacente a la face avant du substrat, une structure en sillons prevue dans la zone dtisolation et ayant un rapport d'aspect superieur a ['unite et une zone de fermeture prevue sur la zone d'isolation pour fermer la structure en sillons. L'invention concerne egalement un procede de fabrication s d'un tel composant, procede caracterise en ce quton forme une structure en sillons sur une surface principale du substrat, comportant des sillons et un nombre correspondent d'entretois es entre le s sillons, on forme une zone d'isolation sur la structure resultante adjacente a la surface princi- pale du substrat et une structure de sillons modifiee et on realise une 0 zone de fermeture pour fermer la structure de sillons modifiee. L'objet de la presente invention convient notamment pour la fabrication d'un capteur chimique de detection de CO, NOx ou d'autres gaz. Selon ce procede on realise ['isolation thermique entre les resistances chauffantes et le substrat par une couche dtisolation de face avant realisee selon ['invention. Dans cette realisation decrite a titre d'exemple on obtient un capteur de qualite d'air ayant les avantages suivants: - faible consommation de puissance du fait du bon decouplage thermi que, integration d'un element de capteur sur une puce, o - integration possible d'un circuit sur ltelement capteur, - tres faible encombrement avec une geometric quelconque de la plage d'isolation, - temps de reponse reduit du fait de la masse faible qutil faut mettre en temperature, - exploitation possible par vole capacitive ou resistive, - matiere differente pour la resistance ou ['electrode de chauffage et/ou de mesure, - plusieurs matieres sensibles aux gaz peuvent s'utiliser sur un substrat. Pour realiser un tel capteur il suffit senlement d'etapes de procede en micromecanique de surface, c'est-a-dire seulement des proce- des de traitement de la face avant. On supprime ainsi des procedes cou- teux de traitement de la face arriere comme par exemple la gravure par KOH a ['aide d'une bote de gravure pour donner la structure a la mem- brane. La suppression de l'etape de gravure par KOH de la face arriere permet egalement une miniaturisation des composants micromecaniques. Un autre avantage reside dans l'utilisation de rayures ou de particules sur la face avant de la plaquette car il n'est plus necessaire de prevoir des pro- cedes inverses. Un autre avantage reside dans le remplacement de la mem- brane necessaire jusqu'alors pour ['isolation par un bloc d'isolation plus compact. Cela permet d'eviter les ruptures de membrane lorsquton appli- que la structure de capteur de face avant, par exemple sous la forme d'une pate chimiquement sensible. Enfin, seules quelques etapes de gene- ration de couche et de photolithogravure vent necessaires pour obtenir le bloc d'isolation de face avant selon ['invention. Selon un developpement avantageux, le substrat est en sili- cium et la zone d'isolation en dioxyde de silicium ou en une combinaison o de diode de silicium et de cavites (celles-ci vent mises sous vice ou se trouvent dans des conditions normales). Suivant une autre caracteristique, la zone de fermeture comprend une premiere couche de dioxyde de silicium et au-dessus de celle-ci une couche de nitrure de silicium. Selon un autre developpement preferential, la couche de nitrure de silicium est integree dans une seconde couche de dioxyde de silicium. Selon un autre developpement preferential, la zone de fer- meture comporte une installation de capteur pour detecter une propriete electrique d'un milieu prevu a cet endroit. Selon un autre developpement preferential, la zone de fer- meture comporte une installation de chauffage pour chauffer le milieu. Selon un autre developpement preferential, le composant est un capteur de qualite d'air et le milieu est un milieu sensible aug gaz 2s et ['installation de capteur est une installation de detection de capacite et/ou de detection de resistance. Dessins La presente invention sera decrite ci-apres de maniere plus detaillee a ['aide d'un exemple de realisation represente schematiquement dans les dessins annexes dans lesquels: - les figures la- lg montrent des etapes de fabrication d'un capteur chi- mique sous la forme d'un capteur de qualite d'air correspondent a un premier exemple de realisation de ['invention, - la figure 2 est une vue de dessus d'un capteur chimique selon la figure 1. Description d'exemples de realisation Dans les figures on utilisera les memes references pour de- signer les memes composants ou des composants de meme fonction. Les figures la-g montrent les etapes de fabrication d'un capteur chimique sous la forme d'un capteur de qualite d'air selon un premier mode de realisation de la presente invention. Selon la figure la, la reference 1 designe un substrat en si- s licium sous la forme d'une plaquette en silicium. Le substrat ntest pas ne- cessairement une plaquette en silicium. I1 peut stagir par exemple egalement de la couche superieure d'un substrat a plusieurs couches par exemple d'une plaquette et d'une couche epitaxiale. A ['aide de pro cedes de photolithogravure hab ituels et d'une 0 etape de gravure anisotrope, par exemple par une gravure ionique reac- tive, on realise des sillons 2 dans le substrat 1. Entre les sillons 2 on laisse des cloisons 3 dans la matiere du substrat. Une epaisseur caracte- ristique du substrat est comprise entre 200 m et 600,um; une profon- deur caracteristique des sillons 2 est comprise entre 20,um et 200,um. Suivant ['application, les sillons 2 peuvent avoir une forme quelconque. On peut choisir par exemple une structure dans laquelle les sillons 3 vent des colonnes subsistent du substrat 1 dans cette zone. D'autres possibilites vent par exemple des entretoises en forme de cloisons ou des entretoises en forme d'arcs de cercle. De telles etapes de procede conduisent a l'etat represente a la figure la. Selon la figure lb, on oxyde thermiquement la structure re- sultante pour former une couche d'oyde isolante 4. Dans ce contexte, ['expression l'effet d'isolation thermique est prioritaire. La largeur des entretoises 300 a la figure la est choisie pour qu'elle puisse etre oxydee completement par oxydation thermique et que les entretoises modifiees 3' soient constituees completement de dioyde de silicium. Les sillons 2 vent transformes en sillons 2' modifies, de largeur plus faible, par oxydation thermique. Dans ce contexte il convient de remarquer que la largeur des sillons 2 peut egalement etre choisie pour qu'ils soient completement fermes par l'etape d'oxydation thermique et qu'il ne subsiste pas de sillons 2', retrecis, comme dans l'exemple presente ici. Selon la figure lc, au cours des etapes suivantes du proce- de, on realise ['isolation par air des sillons modifies 2' en realisant des zo- nes de fermeture 6, 8, 9 sous la forme d'une succession de couches s couvrant la structure de sillons modifiee 2', 3'. La zone de fermeture est obtenue par le depot d'une premiere couche d'oxyde 6 suivie du depot d'une couche de nitrure 8 couvrant la premiere couche d'orde 6 ainsi que par le depot d'une seconde couche d'oxyde 9 couvrant la couche de nitrure s de silicium 8. Au cours d'une etape de procede suivante decrite en rela- tion avec la figure ld, on polit la seconde couche d'oxyde 9 et la couche de nitrure de silicium 8 constitue une couche d'arret de polissage de maniere a obtenir une surface de structure plane. L'oxyde residue! de la seconde io couche de dioxyde de silicium 9 subsiste uniquement dans les creux au- dessus des sillons 2'. Selon la figure lc, on forme alors sur la structure resultante un capteur chimique sous la forme d'un capteur de qualite d'air, connu. Les elements de capteur, principaux, vent formes de resistances de platine is et comportent des capteurs thermiques 10, une installation de chauffage et une repartition d'electrodes 20. La fabrication de ces elements de capteur est connue de maniere generale et ne necessite pas de description detaillee ici. Dans une etape suivante du procede representee a la figure lf, on depose une nouvelle couche d'oxyde de silicium 16 et on la met en structure. Dans le cas present, cette couche couvre tous les elements de capteur y compris le dispositif a electrodes 20 et protege ces moyens. A cote du dispositif a electrodes 20 il subsiste evidemment egalement les contacts (non representes) des chemins de branchement (qui ne vent pas non plus representes) des elements de capteur. Il convient de remarquer que les elements de capteur peu- vent etre realises non senlement en platine mais egalement par exemple en silicium conducteur. De tels elements de capteur de substrat de sili- cium peuvent former en meme temps un fil chauffant, une repartition d'electrodes et des thermocapteurs. Selon la figure lg on applique alors une pate 30 sensible chimiquement sur la structure resultante et on la cult. La pate 30 est ap- pliquee notamment par-dessus le dispositif a electrodes 20 et touche la couche de nitrure de silicium 8 ou les restes d'o2gyde de la couche de 3s dioyde de silicium 9 entre les electrodes. Il convient de remarquer que les elements de capteur vent disposes de preference au-dessus des sillons 2' ce qui garantit un decou- plage thermique aussi efficace que possible. Il en resulte notamment que les capteurs thermiques 10 mesurent la temperature de la zone de fer- meture, ['installation de chauffage 50 reglant cette temperature et la pate chimiquement sensible 30 est couplee a la repartition en electrodes 20, thermiquement, seulement dans la zone de fermeture et non au niveau du substrat 1. Pour la suite des etapes du procede, notamment la forma- tion des chemins de branchement, etc..., on procede de facOon connue non detaillee ici. Le procede selon ['invention peut etre integre en particulier dans des procedes existants de sorte que par exemple a partir du plan des o elements de capteur on peut utiliser totalement des procedes existants. La figure 2 est une vue de dessus d'un capteur chimique selon la figure 1. La figure 2 est une vue de dessus d'une structure de cap teur realisee selon le procede des figures la-lg. Comme cela apparat a la figure 2, les electrodes 20a, 20b de la repartition d'electrodes 20 a une structure de peigne interdigitee dont les branchernents partent vers l'e:xterieur. Les branchements 50a, 50b de ['installation de chauffage 50 vent tires vers l'exterieur par un anneau entourant suivant une forme de meandres la repartition d'electrodes 20. Le contact vers l'exterieur peut se o faire de maniere quelconque. Comme capteur thermique 10 on utilise dans cet exemple deux resistances a platine 10a, 10b, non decrites de maniere detaillee. Bien que la presente invention ait ete decrite ci-dessus a ['aide d'un exemple de realisation preferential elle ntest pas limitee a cet s exemple mais permet de multiples variantes. Dans les exemples ci-dessus, le composant micromecanique selon ['invention est presente suivant des formes simples pour la descrip tion de ses principes de base. Des developpements essentiellement com pliques utilisant les memes principes de base peuvent evidemment s'envisager. Par exemple a la place du changement des caracteristiques dielectriques on peut egalement modifier la resistance electrique du milieu par exemple du milieu sensible au gaz a ['aide d'electrodes de mesure correspondantes. Il est en outre possible de prevoir des milieux differents sur la couche d'isolation, sensibles a des gaz differents. Cela permet de detec ter plusieurs gaz avec le meme element de capteur. Enfin, on pout egalement utiliser les matieres de base de micromecanique, quelconques, sans se limiter a un support de silicium donne a titre d'exemple. La zone de fermeture pent egalement avoir d'autres successions de couches, par exemple une autre couche de dioxide de silicium a la place de la couche de nitrure de silicium. NOMENCLATURE 1 substrat 2, 2' sillons 3, 3' entretoise/cloison 4 couche d'oaryde thermique 6 couche d'oxyde 8 couche de nitrure lo 9 couche d'oxyde , lea, lob capteur thermique fit chauffant a, 50b branchement du fit chauffant 50 repartition d'electrodes }5 20a, 20b electrodes 16 couche d'oxyde pate sensible chimiquement t' R EVE N D I CATI O N S 1 ) Composant micromecanique comportant un substrat (l), caracterise par une couche d'isolation electrique (4) et/ou thermique prevue dans le substrat (l) et adjacente a la face avant du substrat (1), une structure en sillons (2', 3') prevue dans la zone d'isolation (4) et ayant un rapport d'aspect superieur a ['unite, et une zone de fermeture (6, 8, 9) prevue sur la zone d'isolation (4) pour fer mer la structure en sillons (2', 3'). 2 ) Composant micromecanique selon la revendication l, caracterise en ce que le substrat (1) est en silicium et la zone d'isolation (4) en dioxyde de sili cium. 3 ) Composant micromecanique selon la revendication 2, caracterise en ce que la zone de fermeture (6, 8, 9) comprend une premiere couche de dioxyde de silicium (6) et par-dessus celle-ci une couche de nitrure de silicium ou o une couche de dioxyde de silicium (8). 4 ) Composant micromecanique selon la revendication 3, caracterise en ce que la couche de nitrure de silicium ou de dioxyde de silicium (8) est integree dans une seconde couche de dioxyde de silicium (9). ) Composant micromecanique selon l'une des revendications preceden tes, caracterise par une installation de capteur (20; 20a, 20b) prevue sur la zone de fermeture (6, 8, 9) pour detecter une propriete electrique d'un milieu (30) prevu a cet endroit. 6 ) Composant micromecanique selon la revendication 5, caracterise par une installation de chauffage (70) prevue sur la zone de fermeture (6, 8, 9) pour chauffer le milieu prevu (30). 7 ) Composant micromecanique selon l'une des revendications preceden tes 5 ou 6, caracterise en ce que le composant est un capteur de qualite d'air, le milieu 130) est un milieu s sensible aux gaz et ['installation de capteur (20; 20a, 20b) est une instal lation de detection de capacite et/ou une installation de detection de re sistance. 8 ) Procede de fabrication d'un composant micromecanique caracterise o par les etapes suivantes: - on realise un substrat (1), - on forme une structure en sillons (2', 3') sur une surface principale du substrat (1), comportant des sillons (2) et un nombre correspondent d'entretoises (3) entre les sillons, - on forme une zone dtisolation (4) sur la structure resultante adjacente a la surface principale du substrat (1) et une structure de sillons (2', 3') modifiee et - on realise une zone de fermeture (6, 8, 9) pour fermer la structure de sillons modifiee (2', 3'). 9 ) Procede selon la revendication 8, caracterise en ce qu' on forme la zone dtisolation (4) de preference par oxydation thermique de la structure de sillons (2, 3). ) Procede selon la revendication 9, caracterise en ce que la structure de sillons (2', 3') modifiee comporte des entretoises (3') ayant subi completement une oxydation thermique. 11 ) Procede selon la revendication 9 ou 10, caracterise en ce que la structure de sillons modifiee (2', 3') presente des sillons (2') au moins en partie retrecis. 12 ) Procede selon la revendication 9 ou 10, caracterise en ce que la structure de sillons modifiee (2', 3') comporte des sillons (2') au moins completement fermes. 13) Procede selon la revendication 9 ou 10, caracterise en ce que la zone de fermeture (6, 8, 9) comprend le depot d'une premiere couche de dioxyde de silicium (6) et d'une couche de nitrure de silicium placee par dessus celle-ci ou d'une couche de dioyde de silicium (8) sur la structure de sillons modifee (2', 3'). 14 ) Procede selon la revendication 13, caracterise en ce que la couche de nitrure de silicium (8) est aplanie par un depot suivi d'un po lissage d'une seconde couche de dioyde de silicium (9). ) Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 14, caracterise en ce que la plage de fermeture l6, 8, 9) comporte une installation de capteur (20; a, 20b) pour saisir une propriete electrique d'un milieu (30) prevu sur celui-ci. 16 ) Procede selon la revendication 15, caracterise par une installation de chauffage (70) prevue sur la zone de fermeture (6, 8, 9) pour chauer le milieu (30) prevu. 17 ) Procede selon l'une des revendications 15 ou 16, caracterise en ce que le composant est un capteur de qualite d'air, le milieu (30) etant un milieu sensible aux gaz et ['installation de capteur (20; 20a, 20b) est une instal lation de saisie de capacite et/ou une installation de saisie de resistance. 18 ) Procede selon l'une des revendications 8 a 17, caracterise en ce que le substrat (1) est en silicium et la zone dtisolation (4) en dioxyde de sili