Brevet FR2855510A1 — publié le 20041203

i Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif comprenant sur un substrat, une membrane couvrant une cavité fermée. L'invention concerne également un capteur de pression 5 constitué par un tel dispositif et un procédé de fabrication d'un tel capteur de pression. Etat de la technique Pour réaliser des membranes en micro mécanique on utilise déjà différents procédés. Il s'agit par exemple de la gravure humide avec 10 composés par exemple KOH; une telle opération de gravure se déroule de manière anisotrope et assure l'attaque chimique sélective (gravure sélective) suivant certaines directions cristallographiques. Il existe également un procédé de gravure tel que la gravure en phase gazeuse selon lequel à des endroits définis par lithographie, on 15 réalise des trous de gravure profonds. En trempant à des températures élevées sous vide, on déplace le silicium pour que les trous en surface se ferment et qu'il subsiste une caverne à l'intérieur. Grâce à une disposition bidimensionnelle, on peut réaliser de cette manière également des membranes sur du silicium monocristallin. Une telle matière est appelée 20 " silicium sur rien " ou matière SON. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un dispositif du type défini ci-dessus caractérisé en ce que la membrane dans une première zone de membrane présente une épaisseur plus grande que dans une seconde 25 zone de membrane. Le dispositif selon l'invention, le capteur de pression et le procédé selon l'invention avec les caractéristiques des revendications dépendantes ont l'avantage vis à vis de l'état de la technique de pouvoir réaliser de manière simple et économique des membranes à base de silicium 30 et de pouvoir les optimiser en particulier pour des applications spéciales. Ces membranes peuvent s'utiliser par exemple pour capter une pression. Selon l'invention il est possible d'utiliser de tels capteurs de pression très économiques par exemple comme capteurs d'empreintes digitales, de pinces intelligentes de robots ou dans d'autres domaines d'application. Ega35 lement pour les applications à faible puissance en microélectronique de telles structures sont intéressantes car ils assurent une couche de silicium monocristallin, mince, directement sur un isolant électrique. Comme isolant électrique, on utilise le vide emprisonné dans la cavité ou la ca- verne car la couche de silicium monocristallin se présente directement audessus de la cavité comme structure sur isolant de silicium (structure SOI). Selon l'invention il est possible de façon avantageuse de réaliser n'importe quelle taille de membrane. Il est également possible de réaliser n'importe quelle géométrie latérale de membrane. Suivant une autre caractéristique de l'invention il est possible de réaliser des géométries de membrane verticales quelconques telles que par exemple une membrane enclume ou une membrane en forme de 10 pont. Le procédé se caractérise par une bonne reproductibilité. En outre il est possible selon l'invention de réaliser des épaisseurs de membrane quelconques et des hauteurs de cavités quelconques. Comme le procédé selon l'invention est un procédé de micromécani15 que à plat, il présente ainsi notamment vis à vis des procédés de micromécanique en vrac, des temps de gravure raccourcis car il n'est pas nécessaire de réaliser la gravure dans toute la plaquette. Selon l'invention la membrane est formée notamment d'un silicium monocristallin qui peut être encore oxydé ou structuré en fonc20 tion des conditions d'application. Le procédé selon l'invention est notamment compatible vis à vis de la microélectronique de sorte qu'un seul et même substrat peut s'appliquer en même temps pour le procédé de l'invention et pour la réaliser de circuit en microélectronique. Les autres moyens de l'invention permettent de réaliser notamment un dispositif, un capteur de pression et mettre en oeuvre le procédé. Il est particulièrement avantageux que la membrane soit un monocristallin selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Par 30 exemple la structure du cristal peut être une structure de silicium monocristallin, nécessaire comme par exemple pour les capteurs piézoélectriques sur la membrane. Il est en outre avantageux que selon un autre mode de réalisation de l'invention, la membrane soit oxydée dans une zone partielle. 35 Cela permet de réaliser une membrane dite en enclume. Il est également avantageux que la membrane se trouve dans une première zone de membrane sous la zone oxydée, par un monocristal. Cela permet d'avoir une membrane avec une bonne isolation ther- mique ou une zone centrale à isolation thermique particulièrement bonne de la membrane et une répartition homogène de la température. Il est également avantageux que selon un autre mode de réalisation, la membrane soit oxydée dans une zone partielle latérale. Cela 5 permet une bonne isolation thermique de la zone centrale de la membrane et une structure monocristalline de la membrane au milieu de celle-ci. Dessins La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans les10 quels: - la figure 1 montre une première étape préalable du dispositif de l'invention; - la figure 2 montre une seconde étape préalable du dispositif selon l'invention; - la figure 3 montre un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 4 montre un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 5 montre un troisième mode de réalisation du dispositif selon 20 l'invention; - la figure 6 montre un quatrième mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 7 montre un cinquième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Description de modes de réalisation Selon la figure 1 on a représenté une première étape préalable du dispositif de l'invention. Sur un substrat 10 qui selon l'invention et notamment un substrat de silicium, on prévoit des zones 20 à dopage négatif. Le substrat de silicium 10 lui-même est un substrat à dopage po30 sitif. Dans la zone du substrat 10 portant la référence 30, on réalise un plus fort dopage positif de la matière dans le substrat 10. La zone 30 plus fortement dopée positivement peut avoir une forme quelconque. En particulier la zone 30 plus fortement dopée positivement peut pénétrer plus profondément dans la matière du substrat 10 à certains endroits qu'à 35 d'autres. Selon l'invention, il en résulte des profondeurs différentes pour le dopage positif plus fort 30. La figure 2 montre une seconde étape préalable du dispositif de l'invention. La figure 2 montre la situation du dispositif de l'invention après une opération d'attaque chimique (gravure chimique) des zones de substrat portant les références 31, 41 dans la zone de silicium poreux. Comme à la figure 1, le substrat porte la référence 10 et des zones à dopage négatif portent la référence 20. Selon l'invention, il est prévu de réaliser dans la zone du substrat portant la référence 31, un silicium poreux par un procédé d'anodisation; le degré de porosité dans la zone portant la référence 31 est plus faible que le degré de porosité dans la zone portant la référence 41. La porosité de la zone 41 est supérieure à 60 % ou 80 % et peut at10 teindre pratiquement 100 %. Pour définir les zones de gravure électrochimique et celles des zones 31, 41 de silicium poreux, on a utilisé comme représenté aux figures 1 et 2 d'une part si possible des couches de dopage implantées ou diffusées ou encore s'il est possible des couches de revêtement comme masque pour la gravure électrochimique (anodisation). 15 L'utilisation de masque n'est toutefois pas représentée aux figures 1 et 2. En outre il est également possible selon l'invention d'utiliser comme masque de gravure, des couches d'isolation, déposées mais cela n'est pas non plus représenté dans le dessin. La gravure électrochimique donne une gravure de la plaquette de façon qu'à proximité de la zone 31 20 on obtienne une zone faiblement poreuse et sous celle-ci une zone 41 fortement poreuse. Après le nettoyage et le séchage de la plaquette et notamment dans un environnement réducteur, on transfère la plaquette dans un appareil sous vide. La plaquette est ainsi chauffée dans une atmosphère réductrice ou inerte ou encore dans un vide ultra poussé, jus25 qu'à des températures relativement élevées par exemple 800 C à 1 300 C. L'atmosphère réductrice est par exemple une atmosphère d'hydrogène. L'atmosphère inerte comprend par exemple de l'argon. Lors du chauffage, on arrive à une transformation du silicium poreux gravé. La matière de la zone 41 située plus bas selon la figure 2 et qui est plus for30 tement poreuse, est ainsi transposée de sorte qu'à la place de la zone 41 à la figure 2 et de la zone 42 de la figure 3, il se forme une cavité. La couche faiblement poreuse de la surface portant la référence 31 à la figure 2 se transfère également et forme un corps de membrane de silicium monocristallin portant la référence 32 à la figure 3. L'épaisseur de la membrane 32 peut se définir par les paramètres d'anodisation ou par la répartition des dopants de la zone 30 selon la figure 1. Il est ainsi possible que la membrane 32 dans la première zone portant la référence 100 à la figure 3 présente une épaisseur plus grande que la seconde zone de membrane portant la référence 200 à la figure 3. La figure 3 montre également le substrat 10 et les zones 20 à fort dopage négatif. Le premier mode de réalisation du dispositif selon 5 l'invention représenté à la figure 3 comporte comme membrane 32 une membrane en silicium en forme d'enclume. La figure 5 montre une membrane de silicium monocristallin 32 réalisée de façon analogue correspondant à un troisième mode de réalisation du dispositif; la membrane de ce troisième mode de réalisation 10 de l'invention, représentée à la figure 5 peut également s'appeler comme membrane pont en silicium. Cette membrane comporte également une première zone de membrane 100 et une seconde zone de membrane 200; la première zone de membrane est plus épaisse que la seconde zone de membrane 200. Par rapport à la figure 3, dans le troisième mode de réali15 sation du dispositif selon l'invention, la première zone de membrane 100 est prévue à l'extérieur c'est-à-dire à côté de la membrane 32 et la seconde zone de membrane 200 est prévue au milieu de la membrane 32. La situation est inversée dans le premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention à la figure 3: la première zone de membrane 100 est située 20 au milieu et la seconde zone de membrane 200 est située à côté de la membrane 32. La figure 4 montre une variante de réalisation du premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans ce cas, la zone de surface supérieure de l'ensemble du dispositif est oxydée. La zone de sur25 face correspondant aux zones 20 à fort dopage négatif constitue une couche d'oxyde 24 et la zone de surface supérieure de la membrane 32 forme une zone partielle 34 de cette membrane 32 qui est également oxydée. La couche d'oxyde 24, 34 est notamment une couche d'oxyde thermique. Sous la zone oxydée 34 de la membrane 32 dans le second exemple de 30 réalisation du dispositif de l'invention, on a une zone monocristalline 35 de la membrane 32. Dans ce cas on a également représenté pour le second mode de réalisation du dispositif, la première zone de membrane 100 et la seconde zone de membrane 200. Le second mode de réalisation du dispositif selon l'invention correspondant à une oxydation partielle pour la 35 membrane 32 peut être appelée membrane enclume. La zone de membrane, monocristalline portant la référence 35 peut également être appelée soc de silicium monocristallin. L'oxydation partielle de la membrane 32 du second mode de réalisation de l'invention à la figure 4 fait que la faible conductivité thermique de l'oxyde de silicium de la zone intérieure de la membrane permet d'avoir une isolation thermique particulièrement bonne vis-à-vis de l'environnement; cela correspond à la zone 35 de la membrane 32. En même temps le soc de silicium Si sous la membrane assure 5 une répartition homogène de la température dans la zone intérieure de la membrane. En utilisant un masque de nitrure, on peut ou non oxyder de manière sélective des parties de la membrane. Cette situation est représentée à la figure 6. A la figure 6, la membrane 32 comporte dans la zone cen10 trale portant la référence 36 une zone de silicium monocristallin. A côté de cette zone centrale, on a des zones oxydées 54 qui ont été oxydées sélectivement et participent au découplage thermique de la zone de la membrane 32 portant la référence 36. Les zones oxydées 54 (oxydation thermique) sont à interpréter dans leurs parties qui appartiennent à la membrane 32 15 comme des zones " partiellement oxydées " 54 de la membrane 32. Dans ce cas également on a représenté la première zone de membrane 100 et la seconde zone de membrane 200 ainsi que le substrat 10 et les zones à fort dopage négatif 20 (dopage n). La référence 10 désigne la plaquette ou puce de silice à dopage P. La figure 7 montre un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention. Dans ce cas, partant du dispositif de la figure 5 on oxyde la membrane 32 par endroit. L'oxydation partielle ainsi réalisée se produit dans les zones les plus épaisses 100 qui entourent la zone plus mince 200 de la membrane 32. Il en résulte une membrane 32 composée 25 d'une zone monocristalline 36 et de zones oxydées 34 qui entourent cette zone mono cristalline. Au contraire du dispositif de la figure 6, l'oxydation ne s'étend toutefois pas dans la zone à fort dopage négatif 20. Le dispositif selon l'invention s'applique notamment comme capteur de pression. Dans ce cas il est avantageux que la cavité sous la 30 membrane 32 portant la référence 42 aux figures 3 à 6, constitue un volume de référence bien défini et reproductible avec une pression de référence définie de façon que le capteur de pression réalisé par le dispositif selon l'invention puisse également se reproduire d'une manière particulièrement bonne. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Dispositif comprenant sur un substrat (10), une membrane (32) couvrant une cavité fermée (42), caractérisé en ce que la membrane (32) dans une première zone de membrane (100) présente une épaisseur plus grande que dans une seconde zone de membrane (200). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, 10 caractérisé en ce que la membrane (32) est un monocristal. 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (32) est oxydée au moins dans une zone partielle (34) et il est notamment prévu d'oxyder l'ensemble de la membrane. 4 ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans la première zone de membrane (100), sous la zone oxydée (30) la membrane (32) est monocristalline. 5 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans une zone partielle latérale (54), la membrane (32) est oxydée. 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la zone monocristalline, il s'agit d'une matière servant à la fabrica30 tion de composants semi-conducteurs. 7 ) Capteur de pression équipé d'un dispositif de micro mécanique selon l'une des revendications 1 à 6.