Brevet FR2858890A1 — publié le 20050218

Microsystème incorporant au moins une structure résonante dans une cavité sous atmosphère contrôlée et procédé pour sa fabrication La présente invention se rapporte à un microsystème et, plus particulièrement, un microsystème incorporant au moins une structure résonante en silicium dans une cavité sous atmosphère contrôlée ainsi que son procédé de fabrication. Les bases de temps précises que l'on peut trouver aujourd'hui, par exemple dans les montres électroniques, reposent toutes sur un résonateur à quartz qui est encapsulé, sous vide, dans un boîtier métallique de manière à offrir un facteur de qualité élevé. Un tel résonateur doit être associé à un circuit intégré pour constituer un oscillateur présentant une référence de fréquence stable. Ces deux éléments ont généralement des substrats et des procédés d'encapsulation distincts qui nécessitent l'utilisation de techniques de fabrication différentes. Après leur fabrication, le résonateur et le circuit intégré sont assemblés lors du processus de montage. Le résonateur le plus courant, pour les applications horlogères, est un résonateur à quartz de type diapason à 32 kHz qui oscille selon un mode de flexion. Une fois encapsulé, il présente un diamètre d'environ 1 mm et il est commercialement disponible à un prix n'excédant pas 0.1 à 0.2 francs suisses. Le circuit intégré est, quant à lui, le plus souvent réalisé en technologie CMOS et il est monté sur un circuit imprimé auquel est également fixé et électriquement connecté le résonateur. La nécessité de recourir à des matériaux de base et à des techniques de fabrication différentes pour ces deux éléments augmente leur coût de fabrication et empêche une réalisation compacte de l'ensemble. On a présenté dans le passé, voir notamment le brevet européen No. 079 5953, des résonateurs réalisés dans un substrat de silicium mais ces derniers présentaient une dérive thermique telle, qu'on ne pouvait envisager de les utiliser dans des applications de garde-temps sans un thermomètre intégré servant à compenser ladite dérive thermique. Cependant, la stabilité dans le temps des thermomètres intégrés reste très insuffisante pour garantir celle des bases de temps qui en font usage. Dans la demande de brevet français No. 030 5833 de la demanderesse, est décrit, toutefois, un ensemble de deux résonateurs réalisés dans un même substrat de silicium et dont les propriétés dimensionnelles et les modes d'oscillation sont tels qu'ils peuvent être utilisés pour constituer une référence de fréquence extrêmement stable en température et au cours du temps. De plus, leur technologie de fabrication est tout à fait compatible avec celle des circuits intégrés de sorte qu'ils peuvent être fabriqués après et par-dessus les circuits intégrés auxquels ils sont associés. En terminologie anglo-saxonne, une telle technique est appelée: "Above-IC Post-Processing". Toutefois, l'obligation d'une encapsulation sous vide conduit, selon les méthodes de fabrication conventionnelles, à l'utilisation d'au moins trois niveaux de substrat pour permettre la réalisation de cavités à l'échelon du wafer; ce qui, compte tenu de l'épaisseur de chacun des substrats, produit un assemblage bien trop épais pour beaucoup d'applications. Aussi un objet de la présente invention est un microsystème incorporant au moins une structure résonante en silicium, dans une cavité sous atmosphère contrôlée, et dont la fabrication est compatible avec celle des circuits intégrés. Un autre objet de l'invention est un procédé de réalisation et d'assemblage de structures résonantes, réalisées dans un substrat de silicium sur isolant et associées à un circuit intégré réalisé dans un substrat de silicium. Encore un autre objet de l'invention est un procédé d'assemblage de structures résonantes associées à un circuit intégré permettant d'obtenir un ensemble d'épaisseur relativement mince. Un autre objet de l'invention est un ensemble réunissant au moins une structure résonante dans une cavité sous vide et un circuit intégré auquel ladite structure est électriquement connectée. Le microsytème de l'invention incorporant au moins une structure résonante en silicium dans une cavité sous atmosphère contrôlée se caractérise par le fait que ladite au moins une structure résonante est réalisée dans une base en silicium, elle-même fixée sur un substrat de silicium par l'intermédiaire d'une couche isolante et de manière à former, au moins partiellement, ladite cavité et en ce qu'il comprend un couvercle, d'une part, fixé à ladite base par des moyens de fermeture assurant la fermeture et l'étanchéité de ladite cavité et, d'autre part, connecté à ladite au moins une structure résonante par des moyens de connexion pour connecter électriquement cette dernière à l'extérieur de ladite cavité. Le microsystème de l'invention possède encore toutes ou certaines des caractéristiques énoncées ci-après: - le couvercle est en silicium et comporte une ou plusieurs couches de lignes conductrices; - le couvercle comporte en outre un circuit intégré; lo - la structure résonante est un résonateur; - la structure résonante est un ensemble de deux résonateurs; - les moyens de fermeture sont en un matériau polymère; - les moyens de connexion sont en un alliage d'étain et de plomb. Grâce à ces caractéristiques, le microsystème de l'invention peut être fabriqué avec des techniques de fabrication compatibles avec celles du circuit intégré auquel il est associé. Le procédé de fabrication d'un microsystème selon la présente invention, est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: - oxyder une face d'une base en silicium de manière à 25 former une couche d'oxyde de silicium; - réaliser au moins une cavité; - assembler ladite base en silicium et ledit substrat de manière à constituer un substrat de type SOI; - réaliser, dans ladite base en silicium, au moins une structure résonante disposée, au moins partiellement, au-dessus de ladite cavité; fixer audit substrat de type SOI un couvercle par des moyens de fermeture assurant l'étanchéité de ladite cavité et des moyens de connexion assurant la connexion de ladite structure résonante à l'extérieur de ladite cavité. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite à titre d'exemple non limitatif et en relation avec les dessins joints dans lesquels: - la figure 1 montre, vu de dessus, un ensemble de deux résonateurs réalisés dans un substrat de silicium; - les figures 2.a et 2.b montrent, en coupe, les wafers destinés à réaliser les résonateurs de la figure 1; - la figure 3 montre, en coupe, les résonateurs de la figure 1; - les figures 4.a à 4.e représentent des étapes de réalisation d'électrodes de part et d'autre d'une couche d'activation 25 piézoélectrique; et - la figure 5 montre un microsystème selon l'invention. Les résonateurs 2 et 3 de la figure 1 ont été décrits dans la demande de brevet français précitée. Ils sont réalisés dans un substrat de silicium sur isolant appelé, par la suite, substrat SOI. Ce substrat SOI comporte une base en silicium 10, dont une face a été oxydée pour donner une couche 11 d'oxyde de silicium (SiO2), et un substrat de silicium 20, auquel ladite base 10 est soudée (figure 2). Cette soudure est faite en pressant la base 10 et le substrat 20 l'une contre l'autre sous atmosphère et température contrôlées. Cette technique porte le nom de "Silicon Fusion lo Bonding". Comme indiqué sur la figure, des cavités ont été réalisées dans le substrat de silicium avant la soudure des deux substrats. Après soudure, le substrat SOI est aminci, par exemple par meulage de sa partie supérieure, jusqu'à une épaisseur d'environ 50 pm, et poli puis les structures résonantes sont réalisées de la manière décrite dans la demande de brevet précitée. La figure 3 est une vue en coupe, selon l'axe A-A de la figure 1, des résonateurs 2 et 3 après fabrication. Les résonateurs 2 et 3 sont découpés dans la base en silicium 10 sur laquelle ont été déposées, par "Sputtering", des électrodes métalliques 32 et 33. Simultanément au dépôt des électrodes 32 et 33, des contacts 31 sont réalisés sur la base 10. Sur les bras des résonateurs 2 et 3 et dans leur partie médiane, est déposée une couche de nitrure d'aluminium (42, 43) qui constitue la couche d'actuation piézoélectrique desdits résonateurs. Cette couche d'AIN reçoit une nouvelle couche métallique qui servira de deuxième électrode (52, 53) pour lesdits résonateurs. 2858890 7 Selon une variante de réalisation de l'invention, les cavités, au-dessus desquelles sont disposés les résonateurs 2 et 3, sont réalisées, non par attaque du substrat 20 mais, par attaque de la couche d'oxyde 11 après la découpe desdits résonateurs. Cette attaque de la couche d'oxyde peut être faite par voie humide à l'aide d'une solution d'acide fluorhydrique (HF). La figure 4 montre en détail les étapes de réalisation des électrodes et de la couche d'AIN des résonateurs. Bien que, par souci de simplification, cela n'apparaisse pas sur la figure 4, la io base 10 est supposée avoir été soudée sur un substrat 20, pourvu de cavités comme représenté à la figure 2, par l'intermédiaire de la couche d'oxyde 11. Cette base 10 a été amincie préalablement à son assemblage avec le substrat jusqu'à une épaisseur d'environ 50,um puis polie. Elle est ensuite recouverte sur sa face externe d'une couche métallique 30, par exemple de platine, par "Sputtering". Cette couche est ensuite structurée à l'aide d'un procédé de gravure par plasma, par exemple "Inductively-Coupled Plasma", pour donner une première électrode 32. Une couche d'AIN 40 est alors déposée par "Sputtering" puis une deuxième couche métallique 50, par exemple en aluminium, est déposée, également par "Sputtering". Les couches métalliques 30 eti 50 ont une épaisseur d'une centaine de nanomètres alors que la couche d'AIN a une épaisseur de l'ordre du micromètre. Après dépôt, la couche métallique est gravée pour donner une deuxième électrode 52 et ensuite la couche d'AIN est également gravée pour donner la couche d'activation piézoélectrique du résonateur correspondant. Préférablement, la couche d'aluminium destinée à constituer lesdites deuxièmes électrodes est dopée au silicium pour empêcher l'électro-diffusion du matériau des électrodes. La figure 5 montre l'assemblage constitué par les résonateurs de la figure 3 et un wafer 60. Le wafer 60 peut être un circuit intégré incorporant des fonctionnalités diverses, telles qu'oscillateur, chaîne de division, etc., ou comporter un ou plusieurs niveaux de couches conductrices pour la réalisation de connexions électriques. Le wafer 60 a également une fonction mécanique en servant de couvercle hermétique aux cavités réalisées dans le substrat 20, permettant ainsi la mise sous atmosphère contrôlée desdits résonateurs. Après la fabrication des résonateurs (figure 3), le substrat 20 est aminci, par exemple par voie chimique, puis des plots de soudure, par exemple en alliage d'étain et de plomb, sont réalisés sur les électrodes 31, 52, 32, 33, 53. Ces plots peuvent être obtenus par sérigraphie ou par galvanoplastie. Ensuite, le wafer 60 est fixé, selon la technique dite "Flip-Chip" à l'ensemble des résonateurs (2, 3) et de leur substrat 20 sous température et atmosphère contrôlées. La température doit être suffisante pour opérer la soudure entre les wafers et la pression doit être telle qu'elle assure un vide relatif permettant aux résonateurs d'atteindre un facteur de qualité élevé. Pour assurer l'étanchéité des cavités abritant les résonateurs, la soudure 81 doit suivre une courbe fermée, de préférence circulaire. Selon une variante, l'étanchéité de la fermeture peut être réalisée, non pas au moyen d'une soudure étain-plomb, mais grâce à un joint circulaire 81 en un matériau polymère comme décrit dans la demande de brevet EP 0 803 729. Bien qu'on ait présenté, dans la description précédente, la structure et la réalisation d'un seul microsystème, on comprendra aisément, qu'à l'instar des circuits intégrés, en fait une pluralité de ces mêmes microsystèmes est simultanément réalisée, ce qui en réduit considérablement le coût de fabrication. - 10- Revendications 1 Microsystème incorporant au moins une structure résonante (2, 3) dans une cavité (100) sous atmosphère contrôlée, caractérisé en ce que ladite au moins une structure résonante est réalisée dans une base en silicium (10), elle-même fixée sur un substrat de silicium (20) par l'intermédiaire d'une couche isolante (11) et de manière à former, au moins partiellement, ladite cavité et en ce qu'il comprend un couvercle (60), d'une part, fixé à ladite base par des moyens de fermeture (81) assurant la fermeture et l'étanchéité de ladite cavité et, d'autre part, connecté à ladite au moins une structure résonante par des moyens de connexion (82 à 85) pour connecter électriquement cette dernière à l'extérieur de ladite cavité. 2. Microsystème selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couvercle est en silicium et comporte une ou plusieurs couches de lignes conductrices. 3. Microsystème selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit couvercle comporte en outre un circuit intégré. 4. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite au moins une structure résonante est un résonateur. 5. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite au moins une structure résonante est un ensemble de deux résonateurs. 6. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdits moyens de connexion sont en alliage d'étain et de plomb. 7. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de fermeture sont en un matériau polymère. 8. Procédé de fabrication d'un microsystème selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: - oxyder une face d'une base en silicium (10) de manière à forme une couche d'oxyde de silicium (11); réaliser au moins une cavité (100); - assembler ladite base en silicium et ledit substrat de manière à constituer un substrat de type SOI; - réaliser, dans ladite base en silicium, au moins une structure résonante (2,3) disposée, au moins partiellement, au-dessus de ladite cavité; fixer audit substrat de type SOI un couvercle (60) par des moyens de fermeture (81) assurant l'étanchéité de ladite cavité et des moyens de connexion (82 à 85) assurant la connexion de ladite structure résonante à l'extérieur de ladite cavité. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite cavité (100) est réalisée dans ledit substrat de silicium (20) et ce, préalablement à son assemblage avec ladite base en silicium (10). Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite cavité (100) est réalisée, après la fabrication de - 12 - ladite structure résonante, par attaque de ladite couche d'oxyde de silicium (11). 11 Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que ladite base en silicium est amincie préalablement à son assemblage avec ledit substrat de silicium. 12 Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de fermeture sont en un matériau polymère. 13 Procédé selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que lesdits moyens de connexion sont en un alliage d'étain et de plomb.