Brevet FR2858312A1 — publié le 20050204

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé micromécanique de fabrication d'un élément de couche ainsi qu'un composant muni d'un tel élément de couche. Etat de la technique Les composants à élément de couche souple sont par exemple réalisés comme micropompes. Les micropompes s'utilisent dans différents domaines techniques, en particulier dans le domaine médical pour débiter de manière précise une petite quantité de fluide. Pour fabriquer 10 des micropompes on utilise des procédés de fabrication micromécaniques. Pour fabriquer une micropompe on utilise par exemple du silicium que l'on met simplement et de manière précise en structure par des procédés de dépôt et de gravure correspondants. Le document US-A-6 390 791 décrit un composant corres15 pondant au type défini ci-dessus sous la forme d'une micropompe. Ce composant est réalisé sur une puce SOI. La micropompe se compose d'un triple empilage de deux puces ou plaquettes de verre avec interposition d'une plaquette SOI. Pour réaliser une membrane de pompe on utilise une couche de silicium monocristallin de la plaquette SOI; la fabrication ap20 plique par exemple un procédé de gravure à sec pour mettre en structure la couche de silicium et un procédé de gravure à l'oxyde sacrifié pour dégager les structures. L'élément de couche souple est dégagé de la couche de silicium et pour cela on grave (attaque chimique) la couche d'oxyde sacrifié. L'inconvénient du procédé connu est de nécessiter des étapes de gravure longues à l'oxyde sacrifié qui en outre aboutissent à une profondeur de gravure non reproductible. Un autre risque est que l'élément de couche utilisé comme organe d'obturation de la soupape d'entrée ne reste collé à la plaquette de 30 silicium lorsqu'on effectue une gravure à l'oxyde sacrifié pour dégager l'élément de couche. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé de micromécanique pour la fabrication d'un élément de couche souple ré35 duisant le risque de collage de l'élément de couche. L'invention a également pour but de développer un composant perfectionné. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention concerne un procédé micromécanique de fabrication d'un élément de couche souple à partir d'une couche, ayant une faible distance par rapport à une plaque de base, selon 5 lequel on réalise l'élément de couche sur un composant micromécanique notamment comme organe d'obturation d'une micropompe, on applique une couche sacrifiée sur la couche de base et une couche fonctionnelle, sur la couche sacrifiée, on réalise dans la face inférieure de la plaque de base une cavité arrivant jusqu'à la couche sacrifiée, ensuite on enlève 10 complètement la couche sacrifiée audessus de la cavité dans une zone d'ouverture prévue entre la couche fonctionnelle et la plaque de base, et ensuite par un procédé de mise en structure approprié, en partant du côté supérieur, on dégage l'élément de couche souple de la couche fonctionnelle, la couche fonctionnelle étant dégagée complètement dans une 15 structure fixée jusqu'à la zone d'ouverture dégagée. L'invention concerne également un composant du type défini ci-dessus, caractérisé par une cavité réalisée entre l'élément de couche et la couche fonctionnelle, la distance entre l'élément de couche et la plaque de base étant de préférence inférieure à 100 pm, alors que sous la ca20 vité dans la plaque de base on a réalisé au moins en partie un sillon. Un avantage du procédé de l'invention est que la couche sacrifiée sous la couche fonctionnelle est enlevée d'abord et ce n'est qu'ensuite que l'on dégage l'élément de couche de la couche fonctionnelle. On évite ainsi en toute sécurité que l'élément de couche ne colle à la pla25 que de base. Selon un autre mode de réalisation préférentiel, on réalise la structure fixée prévue pour dégager l'élément de couche dans la couche fonctionnelle également en partie au moins dans la plaque de base. On arrive ainsi à une surface d'appui définie et limitée pour l'élément de cou30 che dégagé de la plaque de base. De plus, le sillon augmente le volume adjacent à la zone marginale de l'élément de couche, ce qui permet de refouler plus facilement le fluide lorsqu'on déplace l'élément de couche. On améliore ainsi la mobilité de l'élément de couche. Selon une autre étape avantageuse du procédé, après enlè35 vement de la couche sacrifiée on réalise une couche protectrice sur la paroi intérieure de la cavité et sur le côté inférieur dégagé de la couche fonctionnelle, qui couvre au moins les embouchures des cavités des parois latérales correspondant à la couche sacrifiée enlevée préalablement. La couche sacrifiée sert au maintien de l'écartement pendant la suite du traitement en évitant ainsi le collage de structures de micromécaniques. De plus, on évite également de traverser complètement par accident le côté supérieur et le côté inférieur de la plaque. Comme la couche protectrice 5 est adaptée du fait de l'application ultérieure de la topographie de la face arrière, cela permet d'enlever la couche sacrifiée par une brève opération de gravure (par exemple une gravure en phase gazeuse). Comme couche sacrifiée on utilise de préférence de l'oxyde de silicium et comme couche fonctionnelle, du silicium. Le silicium utilisé l0 est par exemple du silicium monocristallin ou de silicium polycristallin. Pour enlever la couche sacrifiée, on utilise de préférence un agent de gravure liquide tel que par exemple une solution aqueuse de fluorure. La solution aqueuse de fluorure permet une vitesse de gravure relativement élevée avec en plus une gravure latérale suffisante de la couche d'oxyde 15 sacrifiée. Selon un mode de réalisation préférentiel, la couche protectrice est une couche d'oxyde que l'on enlève ensuite de préférence par un procédé de gravure en phase gazeuse. De manière préférentielle, comme couche protectrice on utilise une couche d'oxyde de plasma dépo20 sée par un procédé de dépôt chimique à la vapeur (procédé CVD). Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une section d'une micropompe, - les figures 2A-2E montrent les étapes principales du procédé de fabrication de la micropompe. Description de modes de réalisation de l'invention Le procédé et le composant selon l'invention seront décrits ci-après à l'aide d'un exemple de micropompe. Mais le procédé selon 30 l'invention peut s'appliquer à d'autres composants utilisant un élément à couche souple, à faible distance d'une plaque de base que l'on dégage par gravure chimique, en évitant de coller l'élément de la couche à la plaque de base. Le composant selon l'invention peut également avoir d'autres formes de réalisation car seule importe la réalisation de l'élément de cou35 che souple. La figure 1 est une section schématique d'une micropompe 1. Cette pompe se compose principalement d'une plaque de base 2, d'une couche fonctionnelle 3, d'une plaque de recouvrement 4 et d'une plaque de fond 5. Entre la couche fonctionnelle 3, par exemple une couche de polysilicium et la plaque de base 2, on a une couche sacrifiée 17 installée au niveau du bord. La plaque de base 2 est fabriquée par exemple dans une couche de silicium structurée sur laquelle on applique la couche 5 fonctionnelle 3. La couche fonctionnelle 3 reçoit la plaque de recouvrement 4. La face inférieure de la plaque de base 2 est couverte par la plaque de fond 5. La micropompe 1 comporte une soupape d'entrée 6 par laquelle arrive le fluide d'un canal d'alimentation 7 réalisé dans la plaque de base 2 et dans la plaque de fond 5 pour arriver dans la chambre de 10 pompe 8. La chambre de pompe 8 est réalisée entre une membrane de pompe 9 faisant partie de la couche fonctionnelle 3 et la plaque de recouvrement 4. Il est en outre prévu une soupape de sortie 10 communiquant avec la chambre de pompe 8. La soupape de sortie 10 relie la chambre de pompe 8 à un canal de sortie 1 1 réalisé dans la plaque de base 2 et dans la plaque de fond 5. La soupape d'entrée 6 comporte un premier organe d'obturation 12 sous la forme d'un élément stratifié faisant partie de la couche fonctionnelle 3. Le premier organe d'obturation 12 est prévu audessus de l'orifice d'entrée du canal d'alimentation 7 par lequel le canal 20 d'alimentation 7 débouche dans la chambre de pompe 8. La surface du premier organe d'obturation 12 est dimensionnée pour que l'orifice d'entrée du canal d'alimentation 7 soit complètement couvert par le premier organe d'obturation 12. Le siège d'étanchéité du premier organe d'obturation 12 est assuré par une surface marginale annulaire de la pla25 que de base 2 entourant l'orifice d'entrée du canal d'alimentation 7. La soupape de sortie 10 comporte un second organe d'obturation 13 réalisé également comme partie de la couche fonctionnelle 3 et ayant une forme de manchon avec un orifice de sortie 24. La hauteur du manchon correspond à la hauteur de la couche fonctionnelle 3 dans la 30 zone marginale. Ainsi, une surface d'étanchéité annulaire prévue sur le côté supérieur du manchon s'applique contre la face inférieure de la plaque de recouvrement 4. L'orifice de sortie 24 rejoint une chambre de sortie 14 réalisée dans la plaque de base 2 et faisant partie du canal de sortie 11. La chambre de sortie 14 a une section plus grande que la partie du 35 canal de sortie 11 réalisée dans la plaque de fond 5. Sous la chambre de pompe 8, la plaque de base 2 comporte une chambre d'actionneur 15 recevant un piston 16. Le piston 16 est relié par l'intermédiaire de la couche sacrifiée 17 à la membrane de pompe 9. Sous le piston 16, la plaque de fond 5 comporte une ouverture 25 par laquelle un organe d'actionnement peut être mis en appui contre le piston 16. La micropompe fonctionne de la manière suivante: en po5 sition de repos, la soupape d'entrée 6 est ouverte et la soupape de sortie 12 fermée. Le fluide peut ainsi arriver dans la chambre de pompe. Pour pomper un fluide du canal d'alimentation 7 vers le canal de sortie 11, on fait monter et descendre le piston 16. Ce mouvement fait également monter et descendre la membrane de pompe 9. Le mouvement de la membrane 10 de pompe 9 diminue et augmente périodiquement le volume de la chambre de pompe 8. Lorsque la chambre de pompe 8 diminue, cela y crée une surpression si bien que la soupape de sortie 10 s'ouvre et laisse échapper du fluide de la chambre de pompe 8 vers la chambre de sortie 14, la soupape d'entrée 6 se fermant pour éviter l'arrivée de fluide ainsi que le retour 15 de fluide. On débite ainsi une quantité déterminée de fluide par mouvement de pompage. Si ensuite le piston 16 se rétracte, le volume de la chambre de pompe 8 augmente et y crée une dépression. Cette dépression ouvre la soupape d'entrée 6 et du fluide est aspiré dans la chambre de pompe 8 par le canal d'alimentation 7. En même temps la soupape de 20 sortie se ferme de nouveau. En cas de dépression, le second organe d'obturation 13 de la soupape de sortie 10 s'applique de manière étanche contre la face inférieure de la plaque de recouvrement 4 si bien qu'aucun fluide ne peut passer dans la chambre de pompe à travers la soupape de sortie 10. On évite ainsi le retour de fluide de la chambre de sortie 14 vers 25 la chambre de pompe 8. Les principales étapes du procédé de fabrication de la micropompe de la figure 1 seront décrites à l'aide des figures 2A-2E. La figure 2A montre une plaque de base 2 déjà mise en structure et sur laquelle on a appliqué une couche sacrifiée 17. Une cou30 che fonctionnelle 3 couvre cette couche sacrifiée 17. La couche sacrifiée 17 est par exemple une couche d'oxyde de silicium et la couche fonctionnelle 3, une couche de silicium. Comme silicium on peut utiliser par exemple du silicium polycristallin ou du silicium monocristallin développé par croissance épitaxiale. Dans la plaque de base 2, qui se présente par exemple sous forme de plaquette de silicium, on a réalisé le canal d'alimentation 7, la chambre d'actionneur 15 et la chambre de sortie 14. Partant de la face inférieure de la plaque de base 2, par un procédé de gravure chimique on a enlevé la couche sacrifiée 17 dans les zones dégagées. Comme agent d'attaque on utilise par exemple une solution aqueuse de fluorure. La couche sacrifiée 17 est également enlevée sur les côtés par des opérations de gravure en contre-dépouille. De cette manière on réalise des zones 5 d'ouverture 18 dans la couche sacrifiée 17 qui s'étendent latéralement entre la couche fonctionnelle 3 et la plaque de base 2. Dans cette étape du procédé on peut utiliser des procédés par voie humide assurant une gravure ou attaque rapide pour réaliser de grandes profondeurs en contredépouille. Cette étape du procédé est représentée à la figure 2B. Ensuite, on applique une couche de recouvrement 26 partant de la face inférieure de la plaque de base 2 sur la paroi latérale du canal d'alimentation 7, la chambre d'actionneur 15, la chambre de sortie 14 et la face inférieure dégagée de la couche fonctionnelle 3 et sur les parois latérales des zones dégagées de la couche sacrifiée 17. La couche de 15 recouvrement 26 est de préférence un oxyde au plasma que l'on dépose par un procédé de dépôt chimique à la vapeur. Cette étape du procédé est représentée à la figure 2C. Ensuite par gravure on donne la structure souhaitée à la couche fonctionnelle 3. Pour cela on dégage le premier organe d'obturation 12 sous la forme d'une membrane appartenant à la 20 couche fonctionnelle 3. Puis, dans une structure dégagée, on réalise le contour extérieur de l'organe d'obturation 12 dans la couche fonctionnelle 3. Pour cela, on réalise une cavité 27 de structure correspondante dans la couche fonctionnelle 3. La cavité 27 chevauche au moins en partie la zone d'ouverture 18 du canal d'alimentation 7. Ainsi, après réalisation de la ca25 vité 27, l'organe d'obturation 12 reste seulement relié à la plaque de base 2 par la couche de recouvrement 26 au niveau de la cavité. Le premier organe d'obturation 12 est en outre relié par au moins une entretoise à la couche fonctionnelle 3. De plus, dans l'exemple de réalisation de la micropompe, on 30 dégage un second organe d'obturation 13 de la soupape de sortie 10 audessus de la chambre de sortie 14 dans la couche fonctionnelle 3. Le second organe d'obturation 13 a pratiquement une forme de manchon avec un orifice de sortie central 24 correspondant à la couche fonctionnelle 3. De manière préférentielle, la forme de la cavité 27 est réali35 sée au moins en partie dans la surface supérieure de la plaque de base 2 sous la forme d'un sillon 28. Le sillon 28 entoure ainsi une entretoise marginale 30 située dans la zone du bord en dessous du premier organe d'obturation 12 et dont la face supérieure sert de surface d'appui et/ou d'étanchéité pour le premier organe d'obturation 12. Cette étape du procédé est représentée à la figure 2D. En réalisant le sillon 28 on dégage un volume plus grand entre la zone marginale du premier organe d'obturation 12 et la couche fonctionnelle 3 ou la plaque de base 2. Lorsqu'on débite 5 du fluide par le canal d'alimentation 7 et la cavité 27 dans la chambre de pompe 8, le fluide sera refoulé plus facilement à la fermeture de la soupape d'entrée 6 lorsque le premier organe d'obturation 12 descend contre l'entretoise marginale 30. On peut ainsi améliorer l'aptitude au fonctionnement de l'organe d'obturation grâce au sillon 28. Selon une autre étape du procédé, on enlève de nouveau la couche de recouvrement 26 grâce à une brève étape de gravure en phase gazeuse par exemple avec de l'acide fluorhydrique. On dégage ainsi complètement l'organe d'obturation 12 de la plaque de base 2. L'utilisation du procédé de gravure en phase gazeuse évite en toute sécurité le collage de 15 la soupape d'entrée. La faible épaisseur de la couche de recouvrement 26 permet d'utiliser ce procédé de gravure lent. Cette étape du procédé est représentée à la figure 2E. Ensuite, on recouvre la plaque de base 2 par en dessous et la couche fonctionnelle 3 par-dessus avec la plaque de fond 5 et la plaque 20 de recouvrement 4. La plaque de recouvrement 4 et la plaque de fond 5 sont reliés de manière étanche en périphérie, de préférence par un procédé de liaison anodique à la couche fonctionnelle 3 ou à la plaque de base 2. On obtient ainsi une micropompe selon la figure 1. L'enlèvement anticipé de la couche sacrifiée 17 sous la zone 25 dans laquelle on développera au cours d'une étape ultérieure du procédé, le premier organe d'obturation 12 de la couche fonctionnelle 3, permet d'utiliser un procédé de gravure avec une solution de gravure à vitesse de gravure élevée, de préférence une solution d'acide fluorhydrique. En principe, lorsqu'on utilise des procédés de gravure liquides, on risque que 30 l'organe d'obturation 12 ne colle à la plaque de base 2. L'avantage de l'utilisation d'une solution de gravure est qu'à côté d'une vitesse de gravure élevée on arrive également à une gravure en contredépouille, latérale, importante, souhaitable dans le procédé décrit. Ce n'est que lors d'une étape ultérieure du procédé correspondant à la figure 2D que l'on 35 dégage le premier organe d'obturation 12 dont la face inférieure est déjà dégagée par gravure, à l'aide d'une autre opération de gravure sur le côté supérieur pour arriver à la forme souhaitée pour se dégager de la couche fonctionnelle 3. Ensuite, à l'aide d'une brève étape de gravure en phase gazeuse, on enlève également complètement la couche de recouvrement 26 avec de l'acide fluorhydrique. On enlève la couche de recouvrement 26 du premier organe d'obturation 12 pour que celui-ci soit maintenant complètement dégagé. L'utilisation de l'étape de gravure en phase gazeuse pour le 5 dégagement définitif du premier organe d'obturation évite en toute sécurité le collage de la membrane à la plaque de base 2. En variante à la gravure en phase gazeuse on peut par exemple utiliser également un procédé de gravure par voie humide suivie d'un séchage supercritique utilisant C02. Le procédé selon l'invention peut s'appliquer pour tout type d'élément en couche souple ayant une faible distance par rapport à une plaque de base et pour lequel on risque le collage comme par exemple un organe d'obturation. NOMENCLATURE 1 micropompe 2 plaque de base 3 couche fonctionnelle 4 couche de recouvrement plaque de fond 6 soupape d'entrée 7 canal d'alimentation 8 chambre de pompe 9 membrane de pompe soupape de sortie 11 canal de sortie 12 premier organe d'obturation 13 second organe d'obturation 14 chambre de sortie chambre d'actionneur 16 piston 17 couche sacrifiée 18 zone d'ouverture 19 deuxième couche 26 couche de recouvrement 27 cavité 25 28 sillon 29 bordure REVENDICATIONS 1 ) Procédé micromécanique de fabrication d'un élément de couche souple (12) à partir d'une couche (3), ayant une faible distance par rapport à une plaque de base (2), selon lequel on réalise l'élément de couche (12) sur un composant micromécanique notamment comme organe d'obturation d'une micropompe, on applique une couche sacrifiée (17) sur la couche de base (2) et une couche fonctionnelle (3), sur la couche sacrifiée (17), on réalise dans la face inférieure de la plaque de base (2) une cavité (7) 10 arrivant jusqu'à la couche sacrifiée (17), ensuite on enlève complètement la couche sacrifiée (17) au-dessus de la cavité (7) dans une zone d'ouverture (18) prévue entre la couche fonctionnelle (3) et la plaque de base (2), et ensuite par un procédé de mise en structure approprié, en partant du côté 15 supérieur, on dégage l'élément de couche souple (12) de la couche fonctionnelle (3), la couche fonctionnelle (3) étant dégagée complètement dans une structure fixée jusqu'à la zone d'ouverture dégagée (18). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure fixée est réalisée au moins en partie dans la plaque de base (2). 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, 25 caractérisé en ce que dans une autre étape de procédé, après enlèvement de la couche sacrifiée (17) on applique une couche protectrice (26) sur la paroi intérieure de la cavité (7), du côté inférieur dégagé de la couche fonctionnelle (3) et sur les parois latérales de la couche sacrifiée (17) et après la mise en structure de 30 l'élément de couche (12) on enlève de nouveau la couche protectrice (26). 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche sacrifiée (17) est en oxyde de silicium et la couche fonctionnelle 35 (3) en silicium, la couche sacrifiée (17) étant enlevée à l'aide d'un agent d'attaque liquide dans la zone d'ouverture (18). 5 ) Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu' on forme la couche protectrice (26) comme couche d'oxyde et on enlève la couche protectrice (26) par un procédé de gravure en phase gazeuse. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche protectrice (26) est appliquée comme oxyde au plasma. 7 ) Procédé selon l'une des revendications 1, 10 caractérisé en ce qu' on réalise l'élément de couche comme organe d'obturation (12) d'une soupape d'entrée ou de sortie (6, 10). 8 ) Composant, notamment micropompe, ayant un élément de couche 15 souple (12) qui fait partie d'une couche fonctionnelle (3), la couche fonctionnelle (3) étant tenue sur une plaque de base (2), l'élément de couche (12) se trouvant à faible distance de la plaque de base (2), caractérisé par une cavité (27) réalisée entre l'élément de couche (12) et la couche fonctionnelle (3), la distance entre l'élément de couche (12) et la plaque de base (2) étant de préférence inférieure à 100 pm, alors que sous la cavité (27) dans la plaque de base (2) on a réalisé au moins en 25 partie un sillon (28). 9 ) Composant selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément de couche (12) est un élément d'obturation de soupape (6, 10). 30 10 ) Composant selon la revendication 9, caractérisé en ce que - l'organe d'obturation (12) est associé à une soupape d'entrée (6) reliée à une chambre de pompe (8) délimitée par une membrane de pompe (9) 35 faisant partie de la couche fonctionnelle (3), - une soupape de sortie (10) est prévue avec un second organe d'obturation (14), et du fluide peut être aspiré par la soupape d'entrée (6) et refoulé par la soupape de sortie (10), - l'organe d'obturation (12) se trouve au-dessus d'un orifice d'entrée d'un canal d'alimentation (7) réalisé dans la plaque de base (2), l'organe d'obturation (12) couvre l'orifice d'alimentation, et - la surface du siège d'étanchéité de l'organe d'obturation (12) est la surface annulaire de la plaque de base (2) entourant l'orifice d'entrée et la surface formant siège d'étanchéité est entourée au moins en partie par le sillon (28).