Brevet FR2868412A1 — publié le 20051007

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé pour réaliser une structure de membrane avec des orifices de perforations fermés. L'invention concerne également une structure de membrane ainsi obte- nue. Etat de la technique Pour fabriquer des capteurs thermiques (par exemple des capteurs infrarouges) en micromécanique de surface (MMS), on applique un procédé de gravure en phase gazeuse (par exemple en phase C1F3) permettant de graver à travers une membrane perforée, une cavité de découplage thermique dans un silicium en vrac. Les profondeurs de gravure caractéristiques d'une telle cavité se situent dans une plage de 10-150 gin. Comme le procédé de gravure est très largement isotrope, la dimension de la gravure sous la surface est pratiquement aussi grande que la profondeur de gravure. Pour dégager complètement le dessous de membrane de grandes surfaces ayant des dimensions de plusieurs 100 gm, il est nécessaire de prévoir plus d'un trou de gravure dans la membrane. Des tailles caractéristiques d'un tel trou de gravure vont de 0,5 à 5 gm. Une mem- brane ainsi perforée est par exemple connue selon le document DE 103 15 963 non publié antérieurement. Une telle membrane perforée peut être gênante pour différentes raisons: une réduction de la solidité mécanique, - les dépôts de saletés dans la cavité au cours de l'opération de fabrication effectuée ensuite (par exemple résultant des opérations de sciage et de séparation d'éléments), les dépôts de saletés dans la cavité pendant la durée de vie du capteur sont responsables de la dérive du capteur. C'est pourquoi il est avantageux de refermer de nouveau de tels orifices. La fermeture de ces orifices peut se faire en appliquant une couche supplémentaire. Mais cette épaisseur de couche, nécessaire, dé-pend de la taille des orifices de perforation (de manière caractéristique, l'épaisseur de la couche est sensiblement égale au diamètre des orifices). Or, il n'est pas souhaitable d'avoir des couches de fermeture épaisses à cause de leurs propriétés mécaniques et thermiques gênantes. De plus, des épaisseurs de couches importantes nécessitent des temps de dépôt longs et entraînent ainsi des coûts élevés. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une structure de membrane à perforations fermées couvrant une cavité, caractérisé en ce qu' on réalise au moins une couche à pores fins sur un substrat, - on réalise dans le substrat par une opération de gravure à travers la couche à pores fins, une cavité couverte au moins par la couche à po-res fins sous cette couche, - on forme une couche de fermeture sur la couche à pores fins, couche de fermeture qui couvre au moins en partie la couche à pores fins. Grâce à la couche à pores fins, dont le diamètre des pores est réduit, on peut utiliser des couches de fermeture mince. Un avantage important lié à la fermeture de la membrane est d'emprisonner ainsi des pressions très faibles et de réduire le dégagement de chaleur à travers la cavité. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce que l'on réalise la couche de fermeture sur le côté de la couche à po-res fins à l'opposé du côté tourné vers la cavité. Cela permet un procédé de fabrication particulièrement simple car la couche de fermeture est appliquée à partir de l'extérieur sur la couche à pores fins ou couche formant la membrane. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce que la couche à pores fins est en silicium poreux. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce qu'on oxyde le silicium poreux ou la couche à pores fins avant l'opération de gravure. On prépare ainsi cette couche pour ne pas être dé-truite ou pratiquement pas être endommagée par le procédé de gravure effectué ensuite à travers la couche. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce qu'on réalise une couche de membrane perforée sur la couche à po-res fins. Cette couche de membrane convient comme support pour des éléments fonctionnels en micromécanique et les orifices des perforations de la couche de la membrane permettent de graver sous la couche et de former la cavité. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce qu'on effectue la gravure pour réaliser la cavité à travers les orifices des perforations de la couche de la membrane et à travers la couche à po- res fins. On utilise ainsi de manière précise et avantageuse la perméabilité de la couche à pores fins pour le procédé de gravure. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce qu'on applique la couche de fermeture de façon qu'elle s'applique - sur la couche de membrane au-delà des orifices de perforation et - dans les orifices de perforation sur la couche à pores fins. La couche de fermeture couvre ainsi toute la surface de la membrane y compris les orifices de perforation. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé 10 en ce que la couche de fermeture est un nitrure ou un oxyde ou un métal. On utilise pour cela des matériaux confirmés. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce que la couche à pores fins a une épaisseur comprise entre 0,1 gm et 1 gm pour ne pas influencer de manière négative les propriétés thermi- ques du capteur. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce que le silicium poreux ou la couche à pores fins présente des pores dont le diamètre est principalement compris entre 1 nm et 500 nm. Cela permet d'avoir des couches de fermeture très minces de quelques 10 jus- qu'à quelques 100 nm. L'expression essentiellement ou principalement signifie que selon une répartition statistique, certains pores auront égale-ment des diamètres supérieurs à 100 nm. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce que la couche de fermeture a une épaisseur de quelques 100 nm ou moins. En particulier on aura une épaisseur de couche comprise entre 10 nm et 1000 nm. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé par une membrane réalisée en totalité en silicium poreux oxydé. Un développement avantageux de l'invention est caractérisé en ce que la couche poreuse ne couvre pas complètement la cavité et ne se trouve que dans la zone des perforations de la membrane. Selon l'invention, une structure de membrane à orifices de pores, fermés, couvrant une cavité, comprend au moins une couche à pores fins sur le côté de la membrane tourné 35 vers la cavité et une couche de fermeture sur le côté de la membrane à l'opposé de la cavité et que la couche de pores fins couvre au moins partiellement. Des développements avantageux du procédé de l'invention se traduisent également par un développement avantageux de la structure de membrane selon l'invention et réciproquement. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: les figures 1 à 5 montrent une succession d'étapes du procédé de base d'un premier exemple de réalisation, la figure 6 montre un second exemple de réalisation, la figure 7 montre un troisième exemple de réalisation. Description de modes de réalisation Par des modifications dans la conduite du procédé on peut réaliser des orifices de gravure plus petits que ceux connus selon l'état de la technique et correspondant à 0,5 gin. La mise en structure de parties de la membrane ne se fait pas par un procédé de photolithogravure mais par un procédé par porosité. Cela permet de réaliser des tailles de trous d'un diamètre de seulement quelques nanomètres et de fermer les orifices de gravure avec des couches très minces. C'est pourquoi, sous la membrane, par application d'une technique de silicium poreux, on réalise en plus une couche dite nanoporeuse ou mésoporeuse. La membrane perforée est à ce moment fermée de manière hermétique dès que cette couche poreuse ayant un diamètre de pore compris entre 1 et 100 nm a été fermée. Pour cela, il suffit de couches de fermeture extrêmement minces (des épaisseurs de l'ordre de gran- deur de 10 nm-100 nm). La conduite du procédé sera décrite ci-après à l'aide des fi- gures 1 à 7. Figure 1: Sur le substrat 1, dans la zone 2 où l'on veut réaliser ultérieurement la membrane, on forme une couche très mince de silicium poreux (l'épaisseur est de préférence comprise entre 100 nm et 1 pm). Par les paramètres du procédé de réalisation de la porosité (essentiellement la densité de courant) on fixe la taille des pores. La tailles des pores prédéfinit en même temps l'épaisseur de la couche nécessaire ultérieurement pour constituer la couche de fermeture. Comme le silicium poreux (encore appelé PorSi), est oxydé (encore appelé OxPorSi) pour être protégé pendant le procédé de gravure Si, ultérieur servant à réaliser la cavité. Figure 2: Sur cette couche OxPorSi, 2 on forme la membrane 3 proprement dite avec les structures sensibles ou les éléments fonctionnels. Figure 3: Sur la membrane 3 on applique une couche de photovernis 4. La membrane 3 est ensuite structurée au niveau de la couche OxPorSi par photolithogravure pour être ouverte jusqu'à la couche OxPorSi 2. On obtient ainsi les orifices de perforation. La figure 3 montre à titre d'exemple quatre orifices de perforation. Figure 4: Selon un procédé classique on réalise la gravure sous la membrane (par exemple avec un gaz de gravure C1F3). Le gaz de gravure passe par les orifices de perforation de la membrane 3 et pénètre dans les pores de la couche OxPorSi 2 et ainsi dans le substrat 1. On obtient ainsi la cavité 6. Figure 5: Après enlèvement de la couche de vernis 4 on ferme la cavité par une très mince couche de fermeture ou d'obturation 5 (par exemple par dépôt à la vapeur CVD d'oxyde ou de nitrure). L'épaisseur nécessaire de la couche ne dépend plus dans ce cas de la taille des orifices de perforation mais de la taille des pores de la couche OxPorSi. Du fait de la très faible conductivité thermique de la couche OxPorSi (environ 0,3-0,5 W/(m*K)), la couche OxPorSi 2 d'une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 m n'a qu'une très faible influence sur les caractéristiques thermiques du capteur. Figure 6: Cette figure montre un mode de réalisation de l'invention selon lequel la couche OxPorSi 2 n'a été réalisée qu'au niveau des orifices de perforation. La référence 5 désigne la couche de fermeture et la référence 3 la couche de la membrane. Figure 7: Cette figure montre un mode de réalisation de l'invention selon lequel la membrane est complètement formée de la couche OxPor-Si 2. Sur celle-ci se trouvent les structures de capteurs 7. On a également représenté la couche de fermeture 5. Dans ce cas on n'utilise pas la couche de membrane et ses perforations comme dans les deux premiers exemples de réalisation. On peut également envisager des modes de réalisation dans lesquels la membrane n'est qu'en partie formée par une couche OxPorSi. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de réalisation d'une structure de membrane à orifices de perforation fermés couvrant une cavité, caractérisé en ce qu' - on réalise au moins une couche à pores fins (2) sur un substrat (1), - on réalise dans le substrat (1) par une opération de gravure à travers la couche à pores fins, une cavité (6) couverte au moins par la couche à pores fins (2) sous cette couche (2), - on forme une couche de fermeture (5) sur la couche à pores fins, couche de fermeture qui couvre au moins en partie la couche à pores fins (2). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on réalise la couche de fermeture sur le côté de la couche à pores fins (2) non tourné vers la cavité. 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche à pores fins (2) est en silicium poreux. 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche à pores fins (2) est oxydée avant l'opération de gravure. 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on réalise une couche de membrane perforée (3) sur la couche à pores fins (2). 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'opération de gravure pour réaliser la cavité (6) se fait à travers les orifices de perforation de la couche de membrane (3) et la couche à pores fins (2). 7 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' on applique la couche de fermeture (5) de façon qu'elle s'applique sur la couche de membrane (3) au-delà des orifices de perforation et - dans les orifices de perforation sur la couche à pores fins (2). 8 ) Procédé selon la revendication 1, 5 caractérisé en ce que la couche de fermeture (5) est en nitrure ou en oxyde ou en métal. 9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche à pores fins a une épaisseur comprise entre 0,1 m et 1 m. 10 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche à pores fins présente des pores d'un diamètre compris essen-15 tiellement entre 1 nm et 500 nm. 11 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de fermeture a une épaisseur comprise entre 10 nm et 20 1000 nm. 12 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que toute la membrane est réalisée en silicium poreux oxydé. 13 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche à pores fins (2) ne couvre pas complètement la cavité (6) ou ne se trouve que dans la zone de perforation de la membrane. 14 ) Structure de membrane à orifices de pores fermés couvrant une cavité (6), caractérisée en ce qu' elle comprend au moins une couche à pores fins (2) sur le côté de la 35 membrane tourné vers la cavité et - une couche de fermeture (5) sur le côté de la membrane non tourné vers la cavité, cette couche couvrant au moins partiellement la couche à pores fins.