Brevet FR2867178A1 — publié le 20050909

Domaine de l'invention La présente invention concerne un composant micromécanique comprenant: un substrat, une cavité dans le substrat, - une membrane à la surface du substrat fermant la cavité. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel composant. Bien que les composants micromécaniques et les structures notamment les capteurs, les actionneurs puissent s'appliquer de manière quelconque, la présente invention concerne un capteur de pression piézo-électrique ou piézo-résistant. Etat de la technique Les capteurs de pression piézo-électriques ou piézorésistants reposent actuellement uniquement sur l'utilisation de membranes de silicium monocristallin que l'on munit de résistances piézoélectriques par une technique de dopage. En particulier il est possible de réaliser les chemins ou bandes conductrices piézo-électriques ou piézorésistantes dans la couche de silicium d'un substrat SOI. Mais de façon globale et résumée, les procédés de fabrication connus sont compliqués et coûteux. Exposé de l'invention La présente invention concerne un composant du type ci-dessus caractérisé en ce que la membrane se compose d'au moins deux couches entre lesquelles on a intégré une ou plusieurs bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes. L'invention concerne également un procédé de fabrication du type défini ci-dessus comprenant les étapes suivantes: - partant d'un substrat, - on réalise une première couche sur la;surface du substrat, - on forme un ou plusieurs chemins conducteurs piézo-électriques ou piézo- résistants sur la première couche, on réalise une seconde couche sur la première couche et la ou les ban-des conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes de façon à en- serrer entre elles la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes, - on forme au moins un orifice traversant dans la première et la seconde couches pour dégager le substrat, et on forme une cavité dans le substrat par gravure en utilisant l'orifice comme passage pour l'agent de gravure. Un avantage de l'invention est que le capteur piézo-électrique ou piézorésistant notamment le capteur de pression est muni d'une membrane diélectrique et de résistances piézo-électriques mono-cristallines développées en micromécanique de surface. Le composant micromécanique selon l'invention et de son procédé de fabrication permettent de définir les bandes conductrices ou chemins conducteurs piézo-électriques ou piézo-résistants par la mise en structure d'une couche dégagée dans la matière de la bande conductrice et qui est séparée du substrat par une couche intermédiaire. Sur les chemins conducteurs piézo-électriques ou piézorésistants on dépose ensuite une couche formant une membrane et on forme les accès de gravure vers le substrat. En dégageant sélectivement une zone du substrat sous la membrane on crée une cavité que l'on fermera ultérieurement pour y emprisonner une certaine pression de référence. Le composant micromécanique selon l'invention comporte une membrane avec au moins deux couches entre lesquelles se trouvent intégrées une ou plusieurs bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes. Ces bandes conductrices piézo-électriques ou piézorésistantes sont de préférence réalisées en un silicium monocristallin. Dans la cavité on emprisonne de préférence une pression de référence et la forme du substrat avec la cavité est celle d'une cuvette. Selon un développement préférentiel, la ou les bandes conductrices piézoélectriques ou piézo-résistantes se trouvent au moins en partie au-dessus de la cavité. Selon un autre développement, la bande conductrice piézo-électrique ou piézo-résistante est prévue au-dessous ou à proximité du 30 bord ou zone de bord de la cavité. Selon un autre développement préférentiel, on réalise les deux couches en une matière isolante et la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes en un monocristal. Selon un autre développement préférentiel, la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes sont raccordées par un dispositif de contact traversant la couche supérieure de la membrane. Selon un autre développement préférentiel, la membrane comporte une première couche inférieure, une seconde couche inférieure, une troisième couche inférieure et une quatrième couche supérieure, la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes étant pré-vues entre la première et la seconde couche, la troisième couche étant en une matière perméable et la quatrième couche est réalisée pour fermer hermétiquement la troisième couche. Selon un autre développement préférentiel, la première et la seconde couches comportent au-dessus de la cavité au moins un orifice de passage fermé par la troisième et la quatrième couches. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: les figures la- 1g montrent différentes sections correspondant aux étapes principales de fabrication d'un composant micromécanique d'un 15 mode de réalisation de l'invention. Description d'un mode de réalisation Dans les figures on utilisera les mêmes références pour dé-signer les mêmes composants ou des composants de même fonction. Le point de départ du procédé selon l'exemple de réalisation de l'invention est une pile de substrat SOI selon la figure la comprenant un substrat de silicium monocristallin 1 sur lequel est appliquée une couche d'oxyde de silicium 3 elle-même couverte par une couche de silicium monocristallin 1. Une telle pile de substrat SOI peut être obtenue par diffé- rents procédés de fabrication connus selon l'état de la technique et elle peut être fournie aux fabricants en grande quantité à la qualité requise. La pile de substrat SOI peut recevoir un traitement préalable avant l'opération proprement dite suivant le mode de réalisation également il peut comporter des éléments de circuit intégré de façon à pouvoir intégrer le capteur dans un environnement de circuit. Il est intéressant que la zone dans laquelle on formera ultérieurement une membrane et des résistances piézo-électriques ne soit pas perturbée par des éléments de circuit. En se référant à la figure lb, dans une première étape du procédé on réalise la structure de bande de chemin conducteur 5a, 5b piézo-électrique ou piézo-résistant pour former ultérieurement des capteurs d'allongement dans la couche de silicium monocristallin 5. La résistance des bandes conductrices 5a, 5b peut se régler par la géométrie latérale, l'épaisseur de la couche 5 et le dopage de cette couche 5. Le pro- cédé de gravure (attaque chimique) pour réaliser la structure des bandes ou chemin conducteur 5a, 5b s'arrête sélectivement sur la couche d'oxyde de silicium 3 qui a avantageusement une épaisseur d'environ 5-500 nm. Une épaisseur intéressante pour la couche 5 est comprise entre 100 et 1 000 nm. Selon la figure 1c, on dépose au moins une couche diélectrique 7 sur les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes 5a, 5b et les zones libres de la couche 3. Cette couche 7 assure la fonction de support d'une membrane M (voir figure 1g) et doit dans ces conditions être en tension pour ne pas se bomber de manière incontrôlée. Il est particulièrement avantageux que la couche 7 soit du nitrure de silicium LPCVD d'une épaisseur de 100-300 nm. Au cours de l'étape suivante du procédé représenté à la figure ld, on donne aux couches 3 et 7 une structure avec des orifices 10a, 10b réalisés par gravure; les orifices traversants 10a, 10b se situent entre les chemins conducteurs piézo-électriques ou piézo-résistants 5a, 5b. Comme procédé de gravure on peut utiliser un procédé de gravure anisotrope à une étape ou un procédé de gravure anisotrope sélectif à deux étapes. Au cours d'une étape de procédé suivante représentée à la figure le, on dépose une couche poreuse perméable 15 sur toute la sur-face de la structure résultante. La couche perméable 6 est perméable à un certain agent de gravure comme par exemple un gaz de gravure et diminue la section efficace des orifices traversants 10a, 10b. Cela augmente forte- ment d'une part la vitesse de gravure lors de l'étape de gravure C 1 F3 effectuée ensuite et d'autre part cela permet de refermer facilement le réseau de pores à nanostructure de la couche 15 par le procédé CVD. La couche perméable 6 est de préférence également une couche diélectrique. Comme couche perméable 15 on peut par exemple utiliser: un oxyde PECVD d'une épaisseur de 10 à 200 nm à base de silane SiH4 avec 02, N2O ou d'autre agents d'oxydation, une couche de nitrure de silicium PECVD ou LPCVD d'une épaisseur de 10 à 200 nm. On réalise la perméabilité souhaitée du nitrure par un traitement ultérieur correspondant par exemple en convertissant ensuite le nitrure totalement ou par- tiellement avec de l'acide fluorhydrique HF pour former un silicate tel que SiF6(NH4)2, qui est une couche continue perméable. En outre comme matière de la couche 15 on peut utiliser un dépôt au plasma d'un mince fil de polymère d'une épaisseur de 10 à 200 nm par dépôt au plasma par exem- ple de fluorure d'aluminium ou de combinaison organique telle que par exemple à partir de procédés C4F8 ou de métaux pulvérisés ou déposés à la vapeur sous forme de couche mince comme de l'or, de l'aluminium, Al-SiCu etc. En utilisant AlSiCu on peut dégager de manière sélective les dé- pôts de silicium ou de cuivre pour avoir une microporosité. Enfin on peut utiliser comme matière de la couche perméable 15, des photovernis contenant du silicium dans la chaîne des polymères, BCB (Butylcyclobutène), des couches diélectriques poreuses obtenues par procédé de dépôt à la vapeur ou de projection. w Enfin on peut réaliser la couche perméable 15 en appliquant deux polymères différents dissous dans un même solvant ou dans des solvants différents pour former une couche de revêtement; puis on évapore le ou les solvants et on élimine de manière sélective l'un des polymères par rapport à l'autre de la couche formée. En se reportant à la figure 1f, par une étape de gravure C1F3 ou autre étape de gravure au gaz attaquant spontanément le silicium, on enlève le substrat 1 de façon sélective des couches diélectriques 3, 7, 15. On forme ainsi une cavité 20 dans laquelle on peut bien contrôler l'extension latérale et verticale. Le contrôle du front de gravure est no- tamment simple si la zone R du bord de la cavité 20 est orientée suivant des directions cristallographiques déterminées du substrat de silicium 1 car cela permet de réaliser un front de gravure lisse. Il est particulière-ment intéressant d'aligner la zone du bord de la cavité 20 parallèlement à la surface cristallographique d'orientation (100). La géométrie de la cavité est prédéfinie par la disposition des passages 10a, 10b. On installe de préférence les bandes conductrices 5a, 5b piézoélectriques ou piézo-résistantes de façon qu'elles se placent au-dessus de la zone du bord de la cavité 20 car la flexion la plus importante se produit au niveau du bord de sorte que le futur signal de capteur ou la sensibilité du capteur sera maximal. Après dégagement de la cavité 20 par gravure, selon la figure 1g on couvre la couche perméable:L5 avec au moins une autre couche diélectrique 30. La couche 30 est elle-même de préférence en traction ou est mise en traction dans la pile de couche 3, 7, 15, 30 de la membrane M. Le dépôt de la couche diélectrique 30 se fait de préférence selon un procédé PVD ou CVD utilisant une pression de procédé définie de façon à obtenir une pression de référence sous la membrane. La matière de la couche diélectrique 30 peut être par exemple un oxyde silane obtenu par le procédé PECVD-TEOS ou un procédé thermique TEOS, PECVD, du nitrure PECVD ou une matière analogue. Enfin à la figure 1g, on réalise le contact des chemins con- ducteurs 5a, 5b piézo-électriques ou piézo-résistants par un dispositif de contact 40 par exemple un contact de tungstène prévu au niveau d'un trou de contact. Cette installation de contact 40 permet de relier les chemins conducteurs piézo-électriques 5a, 5b à des parties du circuit d'exploitation ou à des pattes de liaison. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus. Ainsi on peut notamment utiliser des matières de base de micromécanique quelconques comme par exemple du germanium et non se limiter seulement à l'exemple du substrat en silicium. On peut également former n'importe quelle structure de capteur sans être limité au capteur cie pression représenté. Comme agent de gravure (attaque chimique) on peut rem-placer C1F3 par XeF2 ou BrF3. NOMENCLATURE 1 Substrat de silicium 3 Couche d'oxyde de silicium 5 Couche de silicium monocristallin 5a, 5b Bandes conductrices piézo-électriques 7 Couche de nitrure de silicium 10a, 10b Passages Couche perméable 20 Cavité R Zone de bord M Membrane Couche TEOS Dispositif de contact REVENDICATIONS 1 ) Composant micromécanique comprenant un substrat (1) une cavité (20) dans le substrat (1) - une membrane (M) à la surface du substrat (1) fermant la cavité (20), caractérisé en ce que la membrane (M) se compose d'au moins deux couches (3, 7) entre les-quelles on a intégré une ou plusieurs bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes (5a, 5b). 2 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes (5a, 5b) passent au moins en partie sur la cavité (20). 3 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes (5a, 5b) sont prévues sur ou à proximité de la zone de bord (R) de la cavité (20). 4 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux couches (3, 7) sont réalisées en une matière isolante ou la ou les 25 bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes (5a, 5b) sont réalisées en un monocristal. 5 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes (5a, 5b) sont reliées par un dispositif de contact (40) traversant la couche supérieure (7) de la membrane (M). 6 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (M) comprend une première couche inférieure (3), une seconde couche inférieure (7), une troisièrne couche inférieure (15) et une quatrième couche supérieure (30), la ou les bandes conductrices piézoélectriques ou piézo-résistantes (5a, 5b) sont intégrées entre la première et la seconde couche (3, 7), la troisième couche (15) est une matière perméable et la quatrième couche (30) est réalisée de manière à fermer hermétiquement 5 la troisième couche (15). 7 ) Composant micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et seconde couche (3, 7) comportent au-dessus de la cavité 10 (20) au moins un orifice de passage (10a, 10b) fermé par la troisième et quatrième couches (15, 30). 8 ) Procédé de fabrication d'un composant micromécanique selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes: partant d'un substrat (1), on réalise une première couche (3) sur la surface du substrat (1), - on forme un ou plusieurs chemins conducteurs piézo-électriques ou piézo- résistants (5a, 5b) sur la première couche (3), - on réalise une seconde couche (7) sur la première couche (3) et la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes (5a, 5b) de façon à enserrer entre elles la ou les bandes conductrices piézoélectriques ou piézo-résistantes (5a, 5b), on forme au moins un orifice traversant (10a, 10b) dans la première et la seconde couches (3, 7) pour dégager le substrat (1), et on forme une cavité (20) dans le substrat (1) par gravure en utilisant l'orifice (10a, 10b) comme passage pour l'agent de gravure. 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la cavité (20) est formée pour que la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes (5a, 5b) passent au moins en partie au-dessus de la cavité (20). 10 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on forme la cavité (20) pour que la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes (5a, 5b) se trouvent au-dessus ou à proximité d'une zone de bord (R) de la cavité (20). 11 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la première et la seconde couches (3, 7) sont réalisées en une matière isolante et la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-5 résistantes (5a, 5b) sont réalisées en un monocristal. 12 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la ou les bandes conductrices piézo-électriques ou piézo-résistantes (5a, 10 5b) sont reliées par un dispositif de contact (40) passant à travers la couche supérieure (7) de la membrane (M). 13 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' après avoir formé au moins un orifice de passage (10a, 10b), on prévoit une troisième couche (15) en matière perméable au-dessus de la seconde couche (7) et le ou les orifices de passage (10a, 10b) et la troisième couche au-dessus du ou des orifices de passage (10a, 10b) sont également utilisés comme passage pour l'agent de gravure. 14 ) Procédé selon la revendication 13, caractérisé par une quatrième couche (30) fermant hermétiquement la troisième couche (15).