Brevet FR2892715A1 — publié le 20070504

Domaine de l'invention La présente invention concerne une plaque à microbuses et un procédé de fabrication d'une telle plaque. Pour pulvériser des liquides en gouttelettes d'une taille accessible par les poumons (- 5 m), pour les applications médicales, on connaît différentes structures à base de silicium ou de verre de silicium fabriquées en micromécaniques. On peut former un brouillard de gouttelettes en ce qu'on crée une chambre délimitée d'un côté par une membrane à entraînement piézoélectrique et de l'autre côté par une plaque à microbuses. En actionnant la membrane à entraînement piézoélectrique, on diminue le volume de la chambre et on expulse ainsi le liquide de la chambre à travers les orifices de buses de la plaque à microbuses. Cela se traduit par la pulvérisation du liquide. Par un choix approprié de la géométrie des buses, de la géométrie de la chambre et du moyen d'excitation piézoélectrique, on génère des gouttelettes de taille définie. Pour fabriquer une plaque à microbuses en silicium, le document DE 10 2004 050 051, non publié antérieurement décrit un procédé selon lequel en appliquant une gravure anisotrope à vitesse éle- vée par un procédé de gravure DRIE dans du silicium (procédé de gravure ionique à réaction en profondeur), on génère des orifices de buses définis dans une membrane obtenue par gravure KOH. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une plaque à microbuses caractérisé pour les étapes suivantes : A) application d'un premier masque sur une première face d'un substrat semi-conducteur, B) application d'un second masque sur le premier masque et le substrat semi-conducteur, C) gravure de tranchée dans le substrat semi-conducteur à travers le second masque jusqu'à une certaine profondeur, D) enlèvement du second masque, E) oxydation thermique du substrat semi-conducteur à travers le premier masque et formation d'un oxyde thermique sur la première face, F) enlèvement du premier masque du substrat semi-conducteur, G) gravure du substrat semi-conducteur de la première face jusqu'à une seconde face, opposée et dégagement ainsi de microbuses dans l'oxyde thermique. L'invention concerne également une plaque ainsi réalisée. Le procédé selon l'invention permet de former avantageusement des structures de buses de type oxydé. De façon avantageuse, on fait une oxydation partielle dans des structures à tranchées. De façon avantageuse, on utilise à cet effet un masque en nitrure appliqué sur la surface des structures pour les zones qu'il ne faut pas oxyder et qu'il faut ainsi couvrir pour le procédé d'oxydation. De façon avanta- 15 geuse, on peut ensuite dégager les structures par gravure de la couche sacrificielle de leur noyau en matière semi-conductrice par exemple Sil_XGex et former ainsi les microbuses. Un développement avantageux du procédé de l'invention prévoit de structurer la seconde face de la plaquette et notamment de 20 réaliser une caverne dans la face arrière par gravure par KOH ou en appliquant un autre procédé de gravure approprié. De façon avantageuse, on peut ainsi dégager la plaquette au niveau des microbuses jusqu'à l'épaisseur souhaitée. De manière avantageuse, les structures oxydées peuvent 25 servir de moule positif ou de moule négatif pour d'autres mises en structure. Le procédé selon l'invention permet de réaliser des structures de microbuses, oxydées, non possibles jusqu'alors et ayant des caractéristiques avantageuses. On réalise des structures à parois 30 minces, homogènes sur toute la hauteur de la buse. Les structures peuvent avoir un rapport d'aspect élevé et permettre ainsi une grande liberté de choix des sections verticales et horizontales par rapport à la profondeur de canal des buses. La plaque à microbuses selon l'invention présente égale- 35 ment une série d'avantages. Les parois de la buse sont oxydées. Les pa- rois de la buse ont avantageusement une épaisseur homogène sur toute la hauteur du canal de la buse. La construction des buses offre une grande liberté de choix de la section verticale et de la section horizon-tale. Cela se traduit par des libertés de conception importantes et avantageuses pour optimiser les propriétés microfluidiques. En particulier, il est possible de réaliser selon l'invention des plaques à microbuses ayant des structures de buse à rapport d'aspect élevé. La caractéristique du jet de pulvérisation peut avantageusement être influencée par le choix du profil de buse. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un substrat semi-conducteur muni d'un masque, - la figure 2 montre la mise en forme préalable des microbuses par des tranchées, - la figure 3 montre le moulage des microbuses en oxyde, - la figure 4 montre le dégagement des microbuses en oxyde et schématiquement la plaque à microbuses, et - la figure 5 montre schématiquement les étapes essentielles du pro- cédé selon l'invention de fabrication d'une plaque à microbuses. Description de modes de réalisation de l'invention L'invention sera présentée ci-après de manière détaillée à l'aide de modes de réalisation. La figure 1 montre un substrat semi-conducteur masqué (c'est-à-dire muni de son masque). La fabrication selon l'invention d'une plaque à microbuses commence par un substrat semi-conducteur 100. Le substrat semi-conducteur 100 peut être par exemple en silicium, germanium ou l'une ou l'autre des combinaisons Sil_XGex (0 x 1). On applique un premier masque sur le substrat semi-conducteur 100 à savoir une couche de nitrure 110 déposée comme futur masque d'oxydation ; le dépôt se fait de préférence selon un pro-cédé LPCVD (procédé de dépôt à la vapeur chimique basse pression). Ensuite, on met en structure cette couche de nitrure 110 sur une pre- mière face du substrat semi-conducteur 100 pour ne la laisser qu'au niveau des futures microbuses ou d'une future première cavité. Ensuite, on applique un second masque à savoir un masque de tranchée 120 sur la première face du substrat semi- s conducteur 100 et sur la couche de nitrure 110. Le masque de tranchée 120 peut être par exemple à la fois une couche d'oxyde de silicium ou un simple masque de vernis. La zone du masque de tranchée 120 sur la couche de nitrure 110 mise en structure pour fixer le contour des futures microbuses. Pour cela, on dégage le masque de tranchée dans cette io zone pour ensuite enlever les microbuses futures jusqu'à la couche de nitrure 100. La figure 1 montre l'état de la plaquette décrite ci-dessus après mise en structure du masque de tranchée 120. La figure montre à cet effet une vue en coupe et une vue de dessus de la zone d'une future 15 microbuse. La figure 2 montre le préformage des microbuses par les tranchées. Pour cela, à l'aide d'un procédé de gravure de tranchée 200 réalisé sur une première face du substrat semi-conducteur, muni de son masque, en appliquant de préférence le procédé DRIE ou le procédé 20 Bosch, on forme les contours des futures microbuses. En option, on peut mettre en structure séparément la couche de nitrure 110 qui reste en enlevant les zones de la couche de nitrure 110, dégagées c'est-à-dire qui ne sont pas protégées par le masque de tranchée 120 qui se trouve au-dessus. Le résultat du procédé de gravure de tranchée 200, au ni- 25 veau de la première face de la plaquette on aura des sillons descendant jusqu'à une profondeur déterminée du substrat semi-conducteur 100 ; on obtient ainsi une première cavité 210 comportant des colonnes 220 constituant des prémoules pour les microbuses. La figure 2 montre à cet effet une vue en coupe de la plaquette et une vue de dessus de la 30 zone d'une future microbuse. Comme cela apparaît dans la figure, les colonnes sont constituées par une structure stratifiée comprenant en partie basse le substrat semi-conducteur 100, puis au-dessus la couche de nitrure 110 et au-dessus de celle-ci le masque de tranchée 120. La figure 3 montre le moulage des microbuses avec de 35 l'oxyde. Pour cela, on soumet la plaquette de la figure 2 à plusieurs éta- pes opératoires successives. Tout d'abord, on enlève (300) le masque de tranchée 120. L'enlèvement 300 du masque de tranchée 120 se fait par exemple par gravure en phase gazeuse ou par le procédé BOE (procédé de gravure d'oxyde tamponné) si le masque de tranchée 120 est un masque d'oxyde ou encore par dévernissages par exemple avec un plasma d'oxygène si le masque de tranchée 120 est un masque de vernis. Ensuite, on effectue une oxydation thermique 350 de la plaquette et il se forme par oxydation en surface des zones Sil_XGex, accessibles du substrat semi-conducteur 100, une couche d'oxyde thermique 352. La couche de nitrure 110 qui subsiste c'est-à-dire le couvercle de nitrure sur les structures ou colonnes en relief joue son rôle de masque d'oxydation. La couche nitrure 110 qui subsiste définit les zones inaccessibles notamment de la face supérieure des colonnes et évite ainsi l'oxydation thermique des surfaces supérieures. En conséquence, dans les surfaces accessibles des colonnes et des parois on aura fabriqué des microbuses en oxyde. En variante, on peut ne faire la mise en structure de la seconde phase du substrat semi-conducteur 100 c'est-à-dire la face en regard de la première face. Dans l'exemple de réalisation décrit on forme une cavité dans la seconde face de la plaquette. Pour cela, on masque tout d'abord le nitrure sur la face arrière et on dégage par une étape de gravure. Puis par gravure par voie humide de KOH ou en appliquant un autre procédé de gravure approprié, on grave la zone dégagée du substrat semi-conducteur 100 au niveau de la seconde face de la plaquette. Le résultat de cette opération de gravure 360 donne sur la seconde face de la plaquette, une cavité 390 dans le substrat semi-conducteur 100. La cavité 390 qui se trouve sur la seconde face est prévue en regard de la zone de la première face qui correspond aux futures microbuses. En-fin, on enlève le masque. L'état intermédiaire résultant est donné à la figure 3. La figure 4 montre comment dégager les microbuses dans l'oxyde ; elle indique schématiquement la plaque à microbuses selon l'invention. Pour cela, on enlève tout d'abord le nitrure de silicium restant 110 par exemple par une étape de gravure à sec de la face avant de la plaquette. La plaquette est alors couverte d'oxyde thermique sur toute la surface de la première face sauf sur la surface des structures en relief antérieurement couvertes par un nitrure. Le substrat semi-conducteur 100 y est dégagé et forme une couche sacrificielle pour l'étape de procédé suivante. Par une gravure sélective 400 du substrat semi-conducteur 100 vis-à-vis de l'oxyde thermique 352, on dégage seulement le noyau de silicium résiduel, massif qui subsiste dans les colonnes. Cela peut se faire par exemple par un procédé de gravure à sec avec CIF3. Alors que l'on enlève le silicium par gravure 400, l'oxyde thermique 352 reste conservé. On obtient ainsi un orifice traversant 410 avec accès à partir de la première face vers le second côté opposé du substrat semiconducteur 100. Les structures creuses qui subsistent au niveau de l'orifice traversant 410 sont en oxyde épais homogène à savoir en oxyde thermique 352 représentant les microbuses 420 en oxyde. La plaque à microbuses selon l'invention présentée ici est ainsi terminée. Ensuite, suivant le cas, on peut déposer un nombre quel-conque de couches. Cela permet de renforcer les parois d'oxyde ou de les utiliser comme moule négatif pour d'autres mises en structure. La figure 5 montre schématiquement les étapes princi-pales du procédé de fabrication d'une plaque de microstructures : A) application d'un premier masque sur une première face d'un subs- trat semi-conducteur, B) application d'un second masque sur le premier masque et le substrat semi-conducteur, C) gravure de tranchée dans le substrat semi-conducteur à travers le second masque jusqu'à une certaine profondeur, D) enlèvement du second masque, E) oxydation thermique du substrat semi-conducteur à travers le premier masque et formation d'un oxyde thermique sur la première face, F) enlèvement du premier masque du substrat semi-conducteur, G) gravure du substrat semi-conducteur de la première face jusqu'à une seconde face, opposée et dégagement ainsi de microbuses dans l'oxyde thermique. Selon un autre exemple de réalisation, on effectue la gravure de tranchée 200 dans le substrat semi-conducteur 100 et aussi dans le premier masque 110 à travers le second masque 120. Selon un autre exemple de réalisation, on effectue la gra- vure 360 d'une cavité 390 dans la seconde face pour amincir le substrat semi-conducteur 100 au niveau des microbuses 420. L'étape de gravure 360 de la cavité 390 peut se faire à un point quelconque de l'ensemble du procédé de fabrication après l'étape de fabrication A). Les exemples de réalisation décrits ci-dessus peuvent être 10 combinés de manière quelconque et d'autres exemples de réalisation sont envisageables. 15 REVENDICATIONS 1 ) Procédé de fabrication d'une plaque à microbuses, caractérisé pour les étapes suivantes : A) application d'un premier masque (110) sur une première face d'un 5 substrat semi-conducteur (100), B) application d'un second masque (120) sur le premier masque (110) et le substrat semi-conducteur (100), C) gravure de tranchée (200) dans le substrat semi-conducteur (100) à travers le second masque (120) jusqu'à une certaine profondeur, 10 D) enlèvement (300) du second masque (120), E) oxydation thermique (350) du substrat semi-conducteur (100) à travers le premier masque (110) et formation d'un oxyde thermique (352) sur la première face, F) enlèvement du premier masque (110) du substrat semi-conducteur 15 (100), G) gravure (400) du substrat semi-conducteur (100) de la première face jusqu'à une seconde face, opposée et dégagement ainsi de microbuses (420) dans l'oxyde thermique (352). 20 2 ) Procédé de fabrication d'une plaque à microbuses selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape de fabrication C), on effectue une gravure de tranchée (200) du premier masque (110) à travers le second masque (120). 25 3 ) Procédé de fabrication d'une plaque à microbuses selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' à n'importe quel endroit du procédé de fabrication, on travaille la se-30 conde face du substrat semi-conducteur (100). 4 ) Procédé de fabrication d'une plaque à microbuses selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'après l'étape de fabrication A) à un point quelconque du procédé de fabrication, on grave (360) une cavité (390) dans la seconde face pour amincir le substrat semi-conducteur (100) au niveau des microbuses (420). 5 ) Plaque à microbuses comportant un substrat semi-conducteur (100), ayant : - au moins un orifice traversant (410) dans le substrat semi-conducteur (100), - l'orifice traversant (410) permettant l'accès d'une première face à une seconde face opposée du substrat semi-conducteur (100), - une microbuse (420) prévue sur la première face du substrat semi-conducteur (100) au niveau de l'orifice traversant (410), - la microbuse (420) étant en un oxyde (352). 6 ) Plaque à microbuses selon la revendication 5, caractérisée en ce qu' - une première cavité (200) est prévue sur la première face du substrat semi-conducteur (100), - au moins un orifice traversant (410) est réalisé dans le substrat semi-conducteur (100) dans la première cavité (200), et - la microbuse (420) est prévue dans la première cavité (200) au ni-veau de l'orifice traversant (410). 7 ) Plaque à microbuses selon la revendication 5, caractérisée en ce qu' une couche d'oxyde (352) est prévue sur la première face du substrat semi-conducteur (100). 8 ) Plaque à microbuses selon la revendication 6, caractérisée en ce qu' au niveau de l'orifice traversant (410), la seconde face du substrat semi-conducteur (100) comporte une seconde cavité (390). 9 ) Plaque à microbuses selon la revendication 5, 510 caractérisée en ce que le substrat semi-conducteur (100) est en silicium, en germanium ou en une combinaison Sil_XGeX_. 10