Brevet FR2952626A1 — publié le 20110520

B9228 - 08-T0-157 1 MICROTRANSDUCTEUR CAPACITIF À MEMBRANE VIBRANTE Domaine de l'invention La présente invention concerne un microtransducteur capacitif à membrane vibrante et plus particulièrement un dispositif fabriqué par des technologies usuelles de réalisation de composants semiconducteurs. Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe représentant une réalisation classique d'un microtransducteur capacitif. Ce microtransducteur est formé sur un substrat de silicium 1 revêtu d'une couche d'oxyde de silicium 2, elle-même revêtue d'une couche conductrice 3 constituant une première électrode ou électrode inférieure du microtransducteur. Au-dessus de la couche conductrice 3 s'étend une couche 4 d'un matériau diélectrique dont une partie de fond centrale 5 est évidée. Sur la couche 4, au-dessus de l'évidement 5, est formée une électrode supérieure 6. Un tel microtransducteur est couramment utilisé pour produire des ultrasons en le faisant vibrer seul ou en phase avec une population de microtransducteurs à des fréquences comprises entre environ 20 kHz et quelques dizaines de MHz par suite de l'application entre les électrodes 3 et 6 d'un signal électrique d'excitation de fréquence appropriée superposé à une B9228 - 08-T0-157 2 tension continue. Ce microtransducteur peut constituer une sonde émettrice-réceptrice d'ultrasons utilisable notamment en échographie mais plus généralement être utilisé dans tout système d'instrumentation ultrasonore. Dans une structure du type de celle de la figure 1, la membrane fonctionne en flexion, c'est-à-dire que, quand une tension est appliquée, la membrane tend à fléchir et à prendre une courbure. Le fait que la membrane se courbe lorsqu'elle est contrainte par un champ électrique limite ses performances puisque cela diminue le volume balayé par la membrane lors de l'émission et diminue la sensibilité du capteur à la réception puisque seule la partie la plus défléchie de la membrane contribuera significativement à la conversion électromécanique. Il existe donc un besoin pour un microtransducteur capacitif à membrane vibrante qui, tout en conservant de petites dimensions, puisse fournir des performances améliorées et remédier aux inconvénients de l'état de la technique. Résumé Ainsi, un objet de la présente invention est de 20 prévoir un microtransducteur capacitif à performances améliorées. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un microtransducteur capacitif dans lequel la partie centrale de la membrane se déplace parallèlement à elle-même en restant dans 25 un plan parallèle au plan d'une électrode conductrice sous-jacente. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un microtransducteur capacitif adapté à un montage avec d'autres microtransducteurs adjacents. 30 Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication d'un tel microtransducteur capacitif qui soit simple et compatible avec des technologies usuelles de réalisation de composants semiconducteurs. Pour atteindre ces objets, un mode de réalisation de 35 la présente invention prévoit un microtransducteur capacitif à B9228 - 08-T0-157 3 membrane vibrante dans lequel la membrane comprend, au-dessus d'une cavité, une partie centrale en un premier matériau entourée d'une couronne intermédiaire en un deuxième matériau entourée d'une couronne périphérique en un troisième matériau, le deuxième matériau étant moins rigide que les premier et troisième matériaux. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la périphérie interne de la couronne périphérique s'étend en surplomb au-dessus d'une cavité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et troisième matériaux ont un module d'Young supérieur à 200 GPa et le deuxième matériau a un module d'Young inférieur à 100 GPa. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 les premier et troisième matériaux sont du nitrure de silicium et le deuxième matériau un polymère. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la membrane est formée au-dessus d'un substrat de silicium revêtu d'une couche isolante et d'une couche conductrice. 20 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la partie centrale est revêtue d'une couche conductrice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la partie centrale est en un matériau conducteur. Un mode de réalisation de la présente invention 25 prévoit aussi un procédé de fabrication d'un microtransducteur, comprenant les étapes suivantes : former sur un substrat une couche isolante et une couche conductrice ; former sur la couche conductrice une couche sacrifi- 30 cielle ayant la forme que l'on veut donner à la cavité ; déposer une couche d'un premier matériau et la graver au-dessus d'une partie centrale de la couche sacrificielle pour définir une couronne intermédiaire ; déposer une couche d'un deuxième matériau ; B9228 - 08-T0-157 4 araser le deuxième matériau jusqu'au premier matériau ; et éliminer la couche sacrificielle. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe illustrant un micro- transducteur capacitif à membrane classique ; la figure 2 est une vue en coupe illustrant un micro-transducteur capacitif à membrane ; la figure 3 est une vue en coupe illustrant un mode de réalisation selon la présente invention d'un microtransducteur 15 capacitif à membrane ; les figures 4, 5A et 6A sont des vues en coupe illustrant des étapes successives d'un exemple de fabrication du microtransducteur de la figure 3 ; et les figures 5B et 6B sont des vues de dessus carres-20 pondant aux vues en coupe des figures 5A et 6A. Comme cela est usuel dans le domaine de la représentation des microcomposants, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée 25 Pour obtenir un microtransducteur capacitif dans le-quel la partie centrale de la membrane se déplace parallèlement à elle-même en restant dans un plan parallèle au plan d'une électrode conductrice sous-jacente, on pourrait imaginer, en extrapolant les enseignements de la demande de brevet 30 US2007/0215964 de réaliser un dispositif tel qu'illustré en figure 2. La figure 2 représente un microtransducteur capacitif à membrane. Ce microtransducteur comprend sur un substrat 11, par exemple une plaquette de silicium, une couche isolante 12, 35 par exemple une couche d'oxyde de silicium, et une couche B9228 - 08-T0-157 conductrice 13, par exemple une couche de silicium polycristal-lin dopé. La couche 13 est surmontée d'une membrane constituée de deux parties, une partie périphérique 15 en un premier matériau et une partie centrale 16 en un deuxième matériau. La 5 partie centrale 16 est revêtue d'une couche conductrice 17. La partie centrale 16 et un anneau central de la partie périphérique 15 sont suspendus au-dessus d'une cavité 18. La partie centrale 16 est en un matériau plus rigide que la partie périphérique 15. En d'autres termes, le matériau de la partie centrale 16 a un module d'Young plus élevé que celui de la partie périphérique 15. Ainsi, quand une tension est appliquée entre les électrodes 13 et 17, la partie centrale a tendance à se déplacer vers le bas en restant parallèle à elle-même, et c'est la portion en suspension de la partie périphérique 15 qui fléchit. Une telle structure présente de nombreux avantages. Du fait de la rigidité de la partie centrale de la membrane, celle-ci a une moins grande sensibilité aux différences de pression et donc une déflexion initiale mieux maîtrisée, ce qui est détermi- nant pour fixer la tension à laquelle cette partie centrale de la membrane risque de venir s'écraser contre l'électrode inférieure. Il en résulte une amélioration du rendement, à savoir du coefficient de couplage électromécanique, un volume balayé accru, c'est-à-dire une sensibilité améliorée dans un fonction- nement en générateur (ou en récepteur) d'ultrasons, et une amélioration de la bande passante. Cette structure présente toutefois des inconvénients sérieux : - complexité de fabrication, - difficulté de centrage de la partie centrale 16 par rapport à la cavité 18, (le positionnement du contour extérieur de la cavité 18 et le positionnement du contour intérieur de la partie périphérique 15 résultent de deux masquages distincts), et surtout B9228 - 08-T0-157 6 - problèmes d'encastrement de la membrane qui se traduira par l'apparition de fréquences de coupures quand plusieurs micro- transducteurs sont disposés côte à côte (la déflexion de la partie centrale 16 affectera les déflexions de microtransduc- teurs adjacents puisque le matériau de la partie périphérique ne garantira plus une déformation et une vitesse de déforma- tion nulle entre deux membranes ; une multitude de résonances et leurs harmoniques spatiaux qui ne contribueront pas à l'émission et à la réception d'ultrasons seront alors induite par ce couplage). Ce problème d'encastrement limitera de plus les performances de la population de microtransducteurs puisque les membranes vibreront moins en phase ce qui limite automatiquement le coefficient de couplage électromécanique. La figure 3 représente un microtransducteur selon un mode de réalisation de la présente invention. La membrane est cette fois-ci en trois parties : une couronne périphérique 21 en un premier matériau, une partie centrale 22 en un deuxième matériau et une couronne intermédiaire 23 en un troisième matériau. La périphérie interne de la couronne périphérique s'étend en surplomb au-dessus d'une cavité 24 au-dessus de laquelle s'étendent la couronne intermédiaire 23 et la partie centrale 22. Le matériau de la partie centrale 22 est plus rigide que celui de la couronne intermédiaire 23. Le matériau de la couronne périphérique 21 est également plus rigide que celui de la couronne intermédiaire 23. Pour des raisons de simplicité de fabrication, il est de préférence identique au matériau de la partie centrale. Le matériau plus rigide pourra être du nitrure de silicium déposé par un procédé LPCVD de module d'Young de préférence supérieur à 200 GPa. Le matériau moins rigide pourra être un polymère tel qu'un élastomère ou du nitrure de silicium déposé par un procédé PECVD de module d'Young de préférence inférieur à 100 GPa. On comprendra que, si l'étendue de la couronne inter- médiaire 23 est convenablement choisie, on obtient un fonction- nement analogue à celui décrit en relation avec la figure 2 mais B9228 - 08-T0-157 7 optimisé dans le sens où le point d'ancrage de la membrane et les bords de la membrane sont réalisés dans le matériau le plus rigide, d'où il résulte que la propagation de la vibration de la partie centrale 22 vers des transducteurs adjacents est limitée, et dans le sens où l'on maîtrise mieux les dimensions de la couronne intermédiaire et donc le déplacement de la partie centrale 22. Les figures 4, 5A, 5B, 6A et 6B sont destinées à illustrer des étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un 10 microtransducteur tel que celui de la figure 3. A l'étape illustrée en figure 4, on forme sur un substrat de silicium 11 une couche isolante 12, qui peut être de l'oxyde de silicium, et une couche conductrice 13, par exemple une couche de silicium polycristallin dopé. Sur la partie 15 centrale de la zone de substrat au niveau de laquelle on veut former le microtransducteur, on dépose une couche sacrificielle 30, par exemple en oxyde de silicium peu dense et dopé. Cette couche sacrificielle est gravée selon le contour d'un premier masque pour définir le contour de la cavité 24 que l'on veut 20 former sous la membrane. On dépose ensuite une couche d'un premier matériau relativement rigide, par exemple du nitrure de silicium. Cette couche est ouverte selon le contour d'un deuxième masque pour définir une couronne périphérique 31 dont la périphérie interne s'étend au-dessus de la couche sacrifi- 25 cielle 30 et une partie centrale 32 formée complètement au dessus de la couche sacrificielle 30. A l'étape illustrée en figure 5A, on dépose sur toute la plaque une couche d'un deuxième matériau 33 relativement souple, par exemple un polymère ou tout autre matériau de module 30 d'Young plus faible que celui du matériau de la couche 31-32, par exemple du nitrure de silicium. Après cela, on procède à une étape d'arasement (planarisation) pour arriver à la structure illustrée en coupe en figure 5A et en vue de dessus en figure 5B dans laquelle le matériau 33 constitue une couronne intermé- 35 diaire 33 entre la couronne périphérique 31 et la partie B9228 - 08-T0-157 8 centrale 32. Cette couronne intermédiaire 33 s'étend au-dessus de la couche sacrificielle 30. On laisse éventuellement en place un résidu de la couche 33 à la périphérie du composant (représenté en figure 5A mais pas en figure 5B). Dans la vue de dessus de la figure 5B, on a représenté le contour 40 de la région occupée par le composant. On a illustré par des pointillés le contour de la couche sacrificielle 30. On notera que, de préférence, cette couche sacrificielle 30 comprend des excroissances latérales 35. Dans ces excroissances, on perce des ouvertures 37 jusqu'à rejoindre la couche sacrificielle et on élimine la couche sacrificielle par tout procédé choisi, par exemple par gravure plasma ou gravure humide. Après cela, on peut éventuellement reboucher les trous 37, par exemple par un dépôt d'oxyde de silicium. Comme l'illustrent la vue en coupe de la figure 6A et la vue de dessus de la figure 6B, on procède ensuite au dépôt et à la gravure d'un matériau conducteur pour former une électrode 17 qui aura par exemple la forme représentée dans la vue de dessus de la figure 6B. L'électrode 17 s'étend jusqu'aux limites du composant. En effet, elle pourra se prolonger sur des composants adjacents. On arrive ainsi, par un procédé simple utilisant des techniques classiques dans le domaine de la fabrication des composants semiconducteurs à la structure illustrée en vue en coupe en figure 3. Selon un avantage de la structure et du procédé décrits ici, le contour de la couronne intermédiaire 33 est défini avec précision par un seul masque (le deuxième masque susmentionné). Ceci permet de dimensionner cette couronne inter- médiaire avec une grande précision et donc de définir avec précision les caractéristiques de vibration du microtransducteur. Bien entendu, le procédé décrit est susceptible de nombreuses variantes. Pour la finition de la couronne intermédiaire 33, on a 35 décrit en relation avec les figures 5A et 5B un procédé B9228 - 08-T0-157 9 utilisant une étape de planarisation. On pourra également prévoir que la couche 33 après avoir été déposée est soumise à une étape de photolithographie pour n'en conserver que la partie centrale et éventuellement un rebord venant s'appuyer sur la partie intérieure de la couche périphérique 31 et sur la partie extérieure de la partie centrale 32. Un tel recouvrement peut permettre d'obtenir une meilleure adhérence entre le matériau de la couronne intermédiaire 33 et celui des zones voisines 31 et 32. On pourra aussi prévoir que le matériau de la partie centrale est un matériau conducteur qui sert de deuxième électrode sans qu'il soit nécessaire de le revêtir d'une électrode, si ce n'est pour une connexion externe. On pourra alors donner à ce matériau central sensiblement la forme de l'électrode illustrée en figure 6B. A titre d'exemple, un composant fabriqué selon la présente invention pourra avoir les dimensions suivantes : isolant 12 (inutile si le substrat est isolant) : 1,2 pm, électrode inférieure 13 : 0,5 pm, cavité 24 : de 10 à 100 pm de côté ou de diamètre (carrée, rectangulaire, hexagonale ou circulaire), épaisseur de la cavité 24 ou couche 30 : de 0,05 à 2 pm épaisseur des couches 31, 32, 33 : de 0,1 à 2 pm. matériau moins rigide 15, 23 : de 0,1 à 2 pm électrode supérieure 17 : 0,1 à 1,5 pm Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. Notamment, bien que l'on ait décrit ici une structure obtenue par dépôts de couches successives, on pourra aussi utiliser des procédés de fabrication utilisant des techniques de report de plaquettes (wafer bonding). REVENDICATIONS1. Microtransducteur capacitif à membrane vibrante dans lequel la membrane comprend, au-dessus d'une cavité (24), une partie centrale (22) en un premier matériau entourée d'une couronne intermédiaire (23) en un deuxième matériau entourée d'une couronne périphérique (21) en un troisième matériau, le deuxième matériau étant moins rigide que les premier et troisième matériaux. 2. Microtransducteur selon la revendication 1, dans lequel la périphérie interne de la couronne périphérique (21) 10 s'étend en surplomb au-dessus d'une cavité (24). 3. Microtransducteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premier et troisième matériaux ont un module d'Young supérieur à 200 GPa et le deuxième matériau a un module d'Young inférieur à 100 GPa. 15 4. Microtransducteur selon la revendication 3, dans lequel les premier et troisième matériaux sont du nitrure de silicium et le deuxième matériau un polymère. 5. Microtransducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la membrane est formée au-dessus 20 d'un substrat de silicium revêtu d'une couche isolante (12) et d'une couche conductrice (13). 6. Microtransducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la partie centrale est revêtue d'une couche conductrice (17). 25 7. Microtransducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la partie centrale est en un matériau conducteur. 8. Procédé de fabrication d'un microtransducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant les étapes 30 suivantes : former sur un substrat (11) une couche isolante (12) et une couche conductrice (13) ; former sur la couche conductrice (13) une couche sacrificielle ayant la forme que l'on veut donner à la cavité ; 5B9228 - 08-T0-157 11 déposer une couche d'un premier matériau (31, 32) et la graver au-dessus d'une partie centrale de la couche sacrificielle pour définir une couronne intermédiaire ; déposer une couche d'un deuxième matériau (33) ; araser le deuxième matériau jusqu'au premier matériau ; et éliminer la couche sacrificielle.