Brevet FR2987355A1 — publié le 20130830

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un capteur micromé- canique et à son procédé de fabrication et son application correspondante. Etat de la technique Les capteurs micromécaniques sont réalisés actuellement sous la forme de capteurs distincts sur leur propre chips, ou sous la forme de capteurs intégrés avec un circuit d'exploitation associé. Dans le cas des capteurs intégrés, l'intégration est verticale selon laquelle le capteur est au-dessus du circuit d'exploitation, ou l'intégration est laté- rale selon laquelle le capteur est installé à côté du circuit d'exploitation. Dans le cas d'une intégration latérale, le montage de la puce du capteur et celui de la puce du circuit d'exploitation ASIC, nécessitent beaucoup de place latéralement et il faut des liaisons élec- triques coûteuses entre les puces. Dans le cas d'une intégration verticale de la puce de capteur et de la puce du circuit d'exploitation ASIC ou inversement, on est limité dans la conception et la hauteur globale de la structure est importante. Pour la partie de surface de la puce du circuit d'exploitation, il faut un procédé complexe en technique des semi- conducteurs avec de nombreuses étapes et ensuite, il faut passer par le procédé de fabrication du capteur. Cela réduit le rendement total et génère en général des coûts supplémentaires du fait que la surface du circuit doit subir les étapes du procédé de fabrication du capteur et réciproquement, la surface du capteur doit passer par les étapes du procédé du semi-conducteur. Cette solution ne devient économiquement avantageuse que si l'on a des synergies de procédé élevées et si les rendements respectifs du procédé sont très élevés. Un échange modulaire de la puce ASIC n'est pas possible dans des conditions simples. Le document US 7 213 465 B2 décrit l'intégration d'un élément de capteur sur le côté arrière d'une puce de circuit ASIC. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un capteur micromé- canique comportant un substrat ayant une face avant et une face ar- rière, la face avant ayant un premier capteur micromécanique et la face arrière un second capteur micromécanique. L'invention a également pour objet un procédé de fabrica- tion d'un capteur micromécanique comprenant dans une première étape, pour intégrer un premier capteur micromécanique dans la face avant d'un substrat (S, 51, S1'), une seconde étape, pour retourner le substrat, et une troisième étape, pour intégrer un second dispositif de capteur micromécanique dans la face arrière du substrat. Enfin, l'invention a pour objet un procédé d'application d'un tel capteur micromécanique à un composant de navigation. Le capteur micromécanique selon l'invention et son procédé de fabrication permettent une fabrication très économique et notamment une construction particulièrement peu encombrante, miniaturisée des capteurs et/ou des actionneurs. En même temps, le dispositif permet une construction modulaire avec substitution des dif- férentes puces sans nécessiter une mise en oeuvre de développements importants. L'idée de base de l'invention consiste à intégrer dans un unique substrat au moins deux plages de fonctions MEMS, monoli- thiques et intégrées dans les faces opposées du substrat. Les plages de fonctions MEMS réalisent des capteurs et/ou des actionneurs sensibles ou réagissant à différents stimuli indépendants, d'origine extérieure. En option, au moins un autre substrat structuré est relié à une plage de fonctions MEMS ou comme protection sur au moins l'une des deux surfaces en étant relié par un procédé de liaison au substrat. Selon un développement préférentiel, une ou plusieurs plages de capteur inertiel et de plages de capteur magnétique sont prévues sur les faces opposées du même substrat. Selon un autre développement préférentiel, une ou plu- sieurs plages de capteur inertiel et une plage de capteur de pression sont prévues sur les faces opposées du même substrat. En option, les deux faces opposées du substrat sont reliées à l'aide d'un ou plusieurs contacts traversants. Une possibilité d'utilisation particulièrement préféren- tielle du capteur micromécanique selon l'invention est son application à la navigation dans des terminaux mobiles. L'invention permet ainsi l'intégration de plusieurs fonc- tions MEMS dans un même substrat relié par un jeu d'intégrations ver- ticales économiques, et la surface de silicium ne passe que par deux procédés de capteur moins complexes. La structure et la technique d'assemblage sont également simplifiées. En principe, l'intégration monolithique de plusieurs fonc- tions MEMS différentes sur un substrat permet une densité d'affairement, élevée, et ainsi on pourra réaliser des composants plus petits. Dans le cas de l'intégration de fonctions MEMS avec des principes d'action et des couches fonctionnelles différentes (couche magnétique/capacitive), il faut souvent différentes couches fonctionnelles. Si les fonctions MEMS différentes sont réalisées selon l'état de la tech- nique sur une unique face d'un substrat, il n'y aura en général que des synergies de procédé très réduites et en même temps, on a des limites géométriques à la conception des fonctions MEMS. Dans de nombreux cas, il faut prendre des mesures spéciales pour éviter les effets gênants de procédé, par exemple appliquer des couches protectrices provisoires. Le rendement des procédés MEMS pour les différentes fonctions MEMS est multiplié si bien que les coûts de procédé sont plus élevés que ce qu'ils devraient être. L'invention permet l'intégration des fonctions MEMS, no- tamment avec des principes d'actions différentes et des couches fonc- tionnelles sur différents côtés d'un substrat, ce qui supprime pratiquement complètement les limites géométriques de conception des fonctions MEMS. Si les deux procédés MEMS s'appliquent avec un rendement élevé, on aura ainsi un avantage de coût par rapport aux con- cepts d'intégrations latérales et verticales. Si les deux faces opposées du substrat sont reliées par des contacts traversants, il suffit de réaliser les liaisons électriques seulement sur l'une des faces pour faire sortir les signaux des capteurs. Le procédé d'emballage est d'autant plus avantageux. Les étapes du procé- dé pour générer les contacts traversants se font toutes simultanément pour tous les composants du substrat et peuvent ainsi, surtout dans le cas de nombreux contacts traversants, être globalement plus avantageuses qu'une série d'étapes de procédé de mise en contact lors du conditionnement électriques sur les deux faces. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de capteur micromécanique représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un premier exemple de réalisation d'un capteur micromécanique selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un second exemple de réalisation d'un capteur micromécanique selon l'invention, la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un troisième exemple de réalisation d'un capteur micromécanique selon l'invention, la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un quatrième exemple de réalisation d'un capteur micromécanique selon l'invention, la figure 5 montre un ordinogramme du procédé de fabrication d'un cinquième mode de réalisation d'un capteur micromécanique selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un pre- mier mode de réalisation d'un dispositif de capteur micromécanique se- lon l'invention. A la figure 1, la référence S désigne un substrat, par exemple un substrat en silicium ayant une face avant V et une face arrière R. Une première plage de fonction MEMS, M1 est intégrée dans la face avant V et une seconde plage de fonction MEMS, M2 est intégrée dans la face arrière. L'expression "plage de fonction MEMS" signifie qu'un capteur et/ou un actionneur est/sont réalisés dans cette zone. La référence K1 désigne une surface de contact électrique sur la face avant V et la référence K2 désigne une surface de contact électrique sur la face arrière R. Une telle disposition de plages de fonction MEMS, M 1, M2 sur les faces opposées V, R du substrat S réalise une intégration efficace de faible hauteur et permettant une conduite économique de procédé. La figure 2 est une vue en coupe schématique d'un se- cond mode de réalisation d'un capteur micromécanique selon l'invention. Dans ce second mode de réalisation selon la figure 2, le contact électrique a été modifié par rapport à celui du premier mode de réalisation représenté à la figure 1. En particulier, dans ce second mode de réalisation, la face avant V a une surface de contact électrique K1' et un contact électrique traversant D entouré d'une couche d'isolation I. Ce contact dans le substrat S par exemple en tungstène relie la seconde plage de fonc- tion MEMS, M2 à la première plage de fonction MEMS, Ml. Ainsi au montage, il suffit de prévoir des raccords ou des éléments de câblage sur la face avant V. Le substrat S peut comporter plusieurs contacts traversants D reliant des branchements correspondants des plages de fonction MEMS, Ml, M2. La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un troi- sième mode de réalisation d'un capteur selon l'invention. A la figure 3, la référence Si désigne un premier substrat dont la face avant V1 a une première plage de fonction MEMS, Mll et dont la face arrière R1 a une seconde plage de fonction MEMS, M12. La première plage de fonction MEMS, M11 a des couches sacrificielles 01, 02 et des couches fonctionnelles de polysilicium F1, F2 qui ont par exemple la structure de base représentée réalisant des capteurs à inertie. La seconde plage de fonction MEMS, M12 comporte une pile de couches d'aimants, par exemple une pile de couche NiFe, MS ainsi que des chemins conducteurs LB reliés à l'extérieur par un trou de contact KL. Cette disposition permet de réaliser un capteur magnétique. Le premier substrat Si est chevauché par un cadre de liaison BR à un second substrat S2 ayant une face avant V2 et une face arrière R2 ; la face arrière R2 comporte des cavités KA. Ce dispositif de capteur micromécanique selon les modes de réalisation s'utilise par exemple dans un composant destiné à la navigation. La figure 4 montre une vue en coupe schématique d'un quatrième mode de réalisation d'un capteur micromécanique selon l'invention dans lequel le premier substrat porte la référence S1' ; il a une face avant V1' avec une première plage de fonction MEMS, M11' qui correspond à la plage de fonction MEMS, Mll du troisième mode de réalisation. La face arrière R1' du premier substrat Si' comporte une autre plage de fonction MEMS, M12' qui peut avoir une forme quelconque, par exemple celle d'un capteur piézoélectrique. Un cadre de liaison BR relie le premier substrat Si' au second substrat S2' ; dans ce mode de réalisation, on a une autre plage de fonction MEMS, M2' sur la face avant V2' du second substrat S2'. La face arrière R2' du second substrat S2' comporte des cavités KA comme dans le troisième mode de réalisation. La plage de fonction MEMS, M2' du second substrat S2' a la même fonctionnalité que la plage de fonction MEMS, M12 du troi- sième mode de réalisation, c'est-à-dire la fonction d'un capteur de champ magnétique. Grâce aux trois plages de fonction MEMS, M11', M12', M2' dans deux substrats, en utilisant un substrat pour couvrir l'autre substrat, on augmente encore plus la densité d'intégration. La figure 5 montre l'ordinogramme d'un procédé de fabri- cation d'un capteur micromécanique selon un cinquième mode de réalisation de l'invention. Le procédé de fabrication d'un capteur micromécanique selon la figure 1 commence par l'étape SS1. Dans cette étape, on traite la première plage MEMS, M1 selon la figure 1. La face arrière ou dos R du substrat S comporte un dispositif de fixation ou est passivée. Dans la seconde étape SS2, on retourne le substrat S. Dans la troisième étape SS3, on effectue les étapes de procédé pour la seconde plage MEMS, M2 sur la face arrière. Pendant ce temps, la face avant V est sur un substrat, ou est passivée. Ensuite, on termine le capteur micromécanique selon la figure 1. En option, on peut avoir une étape SS4 au cours de la- quelle on relie le substrat S à un autre substrat, par exemple comme dans le troisième mode de réalisation ou le quatrième mode de réalisation.10 NOMENCLATURE D Contact traversant Fl, F2 Couche fonctionnelles de polysilicium I Couche d'isolation KA Cavité Kl, K1' Surface de contact électrique Ml, M2, M11, M11', M12, M12' Plages de fonction MEMS 01, 02 Couche sacrificielle R, R1, R1', R2 Face arrière S, Si, Si', S2, S2' Substrat V, V1, V2 Face avant15 REVENDICATIONS1°) Capteur micromécanique comportant : un substrat (S, 51, 51') ayant une face avant (V, V1, VP) et une face arrière (R, R1, R1'), la face avant (V, V1, Vr) ayant un premier capteur microméca- nique (M1, M11, M11') et la face arrière (R, R1, RP) un second capteur micromécanique (M2, M12, M12'). 2°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé par au moins un contact traversant (D) partant du premier dispositif de capteur micromécanique (M1) en traversant le substrat (S) pour rejoindre un second dispositif de capteur micromécanique (M2). 3°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier capteur micromécanique (M11) est un capteur inertiel et le second capteur micromécanique (M12) est un capteur de champ magnétique. 4°) Capteur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins un autre substrat (S2, S2') est fixé sur la face avant (V, V1, V1') et/ou sur la face arrière (R, R1, R1'). 5°) Capteur micromécanique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'autre substrat (S2, S2') est une plaquette de couverture. 6°) Procédé de fabrication d'un capteur micromécanique comprenant les étapes suivantes : dans une première étape (SS1), on intègre dans la face avant (V, V1, V1') d'un substrat (S, Si, Si') un premier capteur micromécanique (M1, M11, M11'), dans une seconde étape (SS2), on retourne le substrat (S), etdans une troisième étape (SS3), on intègre dans la face arrière (R, R1, R1') du substrat (S, Si, S1') un second dispositif de capteur micromécanique (M2, M12, M12'). 7°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans la quatrième étape (SS4), on fixe au moins un autre substrat (S2, S2') sur la face avant (V, V1, V1') et/ou sur la face arrière (R, R1, R1'). 8°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans la première étape (SS1), on passive la face arrière (R, R1, R1'). 9°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que pendant la troisième étape (SS3), on passive la face avant (V, V1, V1'). 10°) Application d'un capteur micromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans un composant de navigation.20