Brevet FR3057261A1 — publié le 20180413

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un capteur micromécanique et à son procédé de fabrication. Etat de la technique Les capteurs inertiels micromécaniques servant à mesu- rer l'accélération et la vitesse de rotation sont fabriqués en grande série pour diverses applications dans le domaine automobile ou dans le domaine de la consommation. Les capteurs inertiels actuels sont sensibles aux contraintes mécaniques induites, ce qui réduit, de manière gê- nante, leur précision. Le document US 7 170 140 A 1 décrit une structure per- mettant très largement à découpler les contraintes. Mais la réalisation nécessite un coûteux procédé de transfert de couches. Les documents US 6 893 928 B2 et I. Mizushima, T. Sato, S. Taniguchi, Y. Tsunashima, "Empty-space-in-silicon technique for fabricating a silicon-on-nothing structure, Applied physics letters, Vol. 77, n°20, 13 novembre 2000 développent un substrat SON (c'est-à-dire du « silicium sur de l'air ») avec une cavité dans le substrat ainsi qu'un procédé de réalisation d'une membrane. Le document US 7 843 025 B2 décrit un procédé micro- mécanique de surface pour réaliser des membranes. On connaît le principe des sillons de découplage des con- traintes pour des composants micromécaniques selon le document DE 10 2014 210 945 Al. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un cap- teur micromécanique ayant de meilleures caractéristiques de tenue aux contraintes mécaniques externes. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention a pour objet un capteur micromécanique comportant : un substrat, une première couche fonctionnelle installée sur le substrat, une seconde couche fonctionnelle installée sur la première couche fonctionnelle et ayant des structures micromécaniques mobiles, une cavité réalisée dans le substrat en des- sous des structures micromécaniques mobiles et, une structure de sil- 3057261 2 lon, verticale, autour des structures micromécaniques mobiles de la seconde couche fonctionnelle, et s'étendant dans le substrat jusqu'à la cavité. Ainsi, on développe une structure de découplage de con- 5 traintes pour le capteur micromécanique qui évite l'effet de contraintes externes sur l'élément de capteur et ainsi les signaux erronés ou permettant de réduire fortement de telles influences. On a ainsi un meilleur fonctionnement du capteur micromécanique. Grace à des points d'accrochage ou de rotation des structures micromécaniques mobiles, 10 l'ensemble de la structure peut tourner, ce qui laisse pratiquement im- mobiles les structures micromécaniques mobiles, en cas de contraintes externes et ne génère ainsi aucun faux signal électrique du capteur. En conclusion, on a un meilleur découplage des contraintes de la structure électromécanique vis-à-vis du substrat environ- 15 nant, ce qui permet de réaliser des capteurs micromécaniques extrêmement sensibles. L'invention a également pour objet un procédé de réalisa- tion d'un capteur micromécanique consistant à utiliser un substrat avec une cavité réalisée dans le substrat, développer une première 20 couche fonctionnelle sur le substrat, développer une seconde couche fonctionnelle avec des structures micromécaniques mobiles sur la première couche fonctionnelle, les structures micromécaniques mobiles étant développées dans une zone de la seconde couche fonctionnelle au-dessus de la cavité et développer une structure de sillon vertical autour 25 des structures micromécaniques mobiles dans le substrat jusqu'à la cavité. Selon un développement avantageux, le capteur micro- mécanique est caractérisé en ce qu'une membrane réalisée dans la première couche fonctionnelle et délimitée par la structure de sillon, est 30 accrochée verticalement et/ou latéralement au substrat. De manière avantageuse, on a ainsi différentes possibilités de fixation de la membrane développée dans la première couche fonctionnelle, ce qui augmente avantageusement la liberté de conception de la structure de découplage des contraintes. 3057261 3 Selon un autre développement avantageux, le capteur micromécanique est caractérisé en ce que des éléments de fixation des structures micromécaniques mobiles sont prévues sur la première couche fonctionnelle et des éléments de fixation sont prévus dans le 5 substrat pratiquement de façon superposée. Il en résulte l'avantage que l'on a des points d'accrochage et de rotation identiques pour les structures micromécaniques mobiles et la structure d'électrodes qui se trouvent en dessous, ce qui réduit considérablement les signaux erronés. 10 Selon d'autres développements avantageux du capteur micromécanique, la cavité est réalisée comme cavité APSM ou comme cavité SON ou avec un substrat cSOI. On a ainsi, de manière avantageuse, différentes possibilités une cavité sous les structures micromécaniques mobiles développant ainsi une liberté de conception de la 15 structure de découplage des contraintes. Un autre développement avantageux du capteur micromécanique selon l'invention est caractérisé en ce que la structure de sillon vertical est couverte par un élément de chevauchement, ce qui permet de réaliser avantageusement l'alimentation électrique des struc- 20 tures micromécaniques. Selon un autre développement avantageux du capteur micromécanique, l'élément de chevauchement est en forme de ressort offrant ainsi des propriétés mécaniques avantageuses pour l'élément de chevauchement. 25 Selon un autre développement avantageux du capteur micromécanique, le capteur est un capteur d'accélération, un capteur de vitesse de rotation ou un capteur de pression, ce qui permet de réaliser différents types de capteurs micromécaniques en appliquant le principe général de l'invention. 30 Dessins La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'un capteur micromécanique et de son procédé de fabrication représentés dans les dessins annexés dans lesquels : 3057261 4 la figure 1 est un schéma de principe d'un capteur micromécanique usuel non soumis à des contraintes externes, la figure 2 est un schéma de principe du capteur micromécanique connu soumis à des contraintes externes, 5 la figure 3 est un schéma de principe du fonctionnement d'un cap- teur micromécanique selon l'invention, la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation du capteur micromécanique selon l'invention, les figures 5-11 représentent les étapes du procédé de fabrication 10 d'un mode de réalisation du capteur micromécanique selon l'invention, et la figure 12 montre le déroulement de principe d'un procédé de fabrication d'un capteur micromécanique selon l'invention. Description de modes de réalisation 15 L'idée de base de la présente invention consiste à déve- lopper une structure de découplage de contraintes exercées sur un capteur micromécanique. L'architecture proposée et son procédé de fabrication du capteur micromécanique se traduisent par un découplage de contraintes très poussé de la structure MEMS vis-à-vis de 20 l'environnement du substrat et permet de cette manière le développe- ment d'éléments de composants inertiels micromécaniques ultra sensibles. L'environnement d'intégration (par exemple la plaque de circuit) et le conditionnement d'un composant inertiel (par exemple le 25 boîtier moulé) induisent usuellement des contraintes mécaniques dans le composant inertiel micromécanique du fait des différents coefficients de dilatation thermique des matériaux utilisés ; ces contraintes peuvent entraîner des déformations. Dans le cas de variations de la température on aura les variations des déformations qui se répercutent sur les si- 30 gnaux erronés mesurés et réduisent, de manière gênante, la précision des composants inertiels. De manière avantageuse, les capteurs micromécaniques selon l'invention, par exemple destinés à des réseaux de capteurs infrarouges, des capteurs d'accélération, des capteurs de vitesse de rotation, 3057261 5 des capteurs de pression ainsi que des combinaisons de tels capteurs sont utilisés dans des grilles de capteurs. La figure 1 montre schématiquement un capteur inertiel micromécanique connu ayant un substrat 10 muni d'une première 5 couche fonctionnelle 20 (non représentée) et d'une seconde couche fonc- tionnelle 30 avec des structures micromécaniques mobiles (ces structures mobiles ne sont pas représentées. La figure montre le cas d'une contrainte mécanique externe et qui, appliquée au composant, ne le déforme pas ; les surfaces des structures micromécaniques mobiles et du 10 substrat 10 sont pratiquement planes. La figure 2 montre le cas d'un dispositif connu de la figure 1 soumis à des contraintes d'effets externes dont l'action est schématisée par deux flèches courbes. Dans ce cas, le composant est surtout déformé dans la direction Z et les structures dégagées ne sont 15 pas déformées en même temps s'agissant d'éléments fonctionnels ac- crochés au substrat 10, telles que, par exemple, des électrodes de détection rigide non représentées qui seront, elles, déformées. Il en résulte un décalage géométrique entre les éléments fonctionnels dégagés et ceux accrochés verticalement, et qui sont détectés comme signal élec- 20 trique de défaut, non souhaité. La figure 3 montre un schéma de principe de l'architecture proposée. Cette architecture propose des accrochages verticaux d'une "membrane" du substrat 10 et une cavité 11 développée dans le substrat 10 sous la membrane. On crée ainsi des points de ro- 25 tation et d'application P1, P2 autour desquels le substrat 10 se cintre par rapport à la membrane ou peut tourner si bien que la déformation du substrat 10 ne sera pas transmise à la surface de la membrane. Ainsi, la seconde couche fonctionnelle 30 portant les structures micromécaniques mobiles reste pratiquement immobile et a l'avantage de ne pas 30 être déformée par les contraintes mécaniques appliquées de l'extérieur. De manière avantageuse on ne génère aucune torsion du dispositif ni des signaux électriques erronés. La figure 4 montre une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation du capteur micromécanique 100 selon 35 l'invention. On reconnaît le substrat 10 muni d'une première couche 3057261 6 fonctionnelle 20. Une ou plusieurs électrodes 21 sont prévues dans la première couche fonctionnelle 20. Une couche d'arrêt de gravure 22 et une couche d'oxyde 23 se trouvent dans la première couche fonctionnelle 20. La première couche fonctionnelle 20 porte une seconde couche 5 fonctionnelle 30 dans laquelle sont développées les structures micromé- caniques mobiles 31 (structures MEMS) coopérant avec l'électrode 21 de la première couche fonctionnelle 20 et qui, pour un mouvement défini des structures mobiles 31, génèrent un signal électrique de mesure du capteur micromécanique 100. 10 Une cavité 11 est réalisée dans le substrat 10. Cette cavi- té peut être réalisée par différents procédés connus en soi, par exemple, sous la forme d'une membrane APSM (membrane de silicium poreux, développée) ou une membrane SON (silicium sur air) ou encore par l'utilisation d'un substrat cSOI (substrat à cavité sur un isolant. 15 Une structure de sillon vertical 40, entoure les structures micromécaniques mobiles 31 ; cette structure traverse la première couche fonctionnelle 20 et pénètre dans le substrat 10 jusqu'à la hauteur de la cavité 11. De cette manière on développe une membrane avec un segment de la première couche fonctionnelle 20 en liaison avec un 20 segment du substrat 10 ; cette membrane est accrochée à quatre élé- ments de support 20d, verticaux sous le support résiduel 10. La structure de sillon vertical 40, développe ainsi quatre points de rotation ou d'accrochage pour la membrane autour desquels le substrat 10 peut tourner sans faire tourner ainsi sur les structures 25 micromécaniques 31 mobiles portées par la membrane. Le résultat est un découplage mécanique des structures micromécaniques mobiles 31 vis-à-vis du substrat 10, ce qui augmente l'insensibilité mécanique du capteur micromécanique 100 en évitant dans une très large mesure les faux signaux électriques que pourraient générer les contraintes méca- 30 niques agissant de manière externe sur le capteur 100. L'accrochage vertical tel que décrit de la membrane au substrat 10 a l'avantage de ne pas injecter de contraintes d'aplanissement dans les structures micromécaniques mobiles 31. La zone de membrane M est délimitée de cette manière 35 par un sillon périphérique de découplage des contraintes ou d'isolation 3057261 7 des contraintes et qui n'est chevauché que par les éléments d'alimentations électriques (ces éléments ne sont pas représentés). La membrane d'ancrage fait que le couple de torsion hors du plan du substrat ne se répercute pas sur les éléments MEMS 31 du fait de l'absence 5 de transmission d'efforts. En variante, on pourrait également envisager d'accrocher la membrane latéralement au substrat 10. Cette solution n'est pas représentée. Le cadre de liaison 50 réalise sur la seconde couche fonctionnelle 30 un encapsulage 60 et une liaison. 10 Les étapes du procédé de fabrication d'un mode de réali- sation du capteur micromécanique 100 seront décrites ci-après à l'aide des figures 5 à 11. Les détails du procédé ne seront pas développés car il s'agit d'étapes de procédé, connues faisant partie des procédés connus de la micromécanique de surface. 15 La figure 5 montre une section d'un substrat 10 dans le- quel il y a une cavité 11. A l'aide d'un procédé micromécanique de surface, connu, par exemple, à l'aide d'un procédé APSM ou d'un procédé SON, on développe dans le substrat 10, une structure en forme de grille par un procédé de gravure anisotrope et le cas échéant isotrope. 20 La figure 6 montre la fermeture de la grille par épitaxie ou par un procédé de reflow thermique (soudage par refusion). Cette étape est suivie du dépôt d'une couche d'oxyde 20a ainsi que du développement d'orifices de contact 20b dans le substrat. Ensuite, on génère une grille d'oxyde dans la zone prévue des futurs sillons d'isolation des con- 25 traintes dont les structures de base sont reconnaissables sous la forme de cavités en dessous des orifices de contact 20b du substrat. La section de la figure 7 indique que l'on a réalisé une tranchée à travers la grille d'oxyde et que l'on a déposé une grille d'oxyde de préférence une couche de poly-silicium 20c. Ensuite, on réa- 30 lise la structure des lignes de câblage électrique. Dans la partie droite de la figure 7 on a représenté une vue de dessus de la zone de membrane M ; des colonnes d'appui 20d de la membrane apparaissent ; ces colonnes sont en forme de ressort comme élément de chevauchement 20e. Ces éléments permettent le 35 branchement électrique des structures micromécaniques. Un plan de 3057261 8 coupe schématisé par deux colonnes d'appui 20d correspond à la vue en coupe de la zone gauche de la figure 7. La structure à ressort des éléments de chevauchement 20e donne avantageusement une grande souplesse garantissant un ex- 5 cellent découplage des contraintes. On pourrait également envisager, mais en variante, d'autres formes d'entretoises, par exemple, sous la forme de méandres. Une autre solution consisterait à prévoir une entretoise à ressort respective, sur les différents côtés de la membrane (par exemple sur le dessus et sur le dessous). 10 La figure 8 montre que la première couche fonctionnelle 20 est complétée par le dépôt et la mise en structure d'autres plans fonctionnels. En option, on dépose une couche d'arrêt de gravure 22 pour graver la couche sacrificielle suivante et déposer une couche d'oxyde ou couche sacrificielle 23. Ensuite, on réalise la structure de la 15 couche d'oxyde 23 et le cas échéant de la couche d'arrêt de gravure 22. La figure 9 montre le dépôt d'une seconde couche fonctionnelle 30 de préférence comme silicium poly-cristallin. Ensuite on a le dépôt d'un premier plan de métallisation 50a (par exemple de l'aluminium) pour les patins de branchement et comme métallisation de 20 liaison pour développer ensuite l'interface de liaison 50. La vue en section de la figure 10 montre que la seconde couche fonctionnelle 30 est mise en structure consistant à former des structures micromécaniques mobiles 31. En outre, on dégage les zones fonctionnelles mécaniques et on réalise la structure de sillon vertical 40 25 décrite ci-dessus, par la gravure de couches sacrificielles. La figure 11 montre le résultat de l'encapsulage final de l'ensemble de la structure par liaison des plaquettes, dégagement et isolation des patins de liaison par gravure. Le procédé de liaison de plaquette est de préférence un procédé de liaison métallique car un tel 30 procédé de liaison garantit non seulement l'étanchéité de la cavité du capteur (cavité de la capsule) autour de la zone de membrane, mais également les contacts électriques puce à puce entre la première et la seconde couches fonctionnelles 20, 30. Par exemple, les procédés de liaison métallique appropriée sont les procédés Al-Ge, Au-Si, Cu-Sn, 3057261 9 Al-Al, Cu-Cu, Au-Au. On a également prévu des butées pour éviter le collage. On développe une cavité dans la plaquette de couvercle. La figure 12 montre le développement de principe du procédé de fabrication d'une structure micromécanique. 5 Dans l'étape 200 on utilise un substrat 10 muni d'une cavité 11. Dans l'étape 210 on développe la première couche fonctionnelle 20 su le substrat 10. Dans l'étape 220 on développe une seconde couche fonc- 10 tionnelle 30 avec les structures micromécaniques mobiles 31 sur la première couche fonctionnelle 20 ; les structures micromécaniques mobiles 31 sont développées dans la zone de la seconde couche fonctionnelle 30 au-dessus de la cavité 11. Dans la couche 230 on développe la structure de sillon 15 vertical 40 autour des structures micromécaniques mobiles 31 dans le substrat jusqu'à la cavité 11. Si le capteur micromécanique 100 a plusieurs unités fonctionnelles de capteur, alors, de préférence, pour chaque unité fonctionnelle de capteur distincte on développe une propre structure de sil- 20 lon vertical 40, ce qui assure avantageusement le découplage des contraintes de l'ensemble du réseau de capteurs. 25 3057261 5 10 10 11 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 20 Substrat Cavité Première couche fonctionnelle 20a Couche d'oxyde 20b Orifice de contact dans le substrat 20c Couche de polysilicium 20d Elément d'appui / colonne d'appui 10 20e Elément de chevauchement 21 Electrode 22 Couche d'arrêt de gravure 23 Couche d'oxyde / couche sacrificielle 30 Seconde couche fonctionnelle 15 31 Structure micromécanique mobile Structure de sillon vertical 50 Interface de liaison 50a Plan de métallisation 100 Capteur micromécanique 20 200-230 Etapes du procédé de réalisation d'une structure micromécanique Pl, P2 Points d'accrochage, points de rotation 25 REVENDICATIONS1°) Capteur micromécanique (100) comportant : - un substrat (10), une première couche fonctionnelle (20) installée sur le substrat (10), une seconde couche fonctionnelle (30) installée sur la première couche fonctionnelle (20) et ayant des structures micromécaniques mobiles (31), - une cavité (11) réalisée dans le substrat (10) en dessous des structures micromécaniques mobiles (31) et, - une structure de sillon vertical (40), autour des structures micromé- caniques mobiles (31) de la seconde couche fonctionnelle (30), et s'étendant dans le substrat (10) jusqu'à la cavité (11). 2°) Capteur micromécanique (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une membrane réalisée dans la première couche fonctionnelle (20) et délimitée par la structure de sillon (40), est accrochée verticalement et/ou latéralement au substrat (10). 3°) Capteur micromécanique (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des éléments de fixation des structures micromécaniques mobiles (31) sont prévues sur la première couche fonctionnelle (20) et les éléments de fixation (20d) de la première couche fonctionnelle (20) sont prévus dans le substrat (10) pratiquement de façon superposée. 4°) Capteur micromécanique (100) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cavité (11) est sous la forme d'une cavité APSM ou d'une cavité SON ou encore réalisée à l'aide d'un substrat cSOI. 5°) Capteur micromécanique (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 3057261 12 la structure de sillon vertical (40), est chevauchée par un élément de chevauchement (20e). 6°) Capteur micromécanique (100) selon la revendication 5, 5 caractérisé en ce que l'élément de chevauchement (20e) est en forme de ressort. 7°) Capteur micromécanique (100) selon l'une des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce qu'il est réalisé comme : capteur d'accélération, cap- teur de vitesse de rotation ou capteur de pression. 8°) Procédé de réalisation d'un capteur micromécanique (100) comprenant les étapes suivantes consistant à : 15 utiliser un substrat (10) avec une cavité (11) réalisée dans le subs- trat, développer une première couche fonctionnelle (20) sur le substrat (10), développer une seconde couche fonctionnelle (30) avec des struc- 20 tures micromécaniques mobiles (31) sur la première couche fonc- tionnelle (20), les structures micromécaniques mobiles (31) étant développées dans une zone de la seconde couche fonctionnelle (30) au-dessus de la cavité (11), et développer une structure de sillon (40), verticale autour des struc- 25 tures micromécaniques mobiles (31) dans le substrat jusqu'à la ca- vité (11). 9°) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on réalise 30 le capteur micromécanique (100) comme capteur micromécanique de vitesse de rotation ou comme capteur micromécanique d'accélération ou comme capteur micromécanique d'accélération ou comme capteur micromécanique de pression. 3057261 13 10°) Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que dans le cas d'un capteur micromécanique (100) a plusieurs unités fonctionnelles, on développe pour chaque unité fonctionnelle sa propre 5 structure de sillon (40) vertical.