Brevet FR3120622A1 — publié le 20220916

TITRE : Commutateur MEMS à commande électrique et son procédé de réalisation Commutateur MEMS à commande électrique comportant un substrat (1) sur lequel sont superposées une première couche d’isolation (100), une couche de silicium (110), une seconde couche d’isolation (14) et une couche métallique (16). La couche de silicium, la seconde couche d’isolation et la couche métallique formant une couche fonctionnelle micromécanique (120) dans laquelle sont réalisés une partie fixe (121) et un élément de commutation (122) déployable, à commande électrique. L’élément de commutation est réalisé pour que dans un état de fonctionnement du commutateur, il s’applique contre la partie fixe et réalise un contact mécanique et électrique entre l’élément de commutation et la partie fixe. Figure 3a Commutateur MEMS à commande électrique et son procédé de réalisation DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention se rapporte à un commutateur MEMS à commande électrique et à un procédé de réalisation d’un tel commutateur. ETAT DE LA TECHNIQUE On connaît de multiples types de commutateurs à commande électrique. La plupart des relais sont entraînés par un moyen électromagnétique et fonctionnent avec une bobine magnétique. Or, de tels relais nécessaires pour générer des forces importantes ne peuvent être miniaturisés à cause de l’encombrement de la bobine. Il ne peuvent pas non plus être réalisés de manière avantageuse par un procédé utilisant des plaquettes. En outre, leur consommation électrique est importante. On connaît également des commutateurs MEMS sous la référence ADGM1304 de la société Analog Devices ( ) réalisés par un procédé utilisant des plaquettes. Ces relais ont un entraînement capacitif. Dans un tel dispositif, il faut réaliser la matière à partir de l’élément de levier pour avoir de bonnes propriétés mécaniques et aussi une bonne conductivité électrique. L’or utilisé est l’un des seuls quelques matériaux possibles. Mais l’or est coûteux et compliqué à travailler. De plus, il faut usiner la matière pour l’élément de levier, de manière sélective par rapport à la couche sacrificielle qui se trouve en dessous. L’or couvrant une couche d’oxyde que l’on grave en technique HF est l’un des quelques systèmes permettant cela. Pour générer une force importante, il faut avoir, si possible, de faibles résistances de contact de sorte qu’il faut augmenter la surface de l’électrode et l’élément de levier correspondant. Mais cela augmente également l’encombrement du composant et ainsi son coût. Le potentiel électrique de l’élément de levier est en même temps le branchement de la ligne de commutation. Dans cette installation, il n’y a pas de séparation galvanique entre les lignes de commutation et la ligne de commande. BUT DE L’INVENTION La présente invention a pour but de développer un procédé et un dispositif permettant, en s’appuyant sur un procédé utilisant des plaquettes, de réaliser un composant électrique MEMS qui n’a pas besoin d’une structure de levier coûteuse en or, ni la réalisation de surfaces de contact importantes, en particulier à entraînement capacitif. EXPOSE ET AVANTAGES DE L’INVENTION A cet effet, l’invention a pour objet un commutateur MEMS à commande électrique comportant un substrat sur lequel sont superposées une première couche d’isolation, une couche de silicium, une seconde couche d’isolation et une couche métallique, la couche de silicium, la seconde couche d’isolation et la couche métallique formant une couche fonctionnelle micromécanique dans laquelle sont réalisés une partie fixe et un élément de commutation déployable, à commande électrique, l’élément de commutation étant réalisé pour que dans un état de fonctionnement du commutateur, il s’applique contre la partie fixe et réalise le contact mécanique et électrique entre l’élément de commutation et la partie fixe. L’idée de base de l’invention est d’avoir une séparation fonctionnelle dans l’élément MEMS. La couche de silicium relativement mauvaise conductrice a des propriétés mécaniques très importantes et convient ainsi pour réaliser un entraînement capacitif. Cette couche peut être relativement épaisse de façon à influencer les propriétés mécaniques du relai. En complément, cette couche est générée dans une autre direction verticale au-delà de la couche métallique appliquée par-dessus la couche d’isolation dans la direction verticale, qui a une très bonne conductivité et assure sa fonction, à savoir la réalisation d’un bon contact électrique. En séparant les deux fonctions et l’environnement particulier de la couche métallique, il est possible de générer un contact électrique par un mouvement dans le plan. La force électrostatique générée par une structure capacitive, peut se régler par une structure capacitive de façon à régler, par la hauteur, la couche de silicium et dans une certaine mesure également avec un rapport d’aspect (largeur de la tranchée par rapport à sa profondeur) avec les sillons dans la structure de silicium. Un autre avantage de l’invention est que la séparation des deux fonctions permet également de réaliser les commutateurs MEMS qui sont en commutation capacitive avec une séparation galvanique complète entre les conduites de commutation et la ligne de commande. L’invention a également pour objet un procédé de réalisation d’un commutateur MEMS à commande électrique comprenant les étapes suivantes consistant à : fournir un substrat SOI ayant une plaquette de substrat avec une première couche d’isolation et une couche de silicium ; déposer et structurer une seconde couche d’isolation sur la couche de silicium ; déposer et structurer une couche métallique sur la seconde couche d’isolation ; structurer la couche de silicium par gravure anisotrope jusqu’à la première couche d’isolation, de façon à former dans la couche de silicium, dans la seconde couche d’isolation et dans la couche métallique, une partie fixe et un élément de commutation ; graver la première couche d’isolation de façon à dégager au moins partiellement et à rendre mobile l’élément de commutation. Ce procédé permet une réalisation économique de relais MEMS. Il est possible de réaliser des relais avec une faible résistance électrique. De plus, la réalisation permet des constructions très réduites avec une tension de commande faible ainsi qu’une séparation galvanique entre, d’une part les lignes commutées et, d’autre part, la ligne de commande. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide d’un commutateur MEMS à commande électrique représenté dans les dessins annexés dans lesquels : schéma d’un commutateur MEMS à commande électrique selon l’état de la technique, procédé selon l’invention pour la réalisation d’un commutateur MEMS à commande électrique dans différents états du dispositif, étape du procédé, étape du procédé, étape du procédé, étape du procédé, étape du procédé, étape du procédé, étape du procédé, commutateur MEMS à commande électrique selon l’invention, commutateur MEMS à commande électrique selon l’invention dans un état de fonctionnement commuté, schéma du procédé selon l‘invention pour réaliser un commutateur MEMS à commande électrique. DESCRIPTION D’UN MODE DE REALISATION La montre schématiquement un commutateur MEMS à commande électrique selon l’état de la technique. Le substrat 1 comporte une première électrode 2 et une première surface de contact 3. Au-dessus des deux structures, on a une structure de levier 4 séparée par une distance. Lorsqu’on applique une tension entre le levier et la première électrode, cela se traduit par un mouvement sortant du plan du substrat. Le levier est dévié perpendiculairement au substrat et réalise le contact entre le levier et la surface de contact. On réalise ce dispositif en appliquant sur l’électrode et la surface de contact, tout d’abord une couche sacrificielle 5, puis une couche d’or et on structure puis on enlève la couche sacrificielle. Les figures 2a-h montrent un procédé selon l’invention pour réaliser un commutateur MEMS à commande électrique. Dans une première variante du procédé, on fournit tout d’abord un substrat SOI 13 ( ). Le substrat SOI est un substrat 1, composé d’une première couche d’isolation 100 et d’une couche de silicium 110. Sur la couche de silicium 110 du substrat SOI 13, on dépose une seconde couche d’isolation 14 et on la structure ( ). De façon préférentielle, on dépose une couche de nitrure riche en silicium. En option, ensuite, on dépose une autre couche de silicium ou de germanium 15 et on polit jusqu’à arriver à la hauteur de la seconde couche d’isolation ( ). Cela est avantageux, notamment lorsqu’on utilise des couches d’isolation plus épaisses (>300 nm). Ensuite, on dépose une couche métallique 16 et on la met en structure ( ). Dans la première et la seconde zone de contact 1210, 1220, c’est-à-dire dans la plage dans laquelle on réalise ensuite, par le mouvement d’un élément de commutation, le contact électrique, la couche métallique couvre alors les ouvertures dans la couche d’isolation. De façon préférentielle, la couverture correspond respectivement à plus de 20 nm et moins de 20% de l’épaisseur de la couche de silicium. La couche métallique peut notamment être une couche métallique auto-passivée comme, par exemple, en aluminium ou en tungstène W. En option, on peut déposer et structurer d’autres couches d’isolation ou encore déposer et structurer des couches métalliques auxiliaires. On applique un procédé de tranchage selon lequel en amont on réalise des sillons jusqu’à la couche d’isolation 100 après une couche de silicium 110. En particulier, on applique le procédé de référence dans la zone partielle, notamment on interrompt la liaison entre la couche métallique et la couche de silicium. Après une première étape du procédé par une gravure 18 avec l’isotope SF6 ( ), il est avantageux d’utiliser un procédé de tranchée qui réalise une gravure sous la couche métallique 16 jusqu’à environ 50 nm (voir ). Dans une dernière étape du procédé, on enlève localement la première couche d’isolation 100, ici la couche d’oxyde de la plaquette SOI, par un procédé de gravure 20 ( ). De façon préférentielle, on utilise un procédé de gravure avec du gaz HF. En option, dans une autre étape, on peut procéder par trempe. En particulier, on fait une trempe dans de l’hydrogène ou dans une atmosphère contenant de l’hydrogène à une température supérieure à 850°C. On peut ainsi réduire les oxydes métalliques 21 qui se sont formés sur la surface du métal 16 et qui détériorent les contacts. On peut également lisser les sillons dans le silicium. Les sillons du silicium ont, à cause du procédé en tranchée, une surface légèrement rugueuse avec des rainures, dites de gravure 22. La température élevée et l’effet réducteur de l’hydrogène permet de restructurer la surface qui effectue son lissage ( ). En option, une étape de gravure permet d’activer la surface de la couche métallique. En particulier, par un procédé de pulvérisation en retour on enlève les liaisons d’oxyde métallique qui se sont formées à la surface de la couche métallique de préférence par une gravure oxydante, notamment dans la zone de contact. En option, on peut enlever la couche d’isolation dans les zones partielles 26 ( ). En option, on peut protéger la structure mobile du relai par une plaquette de couverture 23 appliquée par un procédé de liaison 24 ( ). De façon préférentielle, on utilise un procédé de liaison eutectique tel que ALGE ou CUSN ou un procédé de liaison de scellement avec du verre. Selon une seconde variante du procédé, on dépose tout d’abord une couche d’oxyde 27 sur le substrat de silicium 1. La couche d’oxyde peut être structurée en option pour définir des zones de contact qui permettent dans le procédé ultérieur, d’appliquer au substrat un potentiel électrique défini. En option, on peut ne déposer que des couches de polysilicium 28 et d’autres couches d’oxyde et les structures. Cela permet de générer des chemins conducteurs enfouis pour appliquer un potentiel électrique défini à certaines électrodes qui génèrent la couche fonctionnelle de polysilicium. En outre, on peut également utiliser une très petite suspension, mais isolée électriquement, pour les structures mobiles du relais ou pour l’électrode d’entraînement, fixe (voir les figures 3a et 3b). Enfin, on dépose une couche de silicium 110 notamment du silicium épitactique. Comme résultat, on obtient un substrat SOI 13 et le procédé se poursuit comme pour la première variante du procédé. Le procédé de réalisation décrit ci-dessus permet d’avoir des paramètres de conception avantageux pour un relais et de les optimiser dans un grand bain. Pour le commutateur MEMS à commande électrique, à réaliser, il est avantageux que la couche de silicium soit épaisse avec au moins trois fois l’épaisseur de la couche métallique. Cela permet d’imprimer les propriétés mécaniques principalement dans la couche de silicium. Il est également avantageux dans des zones partielles de la structure mobile, d’enlever la couche métallique. Il est avantageux qu’au moins la moitié de la surface de la couche métallique soit enlevée de la structure mobile. Selon la couche d’isolation, notamment pour une couche d’isolation réalisée sur du silicium avec une contrainte intrinsèque importante, il peut également être avantageux d’enlever la couche d’isolation dans des zones partielles de la structure mobile. Il est avantageux d’enlever au moins la moitié de la surface de la couche d’isolation de la structure mobile. Il est avantageux d’utiliser des couches épaisses de silicium et de graver dans des zones partielles, des sillons très étroits dans la couche de silicium pour arriver à des capacités élevées. En particulier, il est avantageux de réaliser des sillons dans les zones partielles, sillons qui sont plus étroits que 15% de l’épaisseur de la couche de silicium. La montre un commutateur MEMS à commande électrique selon l’invention comprenant un substrat 1 sur lequel sont superposées, une première couche d’isolation 100, une couche de silicium 110, une seconde couche d’isolation 14 et une couche métallique 16. La couche de silicium, la seconde couche d’isolation et la couche métallique forment en combinaison, une couche fonctionnelle micromécanique 120 dans laquelle on développe une partie fixe 121 et un élément de commutation 122, déployable, à commande électrique. Dans la couche métallique 16 de la partie fixe 121, on développe une première zone de contact 1210 et dans la couche métallique 16 de l’élément de commutation 122, on développe une seconde zone de contact 1220. L’élément de commutation peut être déployé dans au moins une première direction 7, parallèle au plan principal d’extension du substrat. Cela permet à la première zone de contact et à la seconde zone de contact de venir en contact mécanique et de fermer ainsi un contact électrique. La première zone de contact et la seconde zone de contact sont à cet effet en saillie dans la première direction 7 par un relief 12, par rapport à la couche de silicium 110 qui se trouve en dessous. La montre le commutateur MEMS à commande électrique selon l’invention dans son premier état de commutation. Entre les électrodes fixes 10 et l’élément de commutation122 en face des électrodes, la tension correspond à une force capacitive. L’élément de commutation mobile 122 est déployé (dévié) dans la première direction 7 vers la première partie 121 de façon que la seconde zone de contact 1220 s’appuie contre la première zone de contact 1210. Le contact est ainsi fermé. La montre schématiquement le procédé selon l’invention de réalisation d’un commutateur MEMS à commande électrique. Le procédé comprend les étapes principales suivantes : Etape A : - fournir un substrat SOI (13) avec une plaquette de substrat (1), une première couche d’isolation (100) et une seconde couche d’isolation (110), Etape B : - déposer et mettre en structure une seconde couche d’isolation (14) sur la couche de silicium (110), Etape C : - déposer et structurer une couche métallique (16) sur la seconde couche d’isolation (14), Etape D : - structurer la couche de silicium (110) par gravure anisotrope jusqu’à la première couche d’isolation (100) de façon à réaliser dans la couche de silicium (110), la seconde couche d’isolation (14) et la couche métallique (16), une partie fixe (121) et un élément de commutation (122), Etape E : - graver la première couche d’isolation (100) de façon à dégager au moins partiellement l’élément de commutation (122) et à le rendre mobile. Suivant une caractéristique avantageuse, après l’étape C, avant l’étape D, on dépose une ou plusieurs autres couches d’isolation et/ou couches métalliques et/ou couches auxiliaires de liaison (17), on les structure et on crée ainsi un cadre de liaison. Suivant une autre caractéristique avantageuse, on applique un couvercle sur le cadre de liaison. NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Substrat 2 Première électrode 3 Première surface de contact 4 Structure de levier 5 Couche sacrificielle 7 Première direction parallèle au plan principal d’extension du substrat 10 Electrodes fixes 12 Relief 13 Plaquette SOI 14 Seconde couche d’isolation 15 Autre couche de silicium ou de germanium 16 Couche métallique 17 Couches auxiliaires de liaison 18 Gravure-isotrope SF6 20 Gravure locale (HF, phase gazeuse) 21 Oxyde métallique 22 Rainure gravée 23 Plaquette de couverture 24 Matière de liaison 26 Zone partielle enlevée de la couche d’isolation 27 Couche d’oxydes 28 Couche de polysilicium 100 Première couche d’isolation 110 Couche de silicium 120 Couche fonctionnelle micromécanique 121 Première partie 122 Elément de commutation déployable à commande électrique 1210 Première zone de contact 1220 Seconde zone de contact Commutateur MEMS à commande électrique comportant un substrat (1) sur lequel sont superposées une première couche d’isolation (100), une couche de silicium (110), une seconde couche d’isolation (14) et une couche métallique (16), - la couche de silicium, la seconde couche d’isolation et la couche métallique formant une couche fonctionnelle micromécanique (120) dans laquelle sont réalisés une partie fixe (121) et un élément de commutation (122) déployable, à commande électrique, - l’élément de commutation étant réalisé pour que dans un état de fonctionnement du commutateur, il s’applique contre la partie fixe et réalise un contact mécanique et électrique entre l’élément de commutation et la partie fixe. Commutateur MEMS à commande électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contact est réalisé dans l’état de fonctionnement entre une première zone de contact (1210) de la couche métallique (16) de la partie fixe (121) et une seconde zone de contact (1220) de la couche métallique (16) de l’élément de commutation (122). Commutateur MEMS à commande électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’élément de commutation est déployable dans au moins une première direction (7), parallèlement au plan principal d’extension du substrat (1). Commutateur MEMS à commande électrique selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la première zone de contact (1210) et/ou la seconde zone de contact (1220) sont en saillie dans la première direction (7) avec un relief (12) par rapport à la couche de silicium (110). Procédé de réalisation d’un commutateur MEMS à commande électrique comprenant les étapes suivantes consistant à : A. fournir un substrat SOI (13) ayant une plaquette de substrat (1) avec une première couche d’isolation (100) et une couche de silicium (110), B. déposer et structurer une seconde couche d’isolation (14) sur la couche de silicium (110), C. déposer et structurer une couche métallique (16) sur la seconde couche d’isolation (14), D. structurer la couche de silicium (110) par gravure anisotrope jusqu’à la première couche d’isolation (100), de façon à former dans la couche de silicium (110), dans la seconde couche d’isolation (14) et dans la couche métallique (16), une partie fixe (121) et un élément de commutation (122), E. graver la première couche d’isolation (100) de façon à dégager au moins partiellement et à rendre mobile l’élément de commutation (122). Procédé de réalisation d’un commutateur MEMS à commande électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que après l’étape B et avant l’étape C, on dépose une autre couche de silicium ou de germanium (15) et on polit jusqu’à la hauteur de la seconde couche d’isolation. Procédé de réalisation d’un commutateur MEMS à commande électrique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que après l’étape C et avant l’étape D, on dépose une ou plusieurs autres couches d’isolation et/ou couches métalliques et/ou couches auxiliaires de liaison (17), on les structure et on crée ainsi un cadre de liaison. Procédé de réalisation d’un commutateur MEMS à commande électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que on applique un couvercle sur le cadre de liaison.