Brevet FR3132402A1 — publié le 20230804

PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UN TRANSDUCTEUR ÉLECTROACOUSTIQUE À FAIBLE BRUIT L’invention concerne un procédé de fabrication d’un transducteur électroacoustique (1) comprenant : un bâti ; un élément mobile (13) par rapport au bâti, l’élément mobile (13) comprenant une membrane (131) et une structure de rigidification (132) de la membrane ; un premier bras de transmission, l’élément mobile (13) étant couplé à une extrémité du premier bras de transmission ; procédé dans lequel la membrane (131) de l’élément mobile (13) est éloignée du bâti en utilisant une couche sacrificielle (22) d’épaisseur plus importante au moins en périphérie de la membrane. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3J PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UN TRANSDUCTEUR ÉLECTROACOUSTIQUE À FAIBLE BRUIT DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui des dispositifs de type microsystèmes électromécaniques (MEMS, pour « microelectromechanical systems » en anglais) ou nanosystèmes électromécaniques (NEMS, pour « nanoelectromechanical systems »). L’invention concerne plus particulièrement un procédé de fabrication d’un transducteur électroacoustique comprenant un dispositif de transmission d’un mouvement et d’une force entre deux zones isolées l’une de l’autre de manière étanche. Un tel transducteur électroacoustique peut être employé en tant que microphone ou haut-parleur. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Les microphones en microélectromécanique ou nanoélectromécanique représentent un marché en pleine expansion, notamment grâce au développement des appareils nomades, tels que les tablettes, téléphones portables intelligents (smartphones) et aux autres objets connectés, dans lesquels ils remplacent peu à peu les microphones à électret. Les microphones mesurent une variation rapide de la pression atmosphérique, aussi appelée pression acoustique. Ils comportent donc au moins une partie en contact avec l’extérieur. La plupart des microphones MEMS ou NEMS fabriqués actuellement sont des microphones à détection capacitive. La demande de brevet FR3059659 décrit un exemple de microphone à détection capacitive comprenant un élément mobile, des moyens de détection capacitive et un dispositif de transmission d’un mouvement entre l’élément mobile et les moyens de détection capacitive. L’élément mobile est capable de récolter la variation de pression. Il peut être formé par un piston rigide comprenant une membrane, aussi appelée couche mince, et une structure de rigidification de la membrane. La membrane forme une séparation entre une cavité ouverte sur l’environnement extérieur et un volume arrière du microphone, aussi appelé volume de référence car il y règne une pression de référence. Ainsi, une face de la membrane est soumise à la pression de référence et une face opposée de la membrane est soumise à la pression atmosphérique (dont on souhaite détecter la variation). L’élément mobile est relié au dispositif de transmission de mouvement dans une première zone du microphone. Les moyens de détection capacitive permettent de mesurer le déplacement du piston, et donc la variation de pression. Ils sont disposés dans une deuxième zone isolée de la première zone de manière étanche. Ils comprennent une électrode mobile et au moins une électrode fixe disposée en regard de l’électrode mobile. Les électrodes forment les armatures d’un condensateur dont la capacité varie en fonction du déplacement du piston. La deuxième zone est une chambre sous atmosphère contrôlée (typiquement sous vide) pour réduire les phénomènes de frottement visqueux et les bruits associés. Le dispositif de transmission comprend au moins un premier bras de transmission s’étendant dans la première zone et au moins un deuxième bras de transmission s’étendant dans la deuxième zone. Le piston est couplé à une première extrémité du premier bras de transmission, tandis que l’électrode mobile des moyens de détection capacitive est couplée à une extrémité du deuxième bras de transmission. Les premier et deuxième bras de transmission sont reliés à leur deuxième extrémité par l’intermédiaire d’une articulation pivot. Cette articulation pivot autorise une rotation des bras de transmission par rapport au bâti du microphone et assure simultanément l’étanchéité entre les première et deuxième zones. Un tel microphone à détection capacitive peut souffrir d’un phénomène d'amortissement, appelé « squeeze-film damping » en anglais, causé par un pincement d’air entre le piston et le bâti lors du fonctionnement du microphone. Ce phénomène d'amortissement génère du bruit mécanique et entraîne une diminution des performances du microphone. De manière plus générale, il existe un besoin de fabriquer un transducteur électroacoustique dans lequel le phénomène d'amortissement est réduit, le transducteur électroacoustique comprenant : un bâti ; un élément mobile par rapport au bâti, l’élément mobile comprenant une membrane et une structure de rigidification de la membrane ; un premier bras de transmission, l’élément mobile étant couplé à une extrémité du premier bras de transmission. Selon un premier aspect de l’invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : former une première couche sacrificielle sur un substrat, la première couche sacrificielle comprenant une première portion et une deuxième portion adjacente à la première portion, la première portion ayant une épaisseur supérieure à celle de la deuxième portion ; former une première couche structurelle sur la première couche sacrificielle ; former une deuxième couche sacrificielle sur la première couche structurelle ; former une deuxième couche structurelle sur la première couche structurelle et sur la deuxième couche sacrificielle ; graver la deuxième couche structurelle de façon à exposer la deuxième couche sacrificielle et à délimiter la structure de rigidification de l’élément mobile ; graver la première couche structurelle jusqu’à la première couche sacrificielle de façon à délimiter la membrane de l’élément mobile, une portion périphérique de la membrane étant disposée en regard de la première portion de la première couche sacrificielle ; graver la deuxième couche sacrificielle de façon à exposer une première face de la membrane ; graver le substrat de façon à délimiter le premier bras de transmission, la première couche sacrificielle servant de couche d’arrêt à la gravure du substrat ; et graver la première couche sacrificielle de façon à exposer une deuxième face opposée de la membrane. La première portion de la première couche sacrificielle, d’épaisseur plus importante que la deuxième portion, permet d’augmenter la distance entre le substrat et la membrane de l’élément mobile, diminuant ainsi le phénomène d'amortissement (appelé « squeeze-film damping » en anglais) responsable de bruit mécanique. Dans un mode de mise en œuvre préférentiel, le procédé de fabrication comprend, avant l’étape de formation de la première couche sacrificielle, une étape de gravure d’une cavité dans le substrat, la première portion de la première couche sacrificielle remplissant entièrement la cavité et la deuxième portion de la première couche sacrificielle étant disposée en dehors de la cavité. La première couche structurelle peut être formée par épitaxie sur la première couche sacrificielle. Alternativement, l’étape de formation de la première couche structurelle comprend les sous-étapes suivantes : fournir un substrat de report comprenant la première couche structurelle ; coller la première couche structurelle du substrat de report à la première couche sacrificielle ; amincir le substrat de report jusqu’à atteindre la première couche structurelle. Le procédé de fabrication peut comprendre en outre, après l’étape de gravure de la deuxième couche sacrificielle et avant l’étape de gravure du substrat, les étapes suivantes : disposer un capot sur la deuxième couche structurelle, formant ainsi un assemblage ; et retourner l’assemblage. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans les paragraphes précédents, le procédé de fabrication selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : la cavité présente une profondeur supérieure ou égale à 1 µm, de préférence comprise entre 2 µm et 10 µm ; la cavité présente une forme annulaire et, de préférence, s’étend sur plus de 80 % de la périphérie de l’élément mobile ; la cavité et la membrane sont de même forme, de préférence de forme rectangulaire ; la cavité présente des dimensions supérieures ou égales aux dimensions de la membrane ; la première couche structurelle et la deuxième couche structurelle sont gravées simultanément de façon à délimiter la membrane et la structure de rigidification de l’élément mobile ; le substrat est en silicium, la première couche sacrificielle est en oxyde de silicium et la première couche structurelle est en silicium ; la deuxième couche sacrificielle est en oxyde de silicium ; la première couche structurelle présente une épaisseur comprise entre 100 nm et 10 µm ; la structure de rigidification de l’élément mobile repose au moins en partie sur la membrane ; et la structure de rigidification de l’élément mobile est en contact avec la membrane. Un deuxième aspect de l’invention concerne un transducteur électroacoustique comprenant : un bâti ; un élément mobile par rapport au bâti, l’élément mobile comprenant une membrane et une structure de rigidification de la membrane ; un premier bras de transmission, l’élément mobile étant couplé à une extrémité du premier bras de transmission ; la membrane étant formée par une première partie d’une première couche structurelle, la structure de rigidification étant formée par une première partie d’une deuxième couche structurelle disposée sur la première couche structurelle et le bâti comprenant un substrat, une deuxième partie de la première couche structurelle et une deuxième partie de la deuxième couche structurelle, et dans lequel la distance entre le substrat et une portion périphérique de la membrane est supérieure à la distance entre le substrat et la deuxième partie de la première couche structurelle. Dans un mode de réalisation préférentiel du transducteur électroacoustique, le substrat comprend une cavité disposée en regard de la portion périphérique de la membrane. Le transducteur peut comprendre en outre un dispositif de transmission d’un mouvement et d’une force entre une première zone et une deuxième zone à atmosphère contrôlée, les première et deuxième zones étant isolées l’une de l’autre de manière étanche, le dispositif de transmission comprenant, outre le premier bras de transmission qui s’étend dans la première zone, un deuxième bras de transmission s’étendant dans la deuxième zone. L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : représente schématiquement et partiellement un exemple de transducteur électroacoustique comprenant un piston relié à deux premiers bras de transmission ; à représentent en vue de coupe des étapes d’un procédé de fabrication du transducteur électroacoustique selon la ; à représentent en vue de coupe des étapes d’un procédé de fabrication de transducteur électroacoustique selon un mode de mise en œuvre préférentiel de l’invention, reprenant les étapes des figures 2B à 2H ; et représente une variante de mise en œuvre de l’étape de la . Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures. Procédé de fabrication d’un transducteur électroacoustique (1) comprenant : un bâti ; un élément mobile (13) par rapport au bâti, l’élément mobile (13) comprenant une membrane (131) et une structure de rigidification (132) de la membrane ; un premier bras de transmission (141), l’élément mobile (13) étant couplé à une extrémité du premier bras de transmission (141) ; procédé comprenant les étapes suivantes : former (S12) une première couche sacrificielle (22) sur un substrat (21), la première couche sacrificielle comprenant une première portion (22a) et une deuxième portion (22b) adjacente à la première portion (22a), la première portion (22a) ayant une épaisseur supérieure à celle de la deuxième portion (22b) ; former (S13) une première couche structurelle (23) sur la première couche sacrificielle (22) ; former (S2) une deuxième couche sacrificielle (24) sur la première couche structurelle (23) ; former (S3) une deuxième couche structurelle (25) sur la première couche structurelle (23) et sur la deuxième couche sacrificielle (24) ; graver (S4) la deuxième couche structurelle (25) de façon à exposer la deuxième couche sacrificielle (24) et à délimiter la structure de rigidification (132) de l’élément mobile (13) ; graver (S4) la première couche structurelle (23) jusqu’à la première couche sacrificielle (22) de façon à délimiter la membrane (131) de l’élément mobile (13), une portion périphérique de la membrane (131) étant disposée en regard de la première portion (22a) de la première couche sacrificielle (22) ; graver (S5) la deuxième couche sacrificielle (24) de façon à exposer une première face de la membrane (131) ; graver (S7) le substrat (21) de façon à délimiter le premier bras de transmission (141), la première couche sacrificielle (22) servant de couche d’arrêt à la gravure du substrat ; et graver (S8) la première couche sacrificielle (22) de façon à exposer une deuxième face opposée de la membrane (131). Procédé selon la revendication 1, comprenant, avant l’étape (S12) de formation de la première couche sacrificielle (22), une étape (S11) de gravure d’une cavité (210) dans le substrat (21), la première portion (22a) de la première couche sacrificielle (22) remplissant entièrement la cavité (210) et la deuxième portion (22b) de la première couche sacrificielle (22) étant disposée en dehors de la cavité (210). Procédé selon la revendication 2, dans lequel la cavité (210) présente une profondeur (P) supérieure ou égale à 1 µm, de préférence comprise entre 2 µm et 10 µm. Procédé selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel la cavité (210) présente une forme annulaire. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la cavité (210) s’étend sur plus de 80 % de la périphérie de l’élément mobile (13). Procédé selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel la cavité (210) et la membrane (131) sont de même forme, de préférence de forme rectangulaire. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel la cavité (210) présente des dimensions supérieures ou égales aux dimensions de la membrane (131). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la première couche structurelle (23) et la deuxième couche structurelle (25) sont gravées simultanément de façon à délimiter la membrane (131) et la structure de rigidification (132) de l’élément mobile (13). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre, après l’étape (S5) de gravure de la deuxième couche sacrificielle (24) et avant l’étape (S7) de gravure du substrat (21), les étapes suivantes : disposer (S6) un capot (27) sur la deuxième couche structurelle (25), formant ainsi un assemblage ; et retourner (S6’) l’assemblage. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le substrat (21) est en silicium, la première couche sacrificielle (22) est en oxyde de silicium et la première couche structurelle (23) est en silicium. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la deuxième couche sacrificielle (24) est en oxyde de silicium. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la première couche structurelle (23) est formée par épitaxie sur la première couche sacrificielle (22). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel l’étape de formation de la première couche structurelle (23) comprend les sous-étapes suivantes : fournir un substrat de report (40) comprenant la première couche structurelle (23) ; coller la première couche structurelle (23) du substrat de report (40) à la première couche sacrificielle (22) ; amincir le substrat de report (40) jusqu’à atteindre la première couche structurelle (23). Procédé selon la revendication 13, dans lequel le substrat de report est un structure multicouche de type silicium sur isolant. Transducteur électroacoustique (1) comprenant : un bâti ; un élément mobile (13) par rapport au bâti, l’élément mobile (13) comprenant une membrane (131) et une structure de rigidification (132) de la membrane ; un premier bras de transmission (141), l’élément mobile (13) étant couplé à une extrémité du premier bras de transmission (141) ; la membrane (131) étant formée par une première partie (23a) d’une première couche structurelle (23), la structure de rigidification (132) étant formée par une première partie d’une deuxième couche structurelle (25) disposée sur la première couche structurelle (23) et le bâti comprenant un substrat (21), une deuxième partie (23b) de la première couche structurelle (23) et une deuxième partie de la deuxième couche structurelle (25), transducteur électroacoustique dans lequel la distance (G) entre le substrat (21) et une portion périphérique de la membrane (131) est supérieure à la distance entre le substrat (21) et la deuxième partie (23b) de la première couche structurelle (23). Transducteur électroacoustique (1) selon la revendication 15, dans lequel le substrat (21) comprend une cavité (210) disposée en regard de la portion périphérique de la membrane (131).