Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

EP3218302A1 - Procede de fabrication d'un dispositif electromecanique et dispositif correspondant - Google Patents

Procede de fabrication d'un dispositif electromecanique et dispositif correspondant

Info

Publication number
EP3218302A1
EP3218302A1 EP15791617.2A EP15791617A EP3218302A1 EP 3218302 A1 EP3218302 A1 EP 3218302A1 EP 15791617 A EP15791617 A EP 15791617A EP 3218302 A1 EP3218302 A1 EP 3218302A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
cavity
layer
face
insulating layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15791617.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Joël COLLET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tronics Microsystems SA
Original Assignee
Tronics Microsystems SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tronics Microsystems SA filed Critical Tronics Microsystems SA
Publication of EP3218302A1 publication Critical patent/EP3218302A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/0051—For defining the movement, i.e. structures that guide or limit the movement of an element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/00182—Arrangements of deformable or non-deformable structures, e.g. membrane and cavity for use in a transducer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00333—Aspects relating to packaging of MEMS devices, not covered by groups B81C1/00269 - B81C1/00325
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0174—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate for making multi-layered devices, film deposition or growing
    • B81C2201/0191—Transfer of a layer from a carrier wafer to a device wafer
    • B81C2201/0194—Transfer of a layer from a carrier wafer to a device wafer the layer being structured
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/05—Aligning components to be assembled
    • B81C2203/051—Active alignment, e.g. using internal or external actuators, magnets, sensors, marks or marks detectors

Definitions

  • the invention relates to the field of electromechanical systems formed of elements of micrometric dimensions also called MEMS (acronym for "Micro-Electromechanical System”) and / or elements of nanometric dimensions also called NEMS (acronym for Nano-Electromechanical System » ).
  • MEMS micrometric dimensions
  • NEMS nanometric dimensions
  • the invention relates more particularly to a method of manufacturing such a system.
  • M & NEMS Micro- and Nano-ElectroMechanical Systems
  • force sensors such as accelerometers, gyrometers and magnetometers.
  • force sensors are typically in the form of devices comprising a movable mass mechanically held by deformable elements such as springs.
  • the mobile mass is also mechanically coupled to deformable structures such as measurement beams used to measure the movements of the mass.
  • measurement beams may for example be strain gages or resonators.
  • the mass and beam assembly is held in suspension over a cavity.
  • an inertial force is applied to the moving mass and induces a stress on the measuring beam.
  • the stress applied by the mass induces a variation of the frequency of the resonator
  • the stress applied by the mass induces a variation of the electrical resistance.
  • the acceleration is deduced from these variations. It is therefore understood that it is advantageous to combine a moving mass of micrometric thickness and a measurement beam of nanometric thickness.
  • a large mass of the movable element makes it possible to maximize the inertial force and thus to induce a sufficient stress on the measurement beam.
  • by favoring a thin beam it maximizes the stress applied by the mass on this beam.
  • Such an arrangement therefore also has the advantage of increasing the sensitivity of the force sensor.
  • EP 1 840 582 discloses such a force sensor, namely a sensor in which the moving mass has a thickness greater than that of the beam, and furthermore proposes a method of manufacturing such a sensor based on SOI technology. ("Silicon On Insulator" in English).
  • the strain gauge is first etched in a surface layer of an SOI substrate, then covered with a protection. Silicon epitaxy is then performed on this surface layer so as to obtain a layer of thickness desired for producing the test body.
  • the epitaxial growth technique is cumbersome and expensive to implement, and does not make it possible to obtain very large thicknesses of silicon layer. Because of this limitation, it is difficult to obtain an optimal dimensioning of the test body, and therefore of its mass, to maximize the stress applied to the gauge.
  • the moving mass is first etched in an SOI substrate.
  • a polycrystalline silicon layer of nanometric thickness is then deposited for the formation of the strain gauge.
  • the small thickness of the polycrystalline silicon layers is still difficult to control, and its mechanical and electrical properties are lower than those of a monocrystalline silicon layer.
  • the deposition of such a thin layer may be subject to constraints, such as deformations, which may affect the performance of the gauge. It is therefore difficult, by this method, to obtain a gauge having mechanical and electrical characteristics that optimize the sensitivity of the sensor.
  • Another solution may be to use two separate SOI substrates to separately form the moving mass and the gauge, and then seal the two substrates together.
  • a misalignment of the various elements, especially between the moving mass, the gauge and the cavity is likely to occur during sealing, increasing the risk of altering the overall sensitivity of the sensor.
  • the present invention aims in particular to provide a solution for the manufacture of electromechanical devices free from the limitations mentioned above.
  • the invention thus relates to a method of manufacturing an electromechanical device comprising at least one micromechanical structure (or active body) of predetermined thickness suspended above a cavity of predetermined depth.
  • the manufacturing method comprises sealing a first face of a first substrate with a second substrate.
  • the first substrate is only formed of a solid layer
  • the second substrate is formed of at least one solid layer and an insulating layer.
  • the seal is made so that the insulating layer of the second substrate is interposed between the first substrate and the solid layer of the second substrate.
  • This sealing of the two substrates is followed by the formation of the cavity having said predetermined depth in the first substrate.
  • the formation of this cavity is obtained in particular by etching a second face of the first substrate, this second face being opposite to the first face of the first substrate.
  • the thickness of the remaining portion of the first substrate which is opposite the cavity is substantially equal to said predetermined thickness.
  • the final depth of the cavity and the final thickness of the micromechanical structure are defined by this etching.
  • the cavity is then closed by sealing the second face of the first substrate with a third substrate.
  • This third substrate is formed of a solid layer and an insulating layer.
  • the insulating layer of this third substrate is brought into direct contact with the second face of the first substrate for closing the cavity, which can be obtained by another sealing.
  • the solid layer and the insulating layer of the second substrate are then removed.
  • the opening of the cavity and the formation of the micromechanical structure are obtained via a single etching of the second face of the first substrate.
  • micro-mechanical structure is meant a structure whose thickness is of micro-metric dimensions.
  • the predetermined depth of the cavity is also preferably of micrometric dimensions.
  • the manufacturing method of the invention is a simple and inexpensive solution that overcomes the alignment problem mentioned above, since the opening of the cavity and the formation of the micro-metric structure are obtained simultaneously with using a single step of burning.
  • This unique etching is made possible in particular by the successive formation of the future cavity and the future micromechanical structure in the same monolayer substrate, commonly called bulk.
  • This is made possible by the use of two other distinct substrates, one serving as substrate support for delimiting the bottom of the cavity, the other serving as a handling substrate ("handle substrate”) or temporary support (" carriers).
  • Another advantage provided by this manufacturing method is that the bottom of the cavity of the electromechanical device thus obtained is covered with an insulating layer, usually an oxide layer.
  • This insulating layer has the particular advantage of preventing the occurrence of irregularities resulting from the chemical process used in particular to release the cavity.
  • the bottom of the cavity will not be attacked during the etching process used to release the cavity.
  • the resulting device is thus cleaner, that is to say containing less dust likely to block the active body or interfere with measurements.
  • the risk of degassing of the internal surfaces of the cavity is reduced, which ensures a stable pressure over time in the housing in which the device is encapsulated.
  • the manufacturing method may further comprise, prior to sealing the first substrate with the second substrate, the production of alignment marks on the first face of the first substrate.
  • these alignment marks serve as indicators to ensure correct positioning of the masks used in the etching processes used for the realization of the cavity and the micromechanical structure.
  • These alignment marks can in particular be in the form of predefined structures (verniers, squares, barcodes, etc.) and can be obtained conventionally, for example by an etching technique.
  • the method may also comprise, prior to the production of the cavity, the release of the alignment marks on the second face of the first substrate.
  • these alignment marks are covered during the step of sealing the first substrate with the second substrate, and then released prior to the etching step of the cavity so as to make them visible on the side of the second face of the first substrate.
  • the recovery of these alignment marks can be obtained by lithography and etching of the second face of the first substrate.
  • the manufacturing method may further comprise, prior to the production of the cavity, the thinning of the first substrate.
  • the massive layer of the first substrate used may typically have an initial thickness of several hundred micrometers, for example 450 ⁇ .
  • the useful thickness of the solid layer for producing the cavity and the micromechanical structure is, for example, less than a hundred micrometers, for example 50 ⁇ m.
  • This thinning thus makes it possible to obtain a residual thickness of the first substrate that is substantially equal to the predetermined thickness of the micro-mechanical structure added to the predetermined depth of the cavity.
  • This residual thickness typically corresponds to said useful thickness.
  • this thinning can be obtained by grinding or chemical etching, mechanical-chemical etching or dry etching.
  • the manufacturing method may further comprise, simultaneously with the production of the cavity, the formation of at least one abutment within the cavity, the abutment extending from the first substrate towards the third substrate .
  • the realization of the cavity and the stop (or stopper) can be obtained by:
  • the depth of this first etching is therefore substantially equal to the desired distance (for example ⁇ ⁇ ) between the free end of the stop and the insulating layer of the third substrate delimiting the bottom of the cavity;
  • the stop is secured, not with the bottom of the cavity, but is secured to the active body and in particular to the MEMS structure.
  • the manufacturing method may further comprise, prior to sealing the first substrate with the second substrate, the production of at least one predefined depth recess on the first face of the first substrate.
  • the bottom of this hollow is in particular covered by a dielectric layer.
  • the embodiment of the cavity further comprises the production of a through hole connecting the cavity to the hollow.
  • the hollow serves in particular to mark the location of the future nanomechanical structure.
  • nanomechanical structure is meant a structure whose thickness is of nanometric dimensions.
  • the recess may be in the form of a recess and is made prior to the realization of alignment marks. This marking can be obtained by a double lithogravure of the first face of the first substrate for:
  • each hole defining the location of a future nanomechanical structure to be produced
  • the second substrate is formed of an insulating layer interposed between a solid layer and a thin layer relative to the solid layer.
  • the first face of the first substrate is preferably brought into direct contact with the thin layer of the second substrate.
  • the second substrate is therefore formed of an insulating layer, for example an oxide layer, interposed between a solid layer of micrometric thickness and typically intended for handling the device in formation, and a thin layer called a layer active, typically silicon, of nanometric thickness.
  • the step of sealing the first substrate with the second substrate is reflected in particular by the direct sealing of the nanometric active layer of the second substrate with the micrometric solid layer of the first substrate.
  • the realization of the single etching for the opening of the cavity and the formation of the micromechanical structure also comprises the formation of the nanomechanical structure in the thin layer of the second substrate, this nanomechanical structure facing the through hole .
  • the nanomechanical structure is formed in the thin layer of the second substrate.
  • the etching step implemented to simultaneously open the cavity and to form the micromechanical structure can also be used to form the nanomechanical structure.
  • the cavity and the micro- and nano-mechanical structures are obtained via a single etching.
  • the doping of the thin layer can be obtained by different doping techniques, such as for example by diffusion, or ion implantation by plasma immersion or by ion beam.
  • the subject of the invention is also an electromechanical device comprising:
  • the electromechanical device may further comprise at least one stop within the cavity, the stop extending from the micromechanical structure in the direction of the insulating layer.
  • the solid layer comprises the micromechanical structure interposed between the insulating layer and a thin layer relative to the solid layer.
  • the device may further comprise a nano-mechanical structure formed in the thin layer and a through hole connecting the nanomechanical structure to the cavity.
  • the nanomechanical structure may be a deformable measuring element such as a strain gauge, a deformable membrane, or a nano-mechanical resonator;
  • the micromechanical structure may be formed of a mobile mass coupled to deformable elements such as springs, a membrane, or nanomechanical structures;
  • the nanomechanical structure may have a thickness of less than 1 ⁇ ;
  • the micromechanical structure may have a thickness less than ⁇ and greater than 5 ⁇ ;
  • the thickness ratio of the micromechanical and nanomechanical structures is of the order of 100;
  • the solid layers and the thin layer are preferably made of silicon and the insulating layers are preferably made of oxide.
  • FIGS. 1A to 1J are schematic views illustrating the steps of the method of manufacturing an electromechanical device incorporating an active structure of micro dimensions, according to one embodiment of the invention.
  • FIGS. 2A to 2K are schematic views illustrating the steps of the method of manufacturing an electromechanical device incorporating an active structure of micrometric dimensions and an active structure of nanometric dimensions, according to another embodiment of the invention. Detailed presentation of particular embodiments
  • FIG. 1J illustrates the various steps of a method of manufacturing an electromechanical device according to one embodiment.
  • the electromechanical device that one wishes to obtain is illustrated in FIG. 1J and integrates in particular a micromechanical structure 60, 61 of predetermined thickness, for example 20 ⁇ m, in suspension over a cavity 4 of predetermined depth, for example 5 ⁇ .
  • the micromechanical structure 60, 61 is an active body formed for example of a moving mass 60 coupled to springs 61.
  • the electromechanical device may further comprise a stop 5 which extends from the micromechanical structure 60, 61 towards the bottom of the cavity 4.
  • the spacing between the free end of the abutment 5 and the bottom of the cavity 4 is substantially equal to ⁇ ⁇ .
  • the cavity and the micromechanical structure are produced, by etching, in a single monolayer substrate corresponding to the first substrate 1 illustrated in FIG. 1A.
  • This first substrate 1, commonly called “bulk”, is therefore formed solely of a solid layer 10, for example a silicon layer 450 ⁇ thick, and has two opposite faces, namely a first face 11 and a second face 12.
  • alignment marks 13 are made (FIG. 1B) on the first face 11 of this first substrate 1.
  • a second substrate 2 is sealed to this first substrate 1 ( Figure 1C).
  • This second substrate 2 is formed of a solid layer 20, for example a silicon layer 450 ⁇ thick, and an insulating layer 21, for example an oxide layer ⁇ thick.
  • the insulating layer 21 of the second substrate is brought into direct contact with the first face 11 of the first substrate 1.
  • the alignment marks 13 previously made are therefore covered by this second substrate 2.
  • a thinning of this first substrate 1 is first performed ( Figure 1D). More precisely, the thinning is such that the residual thickness of this first substrate 1 corresponds substantially to the predetermined thickness of the micromechanical structure 60, 61 added to the predetermined depth of the cavity 4. In such a way that Classically, this thinning may for example be obtained by grinding or chemical etching.
  • the alignment marks 13 are then released (FIG. 1E) by lithography and etching of the second face 12 of the first substrate 1. These alignment marks 13 are thus made visible on the side of the second face 12 of the first substrate 1.
  • lithography and then partial etching are carried out (FIG. 1F) in order to initiate the etching of the cavity 4 in the first thinned substrate 1 and in order to define the height of the abutment 5.
  • the depth of the partial etching is substantially equal to the desired spacing between the free end of the abutment 5 and the bottom of the cavity 4.
  • the partial etching step may be omitted.
  • a simple lithogravure (Figure 1G) is then made to form the abutment 5 and to define the depth of the cavity 4 in the first substrate 1 thinned.
  • the dimensions of the cavity 4 and the abutment 5 already correspond to the desired final dimensions.
  • the thickness of the remaining portion of the first substrate facing the cavity 4 is substantially equal to the desired final thickness of the micromechanical structure 60, 61.
  • the cavity 4, the abutment 5 and the thickness of the the micromechanical structure 60, 61 are defined by this single etching.
  • the next step is to seal a third substrate 3 with the first substrate 1 to close the cavity 4 thus formed (Figure 1H).
  • This third substrate is also formed of a solid layer 30, for example a silicon layer with a thickness greater than 300 ⁇ , and an insulating layer 31, for example an oxide layer of ⁇ thick.
  • this sealing is such that the insulating layer 31 of this third substrate 3 is brought into direct contact with the second face 12 of the first substrate 1.
  • the second substrate 2 is then removed (FIG. II), and a single etching (FIG. 1J) of the first substrate 1 is performed to simultaneously open the cavity 4 and form the micromechanical structure 60, 61.
  • the electromechanical device thus obtained (FIG. 1J) thus comprises a stack formed of an insulating layer 31 interposed between two solid layers 10, 30.
  • the cavity 4 and the micromechanical structure 60, 61 are made in one of the 10 two massive layers of the stack, and the insulating layer 31 forms the bottom of the cavity 4.
  • the electromechanical device illustrated in FIG. 2K that it is desired to obtain integrates, in addition to the micromechanical structure 60, 61, the cavity 4 and the abutment 5 described above, a nanometric structure 7 of thickness predetermined, for example 250nm, also in suspension above the cavity 4.
  • This nanomechanical structure 7 is for example a strain gauge. The method of manufacturing such a device is illustrated in FIGS. 2A to 2K.
  • the cavity 4, the abutment 5 and the micromechanical structure 60, 61 are made in the same monolayer substrate (FIG. 2A) identical to that used previously.
  • a hollow 14 is formed (Figure 2B) on the first face 11 of the first substrate 1, for example by lithography.
  • This predetermined depth of hollow generally less than ⁇ ⁇ , has a bottom covered by a dielectric layer 15, for example an oxide layer.
  • a second substrate 2 is sealed to this first substrate 1 ( Figure 2D).
  • This second substrate 2 is formed of an insulating layer 21, for example an oxide layer of thickness ⁇ , interposed between a solid layer 20, for example a silicon layer 450 ⁇ thick, and a thin layer 22 relative to the solid layer 20.
  • the thin layer 22 is in particular a so-called "active" layer, typically a silicon layer of nanometric thickness, for example 250 nm.
  • the thin layer 22 of the second substrate 2 is brought into direct contact with the first face 11 of the first substrate 1.
  • the alignment marks 13 and the hollow 14 are covered by this second substrate 2.
  • the first substrate 1 is thinned (FIG. 2E) so that the residual thickness of this first substrate 1 also corresponds substantially to the predetermined thickness of the micromechanical structure 60, 61 added to the predetermined depth of the cavity 4.
  • the alignment marks 13 are also released (FIG. 2F) by lithography and etching of the second face 12 of the first substrate 1.
  • a lithography and then a partial etching are then performed in order to initiate the etching of the cavity 4 in the first thinned substrate 1 and to define the spacing between the bottom of the cavity 4 and the free end of the stop 5.
  • the partial etching step can be omitted.
  • a simple lithogravure (FIG. 2H) is then produced in order to form the abutment 5, to define the depth of the cavity 4 in the first thinned substrate 1, and to make a through-hole 16 for connecting the cavity 4 to the recess 14.
  • the dielectric layer 15 placed at the bottom of the recess 14 protects the thin layer 22 of the second substrate during this bed etching, and is eliminated.
  • a third substrate 3 identical to the third substrate used previously, is then sealed with the first substrate to close the cavity 4 thus formed ( Figure 21). This sealing is such that the insulating layer 31 of this third substrate 3 is brought into direct contact with the second face 12 of the first substrate 1.
  • the following step consists in eliminating the solid layer 20 and the insulating layer 21 of the second substrate (FIG. 2J) to leave only the thin layer 22, and to make a single etching (Figure 2K) to simultaneously open the cavity 4 and form the micromechanical structures 60, 61 and nanomechanics 7. In particular, the nanomechanical structure 7 is performed opposite the through hole
  • the electromechanical device thus obtained (FIG. 2K) thus comprises the cavity 4, the micromechanical structure 60, 61 and the abutment 5 formed in the same solid layer 10, as well as the nanomechanical structure 7 formed in the thin layer 22 disposed on the massive layer. 10.
  • the insulating layer 31 forms the bottom of the cavity 4.
  • the manufacturing processes presented are therefore simple and globally inexpensive although three substrates are used. They make it possible in particular to obtain electromechanical devices of the MEMS or M & NEMS type which are less bulky and more efficient, wherein at least the cavity and the micromechanical structure are made in a single monolayer substrate. Moreover, the life of such a device is increased thanks to the insulating layer at the bottom of the cavity which prevents the appearance of irregularities in the bottom of the cavity during etching. Finally, the proposed solution also offers the possibility of adapting the thickness of the micrometric structure by simple adjustment of the engraving equipment.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Dispositif électromécanique caractérisé en ce qu'il comprend : - un empilement formé d'une couche isolante (31) interposée entre deux couches massives (10, 30), - une structure micromécanique (60, 61) d'épaisseur prédéterminée en suspension au-dessus d'une cavité (4) de profondeur prédéterminée, la cavité (4) et la structure micromécanique (60, 61) formant l'une (10) des deux couches massives (10, 30) de l'empilement, et la couche isolante (31) formant le fond de ladite cavité (4).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN DISPOSITIF ELECTROMECANIQUE ET DISPOSITIF CORRESPONDANT
Domaine technique
L'invention se rapporte au domaine des systèmes électromécaniques formés d'éléments de dimensions micrométriques également appelés MEMS (acronyme pour « Micro-Electromechanical System ») et/ou d'éléments de dimensions nanométriques également appelés NEMS (acronyme pour Nano-Electromechanical System »). L'invention concerne plus particulièrement un procédé de fabrication d'un tel système.
Etat de la technique antérieure
De manière classique, pour réduire la taille des systèmes électromécaniques tout en garantissant une bonne sensibilité des mesures, il est avantageux de combiner des éléments micro-électromécaniques et des éléments nano-électromécaniques. De tels systèmes électromécaniques sont maintenant connus sous l'appellation M&NEMS pour « Micro- and Nano- ElectroMechanical Systems ». On compte parmi ces systèmes M&NEMS, les capteurs de force, tels que les accéléromètres, les gyromètres ou encore les magnétomètres. De tels capteurs de force se déclinent typiquement sous la forme de dispositifs comprenant une masse mobile maintenue mécaniquement par des éléments déformables comme des ressorts. La masse mobile est par ailleurs couplée mécaniquement à des structures déformables telles que des poutres de mesure servant à la mesure des déplacements de la masse. Ces poutres de mesures peuvent par exemple être des jauges de contraintes ou encore des résonateurs. L'ensemble masse et poutre est maintenu en suspension au-dessus d'une cavité.
Par exemple, dans le cas d'un accéléromètre, lors d'un déplacement du capteur, une force inertielle s'applique à la masse mobile et induit une contrainte sur la poutre de mesure. Classiquement, dans le cas d'une poutre de mesure de type résonateur, la contrainte appliquée par la masse induit une variation de la fréquence du résonateur, et dans le cas d'une poutre de mesure de type à résistance variable, la contrainte appliquée par la masse induit une variation de la résistance électrique. L'accélération est déduite à partir de ces variations. On comprend donc qu'il est avantageux de combiner une masse mobile d'épaisseur micrométrique et une poutre de mesure d'épaisseur nanométrique. En particulier, une masse importante de l'élément mobile permet de maximiser la force inertielle et donc d'induire une contrainte suffisante à la poutre de mesure. En outre, en privilégiant une poutre de faible épaisseur, on maximise la contrainte appliquée par la masse sur cette poutre. Un tel agencement a donc également l'avantage d'augmenter la sensibilité du capteur de force.
Le document EP 1 840 582 présente un tel capteur de force, à savoir un capteur dans lequel la masse mobile présente une épaisseur supérieure à celle de la poutre, et propose en outre un procédé de fabrication d'un tel capteur basés sur une technologie SOI (« Silicon On Insulator » en anglais).
Selon le premier procédé de fabrication décrit dans ce document, la jauge de contrainte est tout d'abord gravée dans une couche superficielle d'un substrat SOI, puis recouverte d'une protection. Une épitaxie de silicium est ensuite réalisée sur cette couche superficielle de manière à obtenir une couche d'épaisseur désirée pour la réalisation du corps d'épreuve. Cependant, la technique de croissance par épitaxie est lourde et coûteuse à mettre en œuvre, et ne permet pas d'obtenir des épaisseurs très importantes de couche de silicium. Du fait de cette limite, il est difficile d'obtenir un dimensionnement optimal du corps d'épreuve, et donc de sa masse, pour maximiser la contrainte appliquée à la jauge.
Selon le deuxième procédé de fabrication décrit dans ce document, la masse mobile est tout d'abord gravée dans un substrat SOI. Une couche de silicium polycristallin d'épaisseur nanométrique est ensuite déposée en vue de la formation de la jauge de contrainte. Cependant, la faible épaisseur des couches en silicium polycristallin est encore difficile à contrôler, et ses propriétés mécaniques et électriques sont inférieures à celles d'une couche en silicium monocristallin. En outre, le dépôt d'une telle couche mince peut être soumis à des contraintes, telles que des déformations, pouvant affecter les performances de la jauge. Il est donc difficile, par ce procédé, d'obtenir une jauge présentant des caractéristiques mécaniques et électriques qui optimisent la sensibilité du capteur. Une autre solution peut consister à utiliser deux substrats SOI distincts pour former séparément la masse mobile et la jauge, puis à sceller les deux substrats entre eux. Cependant, un désalignement des différents éléments, notamment entre la masse mobile, la jauge et la cavité, est susceptible de se produire lors du scellement, augmentant le risque d'altérer la sensibilité globale du capteur.
Exposé de l'invention
Dans ce contexte, la présente invention a notamment pour but de proposer une solution pour la fabrication de dispositifs électromécaniques exempte des limitations précédemment évoquées.
L'invention a ainsi pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif électromécanique comprenant au moins une structure micromécanique (ou corps actif) d'épaisseur prédéterminée en suspension au-dessus d'une cavité de profondeur prédéterminée.
Selon l'invention, le procédé de fabrication comprend le scellement d'une première face d'un premier substrat avec un deuxième substrat. Le premier substrat est uniquement formé d'une couche massive, et le deuxième substrat est formé d'au moins une couche massive et d'une couche isolante. En outre, le scellement est réalisé de sorte que la couche isolante du deuxième substrat est interposée entre le premier substrat et la couche massive du deuxième substrat. Ce scellement des deux substrats est suivi de la formation de la cavité ayant ladite profondeur prédéterminée dans le premier substrat. La formation de cette cavité est notamment obtenue par gravure d'une seconde face du premier substrat, cette seconde face étant opposée à la première face du premier substrat. En particulier, l'épaisseur de la portion restante du premier substrat qui est en regard de la cavité est sensiblement égale à ladite épaisseur prédéterminée. En d'autres termes, la profondeur finale de la cavité et l'épaisseur finale de la structure micromécanique sont définies par cette gravure.
La cavité est ensuite fermée par scellement de la seconde face du premier substrat avec un troisième substrat. Ce troisième substrat est formé d'une couche massive et d'une couche isolante. En particulier, la couche isolante de ce troisième substrat est mise en contact direct avec la seconde face du premier substrat pour la fermeture de la cavité, qui peut être obtenue par un autre scellement. La couche massive et la couche isolante du deuxième substrat sont ensuite éliminées. Enfin, l'ouverture de la cavité et la formation de la structure micromécanique sont obtenues via une unique gravure de la seconde face du premier substrat. On entend par structure micro mécanique, une structure dont l'épaisseur est de dimensions micro métriques. Par ailleurs, la profondeur prédéterminée de la cavité est également de préférence de dimensions micrométriques.
Ainsi, le procédé de fabrication de l'invention est une solution simple et peu coûteuse qui permet de surmonter le problème d'alignement évoqué ci-avant, puisque l'ouverture de la cavité et la formation de la structure micro métrique sont obtenues simultanément à l'aide d'une seule étape de gravure. Cette unique gravure est notamment rendue possible par la formation successive de la future cavité et de la future structure micromécanique dans un même substrat monocouche, communément appelé bulk. Ceci est rendu possible par l'utilisation de deux autres substrats bien distincts, l'un servant de substrat support pour délimiter le fond de la cavité, l'autre servant de substrat de manipulation (« handle substrate ») ou de support temporaire (« carriers »).
Un autre avantage apporté par ce procédé de fabrication est que le fond de la cavité du dispositif électromécanique ainsi obtenu est recouvert d'une couche isolante, généralement une couche d'oxyde. La présence de cette couche isolante a notamment l'avantage d'empêcher l'apparition d'irrégularités résultantes du procédé chimique utilisé notamment pour libérer la cavité. En d'autres termes, du fait de cette couche isolante, le fond de la cavité ne sera pas attaqué lors du procédé de gravure mis en œuvre pour libérer la cavité. Le dispositif résultant est ainsi plus propre, c'est-à-dire contenant moins de poussières susceptibles de bloquer le corps actif ou d'interférer lors des mesures. Par ailleurs, le risque de dégazage des surfaces internes de la cavité est réduit, ce qui permet d'assurer une pression stable au cours du temps dans le boîtier dans lequel le dispositif est encapsulé.
Avantageusement, le procédé de fabrication peut en outre comprendre, préalablement au scellement du premier substrat avec le deuxième substrat, la réalisation de marques d'alignement sur la première face du premier substrat. Classiquement, ces marques d'alignement servent d'indicateurs pour assurer un positionnement correct des masques utilisés dans les procédés de gravure mis en œuvre pour la réalisation de la cavité et de la structure micromécanique. Ces marques d'alignements peuvent notamment se présenter sous la forme de structures prédéfinies (verniers, carrés, codes-barres...) et peuvent être obtenus de façon classique, par exemple par une technique de gravure.
Le procédé peut également comprendre, préalablement à la réalisation de la cavité, la libération des marques d'alignement sur la seconde face du premier substrat.
En particulier, ces marques d'alignement sont recouvertes lors de l'étape de scellement du premier substrat avec le deuxième substrat, puis libérées préalablement à l'étape de gravure de la cavité de sorte à les rendre visibles du côté de la seconde face du premier substrat.
La récupération de ces marques d'alignement peut être obtenue par lithographie et gravure de la seconde face du premier substrat.
En pratique, le procédé de fabrication peut en outre comprendre, préalablement à la réalisation de la cavité, l'amincissement du premier substrat.
En effet, la couche massive du premier substrat utilisé peut présenter typiquement une épaisseur initiale de plusieurs centaines de micromètres, par exemple 450μιη. Par ailleurs, l'épaisseur utile de la couche massive pour la réalisation de la cavité et de la structure micromécanique est par exemple inférieure à une centaine de micromètres, par exemple 50μιη. Dans ce cas, il est alors nécessaire de prévoir une étape d'amincissement préalable de cette couche massive pour éviter des gravures trop profondes. Cet amincissement permet donc d'obtenir une épaisseur résiduelle du premier substrat qui soit sensiblement égale à l'épaisseur prédéterminée de la structure micro mécanique ajoutée à la profondeur prédéterminée de la cavité. Cette épaisseur résiduelle correspond typiquement à ladite épaisseur utile. En pratique, cet amincissement peut être obtenu par meulage ou gravure chimique, gravure mécano-chimique ou gravure sèche.
Selon une variante, le procédé de fabrication peut en outre comprendre, simultanément à la réalisation de la cavité, la formation d'au moins une butée à l'intérieur de la cavité, la butée s 'étendant du premier substrat en direction du troisième substrat. En pratique, la réalisation de la cavité et de la butée (ou stoppeur) peut être obtenue par :
- une première lithographie puis une première gravure pour graver partiellement la cavité dans le premier substrat et pour définir la hauteur de la butée. La profondeur de cette première gravure est donc sensiblement égale à la distance souhaitée (par exemple Ι μιη) entre l'extrémité libre de la butée et la couche isolante du troisième substrat délimitant le fond de la cavité ; et
- une deuxième lithographie et une deuxième gravure afin de former définitivement la butée ainsi que la cavité.
Ainsi, la butée est solidarisée, non pas avec le fond de la cavité, mais est solidarisée au corps actif et notamment à la structure MEMS.
Selon un autre mode de réalisation dans lequel le dispositif électromécanique comprend également une structure nanomécanique, le procédé de fabrication peut en outre comprendre, préalablement au scellement du premier substrat avec le deuxième substrat, la réalisation d'au moins un creux de profondeur prédéfinie sur la première face du premier substrat. Le fond de ce creux est notamment recouvert par une couche diélectrique. Par ailleurs, dans cet autre mode de réalisation, la réalisation de la cavité comprend en outre la réalisation d'un trou traversant reliant la cavité au creux.
Le creux sert notamment de marquage d'emplacement de la future structure nanomécanique. On entend par structure nanomécanique, une structure dont l'épaisseur est de dimensions nanométriques. En pratique, le creux peut se présenter sous la forme d'un évidement et est réalisé préalablement à la réalisation des marques d'alignement. Ce marquage peut être obtenu par une double lithogravures de la première face du premier substrat pour :
- définir un trou peu profond, par exemple inférieur à 1 μιη, pour chaque structure nanométrique sur la première face du premier substrat, chaque trou définissant l'emplacement d'une future structure nanomécanique qui sera réalisée ; et
- en protéger le fond de chaque trou par un diélectrique.
Avantageusement, le deuxième substrat est formé d'une couche isolante interposée entre une couche massive et une couche fine par rapport à la couche massive. En outre, la première face du premier substrat est de préférence mise en contact direct avec la couche fine du deuxième substrat. En pratique, le deuxième substrat est donc formé d'une couche isolante, par exemple une couche d'oxyde, interposée entre une couche massive, d'épaisseur micrométrique et destinée typiquement à la manipulation du dispositif en formation, et une couche fine dite couche active, typiquement en silicium, d'épaisseur nanométrique.
Ainsi, l'étape de scellement du premier substrat avec le deuxième substrat se traduit notamment par le scellement direct de la couche active nanométrique du deuxième substrat avec la couche massive micrométrique du premier substrat. Selon une variante, la réalisation de l'unique gravure pour l'ouverture de la cavité et la formation de la structure micromécanique comprend également la formation de la structure nanomécanique dans la couche fine du deuxième substrat, cette structure nanomécanique étant en regard du trou traversant. En d'autres termes, simultanément à l'ouverture de la cavité et à la formation de la structure micro mécanique, la structure nanomécanique est formée dans la couche fine du deuxième substrat.
En pratique, l'étape de gravure mise en œuvre pour simultanément ouvrir la cavité et pour former la structure micromécanique, peut également servir à former la structure nanomécanique. En d'autres termes, la cavité et les structures micro- et nano-mécaniques sont obtenues via à une seule et unique gravure.
Bien entendu, préalablement à cette étape de gravure unique, il est également possible de prévoir une étape pour éliminer la couche massive et la couche isolante du deuxième substrat pour ne laisser subsister que la couche active.
Selon une variante, il est également possible de prévoir une étape de dopage de la couche fine du deuxième substrat. En pratique, le dopage de la couche fine peut être obtenu par différentes techniques de dopage, telles que par exemple par diffusion, ou par implantation ionique par immersion plasma ou par faisceau d'ions.
L'invention a également pour objet un dispositif électromécanique comprenant :
- un empilement formé d'une couche isolante interposée entre deux couches massives,
- une structure micromécanique d'épaisseur prédéterminée en suspension au- dessus d'une cavité de profondeur prédéterminée, la cavité et la structure micromécanique formant l'une des deux couches massives de l'empilement, et la couche isolante formant le fond de la cavité. Selon une variante, le dispositif électromécanique peut en outre comprendre au moins une butée à l'intérieure de la cavité, la butée s 'étendant de la structure micromécanique en direction de la couche isolante. Selon un mode de réalisation, la couche massive comprend la structure micromécanique interposée entre la couche isolante et une couche fine par rapport à la couche massive. Par ailleurs, selon ce mode de réalisation, le dispositif peut en outre comprendre une structure nano -mécanique formée dans la couche fine et un trou traversant reliant la structure nanomécanique à la cavité.
En pratique :
- la structure nanomécanique peut être un élément déformable de mesure tel qu'une jauge de contraintes, une membrane déformable, ou encore un résonateur nano -mécanique ;
- la structure micromécanique peut être formée d'une masse mobile couplée à des éléments déformables tels que des ressorts, une membrane, ou des structures nanomécanique ;
- la structure nanomécanique peut présenter une épaisseur inférieure à 1 μιη ;
- la structure micromécanique peut présenter une épaisseur inférieure à ΙΟΟμιη et supérieure à 5μιη ;
- le ratio des épaisseurs des structures micromécaniques et nanomécaniques est de l'ordre de 100 ;
- les couches massives et la couche fine sont de préférence en silicium et les couches isolantes sont de préférence en oxyde.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles :
- les figures 1 A à 1J sont des vues schématiques illustrant les étapes du procédé de fabrication d'un dispositif électromécanique intégrant une structure active de dimensions micro métriques, selon un mode de réalisation de l'invention ; et
- les figures 2A à 2K sont des vues schématiques illustrant les étapes du procédé de fabrication d'un dispositif électromécanique intégrant une structure active de dimensions micrométriques et une structure active de dimensions nanométriques, selon un autre mode de réalisation de l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisations particuliers
Les figures 1A à 1J illustrent les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif électromécanique selon un mode de réalisation. En particulier, le dispositif électromécanique que l'on souhaite obtenir est illustré à la figure 1J et intègre notamment une structure micromécanique 60, 61 d'épaisseur prédéterminée, par exemple 20μιη, en suspension au-dessus d'une cavité 4 de profondeur prédéterminée, par exemple 5μιη. Par exemple, la structure micromécanique 60, 61 est un corps actif formé par exemple d'une masse mobile 60 couplée à des ressorts 61. Dans une variante, le dispositif électromécanique peut en outre comprendre une butée 5 qui s'étend de la structure micromécanique 60, 61 en direction du fond de la cavité 4. Par exemple, l'espacement entre l'extrémité libre de la butée 5 et le fond de la cavité 4 est sensiblement égal à Ι μιη.
Plus précisément, la cavité et la structure micromécanique sont réalisées, par gravure, dans un même substrat monocouche qui correspond au premier substrat 1 illustré à la figure 1 A. Ce premier substrat 1, communément appelé « bulk », est donc uniquement formé d'une couche massive 10, par exemple une couche de silicium de 450μιη d'épaisseur, et présente deux faces opposées, à savoir une première face 11 et une deuxième face 12.
Tout d'abord, pour assurer un positionnement correct des masques qui seront utilisés lors des gravures, des marques d'alignement 13 sont réalisés (figure 1B) sur la première face 11 de ce premier substrat 1. En outre, pour faciliter la manipulation de ce premier substrat 1, un deuxième substrat 2 est scellé à ce premier substrat 1 (figure 1C). Ce deuxième substrat 2 est formé d'une couche massive 20, par exemple une couche de silicium de 450μιη d'épaisseur, et d'une couche isolante 21, par exemple une couche d'oxyde de Ιμιη d'épaisseur. En particulier, la couche isolante 21 du deuxième substrat est mise en contact direct avec la première face 11 du premier substrat 1. A ce stade, les marques d'alignements 13 réalisées précédemment sont donc recouvertes par ce deuxième substrat 2.
Puisque la cavité et la structure micromécanique doivent être réalisées dans ce premier substrat 1, un amincissement de ce premier substrat 1 est tout d'abord réalisé (figure 1D). Plus précisément, l'amincissement est tel que l'épaisseur résiduelle de ce premier substrat 1 corresponde sensiblement à l'épaisseur prédéterminée de la structure micromécanique 60, 61 ajoutée à la profondeur prédéterminée de la cavité 4. De manière classique, cet amincissement peut par exemple être obtenu par meulage ou gravure chimique.
Les marques d'alignement 13 sont ensuite libérées (figure 1E) par lithographie et gravure de la seconde face 12 du premier substrat 1. Ces marques d'alignement 13 sont ainsi rendues visibles du côté de la seconde face 12 du premier substrat 1.
Dans le cas où une butée 5 est prévue, on réalise une lithographie puis une gravure partielle (figure 1F) afin d'amorcer la gravure de la cavité 4 dans le premier substrat 1 aminci et afin de définir la hauteur de la butée 5. En d'autres termes, la profondeur de la gravure partielle est sensiblement égale à l'espacement souhaitée entre l'extrémité libre de la butée 5 et le fond de la cavité 4.
Bien entendu, lorsqu'une butée 5 n'est pas nécessaire, l'étape de gravure partielle peut être omise.
Une simple lithogravure (figure 1G) est ensuite réalisée afin de former la butée 5 et de définir la profondeur de la cavité 4 dans le premier substrat 1 aminci. A ce stade, les dimensions de la cavité 4 et de la butée 5 correspondent d'ores et déjà aux dimensions finales souhaitées. Par ailleurs, l'épaisseur de la portion restante du premier substrat en regard de la cavité 4 est sensiblement égale à l'épaisseur finale souhaitée de la structure micromécanique 60, 61. Ainsi, la cavité 4, la butée 5 et l'épaisseur de la structure micromécanique 60, 61 sont définies par cette unique gravure. L'étape suivante consiste à sceller un troisième substrat 3 avec le premier substrat 1 pour fermer la cavité 4 ainsi formée (figure 1H). Ce troisième substrat est également formé d'une couche massive 30, par exemple une couche de silicium d'épaisseur supérieure à 300μιη, et d'une couche isolante 31, par exemple une couche d'oxyde de Ιμπι d'épaisseur. En outre, ce scellement est tel que la couche isolante 31 de ce troisième substrat 3 est mise en contact direct avec la seconde face 12 du premier substrat 1.
Le deuxième substrat 2 est ensuite éliminé (figure II), et une seule et unique gravure (figure 1 J) du premier substrat 1 est réalisée pour simultanément ouvrir la cavité 4 et former la structure micromécanique 60, 61.
Le dispositif électromécanique ainsi obtenu (figure 1J) comprend donc un empilement formé d'une couche isolante 31 interposée entre deux couches massives 10, 30. La cavité 4 et la structure micromécanique 60, 61 sont réalisées dans l'une 10 des deux couches massives de l'empilement, et la couche isolante 31 forme le fond de la cavité 4.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif électromécanique illustré à la figure 2K que l'on souhaite obtenir intègre, outre la structure micromécanique 60, 61, la cavité 4 et la butée 5 décrites ci-avant, une structure nanométrique 7 d'épaisseur prédéterminée, par exemple 250nm, également en suspension au-dessus de la cavité 4. Cette structure nanomécanique 7 est par exemple une jauge de contrainte. Le procédé de fabrication d'un tel dispositif est illustré aux figures 2A à 2K.
Comme précédemment, la cavité 4, la butée 5 et la structure micromécanique 60, 61 sont réalisés dans un même substrat monocouche (figure 2A) identique à celui utilisé précédemment. Tout d'abord, pour marquer l'emplacement de la future structure nanomécanique, un creux 14 est formé (figure 2B) sur la première face 11 du premier substrat 1, par exemple par lithogravure. Ce creux de profondeur prédéterminée, généralement inférieure à Ι μιη, présente un fond recouvert par une couche diélectrique 15, par exemple une couche d'oxyde.
Ensuite, comme précédemment, pour assurer un positionnement correct des masques utilisés lors des gravures, des marques d'alignement 13 sont réalisés également (figure 2C) sur la première face 11 de ce premier substrat 1. Par ailleurs, pour faciliter la manipulation de ce premier substrat et pour sceller la couche fine dans laquelle sera définie la structure nanomécanique, un deuxième substrat 2 est scellé à ce premier substrat 1 (figure 2D). Ce deuxième substrat 2 est formé d'une couche isolante 21, par exemple une couche d'oxyde de Ιμιη d'épaisseur, interposée entre une couche massive 20, par exemple une couche de silicium de 450μιη d'épaisseur, et une couche fine 22 par rapport à la couche massive 20. La couche fine 22 est notamment une couche dite « active », typiquement une couche de silicium d'épaisseur nanométrique, par exemple 250nm. Lors du scellement, la couche fine 22 du deuxième substrat 2 est mise en contact direct avec la première face 11 du premier substrat 1. A ce stade, les marques d'alignements 13 ainsi que le creux 14 sont recouverts par ce deuxième substrat 2. Tout comme précédemment, le premier substrat 1 est aminci (figure 2E) de sorte que l'épaisseur résiduelle de ce premier substrat 1 corresponde également sensiblement à l'épaisseur prédéterminée de la structure micromécanique 60, 61 ajoutée à la profondeur prédéterminée de la cavité 4. Par ailleurs, les marques d'alignement 13 sont également libérées (figure 2F) par lithographie et gravure de la seconde face 12 du premier substrat 1.
De même, une lithographie puis une gravure partielle (figure 2G) sont ensuite réalisées afin d'amorcer la gravure de la cavité 4 dans le premier substrat 1 aminci et de définir l'espacement entre le fond de la cavité 4 et l'extrémité libre de la butée 5. Bien entendu, lorsqu'une butée n'est pas nécessaire, l'étape de gravure partielle peut être omise.
Une simple lithogravure (figure 2H) est ensuite réalisée afin de former la butée 5, de définir la profondeur de la cavité 4 dans le premier substrat 1 aminci, et de réaliser un trou traversant 16 pour relier la cavité 4 au creux 14. En pratique, la couche diélectrique 15 posée au fond du creux 14 protège la couche fine 22 du deuxième substrat lors de cette lit ho gravure, puis est éliminée. Un troisième substrat 3 identique au troisième substrat utilisé précédemment, est alors scellé avec le premier substrat pour fermer la cavité 4 ainsi formée (figure 21). Ce scellement est tel que la couche isolante 31 de ce troisième substrat 3 est mise en contact direct avec la seconde face 12 du premier substrat 1. L'étape suivante consiste à éliminer la couche massive 20 et la couche isolante 21 du deuxième substrat (figure 2J) pour ne laisser subsister que la couche fine 22, et à réaliser une seule et unique gravure (figure 2K) pour simultanément ouvrir la cavité 4 et former les structures micromécanique 60, 61 et nanomécanique 7. En particulier, la structure nanomécanique 7 est réalisée en regard du trou traversant 16.
Le dispositif électromécanique ainsi obtenu (figure 2K) comprend donc la cavité 4, la structure micromécanique 60, 61 et la butée 5 formées dans la même couche massive 10, ainsi que la structure nanomécanique 7 formée dans la couche fine 22 disposée sur la couche massive 10. En outre, la couche isolante 31 forme le fond de la cavité 4.
Les procédés de fabrication présentés sont donc simples et globalement peu coûteux bien que trois substrats soient utilisés. Ils permettent notamment d'obtenir des dispositifs électromécaniques de type MEMS ou M&NEMS moins encombrants et plus performants, dans lesquels au moins la cavité et la structure micromécanique sont réalisées dans un unique substrat monocouche. Par ailleurs, la durée de vie d'un tel dispositif est accrue grâce à la couche isolante au fond de la cavité qui évite l'apparition d'irrégularités dans le fond de la cavité lors des gravures. Enfin, la solution proposée offre également la possibilité d'adapter l'épaisseur de la structure micrométrique par simple réglage des équipements de gravure.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un dispositif électromécanique comprenant au moins une structure micromécanique (60, 61) d'épaisseur prédéterminée en suspension au-dessus d'une cavité (4) de profondeur prédéterminée, caractérisé en ce que le procédé comprend :
- le scellement d'une première face (11) d'un premier substrat (1) avec un deuxième substrat (2), le premier substrat étant uniquement formé d'une couche massive (10), le deuxième substrat (2) étant formé d'au moins une couche massive (20) et d'une couche isolante (21), la couche isolante (21) du deuxième substrat (2) est interposée entre le premier substrat (1) et la couche massive (20) du deuxième substrat (2) ;
- la formation de la cavité (4) ayant ladite profondeur prédéterminée dans le premier substrat (1), par gravure d'une seconde face (12) du premier substrat (1) opposée à ladite première face (11), l'épaisseur de la portion restante du premier substrat (1) en regard de la cavité (4) formée est sensiblement égale à ladite épaisseur prédéterminée ;
- la fermeture de la cavité (4) par scellement de la seconde face (12) du premier substrat (1) avec un troisième substrat (3), ledit troisième substrat étant formé d'une couche massive (30) et d'une couche isolante (31) en contact direct avec la seconde face (12) du premier substrat (1) ;
- l'élimination de la couche massive (20) et la couche isolante (21) du deuxième substrat (2) ; et
- la réalisation d'une unique gravure de la seconde face (12) du premier substrat (1) pour l'ouverture de la cavité (4) et la formation de ladite structure micromécanique (60, 61).
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, préalablement au scellement du premier substrat (1) avec le deuxième substrat (2), la réalisation de marques d'alignement (13) sur la première face (11) du premier substrat
(1)·
3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, préalablement à la réalisation de la cavité, la libération des marques d'alignement (13) sur la seconde face (12) du premier substrat (1).
4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, préalablement à la réalisation de la cavité (4), l'amincissement du premier substrat (1).
5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, simultanément à la réalisation de la cavité (4), la formation d'au moins une butée (5) s'étendant du premier substrat (1) en direction du troisième substrat (3).
6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé
en ce qu'il comprend en outre, préalablement au scellement du premier substrat (1) avec le deuxième substrat (2), la réalisation d'au moins un creux (14) de profondeur prédéfinie sur la première face (11) du premier substrat (1), le fond dudit creux étant recouvert par une couche diélectrique ;
et en ce que la réalisation de la cavité (4) comprend en outre la réalisation d'un trou traversant (16) reliant la cavité (4) audit creux (14).
7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième substrat est formé d'une couche isolante (21) interposée entre une couche massive (20) et une couche fine (22) par rapport à la couche massive (20), et en ce que la première face (11) du premier substrat (1) est mise en contact direct avec la couche fine (22) du deuxième substrat (2).
8. Procédé de fabrication selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la réalisation de ladite unique gravure pour l'ouverture de la cavité (4) et la formation de la structure micromécanique (60, 61) comprend également la formation d'une structure nanomécanique (7) dans la couche fine (22) du deuxième substrat (2), ladite structure nanomécanique (7) étant en regard dudit trou traversant (16).
9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dopage de la couche fine (22) du deuxième substrat.
10. Dispositif électromécanique réalisé selon un procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un empilement formé d'une couche isolante (31) interposée entre deux couches massives (10, 30),
- une structure micromécanique (60, 61) d'épaisseur prédéterminée en suspension au-dessus d'une cavité (4) de profondeur prédéterminée, la cavité (4) et la structure micromécanique (60, 61) formant l'une (10) des deux couches massives (10, 30) de l'empilement, et la couche isolante (31) formant le fond de ladite cavité (4).
11. Dispositif électromécanique selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une butée (5) à l'intérieure de la cavité, la butée (5) s'étendant de la structure micromécanique en direction de ladite couche isolante (31).
12. Dispositif électromécanique selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que la couche massive (10) comprenant la structure micromécanique est interposée entre la couche isolante (31) et une couche fine (22) par rapport à la couche massive (10),
et en ce qu'il comprend en outre une structure nanomécanique (7) formée dans la couche fine (22) et un trou traversant (16) reliant la structure nanomécanique (7) à la cavité (4).
EP15791617.2A 2014-11-10 2015-11-09 Procede de fabrication d'un dispositif electromecanique et dispositif correspondant Withdrawn EP3218302A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1460871A FR3028257A1 (fr) 2014-11-10 2014-11-10 Procede de fabrication d'un dispositif electromecanique et dispositif correspondant
PCT/EP2015/076110 WO2016075098A1 (fr) 2014-11-10 2015-11-09 Procede de fabrication d'un dispositif electromecanique et dispositif correspondant

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3218302A1 true EP3218302A1 (fr) 2017-09-20

Family

ID=52807874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP15791617.2A Withdrawn EP3218302A1 (fr) 2014-11-10 2015-11-09 Procede de fabrication d'un dispositif electromecanique et dispositif correspondant

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9944512B2 (fr)
EP (1) EP3218302A1 (fr)
JP (1) JP6305647B2 (fr)
KR (1) KR101847793B1 (fr)
CN (1) CN107074531A (fr)
FR (1) FR3028257A1 (fr)
WO (1) WO2016075098A1 (fr)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014117911A1 (de) * 2014-12-04 2016-06-09 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Druckmesszelle
FR3041625B1 (fr) * 2015-09-29 2021-07-30 Tronics Microsystems Dispositif de fixation de deux elements tels qu'une puce, un interposeur et un support
FR3045028B1 (fr) * 2015-12-11 2018-01-05 Tronic's Microsystems Procede de fabrication d'un dispositif micro electromecanique et dispositif correspondant

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3775276B2 (ja) * 2001-10-24 2006-05-17 株式会社デンソー 静電アクチュエータ
JP2003326500A (ja) 2002-05-07 2003-11-18 Masaki Esashi ウエーハプロセス用薄板基板構造とこの薄板基板を用いたｍｅｍｓ素子の製造方法
US7422928B2 (en) * 2003-09-22 2008-09-09 Matsushita Electric Works, Ltd. Process for fabricating a micro-electro-mechanical system with movable components
JP4353039B2 (ja) * 2003-09-22 2009-10-28 パナソニック電工株式会社 半導体構造の製造方法
JP2005153062A (ja) 2003-11-25 2005-06-16 Matsushita Electric Works Ltd 半導体構造の製造方法
JP4449601B2 (ja) 2004-06-30 2010-04-14 パナソニック電工株式会社 半導体構造の製造方法
DE102005004877A1 (de) * 2005-02-03 2006-08-10 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren
US20070170528A1 (en) * 2006-01-20 2007-07-26 Aaron Partridge Wafer encapsulated microelectromechanical structure and method of manufacturing same
FR2898884B1 (fr) 2006-03-27 2008-05-02 Commissariat Energie Atomique Micro-capteur inertiel resonant a epaisseur variable realise en technologies de surface
FR2925223B1 (fr) * 2007-12-18 2010-02-19 Soitec Silicon On Insulator Procede d'assemblage avec marques enterrees
FR2972263B1 (fr) * 2011-03-03 2013-09-27 Tronics Microsystems Capteur inertiel et procede de fabrication correspondant
KR102106074B1 (ko) * 2013-12-05 2020-05-28 삼성전자주식회사 전기 음향 변환기 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20170305739A1 (en) 2017-10-26
CN107074531A (zh) 2017-08-18
KR101847793B1 (ko) 2018-05-28
WO2016075098A1 (fr) 2016-05-19
US9944512B2 (en) 2018-04-17
JP2018500186A (ja) 2018-01-11
FR3028257A1 (fr) 2016-05-13
JP6305647B2 (ja) 2018-04-04
KR20170086483A (ko) 2017-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0605302B1 (fr) Procédé de fabrication d'un capteur de pression utilisant la technologie silicium sur isolant et capteur obtenu
EP0605300B1 (fr) Procédé de fabrication d'accéléromètres utilisant la technologie silicium sur isolant
EP2599745B1 (fr) Procédé de réalisation d'une structure comportant au moins une partie active présentant des zones d'épaisseurs differentes
EP2599746B1 (fr) Procédé de réalisation d'une structure comportant au moins une partie active multi-épaisseur
FR2977885A1 (fr) Procede de realisation d'une structure a electrode enterree par report direct et structure ainsi obtenue
FR2972263A1 (fr) Capteur inertiel et procede de fabrication correspondant
EP2952472B1 (fr) Procede de realisation ameliore d'elements suspendus d'epaisseurs differentes pour structure mems et nems
EP2808297B1 (fr) Procédé de réalisation d'une partie suspendue d'une structure microélectronique et/ou nanoélectronique dans une partie monolithique d'un substrat
CA2866388C (fr) Procede de fabrication d'un capteur de pression et capteur correspondant
EP3975584B1 (fr) Procédé de fabrication d'un transducteur electroacoustique
EP2520900A1 (fr) Gyromètre a capacités parasites reduites
FR3059312A1 (fr) Procede de realisation d’un dispositif electromecanique
EP3218302A1 (fr) Procede de fabrication d'un dispositif electromecanique et dispositif correspondant
EP2075224B1 (fr) Procédé de réalisation d'un dispositif micromécanique ou nanomécanique à butées anti-collage
FR2993873A1 (fr) Structure micromecanique et son procede de fabrication
EP2776364B1 (fr) Procede ameliore de realisation d'un dispositif a cavites formees entre un element suspendu reposant sur des plots isolants semi-enterres dans un substrat et ce substrat
EP2075223A2 (fr) Dispositif a structure pré-libérée
EP3264480B1 (fr) Actionneur électromécanique
EP3386910A1 (fr) Procede de fabrication d'un dispositif micro electromecanique et dispositif correspondant
EP3828943A1 (fr) Microsystème mécanique et procédé de fabrication associé
WO2005024370A1 (fr) Protection d’une membrane deformable contre de fortes deformations dans une structure micromecanique
FR2822817A1 (fr) Procede de fabrication d'une structure a membrane micro-usinee
WO2018172661A1 (fr) Micro-dispositif comprenant au moins deux elements mobiles

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20170504

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20200603