EP1761752A1 - Test de l'etancheite de mems ou de petits composants encapsules - Google Patents

Test de l'etancheite de mems ou de petits composants encapsules

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Publication number
EP1761752A1
EP1761752A1 EP05782184A EP05782184A EP1761752A1 EP 1761752 A1 EP1761752 A1 EP 1761752A1 EP 05782184 A EP05782184 A EP 05782184A EP 05782184 A EP05782184 A EP 05782184A EP 1761752 A1 EP1761752 A1 EP 1761752A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cavity
mems
gas
density
hot source
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Withdrawn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
EP05782184A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
François DE CRECY
Bernard Diem
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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 Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1761752A1 publication Critical patent/EP1761752A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/002—Investigating fluid-tightness of structures by using thermal means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/26—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors
    • G01M3/32—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors for containers, e.g. radiators
    • G01M3/3281—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors for containers, e.g. radiators removably mounted in a test cell

Definitions

  • the invention relates to testing the tightness of MEMS or small encapsulated components.
  • a special case of this need is when the proper functioning requires that the amount of gas (this amount can be zero if the cavity must be kept under vacuum) is constant in the cavity.
  • many types of pressure sensors, accelerometers and gyrometers have this constraint.
  • Another particular case of this necessity is when the good functioning or the safety constraints impose that there is no contamination, in one direction or the other, between the fluid contained in the cavity and the external environment. .
  • many types of MEMS or small devices intended to be integrated in specific environments living organisms, marine or submarine environment, aggressive chemical environments, space, ...) have this constraint.
  • devices having electrical conductors or semiconductors directly in contact with the cavity require, for example to prevent oxidation, their maintenance in a controlled atmosphere. In this case, even bringing the normal atmosphere into contact can be very harmful.
  • a first solution is to try to fill the internal cavity of the MEMS or the small device by placing the MEMS or the small device in a chamber filled with a fluid A (liquid or gas) at a very higher pressure. at the pressure at which the internal cavity of the MEMS or small device should be. If there are hermetic defects, the external fluid enters the cavity. After external rinsing, the MEMS or the small device is then placed in another low-pressure chamber, equipped with a very sensitive detector to fluid A (or its vapor if A is a liquid), for example a mass spectrometer. If the fluid A is detected, it means that there is a lack of hermeticity.
  • Patents GB 1 213 406 and US 4 920 785 describe examples of implementation of this method. In order to increase the sensitivity, various techniques are implemented to promote complete degassing of the MEMS cavity or the small device, for example heating or mechanical vibrations or ultrasound.
  • the principle most frequently used in this type of sensor is to apply the pressure to be measured on one side of a thin waterproof membrane whose other side is in contact with a known pressure, for example vacuum.
  • a known pressure for example vacuum.
  • the pressure difference on either side of the membrane exerts on the latter stresses which create deformations and displacements of this membrane.
  • the stresses on this membrane are measured directly (for example by piezoresistive gauges, possibly integrated in the membrane or by resonant structures whose resonance frequency depends on the stress), or the displacement of this membrane (for example by methods optical or capacitive or by tunnel effect or its consequences on heat transfer).
  • Another principle used to measure the pressure of a gas is the dependence of thermal exchanges on the pressure of the gas.
  • the sensors using this type of physical principle are sometimes called "Pirani type sensors". They are often used to measure rather low pressures, in the range of Pa (sometimes from 10 "1 or 10 ⁇ 2 Pa) to a few kPa (sometimes up to pressures greater than 1 bar).
  • This type of sensor is typically designed to have a heating element (generally by Joule effect) which evacuates its power through the gas whose pressure is sought to be known to a solid substrate which acts as a cold source. power of the heating element, its temperature and the temperature of the cold source are measured, which allows to deduce the heat exchange conditions and thus to deduce the pressure of the gas. All of these MEMS pressure measuring devices have designs and production technologies that are optimized to fulfill this pressure sensor function.
  • ⁇ ⁇ coefficient of thermal accommodation, between 0 and 1, depends on the properties of the surface and the nature of the gas. It is often taken from the order of 0.75 to 1.
  • ⁇ Cp / Cv: isentropic coefficient of the gas, typically of the order of 1.4 for a diatomic gas.
  • Pr Prantl number of the gas, typically of the order of 0.71. It depends little on the pressure but more on the temperature.
  • L average free path of the molecules. L depends on the density of the gas.
  • n vector normal to the wall, oriented towards the gas. The temperature jump as modeled above is valid up to a certain maximum value of the Knudsen number, ratio of the mean free path of molecules to the geometric dimension characteristic of the problem. This maximum value varies according to the authors from 0.13 to 0.6.
  • the subject of the invention is therefore a method for testing the tightness of a MEMS or a small encapsulated component, the MEMS or the small component being housed in a cavity of a support, the cavity being closed by means and containing a gas at a density different from that which it would have if it were at the pressure of the medium outside the cavity, the method being characterized in that it comprises a step of measuring the density of the gas contained in the cavity, the cavity being provided with a heating structure and means for measuring the temperature.
  • the step of measuring the density of the gas comprises the production of a heat exchange between a hot source present in the cavity and a cold source thermally connected to the cavity, and the determination of a characteristic quantity of this cavity. heat exchange.
  • Determining the characteristic magnitude of the heat exchange may include determining the temperature or temperature change of the cold source and / or the hot source.
  • the hot source being an electrical resistance of known resistivity
  • the determination of the temperature of the hot source is obtained by measuring the voltage applied across its terminals and the current flowing therethrough. If the electrical resistance is supplied by a DC voltage, the measurement of the density of the gas is obtained from the thermal resistance through the gas contained in the cavity.
  • the hot source consists of two electrical resistors mounted on two opposite sides of a Wheatstone bridge fed on two opposite vertices by a DC voltage, the two other electrical resistors of the Wheatstone bridge being in contact with the cold source, the voltage taken from both other opposite peaks of the Wheatstone bridge for measuring the density of the gas contained in the cavity.
  • the hot source being an electrical resistance of known resistivity
  • a voltage step is applied to its terminals and the time response of the electrical resistance constituting the hot source is measured to determine the thermal resistance between the hot spring and the rest of the cavity.
  • the hot source being an electrical resistance of known resistivity
  • a sinusoidal voltage is applied to its terminals and the time response of this electrical resistance is measured, from which it is deduced the thermal resistance between the hot spring and the rest of the cavity.
  • the hot source consists of two electrical resistors mounted on two opposite sides of a Wheatstone bridge fed on two opposite peaks by an AC voltage, the other two electrical resistances of the Wheatstone bridge being in contact with the cold source, the voltage taken from the other two opposite peaks of the Wheatstone bridge to obtain the thermal response time of the hot source, from which we deduce the thermal resistance between the hot source and the rest of the cavity.
  • the hot source can be a hot source produced during a manufacturing process used for the realization of the main function of the MEMS or the small component.
  • Wheatstone can be electrical resistors realized during a manufacturing process used for carrying out the main function of MEMS or small component.
  • the invention also relates to a device comprising a MEMS or a small encapsulated component, the MEMS or the small component being housed in a cavity of a support, the cavity being closed by sealing means and containing a gas at a density different from that which it would have if it were at the pressure of the medium outside the cavity, characterized in that a density sensor is also housed in the cavity which is provided with a heating structure and means measuring the temperature.
  • the MEMS or small component and the density sensor may be elements made during a manufacturing process optimized for the main function of the MEMS or small component.
  • FIG. cross-sectional view of a device comprising a MEMS encapsulated to which the method according to the present invention applies
  • FIG. 2 is an electrical diagram showing a Wheatstone bridge used for the test method according to the present invention
  • FIGS. 3A to 3F illustrate a method of manufacturing a device comprising an encapsulated MEMS and means making it possible to implement the test method according to the present invention.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of a device comprising an encapsulated MEMS to which the method according to the present invention applies.
  • the device of Figure 1 is formed on a substrate 1, for example silicon, comprising a cavity 2.
  • the cavity 2 comprises a MEMS 3. It is closed by a thin film 4 acting as a lid whose hermeticity is at test.
  • the cavity 2 is either empty or filled with a gas whose density is different from that which it would have if it were at the pressure of the external medium (on the other side of the thin film 4), this gas being able to to be other than the air.
  • the density of the gas contained in the cavity 2 is measured.
  • the cavity is provided with a heating structure 5, advantageously having a large surface area. heat exchange with the gas and means for measuring the temperature 6 located on the MEMS 3 thermally connected to the cold source 7.
  • the means 6 may also be positioned on the wall of the cavity, itself thermally connected to the cold source or directly in contact with this cold source.
  • a first embodiment corresponds to a simple assembly and measurement.
  • a Joule heating structure exchanges its heat with a cold source, for example constituted by the most massive parts of the MEMS or the small component in thermal contact with the environment.
  • the manufacture of this structure must be compatible with the process allowing the MEMS or small device to fulfill its main function.
  • This structure must exchange the maximum of its power by the gas and the minimum by conduction through the solid parts.
  • an exemplary embodiment may be to provide this heating structure with a number of interdigitated fins with fins connected to the substrate or the cold source.
  • the characteristic dimension of the gas space through which the flow of heat flows between hot part and cold part is of the order of 2 to 15 times the average free path of the molecules of this gas under the density conditions desired within the cavity.
  • This heating structure is made of a conductor or a semiconductor whose resistivity varies with the temperature in known manner.
  • the temperature dependence of the resistance of the heating element is maximum. The voltage and the intensity at the terminals of the structure are measured at the same time, which makes it possible to estimate the power released and the resistance thus the temperature. If we measure or otherwise know the temperature of the cold source, it is possible to deduce an estimate of the density as explained above.
  • a major advantage of this type of assembly is that it is very often possible to achieve this heating structure by changing very little in the process of achieving the MEMS or the small component as it is designed and optimized for its main function. This has been particularly studied in the case of an accelerometer. Of course, the sensitivity and accuracy will be worse than if the heating structure had been optimized for the purpose of making it a gas density sensor, but this sensitivity remains sufficient for a leak detector.
  • a second exemplary embodiment corresponds to a Wheatstone bridge circuit and to a simple measurement. This example is illustrated in FIG. 2. Two heating resistors Ri and R 2
  • resistors R 3 and R 4 which exchange the least possible power through the gas and / or whose resistivity varies as little as possible with the temperature.
  • Resistors R 3 and R 4 can be deposited on top of a layer of electrical insulation as thin as possible and thermally as conductive as possible, for example silicon nitride.
  • This thin layer of electrical insulator and thermal conductor is itself deposited closer to the cold source (for example the substrate for a MEMS, or the most massive part of the small component.)
  • the temperature of the resistors R 3 and R 4 vary little with the thermal exchange conditions (and therefore with the density of the gas), whereas the resistances R1 and R2 vary substantially with the heat exchange conditions (and therefore with the density of the gas).
  • the imbalance of the Wheatstone bridge depends on the density of the gas.
  • the sensitivity of the Wheatstone bridge is maximal when the nominal resistances (that is to say in the nominal conditions of power supply and density of the gas) are of the same order of magnitude for the 4 sides of the bridge.
  • a voltage V can be measured under the effect of a voltage U applied to the bridge, as indicated in FIG. 2, a voltage V can be measured.
  • the voltage V depends on the imbalance of the bridge. As a first approximation and for small variations in resistance, this voltage variation is proportional to the change in the inverse of the density of the gas.
  • a third embodiment corresponds to a simple assembly and a pulse measurement.
  • This embodiment shows the heating structure of the first embodiment.
  • the basic idea is to measure the thermal resistance between the structure and its environment thanks to the fact that it conditions the thermal response time of this structure. A voltage step is applied at its terminals and the time response of the electrical resistance is measured, which makes it possible to have the thermal response time of this structure and, consequently, the thermal resistance between this structure and its environment. We deduce the density of the gas.
  • the ratio of the characteristic time of internal thermal equilibrium of the heating structure to the characteristic time of setting in thermal equilibrium of the heating structure with respect to its environment is small in front of 1. (This ratio corresponds to what the thermists name the number of Biot). If this ratio is small in front of 1, the variations in the temperature inside the heating structure will be small compared to the difference between the temperature of the heating structure and the temperature of the environment or the cold source. This ratio can be estimated by those skilled in the art if they know the thermal properties and the geometry of the structure and the gas surrounding it.
  • a fourth embodiment corresponds to a simple assembly and a sinusoidal measurement.
  • This embodiment shows the heating structure of the first embodiment.
  • the basic idea is to measure the thermal resistance between the heating structure and the cold source by virtue of the fact that it conditions the thermal response time of this heating structure.
  • a sinusoidal voltage of frequency f optionally added with a DC component is applied to its terminals and the time response of the electrical resistance is measured, which makes it possible to have the thermal response time of this heating structure and, consequently, the thermal resistance between it and the cold source.
  • phase shifts depend (among others) on the thermal resistance between the heating structure and the cold source or the solid part of the MEMS or small component. Those skilled in the art can measure these phase shifts and deduce an estimate of this thermal resistance, and therefore the density of the gas.
  • the sensitivity of the phase shift ⁇ 2 of the first harmonic (of frequency 2f) to the value of the thermal resistance between the heating structure and the cold source is maximum when the thermal response time of the structure with respect to its nominal environment is approximately the same. quarter of the period of the electrical excitation signal.
  • the sinusoidal power supply voltage has a non-zero DC component
  • those skilled in the art can easily show that the electrical resistance and the temperature of the heating structure are described by the sum of a constant function and a series of sinusoidal functions of frequencies f, 2f, 3f, 4f, ... out of phase by ⁇ i, ⁇ 2 , ⁇ p3, ⁇ p4 ...
  • These variations and phase-shifts of resistance are measurable by those skilled in the art via measurements of the variations and phase shifts of the currents which cross the resistance. These phase shifts depend (among others) on the thermal resistance between the heating structure and the cold source or the solid part of the MEMS or the small component. The skilled person knows how to measure these phase shifts and deduce an estimate of this thermal resistance, and therefore the density of gas.
  • Cp average heat capacity of the heating structure
  • s electrical conductance (inverse of the electrical resistance) of the heating structure
  • T temperature
  • ⁇ pulsation of the sinusoidal frequency of the power supply
  • R 0 value of the electrical resistance of the heating structure at the average temperature.
  • thermometric probe it is possible to measure the temperature of the heating structure by an independent method, for example by incorporating into the heating structure of a thermometric probe, then this embodiment can be used even if the variation of the resistivity of the heating structure is weak or zero.
  • the ratio of the characteristic time for placing the plant in internal thermal equilibrium of the heating structure. on the characteristic time of setting in thermal equilibrium of the heating structure with respect to the cold source is small in front of 1. (This ratio corresponds to what the thermists name the number of Biot). If this ratio is small in front of 1, the variations in the temperature inside the heating structure are small compared to the difference between the temperature of the structure and the temperature of the cold source. This ratio can be estimated by those skilled in the art if they know the thermal properties and the geometry of the structure and the gas surrounding it.
  • a fifth exemplary embodiment corresponds to a Wheatstone bridge arrangement and a sinusoidal measurement.
  • This embodiment shows the heating structure of the second embodiment.
  • the basic idea is to measure the thermal resistance between the heating structure and the cold source by virtue of the fact that it conditions the thermal response time of this structure.
  • a sinusoidal voltage of frequency f possibly supplemented with a DC component, is applied to the supply terminals of the Wheatstone bridge, and the time response (and in particular its phase shift) is measured on the measurement diode of the Wheatstone bridge, which allows to have the thermal response time of this structure and therefore the thermal resistance between it and the cold source.
  • An advantage of this exemplary implementation of the invention is that it is often easier to measure a phase shift than a real thermal response time, as proposed in the third embodiment, and that the part of the signal of Measurement dependent on the density of the gas on the measurement diode of the Wheatstone bridge is proportionally greater than in the fourth embodiment.
  • the ratio of the characteristic time of setting in internal thermal equilibrium of the elements of the bridge for which the heat exchange is sensitive to the pressure of the gas on the characteristic time of setting in thermal equilibrium of these elements compared to the cold source is small in front of 1. (This ratio corresponds to what the thermists call the number of Biot). If this ratio is small in front of 1, the temperature variations inside the heating structure will be small compared to the difference between the temperature of the heating element and the temperature of the cold source. This ratio can be estimated by those skilled in the art if they know the thermal properties and the geometry of the structure and the gas surrounding it.
  • Figs. 3A-3F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a device comprising an encapsulated MEMS and means for carrying out the leak test method according to the present invention.
  • FIG. 3A shows an SOI substrate 10 comprising a silicon support 11 successively supporting a layer of silicon oxide 12 (for example 2 ⁇ m thick) and a silicon surface layer 13 (for example 0.32 ⁇ m thick). 'thickness) .
  • a silicon support 11 By means of lithography and etching, housings are etched through layers 12 and 13. Each housing may have a rectangular section of 1 micron over 3 microns. A "low stress" silicon nitride deposit is then made to fill the etched housings previously and obtain anchor pads 14 which will be used for electrical insulation and mechanical maintenance of the structure.
  • FIG. 3B shows the silicon layer obtained, the thickness of which may be 25 ⁇ m.
  • the anchoring studs 14 are entirely covered with silicon.
  • silicon zones 16 are formed, these zones having locally more crystalline defects than the rest of the epitaxial layer.
  • LOCS local oxidation of silicon
  • a layer of silicon nitride 18 is then deposited on the oxide zones 17 in order to protect them from a subsequent etching step.
  • FIG. 3C shows the trenches 19 etched in the silicon layer 15.
  • Plenarization and capping is then carried out by depositing a layer of phosphosilicate glass (PSG).
  • PSG phosphosilicate glass
  • the goal is to have a flat surface to facilitate subsequent steps. This objective is achieved thanks to the creep of the PSG which rebouches the upper parts of the trenches 19.
  • the PSG layer undergoes lithography and etching steps to allow subsequent electrical contacting of the interconnections.
  • a polycrystalline silicon layer is then deposited on the structure obtained.
  • Figure 3D shows the structure obtained at this stage of manufacture.
  • Reference 20 denotes the etched PSG layer.
  • Reference 21 designates the etched polycrystalline silicon layer.
  • a second layer of PSG is then deposited on the resulting structure. This deposit may be limited to the area intended to constitute the future cavity, as shown in FIG. 3E where the reference 22 designates the second layer of PSG.
  • the second layer of PSG is lithographed and engraved to define edge areas with respect to the cavity and for the constitution of support pillars of the future hood or cavity cover (see holes 23).
  • a polycrystalline silicon layer 24 is then deposited on the structure. This layer will provide a hood to the cavity.
  • the layer 24 is subjected to a lithography step and all 25 are made in this layer. They reveal the second layer of PSG 22.
  • the second layer of PSG 22, the first PSG layer 20 and the buried oxide layer 12 are then sequentially etched.
  • FIG. 3F The result obtained is shown in FIG. 3F.
  • the holes in the cover 24 are plugged by plugs 26. It is then possible to deposit, on the cover 24, one or more layers of a material (for example polycrystalline silicon) to stiffen the cover and provide it with better mechanical strength.
  • a material for example polycrystalline silicon
  • a very new and useful aspect in the present invention is the fact of being able to make the Pirani sensor in the same manufacturing process as the main active element of the MEM itself. No additional process steps or modifications of this process are necessary. It is enough to adapt the masks to draw structures adapted to the range of density which one wishes to measure.
  • the fact that this structure can be performed on SOI thick causes that the fat Most of the heat exchanging surfaces of the power are vertical. With equal exchange surfaces, this implies a considerable gain in space projected "vertically", so the surface of the wafer, allowing for example and among others to reserve the maximum space for the main object of the MEMS.
  • the density range that the sensor of the present invention can measure depends directly and mainly on the gap between the heating portions and the cold source.
  • Knudsen Kn number as the ratio of the mean free path of a gas molecule divided by the geometric interval, i.e. the distance between the vertical walls of the heating parts and the cold source
  • the Sensitivity of the sensor will be maximal for about 0.05 ⁇ Kn ⁇ 1.
  • the average free path of a molecule is a thermodynamic quantity which depends only on the nature of the gas and its density. For example, it is of the order of 0.1 microns for air under nominal conditions (pressure and ambient temperature).

Abstract

L'invention concerne un procédé de test de l'étanchéité d'un MEMS ou d'un petit composant encapsulé, le MEMS ou le petit composant étant logé dans une cavité d'un support, la cavité étant fermée par des moyens d'étanchéité et contenant un gaz à une masse volumique différente de celle qu'il aurait s'il était à la pression du milieu extérieur à la cavité. Le procédé comprend une étape de mesure de la masse volumique du gaz contenu dans la cavité.

Description

TEST DE I/ETANCHEITE DE MEMS OU DE PETITS COMPOSANTS
ENCAPSULES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au test de l'étanchéité de MEMS ou de petits composants encapsulés .
Il s'agit de vérifier l'étanchéité de petits dispositifs comportant des cavités intérieures et qui sont normalement à une pression différente de la pression atmosphérique ou de la pression de l'environnement dans lequel le fonctionnement du MEMS ou du petit dispositif est prévu. Ceci s'applique donc aussi à la vérification de l'étanchéité de MEMS encapsulés. Il est en effet souvent nécessaire, pour garantir un bon fonctionnement fiable et durable du MEMS ou du petit dispositif, de pouvoir garantir l'étanchéité de la cavité.
Un cas particulier de cette nécessité est lorsque le bon fonctionnement nécessite que la quantité de gaz (cette quantité pouvant être nulle si la cavité doit être maintenue sous vide) soit constante dans la cavité. A titre d'exemple, de nombreux types de capteurs de pression, d' accéléromètres et de gyromètres ont cette contrainte. Un autre cas particulier de cette nécessité est lorsque le bon fonctionnement ou des contraintes de sécurité imposent qu'il n'y ait pas de contamination, dans un sens ou dans l'autre, entre le fluide contenu dans la cavité et l'environnement extérieur. A titre d'exemple, de nombreux types de MEMS ou de petits dispositifs destinés à être intégrés dans des environnements spécifiques (organismes vivants, milieu marin ou sous-marin, ambiances chimiques agressives, espace, ...) ont cette contrainte. Souvent, des dispositifs ayant des conducteurs ou semi-conducteurs électriques directement au contact de la cavité nécessitent, par exemple pour éviter l'oxydation, leur maintien dans une atmosphère contrôlée. Dans ce cas, même une mise en contact de l'atmosphère normal peut être très néfaste.
Il est donc nécessaire d'avoir une méthode de vérification non destructive, qui puisse être réalisée aussi bien lors du procédé de fabrication des MEMS ou des petits dispositifs, qu'ultérieurement lors de l'usage normal du MEMS ou du dispositif ou lors de vérifications du bon fonctionnement du MEMS ou du dispositif.
ÉTAT DE LA TECHNIQtJE ANTERIEtJRE
Pour résoudre ce problème, une première solution est d'essayer de remplir la cavité interne du MEMS ou du petit dispositif en plaçant le MEMS ou le petit dispositif dans une enceinte remplie d'un fluide A (liquide ou gaz) à une pression très supérieure à la pression à laquelle la cavité interne du MEMS ou du petit dispositif devrait être. S'il y a des défauts d'herméticité, il y a pénétration du fluide externe dans la cavité. Après rinçage externe, le MEMS ou le petit dispositif est alors mis dans une autre enceinte à faible pression, équipée d'un détecteur très sensible au fluide A (ou de sa vapeur si A est un liquide) , par exemple un spectromètre de masse. Si le fluide A est détecté, cela signifie qu'il y a un défaut d'herméticité. Les brevets GB 1 213 406 et US 4 920 785 décrivent des exemples de mise en œuvre de cette méthode. Dans le but d'augmenter la sensibilité, diverses techniques sont mises en œuvre pour favoriser le dégazage complet de la cavité du MEMS ou du petit dispositif, par exemple un chauffage ou des vibrations mécaniques ou des ultrasons.
Ce test direct de l'étanchéité de la cavité du MEMS ou du petit dispositif est une manière de faire lourde et complexe, non collective, difficile à reproduire souvent au cours de la vie du MEMS ou du petit dispositif pour en vérifier le bon fonctionnement. Elle nécessite un détecteur de fluide très sensible, appareil souvent complexe et/ou onéreux. Si elle est faite collectivement sur un certain nombre de MEMS ou de petits dispositifs, par exemple sur une plaquette de fabrication avant découpe des MEMS, une fuite sur un seul des dispositifs entraîne le rejet de l'ensemble des dispositifs testés.
On pourrait envisager d'incorporer, dans les MEMS encapsulés ou dans les petits dispositifs, des capteurs de pression. Il existe en effet de nombreux types de capteurs de pression qui sont également des MEMS. Une description des principaux types de capteurs de pression réalisables sous forme de MEMS est donnée dans « The MEMS Handbook » de Mohamed Gad-el-Hak, 2002, CRC Press (voir le chapitre 25 intitulé « Micromachined Pressure Sensors ») .
Le principe le plus fréquemment utilisé dans ce type de capteur est d'appliquer la pression à mesurer sur un côté d'une fine membrane étanche dont l'autre côté est en contact avec une pression connue, par exemple le vide. La différence de pression de part et d' autre de la membrane exerce sur celle-ci des contraintes qui créent des déformations et des déplacements de cette membrane. On mesure soit directement les contraintes sur cette membrane (par exemple par des jauges piézorésistives, éventuellement intégrées à la membrane ou par des structures résonnantes dont la fréquence de résonance dépend de la contrainte) , soit le déplacement de cette membrane (par exemple par des méthodes optiques ou capacitives ou par effet tunnel ou par ses conséquences sur les transferts thermiques) .
Un autre principe utilisé pour mesurer la pression d'un gaz est la dépendance des échanges thermiques à la pression du gaz. Les capteurs utilisant ce type de principe physique sont parfois nommés « capteurs de type Pirani ». Il sont souvent utilisés pour mesurer des pression assez faibles, dans la gamme du Pa (parfois à partir de 10"1 ou 10~2 Pa) à quelques kPa (parfois jusqu'à des pressions supérieures à 1 bar) . Un mode de réalisation classique de ce type de capteur est d'avoir un élément chauffant (généralement par effet Joule) qui évacue sa puissance au travers du gaz dont on cherche à connaître la pression vers un substrat massif qui joue le rôle de source froide. La puissance de l'élément chauffant, sa température et la température de la source froide sont mesurées, ce qui permet d'en déduire les conditions d'échange thermiques et donc d'en déduire la pression du gaz. Tous ces dispositifs MEMS de mesure de pression ont des conceptions et des technologies de réalisation qui sont optimisées pour remplir cette fonction de capteur de pression.
L'incorporation d'un capteur de pression au sein de la cavité du MEMS ou du petit dispositif est une manière de faire onéreuse et complexe, qui nécessite souvent de modifier profondément les procédés de fabrication tels qu'ils pourraient être conçus ou optimisés pour la fonction principale du MEMS ou du petit dispositif et qui peut représenter un encombrement inacceptable dans certains cas. De plus, il est des cas où il est impossible d'incorporer un capteur de pression tout en conservant la fonction principale du MEMS ou du petit dispositif.
EXPOSÉ DE I/ INVENTION
Afin de remédier aux inconvénients de l'art antérieur, il est proposé par la présente invention d' incorporer au sein de la cavité un détecteur simplifié de masse volumique du gaz inspiré des capteurs de pression de type Pirani, en utilisant les mêmes techniques et/ou méthodes que celles conçues et optimisées pour la fonction principale du MEMS ou du petit dispositif. On utilise pour cela le fait que lorsque le libre parcours moyen des molécules n'est plus très petit devant la dimension caractéristique de l'épaisseur du gaz, il se crée un saut de température au voisinage d'une paroi échangeant de la chaleur, modélisé il y a plus d'un siècle par von Smoluchowski (1898) en : T Tgaz - T Tparoi - - _ 2 ~ σ-τ . - 2_^ . - L . VVTTgaz ** ;n
avec στ : coefficient d'accommodation thermique, entre 0 et 1, dépend des propriétés de la surface et de la nature du gaz. Il est souvent pris de l'ordre de 0,75 à 1. γ= Cp/Cv : coefficient isentropique du gaz, typiquement de l'ordre de 1,4 pour un gaz diatomique.
Pr : nombre de Prantl du gaz, typiquement de l'ordre de 0,71. Il dépend peu de la pression mais plus de la température.
L : libre parcours moyen des molécules. L dépend de la masse volumique du gaz. n : vecteur normal à la paroi, orienté vers le gaz . Le saut de température tel que modélisé ci- dessus est valable jusqu'à une certaine valeur maximale du nombre de Knudsen, ratio du libre parcours moyens des molécules à la dimension géométrique caractéristique du problème. Cette valeur maximale varie suivant les auteurs de 0,13 à 0,6.
A titre d'exemple, l'homme de l'art peut aisément montrer que pour des géométries simplistes (plaques parallèles, cylindres coaxiaux, ...) cette condition aux limites associée aux équations classiques de la conduction thermique en régime permanent (équations qui demeurent valables dans cette gamme de Knudsen) équivaut à éloigner chaque paroi d'une distance α définie par
2-στ 2γ L α = - στ γ+1 Pr
Pour du gaz entre deux plaques parallèles, il faut modifier les formules classiques en augmentant de 2α les épaisseurs de gaz.
Le fait que le but n'est pas d'avoir une « mesure » précise et sensible de la masse volumique du gaz, mais seulement de détecter des « grosses » variations de la masse volumique du gaz à l'intérieur de la cavité permet de relâcher considérablement les contraintes sur la conception du détecteur. (On rappelle que, pour un volume fermé et constant de gaz, la masse volumique est forcément constante. Tout défaut d'étanchéité vis-à-vis d'un environnement à pression différente se traduira par une variation de la masse totale de gaz et donc de la masse volumique) . Par exemple, il suffit d'avoir au sein de la cavité une structure chauffante par effet Joule qui échange sa chaleur soit avec une source froide (par exemple constituée par les parties les plus massives du MEMS ou du petit dispositif en contact thermique avec l'environnement), soit avec une autre structure, et de mesurer la température ou l'évolution de température de la source froide ou de l'autre structure. On a ainsi accès aux conditions d'échanges thermiques et en particulier de la part des échanges thermiques globaux qui passent par conduction ou convection au travers du gaz. Connaissant la résistance thermique de ce gaz, sa nature et la géométrie du capteur, il est possible d'en déduire une estimation de sa masse volumique. Par exemple, un des modes d'utilisation peut consister à déduire des mesures de puissance électrique et de température la résistance thermique
(ce qui est trivial : Rth= Puissance/Tchaud-Tfroid) dans le cas d'un régime permanent avec un seul élément chauffant et une source froide) , puis en déduire la partie de cette résistance thermique due au transfert dans le gaz (chose qui est à la portée de l'homme de l'art, par exemple l'ingénieur thermicien) . On peut ensuite en déduire une estimation de la masse volumique. Ces calculs peuvent être faits analytiquement dans le cas de géométries simples ou peuvent nécessiter l'usage de codes de calculs pour des géométries complexes. Il est également possible pour le concepteur du système de test d'établir des abaques ou des formules analytiques simples permettant à l'utilisateur ou à un système informatique d'en déduire facilement la masse volumique du gaz.
Cette estimation (ou ce test) non destructive peut être faite entièrement par des mesures électriques, donc aussi bien à l'issu de la fabrication qu'au cours de la vie du MEMS ou du petit dispositif. Il ne nécessite qu'un appareillage de mesures électriques simple et standard. L'invention a donc pour objet un procédé de test de l'étanchéité d'un MEMS ou d'un petit composant encapsulé, le MEMS ou le petit composant étant logé dans une cavité d'un support, la cavité étant fermée par des moyens d'étanchéité et contenant un gaz à une masse volumique différente de celle qu'il aurait s'il était à la pression du milieu extérieur à la cavité, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mesure de la masse volumique du gaz contenu dans la cavité, la cavité étant pourvue d'une structure chauffante et de moyens de mesure de la température. Avantageusement, l'étape de mesure de la masse volumique du gaz comprend la production d'un échange de chaleur entre une source chaude présente dans la cavité et une source froide thermiquement reliée à la cavité, et la détermination d'une grandeur caractéristique de cet échange de chaleur.
La détermination de la grandeur caractéristique de l'échange de chaleur peut comprendre la détermination de la température ou de l'évolution de température de la source froide et/ou de la source chaude.
Selon un mode de mise en œuvre, la source chaude étant une résistance électrique de résistivité connue, la détermination de la température de la source chaude est obtenue par la mesure de la tension appliquée à ses bornes et du courant la traversant. Si la résistance électrique est alimentée par une tension continue, la mesure de la masse volumique du gaz est obtenue à partir de la résistance thermique au travers du gaz contenu dans la cavité. Selon un autre mode de mise en œuvre, la source chaude est constituée de deux résistances électriques montées sur deux côtés opposés d'un pont de Wheatstone alimenté sur deux sommets opposés par une tension continue, les deux autres résistances électriques du pont de Wheatstone étant en contact avec la source froide, la tension prélevée sur les deux autres sommets opposés du pont de Wheatstone permettant de mesurer la masse volumique du gaz contenu dans la cavité.
Selon un autre mode de mise en œuvre, la source chaude étant une résistance électrique de résistivité connue, un échelon de tension est appliqué à ses bornes et on mesure la réponse temporelle de la résistance électrique constituant la source chaude pour déterminer la résistance thermique entre la source chaude et le reste de la cavité.
Selon encore un autre mode de mise en œuvre, la source chaude étant une résistance électrique de résistivité connue, une tension sinusoïdale est appliquée à ses bornes et la réponse temporelle de cette résistance électrique est mesurée, d'où on en déduit la résistance thermique entre la source chaude et le reste de la cavité.
Selon encore un autre mode de mise en œuvre, la source chaude est constituée de deux résistances électriques montées sur deux côtés opposés d'un pont de Wheatstone alimenté sur deux sommets opposés par une tension alternative, les deux autres résistances électriques du pont de Wheatstone étant en contact avec la source froide, la tension prélevée sur les deux autres sommets opposés du pont de Wheatstone permettant d' obtenir le temps de réponse thermique de la source chaude, d'où on en déduit la résistance thermique entre la source chaude et le reste de la cavité. La source chaude peut être une source chaude réalisée au cours d'un procédé de fabrication utilisé pour la réalisation de la fonction principale du MEMS ou du petit composant.
Les résistances électriques du pont du
Wheatstone peuvent être des résistances électriques réalisées au cours d'un procédé de fabrication utilisé pour la réalisation de la fonction principale de MEMS ou du petit composant.
L'invention a également pour objet un dispositif comprenant un MEMS ou un petit composant encapsulé, le MEMS ou le petit composant étant logé dans une cavité d'un support, la cavité étant fermée par des moyens d'étanchéité et contenant un gaz à une masse volumique différente de celle qu'il aurait s'il était à la pression du milieu extérieur à la cavité, caractérisé en ce qu'un capteur de masse volumique est également logé dans la cavité qui est pourvue d'une structure chauffante et de moyens de mesure de la température.
Le MEMS ou le petit composant et le capteur de masse volumique peuvent être des éléments réalisés au cours d'un procédé de fabrication optimisé pour la fonction principale du MEMS ou du petit composant.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif comprenant un MEMS encapsulé auquel s'applique le procédé selon la présente invention,
- figure 2 est un schéma électrique représentant un pont de Wheatstone utilisé pour le procédé de test selon la présente invention,
- les figures 3A à 3F illustrent un procédé de fabrication d'un dispositif comprenant un MEMS encapsulé et des moyens permettant la mise en œuvre du procédé de test selon la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif comprenant un MEMS encapsulé auquel s'applique le procédé selon la présente invention.
La dispositif de la figure 1 est réalisé sur un substrat 1, par exemple en silicium, comprenant une cavité 2. La cavité 2 comprend un MEMS 3. Elle est fermée par un film mince 4 jouant le rôle de couvercle dont l'herméticité est à tester. La cavité 2 est soit vide, soit remplie d'un gaz dont la masse volumique est différente de celle qu'il aurait s'il était à la pression du milieu extérieur (de l'autre côté du film mince 4), ce gaz pouvant être autre que l'air. Pour contrôler l'étanchéité du MEMS encapsulé, on procède selon l'invention à la mesure de la masse volumique du gaz contenu dans la cavité 2. Pour cela, la cavité est pourvue d'une structure chauffante 5, présentant avantageusement une grande surface d'échange thermique avec le gaz et de moyens de mesure de la température 6 situés sur le MEMS 3 relié thermiquement à la source froide 7.
En variante, les moyens 6 peuvent être également positionnés sur la paroi de la cavité, elle- même thermiquement reliée à la source froide ou encore directement au contact de cette source froide.
Les connexions de la structure chauffante et des moyens de mesure de la température ne sont pas représentées. La mise en œuvre du procédé de test sera expliquée plus en détail par la suite au moyen de plusieurs exemples de réalisation.
Un premier exemple de réalisation correspond à un montage et à une mesure simple.
Au sein de la cavité, une structure chauffante par effet Joule échange sa chaleur avec une source froide, par exemple constituée par les parties les plus massives du MEMS ou du petit composant en contact thermique avec l'environnement. La fabrication de cette structure doit être compatible avec le procédé permettant au MEMS ou au petit dispositif de remplir sa fonction principale. Cette structure doit échanger le maximum de sa puissance par le gaz et le minimum par conduction aux travers des parties solides. Pour cela, un exemple de réalisation peut être de munir cette structure chauffante d'un certain nombre d'ailettes interdigitées avec des ailettes reliées au substrat ou à la source froide.
Pour que la sensibilité du dispositif soit la meilleure possible, il est souhaitable que la dimension caractéristique de l'espace de gaz au travers duquel le flux de chaleur s'écoule entre partie chaude et partie froide soit de l'ordre de 2 à 15 fois le libre parcours moyen des molécules de ce gaz dans les conditions de masse volumique souhaitées au sein de la cavité. Cette structure chauffante est faite en un conducteur ou en un semi-conducteur dont la résistivité varie avec la température de manière connue. Pour que la sensibilité du dispositif soit la meilleure possible, il est souhaitable que la dépendance en température de la résistance de l'élément chauffant soit maximale. On mesure à la fois la tension et l'intensité aux bornes de la structure, ce qui permet d'estimer la puissance dégagée et la résistance donc la température. Si on mesure ou si on connaît par ailleurs la température de la source froide, il est possible d'en déduire une estimation de la masse volumique comme expliqué ci-dessus.
Un gros avantage de ce type de montage (avantage que l'on retrouvera dans les autres exemples présentés ci-dessous) est qu'il est très souvent possible de réaliser cette structure chauffante en changeant très peu de choses au procédé de réalisation du MEMS ou du petit composant tel qu'il est conçu et optimisé pour sa fonction principale. Ceci a été en particulier étudié dans le cas d'un accéléromètre. Bien sûr, la sensibilité et la précision seront moins bonnes que si on avait optimisé la structure chauffante dans le but d'en faire un capteur de masse volumique du gaz, mais cette sensibilité demeure suffisante pour un détecteur d' étanchéité. Un deuxième exemple de réalisation correspond à un montage en pont de Wheatstone et à une mesure simple. Cet exemple est illustré par la figure 2. Deux résistances chauffantes Ri et R2
(source chaude) , destinées à un échange maximum de puissance au travers du gaz contenu dans la cavité, sont montées sur deux côtés opposés d'un pont de
Wheatstone. Ces résistances sont pourvues d'ailettes interdigitées . L'échange thermique entre ces résistances et la source froide est sensible à la masse volumique du gaz contenu dans la cavité. Les deux autres côtés du pont de Wheatstone sont constitués de résistances R3 et R4 qui échangent le moins possible de puissance au travers du gaz et/ou dont la résistivité varie le moins possible avec la température. Les résistances R3 et R4 peuvent être déposées au-dessus d'une couche d'isolant électrique le plus mince possible et thermiquement le plus conductrice possible, par exemple du nitrure de silicium. Cette mince couche d' isolant électrique et conducteur thermique est elle- même déposée au plus près de la source froide (par exemple le substrat pour un MEMS, ou la partie la plus massive du petit composant. De ce fait, la température des résistances R3 et R4 varie peu avec les conditions d'échange thermique (et donc avec la masse volumique du gaz) . Au contraire, les résistances Rl et R2 varient sensiblement avec les conditions d'échange thermique (et donc avec la masse volumique du gaz) . De ce fait, le déséquilibre du pont de Wheatstone dépend de la masse volumique du gaz. L'homme de l'art sait que la sensibilité du pont de Wheatstone est maximale quand les résistances nominales (c'est-à-dire dans les conditions nominales d' alimentation électrique et de masse volumique du gaz) sont du même ordre de grandeur pour les 4 côtés du pont.
Sous l'effet d'une tension U appliquée au pont, comme indiqué sur la figure 2, une tension V peut être mesurée. La tension V dépend du déséquilibre du pont. En première approximation et pour de faibles variations de résistance, cette variation de tension est proportionnelle à la variation de l'inverse de la masse volumique du gaz.
Un troisième exemple de réalisation correspond à un montage simple et une mesure impulsionnelle.
Cet exemple de réalisation reprend la structure chauffante du premier exemple de réalisation. L'idée de base est de mesurer la résistance thermique entre la structure et son environnement grâce au fait qu'elle conditionne le temps de réponse thermique de cette structure. Un échelon de tension est appliqué à ses bornes et on mesure la réponse temporelle de la résistance électrique, qui permet d'avoir le temps de réponse thermique de cette structure et, par conséquent, la résistance thermique entre celle-ci et son environnement. On en déduit la masse volumique du gaz .
Pour que cette solution soit suffisamment sensible à la masse volumique du gaz, il faut que le ratio du temps caractéristique de mise en équilibre thermique interne de la structure chauffante sur le temps caractéristique de mise en équilibre thermique de la structure chauffante par rapport à son environnement soit petit devant 1. (Ce ratio correspond à ce que les thermiciens nomment le nombre de Biot) . Si ce ratio est petit devant 1, les variations de la température à l'intérieur de la structure chauffante seront faibles devant la différence entre la température de la structure chauffante et la température de l'environnement ou de la source froide. Ce ratio peut être estimé par l'homme de l'art s'il connaît les propriétés thermiques et la géométrie de la structure et du gaz l'environnant.
Un quatrième exemple de réalisation correspond à un montage simple et à une mesure sinusoïdale.
Cet exemple de réalisation reprend la structure chauffante du premier exemple de réalisation. Comme pour le troisième exemple de réalisation, l'idée de base est de mesurer la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide grâce au fait qu'elle conditionne le temps de réponse thermique de cette structure chauffante. Une tension sinusoïdale de fréquence f éventuellement additionnée d'une composante continue, est appliquée à ses bornes et on mesure la réponse temporelle de la résistance électrique, ce qui permet d' avoir le temps de réponse thermique de cette structure chauffante et, par conséquent, la résistance thermique entre celle-ci et la source froide. On en déduit la masse volumique du gaz. Si la tension sinusoïdale d'alimentation électrique n'a pas de composante continue, l'homme de l'art peut facilement montrer que la résistance électrique et la température de la structure chauffante sont décrites par la somme d'une fonction constante et d'une série de fonctions sinusoïdales de fréquences 2f, 4f, 6f, ...déphasées de φ2, q>4, φβ- Ces déphasages dépendent (entre autres) de la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide ou la partie massive du MEMS ou du petit composant. L'homme de l'art sait mesurer ces déphasages et en déduire une estimation de cette résistance thermique, et donc de la masse volumique du gaz. La sensibilité du déphasage φ2 de la première harmonique (de fréquence 2f) à la valeur de la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide est maximale quand le temps de réponse thermique de la structure par rapport à son environnement nominal est environ le quart de la période du signal électrique d'excitation.
Si la tension sinusoïdale d'alimentation électrique a une composante continue non nulle, l'homme de l'art peut facilement montrer que la résistance électrique et la température de la structure chauffante sont décrites par la somme d'une fonction constante et d'une série de fonctions sinusoïdales de fréquences f, 2f, 3f, 4f,... déphasées de φi, φ2, <p3, <p4 ... Ces variations et déphasages de résistance sont mesurables par l'homme de l'art via des mesures des variations et déphasages des courant qui traversent la résistance. Ces déphasages dépendent (entre autres) de la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide ou la partie massive du MEMS ou du petit composant. L'homme de l'art sait mesurer ces déphasages et en déduire une estimation de cette résistance thermique, et donc de la masse volumique de gaz .
A titre d'exemple, dans le cas où la composante continue du signal appliqué est nulle, l'homme de l'art peut aisément montrer qu'une première approximation grossière du déphasage (retard) de la température de la structure chauffante par rapport au carré de la tension d'alimentation, en négligeant entre autres les effets de la dépendance non linéaire de la conductibilité électrique de la structure chauffante avec la température, est donnée par φi = arctg[ (ω0 - Qo.γ ) /ω] - π/2
U avec K : conductance thermique totale entre la structure chauffante et la source froide,
M : masse thermique de la structure chauffante,
Cp : capacité calorifique moyenne de la structure chauffante, s : conductance électrique (inverse de la résistance électrique) de la structure chauffante,
T : température, ω : pulsation de la fréquence sinusoïde d'alimentation électrique,
U0 : amplitude de la fréquence sinusoïdale d'alimentation électrique,
R0 : valeur de la résistance électrique de la structure chauffante à la température moyenne. Un avantage de cet exemple de mise en œuvre de l'invention est qu'il est souvent plus facile de mesurer un déphasage qu'un véritable temps de réponse thermique, comme proposé dans le troisième exemple de réalisation.
S'il est possible de mesurer la température de la structure chauffante par une méthode indépendante, par exemple par l'incorporation dans la structure chauffante d'une sonde thermométrique, alors cet exemple de réalisation peut être utilisé même si la variation de la résistivité de la structure chauffante est faible ou nulle.
Comme dans le cas du troisième exemple de réalisation, pour que cette solution soit suffisamment sensible à la masse volumique du gaz et que l'approximation précédente soit valable, il faut que le ratio du temps caractéristique de mise en équilibre thermique interne de la structure chauffante sur le temps caractéristique de mise en équilibre thermique de la structure chauffante par rapport à la source froide soit petit devant 1. (Ce ratio correspond à ce que les thermiciens nomment le nombre de Biot) . Si ce ratio est petit devant 1, les variations de la température à l'intérieur de la structure chauffante sont faibles devant la différence entre la température de la structure et la température de la source froide. Ce ratio peut être estimé par l'homme de l'art s'il connaît les propriétés thermiques et la géométrie de la structure et du gaz l'environnant. Un cinquième exemple de réalisation correspond à un montage en pont de Wheatstone et une mesure sinusoïdale.
Cet exemple de réalisation reprend la structure chauffante du deuxième exemple de réalisation. Comme pour les troisième et quatrième exemples de réalisation, l'idée de base est de mesurer la résistance thermique entre la structure chauffante et la source froide grâce au fait qu'elle conditionne le temps de réponse thermique de cette structure. Une tension sinusoïdale de fréquence f, éventuellement additionnée d'une composante continue, est appliquée aux bornes d'alimentation du pont de Wheatstone, et on mesure la réponse temporelle (et en particulier son déphasage) sur la diagonale de mesure du pont de Wheatstone, ce qui permet d'avoir le temps de réponse thermique de cette structure et par conséquent la résistance thermique entre celle-ci et la source froide. On en déduit la masse volumique du gaz. Un avantage de cet exemple de mise en œuvre de l'invention est qu'il est souvent plus facile de mesurer un déphasage qu'un véritable temps de réponse thermique, comme proposé dans le troisième exemple de réalisation, et que la partie du signal de mesure dépendant de la masse volumique du gaz sur la diagonale de mesure du pont de Wheatstone est proportionnellement plus importante que dans le quatrième exemple de réalisation.
Comme dans le cas des troisième et quatrième exemples de réalisation, pour que cette solution soit suffisamment sensible à la masse volumique du gaz, il faut que le ratio du temps caractéristique de mise en équilibre thermique interne des éléments du pont pour lesquels l'échange thermique est sensible à la pression du gaz sur le temps caractéristique de mise en équilibre thermique de ces éléments par rapport à la source froide soit petit devant 1. (Ce ratio correspond à ce que les thermiciens nomment le nombre de Biot) . Si ce ratio est petit devant 1, les variations de la température à l'intérieur de la structure chauffante seront faibles devant la différence entre la température de l'élément chauffant et la température de la source froide. Ce ratio peut être estimé par l'homme de l'art s'il connaît les propriétés thermiques et la géométrie de la structure et du gaz l'environnant.
Les figures 3A à 3F sont des vues en coupe transversale illustrant un procédé de fabrication d'un dispositif comprenant un MEMS encapsulé et des moyens permettant la mise en œuvre du procédé de test d'étanchéité selon la présente invention.
La figure 3A montre un substrat SOI 10 comprenant un support 11 en silicium supportant successivement une couche d'oxyde de silicium 12 (par exemple de 2 μm d'épaisseur) et une couche superficielle de silicium 13 (par exemple de 0,32 μm d'épaisseur) . Par une technique de lithographie et de gravure, des logements sont gravés au travers des couches 12 et 13. Chaque logement peut avoir une section rectangulaire de 1 μm sur 3 μm. On réalise ensuite un dépôt de nitrure de silicium « faible contrainte » pour remplir les logements gravés précédemment et obtenir des plots d'ancrage 14 qui serviront à l'isolation électrique et au maintien mécanique de la structure.
On procède ensuite à une épitaxie de silicium pour augmenter considérablement l'épaisseur de la couche superficielle de silicium. La figure 3B montre la couche de silicium 15 obtenue, dont l'épaisseur peut être de 25 μm. Au cours de cette épitaxie, les plots d'ancrage 14 sont entièrement recouverts de silicium. Sur les plots 14, il se forme donc des zones 16 de silicium, ces zones présentant localement plus de défauts cristallins que le reste de la couche épitaxiée.
Par oxydation locale du silicium (LOCOS) , on délimite ensuite des zones d'oxyde 17 correspondant aux futures pistes conductrices et aux zones qui devront être découplées capacitivement du cœur du dispositif.
Une couche de nitrure de silicium 18 est ensuite déposée sur les zones d'oxyde 17 afin de les protéger d'une étape postérieure de gravure.
On procède ensuite à des étapes de lithographie et de gravure profonde, par exemple par gravure ionique réactive (RIE) , de la couche de silicium 15 (voir la figure 3C) pour dégager des parties constitutives du MEMS (qui est par exemple un accéléromètre) et des parties constitutives du capteur de masse volumique. Cette gravure se fait dans toute l'épaisseur de la couche de silicium 15 jusqu'à atteindre la couche d'oxyde enterré 12. La figure 3C montre les tranchées 19 gravées dans la couche de silicium 15.
On effectue ensuite une planarisation et un rebouchage par le dépôt d'une couche de verre au phospho-silicate (PSG) . L'objectif est d'avoir une surface plane pour faciliter les étapes ultérieures. Cet objectif est atteint grâce au fluage du PSG qui rebouche les parties supérieures des tranchées 19.
La couche de PSG subit des étapes de lithographie et de gravure pour permettre par la suite la prises de contact électrique des interconnexions.
Une couche de silicium polycristallin est ensuite déposée sur la structure obtenue. On procède à des étapes de lithographie et de gravure de la couche de silicium polycristallin afin de constituer les électrodes et interconnexions du MEMS, ainsi que les résistances du capteur de masse volumique pour lesquelles les conditions d'échange thermique doivent être le plus indépendantes possible de la masse volumique du gaz dans la cavité. Ceci est vrai en particulier dans le cas d'un montage en pont de Wheatstone du capteur de masse volumique.
La figure 3D montre la structure obtenue à ce stade de la fabrication. La référence 20 désigne la couche de PSG gravée. La référence 21 désigne la couche de silicium polycristallin gravée.
On dépose ensuite une deuxième couche de PSG sur la structure obtenue. Ce dépôt peut être limité à la zone destinée à constituer la future cavité, comme le montre la figure 3E où la référence 22 désigne la deuxième couche de PSG. La deuxième couche de PSG est lithographiée et gravée pour définir des zones de bord par rapport à la cavité et en vue de la constitution de piliers de soutien du futur capot ou couvercle de la cavité (voir les trous 23) . Une couche de silicium polycristallin 24 est alors déposée sur la structure. Cette couche permettra de fournir un capot à la cavité.
La couche 24 est soumise à une étape de lithographie et des tous 25 sont réalisés dans cette couche. Ils permettent de révéler la deuxième couche de PSG 22.
On procède ensuite successivement à une gravure chimique de la deuxième couche de PSG 22, de la première couche de PSG 20 et de la couche d'oxyde enterré 12.
Le résultat obtenu est représenté à la figure 3F. Les trous dans le capot 24 sont bouchés par des bouchons 26. On peut ensuite déposer, sur le capot 24, une ou plusieurs couches d'un matériau (par exemple du silicium polycristallin) pour rigidifier le capot et lui assurer une meilleure tenue mécanique.
Un aspect très nouveau et utile dans la présente invention est le fait de pouvoir réaliser le capteur Pirani dans le même procédé de fabrication que l'élément actif objet principal du MEM lui-même. Aucune étape supplémentaire de procédé ni aucune modification de ce procédé n'est nécessaire. Il suffit d'adapter les masques pour dessiner des structures adaptées à la gamme de masse volumique qu'on désire mesurer. Le fait que cette structure puisse être réalisée sur du SOI épais entraîne que la grosse majorité des surfaces échangeant thermiquement de la puissance sont verticales. A surfaces d'échange égales, ceci implique un gain considérable de place en surface projetée « verticalement », donc en surface de la plaquette, permettant par exemple et entre autres de réserver le maximum de place à l'objet principal du MEMS.
La gamme de masse volumique que le capteur de la présente invention peut mesurer dépend directement et principalement de l'intervalle entre les parties chauffantes et la source froide. En définissant le nombre de Knudsen Kn comme le rapport du libre parcours moyen d'une molécule de gaz divisé par l'intervalle géométrique, c'est-à-dire la distance entre les parois verticales des parties chauffantes et de la source froide, la sensibilité du capteur sera maximale pour environ 0,05 < Kn < 1. Le libre parcours moyen d'une molécule est une grandeur thermodynamique qui ne dépend que de la nature du gaz et de sa masse volumique. A titre d'exemple, elle est de l'ordre de 0,1 μm pour de l'air dans des conditions nominales (pression et température ambiante) . Cette gamme optimale en Knudsen peut aisément être traduite en dimension géométrique si on se donne a priori la gamme de masse volumique du gaz qu'on souhaite mesurer. Il suffit pour cela d' adapter la taille de la tranchée dans le SOI épais (soit l'intervalle géométrique, c'est-à-dire la distance entre les parois verticales des parties chauffantes et de la source froide) . On peut donc aisément baisser considérablement la masse volumique mesurable, jusqu'à des valeurs de l'ordre ou inférieures à ICT3 kg/m3. Pour baisser en gamme de masse volumique mesurable il suffit d' augmenter cet intervalle géométrique, ce qui est facile. La valeur minimale mesurable sera dans la pratique limitée par le fait qu'il est nettement préférable d'avoir un transfert thermique via la conduction au sein du gaz prédominant ou tout simplement important dans le transfert thermique total. Les deux autres modes de transferts thermiques qui interviennent sont les transferts radiatifs (qui dépendent fortement de l'état de surface des parois en regard et surtout de la puissance 4ieme de la température de la paroi chaude) et les transferts par conduction au sein des solides
(connexions électriques et dispositifs de maintien mécanique) . Ces deux termes de transferts thermiques sont aisément calculables par l'homme de l'art.
Il est très important de noter qu'il est tout à fait possible, et conseillé pour un certain nombre d'applications, de réaliser avec un même masque, et donc dans le même MEMS, une série de plusieurs capteurs Pirani, chacun étant adapté à sa gamme de masse volumique et l'ensemble couvrant une large gamme de masse volumique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de test de l'étanchéité d'un MEMS ou d'un petit composant encapsulé, le MEMS ou le petit composant étant logé dans une cavité d'un support, la cavité étant fermée par des moyens d'étanchéité et contenant un gaz à une masse volumique différente de celle qu'il aurait s'il était à la pression du milieu extérieur à la cavité, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mesure de la masse volumique du gaz contenu dans la cavité, la cavité étant pourvue d'une structure chauffante et de moyens de mesure de la température.
2. Procédé de test selon la revendication
1, caractérisé en ce que l'étape de mesure de la masse volumique du gaz comprend la production d'un échange de chaleur entre une source chaude présente dans la cavité et une source froide thermiquement reliée à la cavité, et la détermination d'une grandeur caractéristique de cet échange de chaleur.
3. Procédé de test selon la revendication
2, caractérisé en ce que la détermination d'une grandeur caractéristique de l'échange de chaleur comprend la détermination de la température ou de l'évolution de température de la source froide et/ou de la source chaude.
4. Procédé de test selon la revendication
3, caractérisé en ce que, la source chaude étant une résistance électrique de résistivité connue, la détermination de la température de la source chaude est obtenue par la mesure de la tension appliquée à ses bornes et du courant la traversant.
5. Procédé de test selon la revendication 4, caractérisé en ce que, la résistance électrique étant alimentée par une tension continue, la mesure de la masse volumique du gaz est obtenue à partir de la résistance thermique au travers du gaz contenu dans la cavité.
6. Procédé de test selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source chaude est constituée de deux résistances électriques montées sur deux côtés apposés d'un pont de Wheatstone alimenté sur deux sommets opposés par une tension continue, les deux autres résistances électriques du pont de Wheatstone étant en contact avec la source froide, la tension prélevée sur les deux autres sommets opposés du pont de Wheatstone permettant de mesurer la masse volumique du gaz contenu dans la cavité.
7. Procédé de test selon la revendication 3, caractérisé en ce que, la source chaude étant une résistance électrique de résistivité connue, un échelon de tension est appliqué à ses bornes et on mesure la réponse temporelle de la résistance électrique constituant la source chaude pour déterminer la résistance thermique entre la source chaude et le reste de la cavité.
8. Procédé de test selon la revendication 3, caractérisé en ce que, la source chaude étant une résistance électrique de résistivité connue, une tension sinusoïdale est appliquée à ses bornes et la réponse temporelle de cette résistance électrique est mesurée, d'où on en déduit la résistance thermique entre la source chaude et le reste de la cavité.
9. Procédé de test selon la revendication
2, caractérisé en ce que la source chaude est constituée de deux résistances électrique montées sur deux côtés opposés d'un pont de Wheatstone alimenté sur deux sommets opposés par une tension alternative, les deux autres résistances électriques du pont de Wheatstone étant en contact avec la source froide, la tension prélevée sur les deux autres sommets opposés du pont de Wheatstone permettant d'obtenir le temps de réponse thermique de la source chaude, d'où on en déduit la résistance thermique entre la source chaude et le reste de la cavité.
10. Procédé de test selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source chaude est une source chaude réalisée au cours d'un procédé de fabrication utilisé pour la réalisation de la fonction principale du MEMS ou du petit composant.
11. Procédé de test selon l'une des revendications 6 ou 9, caractérisé en ce que les résistances électriques du pont de Wheatstone sont des résistances électriques réalisées au cours d'un procédé de fabrication utilisé pour la réalisation de la fonction principale de MEMS ou du petit composant.
12. Dispositif comprenant un MEMS ou un petit composant encapsulé, le MEMS ou le petit composant étant logé dans une cavité d'un support, la cavité étant fermée par des moyens d'étanchéité et contenant un gaz à une masse volumique différente de celle qu'il aurait s'il était à la pression du milieu extérieur à la cavité, caractérisé en ce qu'un capteur de masse volumique est également logé dans la cavité qui est pourvue d'une structure chauffante et de moyens de mesure de la température.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le MEMS ou le petit composant et le capteur de masse volumique sont des éléments réalisés au cours d'un procédé de fabrication optimisé pour la fonction principale du MEMS ou du petit composant .
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